(教学指导) 蛋白质工程的原理和应用Word版含解析

第4节蛋白质工程的原理和应用

课标内容要求核心素养对接

1.概述人们根据基因工程原理，进行蛋白

质设计和改造，可以获得性状和功能符合人类要求的蛋白质。

2．举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。1.生命观念：说明基因的碱基排列顺序—蛋白质的结构—蛋白质功能的关系。2．科学思维：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。

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。

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。

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。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构。(×)

提示：蛋白质工程中直接改造的是基因，不是蛋白质。

2．蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子。(√)

3．实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系。(√)

4．基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。(×)

提示：蛋白质工程的基本思路是按照中心法则相反的过程进行的。

5．根据某多肽链的一段氨基酸序列，可以很容易地确定控制该肽链合成的基因的脱氧核苷酸序列。(×)

提示：由于密码子的简并性，根据某多肽链的一段氨基酸序列，不能确定基因的脱氧核苷酸序列。

6．蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为人们对蛋白质复杂的高级

结构没有完全认识。(√)

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

起点预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

因合成来完成？

提示：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，被改造的蛋白质也是无法遗传下去的。②对基因进行改造比对蛋白质进行直接改造容易操作，难度小得多。

(2)蛋白质工程的操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？

提示：基因工程操作程序的基本思路遵守中心法则，从DNA→mRNA→多肽→折叠产生蛋白质，基本上是生产出自然界中已有的蛋白质。蛋白质工程是按照相反的思路进行的，确定蛋白质的功能→蛋白质应用的高级结构→蛋白质具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→基因中的碱基序列，可以创造自然界不存在的蛋白质。

1．基因工程与蛋白质工程的区别是()

A．基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不对基因进行操作

B．基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程合成的不是天然存在的蛋白质

C．基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平(或性状水平)操作

D．基因工程完全不同于蛋白质工程

B[基因工程和蛋白质工程均是对基因进行操作，A错误。基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程可以合成非天然存在的蛋白质，B正确。基因工程和蛋白质工程都是分子水平的操作，C错误。基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状，但只能生产自然界已存在的蛋白质；蛋白质工程是通过修改基因或创造合成新基因来合成新的蛋白质，改变生物的遗传性状，蛋白质工程不完全同于基因工程，蛋白质工程被称为第二代基因工程，D错误。]

2．已知生物体内有一种蛋白质(P)，该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列问题：

(1)从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的________进行改造。

(2)以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰________基因或合成________基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包