人教版高中生物選修三專題一1.4蛋白質(zhì)工程的崛起優(yōu)質(zhì)教案

1、專題一 1.4蛋白質(zhì)工程的崛起一、教學(xué)目標1 .舉例說由蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。2 .簡述蛋白質(zhì)工程的原理。3 .嘗試運用逆向思維分析和解決問題。二、教學(xué)重點和難點1 .教學(xué)重點(1)為什么要開展蛋白質(zhì)工程的研究？(2)蛋白質(zhì)工程的原理。2 .教學(xué)難點蛋白質(zhì)工程的原理。三、教學(xué)過程一、蛋白質(zhì)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(nèi) 可以用常規(guī)雜交育種的辦法實現(xiàn)，但要使有生殖隔離的種間生物 實現(xiàn)基因交流，就顯得力不從心了?；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(chǎn)由了胰島素，牛的乳腺生物反應(yīng)器為人類

2、制 造生了蛋白質(zhì)類藥物，煙草植物體內(nèi)含有了某種藥物蛋白至 此，人們也只是實現(xiàn)了世界上現(xiàn)有基因在轉(zhuǎn)基因生物中的表達。 但一個新問題由現(xiàn)了，生物產(chǎn)生的天然蛋白質(zhì)是在長期進化過程 中形成的，它的結(jié)構(gòu)、,性能不能完全滿足人類生產(chǎn)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(xiàn)有蛋白質(zhì)進行改造，制造由目前從天然蛋白質(zhì)中 找不到的蛋白質(zhì)。這樣人們又開始了新一輪的探索，蛋白質(zhì)工程 應(yīng)運而生了。二、蛋白質(zhì)工程的原理回顧已學(xué)習(xí)過中心法則及蛋白質(zhì)具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)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。2G陽基因）* "mRkU狀倏電*“有空 間結(jié)構(gòu)的雷副質(zhì)一天達生物特

3、有的功能或性狀圖1-4遺傳信息的流動方向那么，既然蛋白質(zhì)的功能是由 DNA決定的，那么要制造由新 的蛋白質(zhì)，就要改造 DNA所以蛋白質(zhì)工程的原理應(yīng)該是中心法 則的逆推。（結(jié)合課本中插圖）小結(jié)：蛋白質(zhì)工程的概念（是研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，然后人為地設(shè)計一個新蛋白質(zhì)，并按這個設(shè)計的蛋白質(zhì)結(jié) 構(gòu)去改變其基因結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)?；蛘邚牡鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu) 與功能的關(guān)系由發(fā)，定向地改造天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，特別是對功 能基因的修飾，也可以制造新型的蛋白質(zhì)。）思考：蛋白質(zhì)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， 仄DNAmRNA蛋白質(zhì)-折疊 產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)由自然

4、界已有的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質(zhì)的功能-蛋 白質(zhì)應(yīng)有的高級結(jié)構(gòu)一蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)一應(yīng)有的氨基 酸序列一應(yīng)有的堿基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)。三、蛋白質(zhì)工程的進展和前景1、蛋白質(zhì)工程的誕生是有其理論與技術(shù)條件的，它是隨著分子 生物學(xué)、晶體學(xué)以及計算機技術(shù)的發(fā)展而誕生的，與基因組學(xué)、 蛋白質(zhì)組學(xué)、生物信息學(xué)的發(fā)展等因素有關(guān)2、現(xiàn)狀：成功的例子不多，主要是因為蛋白質(zhì)發(fā)揮其功能需要 依賴于正確的空間結(jié)構(gòu)，而科學(xué)家目前對大多數(shù)蛋白質(zhì)的空間結(jié) 構(gòu)了解很少?？茖W(xué)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(zhì)工程是應(yīng)怎樣的需求而崛起的？提示（供

5、教師在教學(xué)中參考）：蛋白質(zhì)工程的崛起主要是工 業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)理論研究的需要。而結(jié)構(gòu)生物學(xué)對大量蛋白質(zhì)分子 的精確立體結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜的生物功能的分析結(jié)果，為設(shè)計改造天 然蛋白質(zhì)提供了藍圖。分子遺傳學(xué)的以定點突變?yōu)橹行牡幕虿?作技術(shù)為蛋白質(zhì)工程提供了手段。在已研究過的幾千種酶中，只有極少數(shù)可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)， 絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，這些酶雖然在自然狀態(tài)下有 活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性很低。這是因為工業(yè)生產(chǎn) 中每一步的反應(yīng)體系中常常會有酸、堿或有機溶劑存在，反應(yīng)溫 度較高，在這種條件下，大多數(shù)酶會很快變性失活。提高蛋白質(zhì) 的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個非常重要的課題。一般來說，提高蛋 白質(zhì)

6、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。下面舉一個如何通過蛋白質(zhì)工程來提高重組B-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(chǎn)生的干擾素的抗 病毒活性為106U/mg,只相當(dāng)于天然產(chǎn)品的十分之一，雖然在大 腸桿菌中合成的 B-干擾素量很多，但多數(shù)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(xiàn)，B - 干擾素蛋白質(zhì)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

7、位的半胱氨酸，通過基因定點突變改變成絲氨酸， 結(jié)果使大腸桿菌中生產(chǎn)的B-干擾素的抗病性活性提高到 108U/mg,并且比天然 B -干擾素的貯存穩(wěn)定性高很多。在基礎(chǔ)理論研究方面，蛋白質(zhì)工程是研究多種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 和功能、蛋白質(zhì)折疊、蛋白質(zhì)分子設(shè)計等一系列分子生物學(xué)基本 問題的一種新型的、強有力的手段。通過對蛋白質(zhì)工程的研究， 可以深入地揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)和生命活動的規(guī)律。2 .蛋白質(zhì)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(zhì)-折疊 產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)由自然界已有的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程是 按照以下思路進行的：確定蛋白質(zhì)的功能-蛋白質(zhì)

8、應(yīng)有的高級結(jié) 構(gòu)一蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)一應(yīng)有的氨基酸序列一應(yīng)有的堿 基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)。3 .你知道酶工程嗎？絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)，酶工程與蛋白 質(zhì)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(xué)的手段，應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護等方面的一 門科學(xué)技術(shù)。概括地說，酶工程是由酶制劑的生產(chǎn)和應(yīng)用兩方面 組成的。酶工程的應(yīng)用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工 業(yè)中。a -淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖異構(gòu)酶這三個酶連續(xù) 作用于淀粉，就可以代替蔗糖生產(chǎn)由高果糖漿；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

9、的某些功能的衰竭等。至于我們?nèi)粘Ｉ钪兴姷?的加酶洗衣粉、嫩肉粉等，就更是酶工程最直接的體現(xiàn)了。通常 所說的酶工程是用工程菌生產(chǎn)酶制劑，而沒有經(jīng)過由酶的功能來 設(shè)計酶的分子結(jié)構(gòu)，然后由酶的分子結(jié)構(gòu)來確定相應(yīng)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(zhì)工程的重點則在于對已存在的蛋白質(zhì)分子的改造。當(dāng) 然，隨著蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，其成果也會應(yīng)用到酶工程中，使酶 工程成為蛋白質(zhì)工程的一部分。（二）正文中討論題答：（1）每種氨基酸都有對應(yīng)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由來。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

10、碼子編碼， 因此其堿基排列組合起來就比較復(fù)雜，至少可以排列由16種, 可以讓學(xué)生根據(jù)學(xué)過的排列組合知識自己排列一下。首先應(yīng)該根 據(jù)三聯(lián)密碼子推由 mRN便列為GCU（或C或A或G） UGGAAA或 G AUGUUU或O ,再根據(jù)堿基互補配對規(guī)律推由脫氧核昔酸序 列:CGA（或 G或 T 或 C） ACCTTT（或 C） TACAAA（或 G）。（2）確定目的基因的堿基序列后，就可以根據(jù)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(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng) 的基因，導(dǎo)入合適的細菌中，讓細菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食 品呢？提示：理論上講可以，但目前還沒有真

11、正成功的例子。一些 報道利用細菌生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)往往都是自然界已經(jīng)存在 的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計由來而自然不存在的蛋白質(zhì)。主 要原因是蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu) 和在生物體內(nèi)如何行使功能知之甚少，很難設(shè)計由一個嶄新而又 具有生命功能作用的蛋白質(zhì)，而且一個嶄新的蛋白質(zhì)會帶來什么 危害也是人們所擔(dān)心的。（四）旁欄思考題1.你知道人類蛋白質(zhì)組計劃嗎？它與蛋白質(zhì)工 程有什么關(guān)系？我國科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？提示：人類蛋白質(zhì)組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域一項重大的科學(xué)命題。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。之后，該組織正式提由啟動了兩項重大國 際合作行動：一項是由中國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì) 組計劃”；另一項是以美國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì) 組計劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計劃的帷幕r人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃”是國際上第一個人類組織/器官 的蛋白質(zhì)組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學(xué)家第一 次領(lǐng)銜的重大國際科研協(xié)作計劃，總部設(shè)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(xué)目標是揭示并 確認肝臟的蛋白質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的 突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。人類蛋白質(zhì)組計劃的深入研究將是對蛋白質(zhì)工程的有力推動 和理論支持。2.對天然蛋白質(zhì)進行改造，你認