第第頁(yè)第3章基因工程第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用教案一、教學(xué)目標(biāo)1.說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。（生命觀念）2.概述蛋白質(zhì)工程的基本原理。（生命觀念）3.舉例說明依據(jù)人類需要對(duì)原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基因改造、生產(chǎn)目標(biāo)蛋白的過程。（科學(xué)思維）4.用列表法比較蛋白質(zhì)工程和基因工程。（科學(xué)思維）二、教學(xué)重難點(diǎn)【教學(xué)重點(diǎn)】1.蛋白質(zhì)工程的基本原理。2.依據(jù)人類需要對(duì)原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基因改造、生產(chǎn)目標(biāo)蛋白的過程?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】1.蛋白質(zhì)工程的基本原理。2.依據(jù)人類需要對(duì)原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基因改造、生產(chǎn)目標(biāo)蛋白的過程。三、教學(xué)過程【導(dǎo)入新課】展示：從社會(huì)中來(lái)。你見過用細(xì)菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫"的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樵谒鼈兊捏w內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。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等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的檢測(cè)、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(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的呢？熒光蛋白發(fā)出的光穿透性極強(qiáng)，即使蛋白質(zhì)位于小動(dòng)物體內(nèi)深處，其發(fā)出的光也可以穿透生物體外界看到。在癌癥研究過程中，熒光蛋白的出現(xiàn)使得科學(xué)家們能夠觀測(cè)到腫瘤細(xì)胞的具體活動(dòng)，比如中休息寶的成長(zhǎng)、入侵、轉(zhuǎn)移和新生。提示：對(duì)蛋白質(zhì)分子的設(shè)計(jì)和改造是通過蛋白質(zhì)工程來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？茖W(xué)家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上再采用定點(diǎn)突變的技術(shù)將綠色熒光蛋白發(fā)光基團(tuán)正下方的第203位的蘇氨酸替換為酪氨酸，從而獲得了一種新的綠色熒光蛋白的衍生物——黃色熒光蛋白。進(jìn)而引出本節(jié)課題——蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用。回顧舊知：天然蛋白質(zhì)的合成過程與性狀表達(dá)蛋白質(zhì)只有具有一定空間結(jié)構(gòu)，才能表達(dá)特有性狀或具有特定功能?！拘抡n講授】教師：組織學(xué)生閱讀教材，自主學(xué)習(xí)，簡(jiǎn)述蛋白質(zhì)工程的概念，并學(xué)會(huì)理解與運(yùn)用。學(xué)生：歸納概括蛋白質(zhì)工程的概念。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)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。①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。②操作手段及對(duì)象：改造或合成基因（基因修飾或基因合成）。③結(jié)果：改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)。④目的：獲得滿足人類生產(chǎn)和生活需求的蛋白質(zhì)。⑤困難：蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。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，是涉及多學(xué)科的綜合科技工程。（一）蛋白質(zhì)工程崛起的緣由提問：為什么要進(jìn)行蛋白質(zhì)工程的研究呢？教師：組織學(xué)生閱讀課本P93頁(yè)，聯(lián)系實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生分析基因工程的實(shí)質(zhì)和局限性以及天然蛋白質(zhì)的不足，進(jìn)而說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。學(xué)生：閱讀教材和資料，自主學(xué)習(xí)，回答問題。1.基因工程的實(shí)質(zhì)及缺陷（1）實(shí)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。（2）缺陷：原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。2.天然蛋白質(zhì)的缺陷：（1）缺陷：天然蛋白質(zhì)是生物在長(zhǎng)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。（2）實(shí)例：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，受到體內(nèi)賴氨酸濃度的影響較大。賴氨酸達(dá)到一定程度就會(huì)抑制這兩種酶的活性，所以賴氨酸含量很難提高。3.蛋白質(zhì)工程的作用蛋白質(zhì)工程的崛起主要是由于工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)理論研究的需要。蛋白質(zhì)工程的目的：對(duì)天然蛋白進(jìn)行改造，生產(chǎn)符合人類生產(chǎn)和生活需要的非天然蛋白質(zhì)。結(jié)合天然蛋白質(zhì)的缺陷以及蛋白質(zhì)工程的作用，通過分析，如果我們提高玉米賴氨酸含量。如玉米中賴氨酸含量較低，經(jīng)人工設(shè)計(jì)改造，將天冬氨酸激酶中第352位的蘇氨酸變成異亮氨酸，將二氫吡啶二羧酸合成酶中的第104位的天冬酰胺變成異亮氨酸，就可以可使玉米葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。如下圖所示：播放視頻《人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃》觀看視頻，小組討論，嘗試作答：【思考】你知道人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國(guó)科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？提示：人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域重大的國(guó)際合作科研項(xiàng)目。2001年，國(guó)際人類蛋白質(zhì)組組織宣布成立。2003年，該組織正式提出啟動(dòng)兩項(xiàng)重大國(guó)際合作項(xiàng)目：一項(xiàng)是由中國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是由美國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕?！叭祟惛闻K蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國(guó)際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國(guó)賀福初院士牽頭，這是中國(guó)科學(xué)家第一次領(lǐng)銜重大國(guó)際科研協(xié)作計(jì)劃。它的目標(biāo)是通過對(duì)肝臟蛋白質(zhì)高通量、規(guī)?；难芯浚馕龈闻K蛋白質(zhì)在生理、病理過程中的功能意義，為重大肝病的預(yù)防、診斷、治療和新藥的研發(fā)提供重要的科學(xué)依據(jù)。2010年，該計(jì)劃“兩譜、兩圖、三庫(kù)”的目標(biāo)初步實(shí)現(xiàn)。我國(guó)科學(xué)家完成了人類肝臟蛋白質(zhì)組表達(dá)譜和修飾譜，繪制了蛋白質(zhì)相互作用連鎖圖和定位圖?！叭龓?kù)”則是建立符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的肝臟標(biāo)本庫(kù)、發(fā)展規(guī)?；贵w制備技術(shù)并建立肝臟蛋白質(zhì)抗體庫(kù)和建立完整的肝臟蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫(kù)。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃取得的成果有力推動(dòng)了蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，為它提供了重要的理論支持。2014年6月，中國(guó)人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃啟動(dòng)。（二）蛋白質(zhì)工程的基本原理提問：蛋白質(zhì)工程是怎樣進(jìn)行的呢？教師：學(xué)生閱讀課本P94頁(yè)，通過閱讀，借助教材中的圖解，聯(lián)系實(shí)際，分析蛋白質(zhì)工程的基本原理。學(xué)生：自主學(xué)習(xí)，在教師引導(dǎo)下分析蛋白質(zhì)工程的基本原理。1.蛋白質(zhì)工程的目標(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。2.蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)：通過改造或合成基因，來(lái)定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)。思考：為什么蛋白質(zhì)工程需改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？提示：（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，而且可以遺傳下去。如果對(duì)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(wú)法遺傳的。（2）對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造更容易操作，難度要小得多。3.蛋白質(zhì)工程的基本思路天然蛋白質(zhì)合成的過程是按照中心法則進(jìn)行的?；颉磉_(dá)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）→形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈→形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)→行使生物功能。而蛋白質(zhì)工程卻與之相反。如下所示：蛋白質(zhì)工程的基本思路：從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)。展示蛋白質(zhì)工程的基本思路：思考·討論·蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：討論：（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)的堿基序列寫出來(lái)。提示：每種氨基酸都有對(duì)應(yīng)的密碼子，只要查一下遺傳密碼子表就能將氨基酸蓄力的編碼序列查出來(lái)。但是由于上述氨基酸序列中有幾個(gè)氨基酸是由多種密碼子編碼的，所以相應(yīng)的堿基排列組合起來(lái)就比較復(fù)雜，至少可以排列32種，可根據(jù)學(xué)過的排列組合知識(shí)自己排列一下。首先應(yīng)根據(jù)密碼子推出mRNA序列，再根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則推出脫氧核苷酸序列丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG）、色氨酸（UGG）、賴氨酸（AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）DNA序列為：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）（2）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(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。拓展延伸：根據(jù)改造蛋白質(zhì)的部位的多少，對(duì)蛋白質(zhì)的改造可分為三類：（1）大改：設(shè)計(jì)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(gè)肽段或某一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)域。（3）小改：改造蛋白質(zhì)分子中的幾個(gè)氨基酸殘基思考：能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細(xì)胞中，讓宿主細(xì)胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動(dòng)物細(xì)胞、微生物細(xì)胞等可以生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)，但這些蛋白質(zhì)往往都是自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計(jì)出來(lái)的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)如何行使功能了解得還不夠，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設(shè)計(jì)并獲得了一個(gè)全新的蛋白質(zhì)，它的生理生化特性、用它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)食品的安全性等都需要長(zhǎng)期深入的研究。（三）蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用教師：組織學(xué)生閱讀教材P95頁(yè)，將學(xué)生分為3組，分別概括現(xiàn)階段蛋白質(zhì)工程在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和其他工業(yè)方面的應(yīng)用。學(xué)生：閱讀教材，小組合作，分組概括蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用，進(jìn)行展示。1.醫(yī)藥工業(yè)方面（1）研發(fā)速效胰島素類似物科學(xué)家通過改造胰島素基因使B鏈28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了胰島素的聚合，研發(fā)出速效胰島素類似物。天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體→預(yù)期功能：降低胰島素的聚合作用→設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：改變B鏈第20～29位氨基酸組成→推測(cè)序列：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→改造形成新胰島素基因→轉(zhuǎn)錄形成mRNA→翻譯形成多肽鏈→折疊形成預(yù)期結(jié)構(gòu)→行使功能：有效抑制胰島素的聚合。（2）延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間將干擾素分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，提高了干擾素的保存時(shí)間。天然干擾素不易保存→預(yù)期功能：延長(zhǎng)保存時(shí)間→設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：氨基酸替換→推測(cè)序列：一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸→改造形成新干擾素基因→轉(zhuǎn)錄形成mRNA→翻譯形成多肽鏈→折疊形成預(yù)期結(jié)構(gòu)→行使功能：在－70℃下可以保存半年。（3）降低人對(duì)小鼠單克隆抗體的免疫反應(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(huì)減低很多。2.其他工業(yè)方面蛋白質(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(jià)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(jì)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)。4.實(shí)例——水蛭改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，它有多種變異體，由65或66個(gè)氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設(shè)計(jì)方案，將47位的Asn（天冬酰胺）變成Lys（賴氨酸），使其與分子內(nèi)第4或第5位Thr（蘇氨酸）間形成氫鍵來(lái)幫助水蛭素N端肽段的正確取向，從而提高凝血效率，試管試驗(yàn)活性提高4倍，在動(dòng)物模型上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，提高20倍。拓展延伸：1.蛋白質(zhì)工程與中心法則的關(guān)系（1）蛋白質(zhì)工程的過程是中心法則的逆推。中心法則中遺傳信息的傳遞過程是：基因→mRNA→氨基酸種類和序列→蛋白質(zhì)的性質(zhì)和功能。而蛋白質(zhì)工程的操作過程與之相反：由預(yù)期的蛋白質(zhì)的功能出發(fā)，逆著中心法則方向推出控制該蛋白質(zhì)合成的DNA序列。中心法則和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)是蛋白質(zhì)工程設(shè)計(jì)的核心理論。（2）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造基因也就是對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，并且改造過的基因可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子也無(wú)法遺傳給下一代。（3）對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。2.蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而這種高級(jí)結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。要設(shè)計(jì)出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅(jiān)克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會(huì)給人類帶來(lái)更多的福祉。（四）課后總結(jié)（五）課堂作業(yè)1.下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法，錯(cuò)誤的是（B）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(duì)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2.下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請(qǐng)據(jù)圖回答下列問題：（