《蛋白质工程的崛起学案》

《蛋白质工程的崛起学案》
张建尚/江苏
【学习目标】站得高——明确学习目标。

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。

【重点和难点】
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。

难点：蛋白质工程的原理。

【学法提示】
1.联系中心法则和基因控制蛋白质的合成过程，运用逆向思维分析蛋白质工程的基本思路。

2.蛋白质工程是对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，该过程必须通过基因修饰或基因合成才能实现，所以最后还是要落实到基因工程上。

学习过程中可以通过列表比较理解蛋白质工程与基因工程的区别与联系。

【课前预习】起步稳——知识源于生活。

1.基因工程在原则上只能生产①蛋白质，这些蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合②存在的需要，却不一定符合③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④变成⑤，使其长时间保存；将玉米中天冬氨酸激酶的第352位的⑥变成⑦，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的⑧变成⑨，就可提高游离赖氨酸的含量。

2.蛋白质工程的目标是根据人们对①的特定需求,对蛋白质的结构进行②。

由于③决定蛋白质,因此要对蛋白质的结构进行设计改造,必须通过改变④来完成。

天然蛋白质合成的过程是按照⑤进行的：⑥→⑦（⑧）→形成具有高级结构的蛋白质→⑨。

而蛋白质工程却与之相反，它的基本途径是：从预期的⑩出发→设计出预期的⑾→推测应有的⑿→找到对应的⒀（基因）。

3．蛋白质工程是指①及其与②作为基础,通过③或④ ,对⑤进行改造,或制造一种⑥ ,以满足人类的⑦的需求。

4.科学家通过对胰岛素的改造,以使其成为①药品。

生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。

用蛋白质工程方法制成的电子元件,具有②、
③和④的特点,因此有极为广阔的发展前景。

答案1.①自然界已存在的②特定物种③人类生产和生活④半胱氨酸⑤丝氨酸⑥苏氨酸⑦异亮氨酸⑧天冬酰胺⑨异亮氨酸 2.①蛋白质功能②分子设计③基因④基因⑤中心法则⑥基因⑦表达⑧转录和翻译⑨行使生物功能⑩蛋白质功能⑾蛋白质结构⑿氨基酸序列⒀脱氧核苷酸序列3.①以蛋白质分子的结构规律②生物功能的关系③基因修饰④基因合成⑤现有蛋白质⑥新的蛋白质⑦生产和生活4. ①速效型②体积小③耗电少④效率高
【课堂探究】走得欢——探索成长快乐。

一、蛋白质工程崛起的缘由
基因工程可以生产人类需要的药物，如胰岛素、干扰素等，某些食品，如番茄、土豆等以及农业中的抗虫棉、抗病毒烟草等。

1.小麦的一个品种抗倒伏不抗锈病，另一个品种抗锈病不抗倒伏，通过①可以获得既抗倒伏又抗锈病的小麦新品种；苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因控制合成的毒蛋白能够杀死棉铃虫等害虫，通过②技术可以获得抗虫棉。

2.基因工程在满足人类需要上存在着哪些不足之处？①。

3.干扰素是动物体内一种蛋白质，对于病毒的感染和癌症具有很好的疗效，但是在体外保存相当困难，不利于实际运用。

如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在-70℃度的条件下可以保存半年。

（1）干扰素的合成受①控制，其合成过程包括②和③两步。

（2）我们要对干扰素进行改造，应该直接改造蛋白质还是改造基因?尝试说出你的理由。

①。

二、蛋白质工程的基本原理
1.以下是天然蛋白质的合成过程：
基因→表达→多肽链→蛋白质→行使生物功能
基因的基本组成单位是①，基因的表达是通过②实现的。

多肽链具有多样性的原因是③，多肽链在④、高尔基体等细胞器中加工、折叠等形成具有一定空间结构的蛋白质。

蛋白质的功能有⑤。

2.以下是蛋白质工程的基本途径：
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→合成对应的基因→表达出蛋白质（1）上述基本途径中难度最大的是①，对于蛋白质结构的设计改造，最终还是要通过②来实现。

（2）某多肽链的一段氨基酸序列是：……—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—……。

请写出mRNA和基因碱基序列：①。

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（DNA）？②。

3.比较：基因工程和蛋白质工程
三、蛋白质工程的进展和前景
1.目前蛋白质工程成功的例子不多的主要原因是①。

2. 2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立，之后该组织正是提出启动两项重大国际合作行为：一项是由中国科学家牵头执行的“①”，总部设在②；另一项是以美国科学家牵头执行的“③”。

答案一、1.①杂交育种（或杂交）②基因工程（或转基因）2.①基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质②③3.（1）①基因②转录③翻译（2）①通过对基因的操作来实现，因为基因决定蛋白质的合成。

二、1．①脱氧核苷酸②转录和翻译③构成多肽链的氨基酸的数量、种类和排列顺序不同④内质网⑤运输、防御、运动、催化等。

2.（1）（2）①mRNA的碱基序列为：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）；基因的碱基序列为： 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。

3. ①整个基因②一个基因上某几个碱基对③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④预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→合成DNA→表达出蛋白质⑤定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需要的生物类型或生物产品（基因的异体表达）⑥定向改造或生产人类所需要的蛋白质⑦生产自然界已有的蛋白质⑧生产自然界中没有的蛋白质⑨蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出的第二代基因工程，对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质必须通过基因修饰或基因合成来实现三、1.①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。

2.①人类肝脏蛋白质组计划②北京③人类血浆蛋白质组计划
【课堂巩固】跑得快——善于学习，手不释卷！
蛋白质工程是指根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计、生产的过程。

下面是蛋白质工程的基本途径，试回答下列有关问题：
（1）图中A是，所需原料是；B是，进行的场所是，所需原料是。

（2）图中C是，在细胞内，C过程的完成离不开和两种细胞器。

（3）图中D过程的主要依据是每种氨基酸都有其对应的，后者位于分子上，其上的核苷酸序列与基因中的脱氧核苷酸之间存在着关系。

（4）2001年国际人类蛋白质组组织成立，2003年正式启动。

其中一项是由中国科学家牵头执行的计划，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”。

国际人类蛋白质组计划的总部设在。

答案（1）转录；核糖核苷酸；翻译；核糖体；氨基酸（2）折叠；内质网；高尔基体（3）密码子；mRNA；互补（4）人类肝脏蛋白质组；（中国）北京
【课后作业】步步高——巩固成果，对答如流！
蛋白质分子的设计是一项复杂而艰巨的工程，其基本流程可以用下图表示：
（1）构建新的蛋白质模型是分子设计的关键环节，你认为构建蛋白质模型的依据是什么？。

（2）通过DNA合成形成的新基因怎样才能得到准确的表达？。

（3）有的学者认为，蛋白质工程本身也是研究蛋白质结构和功能的一种有力工具。

你是怎么看待的？。

（4）根据蛋白质的氨基酸序列人工合成的目的基因的种类及该基因控制的性状分别是（）A.一种，相同性状 B.一种，多种性状 C.多种，相同性状 D.多种，多种性状
（5）枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性，但极易被氧化而失效。

1985年，美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替换后，虽然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。

用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有效地除去血渍、奶渍等蛋白质污渍。

①改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是。

②改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比，至少有个碱基对发生变化。

③利用生物技术改造蛋白质，是提高了蛋白质的性，埃斯特尔所作的工作是对已知蛋白质进行。

答案（1）依据是控制这种蛋白质合成的基因及蛋白质的空间结构（2）通过基因工程技术，将新基因导入大肠杆菌等受体细胞中，新基因在受体细胞中指导合新蛋白质（3）蛋白质结构直接影响其功能活性，要想研究蛋白质结构和功能的关系，蛋白质工程就是有力工具，利用这种工具可以改变蛋白质的空间结构，探究功能的改变，而做出相应的科学结论。

（4）C （5）①蛋白质工程②1③稳定；少数氨基酸的替换。