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第4节
蛋白质工程的原理和应用
人教版
高中生物
学习目标
阐述蛋白质工程的原理和基本操作。
1.文化基础：蛋白质工程的原理和基本操作。
2.自主发展：尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计改造某一蛋白质的设计流程。
3.社会参与：举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。
用发出不同颜色荧光的细菌“西画”
的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。
最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢?
思考：
一、蛋白质工程
1．概念
(1)基础：蛋白质分子的__________________及其与__________________的
关系。
(2)手段：通过_________________或___________________，对现有蛋白
质进行改造，或制造一种新的蛋白质。
(3)目的：获得满足人类的生产和生活需求的______________________。
结构规律
生物功能
基因改造
基因合成
蛋白质
2．理论和技术条件：___________________、__________________以及____________________技术的迅猛发展。
分子生物学
晶体学
计算机
二、蛋白质工程崛起的缘由
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______________________。
基因
蛋白质
新的性状
2．基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界中____________________的蛋白质。
已存在
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。
特定物种
人类生产和生活
4．实例：玉米中赖氨酸的含量比较低，赖氨酸合成中两种酶的
____________________被替换，就可以使玉米叶片和种子中游离赖
氨酸分别提高5倍和2倍。
氨基酸
你知道人类蛋白质组计划吗?它与蛋白质工程有什么关系?我国科学家承担了什么任务?
思考与讨论
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。
三、蛋白质工程的基本原理
1．目标：根据人们对__________________功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。
蛋白质
2．方法：_____________________或_____________________。
改造基因
合成基因
天然蛋白质合成的过程是按照________________进行的:基因→表达(_____________________)→形成具有特定______________________的多肽链→形成具有高级结构的__________________→行使生物功能。
3．流程：
中心法则
转录和翻译
氨基酸序列
蛋白质
蛋白质工程的基本思路：
预期蛋白质功能→设计预期的_____________________→推测应有的__________________序列→找到相对应的____________________序列(基因)或合成新的_________________→获得所需要的蛋白质。
蛋白质结构
氨基酸
脱氧核苷酸
基因
1.
怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列?请把相应的碱基序列写出来。
思考与讨论
提示：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，可以让根据学过的排列组合的知识自己排列下。首先应该根据密码子推出mRNA序列为GCU(或C,或A，或G
)UGGAA(或G)GAA(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，
怎样才能合成或改造目的基因?
提示：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。
蛋白质工程与基因工程的比较
项目
蛋白质工程
基因工程
区别
起点
过程
实质
结果
预期蛋白质功能
目的基因
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质
获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的
基因重组
可以创造出自然界不存在的蛋白质
生产自然界已存在的蛋白质
区别
应用及现状
联系
①主要集中在对现有蛋白质进行改造，如干扰素、天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少
①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化②基因治疗仅处于初期的临床试验阶段
①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质②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
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：科学家通过改造___________________使B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了_________________________，研发出速效胰岛素类似物。
胰岛素基因
胰岛素的聚合
(2)提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个________________变成_____________________，提高了干扰素的保存时间。
半胱氨酸
丝氨酸
异想天开
能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢?
提示：理论上可以，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人的研究。
(3)改造抗体：将小鼠单克隆抗体上________________________“嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。
结合抗原的区域
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蛋白酶的多种_______________________。
突变体
(2)改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造参与____________________
的酶，以提高植物光合作用的效率。
调控光合作用
到社会中去
酶制剂在食品工业、医药工业等方面都有广泛的应用。现在，酶制剂的生产已经形成一个市场可观的新兴产业。蛋白质工程的应用又为酶制剂产业的发展提供了强大助力。请查阅资料，了解我国酶制剂产业发展的现状和趋势，分析蛋白质工程在酶制剂产业中的作用。
提示：酶用作工业催化剂，
比无机催化利具有更大的优越性，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，酶制剂在工业领城得到了广泛的应用。
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
1．蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是( )
A．氨基酸结构
B．蛋白质空间结构
C．肽链结构
D．基因结构
提示:蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需求。因此蛋白质工程最终还是要对基因进行改造。
D
2．蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是( )
A．基因功能
B．蛋白质功能
C．氨基酸序列
D．mRNA密码子序列
提示：蛋白质工程依据蛋白质功能，设计蛋白质结构，再推测并合成相应的基因。
B
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蛋白质工程的原理和应用教学设计
课题
第4章
基因工程第4节
蛋白质工程的原理和应用
单元
第二章
学科
生物
年级
高二
学习目标与核心素养
阐述蛋白质工程的原理和基本操作。1.文化基础：蛋白质工程的原理和基本操作。2.自主发展：尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计改造某一蛋白质的设计流程。3.社会参与：举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。
重点
蛋白质工程的原理和基本操作。
难点
对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
走进社会中你见过用细菌画画吗？右图是用发出不同颜色荧光的细茵“画”?的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。
最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
课前查阅资料，欣赏细菌画画，了解细菌“画”的效果，分析相关原因。
通过趣味生物的介绍和展示，激发学生的学习兴趣，引入新课。
讲授新课
一、蛋白质工程1．概念（1）基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。（2）手段：通过基因改造或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质。（3）目的：获得满足人类的生产和生活需求的蛋白质。2．理论和技术条件：分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。二、蛋白质工程崛起的缘由1．基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。2．基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界中已存在的蛋白质。3．天然蛋白质的不足：天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。4．实例：玉米中赖氨酸的含量比较低，赖氨酸合成中两种酶的氨基酸被替换，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。思考与讨论你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？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。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：改造基因或合成基因。3．流程：预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（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：科学家通过改造胰岛素基因使B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，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半胱氨酸变成丝氨酸，提高了干扰素的保存时间。（3）改造抗体：将小鼠单克隆抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。蛋白质工程与基因工程的比较项目蛋白质工程基因工程区别起点期蛋白质功能目的基因过程预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定实质通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的基因重组结果可以创造出自然界不存在的蛋白质生产自然界已存在的蛋白质应用及现状①主要集中在对现有蛋白质进行改造，如干扰素、天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化②基因治疗仅处于初期的临床试验阶段联系①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质②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蛋白酶的多种突变体。（2）改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率。到社会中去酶制剂在食品工业、医药工业等方面都有广泛的应用。现在，酶制剂的生产已经形成一个市场可观的新兴产业。蛋白质工程的应用又为酶制剂产业的发展提供了强大助力。请查阅资料，了解我国酶制剂产业发展的现状和趋势，分析蛋白质工程在酶制剂产业中的作用。提示：酶用作工业催化剂，
比无机催化利具有更大的优越性，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。总结与练习1．蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是（ D ）A．氨基酸结构
B．蛋白质空间结构C．肽链结构
D．基因结构 提示：蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需求。因此蛋白质工程最终还是要对基因进行改造。2．蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是（ B ）A．基因功能
B．蛋白质功能C．氨基酸序列
D．mRNA密码子序列 提示：蛋白质工程依据蛋白质功能，设计蛋白质结构，再推测并合成相应的基因。
【学习活动一】学生阅读课本P93—94，联系实际，简述蛋白质工程的概念及崛起的缘由。小组讨论，完成相关探究，解决实验相关问题。【学习活动二】学生阅读课本P94，联系实际，分析蛋白质工程的基本原理。【学习活动三】学生阅读课本P95，联系实际，阐述蛋白质工程的应用。完成表格，分析对比相关知识。分析社会热点问题。
通过阅读，了解蛋白质工程发展史，概括蛋白质工程概念，了解蛋白质工程探究的必要性，培养学生获取信息的能力，加深学生对概念的认识，激发学生的科学研究的兴趣。提出问题，解决问题，此环节可以让学生思考真正发生，让更多的学生参与到课堂中，把握重难点。通过阅读，借助教材中的图解，分析蛋白质工程基本原理，激发学生的科学研究的兴趣。通过阅读，概括现阶段蛋白质工程的应用，激发学生的科学研究的兴趣。通过完成表格，使学生能够掌握相关知识，帮助学生对知识点的理解，提高学生推理和对比能力。让学生将所学知识应用于生产生活实践。
课堂小结
1.基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。2.蛋白质工程并不是直接改造蛋白质分子的结构，而是通过基因操作来实现对天然蛋白质的改造。3.蛋白质工程的基本途径：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列。4.蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因改造或基因合成，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需要。
板书
蛋白质工程的原理和应用1.蛋白质工程的崛起缘由2.蛋白质工程的基本原理目标、方法、流程3.蛋白质工程的应用医药工业、其他工业和农业
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精品试卷·第
2
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（共
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