《蛋白質工程的崛起》教案5頁

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1、學校：臨清一中 學科：生物 編寫人：孫書明 審稿人：呂瑞 專題一 1.4蛋白質工程的崛起 一、 教學目標 1.舉例說出蛋白質工程崛起的緣由。 2.簡述蛋白質工程的原理。 3.嘗試運用逆向思維分析和解決問題。 二、 教學重點和難點 1.教學重點 （1）為什么要開展蛋白質工程的研究？ （2）蛋白質工程的原理。21世紀教育網 2.教學難點 蛋白質工程的原理。 三、 教學過程21世紀教育網21世紀教育網 一、蛋白質工程崛起的緣由（P26） 引言：要想讓一種生物的性狀在另一種生物中表達，在種內可以用常規(guī)雜交育種的辦法實現，但要使有生殖隔離的種間生物實現基因交流，就顯

2、得力不從心了?；蚬こ痰恼Q生，為克服這一遠緣雜交的障礙問題，帶來了新的希望。于是取得了豐碩成果：大腸桿菌為人類生產出了胰島素，牛的乳腺生物反應器為人類制造出了蛋白質類藥物，煙草植物體內含有了某種藥物蛋白……至此，人們也只是實現了世界上現有基因在轉基因生物中的表達。但一個新問題出現了，生物產生的天然蛋白質是在長期進化過程中形成的，它的結構、性能不能完全滿足人類生產和生活的需要。舉例：P26干擾素例子、工業(yè)用酶的例子 于是要對現有蛋白質進行改造，制造出目前從天然蛋白質中找不到的蛋白質。這樣人們又開始了新一輪的探索，蛋白質工程應運而生了。21cnjycom 二、蛋白質工程的原理 回顧已學習過中

3、心法則及蛋白質具有復雜的空間結構等知識。中心法則告訴我們遺傳信息的流動方向如圖1-4所示。21世紀*教育網 圖1-4 遺傳信息的流動方向 那么，既然蛋白質的功能是由DNA決定的，那么要制造出新的蛋白質，就要改造DNA。所以蛋白質工程的原理應該是中心法則的逆推。（結合課本中插圖） 小結：蛋白質工程的概念（是研究蛋白質的結構及結構與功能的關系，然后人為地設計一個新蛋白質，并按這個設計的蛋白質結構去改變其基因結構，從而產生新的蛋白質?；蛘邚牡鞍踪|結構與功能的關系出發(fā)，定向地改造天然蛋白質的結構，特別是對功能基因的修飾，也可以制造新型的蛋白質。） www-2-1-cnjy-com 思考：蛋

4、白質工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？ 答：基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質→折疊產生功能，基本上是生產出自然界已有的蛋白質。2-1-c-n-j-y 蛋白質工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質的功能→蛋白質應有的高級結構→蛋白質應具備的折疊狀態(tài)→應有的氨基酸序列→應有的堿基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質?！　?1*cnjy*com 三、蛋白質工程的進展和前景 1、蛋白質工程的誕生是有其理論與技術條件的，它是隨著分子生物學、晶體學以及計算機技術的發(fā)展而誕生的，與基因組學、蛋白質組學、生物信息學的發(fā)展等因素有關 2、現狀：成功的例子不多，主要是因為蛋白質發(fā)

5、揮其功能需要依賴于正確的空間結構，而科學家目前對大多數蛋白質的空間結構了解很少。 【來源：21cnj*y.co*m】 科學探索之路的漫長、艱辛和永無止境。 四、 答案和提示 （一）思考與探究 1.蛋白質工程是應怎樣的需求而崛起的？ 提示（供教師在教學中參考）：蛋白質工程的崛起主要是工業(yè)生產和基礎理論研究的需要。而結構生物學對大量蛋白質分子的精確立體結構及其復雜的生物功能的分析結果，為設計改造天然蛋白質提供了藍圖。分子遺傳學的以定點突變?yōu)橹行牡幕虿僮骷夹g為蛋白質工程提供了手段。【出處：21教育名師】 在已研究過的幾千種酶中，只有極少數可以應用于工業(yè)生產，絕大多數酶都不能應用于工

6、業(yè)生產，這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性，但在工業(yè)生產中沒有活性或活性很低。這是因為工業(yè)生產中每一步的反應體系中常常會有酸、堿或有機溶劑存在，反應溫度較高，在這種條件下，大多數酶會很快變性失活。提高蛋白質的穩(wěn)定性是工業(yè)生產中一個非常重要的課題。一般來說，提高蛋白質的穩(wěn)定性包括：延長酶的半衰期，提高酶的熱穩(wěn)定性，延長藥用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等。21*cnjy*com 下面舉一個如何通過蛋白質工程來提高重組β-干擾素專一活性和穩(wěn)定性的例子。干擾素是一種抗病毒、抗腫瘤的藥物。將人的干擾素的cDNA在大腸桿菌中進行表達，產生的干擾素的抗病毒活性為106 U/mg，只相當于天

7、然產品的十分之一，雖然在大腸桿菌中合成的β-干擾素量很多，但多數是以無活性的二聚體形式存在。為什么會這樣？如何改變這種狀況？研究發(fā)現，β-干擾素蛋白質中有3個半胱氨酸（第17位、31位和141位），推測可能是有一個或幾個半胱氨酸形成了不正確的二硫鍵。研究人員將第17位的半胱氨酸，通過基因定點突變改變成絲氨酸，結果使大腸桿菌中生產的β-干擾素的抗病性活性提高到108 U/mg，并且比天然β-干擾素的貯存穩(wěn)定性高很多。21世紀教育網 在基礎理論研究方面，蛋白質工程是研究多種蛋白質的結構和功能、蛋白質折疊、蛋白質分子設計等一系列分子生物學基本問題的一種新型的、強有力的手段。通過對蛋白質工程的研究，

8、可以深入地揭示生命現象的本質和生命活動的規(guī)律。 2.蛋白質工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？ 答：基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質→折疊產生功能，基本上是生產出自然界已有的蛋白質。蛋白質工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質的功能→蛋白質應有的高級結構→蛋白質應具備的折疊狀態(tài)→應有的氨基酸序列→應有的堿基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質。 3.你知道酶工程嗎？絕大多數酶都是蛋白質，酶工程與蛋白質工程有什么區(qū)別？ 提示：酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學的手段，應用于生產、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護等方面的一門科學技術。概括地說，酶工程是由酶制劑的

9、生產和應用兩方面組成的。酶工程的應用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中。α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖異構酶這三個酶連續(xù)作用于淀粉，就可以代替蔗糖生產出高果糖漿；蛋白酶用于皮革脫毛膠以及洗滌劑工業(yè)；固定化酶還可以治療先天性缺酶病或是器官缺損引起的某些功能的衰竭等。至于我們日常生活中所見到的加酶洗衣粉、嫩肉粉等，就更是酶工程最直接的體現了。通常所說的酶工程是用工程菌生產酶制劑，而沒有經過由酶的功能來設計酶的分子結構，然后由酶的分子結構來確定相應基因的堿基序列等步驟。因此，酶工程的重點在于對已存酶的合理充分利用，而蛋白質工程的重點則在于對已存在的蛋白質分子的改造。當然，隨著蛋白質工程的發(fā)展

10、，其成果也會應用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質工程的一部分。21教育網 （二）正文中討論題 答：（1）每種氨基酸都有對應的三聯(lián)密碼子，只要查一下遺傳密碼子表，就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多個三聯(lián)密碼子編碼，因此其堿基排列組合起來就比較復雜，至少可以排列出16種，可以讓學生根據學過的排列組合知識自己排列一下。首先應該根據三聯(lián)密碼子推出mRNA序列為GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C），再根據堿基互補配對規(guī)律推出脫氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）。21cnjy （2）確定

11、目的基因的堿基序列后，就可以根據人類的需要改造它，通過人工合成的方法或從基因庫中獲取。 （三）異想天開 能不能根據人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合適的細菌中，讓細菌生產人類所需要的蛋白質食品呢？【來源：21世紀教育網】 提示：理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。一些報道利用細菌生產人類需要的蛋白質往往都是自然界已經存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來而自然不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常復雜，人類對蛋白質的高級結構和在生物體內如何行使功能知之甚少，很難設計出一個嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質，而且一個嶄新的蛋白質會帶來什么危害也是人們所擔心的。 （

12、四）旁欄思考題 1.你知道人類蛋白質組計劃嗎？它與蛋白質工程有什么關系？我國科學家承擔了什么任務？www.21-cn- 提示：人類蛋白質組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學乃至自然科學領域一項重大的科學命題。2001年，國際人類蛋白質組組織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動了兩項重大國際合作行動：一項是由中國科學家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質組計劃”；另一項是以美國科學家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質組計劃”，由此拉開了人類蛋白質組計劃的帷幕?！景鏅嗨校?1教育】 “人類肝臟蛋白質組計劃”是國際上第一個人類組織／器官的蛋白質組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學家第一次領銜的重大國際

13、科研協(xié)作計劃，總部設在北京，目前有16個國家和地區(qū)的80多個實驗室報名參加。它的科學目標是揭示并確認肝臟的蛋白質，為重大肝病預防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學基礎。 人類蛋白質組計劃的深入研究將是對蛋白質工程的有力推動和理論支持。 2.對天然蛋白質進行改造，你認為應該直接對蛋白質分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現？21世紀教育網21教育名師原創(chuàng)作品 答：毫無疑問應該從對基因的操作來實現對天然蛋白質改造，主要原因如下： （1）任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過的蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質分子還是無法遺傳的。21世紀教育網版權所有 （2）對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容易操作，難度要小得多。