生物选修3人教新课标1.4蛋白质工程的崛起.doc

普通高中课程标准实验教科书生物选修3 人教版 1.4 蛋白质工程的崛起1举例说出蛋白质工程崛起的缘由2简述蛋白质工程的原理3尝试运用逆向思维分析和解决问题4为什么要开展蛋白质工程的研究5蛋白质工程的原理学习方法本节课学生先预习教材后归纳知识，并通过小组讨论协作、达到学习目标。旧知回顾举例说明微生物生活的条件新知探究动 动 脑 问题探究一：自主解决1基础知识（一）引入新课提问如何让一种生物的性状在另一种生物中表达？（生答）总结在种内可以用常规杂交育种的办法实现，但要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流，就显得力不从心了。基因工程的诞生，为克服这一远缘杂交的障碍问题，带来了新的希望。于是取得了丰硕成果：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，人们也只是实现了世界上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。如何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呢？这就是蛋白质工程所研究的内容。（二）进行新课举例干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性为106 U/mg，只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的-干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，-干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸（第17位、31位和141位），推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的-干扰素的抗病性活性提高到108 U/mg，并且比天然-干扰素的贮存稳定性高很多。讨论如何将第17位的半胱氨酸改变成丝氨酸呢？学生提出各种思路。自学学生自学课本内容，思考蛋白质工程的原理和方法。总结师生总结以下内容：1原理：中心法则的逆推2过程：（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2）测定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。思考师白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？生答基因工程是遵循中心法则，从DNAmRNA蛋白质折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白质应具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。3概念蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，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。 总结蛋白质工程的实质：通过改造基因和合成新的基因，从而对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质。4蛋白质工程的进展和前景学生讲述。思考蛋白质工程就是酶工程吗？酶大多是蛋白质。酶工程包括酶制剂的生产和应用两方面，其重点在于对已存在酶的合理充分利用。而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。酶工程至多是蛋白质工程的一部分。 （三）课堂总结、点评 基因工程的实质： 蛋白质工程崛起缘由 基因工程原则上只能生产自然界原有的蛋白质 蛋白质工程的目的： 目标蛋白质工程的基本原理 原理： 过程：蛋白质工程的进展和前景（四）实例探究例1蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（ ）A、氨基酸结构 B、蛋白质空间结构 C、肽链结构 D、基因结构【解析】 蛋白质工程是指以蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系为基础，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，以满足人类的生产或或生活需要。因此，归根到底，还是要对基因进行改造。【答案】D例1科学家将干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素第17位的半胱氨酸改变成丝氨酸，结果大大提高-干扰素的抗病性活性，并且提高了储存稳定性，该生物技术为（ ）A、基因工程 B、蛋白质工程 C、基因突变 D、细胞工程【解析】 基因工程是通过对基因的操作，将符合人们需要的目的基因导入适宜的生物体，原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，蛋白质工程是指以蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系为基础，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，以满足人类的生产或或生活需要。本题中合成的干扰素不是天然的，因此，属于蛋白质工程。【答案】B（五）巩固练习1蛋白质工程的实质是（ ）A、改变氨基酸结构 B、改造蛋白质结构 C、改变肽链结构 D、改造基因结构2基因工程的实质是 （ ）A、基因重组 B、基因突变 C、产生新的蛋白质 D、产生新的基因3蛋白质工程制造的蛋白质是 （ ）A、天然蛋白质 B、稀有蛋白质 C、自然界中不存在的蛋白质 D、血红蛋白质4蛋白质工程的基础是 （ ）A、基因工程 B、细胞工程 C、酶工程 D、发酵工程5玉米是生产赖氨酸的好材料，可是产量低，需要改变什么结构就能提高产量？ （ ）A、天冬氨酸激酶 B、二氢吡啶二羧合成酶 C、肽酶 D、A、B都是6天然蛋白质合成遵循的法则是 （ ）A、中心法则 B、转录 C、翻译 D、复制7关于蛋白质工程的说法错误的是 （ ）A、蛋白质工程能定向改造蛋白质的分子结构，使之更加符合人类的需要B、蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子结构C、蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子D、蛋白质工程又称为第二代基因工程8蛋白质工程的基本操作程序正确是 （ ）蛋白质分子结构合成DNA合成mRNA合成蛋白质的预期功能根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列A、B、C、D、 9下列各项与蛋白质结构多样性无关的是 （ ）A、氨基酸的种类、数目、排列顺序 B、构成蛋白质的多肽链的数目 C、构成蛋白质的肽链的空间结构 D、氨基酸至少含一个氨基和一个羧基10蛋白质工程中直接操作的对象是 （ ）A、氨基酸的结构 B、蛋白质空间结构 C、肽链结构 D、基因结构答案：1、D 2、A 3、C 4、A 5、D 6、A 7、B 8、C 9、 10、挑战零失误 资料袋当前生命科学中的几个前沿研究领域基因组学基因组学是阐明各种生物基因组DNA中碱基对的排列顺序，破译相关的遗传信息的学科。目前除人类基因组的测序工作已完成外，水稻基因组、拟南芥基因组、鸡基因组等也已完成，这些工作的相继完成为揭示生命奥秘提供了基本的资料。功能基因组学基因组测序工作的完成只是为人类从基因水平认识生命本质，提供了基本的资料。功能基因组学就是要揭示每个基因在生命活动中的具体功能，为勾画整个生命蓝图，充分利用基因资料打下基础。发现新的功能基因和新的基因功能的确定，从而获得知识产权，已成为当前生命领域世界各国竞相争夺的“制高点”。结构基因组学结构基因组学是继人类基因组计划之后又一个大的科学热点，是在生物的整体水平测定出全部蛋白质分子的三维结构，以及蛋白质之间、蛋白质与核酸之间、蛋白质与多糖之间、蛋白质和核酸以及多糖之间的精细三维结构，获得这些蛋白质在整个生命活动中的三维结构全息图，即单个蛋白质的三维结构，以及蛋白质与其他生物大分子结合后的复合体的三维结构状态与生命活动的关系，从而在生命整体水平上理解生命的原理。结构基因组学的研究进展，将对人类疾病机理的阐明、疾病的防治有重要意义。蛋白质组学蛋白质组学是独立于基因组学发展的一门新兴的前沿学科。它是研究一个完整的生物体（或细胞等）所表达的所有蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白质之间的相互作用等，从蛋白质水平上全面认识生物体的生理活动和病理过程。生物信息学生物信息学是综合运用生物学、信息学、数学以及计算机科学等诸多学科的理论和方法，处理和分析大规模复杂的生物信息的交叉学科。从浩瀚的生物信息数据中找出某些规律和共同点，从而揭示生命的奥秘和利用对人类有用的生物信息。蛋白质工程举例1水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。2生长激素改造生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。3胰岛素改造天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。4治癌酶的改造癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基3-OH缺乏,从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。HSVTK催