新教材2023年高中生物第3章基因工程第4节蛋白质工程的原理和应用学案新人教版选择性必修3

第4节蛋白质工程的原理和应用新课程标准核心素养1．说出蛋白质工程崛起的缘由。2．概述蛋白质工程的基本原理。3．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．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，设计或改造某一蛋白质的设计流程。2．社会责任——尝试运用逆向思维分析和解决问题。知识导图必备知识·夯实双基一、蛋白质工程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B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与29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。┃┃学霸记忆__■1．基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。2．蛋白质工程并不是直接改造蛋白质分子的结构，而是通过基因操作来实现对天然蛋白质的改造。3．蛋白质工程的基本途径：从预期的蛋白质功能出发→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。4．蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因改造或基因合成，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需要。┃┃活学巧练__■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。(×)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。(×)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。(×)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。(√)思考：1．为什么蛋白质工程不是直接改造蛋白质而是通过基因改造和基因合成来完成？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循中心法则，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→蛋白质应有的高级结构→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。课内探究·名师点睛知识点蛋白质工程1．对蛋白质工程的2点说明(1)改造对象：通过改造控制蛋白质合成的基因的结构来改造某种蛋白质的结构。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进行改造要容易操作，难度要小得多。(2)蛋白质工程中经过处理得到的新基因与基因突变得到的新基因有较大差别：基因突变的新基因中含有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程中的新基因则没有。2．蛋白质工程的基本流程┃┃典例剖析__■典例1目前科学家通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等，采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白过程的正确顺序是(B)①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列②蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计序列③蓝色荧光蛋白基因的合成④表达出蓝色荧光蛋白A．①②③④ B．②①③④C．②③①④ D．④②①③解析：蛋白质工程的基本流程是从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→表达出相应的蛋白质，故正确顺序应该是②①③④。┃┃变式训练__■1．下图表示蛋白质工程的操作过程，相关说法不正确的是(C)A．a、b过程分别是转录、翻译B．蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作C．蛋白质工程是完全摆脱基因工程技术的一项全新的生物工程技术D．蛋白质工程中可能构建出一种全新的基因解析：a过程是以DNA的一条链为模板合成mRNA的转录过程，b过程是以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的多肽链的翻译过程，A项正确；蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求，因此蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作，B、D项正确；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，C项错误。知识点蛋白质工程与基因工程的区别与联系比较项目蛋白质工程基因工程区别起点预期的蛋白质功能目的基因过程预期蛋白质功能→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→获得需要的蛋白质获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定目标定向改造或生产人类所需的蛋白质定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品结果生产非天然的蛋白质生产自然界已有的蛋白质联系①都在生物体外对基因进行操作；②蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程知识贴士“二看法”判断基因工程和蛋白质工程一看对基因的操作方法—eq\b\lc\[(\a\vs4\al\co1(剪切、连接→基因工程,合成、改造→蛋白质工程))二看合成的蛋白质种类—eq\b\lc\[(\a\vs4\al\co1(自然界已有的天然蛋白质→,基因工程,非天然的、自然界没有的蛋,白质→蛋白质工程))┃┃典例剖析__■典例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，有广阔的发展前景。下列关于蛋白质工程的描述，正确的是(C)A．因为需要对蛋白质直接改造，所以操作更难B．因为蛋白质不能遗传，所以蛋白质工程的产物不能大量生产C．蛋白质工程也需要设计出相应的基因D．蛋白质工程在各个领域有广泛应用解析：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，是在分子水平上对基因分子直接进行操作，A项错误；分子水平上对基因分子直接进行操作使其遗传物质发生改变，可以遗传给下一代，B项错误；蛋白质工程对基因分子直接进行操作，需要推测出应有的氨基酸序列，设计出相应的基因，C项正确；蛋白质工程的发展并不成熟，仍需一段时间提升，其目前并不能在各个领域广泛应用，D项错误。┃┃变式训练__■2．下列关于蛋白质工程的叙述，正确的是(A)A．通过对基因结构的定点改造实现对玉米中赖氨酸合成过程中的关键酶结构的改造属于蛋白质工程B．将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内，使大肠杆菌生产人的胰岛素的技术属于蛋白质工程C．蛋白质工程不需要构建基因表达载体D．通过蛋白质工程改造后的蛋白质的特性不能遗传给子代解析：通过对基因结构的定点改造实现对玉米中赖氨酸合成过程中的关键酶结构的改造属于蛋白质工程，A项正确；将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内，使大肠杆菌生产人的胰岛素的技术属于基因工程，B项错误；在蛋白质工程中，改造后的基因需要导入受体细胞内才能表达出相应的蛋白质，故需要构建基因表达载体，C项错误；蛋白质工程的实质是对基因进行改造，从而实现对蛋白质的改造，改造后的蛋白质的特性可遗传给子代，D项错误。指点迷津·拨云见日区分蛋白质组计划、蛋白质工程与酶工程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另一项重大的科学命题，是研究细胞中基因编码的全部蛋白质的组成、结构、修饰及其功能的国际合作计划。目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够，要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需要经过艰辛的探索。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。酶工程就是指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。如固定化酶技术、加酶洗衣粉、嫩肉粉等。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在酶的合理、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进行改造。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。┃┃典例剖析__■典例3T4溶菌酶在高温时易失去活性。研究人员对编码T4溶菌酶的基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位的异亮氨酸变成半胱氨酸，该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键，提高了T4溶菌酶的耐热性。下列相关叙述正确的是(D)A．T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸种类和数目发生了改变B．T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程，自然界中的酶都可通过蛋白质工程进行改造C．蛋白质工程与中心法则的流程方向一致，即DNA→mRNA→蛋白质D．若高温等使蛋白质的空间结构发生改变，则蛋白质的功能也会受影响解析：由题意可知，T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的肽链的氨基酸序列发生了改变，氨基酸的数目没有改变，A项错误；T4溶菌酶的化学本质是蛋白质，对其进行改造属于蛋白质工程，在自然界中绝大多数酶的化学本质是蛋白质，但也有少数酶的化学本质是RNA，化学本质是RNA的酶不能通过蛋白质工程进行改造，B项错误；蛋白质工程与中心法则的流程方向相反，其流程是从预期蛋白质的功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变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，C项错误；蛋白质的功能由蛋白质的结构决定，蛋白质的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响，D项正确。解疑答惑从社会中来⇨P93提示：科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。旁栏思考⇨P93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重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是由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重大国际科研协作计划。它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据。2010年，该计划“两谱、两图、三库”的目标初步实现。我国科学家完成了人类肝脏蛋白质组表达谱和修饰谱，绘制了蛋白质相互作用连锁图和定位图。“三库”则是建立符合国际标准的肝脏标本库、发展规模化抗体制备技术并建立肝脏蛋白质抗体库和建立完整的肝脏蛋白质组数据库。人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。思考·讨论⇨P941．提示：每种氨基酸都有对应的密码子，只要查一下遗传密码子表，就可以将教材中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种密码子编码的，因此相应的碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列出32种，可以根据学过的排列组合知识自己排列一下。首先应该根据密码子推出mRNA序列[GCU(或C或A或G)UGGAAA(或G)GAA(或G)UUU或(C)]，再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列[CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)CTT(或C)AAA(或G)]。2．提示：确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。异想天开⇨P95提示：理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。到社会中去⇨P96提示：酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现在以下几个方面。由于酶促反应能在常温、常压和中性pH条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生产成本低。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。近年来，通过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在不断提升。2016年，我国工业酶制剂年产量达120万吨，年增长率保持在10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了30%左右，我国进入酶制剂生产大国的行列。在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。练习与应用⇨P96一、概念检测1．(1)×提示：基因决定蛋白质，蛋白质工程也需要对基因进行操作。(2)×(3)√2．D提示：蛋白质工程的最终目的是改造现有的蛋白质，或者制造一种全新的蛋白质，以满足人类的需求。3．A提示：蛋白质工程目前可操作的直接对象为基因。二、拓展应用提示：这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践，还有很多工作需要做。例如，由于改造后酶的空间结构发生了变化，因此它的一些基本特性需要重新明确，包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等；需要建立规模化生产该酶的技术体系，评估生产成本等。训练巩固·课堂达标1．蛋白质工程崛起的缘由是(C)A．天然蛋白质使生物适应环境B．天然蛋白质均为自然界中存在的种类C．天然蛋白质不能够完全满足人类生产和生活的需要D．天然蛋白质的结构和种类是长期自然选择的结果解析：蛋白质工程崛起的缘由：基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而这些天然蛋白质却不一定能够完全满足人类生产和生活的需要。2．从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。目前