人教版高中生物选修三专题一1.4蛋白质工程的崛起优质教案

1、专题一 1.4蛋白质工程的崛起一、教学目标1 .举例说由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由了胰岛素，牛的乳腺生物反应器为人类

2、制 造生了蛋白质类药物，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。 但一个新问题由现了，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，制造由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。2G阳基因）* "mRkU状倏电*“有空 间结构的雷副质一天达生物特

3、有的功能或性状图1-4遗传信息的流动方向那么，既然蛋白质的功能是由 DNA决定的，那么要制造由新 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 与功能的关系由发，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， 仄DNAmRNA蛋白质-折叠 产生功能，基本上是生产由自然

4、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一蛋白质应具备的折叠状态一应有的氨基 酸序列一应有的碱基排列，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

5、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

6、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。下面举一个如何通过蛋白质工程来提高重组B-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106U/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 B-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，B - 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

7、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B-干扰素的抗病性活性提高到 108U/mg,并且比天然 B -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，基本上是生产由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

8、应有的高级结 构一蛋白质应具备的折叠状态一应有的氨基酸序列一应有的碱 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。a -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由高果糖浆；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

9、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由来。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

10、码子编码， 因此其碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列由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 据三联密码子推由 mRN便列为GCU（或C或A或G） UGGAAA或 G AUGUUU或O ,再根据碱基互补配对规律推由脱氧核昔酸序 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

11、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由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，很难设计由一个崭新而又 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，该组织正式提由启动了两项重大国 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r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