高中生物选修3优质学案12：1.4 蛋白质工程的崛起

蛋白质工程的崛起
学法指导：阅读教材，把重点、难点和问题标记出来，并做好研讨和展示准备。

学习目标：
1.简述蛋白质工程的实质及基因工程生产的蛋白质种类。

2.解释蛋白质工程的基本原理及基本途径。

3.分析蛋白质工程将来的发展前景。

学习重点
1.开展蛋白质工程的研究的原因；
2.蛋白质工程的原理。

【自主预习】
一、蛋白质工程崛起的缘由
1. 基因工程的实质及不足
（1）实质：将一种生物的转移到另一种生物体内，使后者可以产生它本不能产生的，进而表现出。

（2）不足：基因工程在原则上只能生产自然界已存在的。

2. 蛋白质工程崛起的缘由
天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，不能满足人类需求，它们的符合生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。

若不能直接满足人类需要，就必须人为对其进行改造，蛋白质工程从而崛起。

3. 蛋白质工程的成果
（1）的体外保存：干扰素是动物体内的一种蛋白质，可治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存相当困难，经过蛋白质工程改造(将干扰素第17位的半胱氨酸变成丝氨酸)后，可使其在－70℃条件下保存半年。

（2）富含的玉米新品种的培育：玉米体内赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨酸合成过程中的两个关键酶──天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大，当赖氨酸浓度达到一定量时，就会抑制这两种酶的活性，从而影响赖氨酸含量的提高，经过蛋白质工程改造(将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的天冬酰胺变成异亮氨酸)这两种酶后，分别使赖氨酸的含量提高了5倍和2倍。

（3）许多也是在改变天然酶的活性后，才使之适应生产和使用需要的。

二、蛋白质工程的基本原理
1. 概念：蛋白质工程是指以蛋白质分子的及其与的关系作为基础，通过或，对进行改造，或制造一种，以满足人类的生产和生活的需要。

是其中的关键技术，因此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。

对蛋白质工程概念的理解：
①基础：蛋白质分子的及其与的关系。

②手段：通过或，对进行改造，或制造一种。

特别提醒改造蛋白质的结构，本质上是改造控制该蛋白质合成的基因的结构。

③目的：获得满足人类生产和生活需要的。

2. 基本原理：，即由预期的蛋白质创造出适合人类需求的新基因。

根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计，但因为基因决定蛋白质，因此对蛋白质的结构进行设计改造，归根到底还需对相应的基因进行操作，按要求进行修饰加工改造，使其能控制合成人类需要的、并非自然界已经存在的蛋白质。

3. 基本途径
（1）蛋白质工程的流程（P27图1-29）
天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的：基因→表达(转录和翻译)→形成特定氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能；而蛋白质工程与之相反，它的基本途径是：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的→推测应有的→找到相对应的(基因)。

（2）实施方法
①通过改变蛋白质肽链中的个别氨基酸或一段氨基酸序列，可以实现对蛋白质的改造。

②改变蛋白质肽链中个别氨基酸时，通常采用定点诱变技术，从而获得人类所需要的目的蛋白质。

三、蛋白质工程的进展和前景
1.蛋白质工程的进展向人们展示出诱人的前景，如通过对胰岛素的改造，使其成为一种速效性药品。

小资料胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下，要经过较长的时间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易分解，因此，治疗效果受到影响。

2.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、和的特点，具有极为广阔的发展前景。

（前景诱人）
3.目前科学家对大多数蛋白质的的了解还很不够，要设计出更符合人类需要的蛋白质还需要经过艰辛的探索。

（难度很大）
蛋白质工程和基因工程的关系
【检测练习】
一、选择题
1．蛛丝的强度和柔韧度得益于蛛丝蛋白的特殊布局，使它产生了一个由坚硬的结晶区和非结晶区构成的混合区域。

有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因结构，以指导对蚕丝蛋白的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝蛋白一样坚韧的丝。

此过程运用的技术及流程分别是()
A．基因突变；DNA→RNA→蛋白质
B．基因工程；RNA→RNA→蛋白质
C．基因工程；DNA→RNA→蛋白质
D．蛋白质工程；蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质
2．蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不是直接改造蛋白质的原因是()
A．缺乏改造蛋白质所必须的工具酶
B．改造基因易于操作且改造后能够遗传
C．人类对大多数蛋白质高级结构知之甚少
D．蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大
3．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→④B．④→②→①→③
C．③→①→④→②D．③→④→①→②
4．科研人员利用相关技术改变了胰岛素B链的第9位氨基酸，从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。

下列相关叙述中，不正确的是()
A．胰岛素的本质是蛋白质，不宜口服使用
B．可通过测定DNA的序列确定突变是否成功
C．对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程
D．该过程的操作对象是胰岛素分子
5．蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是()
A．基因工程原则上能生产任何蛋白质
B．蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造，则制造一种新的蛋白质
C．蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现
D．蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第三代基因工程
二、非选择题
6．下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是，代表中心法则内容的是。

(填写数字)
(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：
①，②，③，④，⑤。

(3)蛋白质工程的目的是，通过实现。

(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是的。

7．下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程。

请据图回答：
(1)改造鼠源抗体，生产鼠—人嵌合抗体，属于(生物工程)的范畴。

图示该过程中，根据预期的嵌合抗体功能，设计嵌合抗体的结构，最终必须对进行操作。

(2)从鼠杂交瘤细胞中获得可变区的特定基因，然后与人的抗体恒定区基因连接，需要的工具酶是。

重组基因是否翻译成蛋白质，需要从转基因鼠中分离、提取，利用相应的抗体进行抗原—抗体杂交。

(3)在鼠—人嵌合抗体进入人体内后，识别抗原的区域是区，引起人体免疫反应的主要是区；经过改造的鼠—人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是。

——★参考答案★——
【自主预习】
一、蛋白质工程崛起的缘由
1. （1）基因，蛋白质，新性状。

（2）蛋白质。

2. 结构和功能,特定物种。

3. （1）干扰素。

（2）赖氨酸（3）工业用酶。

二、蛋白质工程的基本原理
1. 结构规律,生物功能，基因修饰或基因合成，现有蛋白质，新的蛋白质，基因工程。

①结构规律与生物功能。

②基因修饰或基因合成，现有蛋白质，新的蛋白质。

③蛋白质。

2. 基因改造。

3. （1）蛋白质结构→氨基酸序列→脱氧核苷酸序列。

基因DNA, 氨基酸序列多肽链, 蛋白质三维结构, 预期功能生物功能。

三、蛋白质工程的进展和前景
2.体积小、耗电少和效率高。

3.高级结构
定向改造或生产人类所需的蛋白质，可生产自然界没有的蛋白质.
联系：①蛋白质工程师在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程，因为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实现。

②基因工程能为蛋白质工程提供理论及技术支持，蛋白质工程可对基因工程中所需的某些酶进行修饰、改造，使之更符合需要。

【检测练习】
一、选择题
1．D[[解析]]根据题干信息“通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因结构，以指导对蚕丝蛋白的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝蛋白一样坚韧的丝”可知，该工程运用的技术是蛋白质工程，操作的流程是蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质。

D正确。

2．B
3．C
4．D[[解析]]胰岛素的本质是蛋白质，只能注射，不宜口服使用，A正确；可通过测定DNA的序列确定突变是否成功，B正确；对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程，C正确；蛋白质工程的操作对象是基因，D错误。

5．B[[解析]]蛋白质工程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的需求，是延伸出来的第二代基因工程。

二、非选择题
6．(1)④⑤，①②③。

(2)①转录，②翻译，③折叠，④分子设计，⑤DNA合成。

(3)对蛋白质的结构进行分子设计，基因修饰或基因合成。

(4)相反。

7．(1)蛋白质工程。

基因。

(2)限制性核酸内切酶和DNA连接酶。

蛋白质。

(3)可变，恒定；对人体的不良反应(或过敏反应等副作用)减少。