第三章

基因工程

第四節(jié)

蛋白質(zhì)工程

用細(xì)菌“畫畫”（視頻）問題1:這些細(xì)菌為什么能發(fā)出熒光？基因工程技術(shù)問題3:最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白及其他顏色的熒光蛋白，這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。那么，科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計和改造的呢？在它們的體內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因問題2:該過程運(yùn)用了什么技術(shù)？對蛋白質(zhì)分子的設(shè)計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實現(xiàn)的新課導(dǎo)入本節(jié)聚焦本節(jié)聚焦蛋白質(zhì)工程的基本原理是什么？蛋白質(zhì)工程已有哪些實際的應(yīng)用？活動一：請同學(xué)們自主閱讀教材P93-94，思考問題。1.什么是蛋白質(zhì)工程？2.結(jié)合基因工程的實質(zhì)及不足，思考為什么要進(jìn)行蛋白質(zhì)工程？新課推進(jìn)定義

蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(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)，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。新課推進(jìn)基礎(chǔ)：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。操作方法及對象：改造或合成基因。結(jié)果：改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)。目的：改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)：相關(guān)學(xué)科及技術(shù)：分子生物學(xué)、晶體學(xué)和計算機(jī)技術(shù)。是對編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造。蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程。新課推進(jìn)基因工程的實質(zhì)及不足①實質(zhì)：基因工程是將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者可以產(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。②不足：基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在（天然）的蛋白質(zhì)。基因重組天然蛋白質(zhì)的缺陷

天然蛋白質(zhì)是生物在長期進(jìn)化過程中形成的，它們的結(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生產(chǎn)和生活的需要。新課推進(jìn)玉米中賴氨酸的含量較低，原因是賴氨酸合成過程中的兩種關(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)賴氨酸濃度的影響較大。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）玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍玉米中賴氨酸含量比較低天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）改造改造含量提高5倍含量提高2倍實例：提高玉米賴氨酸含量

新課推進(jìn)為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)：改造或合成基因（來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)）①蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，直接改造難度大；②蛋白質(zhì)是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質(zhì)；③基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無法遺傳；怎么改造基因呢？新課推進(jìn)預(yù)期功能預(yù)期結(jié)構(gòu)推測氨基酸序列（多肽鏈）找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯折疊設(shè)計行使逆中心法則，與天然蛋白質(zhì)合成的過程相反改造脫氧核苷酸序列或合成新的基因新課推進(jìn)1．推測出應(yīng)有的氨基酸序列，怎樣才能找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列？先根據(jù)氨基酸序列找到對應(yīng)的密碼子推測出mRNA上的核糖核苷酸序列推出一條脫氧核糖核苷酸序列推出DNA的核苷酸序列新課推進(jìn)2．如果已經(jīng)推測出多肽中的氨基酸序列，那么推測出的基因中的堿基序列是否唯一呢？并說明理由。不唯一，因為一個氨基酸是由一個或多個密碼子決定的，因此獲得的基因總的堿基序列有多種。不同的生物密碼子基本相同，即共用一套密碼子。新課推進(jìn)拓展延伸3．確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？確定目的基因的堿基序列后，可以人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。對基因的改造經(jīng)常會用到基因定點突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換、增添等。根據(jù)改造蛋白質(zhì)的部位的多少，對蛋白質(zhì)的改造可分為三類：（1）大改：設(shè)計并制造出自然界中不存在的全新蛋白質(zhì)（2）中改：在蛋白質(zhì)分子中替換某一個肽段或某一個特定的結(jié)構(gòu)域。（3）小改：改造蛋白質(zhì)分子中的幾個氨基酸殘基新課推進(jìn)4．蛋白質(zhì)工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白質(zhì)的原因：(1)任何一種天然蛋白質(zhì)都是由________編碼的，改造了________即對蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白質(zhì)也是無法遺傳的。(2)對________進(jìn)行改造比對蛋白質(zhì)直接改造更容易操作，難度要小得多?；蚧蚧蛐抡n推進(jìn)項目蛋白質(zhì)工程基因工程操作對象操作起點操作水平操作流程結(jié)果實質(zhì)聯(lián)系基因基因DNA分子水平DNA分子水平預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測氨基酸序列→找到并改變對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)目的基因的篩選與獲取→構(gòu)建基因表達(dá)載體→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測與鑒定可生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)通過改造或合成基因來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)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①蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程；②蛋白質(zhì)工程離不開基因工程，其包含基因工程的基本操作。預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因蛋白質(zhì)工程和基因工程的比較新課推進(jìn)思考：如何辨別一個操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程？是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對原有基因進(jìn)行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程看蛋白質(zhì)看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程新課推進(jìn)活動二：自主閱讀課本P95相關(guān)內(nèi)容，總結(jié)蛋白質(zhì)工程可以應(yīng)用于哪些領(lǐng)域，有哪些案例。新課推進(jìn)天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體預(yù)期結(jié)構(gòu)改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計結(jié)構(gòu)改變B鏈第20～29位氨基酸組成推測序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合1、醫(yī)藥工業(yè)方面（1）研發(fā)速效胰島素類似物新課推進(jìn)1、醫(yī)藥工業(yè)方面（3）降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)通過改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（即可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即恒定區(qū)）上，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會減低很多。新課推進(jìn)蛋白質(zhì)工程被廣泛用于改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶。如枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)的作用，常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。迄今為止，利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。3、農(nóng)業(yè)方面（1）改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量。（2）利用蛋白質(zhì)工程的思路設(shè)計優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強(qiáng)。2、其他工業(yè)方面新課推進(jìn)

蛋白質(zhì)工程是一項難度很大的工程，主要是因為蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。要設(shè)計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人類帶來更多的福祉。三級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)由計算機(jī)建立的血紅蛋白三維結(jié)構(gòu)模型新課推進(jìn)一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由：基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理：預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預(yù)期蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列。三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用課堂小結(jié)1.下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法，錯誤的是(

)A.蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，使之更加符合人類的需要。B.蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進(jìn)行操作，定向改變分子結(jié)構(gòu)。C.蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質(zhì)分子。D.蛋白質(zhì)工程與基因工程密不可分，又稱為第二代基因工程。B課堂練習(xí)2.下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請據(jù)圖回答下列問題：（1）代表蛋白質(zhì)工程操作思路的過程是_____；代表中心法則內(nèi)容的是________。(填寫數(shù)字)（2）寫出圖中各數(shù)字代表的生物學(xué)過程的名稱或內(nèi)容：①______；②______；③______；④______；⑤__________。（3）蛋白質(zhì)工程的目的是____________________________________________________________，通過___________________實現(xiàn)。（4）從圖中可以看出蛋白質(zhì)工程的基本途徑與中心法則是______的。④⑤①②③轉(zhuǎn)錄翻譯折疊推測改造合成根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計基因改造或基因合成相反課堂練習(xí)3.IKK激酶參與動物體內(nèi)免疫細(xì)胞的分化。臨床上發(fā)現(xiàn)某重癥聯(lián)合免疫缺陷(SCID)患兒IKK基因編碼區(qū)第1183位堿基T突變?yōu)镃,導(dǎo)致IKK上第395位酪氨酸被組氨酸代替。為研究該患兒發(fā)病機(jī)制,研究人員利用純合野生鼠應(yīng)用大引物PCR定點誘變技術(shù)培育出SCID模型小鼠(純合),主要過程如圖甲、乙。分析回答:(1)在PCR反應(yīng)體系中,需加入引物、IKK基因、緩沖液、Mg2+等外,還需加入

等。

(2)在圖甲獲取突變基因過程中,需要以下3種引物:則PCR1中使用的引物有

,PCR2中使用的引物有

和圖中大引物的

(填“①”或“②”)鏈。

(3)PCR的反應(yīng)程序:94℃3min;94℃30s,58℃30s,72℃50s,30個循環(huán)。在循環(huán)之前的94℃3min處理為預(yù)變性;循環(huán)中72℃處理的目的是

。

(4)研究人員經(jīng)鑒定、篩選獲得一只轉(zhuǎn)基因雜合鼠F0,并確認(rèn)突變基因已經(jīng)穩(wěn)定同源替代IKK基因,請你設(shè)計完成獲得SCID模型鼠的實驗步驟:①雜交親本:

,雜交得F1;

②F1雌、雄鼠隨機(jī)交配得F2;