3.4蛋白質工程的原理和應用

第三章基因工程第4節(jié)蛋白質工程的原理和應用（課前+課中+課后，三案一體）課前案【預習新知】一、蛋白質工程崛起的緣由二、蛋白質工程的基本原理1.蛋白質工程主要集中應用于對基因進行改造，改良生物性狀。2.蛋白質工程的基本思路：從預期的蛋白質功能出發(fā)→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質。三、蛋白質工程的應用1.應用（1）研發(fā)速效胰島素類似物天然胰島素制劑容易形成二聚體或六聚體，皮下注射胰島素后往往要經歷一個逐漸解離為單體的過程，科學家希望對胰島素進行改造，從而降低它的聚合作用。（2）醫(yī)藥工業(yè)方面：利用蛋白質工程研發(fā)藥物。（3）其他工業(yè)方面蛋白質工程被廣泛用于改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶。（4）農業(yè)方面科學家正在嘗試改造某些參與調控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產量；利用蛋白質工程的思路來設計優(yōu)良微生物農藥，通過改造微生物蛋白質的結構，使它防治病蟲害的效果增強。2.難度大的原因蛋白質發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結構，而這種高級結構往往十分復雜?！绢A習自測】1.蛋白質工程的流程與天然蛋白質合成的過程是相同的。（X）2.對蛋白質的改造是通過直接改造相應的mRNA來實現(xiàn)的。（X）3.為延長干擾素的保存時間，需要替換氨基酸；為提高玉米中賴氨酸含量，需要在蛋白質中加入賴氨酸。（X）4.根據(jù)某多肽鏈的一段氨基酸序列，可以很容易地確定這段肽鏈的脫氧核苷酸序列。（X）5.蛋白質工程是一項難度很大的工程，主要是因為人們對蛋白質復雜的高級結構沒有完全認識。（√）第4節(jié)蛋白質工程的原理和應用課中案【導】你見過用細菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細菌“畫"的美妙圖案。這些細菌能夠發(fā)出熒光，是因為在它們的體內導入了熒光蛋白的基因。最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領域有著重要應用。那么，科學家是怎樣對蛋白質分子進行設計和改造的呢？科學家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結構，并利用計算機進行輔助設計，在此基礎上再采用定點突變的技術將綠色熒光蛋白發(fā)光基團正下方的第203位的蘇氨酸替換為酪氨酸，從而獲得了一種新的綠色熒光蛋白的衍生物——黃色熒光蛋白?！舅肌?.蛋白質工程的基本原理是什么？2.蛋白質工程已有哪些實際的應用？【議】1.為什么不能直接加工蛋白質，而是要通過改造基因才能改造蛋白質？因為蛋白質的結構特別復雜，直接改造蛋白質難度太大。蛋白質是基因表達的產物，可以通過改造基因中的遺傳信息來間接地改造蛋白質，并且基因可以遺傳。2.某多肽鏈的一段氨基酸序列是：...丙氨酸色氨酸賴氨酸苯丙氨酸...怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應的堿基序列寫出來。①查密碼子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、賴氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。②推知mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）③進一步推知脫氧核苷酸序列為：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）3.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。對基因的改造經常會用到基因定點突變技術來進行堿基的替換、增添等。4.如何辨別一個操作是基因工程還是蛋白質工程？【展】學生展示討論結果【評】項目蛋白質工程基因工程操作對象基因基因操作起點預期蛋白質功能目的基因操作水平DNA分子水平DNA分子水平操作流程預期蛋白質功能→設計蛋白質結構→推測氨基酸序列→找到并改變對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質目的基因的篩選與獲取→構建基因表達載體→將目的基因導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定結果可生產自然界沒有的蛋白質生產自然界已有的蛋白質實質通過改造或合成基因來定向改造現(xiàn)有蛋白質或制造新的蛋白質將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現(xiàn)出新的性狀聯(lián)系①蛋白質工程是在基因工程基礎上延伸出來的第二代基因工程；②蛋白質工程離不開基因工程，其包含基因工程的基本操作。【檢】引導學生總結本節(jié)課內容【練】完成課后案第4節(jié)蛋白質工程的原理和應用課后案1．蛋白質工程是基因工程的延伸。下列有關蛋白質工程的敘述，正確的是（

）A．蛋白質工程是基因工程的延伸，所以不需要遵循中心法則B．蛋白質工程中可以不用構建基因表達載體C．生產的蛋白質能在自然界中找到D．需要限制性內切核酸酶和DNA連接酶【答案】D【分析】蛋白質工程就是通過對蛋白質化學、蛋白質晶體學和蛋白質動力學的研究，獲得有關蛋白質理化特性和分子特性的信息，在此基礎上對編碼蛋白質的基因進行有目的的設計和改造，通過基因工程技術獲得可以表達蛋白質的轉基因生物系統(tǒng)，這個生物系統(tǒng)可以是轉基因微生物、轉基因植物、轉基因動物，甚至可以是細胞系統(tǒng)?！驹斀狻緼、蛋白質工程最終也是基因控制蛋白質的合成，遵循中心法則，A錯誤；B、蛋白質工程是基因工程的延伸，需要構建表達載體，B錯誤；C、生產的蛋白質在自然界中找不到，因此才采用蛋白質工程進行合成，C錯誤；D、蛋白質工程是基因工程的延伸，需要構建表達載體，需要限制性內切核酸酶和DNA連接酶，D正確。故選D。2．我國科學家劉海燕教授團隊開辟了一條全新的蛋白質從頭設計的路線（如圖所示），實現(xiàn)了核心技術的原始創(chuàng)新，為工業(yè)酶、生物醫(yī)學蛋白等功能蛋白的設計奠定了基礎。下列有關蛋白質的敘述錯誤的是（

）A．分泌蛋白合成旺盛的細胞中核仁較小B．用該技術設計的工業(yè)酶可含有C、H、O、N四種元素C．設計蛋白質的結構時首先要設計蛋白質主鏈的氨基酸序列D．蛋白質的合成需要核酸的參與，核酸的合成也需要蛋白質的參與【答案】A【分析】蛋白質在的基本組成元素是C、H、O、N等，基本組成單位是氨基酸，氨基酸通過脫水縮合反應形成肽鏈，肽鏈盤曲折疊形成具有一定的空間結構的蛋白質，因此蛋白質是由氨基酸聚合形成的生物大分子。【詳解】A、分泌蛋白合成旺盛的細胞中核仁較大，A錯誤；B、工業(yè)酶的本質是蛋白質，蛋白質的組成元素為C、H、O、N等，B正確；C、由圖可知，設計蛋白質結構時首先給主鏈結構設計了氨基酸序列的ABACUS模型，C正確；D、核酸指導蛋白質的合成，蛋白質的合成需要核酸的參與，核酸的合成也需要DNA聚合酶、RNA聚合酶等蛋白質的參與，D正確。故選A。3．蛋白質工程是基因工程的延伸，下列關于蛋白質工程的敘述，錯誤的是（

）A．通過蛋白質工程改造后的蛋白質的性狀不可以遺傳B．蛋白質工程和基因工程都需要構建基因表達載體C．蛋白質工程需要限制酶、DNA連接酶和載體等工具D．蛋白質工程經常要建立蛋白質高級結構的三維模型【答案】A【分析】蛋白質工程是通過對基因進行修飾改造或重新合成，從而改造蛋白質進而改造性狀?！驹斀狻緼、蛋白質工程是通過對基因進行修飾改造或重新合成，從而改造蛋白質進而改造性狀，其本質是通過基因控制性狀，故可遺傳，A錯誤；B、蛋白質工程是通過對基因進行修飾改造或重新合成，然后進行表達，同基因工程一樣，都需要構建基因表達載體，B正確；C、蛋白質工程需要限制酶、DNA連接酶和載體等工具，C正確；D、蛋白質工程先要根據(jù)預期蛋白質功能設計建立蛋白質高級結構的三維模型，D正確。故選A。4．隨著生命科學的發(fā)展，生物工程技術已廣泛應用于農業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和環(huán)境保護等多個領域。下列有關生物工程技術在生產實踐中應用的敘述正確的是（

）A．利用一定大小的莖尖進行植物組織培養(yǎng)，獲得抗病毒的新品種B．利用發(fā)酵工程從微生物細胞中提取單細胞蛋白，生產微生物飼料C．傳代培養(yǎng)時，懸浮培養(yǎng)的動物細胞需重新用胰蛋白酶等處理，再用離心法收集D．利用蛋白質工程能生產出自然界不存在的蛋白質，滿足實際需求【答案】D【分析】植物組織培養(yǎng)技術的應用：植物繁殖新途徑（微型繁殖、作物脫毒）、作物新品種培育（單倍體育種、突變體的利用）、細胞產物的工廠化生產?！驹斀狻緼、利用一定大小的莖尖進行植物組織培養(yǎng)，獲得脫病毒的新品種，不能獲得抗病毒的新品種，A錯誤；B、單細胞蛋白不是從微生物細胞中提取的，而是通過發(fā)酵過程獲得的大量微生物菌體即為單細胞蛋白，B錯誤；C、傳代培養(yǎng)時，懸浮培養(yǎng)的動物細胞不需重新用胰蛋白酶等處理，可直接用離心法收集，C錯誤；D、蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規(guī)律及其生物功能的關系作為基礎，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活的需求。因此，蛋白質工程需通過基因修飾或基因合成來改造原有蛋白質，生產出自然界中不存在的新型蛋白質分子，D正確。故選D。5．作物脫毒、改善畜產品品質、抗除草劑作物、可保存的干擾素依次應用的生物技術是（

）①基因工程

②細胞工程

③蛋白質工程

④胚胎工程A．①②②③ B．②①①③ C．②①②③ D．②①②④【答案】B【分析】1、基因工程的應用：（抗蟲轉基因植物、抗病轉基因植物、抗逆轉基因植物、轉基因改良植物品質）（二）動物基因工程的成果；改善畜產品的品質；轉基因動物生產藥物；基因工程藥物（從化學成分上分析都應該是蛋白質。2、蛋白質工程：指以蛋白質的結構規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質進行基因改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活的需要。蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程。3、細胞工程的應用：植物繁殖的新途徑（微型繁殖、作物脫毒、神奇的人工種子）、作物新品種的培育（單倍體育種、突變體的利用）、細胞產物的工廠化