生物中圖版學(xué)案：第一單元第一章第三節(jié)蛋白質(zhì)工程

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精第三節(jié)蛋白質(zhì)工程1．簡(jiǎn)述蛋白質(zhì)工程。2．舉例說出蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用.一、蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)1．蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程就是根據(jù)蛋白質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和生物活性之間的關(guān)系，按照人類自身的需要，利用生物技術(shù)手段對(duì)蛋白質(zhì)的DNA編碼序列或直接對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行有目的的改造,從而創(chuàng)造出自然界本不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)分子。2．蛋白質(zhì)工程的基礎(chǔ)蛋白質(zhì)工程的基礎(chǔ)是基因工程。所以蛋白質(zhì)工程又叫第二代基因工程.思考通過基因工程生產(chǎn)的蛋白質(zhì)是自然界已有的，能不能想辦法讓生物產(chǎn)生前所未有的、符合人們需要的蛋白質(zhì)?提示：通過蛋白質(zhì)工程可獲得自然界不存在的、符合人們需的蛋白質(zhì)。3．蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)方法（1）小范圍改造:對(duì)已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)進(jìn)行少數(shù)氨基酸的替換，從而改善蛋白質(zhì)的性質(zhì)和功能。(2）拼接組裝：對(duì)不同來源的蛋白質(zhì)進(jìn)行拼接組裝,期望轉(zhuǎn)移相應(yīng)的功能。例如，將編碼一種蛋白質(zhì)的部分基因移植到另一種基因上,經(jīng)過基因表達(dá)，產(chǎn)生新的融合蛋白質(zhì)。（3)蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)：從氨基酸的排列順序出發(fā)，設(shè)計(jì)制造出自然界不存在的全新蛋白質(zhì)，使之具有特定的空間結(jié)構(gòu)和預(yù)期功能。二、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1．提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性對(duì)編碼T4溶菌酶的基因進(jìn)行改造，將T4溶菌酶第3位上的異亮氨酸改成半胱氨酸，使T4溶菌酶獲得了較強(qiáng)的耐熱特征。2．改變蛋白質(zhì)的活性對(duì)t-PA進(jìn)行改造后,進(jìn)入血漿后不與纖溶酶原激活劑抑制物結(jié)合形成復(fù)合物，不失去活性。3．合成嵌合抗體保留鼠單克隆抗體的可變區(qū)，用人抗體的恒定區(qū)替換鼠單克隆抗體的恒定區(qū).這種嵌合抗體在人體內(nèi)抗原性顯著下降，抗體的特異識(shí)別功能沒有喪失。思考利用蛋白質(zhì)工程改造或者設(shè)計(jì)制造出的人工蛋白質(zhì)有哪些優(yōu)點(diǎn)？提示：人工蛋白在活性、穩(wěn)定性及抗原性等方面都優(yōu)于天然蛋白質(zhì)1．蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較蛋白質(zhì)工程基因工程蛋白質(zhì)合成自然界不存在的蛋白質(zhì)合成天然存在的蛋白質(zhì)實(shí)質(zhì)改造基因?qū)⒛康幕驈墓w生物轉(zhuǎn)移到受體生物，并在受體生物中表達(dá)操作程序基本思路確定蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)預(yù)期蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)氨基酸序列→找到對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列→人工合成目的基因具有相應(yīng)生物功能的蛋白質(zhì)遵循中心法則：DNA→mRNA→蛋白質(zhì)→產(chǎn)生生物活性應(yīng)用及現(xiàn)狀主要集中在對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造方面,目前真正成功的例子較少，原因是蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人們對(duì)此知之甚少已被廣泛應(yīng)用,轉(zhuǎn)基因植物、動(dòng)物以及藥品生產(chǎn)等已商業(yè)化，但基因治療僅處于臨床試驗(yàn)階段①二者都屬于分子水平上的操作。②蛋白質(zhì)工程的本質(zhì)是通過改造基因進(jìn)而形成自然界不存在的蛋白質(zhì)，所以被形象地稱為第二代基因工程.2．蛋白質(zhì)工程是應(yīng)怎樣的需求而崛起的？在已研究過的幾千種酶中,只有極少數(shù)可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性很低。這是因?yàn)樵诠I(yè)生產(chǎn)的每一步反應(yīng)體系中常常會(huì)有酸、堿或有機(jī)溶劑存在，反應(yīng)溫度較高，在這種條件下,大多數(shù)酶會(huì)很快變性失活.提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的課題.一般來說,提高蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的措施包括:延長(zhǎng)酶的半衰期,提高酶的熱穩(wěn)定性，延長(zhǎng)藥用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等.蛋白質(zhì)工程的崛起主要是工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)理論研究的需要.而結(jié)構(gòu)生物學(xué)對(duì)大量蛋白質(zhì)分子的精確立體結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜的生物功能的分析結(jié)果，為設(shè)計(jì)改造天然蛋白質(zhì)提供了藍(lán)圖.分子遺傳學(xué)的以定點(diǎn)突變?yōu)橹行牡幕虿僮骷夹g(shù)為蛋白質(zhì)工程提供了手段.題型一設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)【例1】某多肽鏈的一段氨基酸序列是：…—甲硫氨酸—色氨酸—苯丙氨酸—色氨酸—…(1）怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來。(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（DNA）？解析：蛋白質(zhì)工程就是通過生物技術(shù)手段來研究、確定和改造蛋白質(zhì)構(gòu)造,以完善其功能,有目的地制備特定的蛋白質(zhì).由氨基酸序列知,翻譯該蛋白質(zhì)的mRNA的堿基序列為…—AUGUGGUUUUGG-…或…—AUGUGGUUCUGG—…。由mRNA的堿基序列可知轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA的DNA分子的堿基序列。答案：（1)根據(jù)氨基酸序列反推mRNA堿基序列，再反推DNA上堿基序列。其DNA堿基序列為：或（2）根據(jù)DNA的堿基序列或改造后的DNA的堿基序列，利用四種脫氧核苷酸進(jìn)行人工合成。反思領(lǐng)悟：蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)可以分成三類:①小范圍改造;②對(duì)不同來源的蛋白質(zhì)進(jìn)行拼接組裝；③從頭設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)，制造出自然界不存在的全新蛋白質(zhì)。題型二蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用【例2】干擾素是動(dòng)物體內(nèi)的一種蛋白質(zhì)，可以用來治療病毒的感染和癌癥，但在體外保存相當(dāng)困難.科學(xué)家發(fā)現(xiàn)將干擾素的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，其在－70℃的條件下可以保存半年。你來設(shè)想一下,能不能讓動(dòng)物生產(chǎn)能夠長(zhǎng)期儲(chǔ)存的干擾素?采用什么方法?解析：根據(jù)題意，已知干擾素的氨基酸序列，再把干擾素的半胱氨酸換成絲氨酸,反推mRNA的堿基序列，再反推DNA的堿基序列,然后進(jìn)行基因改造，將改造后的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞，就能生產(chǎn)在－70℃條件下能保存半年的干擾素。答案：能讓動(dòng)物生產(chǎn)在－70℃條件下能保存半年的干擾素。采用的方法是用干擾素的氨基酸的序列反推mRNA的堿基序列，再反推DNA的堿基序列，然后進(jìn)行基因改造，將改造后的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞,就能生產(chǎn)能長(zhǎng)期儲(chǔ)存的干擾素。反思領(lǐng)悟：改造蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)從根本上改變基因結(jié)構(gòu)，因?yàn)榛蚰軌蚩刂频鞍踪|(zhì)的合成.1下面關(guān)于基因工程和蛋白質(zhì)工程的敘述正確的是（)A．蛋白質(zhì)工程就是基因工程B．蛋白質(zhì)工程利用了基因工程技術(shù)手段C．蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)的都是自然界存在的蛋白質(zhì)D．基因工程和蛋白質(zhì)工程之間沒有任何聯(lián)系解析:蛋白質(zhì)工程就是根據(jù)蛋白質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，利用基因工程的手段,按照人類自身的需要，定向地改造天然的蛋白質(zhì)，甚至創(chuàng)造新的、自然界本不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)分子。蛋白質(zhì)工程與基因工程密不可分。答案：B2蛋白質(zhì)工程的產(chǎn)物是（）A．天然蛋白質(zhì)B．改造過的蛋白質(zhì)或新的蛋白質(zhì)C．改造過的蛋白質(zhì)D．新的蛋白質(zhì)答案：B3蛋白質(zhì)工程在實(shí)施中最大的難題是（）A．生產(chǎn)的蛋白質(zhì)無法應(yīng)用B．發(fā)展前景太窄C．對(duì)于大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)不清楚D．無法人工合成目的基因答案：C4蛋白質(zhì)工程的基本途徑是（）①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列③表達(dá)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）④找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）⑤形成預(yù)期