第4節(jié)基因工程的原理和應(yīng)用第3章基因工程新課引入1．某些水母在紫外線的照射下，會(huì)呈現(xiàn)明顯的綠色，這種蛋白就是最早被發(fā)現(xiàn)的綠色熒光蛋白（GFP）。2．有科學(xué)家將GFP基因?qū)胪米芋w內(nèi)，該基因在這些生物中完成了表達(dá)。3．科學(xué)家通過(guò)改造綠色熒光蛋白，獲得了黃色、藍(lán)色、青色等熒光蛋白。新課引入4．右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫(huà)”的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樗鼈兊捏w內(nèi)導(dǎo)入了不同顏色的熒光蛋白基因。（1）科學(xué)家利用了什么技術(shù)讓細(xì)菌能夠發(fā)出熒光？利用基因工程技術(shù)使細(xì)菌表達(dá)了熒光蛋白。（2）科學(xué)家如何對(duì)天然的綠色熒光蛋白進(jìn)行改造？一、蛋白質(zhì)工程的概念以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)改造或合成基因，來(lái)改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類(lèi)的生產(chǎn)和生活的需求。蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來(lái)的第二代基因工程。1．概念一、蛋白質(zhì)工程的概念（1）基礎(chǔ)：（2）手段：1．概念根據(jù)蛋白質(zhì)工程的概念思考下列問(wèn)題。學(xué)生活動(dòng)蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系。通過(guò)基因改造或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)。一、蛋白質(zhì)工程的概念分子生物學(xué)、晶體學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展。2．理論和技術(shù)條件（3）改造對(duì)象：（4）目的：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是改造控制該蛋白質(zhì)合成的基因的結(jié)構(gòu)。獲得滿足人類(lèi)的生產(chǎn)和生活需求的蛋白質(zhì)。二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1．基因工程的實(shí)質(zhì)復(fù)習(xí)基因工程的實(shí)質(zhì)，思考基因工程有哪些不足，以及天然蛋白質(zhì)的存在的問(wèn)題。學(xué)生活動(dòng)將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀。二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由2．基因工程的不足基因工程在原則上只能產(chǎn)生自然界中已存在的蛋白質(zhì)。3．天然蛋白質(zhì)的不足天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類(lèi)生產(chǎn)和生活的需要。二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由4．實(shí)例：玉米的改造（1）存在問(wèn)題：玉米中賴(lài)氨酸的含量較低，原因是賴(lài)氨酸合成過(guò)程中的兩種關(guān)鍵酶—天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的活性，受細(xì)胞內(nèi)賴(lài)氨酸濃度的影響較大。二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由4．實(shí)例：玉米的改造（2）解決方法天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）改造二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）改造（3）效果

玉米葉片和種子中游離賴(lài)氨酸含量分別提高了5倍和2倍。二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由玉米中賴(lài)氨酸代謝途徑的調(diào)節(jié)拓展1賴(lài)氨酸含量高天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的活性賴(lài)氨酸含量減少抑制導(dǎo)致解除抑制，加速賴(lài)氨酸合成賴(lài)氨酸這種調(diào)節(jié)方式屬于哪種類(lèi)型？負(fù)反饋調(diào)節(jié)三、蛋白質(zhì)工程的基本原理1．目標(biāo)：根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。（1） 在筆記本上畫(huà)出中心法則的具體過(guò)程？（2） 思考對(duì)天然的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過(guò)對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)？學(xué)生活動(dòng)三、蛋白質(zhì)工程的基本原理基因決定蛋白質(zhì)的合成，改造基因即為改造蛋白質(zhì)；改造基因可以遺傳，改造蛋白質(zhì)無(wú)法遺傳。因此通過(guò)對(duì)基因的操作實(shí)現(xiàn)。（2） 思考對(duì)天然的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過(guò)對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)？2．蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)：改造基因或合成基因。逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄DNARNA翻譯肽鏈復(fù)制復(fù)制折疊等具有空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)三、蛋白質(zhì)工程的基本原理3．蛋白質(zhì)工程的流程：蛋白質(zhì)（三維結(jié)構(gòu)）預(yù)期功能生物功能翻譯折疊行使轉(zhuǎn)錄設(shè)計(jì)推測(cè)改造或合成mRNA目的基因氨基酸序列三、蛋白質(zhì)工程的基本原理某多肽鏈的一段氨基酸序列是：學(xué)生活動(dòng)丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴(lài)氨酸1．怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫(xiě)出來(lái)。2．確定目的基因的堿基序列后，怎樣合成或改造目的基因？三、蛋白質(zhì)工程的基本原理學(xué)生活動(dòng)丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴(lài)氨酸通過(guò)查密碼子表得知上述氨基酸對(duì)應(yīng)的密碼子，由于氨基酸序列中有幾個(gè)氨基酸是由多個(gè)密碼子編碼，因此堿基排列組合比較復(fù)雜。丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG色氨酸：UGG賴(lài)氨酸：AAA、AAG甲硫氨酸：AUG苯丙氨酸：UUU、UUCGCU—UGG—AAA—AUG—UUU三、蛋白質(zhì)工程的基本原理學(xué)生活動(dòng)2．根據(jù)查出的密碼子序列進(jìn)行人工合成，或從基因文庫(kù)中獲取目的基因。對(duì)基因的改造經(jīng)常會(huì)用到基因定點(diǎn)突變技術(shù)來(lái)進(jìn)行堿基的替換、增添等。GCU—UGG—AAA—AUG—UUU三、蛋白質(zhì)工程的基本原理基因定點(diǎn)突變技術(shù)拓展2通過(guò)在蛋白質(zhì)中導(dǎo)入二硫鍵，可提高蛋白酶的熱穩(wěn)定性。用定點(diǎn)突變的方法，改變DNA上的脫氧核糖核苷酸，從而改變mRNA，使編碼第3個(gè)氨基酸的核苷酸序列由AUU變?yōu)閁GU，氨基酸由異亮氨酸變成了半胱氨酸。該半胱氨酸可以與第97位的半胱氨酸形成二硫鍵，增強(qiáng)熱穩(wěn)定性。四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（1）研發(fā)速效胰島素類(lèi)似物：

1．在醫(yī)藥工業(yè)方面的應(yīng)用閱讀課本內(nèi)容了解胰島素制劑存在的問(wèn)題，并思考如何改造胰島素分子。學(xué)生活動(dòng)四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（1）研發(fā)速效胰島素類(lèi)似物：

1．在醫(yī)藥工業(yè)方面的應(yīng)用B28位（脯氨酸）B29位（賴(lài)氨酸）B28位（天冬氨酸）B29位（賴(lài)氨酸）B28位（賴(lài)氨酸）B29位（脯氨酸）易形成二聚體或六聚體速效胰島素類(lèi)似物聚合作用降低，起效快天然胰島素改造胰島素基因

四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（2）提高干擾素的保存期：

1．在醫(yī)藥工業(yè)方面的應(yīng)用干擾素（絲氨酸）天然干擾素（半胱氨酸）改造

體外很難保存

-70℃條件下可以保存半年

四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（3）改造抗體：將小鼠單克隆抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域“嫁接”到人的抗體上，形成人-鼠嵌合抗體，即抗體的可變區(qū)來(lái)自小鼠，而恒定區(qū)則來(lái)自人的抗體。這樣的抗體既保持了原來(lái)的特異性和親和力，又大大減少了在人體內(nèi)的免疫原性。

1．在醫(yī)藥工業(yè)方面的應(yīng)用四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用

（1）改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶：

利用蛋白質(zhì)工程獲得蛋白酶的多種突變體（枯草桿菌蛋白酶）。（2）改造某些重要的酶：

利用蛋白質(zhì)工程改造參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率。

2．在其他工業(yè)和農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程難度大，原因是蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴(lài)于正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)。這種高級(jí)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，目前對(duì)其了解還很不夠，還需探索。

3．蛋白質(zhì)工程存在問(wèn)題胰島素鋅六聚體干擾素血紅蛋白課堂小結(jié)易錯(cuò)辨析1．為什么蛋白質(zhì)工程不是直接改造蛋白質(zhì)而是通過(guò)基因改造和基因合成來(lái)完成？（1）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過(guò)的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，蛋白質(zhì)也無(wú)法遺傳下去的。（2）對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行直接改造容易操作，難度小得多。課堂小結(jié)2．蛋白質(zhì)工程的操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？（1）基因工程操作程序的基本思路遵守中心法則：從DNA→mRNA→多肽→折疊產(chǎn)生蛋白質(zhì)，生產(chǎn)出自然界中已有的蛋白質(zhì)。（2）蛋白質(zhì)工程是按照相反的思路進(jìn)行的：

確定蛋白質(zhì)的功能→蛋白質(zhì)應(yīng)用的高級(jí)結(jié)構(gòu)→蛋白質(zhì)具備的折疊狀態(tài)→應(yīng)有的氨基酸序列→基因中的堿基序列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)。課堂小結(jié)蛋白質(zhì)工程的原理蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)氨基酸序列多肽鏈預(yù)期功能改造或合成推測(cè)mRNA生物功能轉(zhuǎn)錄翻譯折疊基因蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)課堂小結(jié)蛋白質(zhì)工程基因工程起點(diǎn)過(guò)程預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)氨基酸序列→推測(cè)脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達(dá)出蛋白質(zhì)獲取目的基因→構(gòu)建基因表達(dá)載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定實(shí)質(zhì)結(jié)果生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程與基因工程區(qū)別預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因通過(guò)改造相應(yīng)的基因達(dá)到對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造的目的基因重組可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)課堂檢測(cè)1．蛋白質(zhì)工程的基本操作程序正確的是（）①蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)合成②DNA合成③mRNA合成④蛋白質(zhì)的預(yù)期功能⑤根據(jù)氨基酸的序列推出脫氧核苷酸的序列A．①→②→③→④→⑤→①B．⑤→④→③→②→①→②C．④→①→⑤→②→③→①D．②→③→⑤→①→②→④C課堂檢測(cè)2．科研人員利用相關(guān)技術(shù)改變了胰島素B鏈的第9位氨基酸，從而避免了胰島素結(jié)合成無(wú)活性的二聚體形式。下列相關(guān)敘述中，不正確的是（

）A．胰島素的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，不宜口服使用B．可通過(guò)測(cè)定DNA的序列確定突變是否成功C．對(duì)胰島素結(jié)構(gòu)的改造屬于蛋白質(zhì)工程D．該過(guò)程的操作對(duì)象是胰島素分子D課堂檢測(cè)3．下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程和基因工程的比較，不合理的是（

）A．蛋白質(zhì)工程的操作起點(diǎn)是從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的基因，并借助基因工程實(shí)現(xiàn)B．蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，蛋白質(zhì)工程最終還是要通過(guò)基因改造或基因合成來(lái)完成C．當(dāng)?shù)玫娇梢栽?70℃條件下保存半年的干擾素后，在相關(guān)酶、氨基酸和適宜的溫度、pH條件下，干擾素可