1、第三节第三节 蛋白质工程蛋白质工程 学习导航 1.结合教材 P35，概述蛋白质工程的概念和基本原理。2.结合教材 P3537，说出蛋 白质工程的基本过程。3.结合教材 P3839，举例描述蛋白质工程的应用和发展。 重难点击 蛋白质工程的概念和基本原理。 方式一 人类可以改造天然蛋白质吗？答案是肯定的。例如：科学家已改造并生产了一种以 前必须从南极鱼类身体中提取的抗冻蛋白质。这一技术可用于储存大量新鲜的动植物和人类 的组织细胞，防止形成冰晶，破坏脆弱的细胞膜和细胞的内部结构。你想了解这方面的知识 吗？请跟着我一起学习：蛋白质工程。 方式二 基因工程的诞生，为克服远缘杂交的障碍问题，带来了新的希望
2、，并取得了丰硕成 果：大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，牛的乳腺生物反应器为人类制造出了蛋白质类药物， 烟草植物体内含有了某种药物蛋白至此，人们也只是实现了自然界现有基因在转基因生 物中的表达。但一个新问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它 的结构、性能不能完全满足人类生产和生活的需要。要对现有蛋白质进行改造，制造出目前 从天然蛋白质中找不到的蛋白质。 这样人们又开始了新一轮的探索， 蛋白质工程应运而生了。 一、蛋白质工程概述一、蛋白质工程概述 1蛋白质工程的概念 (1)基础：蛋白质的结构和功能之间的关系。 (2)手段：借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组 DNA 技术改造
3、基因。 (3)目的：定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质。 (4)关键技术：基因工程。 2蛋白质工程的流程 预期功能 蛋白质 分子设计 氨基酸序列 DNA合成 基因。 3蛋白质工程的关键技术 蛋白质工程的关键技术是基因工程。蛋白质工程又被称为第二代基因工程。 4对蛋白质改进的三种类型 改造类型 操作程序 大改 根据氨基酸的性质和特点，设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质， 使之具有特定的氨基酸序列、空间结构和预期功能 中改 改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构 小改 通过基因工程中的定点诱变技术， 有目的地改造蛋白质分子中某活性部位 的一个或几个氨基酸残基，以改善蛋白
4、质的性质和功能 5.两种改变蛋白质结构的技术 (1)定点诱变技术：适用于已知空间结构的蛋白质。 (2)非定点诱变技术：适用于不能预先确定诱变位点的蛋白质。 对照下面蛋白质工程的基本过程，分析回答问题： 1请写出中心法则，并说明蛋白质工程中获取目的基因的方法。 答案 (1)中心法则如下： (2)获取目的基因的方法是人工合成法。 2基因工程合成的蛋白质有哪些不足？ 答案 在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生 存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。 3对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作 来实现？ 答案 应该通
5、过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，主要原因如下： (1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过 的蛋白质可能会遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，但被改造过的蛋白质分 子也是无法遗传的。 (2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。 4基因的定点诱变技术是改变蛋白质结构的核心技术之一，试从以下各项分析此技术。 项目 内容 条 件 原料 脱氧核苷酸 酶 DNA 聚合酶和 DNA 连接酶 引物 含突变位点的 DNA 分子片段 操作方法 PCR 技术 结果 后代中半数为诱变的 DNA 分子 适用范围 空间结构完全清楚的蛋白质
6、， 进行“小改” 特点 有目的性和针对性 5.非定点诱变技术的适用对象和特点是什么？ 答案 (1)适用对象：对于不能预先确定诱变位点的蛋白质，可采用非定点诱变技术来进行蛋 白质的改造。 (2)特点：非定点诱变突变位点多，有时甚至会产生意想不到的改造效果。 归纳总结 有关蛋白质工程的三点提醒 (1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过 的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法 遗传下去的。 (2)蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶。改造后的基因需要表达出相应的 蛋白质，同样需将改造或合成的基因导入受体
7、细胞。 (3)蛋白质工程中经过处理得到的新基因与基因突变得到的新基因有较大差别，基因突变的新 基因中含有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程中的新基因则没有。 1科学家将 干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素分子上的半胱氨酸变 成丝氨酸，结果大大提高了 干扰素的抗病毒活性，并且提高了储存稳定性。该生物技术为 ( ) A蛋白质工程 B基因工程 C基因突变 D细胞工程 答案 A 解析 题干中的操作涉及的基因显然不再是原来的基因，其合成的 干扰素也不是天然 干扰素，而是经过改造的，是具有人类所需优点的蛋白质，因而整个过程利用的生物技术为 蛋白质工程。 2将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细
8、胞，可以提高玉米中的赖氨酸含量；更换赖氨 酸形成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸， 使两种酶的活性提高， 也可以提高玉米中的赖氨酸含量。以上两种技术分别属于( ) A基因工程、基因工程 B蛋白质工程、蛋白质工程 C基因工程、蛋白质工程 D蛋白质工程、基因工程 答案 C 解析 富含赖氨酸的蛋白质是自然界中已有的蛋白质，基因工程只是把该蛋白质基因转入玉 米细胞，并使之合成该蛋白质，属于基因工程；更换赖氨酸合成过程中的天冬氨酸激酶和二 氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸， 是对自然界中已有的蛋白质进行改造， 属于蛋白质工程。 一题多变 上述两种提高玉米中赖氨酸含量的技术的实质相同吗
9、？为什么？ 答案 不相同。蛋白质工程的实质是定向改造或生产人类所需的蛋白质，基因工程的实质是 将一种生物的基因转移到另一种生物体内，定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生 物类型或生物产品。 二、蛋白质工程的应用二、蛋白质工程的应用 1改造酶的结构，提高酶的热稳定性。 2生物工程制药 (1)实例 1：鼠源杂交瘤抗体的改造。 改造方法：在基因水平上对抗体进行重组，产生人恒定区和鼠可变区嵌合抗体。 结果：对人体的不良反应减少。 (2)实例 2：对 t- PA 的改造。 t- PA 功能：溶解血栓块，医治心肌梗死等疾病。 改造方法：将 t- PA 分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺。 结果：t- P
10、A 在血液循环中停留时间延长，疗效更加显著。 3疾病诊断 (1)方法：蛋白质芯片法。 (2)原理：抗原抗体的特异性结合。 (3)实例：SARS 病毒的检测与诊断。 4基因工程和蛋白质工程的优缺点 (1)基因工程：原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。 (2)蛋白质工程 能更充分地利用自然界中存在的蛋白质。 能在分子水平上对蛋白质进行再设计和改造，进而创造出自然界中不存在的蛋白质。 1从理论上分析，蛋白质工程的最基本原理就是中心法则的逆推，但是由某一氨基酸序列推 导出的目的基因为什么有多种？ 答案 一种氨基酸可以由一种或几种不同的密码子决定，这样推导出的基因也就有多种。 2为什么说蛋白质工程是
11、第二代基因工程？ 答案 蛋白质工程离不开基因工程，改造基因后，要通过基因工程生产人类需要的蛋白质。 3蛋白质工程的目标是什么？ 答案 依据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计和改造，进而创造 出自然界中不存在的蛋白质。 归纳总结 基因工程和蛋白质工程的对比 比较项目 基因工程 蛋白质工程 操作对象 天然基因 改造基因 操作水平 DNA 分子水平 基本过程 获取目的基因构建基因表达载体 将目的基因导入受体细胞检测 和鉴定目的基因 预期的蛋白质功能设计预 期的蛋白质结构推测蛋白 质应有的氨基酸序列找到 相对应的脱氧核苷酸序列 合成 DNA表达出蛋白质 结果 生产人类需要的基因产物
12、(自然界已 有的蛋白质) 可以生产自然界没有的、不存 在的新蛋白质 联系 蛋白质工程是以基因工程为基础的 3下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题： (1)代表蛋白质工程操作思路的过程是_； 代表中心法则内容的是_(填写数字)。 (2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容： _；_；_；_；_。 (3)蛋白质工程的目的是_ _， 通过_实现。 (4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是_的。 答案 (1) (2)转录 翻译 折叠 分子设计 DNA 合成 (3)根据人们对蛋白 质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计 基因合成或改造 (4)相反 4 科学家通过对胰
13、岛素的改造， 已使其成为速效型药品， 阅读教材， 结合资料完成下述分析。 如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题： (1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是 _ _。 (2)通过人工合成 DNA 形成的新基因应与_结合后转移到_ 中才能得到准确表达。 (3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有_、 _和发酵工程。 (4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是_ _ _。 答案 (1)蛋白质的预期功能 (2)载体 大肠杆菌等受体细胞 (3)蛋白质工程 基因工程 (4)根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列， 推测出
14、其基因中的脱氧核苷酸序列， 然后利用 DNA 合成仪来合成出新的胰岛素基因 1蛋白质工程的基本流程正确的是( ) 蛋白质分子结构设计 DNA 合成 预期蛋白质功能 据氨基酸序列推出脱氧核苷 酸序列 A B C D 答案 C 解析 蛋白质工程是根据人们的需要首先要预期蛋白质的相应功能，然后对其空间结构进行 设计，目前这一步是科学家们仍未完全掌握的，根据相应的氨基酸序列推导出基因中的碱基 序列，再利用人工合成法合成相应的目的基因。 2蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是( ) A蛋白质工程能生产人类需要的基因产物 B蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质 C蛋白质工程可以不通过
15、转录和翻译来实现 D蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第三代基因工程 答案 B 解析 蛋白质工程通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白 质，以满足人类的生产和生活的需求，是延伸出来的第二代基因工程。 3下列说法错误的是( ) A科学家通过对胰岛素的改造已经使其成为速效型药品 B我们可以将蛋白质工程应用于微电子方面 C用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点 D蛋白质工程成功的例子不多，主要是因为蛋白质种类太少，原料不足 答案 D 解析 蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥功 能必须依赖于正确的高级结构
16、，这种结构十分复杂，而目前科学家对大多数蛋白质的高级结 构的了解还不够。 4蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而 不直接改造蛋白质的原因是( ) A缺乏改造蛋白质所必需的工具酶 B改造基因易于操作且改造后能够遗传 C人类对大多数蛋白质高级结构知之甚少 D蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大 答案 B 解析 由于基因控制蛋白质的合成，所以对蛋白质设计改造可通过对基因进行修饰或合成来 完成，且改造后的基因能够遗传给子代。 52008 年诺贝尔化学奖授予了三位在研究绿色荧光蛋白(GFP)方面作出突出贡献的科学家。 绿色荧光蛋白能在蓝光或紫外光的激发下
17、发出荧光， 这样借助 GFP 发出的荧光就可以跟踪蛋 白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。GFP 基因可作为目的基因用于培育绿 色荧光小鼠，如图表示培育绿色荧光小鼠的基本流程： 请根据上述材料回答下列问题： (1)用于培育绿色荧光小鼠的基因表达载体的组成必须有启动子、标记基因、_和 _等。 图中过程常用的方法是_。 (2)GFP 基因与目的基因一起构建到载体上不影响目的基因的表达， 也不影响由目的基因控制 合成的蛋白质的结构与功能，且对细胞无毒害作用，因此 GFP 基因可以作为基因表达载体上 的_。 (3)目前科学家们通过_工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等，该工程是 直接改造 GFP 分子，还是改造 GFP 基因？_。 答案 (1)GFP基因 终止子 显微注射法 (2)标记基因 (3)蛋白质 改造GFP基因(绿色荧 光蛋白基因)