高中生物《蛋白質(zhì)工程的崛起》文字素材1新人教版選修3

1、蛋白質(zhì)工程的崛起知識(shí)點(diǎn)一蛋白質(zhì)工程的概念： 蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)， 通過(guò)基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類(lèi)的生產(chǎn)和生活的需求。也就是說(shuō)， 蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來(lái)的第二代基因工程，是包含多學(xué)科的綜合科技工程領(lǐng)域。說(shuō)明：對(duì)本概念的理解應(yīng)從以下幾個(gè)方面理解：1. 蛋白質(zhì)工程的基礎(chǔ)：蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系2. 蛋白質(zhì)工程的改造對(duì)象： 改造蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)， 本質(zhì)上是改造控制該蛋白質(zhì)合成的基因的結(jié)構(gòu)。 3. 蛋白質(zhì)工程的產(chǎn)物：產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)。知識(shí)點(diǎn)二 蛋白質(zhì)工程的原理：蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)是根

2、據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。 其基本途徑是從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）。其流程圖如下：知識(shí)點(diǎn)三蛋白質(zhì)工程的實(shí)例：. 干擾素是動(dòng)物體內(nèi)的一種蛋白質(zhì)，可治療病毒的感染和癌癥，但在體外保存相當(dāng)困難，通過(guò)蛋白質(zhì)工程改造蛋白質(zhì)后可在70條件下， 保存半年。 . 玉米體內(nèi)賴(lài)氨酸的含量比較低，關(guān)鍵是玉米體內(nèi)天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶濃度達(dá)到一定量時(shí)， 就會(huì)抑制這兩種酶的活性， 從而影響賴(lài)氨酸含量的提高， 經(jīng)過(guò)蛋白質(zhì)工程改造這兩種酶后，分別使賴(lài)氨酸的含量提高了5倍和 2倍。說(shuō)明：對(duì)該部分知識(shí)的學(xué)習(xí)不能局限

3、于這兩個(gè)例子，更重要的是從中學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)工程的原理和蛋白質(zhì)工程的基本途徑。知識(shí)點(diǎn)四蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景：蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展向人們展示出誘人的前景，如：通過(guò)對(duì)胰島素的改造，使其成為一種速效性藥品，再如：將蛋白質(zhì)工程應(yīng)用與微電子方面，制成電子元件，具有體積小、耗電少、效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是由于蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴(lài)于它的高級(jí)結(jié)構(gòu)（空間結(jié)構(gòu)），這是相當(dāng)復(fù)雜的，所以，目前成功的例子還不多，還需要人們的努力?？傊?，蛋白質(zhì)工程的前景是光明的，道路是曲折的。說(shuō)明：學(xué)習(xí)該部分知識(shí)時(shí)要聯(lián)系蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，特別要理解蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)對(duì)其功能的影響，如：高溫使蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性；同時(shí)要根據(jù)所學(xué)知識(shí)，發(fā)

4、揮用心愛(ài)心專(zhuān)心1自己的想象能力， 解決如何在蛋白質(zhì)工程操作中不使蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)改變，而了解能行使正常功能的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)？教材拓展拓展點(diǎn)一蛋白質(zhì)工程與基因工程的主要區(qū)別：蛋白質(zhì)工程主要是根據(jù)蛋白質(zhì)精細(xì)結(jié)構(gòu)和生物活性的作用機(jī)制之間的關(guān)系， 利用基因工程手段， 按人類(lèi)需要定向改造天然的蛋白質(zhì)分子，甚至創(chuàng)造新的自然界根本就不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)分子。蛋白質(zhì)工程與基因工程密不可分，基因工程是通過(guò)基因操作把外援基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)纳矬w內(nèi)，并在其中進(jìn)行表達(dá)，它的產(chǎn)品還是該基因編碼的天然存在的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)工程則更進(jìn)一步， 根據(jù)分子設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)天然蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其編碼的蛋白質(zhì)的改造，它

5、的產(chǎn)品已不再是天然的蛋白質(zhì)，而是經(jīng)過(guò)改造的具有人類(lèi)所需優(yōu)點(diǎn)的蛋白質(zhì)。天然蛋白質(zhì)是通過(guò)漫長(zhǎng)進(jìn)化過(guò)程，由自然選擇而來(lái)的， 而蛋白質(zhì)工程對(duì)天然蛋白質(zhì)的改造好比在實(shí)驗(yàn)室里加快了進(jìn)化過(guò)程，能更快、更有效地為人類(lèi)需要服務(wù)。拓展點(diǎn)二蛋白質(zhì)工程的內(nèi)容： 蛋白質(zhì)工程的內(nèi)容主要有兩方面：一是根據(jù)需要設(shè)計(jì)具有特定氨基酸序列和空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)；二是確定蛋白質(zhì)的化學(xué)組成及空間結(jié)構(gòu)與生物功能之間的關(guān)系。 在此基礎(chǔ)上， 實(shí)現(xiàn)從氨基酸序列預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和生理功能，設(shè)計(jì)合成具有特定生理功能的全新蛋白質(zhì)， 而氨基酸排序由基因決定， 所以還需要改造控制蛋白質(zhì)合成的相應(yīng)基因中脫氧核苷酸序列或人工合成所需要的自然界原本不存在的基

6、因片段，用于蛋白質(zhì)工程?？偨Y(jié)： 學(xué)法指導(dǎo)：學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)工程時(shí)，要結(jié)合基因控制蛋白質(zhì)的合成過(guò)程、基因工程以及蛋白質(zhì)的生理功能等知識(shí)， 只有在這些知識(shí)的基礎(chǔ)上，才能學(xué)好蛋白質(zhì)工程；同時(shí)， 要關(guān)注當(dāng)前關(guān)于蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，以加深對(duì)蛋白質(zhì)工程的理解?！就卣归喿x】1. 動(dòng)物乳腺生物反應(yīng)器1987 年美國(guó)科學(xué)家戈登（Gordon）等人首次在小鼠的奶中生產(chǎn)出一種醫(yī)用蛋白tPA（組織型纖溶酶原激活物），展示了用動(dòng)物乳腺生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的可能性。利用動(dòng)物乳腺生產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品的方式稱(chēng)為動(dòng)物乳腺反應(yīng)器。為什么要用動(dòng)物乳腺作為反應(yīng)器生產(chǎn)高價(jià)值的蛋白質(zhì)產(chǎn)品呢？這是因?yàn)閯?dòng)物乳房是一種高度分化的專(zhuān)門(mén)化腺體，合成蛋白質(zhì)的能力非常

7、強(qiáng)，尤其是一些經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的遺傳改良，專(zhuān)門(mén)產(chǎn)奶的乳用動(dòng)物品種，蛋白質(zhì)合成能力更是驚人。一頭優(yōu)質(zhì)奶牛，一年可產(chǎn)奶10 000 kg。即便是一只奶山羊，一年也可產(chǎn)奶2 000 kg 。用心愛(ài)心專(zhuān)心2動(dòng)物乳腺生物反應(yīng)器歸納起來(lái)有四大優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量高， 且易收獲目標(biāo)產(chǎn)品， 可以隨乳汁分泌而排出動(dòng)物體外； 目標(biāo)產(chǎn)品的質(zhì)量好。動(dòng)物乳腺組織不僅具有按遺傳信息流向合成蛋白質(zhì)的能力，而且具備一整套對(duì)蛋白進(jìn)行修飾和加工的能力，如糖基化、羧化、磷酸化以及分子組裝等，而微生物和植物系統(tǒng)都不具備這種全面的蛋白質(zhì)后加工能力；產(chǎn)品成本低；從奶牛中提取產(chǎn)品，操作比較簡(jiǎn)單。正因?yàn)槔脛?dòng)物乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品有上述優(yōu)點(diǎn)，目前

8、利用動(dòng)物乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)醫(yī)用蛋白質(zhì)已成為一種風(fēng)險(xiǎn)投資產(chǎn)業(yè)，受到科學(xué)家、 商界和醫(yī)藥界的高度重視。目前瞄準(zhǔn)的目標(biāo)醫(yī)藥產(chǎn)品有：血液蛋白質(zhì)， 如表 1-2 所示， 這些血液蛋白質(zhì)有巨大的經(jīng)濟(jì)效益， 其中利用奶牛生產(chǎn)的凝血酶已通過(guò)第三期臨床實(shí)驗(yàn)，即將投放市場(chǎng)。 第二代醫(yī)用蛋白質(zhì)，主要有抗體、降鈣素、人的生長(zhǎng)激素、胰島素等藥物蛋白，乳白蛋白、乳鐵蛋白等營(yíng)養(yǎng)蛋白，疫苗，組織修復(fù)物等。生產(chǎn)“人源化牛奶”，即用成人的乳蛋白基因替代牛的乳蛋白基因，使牛奶變成像人奶的一種基因工程奶。表 1-2 一些醫(yī)用蛋白質(zhì)的需求情況第 8因子第9因子C蛋白凝血酶抗胰蛋白酶血纖蛋白原白蛋白市場(chǎng)需求量 304 g4 kg10 k

9、g21 kg5 t150 kg315 t單價(jià)（美元 /g ） 290 萬(wàn)4 萬(wàn)1 萬(wàn)7 0005001 0003.50總價(jià)值（億美元） 8.821.601.001.502.501.5011.20動(dòng)物乳腺生物反應(yīng)器的做法與轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的操作是相同的，只是為了將目標(biāo)產(chǎn)品在乳汁中形成， 需要使用乳腺組織中特異表達(dá)的啟動(dòng)子，即在目標(biāo)產(chǎn)品蛋白質(zhì)編碼框的前面加上乳腺組織中特異表達(dá)的啟動(dòng)子等，構(gòu)建成表達(dá)載體后通過(guò)注射導(dǎo)入受精卵中，再將其送入母體動(dòng)物內(nèi)，發(fā)育成動(dòng)物個(gè)體，這個(gè)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物就會(huì)在奶中產(chǎn)生所需要的目標(biāo)產(chǎn)品。2. 當(dāng)前生命科學(xué)中的幾個(gè)前沿研究領(lǐng)域基因組學(xué)基因組學(xué)是闡明各種生物基因組DNA中堿基對(duì)的排列順序

10、，破譯相關(guān)的遺傳信息的學(xué)科。目前除人類(lèi)基因組的測(cè)序工作已完成外，水稻基因組、擬南芥基因組、雞基因組等也已完成，這些工作的相繼完成為揭示生命奧秘提供了基本的資料。功能基因組學(xué)基因組測(cè)序工作的完成只是為人類(lèi)從基因水平認(rèn)識(shí)生命本質(zhì)，提供了基本的資料。 功能基因組學(xué)就是要揭示每個(gè)基因在生命活動(dòng)中的具體功能，為勾畫(huà)整個(gè)生命藍(lán)圖，充分利用基因資料打下基礎(chǔ)。發(fā)現(xiàn)新的功能基因和新的基因功能的確定，從而獲得知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已成為當(dāng)前生命領(lǐng)域世界各國(guó)競(jìng)相爭(zhēng)奪的“制高點(diǎn)”。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)是繼人類(lèi)基因組計(jì)劃之后又一個(gè)大的科學(xué)熱點(diǎn)，是在生物用心愛(ài)心專(zhuān)心3的整體水平測(cè)定出全部蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)，以及蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)與核酸之間、蛋白質(zhì)與多糖之間、 蛋白質(zhì)和核酸以及多糖之間的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)，獲得這些蛋白質(zhì)在整個(gè)生命活動(dòng)中的三維結(jié)構(gòu)全息圖，即單個(gè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，以及蛋白質(zhì)與其他生物大分子結(jié)合后的復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)狀態(tài)與生命活動(dòng)的關(guān)系，從而在生命整體水平上理解生命的原理。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的研究進(jìn)展，將對(duì)人類(lèi)疾病機(jī)理的闡明、疾病的防治有重要意義。蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)是獨(dú)立于基因組學(xué)發(fā)展的一門(mén)新興的前沿學(xué)科。它是研究一個(gè)完整的生物體（或細(xì)胞等）所表達(dá)的所有蛋白質(zhì)的特征，包括蛋白質(zhì)