資源簡介

(共21張PPT)
第4節
蛋白質工程的原理和應用
人教版
高中生物
學習目標
闡述蛋白質工程的原理和基本操作。
1.文化基礎：蛋白質工程的原理和基本操作。
2.自主發展：嘗試通過蛋白質工程技術，根據人類需要的蛋白質結構，設計改造某一蛋白質的設計流程。
3.社會參與：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。
用發出不同顏色熒光的細菌“西畫”
的美妙圖案。這些細菌能夠發出熒光，是因為在它們的體內導入了熒光蛋白的基因。
最早被發現的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領域有著重要應用。那么，科學家是怎樣對蛋白質分子進行設計和改造的呢?
思考：
一、蛋白質工程
1．概念
(1)基礎：蛋白質分子的__________________及其與__________________的
關系。
(2)手段：通過_________________或___________________，對現有蛋白
質進行改造，或制造一種新的蛋白質。
(3)目的：獲得滿足人類的生產和生活需求的______________________。
結構規律
生物功能
基因改造
基因合成
蛋白質
2．理論和技術條件：___________________、__________________以及____________________技術的迅猛發展。
分子生物學
晶體學
計算機
二、蛋白質工程崛起的緣由
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______________________。
基因
蛋白質
新的性狀
2．基因工程的不足：基因工程在原則上只能產生自然界中____________________的蛋白質。
已存在
3．天然蛋白質的不足：天然蛋白質的結構和功能符合____________
生存的需要，卻不一定完全符合_____________________的需要。
特定物種
人類生產和生活
4．實例：玉米中賴氨酸的含量比較低，賴氨酸合成中兩種酶的
____________________被替換，就可以使玉米葉片和種子中游離賴
氨酸分別提高5倍和2倍。
氨基酸
你知道人類蛋白質組計劃嗎?它與蛋白質工程有什么關系?我國科學家承擔了什么任務?
思考與討論
提示:人類蛋白質組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學乃至自然科學領域重大的國際合作科研項目。2001
年，國際人類蛋白質組組織宣布成立。2003年，
該組織正式提出啟動兩項重大國際合作項目:一項是由中國科學家牽
頭執行的“人類肝臟蛋白質組計劃”:另一項是由美國科學家牽頭執行的“人類血漿蛋白質組計劃”，由此拉開了人類蛋白質組計劃的帷幕。
“人類肝臟蛋白質組計劃”是國際上第一個人類組織器官的蛋白質組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學家第一次領銜重大國際科研協作計劃。它的目標是通過對肝臟蛋白質高通量、規?；难芯?，解析肝臟蛋白質在生理、病理過程中的功能意義，為重大肝病的預防、診斷、治療和新藥的研發提供重要的科學依據。2010年，該計劃“兩譜、兩圖、三庫"的目標初步實現。我國科學家完成了人類肝臟蛋白質組表達譜和修飾譜，繪制了蛋白質相互作用連鎖圖和定位圖。“三庫"則是建立符合國際標準的肝臟標本庫、發展規?；贵w制備技術并建立肝臟蛋白質抗體庫和建立完整的肝臟蛋白質組數據庫。人類蛋白質組計劃取得的成果有力推動了蛋白質工程的發展，為它提供了重要的理論支持。2014年6月，中國人類蛋白質組計劃啟動。
三、蛋白質工程的基本原理
1．目標：根據人們對__________________功能的特定需求，對蛋白質的結構進行設計改造。
蛋白質
2．方法：_____________________或_____________________。
改造基因
合成基因
天然蛋白質合成的過程是按照________________進行的:基因→表達(_____________________)→形成具有特定______________________的多肽鏈→形成具有高級結構的__________________→行使生物功能。
3．流程：
中心法則
轉錄和翻譯
氨基酸序列
蛋白質
蛋白質工程的基本思路：
預期蛋白質功能→設計預期的_____________________→推測應有的__________________序列→找到相對應的____________________序列(基因)或合成新的_________________→獲得所需要的蛋白質。
蛋白質結構
氨基酸
脫氧核苷酸
基因
1.
怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列?請把相應的堿基序列寫出來。
思考與討論
提示：每種氨基酸都有對應的密碼子，只要查一下密碼子表，就可以將題中的氨基酸序列的編碼序列查出來。但是由于題中的氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多個密碼子編碼的，因此其堿基排列組合起來就比較復雜，至少可以排列出32種，可以讓根據學過的排列組合的知識自己排列下。首先應該根據密碼子推出mRNA序列為GCU(或C,或A，或G
)UGGAA(或G)GAA(或G)UUU(或C)，再根據堿基互補配對原則推出脫氧核苷酸序列為CGA(或G,或T，或C
)ACCTTT(或C)CTT(或C)AAA(或G)。
2.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?
提示：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堿基的替換、增添等。
蛋白質工程與基因工程的比較
項目
蛋白質工程
基因工程
區別
起點
過程
實質
結果
預期蛋白質功能
目的基因
預期蛋白質功能→設計蛋白質結構→推測氨基酸序列→推測脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達出蛋白質
獲取目的基因→構建基因表達載體→導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定
通過改造相應的基因達到對蛋白質進行改造的目的
基因重組
可以創造出自然界不存在的蛋白質
生產自然界已存在的蛋白質
區別
應用及現狀
聯系
①主要集中在對現有蛋白質進行改造，如干擾素、天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶等②對創造新的蛋白質還有許多技術難題未突破，因為蛋白質高級結構非常復雜，人們對此知之甚少
①已被廣泛應用，如轉基因植物、動物、藥品生產等已商業化②基因治療僅處于初期的臨床試驗階段
①蛋白質工程獲得目的基因后，需要通過基因工程獲得預期蛋白質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
四、蛋白質工程的應用
1．在醫藥工業方面的應用
(1)研發速效胰島素類似物：科學家通過改造___________________使B鏈28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了_________________________，研發出速效胰島素類似物。
胰島素基因
胰島素的聚合
(2)提高干擾素的保存期：將干擾素分子上的一個________________變成_____________________，提高了干擾素的保存時間。
半胱氨酸
絲氨酸
異想天開
能不能根據人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合適的宿主細胞中，讓宿主細胞生產人類所需要的蛋白質食品呢?
提示：理論上可以，但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動物細胞、微生物細胞等可以生產人類需要的蛋白質，但這些蛋白質往往都是自然界中已經存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來的、自然界中不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常復雜，人類對大多數蛋白質的高級結構和蛋白質在生物體內如何行使功能了解得還不夠，很難設計出一個全新的而又具有功能的蛋白質。即使設計并獲得了一個全新的蛋白質，它的生理生化特性、用它生產的蛋白質食品的安全性等都需要長期深人的研究。
(3)改造抗體：將小鼠單克隆抗體上________________________“嫁接”到人的抗體上，降低了誘發人體免疫反應的強度。
結合抗原的區域
2．在其他工業和農業方面的應用
(1)改進酶的性能或開發新的工業用酶：利用蛋白質工程獲得蛋白酶的多種_______________________。
突變體
(2)改造某些重要的酶：利用蛋白質工程改造參與____________________
的酶，以提高植物光合作用的效率。
調控光合作用
到社會中去
酶制劑在食品工業、醫藥工業等方面都有廣泛的應用?，F在，酶制劑的生產已經形成一個市場可觀的新興產業。蛋白質工程的應用又為酶制劑產業的發展提供了強大助力。請查閱資料，了解我國酶制劑產業發展的現狀和趨勢，分析蛋白質工程在酶制劑產業中的作用。
提示：酶用作工業催化劑，
比無機催化利具有更大的優越性，主要體現在以下幾個方面。
由于酶促反應能在常溫、常壓和中性pH條件下進行，因此可以節省大量的能源和設備投資:生產過程中不會造成嚴重的污染，符合環境保護的要求;生產過程簡單、效率高，產品質量好，生產成本低。因此，酶制劑在工業領城得到了廣泛的應用。
近年來，通過引進國外先進設備、優良菌種以及開發新型酶制劑，我國酶制劑產業保持了較快的增長態勢，品種越來越豐富，產品的市場競爭力也在不斷提升。2016年，
我國工業酶制劑年產量達120萬噸，年增長率保持在10%左右。在全球范圍內，我國酶制劑的市場份額已占到了30%左右，我國進入酶制劑生產大國的行列。
在酶制劑產業中，蛋白質工程被廣泛用于開發酶的新品種或改進酶的性能，如提高酶的熱穩定性，增加某些被用作去污劑的酶的去污效率等。
練習與應用
1．蛋白質工程中需要直接進行操作的對象是(　　)
A．氨基酸結構
B．蛋白質空間結構
C．肽鏈結構
D．基因結構
提示: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，通過基因修飾或基因合成，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活需求。因此蛋白質工程最終還是要對基因進行改造。
D
2．蛋白質工程在設計蛋白質結構時依據的是(　　)
A．基因功能
B．蛋白質功能
C．氨基酸序列
D．mRNA密碼子序列
提示：蛋白質工程依據蛋白質功能，設計蛋白質結構，再推測并合成相應的基因。
B
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蛋白質工程的原理和應用教學設計
課題
第4章
基因工程第4節
蛋白質工程的原理和應用
單元
第二章
學科
生物
年級
高二
學習目標與核心素養
闡述蛋白質工程的原理和基本操作。1.文化基礎：蛋白質工程的原理和基本操作。2.自主發展：嘗試通過蛋白質工程技術，根據人類需要的蛋白質結構，設計改造某一蛋白質的設計流程。3.社會參與：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。
重點
蛋白質工程的原理和基本操作。
難點
對原有蛋白質結構進行基因改造、生產目標蛋白質的過程。
教學過程
教學環節
教師活動
學生活動
設計意圖
導入新課
走進社會中你見過用細菌畫畫嗎？右圖是用發出不同顏色熒光的細茵“畫”?的美妙圖案。這些細菌能夠發出熒光，是因為在它們的體內導入了熒光蛋白的基因。
最早被發現的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領域有著重要應用。那么，科學家是怎樣對蛋白質分子進行設計和改造的呢？
課前查閱資料，欣賞細菌畫畫，了解細菌“畫”的效果，分析相關原因。
通過趣味生物的介紹和展示，激發學生的學習興趣，引入新課。
講授新課
一、蛋白質工程1．概念（1）基礎：蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系。（2）手段：通過基因改造或基因合成，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質。（3）目的：獲得滿足人類的生產和生活需求的蛋白質。2．理論和技術條件：分子生物學、晶體學以及計算機技術的迅猛發展。二、蛋白質工程崛起的緣由1．基因工程的實質：將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀。2．基因工程的不足：基因工程在原則上只能產生自然界中已存在的蛋白質。3．天然蛋白質的不足：天然蛋白質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。4．實例：玉米中賴氨酸的含量比較低，賴氨酸合成中兩種酶的氨基酸被替換，就可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸分別提高5倍和2倍。思考與討論你知道人類蛋白質組計劃嗎？它與蛋白質工程有什么關系？我國科學家承擔了什么任務？提示:人類蛋白質組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學乃至自然科學領域重大的國際合作科研項目。2001
年，國際人類蛋白質組組織宣布成立。2003年，
該組織正式提出啟動兩項重大國際合作項目:一項是由中國科學家牽
頭執行的“人類肝臟蛋白質組計劃”:另一項是由美國科學家牽頭執行的“人類血漿蛋白質組計劃”，由此拉開了人類蛋白質組計劃的帷幕。“人類肝臟蛋白質組計劃”是國際上第一個人類組織器官的蛋白質組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學家第一次領銜重大國際科研協作計劃。它的目標是通過對肝臟蛋白質高通量、規?；难芯?，解析肝臟蛋白質在生理、病理過程中的功能意義，為重大肝病的預防、診斷、治療和新藥的研發提供重要的科學依據。2010年，該計劃“兩譜、兩圖、三庫"的目標初步實現。我國科學家完成了人類肝臟蛋白質組表達譜和修飾譜，繪制了蛋白質相互作用連鎖圖和定位圖?！叭龓?則是建立符合國際標準的肝臟標本庫、發展規模化抗體制備技術并建立肝臟蛋白質抗體庫和建立完整的肝臟蛋白質組數據庫。人類蛋白質組計劃取得的成果有力推動了蛋白質工程的發展，為它提供了重要的理論支持。2014年6月，中國人類蛋白質組計劃啟動。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．方法：改造基因或合成基因。3．流程：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。四、蛋白質工程的應用1．在醫藥工業方面的應用（1）研發速效胰島素類似物：科學家通過改造胰島素基因使B鏈28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了胰島素的聚合，研發出速效胰島素類似物。（2）提高干擾素的保存期：將干擾素分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，提高了干擾素的保存時間。（3）改造抗體：將小鼠單克隆抗體上結合抗原的區域“嫁接”到人的抗體上，降低了誘發人體免疫反應的強度。蛋白質工程與基因工程的比較項目蛋白質工程基因工程區別起點期蛋白質功能目的基因過程預期蛋白質功能→設計蛋白質結構→推測氨基酸序列→推測脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達出蛋白質獲取目的基因→構建基因表達載體→導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定實質通過改造相應的基因達到對蛋白質進行改造的目的基因重組結果可以創造出自然界不存在的蛋白質生產自然界已存在的蛋白質應用及現狀①主要集中在對現有蛋白質進行改造，如干擾素、天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶等②對創造新的蛋白質還有許多技術難題未突破，因為蛋白質高級結構非常復雜，人們對此知之甚少①已被廣泛應用，如轉基因植物、動物、藥品生產等已商業化②基因治療僅處于初期的臨床試驗階段聯系①蛋白質工程獲得目的基因后，需要通過基因工程獲得預期蛋白質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2．在其他工業和農業方面的應用（1）改進酶的性能或開發新的工業用酶：利用蛋白質工程獲得蛋白酶的多種突變體。（2）改造某些重要的酶：利用蛋白質工程改造參與調控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率。到社會中去酶制劑在食品工業、醫藥工業等方面都有廣泛的應用?，F在，酶制劑的生產已經形成一個市場可觀的新興產業。蛋白質工程的應用又為酶制劑產業的發展提供了強大助力。請查閱資料，了解我國酶制劑產業發展的現狀和趨勢，分析蛋白質工程在酶制劑產業中的作用。提示：酶用作工業催化劑，
比無機催化利具有更大的優越性，主要體現在以下幾個方面。
由于酶促反應能在常溫、常壓和中性pH條件下進行，因此可以節省大量的能源和設備投資:生產過程中不會造成嚴重的污染，符合環境保護的要求；生產過程簡單、效率高，產品質量好，生產成本低。因此，酶制劑在工業領域得到了廣泛的應用。近年來，通過引進國外先進設備、優良菌種以及開發新型酶制劑，我國酶制劑產業保持了較快的增長態勢，品種越來越豐富，產品的市場競爭力也在不斷提升。2016年，
我國工業酶制劑年產量達120萬噸，年增長率保持在10%左右。在全球范圍內，我國酶制劑的市場份額已占到了30%左右，我國進入酶制劑生產大國的行列。在酶制劑產業中，蛋白質工程被廣泛用于開發酶的新品種或改進酶的性能，如提高酶的熱穩定性，增加某些被用作去污劑的酶的去污效率等。總結與練習1．蛋白質工程中需要直接進行操作的對象是（　D　）A．氨基酸結構
B．蛋白質空間結構C．肽鏈結構
D．基因結構　提示：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，通過基因修飾或基因合成，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活需求。因此蛋白質工程最終還是要對基因進行改造。2．蛋白質工程在設計蛋白質結構時依據的是（　B　）A．基因功能
B．蛋白質功能C．氨基酸序列
D．mRNA密碼子序列　提示：蛋白質工程依據蛋白質功能，設計蛋白質結構，再推測并合成相應的基因。
【學習活動一】學生閱讀課本P93—94，聯系實際，簡述蛋白質工程的概念及崛起的緣由。小組討論，完成相關探究，解決實驗相關問題?！緦W習活動二】學生閱讀課本P94，聯系實際，分析蛋白質工程的基本原理?！緦W習活動三】學生閱讀課本P95，聯系實際，闡述蛋白質工程的應用。完成表格，分析對比相關知識。分析社會熱點問題。
通過閱讀，了解蛋白質工程發展史，概括蛋白質工程概念，了解蛋白質工程探究的必要性，培養學生獲取信息的能力，加深學生對概念的認識，激發學生的科學研究的興趣。提出問題，解決問題，此環節可以讓學生思考真正發生，讓更多的學生參與到課堂中，把握重難點。通過閱讀，借助教材中的圖解，分析蛋白質工程基本原理，激發學生的科學研究的興趣。通過閱讀，概括現階段蛋白質工程的應用，激發學生的科學研究的興趣。通過完成表格，使學生能夠掌握相關知識，幫助學生對知識點的理解，提高學生推理和對比能力。讓學生將所學知識應用于生產生活實踐。
課堂小結
1.基因工程在原則上只能生產自然界中已存在的蛋白質。2.蛋白質工程并不是直接改造蛋白質分子的結構，而是通過基因操作來實現對天然蛋白質的改造。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→找到相對應的脫氧核苷酸序列。4.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，通過基因改造或基因合成，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活的需要。
板書
蛋白質工程的原理和應用1.蛋白質工程的崛起緣由2.蛋白質工程的基本原理目標、方法、流程3.蛋白質工程的應用醫藥工業、其他工業和農業
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精品試卷·第
2
頁
（共
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