第第頁第3章基因工程第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應用教案一、教學目標1.說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。（生命觀念）2.概述蛋白質(zhì)工程的基本原理。（生命觀念）3.舉例說明依據(jù)人類需要對原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行基因改造、生產(chǎn)目標蛋白的過程。（科學思維）4.用列表法比較蛋白質(zhì)工程和基因工程。（科學思維）二、教學重難點【教學重點】1.蛋白質(zhì)工程的基本原理。2.依據(jù)人類需要對原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行基因改造、生產(chǎn)目標蛋白的過程。【教學難點】1.蛋白質(zhì)工程的基本原理。2.依據(jù)人類需要對原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行基因改造、生產(chǎn)目標蛋白的過程。三、教學過程【導入新課】展示：從社會中來。你見過用細菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細菌“畫"的美妙圖案。這些細菌能夠發(fā)出熒光，是因為在它們的體內(nèi)導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，科學家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領域有著重要應用。那么，科學家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進行設計和改造的呢？熒光蛋白發(fā)出的光穿透性極強，即使蛋白質(zhì)位于小動物體內(nèi)深處，其發(fā)出的光也可以穿透生物體外界看到。在癌癥研究過程中，熒光蛋白的出現(xiàn)使得科學家們能夠觀測到腫瘤細胞的具體活動，比如中休息寶的成長、入侵、轉(zhuǎn)移和新生。提示：對蛋白質(zhì)分子的設計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實現(xiàn)的。科學家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，并利用計算機進行輔助設計，在此基礎上再采用定點突變的技術(shù)將綠色熒光蛋白發(fā)光基團正下方的第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。進而引出本節(jié)課題——蛋白質(zhì)工程的原理和應用。回顧舊知：天然蛋白質(zhì)的合成過程與性狀表達蛋白質(zhì)只有具有一定空間結(jié)構(gòu)，才能表達特有性狀或具有特定功能。【新課講授】教師：組織學生閱讀教材，自主學習，簡述蛋白質(zhì)工程的概念，并學會理解與運用。學生：歸納概括蛋白質(zhì)工程的概念。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，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。①基礎：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操作手段及對象：改造或合成基因（基因修飾或基因合成）。③結(jié)果：改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)。④目的：獲得滿足人類生產(chǎn)和生活需求的蛋白質(zhì)。⑤困難：蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴正確的高級結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)十分復雜。蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程，是涉及多學科的綜合科技工程。（一）蛋白質(zhì)工程崛起的緣由提問：為什么要進行蛋白質(zhì)工程的研究呢？教師：組織學生閱讀課本P93頁，聯(lián)系實例，引導學生分析基因工程的實質(zhì)和局限性以及天然蛋白質(zhì)的不足，進而說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。學生：閱讀教材和資料，自主學習，回答問題。1.基因工程的實質(zhì)及缺陷（1）實質(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)，進而表現(xiàn)出新的性狀。（2）缺陷：原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。2.天然蛋白質(zhì)的缺陷：（1）缺陷：天然蛋白質(zhì)是生物在長期進化過程中形成的，它們的結(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。（2）實例：玉米中賴氨酸的含量較低，原因是賴氨酸合成過程中的兩種關(guān)鍵酶——天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的活性，受到體內(nèi)賴氨酸濃度的影響較大。賴氨酸達到一定程度就會抑制這兩種酶的活性，所以賴氨酸含量很難提高。3.蛋白質(zhì)工程的作用蛋白質(zhì)工程的崛起主要是由于工業(yè)生產(chǎn)和基礎理論研究的需要。蛋白質(zhì)工程的目的：對天然蛋白進行改造，生產(chǎn)符合人類生產(chǎn)和生活需要的非天然蛋白質(zhì)。結(jié)合天然蛋白質(zhì)的缺陷以及蛋白質(zhì)工程的作用，通過分析，如果我們提高玉米賴氨酸含量。如玉米中賴氨酸含量較低，經(jīng)人工設計改造，將天冬氨酸激酶中第352位的蘇氨酸變成異亮氨酸，將二氫吡啶二羧酸合成酶中的第104位的天冬酰胺變成異亮氨酸，就可以可使玉米葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。如下圖所示：播放視頻《人類蛋白質(zhì)組計劃》觀看視頻，小組討論，嘗試作答：【思考】你知道人類蛋白質(zhì)組計劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國科學家承擔了什么任務？提示：人類蛋白質(zhì)組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學乃至自然科學領域重大的國際合作科研項目。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織宣布成立。2003年，該組織正式提出啟動兩項重大國際合作項目：一項是由中國科學家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃”；另一項是由美國科學家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計劃的帷幕。“人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃”是國際上第一個人類組織器官的蛋白質(zhì)組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學家第一次領銜重大國際科研協(xié)作計劃。它的目標是通過對肝臟蛋白質(zhì)高通量、規(guī)模化的研究，解析肝臟蛋白質(zhì)在生理、病理過程中的功能意義，為重大肝病的預防、診斷、治療和新藥的研發(fā)提供重要的科學依據(jù)。2010年，該計劃“兩譜、兩圖、三庫”的目標初步實現(xiàn)。我國科學家完成了人類肝臟蛋白質(zhì)組表達譜和修飾譜，繪制了蛋白質(zhì)相互作用連鎖圖和定位圖。“三庫”則是建立符合國際標準的肝臟標本庫、發(fā)展規(guī)模化抗體制備技術(shù)并建立肝臟蛋白質(zhì)抗體庫和建立完整的肝臟蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫。人類蛋白質(zhì)組計劃取得的成果有力推動了蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，為它提供了重要的理論支持。2014年6月，中國人類蛋白質(zhì)組計劃啟動。（二）蛋白質(zhì)工程的基本原理提問：蛋白質(zhì)工程是怎樣進行的呢？教師：學生閱讀課本P94頁，通過閱讀，借助教材中的圖解，聯(lián)系實際，分析蛋白質(zhì)工程的基本原理。學生：自主學習，在教師引導下分析蛋白質(zhì)工程的基本原理。1.蛋白質(zhì)工程的目標：根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設計改造。2.蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)：通過改造或合成基因，來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)。思考：為什么蛋白質(zhì)工程需改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？提示：（1）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質(zhì)進行了改造，而且可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白質(zhì)也是無法遺傳的。（2）對基因進行改造比對蛋白質(zhì)直接改造更容易操作，難度要小得多。3.蛋白質(zhì)工程的基本思路天然蛋白質(zhì)合成的過程是按照中心法則進行的。基因→表達（轉(zhuǎn)錄和翻譯）→形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈→形成具有高級結(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。如下所示：蛋白質(zhì)工程的基本思路：從預期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設計預期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)。展示蛋白質(zhì)工程的基本思路：思考·討論·蛋白質(zhì)工程基本思路的應用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：討論：（1）怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應的堿基序列寫出來。提示：每種氨基酸都有對應的密碼子，只要查一下遺傳密碼子表就能將氨基酸蓄力的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多種密碼子編碼的，所以相應的堿基排列組合起來就比較復雜，至少可以排列32種，可根據(jù)學過的排列組合知識自己排列一下。首先應根據(jù)密碼子推出mRNA序列，再根據(jù)堿基互補配對原則推出脫氧核苷酸序列丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG）、色氨酸（UGG）、賴氨酸（AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）DNA序列為：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）（2）確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？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中獲取目的基因。對基因的改造經(jīng)常會用到基因定點突變技術(shù)來進行堿基的替換、增添等。拓展延伸：根據(jù)改造蛋白質(zhì)的部位的多少，對蛋白質(zhì)的改造可分為三類：（1）大改：設計并制造出自然界中不存在的全新蛋白質(zhì)（2）中改：在蛋白質(zhì)分子中替換某一個肽段或某一個特定的結(jié)構(gòu)域。（3）小改：改造蛋白質(zhì)分子中的幾個氨基酸殘基思考：能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設計相應的基因，導入合適的宿主細胞中，讓宿主細胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動物細胞、微生物細胞等可以生產(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)，并非完全是人工設計出來的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復雜，人類對大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(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，很難設計出一個全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設計并獲得了一個全新的蛋白質(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期深入的研究。（三）蛋白質(zhì)工程的應用教師：組織學生閱讀教材P95頁，將學生分為3組，分別概括現(xiàn)階段蛋白質(zhì)工程在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和其他工業(yè)方面的應用。學生：閱讀教材，小組合作，分組概括蛋白質(zhì)工程的應用，進行展示。1.醫(yī)藥工業(yè)方面（1）研發(fā)速效胰島素類似物科學家通過改造胰島素基因使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。天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體→預期功能：降低胰島素的聚合作用→設計結(jié)構(gòu)：改變B鏈第20～29位氨基酸組成→推測序列：B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置→改造形成新胰島素基因→轉(zhuǎn)錄形成mRNA→翻譯形成多肽鏈→折疊形成預期結(jié)構(gòu)→行使功能：有效抑制胰島素的聚合。（2）延長干擾素體外保存時間將干擾素分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，提高了干擾素的保存時間。天然干擾素不易保存→預期功能：延長保存時間→設計結(jié)構(gòu)：氨基酸替換→推測序列：一個半胱氨酸變成絲氨酸→改造形成新干擾素基因→轉(zhuǎn)錄形成mRNA→翻譯形成多肽鏈→折疊形成預期結(jié)構(gòu)→行使功能：在－70℃下可以保存半年。（3）降低人對小鼠單克隆抗體的免疫反應通過改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（即可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即恒定區(qū)）上，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應的強度就會減低很多。2.其他工業(yè)方面蛋白質(zhì)工程被廣泛用于改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶。如枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)的作用，常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。迄今為止，利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。3.農(nóng)業(yè)方面（1）改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量。（2）利用蛋白質(zhì)工程的思路設計優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強。4.實例——水蛭改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，它有多種變異體，由65或66個氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結(jié)構(gòu)特點的基礎上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設計方案，將47位的Asn（天冬酰胺）變成Lys（賴氨酸），使其與分子內(nèi)第4或第5位Thr（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素N端肽段的正確取向，從而提高凝血效率，試管試驗活性提高4倍，在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果，提高20倍。拓展延伸：1.蛋白質(zhì)工程與中心法則的關(guān)系（1）蛋白質(zhì)工程的過程是中心法則的逆推。中心法則中遺傳信息的傳遞過程是：基因→mRNA→氨基酸種類和序列→蛋白質(zhì)的性質(zhì)和功能。而蛋白質(zhì)工程的操作過程與之相反：由預期的蛋白質(zhì)的功能出發(fā)，逆著中心法則方向推出控制該蛋白質(zhì)合成的DNA序列。中心法則和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識是蛋白質(zhì)工程設計的核心理論。（2）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造基因也就是對蛋白質(zhì)進行改造，并且改造過的基因可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子也無法遺傳給下一代。（3）對基因進行改造比對蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。2.蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較蛋白質(zhì)工程是一項難度很大的工程，主要是因為蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復雜。要設計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人類帶來更多的福祉。（四）課后總結(jié)（五）課堂作業(yè)1.下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法，錯誤的是（B）A.蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，使之更加符合人類的需要B.蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進行操作，定向改變分子結(jié)構(gòu)C.蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質(zhì)分子D.蛋白質(zhì)工程與基因工程密不可分，又稱為第二代基因工程2.下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請據(jù)圖回答下列問題：（