高中生物 1.4《蛋白质工程的崛起》（教案+课件+学案）（打包3套）新人教版选修3.zip

- 1 -专题一 1.4 蛋白质工程的崛起一、 教学目标1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.简述蛋白质工程的原理。3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。二、 教学重点和难点1.教学重点（1）为什么要开展蛋白质工程的研究？（2）蛋白质工程的原理。2.教学难点蛋白质工程的原理。三、 教学过程一、蛋白质工程崛起的缘由（P26）引言：要想让一种生物的性状在另一种生物中表达，在种内可以用常规杂交育种的办法实现，但要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流，就显得力不从心了。基因工程的诞生，为克服这一远缘杂交的障碍问题，带来了新的希望。于是取得了丰硕成果：大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，牛的乳腺生物反应器为人类制造出了蛋白质类药物，烟草植物体内含有了某种药物蛋白……至此，人们也只是实现了世界上现有基因在转基因生物中的表达。但一个新问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它的结构、性能不能完全满足人类生产和生活的需要。举例：P26 干扰素例子、工业用酶的例子于是要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们又开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。二、蛋白质工程的原理回顾已学习过中心法则及蛋白质具有复杂的空间结构等知识。中心法则告诉我们遗传信息的流动方向如图 1-4 所示。图 1-4 遗传信息的流动方向- 2 -那么，既然蛋白质的功能是由 DNA 决定的，那么要制造出新的蛋白质，就要改造 DNA。所以蛋白质工程的原理应该是中心法则的逆推。（结合课本中插图）小结：蛋白质工程的概念（是研究蛋白质的结构及结构与功能的关系，然后人为地设计一个新蛋白质，并按这个设计的蛋白质结构去改变其基因结构，从而产生新的蛋白质。或者从蛋白质结构与功能的关系出发，定向地改造天然蛋白质的结构，特别是对功能基因的修饰，也可以制造新型的蛋白质。 ） 思考：蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？答：基因工程是遵循中心法则，从 DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。三、蛋白质工程的进展和前景1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的发展而诞生的，与基因组学、蛋白质组学、生物信息学的发展等因素有关2、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。 科学探索之路的漫长、艰辛和永无止境。四、 答案和提示 （一）思考与探究 1.蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的？提示（供教师在教学中参考）：蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段。在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。- 3 -下面举一个如何通过蛋白质工程来提高重组 β-干扰素专一活性和稳定性的例子。干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素的 cDNA 在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性为 106 U/mg，只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的β-干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，β-干扰素蛋白质中有 3 个半胱氨酸（第 17 位、31 位和 141 位），推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第 17 位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的 β-干扰素的抗病性活性提高到 108 U/mg，并且比天然 β-干扰素的贮存稳定性高很多。在基础理论研究方面，蛋白质工程是研究多种蛋白质的结构和功能、蛋白质折叠、蛋白质分子设计等一系列分子生物学基本问题的一种新型的、强有力的手段。通过对蛋白质工程的研究，可以深入地揭示生命现象的本质和生命活动的规律。2.蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？答：基因工程是遵循中心法则，从 DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。3.你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？提示：酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶这三个酶连续作用于淀粉，就可以代替蔗糖生产出高果糖浆；蛋白酶用于皮革脱毛胶以及洗涤剂工业；固定化酶还可以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引起的某些功能的衰竭等。至于我们日常生活中所见到的加酶洗衣粉、嫩肉粉等，就更是酶工程最直接的体现了。通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用，而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。（二）正文中讨论题- 4 -答：（1）每种氨基酸都有对应的三联密码子，只要查一下遗传密码子表，就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来。但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三联密码子编码，因此其碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列出 16 种，可以让学生根据学过的排列组合知识自己排列一下。首先应该根据三联密码子推出 mRNA 序列为 GCU（或 C或 A 或 G）UGGAAA（或 G）AUGUUU（或 C），再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列：CGA（或 G 或 T 或 C）ACCTTT（或 C）TACAAA（或 G）。（2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。（三）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，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？提示：理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。（四）旁栏思考题 1.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一项重大的科学命题。2001 年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。之后，该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以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的重大国际科研协作计划，总部设在北京，目前有 16 个国家和地区的 80 多个实验室报名参加。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持。2.对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？答：毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下：- 5 -（1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。（2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。- 1 -专题一 1.4 蛋白质工程的崛起高二级 班 姓名： 座号： 交印日期： 一、 学习目标1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.简述蛋白质工程的原理。3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。二、 学习重点和难点（1）为什么要开展蛋白质工程的研究？（2）蛋白质工程的原理。（3）蛋白质工程的原理。三、预习内容知识点 观察与思考 归纳与结论蛋白质工程崛起的缘由思考:1、基因工程的实质是什么?2、蛋白质工程取得了哪些成果？基因工程的实质： 因此，基因工程在原则上只能生产 的蛋白质，这些蛋白质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，我们可适当对其进行改变。例如可将干扰素分子上的一个 变成 ，使其长时间保存；将玉米中天冬氨酸激酶的第 352 位 的变成 ，将二氢吡啶二羧酸合成酶中 104 位的 变成 ，就可提高游离赖氨酸的含量。蛋白质工程的基本原理1、蛋白质工程的目标是什么？2、天然蛋白质的合成过程怎样？3、蛋白质工程的基本途径是什么？1、蛋白质工程的目标是：根据人们对 的特定需求，对 进行分子设计。由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过 来完成。2、天然蛋白质的合成过程：3、蛋白质工程的基本途径：总结：蛋白质工程是指以蛋白质分子的 及其 作为基础，通过 或 ，对 进行改造，或 ，以满足人类的生产和生活的需求。- 2 -也就是说，蛋白质工程是在 的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是包含多学科的综合科技工程领域。蛋白质工程的进展和前景蛋白质工程取得的进展向人们展示出哪些诱人的前景？例如：科学家通过对 的改造，已使其成为速效型药品；用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有 、 和 的特点，因此有极为广阔的发展前景。三、学习过程（一） 、蛋白质工程崛起的缘由：1、基因工程的实质：将一种生物的 转移到另一处生物体内，后者产生它本不能产的 ，从而产生新性状。2．蛋白质工程目的：生产符合人们生活需要的并非自然界已存在的 。（二） 、蛋白质工程基本原理1．目标：根据人们对 功能的特定需求，对 结构进行分析设计。2．原理：基因改造。3．过程：预期蛋白质功能→设计 结构→推测应有 序列→找到对应的 序列(基因)。（三） 、蛋白质工程的进展和前景例如：科学家通过对 的改造，已使其成为速效型药品；用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有 、 和 的特点，因此有极为广阔的发展前景。四、当堂检测1、科学家运用基因工程技术，可以使哺乳动物本身变成“批量生产药物的工厂” ，如“乳腺生物反应器”的培养，就是将“某种基因”通过显微注射法导入哺乳动物的受精卵中，然后，将受精卵送入母体内，使其生长发育成转基因动物。这里的“某种基因”是指： （ ）A．乳腺蛋白基因 B．药用蛋白基因 C．药用蛋白基因和乳腺蛋白基因的启动子重组在一起 D．药用蛋白基因和细菌质粒基因重组在一起2、下列有关基因工程技术的叙述，正确的是 （ ）A．重组 DNA 技术所用的工具酶是限制酶、连接酶和运载体B．所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列C．选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细菌繁殖快D．只要目的基因进入了受体细胞就能成功实现表达3、PCR 技术的原理类似于细胞内 DNA 的复制，短时间内就可以在体外将目的基因扩增放大几百万倍。下列关于 PCR 技术的推测，不可能的是（ ）A．PCR 技术在短时间内将目的基因放大几百万倍，因而对基因工程中的操作有极大帮助- 3 -B．用 PCR 技术扩增目的基因，需要模板、原料、酶和能量等条件C．用 PCR 技术扩增目的基因，也遵循碱基互补配对原则D．如果目的基因共 1000 个脱氧核苷酸对，其中腺嘌呤脱氧核苷酸 460 个，用 PCR 技术扩增4 代，需要 8640 个胞嘧啶脱氧核苷酸4、切取牛的生长激素和人的生长激素基因，用显微注射技术将它们分别注入小鼠的受精卵中，从而获得了“超级鼠” ，此项技术遵循的原理是 ( )A.基因突变：DNA→RNA→蛋白质 B.基因工程：RNA→RNA→蛋白质C.细胞工程：DNA→RNA→蛋白质 D.基因重组：DNA→RNA→蛋白质5、科学家将 —干扰素基因进行定点突变导人大肠杆菌表达，使干扰素第十七位的半胱氨酸，改变成丝氨酸，结果大大提高了 —干扰素的抗病活性，并且提高了储存稳定性。该生物技术为( )A．基因工程 B．蛋白质工程 C．基因突变 D．细胞工程6、上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带白蛋白的转基因牛，还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高 30 多倍，转基因动物是指 ( ) A.提供基因的动物 B.基因组中增加外源基因的动物C.能产生白蛋白的动物 D.能表达基因信息的动物7、我国科学家成功地将人的抗病毒干扰素基因转移到烟草 DNA 分子上，从而使烟草获得了抗病毒的能力。这项技术所依据的遗传学原理主要是 ( )A．碱基的互补配对原则 B．中心法则 C．基因分离定律 D．基因自由组合定律8、运用现代生物技术的育种方法，将抗菜青虫的抗虫基因转移到优质油菜中，培育出转基因抗虫的油菜品种，这一品种在生长过程中能产生特异的杀虫蛋白，对菜青虫有显著抗性，能大大减轻菜青虫对油菜的危害，提高油菜产量，减少农药使用，保护农业生态环境。根据以上信息，下列叙述正确的是（ ）A、抗虫基因的化学成分是蛋白质 B、抗虫基因中有菜青虫的遗传物质C、转基因抗虫油菜能产生杀虫蛋白是由于具有抗虫基因D、转基因抗虫油菜产生的杀虫蛋白是无机物9、利用基因工程技术将生长激素基因导入绵羊体内，转基因绵羊生长速率比一般的绵羊提高 30％，体型大 50％，在基因操作过程中生长激素基因的受体细胞最好采用( )A．乳腺细胞 B．体细胞 C．受精卵 D．精巢10、下列有关基因工程技术的应用中，对人类不利的是( )A．制造“工程菌”用于药品生产 B．创造“超级菌”分解石油、DDTC．重组 DNA 诱发受体细胞基因突变 D．导人外源基因替换缺陷基因- 4 -11、生产上培育无子番茄、青霉素高产菌株、杂交培育矮秆抗锈病小麦、抗虫棉的培育原理依次是( )①生长素促进果实发育 ②染色体变异 ③基因重组④基因突变⑤基因工程A．①②③④ B．①④③② C．①④②⑤ D．①④③③12、科学家已能运用基因工程技术，让羊合成并分泌抗体。相关叙述不正确的是A．该技术将导致定向的变异 B．受精卵是理想的受体细胞C．宜采用 PCR 技术扩增目的基因 D．卵巢分泌的孕激素能促进抗体的产生13、用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。下列叙述不正确的有( )A．常用相同的限制性核酸内切酶处理目的基因和质粒 B．DNA 连接酶和 RNA 聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶 C．可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒 D．导入大肠杆菌的目的基因不一定能成功表达14、蛋白质工程中，直接需要进行操作的对象是( )A．氨基酸结构 B．蛋白质空间结构 C．肽链结构 D、基因结构15、蛋白质工程的基本流程是( )①蛋白质分子结构设计 ②DNA 合成 ③预期蛋白质功能 ④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A．①→②→③→④ B．④→②→①→③C．③→①→④→② D．③→④→①→②五、课后反思 同学们，通过你的自主学习，你还有哪些疑惑，请把它填在下面的表格中 疑惑点 疑惑内容 当堂检测答案1—5DCDDB 6---10BBCCC 11—15DDBDC