蛋白质工程的崛起 (二) 教学设计

1.4蛋白质工程的崛起

主备人

课上课

1.4蛋白质工程的崛起编号05

题时间

教师

(1)为什么要开展蛋白质工程的研究？

教学重点

(2)蛋白质工程的原理。

教学难点蛋白质工程的原理。

知识

1.举例说出蛋白质工程蝙起的缘由。

教目标

学能力

2.简述蛋白质工程的原理。

目目标

标情感

3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。

目标

教学媒体多媒体课件：

教学过程

教学内容教师的组织和引导个人札记

一、蛋白质工引言：要想让一种生物的性状在另一种生物中表达，在种内1.建议采用

程崛起的缘由可以用常规杂交育种的办法实现，但要使有生殖隔离的种问“问题一探究

（P26）生物实现基因交流，就显得力不从心了。基因工程的诞生，一新问题一再

为克服这一远缘杂交的障碍问题，带来了新的希望。于是取探究”的教学

得了丰硕成果：大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，牛的乳腺模式。

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新课一开始，

基因在转基因生物中的表达。但一个新问题出现了，生物产可以带领学生

生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它的结构、性回忆原有知

能不能完全满足人类生产和生活的需要。举例：P26干扰素识：要想让一

例子、工业用酶的例子种生物的性状

于是要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中在另一种生物

找不到的蛋白质。这样人们又开始了新一轮的探索，蛋白质中表达，在种

工程应运而生了。内可以用常规

回顾已学习过中心法则及蛋白质具有复杂的空间结构等知杂交育种的办

识。中心法则告诉我们遗传信息的流动方向如图1-4所示。法实现，但要

使有生殖隔离

?（基因）曳&mRNA亘之肽链生"具有空

的种间生物实

间结构的紫白质一表达生物抬有的功能或性状现基因交流，

二、蛋白质工图1-4遗传信息的流动方向就显得力不从

程的原理那么，既然蛋白质的功能是由DNA决定的，那么要制造出新心了。基因工

的蛋白质，就要改造DNAo所以蛋白质工程的原理应该是中程的诞生，为

心法则的逆推。（结合课本中插图）克服这一远缘

小结：蛋白质工程的概念（是研究蛋白质的结构及结构与功杂交的障碍问

能的关系，然后人为地设计•个新蛋白质，并按这个设计的题，带来了新

蛋白质结构去改变其基因结构，从而产生新的蛋白质。或者的希望。于是

从蛋白质结构与功能的关系出发，定向地改造天然蛋白质的取得了丰硕成

结构，特别是对功能基因的修饰，也可以制造新型的蛋白质。）果：大肠杆菌

思考：蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不为人类生产出

同？了胰岛素，牛

答：基因工程是遵循中心法则，从DNA~mRNAf蛋白质一折的乳腺生物反

强产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。应器为人类制

蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能一蛋造出了蛋白质

白质应有的高级结构蛋白质应具备的折叠状态f应有的氨类药物，烟草

基酸序列一应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白植物体内含有

质。了某种药物蛋

1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是随着分白……至此，

子生物学、晶体学以及计算机技术的发展而诞生的，与基因人们也只是实

组学、蛋白质组学、生物信息学的发展等因素有关现了世界上现

2、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需有基因在转基

要依赖于止确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的因生物中的表

空间结构了解很少。达。但•个新

科学探索之路的漫长、艰辛和永无止境。问题出现了，

（-）思考与探究1.蛋白质工程是应怎样的需求而崛起生物产生的天

的？然蛋白质是在

提示（供教师在教学中参考）：蛋白质工程的帼起主要是工长期进化过程

业生产和基础理论研究的需要。而结构生物学对大量蛋白质中形成的，它

分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果，为设的结构、性能

计改造天然蛋白质提供了蓝图。分子遗传学的以定点突变为不能完全满足

中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段。人类生产和生

在已研究过的几千种命中，只有极少数可以应用于工业生产，活的需要。为

绝大多数酹都不能应用于工业生产，这些能虽然在自然状态了加深这一点

下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为的认识，可调

工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、僦或有机溶剂动学生从书中

存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数髀会很快变性找实例（干扰

三、蛋白质工失活。提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课素例子、工业

程的进展和前题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括；延长酶的半衰期，用酶的例子）

景提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要加以佐证。于

氨基酸氧化引起的活性丧失等。是要对现有蛋

下面举一个如何通过蛋白质工程来提高重组B-干扰素专一白质进行改

活性和稳定性的例子。干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。造，制造出目

将人的干扰素的cl）NA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素前从天然蛋白

的抗病毒活性为10"U/mg,只相当于天然产品H勺十分之一，质中找不到的

虽然在大肠杆菌中合成的B-干扰素量很多，但多数是以无蛋白质。这样

活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状人们又开始了

四、答案和提况？研究发现，B-干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸（第17新一轮的探

示位、31位和141位），推测可能是有一个或几个半胱氨酸形索，蛋白质工

成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的半胱氨酸，通过程应运而生

基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的3-了。

干扰素的抗病性活性提高到10"U/mg,并旦比天然B-干扰

素的贮存稳定性高很多。学生在必修课

在基础理论研究方面，蛋白质，程是研究多种蛋白质的结构中已学习过中

和功能、蛋白质折若、蛋白质分子设计等一系列分子生物学心法则及蛋白

基本问题的•种新型的、强有力的手段。通过对蛋白质工程质具有复杂的

的研究，可以深入地揭示生命现象的木质和生命活动的规律。空间结构等知

2.蛋白质工程操作程冉的基本思路与基因工程有什么不识。中心法则

同？告诉我们遗传

答：基因工程是遵循中心法则，从DNA-mRNA-蛋白质一折信息的流动方

叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。蛋白质向如图1-4所

工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能~蛋白质应/J\o

有的高级结构一蛋白质应具备的折费状态一应有的氨基酸序

列一应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。

3.你知道醉工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白

质工程有什么区别？

提示：醒工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程

学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面

的一门科学技术。概括地说，酎工程是由触制剂的生产和应

用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食工业、轻工

业以及医药工业中。淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构

函这三个酶连续作用于淀粉，就可以代替蔗糖生产出高果糠

浆；蛋白酶用于皮革脱毛胶以及洗涤剂工业；固定化酶还可

以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引起的某些功能的衰竭

等。至于我们H常生活中所见到的加酶洗衣粉、嫩肉粉等，

就更是酶工程最直接的体现了。通常所说的酶工程是用工程

菌生产酶制剂,而没有经过由曲的功能来设计酶的分子结构，

然后由崎的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。因

此，酶工程的重点在于对已存前的合理充分利用，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。当然，随

着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使前工

程成为蛋白质工程的一部分。

(-)正文中讨论题

答：(1)每种氨基酸都有对应的三联密码子，只要查一下遗

传密码子表，就可以将上述级基酸序列的编码序列查出来。

但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三联密码

子编码，因此其碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排

列出16种，可以让学生根据学过的排列组合知识自己排列一

下。首先应该根据三联密码子推出mR\A序列为GCU（或C或

A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）,再根据碱基互补配

对规律推出脱氧核昔酸序列:CGA（或G或T或C）ACCTTT（或

C）TACAAA（或G）。

（2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改

造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。

（三）异想天开能不能根据人类需要的蛋白质的结构，

设计相应的基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需

要的蛋白质食品呢？

提示：理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一些

报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自然界已经存

在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白

质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质

的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少，很难设计

出•个崭新而又具有生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新

的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。

（四）旁栏思考题1.你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋

白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？

提示：人类蛋白质组计划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大的科学命题。2001年，国际人

类蛋白质组组织宣告成立。之后，该组织正式提出启动了两

项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵头执行的“人

类肝脏蛋白质组计划”；另一项是