資源簡介

第4節　蛋白質工程的原理和應用
【學習目標】
1.運用結構與功能觀,闡明蛋白質工程設計的原理。(生命觀念)
2.基于實例,采用模型與建模、歸納與概括等方法,嘗試通過蛋白質工程技術,根據人類需要的蛋白質結構,設計或改造某一蛋白質的設計流程。(科學思維)
【自主預習】
一、蛋白質工程的概念
指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎,通過　改造或合成基因　,來改造現有蛋白質,或　制造一種新的蛋白質　,以滿足人類生產和生活的需求。
二、蛋白質工程崛起的緣由
基因工程可將一種生物的基因轉移到另一種生物的體內,可產生它本不能產生的蛋白質,表現出新的性狀。基因工程原則上只能生產　自然界中已存在　的蛋白質,它符合特定物種生存的需要,卻不一定完全符合人類生產和生活的需要。
三、蛋白質工程的基本原理
1.目標:根據人們對蛋白質　功能　的特定需求,對蛋白質的結構進行設計改造。
2.基本思路:從預期的蛋白質功能出發→設計預期的　蛋白質結構　→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列或　合成新的基因　→獲得所需要的蛋白質。
四、蛋白質工程的應用
1.主要應用
應用 實例
醫藥工 業方面 改造胰島素基因,獲得　速效胰島素　類似物
獲得在-70 ℃的條件下可以保存半年的干擾素
生產人鼠嵌合抗體
其他工 業方面 改進酶的性能或開發新的工業用酶
提高玉米葉片和種子中游離　賴氨酸　的含量
農業 方面 改造某些參與調控光合作用的酶
設計優良微生物　農藥　
2.面臨困難:蛋白質發揮功能必須依賴于正確的　高級結構　,而這種高級結構往往十分復雜,科學家要設計出更加符合人類需要的蛋白質很困難。
【合作探究】
任務　探討蛋白質工程的原理和應用
活動1　探討蛋白質工程的原理
基因工程在原則上只能生產自然界已存在的蛋白質,這些天然蛋白質是生物在長期進化過程中形成的,它們的結構和功能符合特定物種生存的需要,卻不一定完全符合人類生產和生活的需要。蛋白質工程的目標是生產出符合人類生產和生活需要的蛋白質,甚至是自然界不存在的蛋白質。結合圖示回答有關問題:
1.寫出流程圖中字母代表的含義。
A.　預期功能　;B.　氨基酸序列　;C.　改造或合成　;D.　轉錄　;E.　翻譯　。
2.對天然蛋白質進行改造,你認為應該是直接對蛋白質分子進行操作,還是通過對基因的操作來實現 原因是什么
提示　應該通過對基因的操作來實現對天然蛋白質的改造。主要原因:①蛋白質具有十分復雜的空間結構,基因的結構相對簡單,容易改造;②改造后的基因可以遺傳給下一代,被改造的蛋白質無法遺傳。
3.蛋白質工程和基因工程的操作對象以及得到的蛋白質相同嗎 分別體現在哪些方面
提示　不同。體現在①操作對象不同:蛋白質工程的操作對象是天然基因改造后的基因;基因工程的操作對象是天然基因。②得到的蛋白質不同:蛋白質工程可以得到自然界沒有的新的蛋白質;基因工程得到的是自然界原有的蛋白質。
4.如果已經推測出多肽中的氨基酸序列,那么推測出的基因中的堿基序列是否唯一呢 說明你的理由。
提示　不唯一。因為一個氨基酸是由一個或多個密碼子決定的,因此獲得的基因總的堿基序列有多種。
5.利用蛋白質工程將干擾素分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸,如何對現有的基因進行改造
提示　改變決定干擾素分子上半胱氨酸的堿基序列,改變其堿基的種類使其控制合成的氨基酸為絲氨酸。
6.某同學認為只要知道了氨基酸的序列就可以利用蛋白質工程制造出各種具有特定功能的蛋白質,你認為他的說法科學嗎 說明你的理由。
提示　不科學。蛋白質的功能除了與氨基酸的序列有關以外,還與其特定的空間結構有關。
7.蛋白質工程被稱為“第二代基因工程”,請概述二者的根本區別及其聯系。
提示　二者的根本區別是基因工程只能控制合成自然界中已存在的蛋白質,蛋白質工程可以制造出符合人類需要的自然界沒有的蛋白質。二者的聯系表現在蛋白質工程離不開基因工程。蛋白質工程在改造基因時需要與基因工程有關的工具酶,需要構建基因表達載體;改造后的基因要表達出相應的蛋白質,同樣需要將改造或合成的基因導入受體細胞。
認知生成
蛋白質工程和基因工程的比較
比較項目 蛋白質工程 基因工程
區 別 操作起點 預期的蛋白質功能 目的基因
過程 預期蛋白質功能→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質 目的基因的篩選與獲取→基因表達載體的構建→將目的基因導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定
操作方法 基因的改造、合成 基因剪切、拼接、導入
實質 定向改造或生產人類所需的蛋白質 定向改造生物的遺傳特性,以獲得人類所需的生物類型或生物產品
結果 可生產自然界中沒有的蛋白質 只能生產自然界中已有的蛋白質
聯系 ①都在生物體外對基因進行操作; ②蛋白質工程是在基因工程的基礎上延伸出來的第二代基因工程; ③蛋白質工程獲得目的基因后,需要進行基因工程的操作來獲得預期蛋白質
例1　(2022·徐州期中)下圖表示蛋白質工程的操作過程,相關敘述錯誤的是(　　)。
A.蛋白質工程是以基因工程為基礎的生物工程技術
B.蛋白質工程需要改變蛋白質分子的所有氨基酸序列
C.蛋白質工程中對蛋白質分子結構的了解是非常關鍵的工作
D.蛋白質工程可以改造現有蛋白質或制造一種新的蛋白質
【答案】　B
【解析】　蛋白質工程是以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎,在基因工程的基礎上,延伸出來的第二代基因工程,即以基因工程為基礎的生物工程技術,A正確;蛋白質工程是通過改造基因或創造合成新基因來改變生物的遺傳和表達性狀,合成新的蛋白質,不是直接改變氨基酸序列,B錯誤;蛋白質工程需要預期蛋白質功能進而設計預期的蛋白質結構,因此蛋白質工程中對蛋白質分子結構的了解是非常關鍵的工作,C正確;蛋白質工程以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎,通過改造或合成基因,來改造現有蛋白質,或者制造一種新的蛋白質,以滿足人類生產和生活的需求,D正確。
知識拓展　　基因工程與蛋白質工程的判斷方法
對點練1　(2023·重慶期末)下列關于基因工程和蛋白質工程的說法,不正確的是(　　)。
A.干擾素具有干擾病毒復制的作用,其化學本質是糖蛋白
B.蛋白質工程可對酶的催化活性、底物專一性、抗氧化性、熱變性、堿變性等加以改變
C.蛋白質工程的基本思路是從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的mRNA序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質
D.科學家將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控元件重組在一起,通過顯微注射的方法導入哺乳動物的受精卵中
【答案】　C
【解析】　干擾素是一種具有干擾病毒復制作用的糖蛋白,A正確;蛋白質工程可以在已有的蛋白質基礎上,只進行局部的修飾,通過使一個或幾個堿基定點突變,以達到修飾蛋白質分子結構的目的,蛋白質工程可對酶的催化活性、底物專一性、抗氧化性、熱變性、堿變性等加以改變,B正確;蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎,通過改造或合成基因,對現有蛋白質進行改造,或制造一種新的蛋白質,以滿足人類生產和生活的需求。蛋白質工程的基本思路是從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質,C錯誤;將目的基因導入動物細胞采用最多的方法是顯微注射法,若用轉基因動物生產藥物,科學家通常將藥物蛋白基因與乳腺蛋白基因的啟動子等調控組件重組在一起,導入哺乳動物的受精卵中,D正確。
活動2　探討蛋白質工程的應用
速效胰島素類似物是蛋白質工程最典型的成功實例,其產品已在臨床上得以廣泛應用。科學家通過改造胰島素基因實現了對胰島素B鏈第28位脯氨酸的替換或將它與B鏈第29位的氨基酸交換位置。該技術的實驗流程如下圖所示,回答相關問題:
1.圖中流程A和流程B分別是什么
提示　預期蛋白質的功能,推測應有的氨基酸序列。
2.B鏈第28位的脯氨酸被哪種氨基酸替換了 原來B鏈第29位的氨基酸是什么
提示　天冬氨酸。原來B鏈第29位的氨基酸是賴氨酸。
3.與天然胰島素相比,速效胰島素類似物有什么優點
提示　與天然胰島素相比,速效胰島素類似物的優點是有效降低了胰島素的聚合作用。
4.若要利用工程菌生產速效胰島素類似物,需用到哪些生物工程技術
提示　用到的生物工程技術有蛋白質工程、基因工程和發酵工程。
5.蛋白質工程是一項難度很大的工程,主要原因是什么
提示　主要是因為蛋白質發揮功能必須依賴于正確的高級結構,而這種高級結構往往十分復雜,科學家目前對大多數蛋白質的高級結構了解還不夠。
例2　(2022·河池聯考)下列關于蛋白質工程應用的敘述,不正確的是(　　)。
A.蛋白質工程實施中最大的難題是對大多數蛋白質的高級結構不清楚
B.將人的胰島素基因導入大腸桿菌細胞內,使大腸桿菌產生人的胰島素的技術屬于蛋白質工程
C.蛋白質工程可以改變蛋白質的活性,實質是通過基因改造或基因合成來實現的
D.蛋白質工程可以對胰島素進行改造和修飾,合成速效型胰島素制劑
【答案】　B
【解析】　蛋白質發揮功能依賴于其高級結構,而蛋白質的高級結構十分復雜,目前科學家對大多數蛋白質高級結構的了解還不夠,這是蛋白質工程在實施中的最大難題,A正確;將人的胰島素基因導入大腸桿菌細胞內,使大腸桿菌產生人的胰島素的技術屬于轉基因技術,B不正確;蛋白質工程的實質是通過基因改造或基因合成來改變蛋白質的活性,C正確;蛋白質工程可以通過改造胰島素基因來對胰島素進行改造和修飾,從而合成速效型胰島素制劑,D正確。
對點練2　已知生物體內有一種蛋白質(P),該蛋白質是一種轉運蛋白,由305個氨基酸組成。如果將P分子中158位的絲氨酸變成亮氨酸,240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸,改變后的蛋白質(P1)不但保留了P的功能,而且具有了酶的催化活性。回答下列問題:
(1)從上述資料可知,若要改變蛋白質的功能,可以考慮對蛋白質的　　　　　　　　進行改造。
(2)以P基因序列為基礎,獲得P1基因的途徑有改造　　　基因或合成　　　基因,所獲得的基因表達時遵循中心法則,中心法則的全部內容包括　　　　　　　　的復制,以及遺傳信息在不同分子之間的流動,即　 　。
(3)蛋白質工程也被稱為第二代基因工程,其基本途徑是從預期的蛋白質功能出發,通過　　　　　　　　和　　　　　　　　,進而確定相對應的脫氧核苷酸序列,據此獲得基因,再經表達、純化獲得蛋白質,之后還需要對蛋白質的生物　　　　進行鑒定。
【答案】　(1)氨基酸序列(或結構)　(2)P　P1　DNA和RNA　DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白質(或轉錄、逆轉錄、翻譯)　(3)設計蛋白質結構　推測氨基酸序列　功能
【解析】　(1)由題干信息可知,要改變蛋白質的功能可通過改變蛋白質的氨基酸序列(結構)來實現。(2)依據蛋白質工程的定義及題中信息可知,獲得P1基因的途徑有改造現有P基因或合成新的P1基因,中心法則的全部內容包括DNA和RNA的復制、轉錄、逆轉錄、翻譯。(3)蛋白質工程的基本途徑:從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列。通過蛋白質工程合成的蛋白質還需要進行生物功能的鑒定,看是否達到人們的需求。
【隨堂檢測】
課堂小結 課堂小測
1.實施蛋白質工程的前提條件是了解蛋白質結構和功能的關系。 (√) 2.基因工程遵循中心法則,而蛋白質工程不遵循。 (×) 提示　蛋白質工程的基本思路是按照與中心法則相反的過程進行的。 3.根據某多肽鏈的一段氨基酸序列,可以很容易地確定控制該肽鏈合成的基因的脫氧核苷酸序列。 (×) 提示　由于密碼子的簡并,根據某多肽鏈的一段氨基酸序列,并不能確定基因的脫氧核苷酸序列。
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