3.4蛋白质工程的原理和应用导学案-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第三章第四节 蛋白质工程的原理和应用 导学案 【学习目标】 1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.蛋白质工程的基本原理是什么？ 3.蛋白质工程已有哪些实际的应用？ 【重点难点】 1.重点： (1)蛋白质工程的基本原理。 (2)依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。 2.难点： (1)蛋白质工程的基本原理。 (2)依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。 --------〔感知教材〕-------- 1、 蛋白质工程的概念 1.蛋白质工程的基础：蛋白质分子的 及其与 的关系 2.蛋白质工程的手段：通过 或 ，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质 3.蛋白质工程的手目的：获得满足人类生产和生活需求的 。 二、蛋白质工程崛起的缘由 （1）崛起缘由 ①基因工程的实质：将一种生物的 转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的 ，进而表现出 。 ②基因工程的不足：基因工程原则上只能生产自然界中 的蛋白质。 ③天然蛋白质的不足：天然蛋白质的结构和功能符合 生存的需要，却不一定完全符合 的需要。 （2）实例：提高玉米赖氨酸含量 天冬氨酸激酶第352位为 改造为天冬氨酸激酶第352位为异亮氨酸；二氢吡啶二羧酸合成酶第104位为 改造为二氢吡啶二羧酸合成酶第104位为异亮氨酸。改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。 三、蛋白质工程的基本原理 1.目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。 2.方法：改造或合成 3.基本思路： 从预期的蛋白质功能出发→设计预期的 →推测应有的 序列→找到并改变相对应的 序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质 四、蛋白质工程的应用 1.在医药工业方面的应用 ①研发速效胰岛素类似物：科学家已通过改造 实现了对相应氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了 ，由此研发出速效胰岛素类似物。 ②提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个 变成 ，在一定条件下，可以延长保存时间。 ③改造抗体：将小鼠抗体上 “嫁接”到人的抗体上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。 2.在其他工业和农业方面的应用 ①改进酶的性能或开发新的工业用酶：利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的 已有上百种。 ②改造某些重要的酶：利用蛋白质工程尝试改造某些参与 的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。 3.存在的问题：蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的 ，而这种高级结构往往十分复杂。 --------〔明辨是非〕-------- 1.基因工程只能生产自然界已有的蛋白质,而蛋白质工程只能生产自然界原本不存在的蛋白质,是否正确? 2.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作,定向改变分子的结构,是否正确? 3.基因工程遵循中心法则,蛋白质工程不遵循,是否正确? 4.蛋白质工程操作过程中,不需要酶和载体作为工具,是否正确? 5.利用蛋白质工程设计干扰素的结构时,依据是现有干扰素基因的脱氧核苷酸序列,是否正确? --------〔拓展深化〕-------- 1．阅读教材P94蛋白质工程的基本思路，回答下列问题。 (1)如何由蛋白质氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列？ (2)如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？并说明理由。 (3)确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？ (4)蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质相同吗？ 2．科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。如图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图分析并回答相关问题。 (1)生产鼠—人嵌合抗体利用了哪种生物工程技术？该工程技术的目的是什么？ (2)对鼠源杂交瘤抗体进行改造，是直接改造蛋白质本身吗？ (3)请写出利用蛋白质工程制备鼠—人嵌合抗体的流程。 --------〔强化重点〕-------- · 蛋白质工程与基因工程的区别和联系 蛋白质工程 基因工程 过程 预期蛋白质的功能 → 设计预期的蛋白质结构 →推测应有的氨基酸序列→ 找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因 → 获得所需要的蛋白质 获取、筛选目的基因 →基因表达载体的构建 → 将目的基因导入受体细胞 → 目的基因的检测与鉴定 实质 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型和生物产品 结果 可生产自然界没有的蛋 白质 只能生产自然界已有的蛋白质 联系 蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程，是对现有蛋白质进行改造或制造新的蛋白质，必须通过改造或合成基因来完成 · “二看法”判断基因工程和蛋白质工程 --------〔教材习题〕------- 从社会中来 提示：科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的品体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物--黄色荧光蛋白。 旁栏思考题 提示：人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目:一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”;另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。 “人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据。2010年，该计划“两谱、两图、三库”的目标初步实现。我国科学家完成了人类肝脏蛋白质组表达谱和修饰谱，绘制了蛋白质相互作用连锁图和定位图。“三库”则是建立符合国际标准的肝脏标本库、发展规模化抗体制备技术并建立肝脏蛋白质抗体库和建立完整的肝脏蛋白质组数据库。人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。 思考·讨论 1.每种氨基酸都有对应的密码子，只要查一下密码子表，就可以将题中的氨基酸序列的编码序列查出来。但是由于题中的氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个密码子编码的，因此其碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列出32种，可以让学生根据学过的排列组合的知识自已排列一下。首先应该根据密码子推出mRNA序列为GCU(或C，或A，或G)UGGAAA(或GGAA(或G)UUU(或C)，再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列为CGA(或G，或T或C)ACCTTT(或C)CTT(或C)AAA(或G) 2.确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。 异想天开 提示：理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。 到社会中去 提示：酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现在以下几个方面。由于酶促反应能在常温、常压和中性pH条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资;生产过程中不会造成严重的污染，符合环境保护的要求;生产过程简单、效率高，产品质量好，生产成本低。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。近年来，通过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在不断提升。2016年，我国工业酶制剂年产量达120万吨，年增长率保持在10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了30%左右，我国进入酶制剂生产大国的行列。 在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。 练习与应用 一、概念检测 1.(1)×;(2)×;(3)√。 2. D 3. A. 二、拓展应用 这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践，还有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化，因此它的一些基本特性需要重新明确，包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系，评估生产成本等。 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第三章第四节 蛋白质工程的原理和应用 导学案 参考答案 --------〔感知教材〕-------- 一、蛋白质工程的概念 1.结构规律；生物功能 2.改造；合成基因 3.蛋白质 二、蛋白质工程崛起的缘由 （1）．①基因；蛋白质；新的性状 ②已存在 ③特定物种；人类生产和生活 （2）苏氨酸；天冬酰胺 三、蛋白质工程的基本原理 2.基因 3.蛋白质结构；氨基酸；脱氧核苷酸 四、蛋白质工程的应用 1.①胰岛素基因；胰岛素的聚合 ②半胱氨酸；丝氨酸 ③结合抗原的区域 2.①突变体 ②调控光合作用 3.高级结构 --------〔明辨是非〕-------- 1.不正确。蛋白质工程也可以生产自然界原本存在的蛋白质。 2.不正确。蛋白质工程是在分子水平上,通过改造或合成基因,来改造现有蛋白质,或制造一种新的蛋白质,以满足人类生产和生活的需求。 3.不正确。蛋白质工程最终也是基因控制蛋白质的合成,遵循中心法则。 4.不正确。蛋白质工程的实现最终还是要通过基因工程,因此,蛋白质工程操作过程中需要酶和载体作为工具。 5.不正确。蛋白质工程是从预期的蛋白质功能出发的,所以利用蛋白质工程设计某种蛋白质的结构时依据的是预期的蛋白质功能。 --------〔拓展深化〕-------- 1.（1）先根据氨基酸与密码子的对应关系找到mRNA中相对应的核糖核苷酸序列，再根据mRNA与DNA的碱基互补配对关系找到基因中相对应的脱氧核苷酸序列。 （2）不唯一。因为一个氨基酸可能由一个或多个密码子决定，因此获得的基因总的碱基序列有多种。 （3）可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。 （4）操作对象相同，蛋白质工程和基因工程的操作对象都为基因。得到的蛋白质不同，蛋白质工程可以得到自然界没有的新的蛋白质，基因工程得到的是自然界原有的蛋白质。 2.（1）蛋白质工程。目的是改造已有的蛋白质或制造一种新的蛋白质，满足人类生产和生活的需求。 （2）直接操作对象是基因，不是蛋白质。 （3）预期鼠—人嵌合抗体的功能→设计鼠—人嵌合抗体的结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列→改造鼠源性抗体基因→扩增基因并通过基因工程生产鼠—人嵌合抗体。 学科网（北京）股份有限公司 $$