蛋白质工程的原理 高中生物《蛋白质工程的原理和应用》微课精讲+知识点+课件教案习题

视频教学:

关键知识:

知识点一:蛋白质工程兴起的原因

现有的基因工程生产的蛋白质已经不能满足人类生产生活的需要。

在基因工程的基础上，基因要根据人的意愿进行操纵，从而生产出人们需要的蛋白质。

知识点2:蛋白质工程的基本原理

概念:基于蛋白质的结构规律及其生物功能之间的关系，可以对现有的蛋白质进行修饰或通过基因修饰或基因合成制成新的蛋白质，以满足人类生产生活的需要。

目的:根据人们对蛋白质功能的具体要求，蛋白质的分子设计最终由基因实现。

原理:从蛋白质功能设计的预期蛋白质结构预测氨基酸序列，找到相应的脱氧核苷酸序列，合成DNA表达蛋白质。

困难:目前，科学家对大多数蛋白质的高级结构了解不够。

知识点3:蛋白质工程的进展与展望

它在食品工业和日用品工业中有着广泛的应用前景，目前成功的例子很少。

优秀课件:

教学计划:

1.教学目标

1.说出蛋白质项目兴起的原因。

2.总结蛋白质工程的基本原理。

3.举例说明根据人类需求对原始蛋白质结构进行遗传修饰并生产目标蛋白质的过程。

2.本节电子教材

左右滑动浏览教材

左右滑动浏览教材

提示:请点击图片放大浏览。效果更好。

3.图片材料

小贴士:请点击图片，下载高清图片素材，制作课件。

4.课本侧栏的问题、练习和答案

来自社会

你见过用细菌画画吗？右边的图片是一个奇妙的图案，上面“画”着发出不同颜色荧光的细菌。这些细菌能够发出荧光，是因为荧光蛋白的基因被引入了它们的体内。

最早发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过对其进行修饰，获得了黄色荧光蛋白。这些荧光蛋白在细胞内生命活动检测、肿瘤示踪研究等领域具有重要应用。那么，科学家是如何设计和修饰蛋白质分子的呢？

科学家分析了多房伊蚊绿色荧光蛋白的晶体结构，并进行了计算机辅助设计。在此基础上，通过定点诱变，将绿色荧光蛋白发光基团正下方第203位的苏氨酸替换为丙氨酸，从而获得绿色荧光蛋白的新衍生物——黄色荧光蛋白。

思考侧栏中的问题

你知道人类蛋白集团的计划吗？和蛋白质项目有什么关系？中国科学家承担了哪些任务？

人类蛋白质组项目是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域一项重要的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质集团宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两大国际合作项目:一是由中国科学家牵头的“人类肝脏蛋白质组项目”；另一个是美国科学家领导的“人血浆蛋白组计划”；于是，人类蛋白质组项目的帷幕拉开了。

“人体肝脏蛋白质组工程”是世界上首个人体组织器官蛋白质组工程，由何福初中医研究所牵头。这是中国科学家首次领导重大国际科研合作项目。其目标是通过对肝脏蛋白的高通量、大规模研究，分析肝脏蛋白在生理和病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药研发提供重要的科学依据。2010年，该计划“两谱两图三库”的目标初步实现。我国科学家完成了人类肝脏蛋白组的表达谱和修饰谱，绘制了蛋白质相互作用的连锁图谱和定位图谱。“三库”即建立符合国际标准的肝脏标本库，发展大规模抗体制备技术，建立肝脏蛋白抗体库，建立完整的肝脏蛋白组数据库。人类蛋白质组取得的成就有力地推动了蛋白质工程的发展，并为其提供了重要的理论支持。2014年6月，中国人蛋白集团成立。

思考和讨论

讨论

1.如何得到决定这个肽链的脱氧核苷酸序列？请写下相应的碱基序列。

每个氨基酸都有对应的密码子，看密码子表就能找出问题中氨基酸序列的编码序列。但由于氨基酸序列中的几个氨基酸是由多个密码子编码的，碱基的排列组合比较复杂，至少可以排列32种，学生可以根据所学的排列组合知识自行排列。首先根据密码子推导出mRNA序列为gcugugaaauu，然后根据碱基互补配对原理推导出脱氧核苷酸序列为CGAACTTCTTAAA。

2.在确定了目的基因的碱基序列后，如何合成或修饰目的基因？

在确定目标基因的碱基序列后，可以人工合成或从基因库中获得目标基因。基因定点突变技术常用于基因转化中的碱基替换和添加。

沉迷于最疯狂的幻想

能否根据人类所需蛋白质的结构设计相应的基因，并导入合适的宿主细胞，使宿主细胞产生人类所需的蛋白质食物？

理论上可以，但目前还没有真正成功的例子。利用转化的动物细胞和微生物细胞可以生产出人类所需的蛋白质。但是，这些蛋白质往往是自然界已经存在的蛋白质，而不是人类设计的、自然界不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构以及蛋白质在生物体内的功能还不够了解，因此很难设计出新的功能性蛋白质。即使设计并获得了一种全新的蛋白质，其生理生化特性及其生产的蛋白质食品的安全性也需要长期深入的研究。

走进社会

酶制剂广泛应用于食品工业和制药工业。现在，酶制剂的生产已经成为一个具有可观市场的新兴产业。蛋白质工程的应用为酶制剂工业的发展提供了强大的推动力。请参考数据，了解我国酶制剂行业的现状和趋势，分析蛋白工程在酶制剂行业中的作用。

酶作为工业催化剂比无机催化剂更有优势，主要体现在以下几个方面:由于酶促反应可以在常温、常压、中性pH下进行，可以节省大量的能源和设备投资；生产过程不会造成严重污染，符合环保要求；生产工艺简单，效率高，产品质量好，生产成本低。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。

近年来，通过引进国外先进设备、优良菌种和开发新型酶制剂，我国酶制剂行业保持快速增长态势，产品品种越来越多，市场竞争力不断增强。2016年，我国工业酶制剂年产量达到120万吨，年增长率在10%左右。在世界范围内，我国酶制剂的市场份额已占30%左右，我国已进入酶制剂主要生产国行列。

在酶制剂行业，蛋白质项目被广泛用于开发酶的新品种或提高酶的性能，如提高酶的热稳定性和增加一些用作洗涤剂的酶的去污效率。

实践与应用

首先，概念检测

1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。确定以下相关陈述是否正确。

基因工程需要在分子水平上操纵基因，而蛋白质工程不需要操纵基因。

蛋白质项目需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。

蛋白质项目可以转化酶并提高其热稳定性。

2.蛋白质项目是在深入了解蛋白质分子结构与功能关系的基础上开展的。它的最终目标是实现

A.分析蛋白质的三维结构

B.研究蛋白质的氨基酸组成

C.获得编码蛋白质的基因序列信息

D.改造现有的蛋白质或创造新的蛋白质来满足人类的需求

3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓形成。研究人员发现，用赖氨酸代替水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高其抗凝血活性。在本备选研究中，目前可行的直接操作对象是

A.基因b .氨基酸

C.多肽链d蛋白。

第二，拓展应用

T4溶菌酶是一种重要的工业酶，但在高温下容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家们首先研究了一些影响T4溶菌酶耐热性的重要结构。然后在此基础上对相关基因进行修饰，将T4溶菌酶的第三个异亮氨酸变为半胱氨酸。因此，半胱氨酸和第97位的半胱氨酸之间形成二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到提高。这项工作属于什么工程类别？在这个例子中，T4溶菌酶空之间结构变化的根本原因是什么？如果研究成果要应用于生产实践，还需要做什么？

这项工作属于蛋白质工程的范畴。T4溶菌酶空结构变化的根本原因是基因碱基序列的变化。如果改性T4溶菌酶要应用于生产实践，还有很多工作要做。例如，由于修饰酶的空之间的结构发生了变化，它的一些基本特性需要再次阐明，包括它能耐受的温度范围、催化反应的最佳温度、酶活性的大小等。有必要建立大规模生产该酶的技术体系并评估生产成本。

审查和改进

1.一只动物含有研究人员感兴趣的目标基因，研究人员想将该基因导入大肠杆菌的质粒中保存。该质粒含有氨苄青霉素抗性基因、LacZ基因和部分限制性位点，其结构和简单的操作步骤如下图所示。

请根据以上信息回答以下问题。

第三步，如何选择限制性内切酶？

我们应该选择用相同的限制性内切酶或能产生相同末端的限制性内切酶切割质粒和含有目的基因的DNA片段，注意限制性内切酶切割位点不能位于目的基因内部，以免破坏目的基因，限制性内切酶不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制起点等结构。

第二步，为了将质粒DNA和目的基因连接起来，还需要在混合物中加入哪些物质？

加入DNA连接酶。

用含有AmpR和LacZ基因的质粒做实验有什么好处？

该质粒便于双重筛选。标记基因AmpR基因可用于检测质粒是否已导入大肠杆菌，一般只有导入质粒的大肠杆菌才能在含有青霉素的培养基上生长。但由于LacZ基因的作用，这些生长的菌落可能会出现两种颜色:含有空质粒的大肠杆菌菌落呈蓝色；含有重组质粒的大肠杆菌菌落为白色。

含有重组质粒的大肠杆菌菌落会呈现什么颜色？为什么呢？

含有重组质粒的大肠杆菌菌落为白色。由于目的基因的插入破坏了LacZ基因的结构，使其无法正常表达，形成β-半乳糖苷酶，底物X-gal不会被分解。

2.科学家通过逆转录病毒将Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4基因转移到小鼠成纤维细胞中，然后在ES细胞的培养基上培养这些细胞。2 ~ 3周后，这些细胞表现出胚胎干细胞的形态，具有活跃的分裂能力，为诱导多能干细胞。请回答以下问题。

逆转录病毒在这个实验中的作用是什么？

逆转录病毒是一种载体，可以将外源基因Oc3/4、Sox2、c-Myc和KIf4导入小鼠成纤维细胞。

如何证明iPS细胞不是培养基产生的？

可以设置一个控制组。将转移有外源基因的细胞和没有人外源基因的细胞在相同的培养基中培养，其他培养条件相同。如果只是将转移了外源基因的细胞转化为iPS细胞，可以证明由于培养基的作用，iPS细胞并没有产生。

如果我们想知道Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4基因诱导iPS细胞时各基因的相对大小，该如何进行实验？请给出实验设计的思路。

一个基因可以依次去除，另外三个基因可以转移到小鼠成纤维细胞中。然后，通过与四个基因转移的小鼠成纤维细胞的诱导相比较，可以推断缺失基因对iPS细胞的影响，进而判断每个基因的相对大小。

如果把患者的皮肤成纤维细胞诱导成iPS细胞，然后转化成需要的细胞，用这些细胞来治疗患者，会不会造成免疫排斥？为什么呢？IPS细胞具有有丝分裂活性。用iPS细胞治疗可能存在哪些风险？

不会引起免疫排斥，因为细胞的遗传物质在诱导转化过程中没有发生改变，理论上是产生了“自体”细胞。IPS细胞具有分化为各种细胞的潜力，因此存在分化为肿瘤细胞的风险。

3.水稻根部没有根瘤菌，种植时应勤施氮肥。科学家希望利用基因工程技术降低生产成本，减少施用氮肥可能造成的环境污染。他们提出了以下两个方案。

第一种方案是将根瘤菌的固氮相关基因导入水稻根部微生物，使微生物在根部固氮，从而减少氮肥施用量。

方案二直接将固氮相关基因导入水稻细胞，建立水稻直接固氮的“小化肥厂”，实现氮肥的省事。

请评估这两个方案中哪一个更容易实施。

从亲缘关系来看，与固氮相关的基因可能更容易在水稻根系微生物中存在和稳定表达，从而使其具有固氮能力。

如果两个方案都实现了，你认为哪一个值得推广？请给出你的理由。

这个问题不需要唯一的答案。学生可以从方便、安全、经济等角度进行分析。比如从方便性的角度来看，能固氮的水稻新品种值得推广；或者从转基因安全性的角度，认为可以固氮的水稻根系微生物值得推广。

练习:

首先，概念检测

1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。确定以下相关陈述是否正确。

基因工程需要在分子水平上操纵基因，而蛋白质工程不需要操纵基因。

蛋白质项目需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。

蛋白质项目可以转化酶并提高其热稳定性。

2.蛋白质项目是在深入了解蛋白质分子结构与功能关系的基础上开展的。它的最终目标是实现

A.分析蛋白质的三维结构

B.研究蛋白质的氨基酸组成

C.获得编码蛋白质的基因序列信息

D.改造现有的蛋白质或创造新的蛋白质来满足人类的需求

3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓形成。研究人员发现，用赖氨酸代替水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高其抗凝血活性。在本备选研究中，目前可行的直接操作对象是

A.基因b .氨基酸

C.多肽链d蛋白。

图文来源于网络，版权归原作者。如有不妥，告知并删除