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1.4 蛋白質工程的崛起
█[目標與重難點] 1知識目標、舉例說出蛋白質工程崛起的緣由,。 2能力目標,、簡述蛋白質工程的基本原理及基本途徑。 3情感目標,、嘗試運用逆向思維分析和解決問題,。 [教學重點和難點] 1、教學重點——（1）為什么要開展蛋白質工程的研究,？（2）蛋白質工程的原理 2,、教學難點—— █[教學關鍵句段] 一、蛋白質工程崛起的緣由： 1,、基因工程的實質：將一種生物的 2．蛋白質工程目的：生產符合人們生活需要的并非自然界已存在的 二．蛋白質工程基本原理 1．目標：根據(jù)人們對 2．原理：基因改造,。 3．過程：預期蛋白質功能→設計 三,、蛋白質工程的進展和前景 例如：科學家通過對 █【課堂流程】 1,、回顧已學習過中心法則及蛋白質具有復雜的空間結構等知識,。中心法則告訴我們遺傳信息的流動方向如圖所示。 遺傳信息的流動方向 那么,，既然蛋白質的功能是由DNA決定的,，那么要制造出新的蛋白質，就要改造DNA,。所以蛋白質工程的原理應該是中心法則的逆推,。（結合課本中插圖） 2、原理：中心法則的逆推 天然蛋白質合成的過程是按照中心法則進行的：基因→表達（轉錄和翻譯） →形成氨基酸序列的多肽鏈→形成具有高級結構的蛋白質→行使生物功能,；而蛋白質工程卻與之相反,，它的基本途徑是：從預期的蛋白質功能出發(fā)一設計預期的蛋白質結構一推測應有的氨基酸序列一找到相對應的脫氧核苷酸序列（基因）（如圖3一l一3所示）。 蛋白質工程是先按照人們的意愿創(chuàng)造出滿足人們需求的新基因,，然后表達出具有不同功能的蛋白質,。 3、蛋白質工程的主要步驟通常包括： （1）從生物體中分離純化目的蛋白,；（2）測定其氨基酸序列,； （3）借助核磁共振和X射線晶體衍射等手段，盡可能地了解蛋白質的二維重組和三維晶體結構; （4）設計各種處理條件,，了解蛋白質的結構變化,，包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響； （5）設計編碼該蛋白的基因改造方案,，如點突變,； （6）分離、純化新蛋白,，功能檢測后投入實際使用 4,、蛋白質工程的概念 蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎,通過基因修飾或基因合成,對現(xiàn)有蛋白質進行改造,或制造一種新的蛋白質,以滿足人類的生產和生活的需求。 思考：蛋白質工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同,？ ——基因工程是遵循中心法則,，從DNA→mRNA→蛋白質→折疊產生功能，基本上是生產出自然界已有的蛋白質,。 蛋白質工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質的功能→蛋白質應有的高級結構→蛋白質應具備的折疊狀態(tài)→應有的氨基酸序列→應有的堿基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質,。 ①蛋白質工程的誕生是有其理論與技術條件的,，它是隨著分子生物學、晶體學以及計算機技術的發(fā)展而誕生的，與基因組學,、蛋白質組學,、生物信息學的發(fā)展等因素有關 ②現(xiàn)狀：成功的例子不多，主要是因為蛋白質發(fā)揮其功能需要依賴于正確的空間結構,，而科學家目前對大多數(shù)蛋白質的空間結構了解很少,。 基因工程和蛋白質工程的比較表（——詳細見練習冊） 5、蛋白質工程進展 比較復雜,，成功例子不多—— 【附】： █引申問題 ——酶工程,、人類蛋白組計劃、蛋白質芯片等,。 █課堂小問題： 【例1】,、科學家將 —干擾素基因進行定點突變導人大腸桿菌表達，使干擾素第十七位的半胱氨酸,，改變成絲氨酸,，結果大大提高了干擾素的抗病活性并且提高了儲存穩(wěn)定性。該生物技術為（B） A．基因工程 【例2】,、蛋白質工程中,，直接需要進行操作的對象是( A．氨基酸結構 【例題3】以下蛋白質工程中目前已成功的是 A．對胰島素進行改造,，生產速效型藥品 C．生產體外耐儲存的干擾素 █【分層訓練】 全體__練習冊： P10-11,、P12（1-8）。重點班尖子班：P12-例1,，P14-9 █【教材問題】 （一）問題思考 1.蛋白質工程是應怎樣的需求而崛起的,？ ——提示：蛋白質工程的崛起主要是工業(yè)生產和基礎理論研究的需要。而結構生物學對大量蛋白質分子的精確立體結構及其復雜的生物功能的分析結果,，為設計改造天然蛋白質提供了藍圖,。分子遺傳學的以定點突變?yōu)橹行牡幕虿僮骷夹g為蛋白質工程提供了手段。 在已研究過的幾千種酶中,，只有極少數(shù)可以應用于工業(yè)生產,，絕大多數(shù)酶都不能應用于工業(yè)生產，這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性,，但在工業(yè)生產中沒有活性或活性很低,。 在基礎理論研究方面，蛋白質工程是研究多種蛋白質的結構和功能,、蛋白質折疊,、蛋白質分子設計等一系列分子生物學基本問題的一種新型的、強有力的手段,。通過對蛋白質工程的研究,，可以深入地揭示生命現(xiàn)象的本質和生命活動的規(guī)律。 2.蛋白質工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？ ——基因工程是遵循中心法則,，從DNA→mRNA→蛋白質→折疊產生功能,，基本上是生產出自然界已有的蛋白質。蛋白質工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質的功能→蛋白質應有的高級結構→蛋白質應具備的折疊狀態(tài)→應有的氨基酸序列→應有的堿基排列,，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質,。 3.何為酶工程？絕大多數(shù)酶都是蛋白質,，酶工程與蛋白質工程有什么區(qū)別,？ ——提示：酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學的手段,，應用于生產,、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護等方面的一門科學技術,。概括地說,，酶工程是由酶制劑的生產和應用兩方面組成的。酶工程的應用主要集中于食品工業(yè),、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中,。 通常所說的酶工程是用工程菌生產酶制劑，而沒有經過由酶的功能來設計酶的分子結構,，然后由酶的分子結構來確定相應基因的堿基序列等步驟,。因此，酶工程的重點在于對已存酶的合理充分利用,，而蛋白質工程的重點則在于對已存在的蛋白質分子的改造,。當然，隨著蛋白質工程的發(fā)展,，其成果也會應用到酶工程中,，使酶工程成為蛋白質工程的一部分。 （二）正文中討論題 ——（1）每種氨基酸都有對應的三聯(lián)密碼子,，只要查一下遺傳密碼子表,，就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多個三聯(lián)密碼子編碼,，因此其堿基排列組合起來就比較復雜,，至少可以排列出16種，可以讓學生根據(jù)學過的排列組合知識自己排列一下,。首先應該根據(jù)三聯(lián)密碼子推出mRNA序列為GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）,，再根據(jù)堿基互補配對規(guī)律推出脫氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）。 （2）確定目的基因的堿基序列后,，就可以根據(jù)人類的需要改造它,，通過人工合成的方法或從基因庫中獲取,。 （三）旁欄思考題 1.你知道人類蛋白質組計劃嗎,？它與蛋白質工程有什么關系,？我國科學家承擔了什么任務？ ——提示：人類蛋白質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一項重大的科學命題,。2001年，國際人類蛋白質組組織宣告成立,。之后,，該組織正式提出啟動了兩項重大國際合作行動：一項是由中國科學家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質組計劃”；另一項是以美國科學家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質組計劃”,，由此拉開了人類蛋白質組計劃的帷幕,。 “人類肝臟蛋白質組計劃”是國際上第一個人類組織／器官的蛋白質組計劃，由我國賀福初院士牽頭,，這是中國科學家第一次領銜的重大國際科研協(xié)作計劃,，總部設在北京，目前有16個國家和地區(qū)的80多個實驗室報名參加,。它的科學目標是揭示并確認肝臟的蛋白質,，為重大肝病預防、診斷,、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學基礎,。 人類蛋白質組計劃的深入研究將是對蛋白質工程的有力推動和理論支持。 2.對天然蛋白質進行改造,，你認為應直接對蛋白質分子進行操作,，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？ ——提示：毫無疑問應該從對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質改造,，主要原因如下： （1）任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的,，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過的蛋白質可以遺傳下去,。如果對蛋白質直接改造,，即使改造成功，被改造過的蛋白質分子還是無法遺傳的,。 （2）對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容易操作,，難度要小得多。 |
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