生物蛋白质工程的原理和应用学案

这是一份生物蛋白质工程的原理和应用学案，共9页。学案主要包含了蛋白质工程，蛋白质工程崛起的缘由，蛋白质工程的应用等内容，欢迎下载使用。
学习目标
1. 通过实例分析，能说明如何根据人类需求对原有蛋白质结构进行基因改造，生产目标蛋白质，并归纳蛋白质工程的基本操作流程。（科学思维、科学探究）
2. 通过分析实例和流程设计，能阐述蛋白质工程的基本原理，明确其与基因工程的联系与区别。（科学思维）
3. 通过了解蛋白质工程的典型应用，能认识其对社会发展的重要意义，尝试提出基于特定功能需求的蛋白质设计方案，发展科学思维，增强社会责任感。（科学思维、社会责任）
自主预习
一、蛋白质工程
1.概念
(1)理论基础:蛋白质分子的 及其与 的关系。
(2)核心手段:通过 或 基因,来改造现有蛋白质,或制造一种新的蛋白质。
(3)应用目标:满足人类生产和生活的需求。
2.理论和技术基础: 、 以及 技术的迅猛发展。
二、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质:将一种生物的 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 。
2.基因工程的不足:基因工程原则上只能生产自然界中 的蛋白质。
3.天然蛋白质的不足:天然蛋白质的结构和功能符合 生存的需要,却不一定完全符合 的需要。
4.实例:玉米中赖氨酸的含量比较低,替换赖氨酸合成过程中两种关键酶的 ,就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
三、蛋白质工程的应用
为什么蛋白质工程是一项难度很大的工程？
课堂探究
探究一、蛋白质工程的基本原理
【情境资料】转基因抗虫棉已经在全球范围内取得了巨大成功，但是抗虫蛋白存在毒力有限、害虫对Bt抗虫蛋白的抗性上升等诸多问题，严重制约Bt抗虫蛋白在未来农业生产中进一步发挥巨大作用。研究发现Bt 抗虫蛋白的第5号螺旋可在害虫肠上皮细胞膜上形成孔道结构，位于该螺旋疏水部分的第168位组氨酸是维持孔道结构稳定的关键，该孔道结构越稳定，Bt抗虫蛋白对害虫的毒性越大。科研人员进一步研究发现如果将Bt抗虫蛋白第168位的组氨酸用精氨酸代替，将大大提高其抗虫效果。
思考：
1.为什么要改造Bt抗虫蛋白？
2.从难易程度和可持续性角度考虑，是改造基因还是直接对蛋白质进行改造呢?请阐述理由。
【探究】改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果。
活动1.将Bt抗虫蛋白第168位组氨酸替换为精氨酸，请你依据密码子信息，模拟如何将168位的组氨酸密码子（如CAU）替换为精氨酸的密码子（如CGU），并写出相应的DNA序列改造策略。
RNA
——U U A C A U C U U C A U——
翻译
氨基酸
序列
——亮氨酸——组氨酸——丝氨酸——
DNA核苷酸序列
——A A T G T A G A A G T A——转录模板链
——T T A C A T G A A G T A——
转录
改造后
的RNA


翻译
改造后的
氨基酸序列


改造后的DNA核苷酸序列


第168位
转录
RNA
提示: CAU是组氨酸的密码子，UUA是亮氨酸的密码子，CUU是丝氨酸的密码子，CGU、CGC、CGA、CGG是精氨酸的密码子 (四种密码子在棉花植株中均可使用)
思考：
（1）改造B基因序列的思路是什么？目的基因的碱基序列仅有一种吗？为什么？
（2）确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？
活动2.利用改造后的Bt基因，获得所需要的Bt抗虫蛋白。
1.完善生产改造后的Bt抗虫蛋白的流程。
2.总结：蛋白质工程的基本原理。
（1）目标:根据人们对 功能的特定需求,对蛋白质的结构进行设计改造。
（2）方法: 或 。
（3）用文字和箭头表示蛋白质工程的基本思路。
【归纳】基因工程和蛋白质工程的异同
探究二、蛋白质工程的应用分析
1．自主阅读教材P95相关知识，举例说明蛋白质工程的应用有哪些。
2.T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家将其肽链中第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，使酶的耐热性得到了提高，这项工作属于什么工程范畴？在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么？
【总结】如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
【实践应用】
天然的胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，会延缓疗效，通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，从而有效抑制了胰岛素的聚合。研究人员试图将人胰岛素的B链的第28位氨基酸由脯氨酸替换为天冬氨酸，从而有效抑制胰岛素的聚合，获得速效胰岛素类似物，应该如何操作？
转录
RNA
——U U A C A U C U U C A U——
翻译
氨基酸序列
——亮氨酸——组氨酸——丝氨酸——
DNA核苷酸
序列
——A A T G T A G A A G T A——转录模板链
——T T A C A T C T T C A T ——
转录
改造后的RNA

翻译
改造后的氨基酸序列

改造后的DNA核苷酸序列


第168位
【跟踪训练】干扰素是动物体内合成的一种糖蛋白，体外很难保存。如果将干扰素分子的一个半胱氨酸改造成丝氨酸，体外-70℃下可以保存半年。下列有关叙述错误的是（ ）
A．该实例可以使用基因定点突变技术，对干扰素基因进行碱基的替换
B．对干扰素的改造属于蛋白质工程，该工程的目标是对基因的结构进行分子设计
C．蛋白质工程离不开基因工程，是基因工程的延伸
D．利用大肠杆菌生产干扰素，可能产生没有活性的干扰素
1．下列各项与蛋白质工程没有直接关系的是( )
A．利用各种高科技手段分析蛋白质的分子结构
B．研究并改变某种蛋白质相关基因的碱基序列
C．设计和制造自然界中没有的人工蛋白质
D．将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶
2．某生物中发现一种基因的表达产物是具有较强抗菌性和溶血性的多肽P1，科研人员预期在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的蛋白质药物，下一步要做的是( )
A．构建含目的肽DNA片段的表达载体
B．合成编码多肽P1的DNA片段
C．设计抗菌性强但溶血性弱的蛋白质结构
D．利用抗原—抗体杂交的方法对表达产物进行检测
3．腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域，但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是( )
A．N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一
B．加入连接肽需要通过改造基因实现
C．获得N1的过程需要进行转录和翻译
D．检测N1的活性时先将N1与底物充分混合，再置于高温环境
4.下列操作中，属于蛋白质工程的是( )
A.将胰岛素基因导入大肠杆菌生产胰岛素
B.将胰岛素B链中某位氨基酸替换以抑制其聚合
C.通过组织培养培育抗旱玉米
D.对外源蛋白进行三维结构解析
5．（不定项）已知生物体内有一种转运蛋白Y，由300个氨基酸组成。如果将Y中157位的L-异亮氨酸变成亮氨酸，261位的酪氨酸变成丝氨酸，改变后的蛋白质Y1不但保留了原有Y的功能，且具备了催化活性。下列说法不正确的是( )
A．蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异
B．可以通过对Y蛋白基因进行修饰或人工合成获得 Y1 蛋白基因
C．蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具
D．细胞内合成Y1蛋白与Y蛋白的过程中，遗传信息的流向是相反的
6．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，在经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物 进行鉴定。
【课堂小结】
用概念图形式总结本节课的内容。
参考答案
自主预习
一、1.(1)结构规律 生物功能 (2)改造 合成
2.分子生物学 晶体学 计算机
二、1.基因 蛋白质 新的性状
2.已存在
3.特定物种 人类生产和生活
4.氨基酸
三、因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构十分复杂。
课堂探究
探究一
思考：
1.Bt抗虫蛋白的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
2. 蛋白质的高级结构十分复杂，对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。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的。
活动1.
改造后的氨基酸序列 ——亮氨酸——精氨酸——丝氨酸——
改造后的RNA ——U U A C G U C U U C A U ——
改造后的DNA核苷酸序列
——A A T G C A G A A G T A——
——T T A C G T C T T C A T——
思考：（1）中心法则逆推。改造基因的实质是改变其编码区碱基序列，从而影响蛋白质的一级结构与空间构型。
由于密码子的简并性，由精氨酸逆推获得的目的基因的碱基序列有多种。
（2）确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
活动2.
1.
2.总结：蛋白质工程的基本原理
（1）蛋白质
（2）改造基因 合成基因
（3）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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
【归纳】
基因 基因 预期蛋白质功能 目的基因 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 可生产自然界没有的蛋白质 可生产自然界已有的蛋白质 通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质 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蛋白质，进而表现出新的性状 蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程；蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程基本操作
探究二
1.
2.蛋白质工程。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。
【总结】
【实践应用】
【跟踪训练】 B
当堂训练
1.D 将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶是基因工程的成果，与蛋白质工程没有直接关系，D符合题意。
2.C 蛋白质工程的过程：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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。因此，预期在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的蛋白质药物，下一步要做的是设计预期的蛋白质结构，即设计抗菌性强但溶血性弱的蛋白质结构，C符合题意。
3.D 在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)，则N1与N0氨基酸序列有所不同，这可能是影响其热稳定性的原因之一，A正确；蛋白质工程的作用对象是基因，即加入连接肽需要通过改造基因实现，B正确；N1为蛋白质，蛋白质的合成需要经过转录和翻译两个过程，C正确；酶具有高效性，检测N1的活性需先将其置于高温环境，再与底物充分混合，D错误。
4.B
5.ACD 蛋白质工程和基因工程的根本区别是蛋白质工程可产生自然界中没有的蛋白质，A错误；蛋白质工程操作过程中，需要酶和载体作为工具，C错误；细胞内合成Y1蛋白与Y蛋白的过程中，遗传信息的流向是相同的，D错误。
6.（1）氨基酸序列（或结构） （2） P P1 DNA和RNA DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质（或转录、逆转录、翻译） （3）设计蛋白质结构 推测氨基酸序列 功能
解析：（1）由题干信息可知改造蛋白质的功能，可通过改变蛋白质的结构实现。
（2）依据蛋白质工程的定义及题中信息可知获得P1基因的途径有修饰现有（P）基因或合成新（P1）基因。中心法则的全部内容包括：DNA的复制、RNA的复制、转录、逆转录和翻译。
（3）蛋白质工程的基本途径：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→找到相应的脱氧核苷酸序列。通过蛋白质工程合成的蛋白质还需要进行生物活性的鉴定即功能鉴定，看是否达到人们的需求。
课堂小结
项目
蛋白质工程
基因工程
区别
操作对象
操作起点
操作过程
实质
结果
联系
应用
举例
医药工业方面
其他工业方面
农业方面
应用
举例
医药工业方面
通过改造胰岛素基因，获得速效胰岛素类似物。
将干扰素分子中某位半胱氨酸替换为丝氨酸，提高其稳定性，延长保存时间
生产人鼠嵌合抗体，降低了诱发人体免疫反应的强度
其他工业方面
改进酶的性能或开发新的工业用酶
农业方面
改造某些参与调控光合作用的酶
设计优良微生物农药