課程標(biāo)準(zhǔn)
1.概述人們根據(jù)基因工程原理，進(jìn)行蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)和改造，可以獲得性狀和功能符合人類要求的蛋白質(zhì)。
2．舉例說(shuō)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(guò)程。
素養(yǎng)達(dá)成
1.說(shuō)明基因的堿基排列順序—蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)—蛋白質(zhì)功能的關(guān)系。(生命觀念)
2．嘗試通過(guò)蛋白質(zhì)工程技術(shù)，根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)改造某一蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)流程。(科學(xué)思維)
由血栓引起的心腦血管疾病給人類健康造成極大危害，溶栓療法是治療血栓的重要措施。組織型纖溶酶原激活物(t－PA)能激活纖溶酶原轉(zhuǎn)化為纖溶酶，將沉積在血管內(nèi)外的纖維蛋白溶解，而保持血管暢通。但t－PA用于溶栓治療時(shí)具有一定的局限性，它進(jìn)入血漿后大部分與纖溶酶原激活劑抑制物形成復(fù)合物，并迅速失去活性。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)對(duì)t－PA進(jìn)行改造，就可以消除上述缺點(diǎn)，增加溶栓效能、減少藥用劑量和降低副作用等(如圖)。人類是怎樣實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)的定點(diǎn)改造的？這種改造對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能有什么影響？
探究點(diǎn)一 蛋白質(zhì)工程的原理、操作及應(yīng)用
【師問(wèn)導(dǎo)學(xué)】
1．蛋白質(zhì)工程的實(shí)例分析
材料：酵母菌的丙糖磷酸異構(gòu)酶上有兩個(gè)天冬酰胺，在分別轉(zhuǎn)變?yōu)樘K氨酸和異亮氨酸后，酶的熱穩(wěn)定性提高了近50%。此外，在蛋白質(zhì)分子中引入二硫鍵也可以顯著提高蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性。
通過(guò)改造酶的結(jié)構(gòu)，有目的地提高酶的熱穩(wěn)定性。
通過(guò)替換酶的某種________，或者在蛋白質(zhì)分子中引入________可以顯著提高蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性。
2．蛋白質(zhì)工程的操作流程
科學(xué)家對(duì)鼠源雜交瘤抗體進(jìn)行改造，生產(chǎn)出效果更好的鼠—人嵌合抗體，用于癌癥治療。如圖表示形成鼠—人嵌合抗體的過(guò)程，據(jù)圖分析探究：
(1)圖示過(guò)程是根據(jù)預(yù)期的__________，設(shè)計(jì)____________，最終必須對(duì)________進(jìn)行操作，此操作中改變的是__________。
(2)改造鼠源雜交瘤抗體，生產(chǎn)鼠—人嵌合抗體，屬于________________(生物工程)的范疇。
【智涂筆記】
[易錯(cuò)警示]
有關(guān)蛋白質(zhì)工程的兩點(diǎn)提醒
(1)改造對(duì)象是基因：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，被改造的蛋白質(zhì)也是無(wú)法遺傳下去的。
(2)基因突變的新基因中含有不編碼蛋白質(zhì)的序列，而蛋白質(zhì)工程中的新基因則沒(méi)有。
【師說(shuō)核心】
1．蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的決定因素
(1)氨基酸的種類、數(shù)目和排列順序，每一種蛋白質(zhì)都有獨(dú)特的氨基酸序列，所以改變其中關(guān)鍵氨基酸就能改變蛋白質(zhì)。氨基酸是由三聯(lián)體密碼子決定的，只要改變密碼子的一個(gè)或兩個(gè)堿基，氨基酸的種類就可能會(huì)發(fā)生變化。
(2)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。
2．蛋白質(zhì)工程的操作流程
蛋白質(zhì)工程的原理是中心法則的逆推。天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程是按照中心法則進(jìn)行的：基因→表達(dá)(轉(zhuǎn)錄和翻譯)→形成氨基酸序列多肽鏈→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。
3．蛋白質(zhì)工程的內(nèi)容
(1)根據(jù)需要設(shè)計(jì)具有特定氨基酸序列和空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。
(2)確定蛋白質(zhì)的化學(xué)組成及空間結(jié)構(gòu)與生物功能之間的關(guān)系。
教材延伸
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。
【檢測(cè)反饋】
1．下列有關(guān)蛋白質(zhì)工程的說(shuō)法錯(cuò)誤的有幾項(xiàng)( )
①蛋白質(zhì)工程無(wú)須構(gòu)建基因表達(dá)載體 ②通過(guò)蛋白質(zhì)工程改造后的蛋白質(zhì)有的仍是天然的蛋白質(zhì) ③蛋白質(zhì)工程需要用到限制酶和DNA連接酶 ④蛋白質(zhì)工程是在蛋白質(zhì)分子水平上改造蛋白質(zhì)的
A．1 B．2
C．3 D．4
2．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→①
B．⑤→④→③→②→①→②
C．④→①→⑤→②→③→①
D．②→③→⑤→①→②→④
探究點(diǎn)二 基因工程與蛋白質(zhì)工程的比較
【師問(wèn)導(dǎo)學(xué)】
1．蛋白質(zhì)工程包括哪兩步？
2．為什么說(shuō)蛋白質(zhì)工程是第二代基因工程？
3．由蛋白質(zhì)工程所得到的基因與基因突變所產(chǎn)生的基因相比，有何不同？
4．基因工程中的目的基因與蛋白質(zhì)工程中的目的基因有何區(qū)別？
5．基因工程和蛋白質(zhì)工程是否都遵循中心法則？
6．為什么要通過(guò)基因修飾或基因合成來(lái)完成蛋白質(zhì)工程，而不是直接對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造？
【智涂筆記】
[方法技巧]
“三看法”判斷基因工程和蛋白質(zhì)工程
(1)一看對(duì)基因的操作方法：如果僅將基因用限制酶從DNA片段中切割下來(lái)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)對(duì)編碼蛋白序列進(jìn)行修飾、加工，或僅對(duì)其調(diào)控序列進(jìn)行加工，則屬于基因工程；如果將目的基因經(jīng)過(guò)了一些實(shí)質(zhì)性的改造，如對(duì)編碼蛋白序列進(jìn)行了堿基替換或增添或缺失某幾個(gè)堿基，則屬于蛋白質(zhì)工程。
(2)二看目的基因的合成方式：基因工程和蛋白質(zhì)工程中都可以通過(guò)反轉(zhuǎn)錄合成目的基因，或根據(jù)蛋白質(zhì)的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。如果合成時(shí)mRNA或氨基酸序列沒(méi)有經(jīng)過(guò)改造，則為基因工程技術(shù)；如果mRNA或氨基酸序列經(jīng)過(guò)了改造，或mRNA、氨基酸序列是根據(jù)蛋白質(zhì)預(yù)期的功能人工設(shè)計(jì)的，則為蛋白質(zhì)工程技術(shù)。
(3)三看合成的蛋白質(zhì)種類：如果合成的蛋白質(zhì)是天然蛋白質(zhì)，則為基因工程；如果合成的蛋白質(zhì)和天然蛋白質(zhì)有差異，甚至是自然界中所沒(méi)有的，則為蛋白質(zhì)工程。
[特別提醒]
(1)蛋白質(zhì)工程最終還是回到基因工程上來(lái)，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的合成由基因控制，所以說(shuō)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。
(2)基因工程中的目的基因一般為自然界存在的基因，而蛋白質(zhì)工程中的目的基因不是自然界存在的。
[易錯(cuò)必明]
蛋白質(zhì)工程與基因工程的關(guān)系
(1)蛋白質(zhì)工程是通過(guò)基因重組技術(shù)改變或設(shè)計(jì)合成具有特定生物功能的蛋白質(zhì)，基因工程技術(shù)是蛋白質(zhì)工程技術(shù)的基礎(chǔ)，因此蛋白質(zhì)工程也叫第二代基因工程。
(2)蛋白質(zhì)工程在改造基因時(shí)需要與基因工程有關(guān)的工具酶，需要構(gòu)建基因表達(dá)載體；改造后的基因需要表達(dá)出相應(yīng)的蛋白質(zhì)，同樣需將改造或合成的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。
【師說(shuō)核心】
1．基因工程和蛋白質(zhì)工程在操作上的基本思路比較
(1)基因工程遵循中心法則，從DNA→mRNA→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，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。
(2)蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進(jìn)行的：確定蛋白質(zhì)的功能→蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級(jí)結(jié)構(gòu)→蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)→多肽鏈應(yīng)有的氨基酸序列→基因應(yīng)有的堿基序列，可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)。
2．蛋白質(zhì)工程和基因工程的比較
【檢測(cè)反饋】
1．基因工程與蛋白質(zhì)工程的區(qū)別是( )
A．基因工程需對(duì)基因進(jìn)行分子水平操作，蛋白質(zhì)工程不對(duì)基因進(jìn)行操作
B．基因工程合成的是天然存在的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)工程合成的可以是天然不存在的蛋白質(zhì)
C．基因工程是分子水平操作，蛋白質(zhì)工程是細(xì)胞水平(或性狀水平)操作
D．基因工程完全不同于蛋白質(zhì)工程
2．已知生物體內(nèi)有一種蛋白質(zhì)(P)，該蛋白質(zhì)是一種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，由305個(gè)氨基酸組成。如果將P分子中158位的絲氨酸變成亮氨酸，240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸，改變后的蛋白質(zhì)(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性?；卮鹣铝袉?wèn)題：
(1)從上述資料可知，若要改變蛋白質(zhì)的功能，可以考慮對(duì)蛋白質(zhì)的________進(jìn)行改造。
(2)以P基因序列為基礎(chǔ)，獲得P1基因的途徑有修飾________基因或合成________基因。所獲得的基因表達(dá)時(shí)是遵循中心法則的，中心法則的全部?jī)?nèi)容包括________的復(fù)制；以及遺傳信息在不同分子之間的流動(dòng)，即：________________________________________________________________________。
(3)蛋白質(zhì)工程也被稱為第二代基因工程，其基本途徑是從預(yù)期蛋白質(zhì)功能出發(fā)，通過(guò)________________和______________，進(jìn)而確定相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列，據(jù)此獲得基因，再經(jīng)表達(dá)、純化獲得蛋白質(zhì)，之后還需要對(duì)蛋白質(zhì)的生物________進(jìn)行鑒定。
【網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)】
【主干落實(shí)】
1．基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。
2．蛋白質(zhì)工程并不是直接改造蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，而是通過(guò)基因操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白質(zhì)的改造。
3．蛋白質(zhì)工程的基本途徑：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)。
4．蛋白質(zhì)工程是以蛋白質(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)基因改造或基因合成，來(lái)改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需要。
1．蛋白質(zhì)工程中需要直接進(jìn)行操作的對(duì)象是( )
A．氨基酸結(jié)構(gòu) B．蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)
C．肽鏈結(jié)構(gòu) D．基因結(jié)構(gòu)
2．蛋白質(zhì)工程在設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)依據(jù)的是( )
A．基因功能 B．蛋白質(zhì)功能
C．氨基酸序列 D．mRNA密碼子序列
3．下列關(guān)于基因工程和蛋白質(zhì)工程的說(shuō)法中正確的是( )
A．蛋白質(zhì)工程和基因工程的目的都是獲得人類需要的蛋白質(zhì)，所以二者沒(méi)有區(qū)別
B．基因工程是蛋白質(zhì)工程的關(guān)鍵技術(shù)
C．通過(guò)蛋白質(zhì)工程改造后的蛋白質(zhì)有的仍然是天然的蛋白質(zhì)
D．蛋白質(zhì)工程是在蛋白質(zhì)分子水平上直接改造蛋白質(zhì)
4．葡萄糖異構(gòu)酶(GI)在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，為提高其熱穩(wěn)定性，科學(xué)家對(duì)GI基因進(jìn)行體外定點(diǎn)誘變，以脯氨酸(Pr138)替代Gly138，含突變體的重組質(zhì)粒在大腸桿菌中表達(dá)，結(jié)果最適反應(yīng)溫度提高10～12 ℃。這屬于生物工程中的( )
A．基因工程 B．蛋白質(zhì)工程
C．發(fā)酵工程 D．酶工程
5．糖尿病是近年來(lái)高發(fā)的“富貴病”，常見(jiàn)類型有遺傳型糖尿病和Ⅱ型糖尿病。遺傳型糖尿病的主要病因之一是胰島受損?？蒲袡C(jī)構(gòu)作出如下設(shè)計(jì)：取糖尿病患者的細(xì)胞，將人的正常胰島素基因?qū)肫渲?，然后進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，誘導(dǎo)產(chǎn)生胰島組織，重新植入患者的胰島，使胰島恢復(fù)功能。Ⅱ型糖尿病需要注射胰島素治療。目前臨床使用的胰島素制劑注射120 min后才出現(xiàn)高峰，與人體生理狀態(tài)不符?？蒲腥藛T通過(guò)一定的工程技術(shù)手段，將胰島素B鏈的28號(hào)和29號(hào)氨基酸互換，獲得了速效胰島素，速效胰島素已通過(guò)臨床試驗(yàn)。
(1)對(duì)遺傳型糖尿病進(jìn)行基因治療的方案中，胰島素基因稱為_(kāi)_______，實(shí)驗(yàn)室中要先對(duì)該基因利用________技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)增。將該基因?qū)胝＜?xì)胞所用的方法是________。
(2)科研人員利用蛋白質(zhì)工程合成速效胰島素，該技術(shù)的實(shí)驗(yàn)流程為：
其中，流程A是________________，流程B是________________。
(3)與基因工程相比，蛋白質(zhì)工程是以蛋白質(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)基因________或基因________，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行________，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)生活需要。
(一)從社會(huì)中來(lái)
提示：科學(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。
(二)旁欄思考題
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)域一項(xiàng)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(kāi)了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕。
“人類肝臟蛋白質(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(guò)對(duì)肝臟蛋白質(zhì)高通量、規(guī)?；难芯?，解析肝臟蛋白質(zhì)在生理、病理過(guò)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)。
(三)思考·討論
1．每種氨基酸都有對(duì)應(yīng)的密碼子，只要查一下密碼子表，就可以將題中的氨基酸序列的編碼序列查出來(lái)。但是由于題中的氨基酸序列中有幾個(gè)氨基酸是由多個(gè)密碼子編碼的，因此其堿基排列組合起來(lái)就比較復(fù)雜，至少可以排列出32種，可以讓學(xué)生根據(jù)學(xué)過(guò)的排列組合的知識(shí)自己排列一下。首先應(yīng)該根據(jù)密碼子推出mRNA序列為GCU(或C，或A，或G)UGGAAA(或G)GAA(或G)UUU(或C)，再根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則推出脫氧核苷酸序列為CGA(或G，或T，或C)ACCTTT(或C)CTT(或C)AAA(或G)。
2．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。
(四)異想天開(kāi)
提示：理論上講可以，但目前還沒(méi)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。
(五)到社會(huì)中去
提示：酶用作工業(yè)催化劑，比無(wú)機(jī)催化劑具有更大的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。由于酶促反應(yīng)能在常溫、常壓和中性pH條件下進(jìn)行，因此可以節(jié)省大量的能源和設(shè)備投資；生產(chǎn)過(guò)程中不會(huì)造成嚴(yán)重的污染，符合環(huán)境保護(hù)的要求；生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單、效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)成本低。因此，酶制劑在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
近年來(lái)，通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備、優(yōu)良菌種以及開(kāi)發(fā)新型酶制劑，我國(guó)酶制劑產(chǎn)業(yè)保持了較快的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，品種越來(lái)越豐富，產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也在不斷提升。2016年，我國(guó)工業(yè)酶制劑年產(chǎn)量達(dá)120萬(wàn)噸，年增長(zhǎng)率保持在10%左右。在全球范圍內(nèi)，我國(guó)酶制劑的市場(chǎng)份額已占到了30%左右，我國(guó)進(jìn)入酶制劑生產(chǎn)大國(guó)的行列。
在酶制劑產(chǎn)業(yè)中，蛋白質(zhì)工程被廣泛用于開(kāi)發(fā)酶的新品種或改進(jìn)酶的性能，如提高酶的熱穩(wěn)定性，增加某些被用作去污劑的酶的去污效率等。
(六)練習(xí)與應(yīng)用
概念檢測(cè)
1．(1)× (2)× (3)√
2．D
3．A
拓展應(yīng)用
這項(xiàng)工作屬于蛋白質(zhì)工程的范疇。引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是基因的堿基序列發(fā)生了變化。如果要將改造后的T4溶菌酶應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，還有很多工作需要做。例如，由于改造后酶的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，因此它的一些基本特性需要重新明確，包括它能耐受的溫度范圍、催化反應(yīng)的最適溫度、酶活力的大小等；需要建立規(guī)?；a(chǎn)該酶的技術(shù)體系，評(píng)估生產(chǎn)成本等。
第4節(jié) 蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用
互動(dòng)·探究·智涂
探究點(diǎn)一
【師問(wèn)導(dǎo)學(xué)】
1．氨基酸 二硫鍵
2．(1)嵌合抗體功能 嵌合抗體的結(jié)構(gòu) 基因 堿基對(duì) (2)蛋白質(zhì)工程
【檢測(cè)反饋】
1．解析：蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)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)基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行基因改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需要，蛋白質(zhì)工程需構(gòu)建基因表達(dá)載體，①錯(cuò)誤；利用蛋白質(zhì)工程產(chǎn)生的是自然界沒(méi)有的蛋白質(zhì)，②錯(cuò)誤；蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的，故蛋白質(zhì)工程需要用到限制酶和DNA連接酶，③正確；對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改造是通過(guò)改造基因來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以蛋白質(zhì)工程是在基因水平上改造蛋白質(zhì)的，④錯(cuò)誤。
答案：C
2．解析：蛋白質(zhì)工程的操作流程為：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→找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列(即基因)→修改或合成的基因表達(dá)出相應(yīng)的蛋白質(zhì)。
答案：C
探究點(diǎn)二
【師問(wèn)導(dǎo)學(xué)】
1．提示：第一步是根據(jù)蛋白質(zhì)的預(yù)期功能對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)；第二步是根據(jù)設(shè)計(jì)好的蛋白質(zhì)的氨基酸序列合成相應(yīng)的DNA。
2．提示：蛋白質(zhì)工程離不開(kāi)基因工程，改造基因后，要通過(guò)基因工程生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)。
3．提示：蛋白質(zhì)工程所得到的基因是人工合成的或?qū)υ蜻M(jìn)行修飾的產(chǎn)物，因此具有定向性；基因突變所產(chǎn)生的基因具有不定向性。
4．提示：基因工程中的目的基因一般是自然存在的基因，而蛋白質(zhì)工程中的目的基因不是天然存在的。
5．提示：都遵循中心法則。
6．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，而且改造過(guò)的蛋白質(zhì)可以通過(guò)改造過(guò)的基因遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過(guò)的蛋白質(zhì)分子還是無(wú)法遺傳的。②對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。
【檢測(cè)反饋】
1．解析：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。蛋白質(zhì)工程從分子水平對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)相應(yīng)的基因進(jìn)行修飾加工甚至人工進(jìn)行基因合成，從而對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)以滿足人類生產(chǎn)和生活需求。而基因工程只是將外源基因?qū)肓硪簧矬w內(nèi)，并使之表達(dá)，體現(xiàn)人類所需的性狀或者獲取所需的產(chǎn)品，因此，基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。
答案：B
2．解析：(1)根據(jù)題意可知，對(duì)蛋白質(zhì)的氨基酸序列(或結(jié)構(gòu))進(jìn)行改造，可達(dá)到改變蛋白質(zhì)的功能的目的。(2)以P基因序列為基礎(chǔ)，獲得P1基因，可以對(duì)P基因進(jìn)行修飾改造，也可以用人工方法合成P1基因；中心法則的全部?jī)?nèi)容包括DNA和RNA的復(fù)制、DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白質(zhì)。(3)蛋白質(zhì)工程的基本途徑是從預(yù)期蛋白質(zhì)功能出發(fā)，通過(guò)設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和推測(cè)氨基酸序列，進(jìn)而確定相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列，并獲取基因，再經(jīng)表達(dá)、純化獲得的蛋白質(zhì)，之后要對(duì)其進(jìn)行生物功能鑒定。
答案：(1)氨基酸序列(或結(jié)構(gòu))
(2)P P1 DNA和RNA(或遺傳物質(zhì)) DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白質(zhì)(或轉(zhuǎn)錄、逆轉(zhuǎn)錄、翻譯)
(3)設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)
推測(cè)氨基酸序列 功能
隨堂·鞏固·達(dá)標(biāo)
1．解析：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(guò)基因修飾或基因合成，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)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活需求。因此蛋白質(zhì)工程最終還是要對(duì)基因進(jìn)行改造。
答案：D
2．解析：蛋白質(zhì)工程依據(jù)蛋白質(zhì)功能，設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，再推測(cè)并合成相應(yīng)的基因。
答案：B
3．解析：本題考查基因工程與蛋白質(zhì)工程的區(qū)別與聯(lián)系。蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)是根據(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)行分子設(shè)計(jì)。其中，基因工程是蛋白質(zhì)工程的關(guān)鍵技術(shù)，是蛋白質(zhì)工程的基礎(chǔ)，因?yàn)閷?duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改造是通過(guò)改造基因來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以，蛋白質(zhì)工程是在基因水平上改造蛋白質(zhì)，改造后的蛋白質(zhì)不再是天然的蛋白質(zhì)。
答案：B
4．解析：酶工程的重點(diǎn)在于對(duì)已存在的酶合理充分利用(如：加酶洗衣粉、嫩肉粉等)，而蛋白質(zhì)工程的重點(diǎn)則在于對(duì)已存在的蛋白質(zhì)分子的改造。通常所說(shuō)的酶工程是用工程菌生產(chǎn)酶制劑，而沒(méi)有經(jīng)過(guò)由酶的功能來(lái)設(shè)計(jì)酶的分子結(jié)構(gòu)，然后由酶的分子結(jié)構(gòu)來(lái)確定相應(yīng)基因的堿基序列等步驟。
答案：B
5．解析：(1)根據(jù)題意，在進(jìn)行基因治療時(shí)，胰島素基因是目的基因，在體外條件下可利用PCR技術(shù)對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)增，在基因工程中將目的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞的常用方法是顯微注射法。(2)根據(jù)蛋白質(zhì)工程的流程示意圖，可知整個(gè)流程是根據(jù)預(yù)期蛋白質(zhì)的功能設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，然后推測(cè)相應(yīng)的氨基酸序列，并找到相應(yīng)的脫氧核苷酸序列，最后合成相應(yīng)的蛋白質(zhì)。(3)與基因工程相比，蛋白質(zhì)工程是以蛋白質(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)基因修飾或基因合成對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)生活需要。
答案：(1)目的基因 PCR 顯微注射法 (2)預(yù)期蛋白質(zhì)的功能 相應(yīng)的氨基酸序列 (3)修飾 合成 改造項(xiàng)目
蛋白質(zhì)工程
基因工程
區(qū)
別
操作對(duì)象
基因
基因
操作水平
DNA分子
水平
DNA分子
水平
操作流程
預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有氨基酸序列→合成(修飾)基因→基因表達(dá)→目的蛋白質(zhì)
目的基因的篩選與獲取→基因表達(dá)載體的構(gòu)建→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定
結(jié)果
可生產(chǎn)自然界沒(méi)有的蛋白質(zhì)
可生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)
區(qū)別
實(shí)質(zhì)
通過(guò)改造基因定向改造或生產(chǎn)人類所需蛋白質(zhì)
基因重組，定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類所需的生物類型或產(chǎn)品
應(yīng)用及現(xiàn)狀
主要集中在對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造，尚有難題未克服
在轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物、藥品生產(chǎn)等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用
聯(lián)系
①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；
②蛋白質(zhì)工程離不開(kāi)基因工程，蛋白質(zhì)工程在改造基因時(shí)需要與基因工程有關(guān)的工具酶，需要構(gòu)建基因表達(dá)載體；改造后的基因要表達(dá)出相應(yīng)的蛋白質(zhì)，同樣需要將改造或合成的基因?qū)胧荏w細(xì)胞

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第4節(jié) 蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

版本： 人教版 (2019)

年級(jí)： 選擇性必修3

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