1、第1页14 蛋白质工程的崛起 第2页目标定位重点突破1.结合教材 P2627，概述蛋白质工程的概念和基本原理2结合教材 P27，概述蛋白质工程的基本过程3结合教材 P28，举例描述蛋白质工程的应用和发展1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由2理解蛋白质工程的原理(重、难点)3了解蛋白质工程的应用4掌握蛋白质工程的操作过程(难点)第3页自 主 学 习 第4页一、蛋白质工程及其原理(阅读 P2627)1蛋白质工程的崛起(1)基因工程的实质与不足：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_，进而表现出_。不足：原则上基因工程只能生产自然界中已存在的_。第5页(2)天然蛋白质的
2、特点：天 然 蛋 白 质 是 生 物 在 _ 中 形 成 的，它 们 的_符合_的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。(3)蛋白质工程的提出：1983 年，美国某基因公司的一名科学家提出了“_”这一名词，随即被广泛地接受和采用。第6页2蛋白质工程的原理 基础蛋白质分子的_及其与_的关系手段通过_或_，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质概念目的获得_的蛋白质原理由 预 期 的 蛋 白 质 功 能 找 到 相 对 应 的_第7页二、蛋白质工程的进展和前景(阅读 P28)1进展 科学家通过对_的改造，已使其成为速效型药品。2前景 生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方
3、面，用 蛋 白 质 工 程 方 法 制 成 的 电 子 元 件，具 有_的特点。3面临的困难 对蛋白质发挥功能必须依赖的_了解不够。第8页自我校对一、1.(1)蛋白质 新性状 蛋白质(2)长期进化过程 结构和功能 特定物种生存(3)蛋白质工程 2.结构规律 生物功能 基因修饰 基因合成 满足人类生产和生活需求 脱氧核苷酸序列(或基因)二、1.胰岛素 2.体积小、耗电少和效率高 3.高级结构第9页课 堂 探 究 第10页考点一 蛋白质工程及其原理1对蛋白质工程内容的理解(1)改造对象：改造蛋白质的结构，本质上是改造控制该蛋白质合成的基因的结构。(2)产物：产生新的蛋白质。(3)原理：基因改造。由
4、于基因控制蛋白质的合成，要对蛋白质的结构进行改造，最终还必须通过改造基因来完成。第11页(4)对蛋白质改造的三种类型改造类型操作程序大改根据氨基酸的性质和特点，设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质，使之具有特定的氨基酸序列、空间结构和预期功能中改改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构小改通过基因工程中的定点诱变技术，有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的一个或几个氨基酸残基，以改善蛋白质的性质和功能第12页2.蛋白质工程的流程图 第13页对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？第14页【提示】应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，
5、主要原因如下：(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给子代。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无法遗传给子代。(2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。第15页糖尿病是近年来高发的“富贵病”，常见类型有遗传型糖尿病和型糖尿病。遗传型糖尿病的主要病因之一是胰岛受损。科研机构作出如下设计：取糖尿病患者的细胞，将人的正常胰岛素基因导入其中，然后进行细胞培养，诱导产生胰岛组织，重新植入患者的胰岛，使胰岛恢复功能。型糖尿病需要注射胰岛素治疗。目前临床使用的胰岛素制剂注射 120 min 后才出现高峰
6、，与人体生理状态不符。科研人员通过一定的工程技术手段，将胰岛素 B 链的 28 号和 29 号氨基酸互换，获得了速效胰岛素，速效胰岛素已通过临床试验。第16页(1)对遗传型糖尿病进行基因治疗的方案中，胰岛素基因称为_，实验室中要先对该基因利用_技术进行扩增。将该基因导入正常细胞所用的方法是_。(2)科研人员利用蛋白质工程合成速效胰岛素，该技术的实验流程为：其 中，流 程A是 _，流 程B是_。第17页(3)与基因工程相比，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_或基因_，对现有蛋白质进行_，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。第18页【解析】(1
7、)根据题意可知，在进行基因治疗时，胰岛素基因是目的基因，在体外条件下可利用 PCR 技术对其进行扩增，在基因工程中将目的基因导入动物细胞常用的方法是显微注射法。(2)根据蛋白质工程的流程示意图可知，整个流程是根据预期蛋白质的功能设计蛋白质的三维结构，然后推测相应的氨基酸序列，并找到相应的脱氧核苷酸序列，最后合成相应的蛋白质。(3)与基因工程相比，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，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。第19页【答案】(1)目的基因 PCR 显微注射法(2)预期蛋白质的功能 相应的氨基酸序列(
8、3)修饰 合成 改造第20页【变式训练 1】下列关于蛋白质工程的说法，正确的是()A蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作B蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子C对蛋白质的改造是通过直接改造相应的 mRNA 来实现的D蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的第21页【解析】蛋白质工程利用基因工程手段，包括基因的定点突变和基因表达对蛋白质进行改造，以获得性质和功能更加完善的蛋白质分子。蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子。【答案】B第22页考点二 蛋白质工程与基因工程的比较比较项目基因工程蛋白质工程操作环境(场所)生物体外生物体外操作对象基因基因操
9、作起点目的基因预期的蛋白质功能第23页基本过程目的基因的获取基因表达载体的构建将目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定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(基因)实质基因重组，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(基因的异体表达)通过改造基因，定向改造或生产人类所需的蛋白质结果生产自然界已存在的蛋白质可以创造出自然界不存在的蛋白质第24页由蛋白质工程所得到的基因与基因突变所产生的基因相比，有何不同？【提示】蛋白质工程所得到的基因是人工合成的或对原基因进行修饰的产物，因此具有定向性；基因突变所产生的基因具有不定向性。第2
10、5页【易错必明】蛋白质工程与基因工程的关系(1)蛋白质工程是通过基因重组技术改变或设计合成具有特定生物功能的蛋白质，基因工程技术是蛋白质工程技术的基础，因此蛋白质工程也叫第二代基因工程。(2)蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶，需要构建基因表达载体；改造后的基因需要表达出相应的蛋白质，同样需将改造或合成的基因导入受体细胞。第26页胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下，要经过较长的时间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易分解，因此，治疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题：第27页(1)构建新的蛋白质模型是蛋白质
11、工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是_。(2)通过 DNA 合成形成的新基因应与_结合后转移到_中才能得到准确表达。(3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，涉及的生物工程有_、_和发酵工程。第28页(4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是：_。第29页【解析】(1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计，因此，图中构建新的胰岛素模型的依据是胰岛素的功能，即速效胰岛素。(2)合成的目的基因应与载体构建基因表达载体后导入受体细胞中才能得以表达。(3)利用蛋白质工程生产自然界原本不存在的蛋白质，需对原有的胰岛素进行改造，根据新的胰岛素模型中
12、氨基酸的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，人工合成新的胰岛素基因，形成目的基因，改造好的目的基因需通过基因工程来生产基因产物，并且在生产过程中要借助工程菌，所以还需要进行发酵，因此该过程涉及蛋白质工程、基因工程和发酵工程。第30页(4)由新的蛋白质模型到构建新的基因，其基本设计思路是根据新的蛋白质中氨基酸的序列，推测出基因中的脱氧核苷酸序列，然后用 DNA 合成仪直接合成出新的基因。第31页【答案】(1)蛋白质的预期功能(2)载体 大肠杆菌等受体细胞(3)蛋白质工程 基因工程(4)根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用 DNA 合成仪来合成出新的胰岛素基因
13、第32页【变式训练 2】T4 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，提高了酶的耐热性。下列相关叙述正确的是()AT4 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BT4 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第33页C 蛋 白 质 工 程 与 中 心 法 则 的 流 程 方 向 一 致，即DNAmRNA蛋白质D若高温等使蛋白质分子的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响第34页【解析】由题意可知，T4 溶菌酶耐
14、热性提高的原因是组成该酶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；由题意可知，T4 溶菌酶的化学本质是蛋白质，其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第35页相反，蛋白质工程的流程是从预期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，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。【答案】D第36页“三看法”判断基因工程和蛋白质工程(1
15、)一看对基因的操作方法：如果仅将基因用限制酶从 DNA 片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换、增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。第37页(2)二看目的基因的合成方式：基因工程和蛋白质工程中都可以通过反转录合成目的基因，或根据蛋白质的氨基酸序列先合成 mRNA，再合成基因。如果合成时 mRNA 或氨基酸序列没有经过改造，则为基因工程技术；如果 mRNA 或氨基酸序列经过改造，mRNA 或氨基酸序列是根据蛋白质预期的功能人工设计的，则为蛋白质工程技术。第38页(3)三
16、看合成的蛋白质种类：如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则为基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的蛋白质，则为蛋白质工程。第39页随 堂 训 练 第40页1蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是()A氨基酸结构 B蛋白质空间结构C肽链结构D基因结构第41页答案 D解析 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，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需求。因此蛋白质工程最终还是要对基因进行修饰或改造。第42页2蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是()A基因功能B蛋白质功能C氨基酸序列DmRNA 密码
17、子序列答案 B解析 蛋白质工程依据蛋白质功能，设计蛋白质结构，再推测并合成相应的基因。第43页3葡萄糖异构酶(GI)在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，科学家对 GI 基因进行体外定点诱变，以脯氨酸(Pro138)替代 Gly138，含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结果最适反应温度提高 1012。这属于生物工程中的()A基因工程B蛋白质工程C发酵工程D酶工程第44页答案 B解析 酶工程的重点在于对已存在的酶合理充分利用(如加酶洗衣粉、嫩肉粉等)，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。第45页4猪胰岛素用于降低人体血糖浓度的效果并不明显，原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的
18、胰岛素不同。为了使猪胰岛素能够用于临床治疗糖尿病，蛋白质工程中蛋白质分子设计的最佳方案是()A对猪胰岛素进行一个不同氨基酸的替换B将猪胰岛素和人胰岛素进行拼接组成新的胰岛素C将猪和人的胰岛素混合在一起治疗糖尿病D根据人的胰岛素设计制造一种全新的胰岛素第46页答案 A解析 由于猪胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同，所以只需替换这一个不同的氨基酸即可。虽然根据人胰岛素分子设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗，但是在分子设计和胰岛素的生产方面都存在很多的困难，所以并不是最佳方案。第47页5如图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是_，代表中心法
19、则内容的过程是_。(填数字)(2)写出图中数字代表的生物学过程的名称或内容：_；_；_；_。第48页(3)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则_。(4)功能是由其结构决定的，直接决定蛋白质多样性的因素有_，从根本上说，蛋白质的结构是由_决定的。(5)根据蛋白质的氨基酸序列推测的 mRNA 中的碱基序列是否是唯一的？_，为什么？_。第49页(6)将氨基酸合成为多肽链的场所是_。真核细胞中将多肽链转变为具有一定空间结构的蛋白质的场所是_。(7)蛋白质工程中的目的基因一般通过_获得。第50页答案(1)(2)转录 翻译 折叠 分子设计(3)相反(4)氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结
20、构 基因(或 DNA)(5)不唯一 一种氨基酸可能具有多种密码子(或密码子具有简并性)(6)核糖体 内质网(7)人工合成第51页解析 蛋白质结构的多样性由组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构四个因素共同决定；从根本上说，蛋白质的结构是由基因(DNA)决定的。一种氨基酸可能具有多种密码子，根据蛋白质的氨基酸序列推测的 mRNA 中的碱基序列可能有多种。蛋白质的合成场所为核糖体，真核细胞中，在内质网中将多肽链盘曲折叠成具有一定空间结构的蛋白质。蛋白质工程的目的基因的碱基序列已知，一般可以通过 DNA 合成仪进行人工合成。第52页蛋白质工程目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计操作对象：DNA和蛋白质分子式操作过程：预期的蛋白质功能设计预期的蛋白质的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）请做：限时规范训练（四）
