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1、蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起选修选修3 3现代生物科技专题第现代生物科技专题第1 1章第章第4 4节节 普通高中课程标准实验教科书普通高中课程标准实验教科书九江外国语学校九江外国语学校 阮红锦阮红锦情景导入情景导入尺子（无小圆孔）尺子（无小圆孔）尺子（有小圆孔）尺子（有小圆孔）对模具进行了适当的改进对模具进行了适当的改进新课导入1.为什么要进行蛋白质工程研究呢为什么要进行蛋白质工程研究呢?2.科学家如何实现干扰素的体外保存科学家如何实现干扰素的体外保存?3.如何提高玉米中赖氨酸的含量如何提高玉米中赖氨酸的含量?4.你知道国际人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质你知道国际人类蛋白质组计划吗？它与蛋
2、白质工程有什么联系？我国科学家承担了什么任务工程有什么联系？我国科学家承担了什么任务？【问题探讨】【问题探讨】一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由1原因：基因工程在原则上只能生产自然原因：基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，不一定完全符合人类界已存在的蛋白质，不一定完全符合人类生产和生活的需要。生产和生活的需要。2.例子：例子：实例实例1 1：干扰素的保存：干扰素的保存 天然的干扰素在体外保存相当困难。天然的干扰素在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个如果将其分子上的一个半胱氨酸半胱氨酸变成变成丝氨酸丝氨酸，那么在那么在7070的条件下，可以保存半年。的条件下，可以保存
3、半年。玉米中赖氨酸含量比较低，原因是赖氨酸浓玉米中赖氨酸含量比较低，原因是赖氨酸浓度达到一定时会抑制赖氨酸合成过程中的两个关度达到一定时会抑制赖氨酸合成过程中的两个关键酶键酶天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。如果将天冬氨活性，所以赖氨酸含量很难提高。如果将天冬氨酸激酶的第酸激酶的第352352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中氢吡啶二羧酸合成酶中104104位的天冬氨酰变成异位的天冬氨酰变成异亮氨酸，可使玉米叶片和种子中游离的赖氨酸含亮氨酸，可使玉米叶片和种子中游离的赖氨酸含量分别提高
4、量分别提高5 5倍和倍和2 2倍。倍。实例实例2:2:提高玉米赖氨酸含量提高玉米赖氨酸含量1.蛋白质工程的目标是什么？通过何手蛋白质工程的目标是什么？通过何手段完成段完成?2.用你的语言表述天然蛋白质合成的过用你的语言表述天然蛋白质合成的过程？程？3.简述蛋白质工程的基本操作过程？简述蛋白质工程的基本操作过程？【问题导学】预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计设计 推测应有的推测应有的 序列序列找到对应的找到对应的 序列。序列。根据人们对蛋白质根据人们对蛋白质 的特定需求，的特定需求，对蛋白质的对蛋白质的 进行分子设计。进行分子设计。二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理结构结构预期的蛋白
5、质预期的蛋白质氨基酸氨基酸脱氧核苷酸脱氧核苷酸功能功能改造基因改造基因(基因基因 或基因或基因 )。操作操作手段手段目标目标操作操作过程过程修饰修饰合成合成 蛋白质工程操作程序的基本思路与基蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？因工程有什么不同？答：基因工程是遵循中心法则，答：基因工程是遵循中心法则，DNAmRNA蛋白质蛋白质折叠产生功能，折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质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：蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白质应有的高级结构蛋白质应具备的折叠状态蛋白质应
6、具备的折叠状态应有的氨基应有的氨基酸序列酸序列应有的碱基排列，可以创造自然应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。界不存在的蛋白质。某多肽链的一段氨基酸序列是：某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨丙氨酸酸色氨酸色氨酸赖氨酸赖氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸苯苯丙氨酸丙氨酸1.怎样取出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列怎样取出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。？请把相应的碱基序列写出来。2.确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因（或改造目的基因（DNA）？）？3.什么是蛋白质工程呢？什么是蛋白质工程呢？【讨论讨论】三、蛋白质工程的概念
7、三、蛋白质工程的概念 以蛋白质分子的以蛋白质分子的结构规律结构规律及其与及其与生物功能生物功能的关系的关系作为基础，通过作为基础，通过基因修饰或基因合成基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行对现有蛋白质进行改造或制造改造或制造一种新的蛋白质，一种新的蛋白质，以满足人类对以满足人类对生产和生活的需求生产和生活的需求。蛋白质工程的实质：蛋白质工程的实质：是对编码蛋白质的基因进行改造是对编码蛋白质的基因进行改造了解了蛋白质工程，能不能人类需要的蛋了解了蛋白质工程，能不能人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入适合白质的结构，设计相应的基因，导入适合的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白的细菌中，让细
8、菌生产人类所需要的蛋白质食品呢质食品呢？【异想天开异想天开】四、蛋白质工程的进展和前景四、蛋白质工程的进展和前景2.发展过程中遇到哪些问题发展过程中遇到哪些问题 1.蛋白质工程取得的成就有哪些？蛋白质工程取得的成就有哪些？科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。如今，生物和材料科学家正积极探索将蛋白质品。如今，生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的工程应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具体、有体积小，耗电少和效率高的特电子元件，具体、有体积小，耗电少和效率高的特点，因此有极为广阔的发展前
9、景。点，因此有极为广阔的发展前景。蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 胰胰岛岛素素的的三三级级结结构构血红蛋白质的四级结构血红蛋白质的四级结构 血红蛋白分子血红蛋白分子就是由二个由就是由二个由141个氨基酸残个氨基酸残基组成的基组成的亚基亚基和二个由和二个由146个个氨基酸残基组氨基酸残基组成的成的亚基按特亚基按特定的接触和排定的接触和排列组成的一个列组成的一个球状蛋白质分球状蛋白质分子，每个亚基子，每个亚基中各有一个含中各有一个含亚铁离子的血亚铁离子的血红素辅基。红素辅基。四、蛋白质工程的进展和前景四、蛋白质工程的进展和前景2.发展过程中遇到哪些问题发展过程中
10、遇到哪些问题 1.蛋白质工程取得的成就有哪些？蛋白质工程取得的成就有哪些？科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。如今，生物和材料科学家正积极探索将蛋白质品。如今，生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的工程应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具体、有体积小，耗电少和效率高的特电子元件，具体、有体积小，耗电少和效率高的特点，因此有极为广阔的发展前景。点，因此有极为广阔的发展前景。蛋白质的功能主要依赖于其正确而又极其复杂蛋白质的功能主要依赖于其正确而又极其复杂的高级结构，目前科学家对大多数蛋白
11、质的高的高级结构，目前科学家对大多数蛋白质的高级结构了解还不够，要设计出更加符合人类需级结构了解还不够，要设计出更加符合人类需求的蛋白质换需经过艰辛的探索。求的蛋白质换需经过艰辛的探索。课堂小结通过对蛋白质工程的学习，我们要能举例说出蛋白质工程崛起的缘由，并能简述蛋白质工程的原理，学会运用逆向思维分析和解决问题，掌握前沿的科学知识，将知识应用于生产实践。枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性，但极易被氧化而失效。质的特性，但极易被氧化而失效。1985年，年，美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第的第222位氨基酸替
12、换后，虽然其水解活位氨基酸替换后，虽然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有效地除去血渍、奶渍等蛋白质污渍。效地除去血渍、奶渍等蛋白质污渍。（1）改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是）改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是 。课堂练习枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性，枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性，但极易被氧化而失效。但极易被氧化而失效。1985年，美国的埃斯特尔年，美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替换后，位氨基酸替换后，
13、虽然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。虽然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有效地除用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有效地除去血渍、奶渍等蛋白质污渍。去血渍、奶渍等蛋白质污渍。（2）改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基）改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比，至少有因与原来相比，至少有 个碱基对发生变化。个碱基对发生变化。（3）利用生物技术改造蛋白质，是提高了蛋白质）利用生物技术改造蛋白质，是提高了蛋白质的的 性，埃斯特尔所作的工作是对已知蛋白质性，埃斯特尔所作的工作是对已知蛋白质进行进行 。参考答案：参考答案：（1）蛋白质工程）蛋白质工程（2）1 （3）稳定）稳定 少数氨基酸的替换少数氨基酸的替换 板书设计板书设计一、蛋白质工程崛起的缘由二、蛋白质工程的基本原理三、蛋白质工程的进展和前景1原因：2.例子：1.目标：2.操作手段：3.操作过程：4.概念：