1、第三节蛋白质工程课标内容要求核心素养对接1.概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。2.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。生命观念：依据中心法则和蛋白质的结构与功能的联系，说明基因的碱基序列氨基酸的排列顺序蛋白质的结构蛋白质的功能之间的关系。科学思维：尝试根据人类需要的蛋白质功能，通过蛋白质工程设计改造某一蛋白质的设计流程。社会责任：通过学习了解蛋白质工程取得的成果和发展前景，激发学生学习兴趣，培养学生攻坚克难、造福社会的志向与信心。一、蛋白质工程是基因工程的延伸1概念：指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能
2、的关系为基础，对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，以改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。2过程3结果：生产出符合人们生产和生活需要的、自然界中不存在的蛋白质。4蛋白质工程首先要获取基因和蛋白质的结构数据(1)GenBank是目前全球最为著名的生物大分子数据库。(2)GenPept是由GenBank中的核酸序列翻译而得到的蛋白质序列数据库。(3)Entrez数据库查询系统是一个将核酸、蛋白质序列和基因图谱、蛋白质结构数据库整合在一起的综合数据库查询系统。5通过基因改造生产目标蛋白质(1)大面积的定向突变：一般采用基因全合成的方法。(2)含有单一或少数几个突变位点的定向突变方法：引物定点引入法。实
3、质：是一种寡聚核苷酸介导的定点诱变，能在克隆基因内直接产生各种点突变和区域突变，从而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，最终达到改善蛋白质的性质和功能的目的。(3)非定点诱变技术特点：目的性和针对性不强，突变位点多，有时会产生意想不到的改造效果。二、蛋白质工程的设计思路与应用1提高蛋白质(酶)的稳定性(1)引入二硫键能显著提高蛋白质(酶)的稳定性。(2)转换氨基酸残基可提高蛋白质(酶)的稳定性。2改善酶的催化活性(1)转换氨基酸残基是改善酶催化活性的一种主要思路。(2)删除末端部分氨基酸序列或某些肽段等也可以改善某些酶的催化活性。3消除酶的被抑制特性转换氨基酸残基可以消除
4、酶的被抑制特性。判断对错(正确的打“”，错误的打“”)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。()提示：蛋白质工程中直接改造的是基因，不是蛋白质。2蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子。()答案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。()答案4基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。()提示：蛋白质工程的基本思路是按照中心法则相反的过程进行的。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。()提示：由于密码子的简并性，根据某多肽链的一段氨基酸序列，不能确定基因的脱氧核苷酸序列。6大面积的定向突变
5、一般采用引物定点引入法。()提示：大面积的定向突变一般采用基因全合成的方法。7引入二硫键和转换氨基酸残基均可有效提高蛋白质的稳定性。()答案蛋白质工程与基因工程的比较项目蛋白质工程基因工程区别起点预期蛋白质功能目的基因过程预期蛋白质功能设计蛋白质结构推测氨基酸序列推测脱氧核苷酸序列合成DNA表达出蛋白质获取目的基因构建基因表达载体导入受体细胞目的基因的检测与鉴定实质通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的基因重组结果可以创造出自然界不存在的蛋白质生产自然界已存在的蛋白质应用及现状主要集中在对现有蛋白质进行改造上，如干扰素、天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等对创造新的蛋白质还有许多技术难题
6、未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化基因治疗仅处于初期的临床试验阶段联系蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质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合作探究：(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：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，而且改造过的基因可以遗传下去。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。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
7、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守中心法则，从DNAmRNA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用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。1基因工程与蛋白质工程的区别是()A基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不对基因进行操作B基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程合成的不是天然存在的蛋白质C基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平(或性状水平)操作D基因工程完全不同于蛋白质工程B基因工程和蛋白质工程均是对基因进行操作
8、，A错误。基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程可以合成非天然存在的蛋白质，B正确。基因工程和蛋白质工程都是分子水平的操作，C错误。基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状，但只能生产自然界已存在的蛋白质；蛋白质工程是通过修改基因或创造合成新基因来合成新的蛋白质，改变生物的遗传性状，蛋白质工程不完全同于基因工程，蛋白质工程被称为第二代基因工程，D错误。2已知生物体内有一种蛋白质(P)，该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质(P1)不但保留P的
9、功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列问题：(1)从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的_进行改造。(2)以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰_基因或合成_基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括_的复制，以及遗传信息在不同分子之间的流动，即_。(3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过_和_，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物_进行鉴定。解析(1)根据题意可知，对蛋白质的氨基酸序列(或结构)进行改造，可达到改变蛋白质的功能的目的。(2)以P基因序
10、列为基础，获得P1基因，可以对P基因进行修饰改造，也可以用人工方法合成P1基因；中心法则的全部内容包括DNA和RNA的复制、DNARNA、RNADNA、RNA蛋白质。(3)蛋白质工程的基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过设计蛋白质结构和推测氨基酸序列，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，并获取基因。经表达的蛋白质，要对其进行生物功能鉴定。答案(1)氨基酸序列(或结构)(2)PP1DNA和RNA(或遗传物质)DNARNA、RNADNA、RNA蛋白质(或转录、逆转录、翻译)(3)设计蛋白质的结构推测氨基酸序列功能“三看法”判断基因工程和蛋白质工程(1)一看对基因的操作方法如果仅将基因用限制酶从DNA片
11、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了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。(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或氨基酸序列经过了改造，或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。(3)三看合成的蛋白质种类如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋白质和天
12、然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。课堂小结知 识 网 络 构 建核 心 语 句 背 诵1.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为基础，对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，以改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。2.蛋白质工程的一般过程是先根据蛋白质的预期功能设计蛋白质的结构，进而设计对应的氨基酸序列，在此基础上改造或合成可以产生新蛋白质的相关DNA序列，再利用基因工程技术合成新的蛋白质。3.基因工程只能生产自然界中已经存在的蛋白质，蛋白质工程可以创造出自然界中不存在的蛋白质。4.蛋白质工程首先要获取基因和蛋白质的结构数据，通过基因改造生产目标蛋白质。5.
13、蛋白质工程可提高蛋白质(酶)的稳定性、改善酶的催化活性、消除酶的被抑制特性。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D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改造。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密码子序列B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。3蛋白质工程的基本操作程序正确的是()蛋白质分子结构合成DNA合
14、成mRNA合成蛋白质的预期功能根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列ABCDC蛋白质工程的操作流程为：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(即基因)修改或合成的基因表达出相应的蛋白质。4大引物PCR定点突变常用来研究蛋白质结构改变导致的功能变化。单核苷酸的定点诱变仅需进行两轮PCR反应即可获得，第一轮加诱变引物和侧翼引物，第一轮产物作第二轮PCR扩增的大引物，过程如图所示。下列叙述正确的是()A第一轮PCR过程中退火所用的温度与第二轮PCR退火的温度是一样的BPCR扩增的定点诱变产物通常需要连接到载体分子上才能表达出相应的性状，该定点诱变产物需
15、具备起始密码、终止密码等结构才能进行转录和翻译C第二轮PCR所用的引物是第一轮PCR的产物DNA的两条链D将某功能蛋白的第17位Cys(UGU)改造成Ser(UCU)，属于蛋白质工程D为了使两轮PCR反应在同一支试管中进行，引物设计时应考虑不同的退火温度，第二轮PCR的退火温度应该比第一轮高，A错误；若要使得目的基因可以表达出蛋白质，则需要在产物上具备启动子和终止子(而非起始密码和终止密码)，诱导基因转录和翻译，B错误；第一轮产物作第二轮PCR扩增的大引物外，第二轮PCR仍需加入的引物是另一种侧翼引物，以便进行另一条链的延伸，C错误；欲将某功能蛋白的第17位Cys(UGU)改造成Ser(UCU
16、)，应将诱变引物设计包含AGA或TCT序列，该过程属于蛋白质工程技术范畴，D正确。5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。科研机构做出如下设计：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，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。(1)对遗传型糖尿病进行基因治疗的方案中，胰岛素
17、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_。(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，以满足人类的生产生活需要。解析(1)根据题意，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的常用方法是显微注射法。(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，以满足人类的生产生活需要。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(3)修饰合成改造
