課題
第4章 基因工程
第4節(jié) 蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用
單元
第二章
學(xué)科
生物
年級(jí)
高二
學(xué)習(xí)目標(biāo)
與
核心素養(yǎng)
闡述蛋白質(zhì)工程的原理和基本操作。
1.文化基礎(chǔ)：蛋白質(zhì)工程的原理和基本操作。
2.自主發(fā)展：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。
3.社會(huì)參與：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)蛋白質(zhì)的過(guò)程。
重點(diǎn)
蛋白質(zhì)工程的原理和基本操作。
難點(diǎn)
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)蛋白質(zhì)的過(guò)程。
教學(xué)過(guò)程
教學(xué)環(huán)節(jié)
教師活動(dòng)
學(xué)生活動(dòng)
設(shè)計(jì)意圖
導(dǎo)入新課
走進(jìn)社會(huì)中
你見(jiàn)過(guò)用細(xì)菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)茵“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(guò)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？
課前查閱資料，欣賞細(xì)菌畫畫，了解細(xì)菌“畫”的效果，分析相關(guān)原因。
通過(guò)趣味生物的介紹和展示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引入新課。
講授新課
一、蛋白質(zhì)工程
1．概念
（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）手段：通過(guò)基因改造或基因合成，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)。
（3）目的：獲得滿足人類的生產(chǎn)和生活需求的蛋白質(zhì)。
2．理論和技術(shù)條件：分子生物學(xué)、晶體學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展。
二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由
1．基因工程的實(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．基因工程的不足：基因工程在原則上只能產(chǎn)生自然界中已存在的蛋白質(zhì)。
3．天然蛋白質(zhì)的不足：天然蛋白質(zhì)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。
4．實(shí)例：玉米中賴氨酸的含量比較低，賴氨酸合成中兩種酶的氨基酸被替換，就可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸分別提高5倍和2倍。
思考與討論
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(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)模化的研究，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。“三庫(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、蛋白質(zhì)工程的基本原理
1．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．方法：改造基因或合成基因。
3．流程：預(yù)期蛋白質(zhì)功能→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（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)。
四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
1．在醫(yī)藥工業(yè)方面的應(yīng)用
（1）研發(fā)速效胰島素類似物：科學(xué)家通過(guò)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。
（2）提高干擾素的保存期：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。
（3）改造抗體：將小鼠單克隆抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域“嫁接”到人的抗體上，降低了誘發(fā)人體免疫反應(yīng)的強(qiáng)度。
蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較
項(xiàng)目
蛋白質(zhì)工程
基因工程
區(qū)別
起點(diǎn)
期蛋白質(zhì)功能
目的基因
過(guò)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)氨基酸序列→推測(cè)脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達(dá)出蛋白質(zhì)
獲取目的基因→構(gòu)建基因表達(dá)載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定
實(shí)質(zhì)
通過(guò)改造相應(yīng)的基因達(dá)到對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造的目的
基因重組
結(jié)果
可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)
生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)
應(yīng)用及現(xiàn)狀
①主要集中在對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，如干擾素、天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶等
②對(duì)創(chuàng)造新的蛋白質(zhì)還有許多技術(shù)難題未突破，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人們對(duì)此知之甚少
①已被廣泛應(yīng)用，如轉(zhuǎn)基因植物、動(dòng)物、藥品生產(chǎn)等已商業(yè)化
②基因治療僅處于初期的臨床試驗(yàn)階段
聯(lián)系
①蛋白質(zhì)工程獲得目的基因后，需要通過(guò)基因工程獲得預(yù)期蛋白質(zhì)
②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．在其他工業(yè)和農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用
（1）改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶：利用蛋白質(zhì)工程獲得蛋白酶的多種突變體。
（2）改造某些重要的酶：利用蛋白質(zhì)工程改造參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率。
到社會(huì)中去
酶制劑在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等方面都有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，酶制劑的生產(chǎn)已經(jīng)形成一個(gè)市場(chǎng)可觀的新興產(chǎn)業(yè)。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用又為酶制劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大助力。請(qǐng)查閱資料，了解我國(guó)酶制劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)，分析蛋白質(zhì)工程在酶制劑產(chǎn)業(yè)中的作用。
提示：酶用作工業(yè)催化劑， 比無(wú)機(jī)催化利具有更大的優(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。
總結(jié)與練習(xí)
1．蛋白質(zhì)工程中需要直接進(jìn)行操作的對(duì)象是（ D ）
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)
提示：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。
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（ B ）
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
提示：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。
【學(xué)習(xí)活動(dòng)一】
學(xué)生閱讀課本P93—94，聯(lián)系實(shí)際，簡(jiǎn)述蛋白質(zhì)工程的概念及崛起的緣由。
小組討論，完成相關(guān)探究，解決實(shí)驗(yàn)相關(guān)問(wèn)題。
【學(xué)習(xí)活動(dòng)二】
學(xué)生閱讀課本P94，聯(lián)系實(shí)際，分析蛋白質(zhì)工程的基本原理。
【學(xué)習(xí)活動(dòng)三】
學(xué)生閱讀課本P95，聯(lián)系實(shí)際，闡述蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用。
完成表格，分析對(duì)比相關(guān)知識(shí)。
分析社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題。
通過(guò)閱讀，了解蛋白質(zhì)工程發(fā)展史，概括蛋白質(zhì)工程概念，了解蛋白質(zhì)工程探究的必要性，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力，加深學(xué)生對(duì)概念的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究的興趣。
提出問(wèn)題，解決問(wèn)題，此環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生思考真正發(fā)生，讓更多的學(xué)生參與到課堂中，把握重難點(diǎn)。
通過(guò)閱讀，借助教材中的圖解，分析蛋白質(zhì)工程基本原理，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究的興趣。
通過(guò)閱讀，概括現(xiàn)階段蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究的興趣。
通過(guò)完成表格，使學(xué)生能夠掌握相關(guān)知識(shí)，幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，提高學(xué)生推理和對(duì)比能力。
讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)生活實(shí)踐。
課堂小結(jié)
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→找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列。
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。
板書
蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用
1.蛋白質(zhì)工程的崛起緣由
2.蛋白質(zhì)工程的基本原理
目標(biāo)、方法、流程
3.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
醫(yī)藥工業(yè)、其他工業(yè)和農(nóng)業(yè)

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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)

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