3.4蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

第三章基因工程第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用（課前+課中+課后，三案一體）課前案【預(yù)習(xí)新知】一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由二、蛋白質(zhì)工程的基本原理1.蛋白質(zhì)工程主要集中應(yīng)用于對基因進(jìn)行改造，改良生物性狀。2.蛋白質(zhì)工程的基本思路：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)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(yīng)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(zhì)。三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.應(yīng)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(jīng)歷一個逐漸解離為單體的過程，科學(xué)家希望對胰島素進(jìn)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(zhì)工程研發(fā)藥物。（3）其他工業(yè)方面蛋白質(zhì)工程被廣泛用于改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶。（4）農(nóng)業(yè)方面科學(xué)家正在嘗試改造某些參與調(diào)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(chǎn)量；利用蛋白質(zhì)工程的思路來設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強(qiáng)。2.難度大的原因蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜?！绢A(yù)習(xí)自測】1.蛋白質(zhì)工程的流程與天然蛋白質(zhì)合成的過程是相同的。（X）2.對蛋白質(zhì)的改造是通過直接改造相應(yīng)的mRNA來實(shí)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(zhì)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(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程，主要是因?yàn)槿藗儗Φ鞍踪|(zhì)復(fù)雜的高級結(jié)構(gòu)沒有完全認(rèn)識。（√）第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用課中案【導(dǎo)】你見過用細(xì)菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫"的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樵谒鼈兊捏w內(nèi)導(dǎo)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(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。那么，科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的呢？科學(xué)家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上再采用定點(diǎn)突變的技術(shù)將綠色熒光蛋白發(fā)光基團(tuán)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(zhì)工程的基本原理是什么？2.蛋白質(zhì)工程已有哪些實(shí)際的應(yīng)用？【議】1.為什么不能直接加工蛋白質(zhì)，而是要通過改造基因才能改造蛋白質(zhì)？因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，直接改造蛋白質(zhì)難度太大。蛋白質(zhì)是基因表達(dá)的產(chǎn)物，可以通過改造基因中的遺傳信息來間接地改造蛋白質(zhì)，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(yīng)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(jìn)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(jīng)常會用到基因定點(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)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(zhì)工程？【展】學(xué)生展示討論結(jié)果【評】項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程操作對象基因基因操作起點(diǎn)預(yù)期蛋白質(zhì)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(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測氨基酸序列→找到并改變對應(yīng)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(zhì)目的基因的篩選與獲取→構(gòu)建基因表達(dá)載體→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測與鑒定結(jié)果可生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)實(shí)質(zhì)通過改造或合成基因來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀聯(lián)系①蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程；②蛋白質(zhì)工程離不開基因工程，其包含基因工程的基本操作?！緳z】引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)本節(jié)課內(nèi)容【練】完成課后案第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用課后案1．蛋白質(zhì)工程是基因工程的延伸。下列有關(guān)蛋白質(zhì)工程的敘述，正確的是（

）A．蛋白質(zhì)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(zhì)工程中可以不用構(gòu)建基因表達(dá)載體C．生產(chǎn)的蛋白質(zhì)能在自然界中找到D．需要限制性內(nèi)切核酸酶和DNA連接酶【答案】D【分析】蛋白質(zhì)工程就是通過對蛋白質(zhì)化學(xué)、蛋白質(zhì)晶體學(xué)和蛋白質(zhì)動力學(xué)的研究，獲得有關(guān)蛋白質(zhì)理化特性和分子特性的信息，在此基礎(chǔ)上對編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行有目的的設(shè)計(jì)和改造，通過基因工程技術(shù)獲得可以表達(dá)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)基因生物系統(tǒng)，這個生物系統(tǒng)可以是轉(zhuǎn)基因微生物、轉(zhuǎn)基因植物、轉(zhuǎn)基因動物，甚至可以是細(xì)胞系統(tǒng)。【詳解】A、蛋白質(zhì)工程最終也是基因控制蛋白質(zhì)的合成，遵循中心法則，A錯誤；B、蛋白質(zhì)工程是基因工程的延伸，需要構(gòu)建表達(dá)載體，B錯誤；C、生產(chǎn)的蛋白質(zhì)在自然界中找不到，因此才采用蛋白質(zhì)工程進(jìn)行合成，C錯誤；D、蛋白質(zhì)工程是基因工程的延伸，需要構(gòu)建表達(dá)載體，需要限制性內(nèi)切核酸酶和DNA連接酶，D正確。故選D。2．我國科學(xué)家劉海燕教授團(tuán)隊(duì)開辟了一條全新的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)的路線（如圖所示），實(shí)現(xiàn)了核心技術(shù)的原始創(chuàng)新，為工業(yè)酶、生物醫(yī)學(xué)蛋白等功能蛋白的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。下列有關(guān)蛋白質(zhì)的敘述錯誤的是（

）A．分泌蛋白合成旺盛的細(xì)胞中核仁較小B．用該技術(shù)設(shè)計(jì)的工業(yè)酶可含有C、H、O、N四種元素C．設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)時首先要設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)主鏈的氨基酸序列D．蛋白質(zhì)的合成需要核酸的參與，核酸的合成也需要蛋白質(zhì)的參與【答案】A【分析】蛋白質(zhì)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(yīng)形成肽鏈，肽鏈盤曲折疊形成具有一定的空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，因此蛋白質(zhì)是由氨基酸聚合形成的生物大分子?！驹斀狻緼、分泌蛋白合成旺盛的細(xì)胞中核仁較大，A錯誤；B、工業(yè)酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)的組成元素為C、H、O、N等，B正確；C、由圖可知，設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)時首先給主鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了氨基酸序列的ABACUS模型，C正確；D、核酸指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，蛋白質(zhì)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(zhì)的參與，D正確。故選A。3．蛋白質(zhì)工程是基因工程的延伸，下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的敘述，錯誤的是（

）A．通過蛋白質(zhì)工程改造后的蛋白質(zhì)的性狀不可以遺傳B．蛋白質(zhì)工程和基因工程都需要構(gòu)建基因表達(dá)載體C．蛋白質(zhì)工程需要限制酶、DNA連接酶和載體等工具D．蛋白質(zhì)工程經(jīng)常要建立蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的三維模型【答案】A【分析】蛋白質(zhì)工程是通過對基因進(jìn)行修飾改造或重新合成，從而改造蛋白質(zhì)進(jìn)而改造性狀?！驹斀狻緼、蛋白質(zhì)工程是通過對基因進(jìn)行修飾改造或重新合成，從而改造蛋白質(zhì)進(jìn)而改造性狀，其本質(zhì)是通過基因控制性狀，故可遺傳，A錯誤；B、蛋白質(zhì)工程是通過對基因進(jìn)行修飾改造或重新合成，然后進(jìn)行表達(dá)，同基因工程一樣，都需要構(gòu)建基因表達(dá)載體，B正確；C、蛋白質(zhì)工程需要限制酶、DNA連接酶和載體等工具，C正確；D、蛋白質(zhì)工程先要根據(jù)預(yù)期蛋白質(zhì)功能設(shè)計(jì)建立蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的三維模型，D正確。故選A。4．隨著生命科學(xué)的發(fā)展，生物工程技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等多個領(lǐng)域。下列有關(guān)生物工程技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用的敘述正確的是（

）A．利用一定大小的莖尖進(jìn)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(xì)胞中提取單細(xì)胞蛋白，生產(chǎn)微生物飼料C．傳代培養(yǎng)時，懸浮培養(yǎng)的動物細(xì)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(zhì)工程能生產(chǎn)出自然界不存在的蛋白質(zhì)，滿足實(shí)際需求【答案】D【分析】植物組織培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)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(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)。【詳解】A、利用一定大小的莖尖進(jìn)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(xì)胞蛋白不是從微生物細(xì)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(xì)胞蛋白，B錯誤；C、傳代培養(yǎng)時，懸浮培養(yǎng)的動物細(xì)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(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。因此，蛋白質(zhì)工程需通過基因修飾或基因合成來改造原有蛋白質(zhì)，生產(chǎn)出自然界中不存在的新型蛋白質(zhì)分子，D正確。故選D。5．作物脫毒、改善畜產(chǎn)品品質(zhì)、抗除草劑作物、可保存的干擾素依次應(yīng)用的生物技術(shù)是（

）①基因工程

②細(xì)胞工程

③蛋白質(zhì)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(yīng)用：（抗蟲轉(zhuǎn)基因植物、抗病轉(zhuǎn)基因植物、抗逆轉(zhuǎn)基因植物、轉(zhuǎn)基因改良植物品質(zhì)）（二）動物基因工程的成果；改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)；轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物；基因工程藥物（從化學(xué)成分上分析都應(yīng)該是蛋白質(zhì)。2、蛋白質(zhì)工程：指以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行基因改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需要。蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程。3、細(xì)胞工程的應(yīng)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(xì)胞產(chǎn)物的工廠化