第4课时 蛋白质工程的崛起
[目标导读] 1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.结合教材P27图1－29，简述蛋白质工程的基本原理。3.概述蛋白质工程的应用。 [重难点击] 蛋白质工程的原理。
1．基因工程的基本操作程序
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
2．基因工程的实质
将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本来不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。
3．中心法则告诉我们遗传信息的流动方向如下：
蛋白质具有复杂的空间结构，不同种类的蛋白质具有不同的结构和功能。蛋白质结构的多样性是由构成蛋白质的氨基酸种类、数目、排列顺序和空间结构来决定的，而其结构多样性的根本原因则是由于控制蛋白质合成的基因的多样性。 [课堂导入]
基因工程只能生产自然界中已经存在的蛋白质，不一定完全符合人们生活需要。于是，人们开始设计蛋白质工程。
探究点一 蛋白质工程崛起的缘由和基本原理 1．基因工程的不足
在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。天然蛋白质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．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？
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答案 应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，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下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，但被改造过的蛋白质分子也是无法遗传的。
(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。 3．蛋白质工程的基本原理 (1)概念
①基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。②手段：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。 ③目的：获得满足人类的生产和生活需求的蛋白质。
(2)原理：由预期的蛋白质找到相对应的基因。即中心法则的逆推。 (3)流程
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→找到相应的脱氧核苷酸序列(基因)→合成DNA→表达出蛋白质。
(4)最终结果：生产出自然界从来没有过的蛋白质。
小贴士 ?1?蛋白质工程的目的基因只能用人工合成的方法获得。 ?2?设计中的困难：如何推测非编码区以及内含子的脱氧核苷酸序列。 归纳提炼
1．蛋白质工程就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。 活学活用
1．下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__________；代表中心法则内容的是________。(填写数字)
(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：
①__________；②__________；③__________；④____________________________； ⑤__________。
(3)蛋白质工程的目的是____________________________________________________，
2
通过______________________实现。
(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______________的。
答案 (1)④⑤ ①②③ (2)转录 翻译 折叠 分子设计 DNA合成 (3)对蛋白质的结构进行分子设计 基因合成或改造 (4)相反
解析 天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的，而蛋白质工程的基本途径与之相反，即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(基因)。解答此题需要理解中心法则和蛋白质结构的知识。 探究点二 蛋白质工程的进展和前景 1．蛋白质工程的进展和前景
(1)前景诱人：通过对胰岛素的改造，使其成为速效型药品；用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。
(2)难度很大：主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。
2．科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品，阅读教材，结合资料完成下述分析。 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，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是蛋白质的预期功能。
(2)通过人工合成DNA形成的新基因应与载体结合后转移到大肠杆菌等受体细胞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蛋白质工程、基因工程和发酵工程。
(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。 归纳提炼 比较项目 操作对象 操作水平 基因工程 基因 DNA分子水平 目的基因的获取→基因表达载体基本过程 的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 蛋白质工程 基因 DNA分子水平 确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→蛋白质应有的氨基酸序列→应有的碱基序列→合成DNA→表达出蛋白质 3
实质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类需要的生物类型或生物产品 生产人类需要的基因产物(自然界已有的蛋白质) 定向改造或生产人类所需的蛋白质 可以生产自然界没有的、不存在的新蛋白质 结果 联系 活学活用
蛋白质工程是以基因工程为基础的 2．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，蛋白质工程合成的可以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)的操作 D．基因工程完全不同于蛋白质工程 答案 B
解析 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，是从分子水平对蛋白质进行改造设计，直接对相应的基因进行修饰加工甚至人工进行基因合成，从而对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活需求，而基因工程只是将外源基因导入另一生物体内，并使之表达，体现人类所需的性状，或者获取所需的产品，因此，基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。
? 子的结构进行分子设计
?操作对象：②DNA和蛋白质分子
蛋白质工程?操作过程：预期的蛋白质功能→设计预期的③蛋白质
? 的结构→推测应有的④氨基酸序列→找到相对应的? ⑤脱氧核苷酸序列
目标：根据对蛋白质功能的特定需求，对①蛋白质分
1．某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构和功能很相似，只是热稳定性较差，进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂，临床治疗消化不良，最佳方案是( ) A．将此酶中的少数氨基酸替换，以改善其功能 B．将此酶与人蛋白酶进行拼接，形成新的蛋白酶 C．重新设计与创造一种全新的蛋白酶 D．减少此酶在片剂中的含量 答案 A
解析 要想使蛋白酶热稳定性有所提高，就要改变蛋白质的结构，此类问题一般是对蛋白质
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