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第三章 第4节　蛋白质工程的原理和应用
【单元导向】
【学习目标】
1.科学思维：说出蛋白质工程崛起的缘由。
2.科学思维：概述蛋白质工程的基本原理。
3.社会责任：举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。
【课前预习15min】
【自主学习一】蛋白质工程崛起的缘由
阅读教材93-94页相关内容
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　 ,进而表现出新的性状。
2.蛋白质工程崛起的缘由:基因工程原则上只能生产　 的蛋白质,而这些天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要。
3.蛋白质工程的目的:生产符合　 的并非自然界中已存在的蛋白质。
【自主学习二】蛋白质工程的基本原理
阅读教材94页相关内容
1.蛋白质工程的目标:根据人们对蛋白质 的特定需求,对蛋白质的 进行设计改造。
2.原理:天然蛋白质合成的过程按照 进行,而蛋白质工程却与之相反。
3.蛋白质工程的基本思路: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　 →找到并改变相对应的　 序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
【自主学习三】蛋白质工程的应用
阅读教材95页相关内容
1.应用
(1)临床上:科学家通过对 的改造实现了对相应氨基酸序列的
改造,由此研发出速效胰岛素类似物产品。
(2)医药工业方面:科学家将干扰素分子上的一个 变成 ,在-70 ℃的条件下,干扰素可以保存半年；科学家将小鼠抗体上 的区域“嫁接”到人的 上,经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。
(3)其他工业方面:蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。
(4)农业方面:科学家正在尝试改造某些参与调控 的酶,以提高植物光合作用的效率,增加粮食的产量;科学家利用蛋白质工程的思路来设计优良微生物农药,通过改造微生物蛋白质的结构,使它防治病虫害的效果增强。
2.存在的问题蛋白质工程是一项难度很大的工程,主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的 ,而这种高级结构往往十分复杂。
【预习检测】（2min）
(1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。（ ）
(2)蛋白质工程以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础。（ ）
(3)基因工程在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程在分子水平对蛋白质进行操作。（ ）
(4)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。（ ）
(5)蛋白质工程最终要达到的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息。（ ）
(6)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。（ ）
【教学过程】
【攻标】目标1：说出蛋白质工程崛起的缘由（5min）
任务1： 结合课本P93，完成下列问题
1、基因工程的实质是什么？有什么不足之处？
2、天然蛋白质有什么不足？
【评标】1.蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是(　　)
A．基因工程生产的天然蛋白质完全符合人类生产和生活的需要
B．蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质
C．蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现
D．蛋白质工程是通过直接的蛋白质修饰或蛋白质合成来完成的
【攻标】目标2：概述蛋白质工程的基本原理（15min）
任务1：结合课本P94，完成下列问题
1、蛋白质工程的目标是什么？方法是什么？
2、基于天然蛋白质的合成过程和蛋白质工程的基本思路,完成下列填空。
（1）写出流程图中字母代表的含义：
A. ;B. ; C. ; D.
（2）上图字母中属于中心法则的过程有 ，属于蛋白质工程的过程有 。
任务2：观看视频材料，小组讨论并回答以下问题
3、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？原因是什么？
4、某多肽的氨基酸序列如下图所示：
尝试写出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列，并写出来：
5、你推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？说明你的理由。
6、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？
【评标】1.(2021辽宁大连二模)下列有关蛋白质工程的叙述,错误的是 (　　)
A.蛋白质工程是在分子水平上通过改造或合成基因来完成的
B.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
C.蛋白质工程的途径是从预期蛋白质结构开始,进行氨基酸的增减或替换
D.蛋白质工程的最终目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质,以满足人类的需求
2.(2022山东济宁期中)β-葡聚糖酶是一种在酒类、饲料等行业中具有重要用途的工业用酶。为提高β-葡聚糖酶的催化活性,科学家将其第20位、第117位和第165位的赖氨酸突变为丝氨酸。下列有关叙述错误的是(　　)
A.对β-葡聚糖酶结构的改造属于蛋白质工程
B.蛋白质工程是在蛋白质分子水平上进行氨基酸的增减、替换等操作
C.改造后的β-葡聚糖酶空间结构发生了改变
D.可通过DNA分子测序法检测突变是否成功
【回标】蛋白质工程与基因工程的区别和联系（2min）
项目 蛋白质工程 基因工程
区别 过程 预期蛋白质功能→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→获得所需蛋白质 获取目的基因→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
实质 定向改造或生产人类所需的蛋白质 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
结果 可生产自然界没有的蛋白质 只能生产自然界已有的蛋白质
联系 ①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 ②基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造
提示：重点记忆“实质、结果和联系”
蛋白质工程 基因工程
过程
实质
结果
联系
项目 蛋白质工程 基因工程
过程
实质
结果
联系
【攻标】目标3：举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。（10min）
任务1：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：
1．构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，主要依据是 。
2．通过人工合成DNA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，需用到的生物工程有 、 和发酵工程。
4．根据图解，从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，推测出其基因中的 ，然后利用 来合成出新的胰岛素基因。
【评标】3.(2022深圳调研改编 6分)胰岛素用于治疗糖尿病,但胰岛素注射后易在皮下堆积,需较长时间才能进入血液,进入血液后又易被分解,因此治疗效果受到影响。如图是新的速效胰岛素的生产过程,回答下列问题:
(1)新的胰岛素生产过程属于　　　 　工程。
(2)获取新的胰岛素基因除图示方法外,还可以通过　　 　　获得;在体外利用PCR技术对人工合成的新的胰岛素基因进行扩增时,需向反应体系中加入Taq DNA聚合酶,该酶的作用是　　　　
　　　 　　　 （2分）。
在大肠杆菌细胞中合成的新的胰岛素,需通过生化制备与重折叠才具备预期的功能,原因是　　　　　
　　　　　　　 　　　　　 　（2分）。
得分 扣分
阅卷得分 审题规范（强化审题） 思维（析题）规范 呈现（答题）规范
采点计分 审清设问（标号化） 审读材料、情境（标注化）2分 角度步骤要点（角度化2分） 书写卷面(清晰化1分) 学科术语(术语化1分)
【知识建构】
【随堂检测】蛋白质工程的原理和应用
1.(2021北京顺义期末)水蛭素是一种蛋白质,可用于预防和治疗血栓,但在治疗过程中发现其抗凝血活性低。研究人员欲提高水蛭素抗凝血活性,正确的操作步骤是 (　　)
①确定影响活性的氨基酸序列
②分析水蛭素的空间结构,找到影响其活性的结构域
③推测需要替换的氨基酸序列
④构建基因表达载体,使其在受体细胞中表达
⑤PCR技术获得改造后的水蛭素基因
⑥确定基因中的碱基序列
A.②①③⑤⑥④　　　　B.②③⑥①⑤④ C.②①③⑥⑤④ D.①②③④⑤⑥
2.(2022山东招远二中月考)新型冠状病毒通过其表面刺突蛋白(S蛋白)的受体结合域(RBD)与人体细胞表面的ACE2受体相互作用,侵入人体细胞。研究人员设计并合成了一种自然界中不存在的LCB1蛋白药物,可识别并紧密结合S蛋白的RBD,以干扰新型冠状病毒的感染。下列叙述错误的是 (　　)
A.LCB1可能与ACE2受体的某些区域结构类似
B.LCB1可以依据S蛋白的RBD结构进行设计
C.LCB1是通过细胞中原有的基因表达产生的
D.LCB1设计和合成是通过蛋白质工程实现的
【课后作业】1.复习作业：依托本节课学案，整理本节课重难点及相关题型。
2.练习作业：3.(2022陕西安康五里高级中学期中)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分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸,第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基因的途径有改造　　　 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,其基本思路是从预期的蛋白质功能出发,通过　　　　　　　　　　和　　　　　　　　　　,进而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,在经表达、纯化获得所需要的蛋白质。
学有余力的同学完成固学案63-65页练习题
3.预习作业：依托下节课学案熟悉相关知识点，勾画重难点，写出困惑。
答案
【课前预习15min】
【自主学习一】1.基因 蛋白质 2.　自然界中已存在 3.人们生产和生活需要
【自主学习二】1.功能 结构 2.中心法则 3.　氨基酸序列 脱氧核苷酸
【自主学习三】1.(1)胰岛素基因 (2)半胱氨酸 丝氨酸, 抗原结合 抗体 (3)(4)　光合作用
2. 高级结构
预习检测 (1)√　(2)√ (3)×　 (4)√　(5)× (6)×
【教学过程】
【评标】1．选B
目标2：任务1：1、找课本
2、(1)推测 改造或合成 转录 翻译 (2)C,D A、B
任务2：观看视频，并小组讨论回答以下问题
4.主要原因是①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。
5.不唯一，因为一个氨基酸是由一个或多个密码子决定，因此获得的基因总的碱基序列有多种。
6.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行碱基的替换、增添等。
【评标】1.C　蛋白质工程是在分子水平上通过改造或合成基因来完成的,A正确;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,B正确;蛋白质工程的途径: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,C错误;蛋白质工程的最终目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质,以满足人类的需求,D正确。
2.B改变蛋白质的功能,对蛋白质的氨基酸序列进行改造,这属于蛋白质工程,A正确;蛋白质工程是在基因分子水平上进行基因改造或合成等操作,B错误;根据题干信息可知,改造后的β-葡聚糖酶的氨基酸序列发生改变,因此其空间结构也发生了改变,C正确;蛋白质工程被称为第二代基因工程,可通过DNA分子测序法检测突变是否成功,D正确。
【攻标】目标3
任务1：1．蛋白质的预期功能。2．大肠杆菌等受体细胞 3．蛋白质工程、基因工程
4．氨基酸 脱氧核苷酸序列 DNA合成仪
【评标】3.　(1)蛋白质　 (2)改造基因　催化合成DNA子链　(3)大肠杆菌是原核生物,没有内质网和高尔基体,不能对蛋白质进行加工
【随堂检测】1.C运用蛋白质工程提高水蛭素抗凝血活性,应先分析水蛭素的空间结构,找到影响其活性的结构域,然后确定影响活性的氨基酸序列,推测需要替换的氨基酸序列,最终确定基因中的碱基序列,据此通过PCR技术获得改造后的水蛭素基因,并构建基因表达载体,使其在受体细胞中表达,故选C。
2.C　新型冠状病毒通过其表面的S蛋白的RBD与人体细胞表面的ACE2受体相互作用,进而侵入人体细胞;研究人员设计并合成的LCB1蛋白可识别并紧密结合S蛋白的RBD,阻止S蛋白的RBD与ACE2受体结合,进而阻止新型冠状病毒侵入人体。LCB1蛋白和ACE2受体都可以与S蛋白的RBD结合,说明LCB1可能与ACE2受体的某些区域结构类似,则可以依据S蛋白的RBD结构设计LCB1,A、B正确;LCB1是人工设计并合成的一种自然界中不存在的蛋白质,因此LCB1是通过细胞中原有的基因表达产生的,C错误;基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质,而LCB1是自然界中不存在的一种蛋白质,是通过蛋白质工程设计和合成的,D正确。
练习作业：3..答案　(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)设计预期的蛋白质结构　推测应有的氨基酸序列
解析　(1)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基因的途径有改造现有(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)蛋白质工程的基本思路: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(教材第94页)。

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