資源簡介

第三章 第4節　蛋白質工程的原理和應用
【單元導向】
【學習目標】
1.科學思維：說出蛋白質工程崛起的緣由。
2.科學思維：概述蛋白質工程的基本原理。
3.社會責任：舉例說明依據人類需要對原有蛋白質結構進行基因改造、生產目標蛋白質的過程。
【課前預習15min】
【自主學習一】蛋白質工程崛起的緣由
閱讀教材93-94頁相關內容
1.基因工程的實質:將一種生物的 轉移到另一種生物體內,后者可以產生它本不能產生的　 ,進而表現出新的性狀。
2.蛋白質工程崛起的緣由:基因工程原則上只能生產　 的蛋白質,而這些天然蛋白質不一定完全符合人類生產和生活的需要。
3.蛋白質工程的目的:生產符合　 的并非自然界中已存在的蛋白質。
【自主學習二】蛋白質工程的基本原理
閱讀教材94頁相關內容
1.蛋白質工程的目標:根據人們對蛋白質 的特定需求,對蛋白質的 進行設計改造。
2.原理:天然蛋白質合成的過程按照 進行,而蛋白質工程卻與之相反。
3.蛋白質工程的基本思路: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　 →找到并改變相對應的　 序列(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質。
【自主學習三】蛋白質工程的應用
閱讀教材95頁相關內容
1.應用
(1)臨床上:科學家通過對 的改造實現了對相應氨基酸序列的
改造,由此研發出速效胰島素類似物產品。
(2)醫藥工業方面:科學家將干擾素分子上的一個 變成 ,在-70 ℃的條件下,干擾素可以保存半年；科學家將小鼠抗體上 的區域“嫁接”到人的 上,經過這樣改造的抗體誘發免疫反應的強度就會降低很多。
(3)其他工業方面:蛋白質工程被廣泛用于改進酶的性能或開發新的工業用酶。
(4)農業方面:科學家正在嘗試改造某些參與調控 的酶,以提高植物光合作用的效率,增加糧食的產量;科學家利用蛋白質工程的思路來設計優良微生物農藥,通過改造微生物蛋白質的結構,使它防治病蟲害的效果增強。
2.存在的問題蛋白質工程是一項難度很大的工程,主要是因為蛋白質發揮功能必須依賴于正確的 ,而這種高級結構往往十分復雜。
【預習檢測】（2min）
(1)蛋白質工程的目的是改造或合成人類需要的蛋白質。（ ）
(2)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為基礎。（ ）
(3)基因工程在分子水平對基因進行操作，蛋白質工程在分子水平對蛋白質進行操作。（ ）
(4)蛋白質工程可以改造酶，提高酶的熱穩定性。（ ）
(5)蛋白質工程最終要達到的目的是獲取編碼蛋白質的基因序列信息。（ ）
(6)蛋白質工程需要改變蛋白質分子的所有氨基酸序列。（ ）
【教學過程】
【攻標】目標1：說出蛋白質工程崛起的緣由（5min）
任務1： 結合課本P93，完成下列問題
1、基因工程的實質是什么？有什么不足之處？
2、天然蛋白質有什么不足？
【評標】1.蛋白質工程與基因工程相比，其突出特點是(　　)
A．基因工程生產的天然蛋白質完全符合人類生產和生活的需要
B．蛋白質工程能對現有的蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質
C．蛋白質工程可以不通過轉錄和翻譯來實現
D．蛋白質工程是通過直接的蛋白質修飾或蛋白質合成來完成的
【攻標】目標2：概述蛋白質工程的基本原理（15min）
任務1：結合課本P94，完成下列問題
1、蛋白質工程的目標是什么？方法是什么？
2、基于天然蛋白質的合成過程和蛋白質工程的基本思路,完成下列填空。
（1）寫出流程圖中字母代表的含義：
A. ;B. ; C. ; D.
（2）上圖字母中屬于中心法則的過程有 ，屬于蛋白質工程的過程有 。
任務2：觀看視頻材料，小組討論并回答以下問題
3、對天然蛋白質進行改造，你認為應該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？
4、某多肽的氨基酸序列如下圖所示：
嘗試寫出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列，并寫出來：
5、你推測出的基因中的堿基序列是否唯一呢？說明你的理由。
6、確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？
【評標】1.(2021遼寧大連二模)下列有關蛋白質工程的敘述,錯誤的是 (　　)
A.蛋白質工程是在分子水平上通過改造或合成基因來完成的
B.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
C.蛋白質工程的途徑是從預期蛋白質結構開始,進行氨基酸的增減或替換
D.蛋白質工程的最終目的是改造現有蛋白質或制造新的蛋白質,以滿足人類的需求
2.(2022山東濟寧期中)β-葡聚糖酶是一種在酒類、飼料等行業中具有重要用途的工業用酶。為提高β-葡聚糖酶的催化活性,科學家將其第20位、第117位和第165位的賴氨酸突變為絲氨酸。下列有關敘述錯誤的是(　　)
A.對β-葡聚糖酶結構的改造屬于蛋白質工程
B.蛋白質工程是在蛋白質分子水平上進行氨基酸的增減、替換等操作
C.改造后的β-葡聚糖酶空間結構發生了改變
D.可通過DNA分子測序法檢測突變是否成功
【回標】蛋白質工程與基因工程的區別和聯系（2min）
項目 蛋白質工程 基因工程
區別 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→獲得所需蛋白質 獲取目的基因→構建基因表達載體→將目的基因導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定
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 可生產自然界沒有的蛋白質 只能生產自然界已有的蛋白質
聯系 ①蛋白質工程是在基因工程基礎上延伸出來的第二代基因工程 ②基因工程中所利用的某些酶需要通過蛋白質工程進行修飾、改造
提示：重點記憶“實質、結果和聯系”
蛋白質工程 基因工程
過程
實質
結果
聯系
項目 蛋白質工程 基因工程
過程
實質
結果
聯系
【攻標】目標3：舉例說明依據人類需要對原有蛋白質結構進行基因改造、生產目標蛋白質的過程。（10min）
任務1：如圖是用蛋白質工程設計速效胰島素的生產過程，請據圖回答有關問題：
1．構建新的蛋白質模型是蛋白質工程的關鍵，主要依據是 。
2．通過人工合成DNA形成的新基因應與 結合后轉移到 中才能得到準確表達。
3．若要利用大腸桿菌生產速效胰島素，需用到的生物工程有 、 和發酵工程。
4．根據圖解，從新的胰島素模型到新的胰島素基因的基本思路是根據新的胰島素模型中氨基酸的序列，推測出其基因中的 ，然后利用 來合成出新的胰島素基因。
【評標】3.(2022深圳調研改編 6分)胰島素用于治療糖尿病,但胰島素注射后易在皮下堆積,需較長時間才能進入血液,進入血液后又易被分解,因此治療效果受到影響。如圖是新的速效胰島素的生產過程,回答下列問題:
(1)新的胰島素生產過程屬于　　　 　工程。
(2)獲取新的胰島素基因除圖示方法外,還可以通過　　 　　獲得;在體外利用PCR技術對人工合成的新的胰島素基因進行擴增時,需向反應體系中加入Taq DNA聚合酶,該酶的作用是　　　　
　　　 　　　 （2分）。
在大腸桿菌細胞中合成的新的胰島素,需通過生化制備與重折疊才具備預期的功能,原因是　　　　　
　　　　　　　 　　　　　 　（2分）。
得分 扣分
閱卷得分 審題規范（強化審題） 思維（析題）規范 呈現（答題）規范
采點計分 審清設問（標號化） 審讀材料、情境（標注化）2分 角度步驟要點（角度化2分） 書寫卷面(清晰化1分) 學科術語(術語化1分)
【知識建構】
【隨堂檢測】蛋白質工程的原理和應用
1.(2021北京順義期末)水蛭素是一種蛋白質,可用于預防和治療血栓,但在治療過程中發現其抗凝血活性低。研究人員欲提高水蛭素抗凝血活性,正確的操作步驟是 (　　)
①確定影響活性的氨基酸序列
②分析水蛭素的空間結構,找到影響其活性的結構域
③推測需要替換的氨基酸序列
④構建基因表達載體,使其在受體細胞中表達
⑤PCR技術獲得改造后的水蛭素基因
⑥確定基因中的堿基序列
A.②①③⑤⑥④　　　　B.②③⑥①⑤④ C.②①③⑥⑤④ D.①②③④⑤⑥
2.(2022山東招遠二中月考)新型冠狀病毒通過其表面刺突蛋白(S蛋白)的受體結合域(RBD)與人體細胞表面的ACE2受體相互作用,侵入人體細胞。研究人員設計并合成了一種自然界中不存在的LCB1蛋白藥物,可識別并緊密結合S蛋白的RBD,以干擾新型冠狀病毒的感染。下列敘述錯誤的是 (　　)
A.LCB1可能與ACE2受體的某些區域結構類似
B.LCB1可以依據S蛋白的RBD結構進行設計
C.LCB1是通過細胞中原有的基因表達產生的
D.LCB1設計和合成是通過蛋白質工程實現的
【課后作業】1.復習作業：依托本節課學案，整理本節課重難點及相關題型。
2.練習作業：3.(2022陜西安康五里高級中學期中)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分子中第158位的絲氨酸變成亮氨酸,第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是遵循中心法則的,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,其基本思路是從預期的蛋白質功能出發,通過　　　　　　　　　　和　　　　　　　　　　,進而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,在經表達、純化獲得所需要的蛋白質。
學有余力的同學完成固學案63-65頁練習題
3.預習作業：依托下節課學案熟悉相關知識點，勾畫重難點，寫出困惑。
答案
【課前預習15min】
【自主學習一】1.基因 蛋白質 2.　自然界中已存在 3.人們生產和生活需要
【自主學習二】1.功能 結構 2.中心法則 3.　氨基酸序列 脫氧核苷酸
【自主學習三】1.(1)胰島素基因 (2)半胱氨酸 絲氨酸, 抗原結合 抗體 (3)(4)　光合作用
2. 高級結構
預習檢測 (1)√　(2)√ (3)×　 (4)√　(5)× (6)×
【教學過程】
【評標】1．選B
目標2：任務1：1、找課本
2、(1)推測 改造或合成 轉錄 翻譯 (2)C,D A、B
任務2：觀看視頻，并小組討論回答以下問題
4.主要原因是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。
5.不唯一，因為一個氨基酸是由一個或多個密碼子決定，因此獲得的基因總的堿基序列有多種。
6.確定目的基因的堿基序列后，可以人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。對基因的改造經常會用到基因定點突變技術來進行行堿基的替換、增添等。
【評標】1.C　蛋白質工程是在分子水平上通過改造或合成基因來完成的,A正確;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,B正確;蛋白質工程的途徑: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(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質,C錯誤;蛋白質工程的最終目的是改造現有蛋白質或制造新的蛋白質,以滿足人類的需求,D正確。
2.B改變蛋白質的功能,對蛋白質的氨基酸序列進行改造,這屬于蛋白質工程,A正確;蛋白質工程是在基因分子水平上進行基因改造或合成等操作,B錯誤;根據題干信息可知,改造后的β-葡聚糖酶的氨基酸序列發生改變,因此其空間結構也發生了改變,C正確;蛋白質工程被稱為第二代基因工程,可通過DNA分子測序法檢測突變是否成功,D正確。
【攻標】目標3
任務1：1．蛋白質的預期功能。2．大腸桿菌等受體細胞 3．蛋白質工程、基因工程
4．氨基酸 脫氧核苷酸序列 DNA合成儀
【評標】3.　(1)蛋白質　 (2)改造基因　催化合成DNA子鏈　(3)大腸桿菌是原核生物,沒有內質網和高爾基體,不能對蛋白質進行加工
【隨堂檢測】1.C運用蛋白質工程提高水蛭素抗凝血活性,應先分析水蛭素的空間結構,找到影響其活性的結構域,然后確定影響活性的氨基酸序列,推測需要替換的氨基酸序列,最終確定基因中的堿基序列,據此通過PCR技術獲得改造后的水蛭素基因,并構建基因表達載體,使其在受體細胞中表達,故選C。
2.C　新型冠狀病毒通過其表面的S蛋白的RBD與人體細胞表面的ACE2受體相互作用,進而侵入人體細胞;研究人員設計并合成的LCB1蛋白可識別并緊密結合S蛋白的RBD,阻止S蛋白的RBD與ACE2受體結合,進而阻止新型冠狀病毒侵入人體。LCB1蛋白和ACE2受體都可以與S蛋白的RBD結合,說明LCB1可能與ACE2受體的某些區域結構類似,則可以依據S蛋白的RBD結構設計LCB1,A、B正確;LCB1是人工設計并合成的一種自然界中不存在的蛋白質,因此LCB1是通過細胞中原有的基因表達產生的,C錯誤;基因工程原則上只能生產自然界中已經存在的蛋白質,而LCB1是自然界中不存在的一種蛋白質,是通過蛋白質工程設計和合成的,D正確。
練習作業：3..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)設計預期的蛋白質結構　推測應有的氨基酸序列
解析　(1)改造蛋白質的功能可通過改變蛋白質的結構實現。(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(P1)基因。中心法則的全部內容包括DNA的復制、RNA的復制、轉錄、逆轉錄和翻譯。(3)蛋白質工程的基本思路: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(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(教材第94頁)。

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