新版高中生物第4節(jié) 蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用人教版高中生物學(xué)習(xí)目標(biāo)闡述蛋白質(zhì)工程的原理和基本操作。1.文化基礎(chǔ)：蛋白質(zhì)工程的原理和基本操作。2.自主發(fā)展：嘗試通過蛋白質(zhì)工程技術(shù)，根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)改造某一蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)流程。3.社會(huì)參與：舉例說明依據(jù)人類需要對(duì)原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基因改造、生產(chǎn)目標(biāo)蛋白質(zhì)的過程。用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“西畫”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(dòng)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(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的呢?思考：一、蛋白質(zhì)工程1．概念(1)基礎(chǔ)：蛋白質(zhì)分子的__________________及其與__________________的關(guān)系。(2)手段：通過_________________或___________________，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)。(3)目的：獲得滿足人類的生產(chǎn)和生活需求的______________________。結(jié)構(gòu)規(guī)律生物功能基因改造基因合成蛋白質(zhì)2．理論和技術(shù)條件：___________________、__________________以及____________________技術(shù)的迅猛發(fā)展。分子生物學(xué)晶體學(xué)計(jì)算機(jī)二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1．基因工程的實(shí)質(zhì)：將一種生物的_______________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___________________，進(jìn)而表現(xiàn)出______________________?；虻鞍踪|(zhì)新的性狀2．基因工程的不足：基因工程在原則上只能產(chǎn)生自然界中____________________的蛋白質(zhì)。已存在3．天然蛋白質(zhì)的不足：天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能符合____________生存的需要，卻不一定完全符合_____________________的需要。特定物種人類生產(chǎn)和生活4．實(shí)例：玉米中賴氨酸的含量比較低，賴氨酸合成中兩種酶的____________________被替換，就可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸分別提高5倍和2倍。氨基酸你知道人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎?它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系?我國科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)?思考與討論提示:人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域重大的國際合作科研項(xiàng)目。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織宣布成立。2003年，該組織正式提出啟動(dòng)兩項(xiàng)重大國際合作項(xiàng)目:一項(xiàng)是由中國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”:另一項(xiàng)是由美國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕?！叭祟惛闻K蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學(xué)家第一次領(lǐng)銜重大國際科研協(xié)作計(jì)劃。它的目標(biāo)是通過對(duì)肝臟蛋白質(zhì)高通量、規(guī)模化的研究，解析肝臟蛋白質(zhì)在生理、病理過程中的功能意義，為重大肝病的預(yù)防、診斷、治療和新藥的研發(fā)提供重要的科學(xué)依據(jù)。2010年，該計(jì)劃“兩譜、兩圖、三庫"的目標(biāo)初步實(shí)現(xiàn)。我國科學(xué)家完成了人類肝臟蛋白質(zhì)組表達(dá)譜和修飾譜，繪制了蛋白質(zhì)相互作用連鎖圖和定位圖?！叭龓?則是建立符合國際標(biāo)準(zhǔn)的肝臟標(biāo)本庫、發(fā)展規(guī)模化抗體制備技術(shù)并建立肝臟蛋白質(zhì)抗體庫和建立完整的肝臟蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃取得的成果有力推動(dòng)了蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，為它提供了重要的理論支持。2014年6月，中國人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃啟動(dòng)。三、蛋白質(zhì)工程的基本原理1．目標(biāo)：根據(jù)人們對(duì)__________________功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。蛋白質(zhì)2．方法：_____________________或_____________________。改造基因合成基因天然蛋白質(zhì)合成的過程是按照________________進(jìn)行的:基因→表達(dá)(_____________________)→形成具有特定______________________的多肽鏈→形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的__________________→行使生物功能。3．流程：中心法則轉(zhuǎn)錄和翻譯氨基酸序列蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程的基本思路：預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)預(yù)期的_____________________→推測應(yīng)有的__________________序列→找到相對(duì)應(yīng)的____________________序列(基因)或合成新的_________________→獲得所需要的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)氨基酸脫氧核苷酸基因1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列?請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來。思考與討論提示：每種氨基酸都有對(duì)應(yīng)的密碼子，只要查一下密碼子表，就可以將題中的氨基酸序列的編碼序列查出來。但是由于題中的氨基酸序列中有幾個(gè)氨基酸是由多個(gè)密碼子編碼的，因此其堿基排列組合起來就比較復(fù)雜，至少可以排列出32種，可以讓根據(jù)學(xué)過的排列組合的知識(shí)自己排列下。首先應(yīng)該根據(jù)密碼子推出mRNA序列為GCU(或C,或A，或G)UGGAA(或G)GAA(或G)UUU(或C)，再根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則推出脫氧核苷酸序列為CGA(或G,或T，或C)ACCTTT(或C)CTT(或C)AAA(或G)。2.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?提示：確定目的基因的堿基序列后，可以人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。對(duì)基因的改造經(jīng)常會(huì)用到基因定點(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換、增添等。蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程區(qū)別

起點(diǎn)過程實(shí)質(zhì)結(jié)果預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因預(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→推測脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達(dá)出蛋白質(zhì)獲取目的基因→構(gòu)建基因表達(dá)載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→目的基因的檢測與鑒定通過改造相應(yīng)的基因達(dá)到對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造的目的基因重組可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)區(qū)別應(yīng)用及現(xiàn)狀聯(lián)系①主要集中在對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，如干擾素、天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶等②對(duì)創(chuàng)造新的蛋白質(zhì)還有許多技術(shù)難題未突破，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人們對(duì)此知之甚少①已被廣泛應(yīng)用，如轉(zhuǎn)基因植物、動(dòng)物、藥品生產(chǎn)等已商業(yè)化②基因治療僅處于初期的臨床試驗(yàn)階段①蛋白質(zhì)工程獲得目的基因后，需要通過基因工程獲得預(yù)期蛋白質(zhì)②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四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1．在醫(yī)藥工業(yè)方面的應(yīng)用(1)研發(fā)速效胰島素類似物：科學(xué)家通過改造___________________使B鏈28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了_________________________，研發(fā)出速效胰島素類似物。胰島素基因胰島素的聚合(2)提高干擾素的保存期：將干擾素分子上的一個(gè)________________變成_____________________，提高了干擾素的保存時(shí)間。半胱氨酸絲氨酸異想天開能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細(xì)胞中，讓宿主細(xì)胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢?提示：理論上可以，但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動(dòng)物細(xì)胞、微生物細(xì)胞等可以生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)，但這些蛋白質(zhì)往往都是自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計(jì)出來的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)如何行使功能了解得還不夠，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設(shè)計(jì)并獲得了一個(gè)全新的蛋白質(zhì)，它的生理生化特性、用它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)食品的安全性等都需要長期深人的研究。(3)改造抗體：將小鼠單克隆抗體上________________________“嫁接”到人的抗體上，降低了誘發(fā)人體免疫反應(yīng)的強(qiáng)度。結(jié)合抗原的區(qū)域2．在其他工業(yè)和農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用(1)改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶：利用蛋白質(zhì)工程獲得蛋白酶的多種_______________________。突變體(2)改造某些重要的酶：利用蛋白質(zhì)工程改造參與____________________的酶，以提高植物光合作用的效率。調(diào)控光合作用到社會(huì)中去

酶制劑在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等方面都有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，酶制劑的生產(chǎn)已經(jīng)形成一個(gè)市場可觀的新興產(chǎn)業(yè)。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用又為酶制劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大助力。請(qǐng)查閱資料，了解我國酶制劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，分析蛋白質(zhì)工程在酶制劑產(chǎn)業(yè)中的作用。提示：酶用作工業(yè)催化劑，比無機(jī)催化利具有更大的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。由于酶促反應(yīng)能在常溫、常壓和中性pH條件下進(jìn)行，因此可以節(jié)省大量的能源和設(shè)備投資:生產(chǎn)過程中不會(huì)造成嚴(yán)重的污染，符合環(huán)境保護(hù)的要求;生產(chǎn)過程簡單、效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)成本低。因此，酶制劑在工業(yè)領(lǐng)城得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，通過引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備、優(yōu)良菌種以及開發(fā)新型酶制劑，我國酶制劑產(chǎn)業(yè)保持了較快的增長態(tài)勢，品種越來越豐富，產(chǎn)品的市場競爭力也在不斷提升。2016年，我國工業(yè)酶制劑年產(chǎn)量達(dá)120萬噸，年增長率保持在10%左右。在全球范圍內(nèi)，我國酶制劑的市場份額已占到了30%左右，我國進(jìn)入酶制劑生產(chǎn)大國的行列。在酶制劑產(chǎn)業(yè)中，蛋白質(zhì)工程被廣泛用于開發(fā)酶的新品種或改進(jìn)酶的性能，如提高酶的熱穩(wěn)定性，增加某些被用作去污劑的酶的去污效率等。練習(xí)與應(yīng)用1．蛋白質(zhì)工程中需要直接進(jìn)行操作的對(duì)象是(

)A．氨基酸結(jié)構(gòu)B．蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)C．肽鏈結(jié)構(gòu)D．基因結(jié)構(gòu)提示: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