第3章

基因工程第4節(jié)

蛋白質(zhì)工程高中生物學(xué)|人教版（2019）|選擇性必修3·生物技術(shù)與工程從社會(huì)中來(lái)

用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫(huà)”的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樵谒鼈兊捏w內(nèi)導(dǎo)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(GFP)，科學(xué)家通過(guò)改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的檢測(cè)、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。那么，科學(xué)家是怎樣對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的呢？各種轉(zhuǎn)綠色熒光蛋白（GFP）基因的生物從社會(huì)中來(lái)

將一種生物的

轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它

，進(jìn)而表現(xiàn)出

?；蚬こ痰膶?shí)質(zhì)：基因本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)新性狀從社會(huì)中來(lái)問(wèn)題1:科學(xué)家利用了什么技術(shù)讓細(xì)菌能發(fā)出綠色熒光？

基因工程技術(shù)使細(xì)菌表達(dá)了綠色熒光蛋白。問(wèn)題2:科學(xué)家是怎樣對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造讓細(xì)菌能發(fā)出黃色熒光？

科學(xué)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(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上再采用定點(diǎn)突變的技術(shù)將基因進(jìn)行改造，將綠色熒光蛋白發(fā)光基團(tuán)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。從社會(huì)中來(lái)綠色熒光蛋白結(jié)構(gòu)綠色熒光蛋白功能相互關(guān)系晶體學(xué)、分子生物學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等掌握改造綠色熒光蛋白基因黃色熒光蛋白功能依據(jù)對(duì)蛋白質(zhì)分子的設(shè)計(jì)和改造是通過(guò)蛋白質(zhì)工程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。表達(dá)課程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容要求素養(yǎng)目標(biāo)1.概述人們根據(jù)基因工程原理，進(jìn)行蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)和改造，可以獲得性狀和功能更符合人類(lèi)需求的蛋白質(zhì)。2.舉例說(shuō)明依據(jù)人類(lèi)需要對(duì)原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基因改造、生產(chǎn)目標(biāo)蛋白的過(guò)程。1.科學(xué)思維：嘗試通過(guò)蛋白質(zhì)工程技術(shù)，根據(jù)人類(lèi)需要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)或改造某一蛋白質(zhì)的流程。2.社會(huì)責(zé)任：認(rèn)同蛋白質(zhì)工程的重要意義。教學(xué)目標(biāo)目錄CONTENTS蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1蛋白質(zhì)工程的基本原理2蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用3活動(dòng)任務(wù)一：閱讀以下材料，思考問(wèn)題。一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由【資料1】玉米中賴(lài)氨酸的含量低，它的含量由天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羥酸合成酶決定。科學(xué)家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第104位的天冬酰胺變成異亮氨酸，就可以使玉米葉片和種子中游離賴(lài)氨酸的含量分別提高5倍和2倍?！举Y料2】天然的胰島素容易形成二聚體，但后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，改變胰島素B鏈末端兩個(gè)氨基酸導(dǎo)致羧基端構(gòu)型改變，比如將B28和29位的氨基酸調(diào)換位置，該轉(zhuǎn)換可降低分子自聚力，顯著抑制單聚體聚集，可以大大增加吸收速率。活動(dòng)問(wèn)題1：通過(guò)基因工程使生物可以產(chǎn)生其本身不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀?；蚬こ痰木窒扌允鞘裁?？一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由

基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)，這些天然蛋白質(zhì)是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)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(lèi)生產(chǎn)和生活的需要。問(wèn)題2：蛋白質(zhì)工程如何實(shí)施？蛋白質(zhì)工程的操作對(duì)象及方法是什么？

需要對(duì)天然蛋白進(jìn)行改造產(chǎn)生更符合人類(lèi)需要的蛋白質(zhì)；

改造或合成基因。一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.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(chǔ)，通過(guò)基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類(lèi)的生產(chǎn)和生活的需求。目錄CONTENTS蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1蛋白質(zhì)工程的基本原理2蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用3二、蛋白質(zhì)工程的基本原理1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。2.改造蛋白質(zhì)的方法

對(duì)天然的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，為什么不是直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，而是通過(guò)對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的？改造或合成基因①基因決定蛋白質(zhì)的合成，改造基因即為改造蛋白質(zhì)；②改造基因可以遺傳，改造蛋白質(zhì)無(wú)法遺傳；③改造基因比改造蛋白質(zhì)更容易操作。思考二、蛋白質(zhì)工程的基本原理3.蛋白質(zhì)工程的基本思路轉(zhuǎn)錄DNARNA翻譯肽鏈逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制折疊等具有空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)表達(dá)生物特有的功能或性狀【回顧】天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程——中心法則活動(dòng)任務(wù)二：閱讀教材P94，回顧天然蛋白質(zhì)的合成過(guò)程，并總結(jié)蛋白質(zhì)工程的基本思路二、蛋白質(zhì)工程的基本原理3.蛋白質(zhì)工程的基本思路【資料】科學(xué)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(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上再采用定點(diǎn)突變的技術(shù)將基因進(jìn)行改造，將綠色熒光蛋白發(fā)光基團(tuán)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。蛋白質(zhì)能發(fā)黃色熒光黃色熒光蛋白的結(jié)構(gòu)黃色熒光蛋白應(yīng)有的氨基酸序列（第203位為絡(luò)氨酸）黃色熒光蛋白的基因mRNA設(shè)計(jì)推測(cè)改造或合成行使折疊翻譯轉(zhuǎn)錄二、蛋白質(zhì)工程的基本原理3.蛋白質(zhì)工程的基本思路預(yù)期功能生物功能設(shè)計(jì)推測(cè)改造或合成行使折疊目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈蛋白質(zhì)(三維結(jié)構(gòu))轉(zhuǎn)錄DNARNA翻譯肽鏈逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制折疊等具有空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)表達(dá)生物特有的功能或性狀中心法則的逆過(guò)程，與天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程相反。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理比較項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程區(qū)別過(guò)程實(shí)質(zhì)結(jié)果聯(lián)系從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對(duì)應(yīng)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)目的基因的篩選與獲取→基因表達(dá)載體的構(gòu)建→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定定向改造或生產(chǎn)人類(lèi)所需的蛋白質(zhì)定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類(lèi)所需的新的生物類(lèi)型和生物產(chǎn)品創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)①蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程②基因工程中所利用的某些酶可以通過(guò)蛋白質(zhì)工程進(jìn)行修飾、改造二、蛋白質(zhì)工程的基本原理

如何確定一個(gè)操作過(guò)程是基因工程技術(shù)還是蛋白質(zhì)工程技術(shù)？思考是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對(duì)原有基因進(jìn)行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程看蛋白質(zhì)看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程二、蛋白質(zhì)工程的基本原理活動(dòng)任務(wù)二：蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)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(qǐng)寫(xiě)出相應(yīng)的堿基序列。

每種氨基酸都有對(duì)應(yīng)的密碼子，通過(guò)查密碼子表，就可以將編碼上述氨基酸的mRNA序列寫(xiě)出來(lái)，然后根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，就可以將決定這段多肽鏈的脫氧核苷酸的堿基序列寫(xiě)出來(lái)。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理第一個(gè)堿基第二個(gè)堿基第三個(gè)堿基UCAGU苯丙氨酸苯丙氨酸亮氨酸亮氨酸絲氨酸絲氨酸絲氨酸絲氨酸酪氨酸酪氨酸終止終止半胱氨酸半胱氨酸終止、硒代半胱氨酸色氨酸UCAGC亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸組氨酸組氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸UCAGA異亮氨酸異亮氨酸異亮氨酸甲硫氨酸(起始)蘇氨酸蘇氨酸蘇氨酸蘇氨酸天冬酰胺天冬酰胺賴(lài)氨酸賴(lài)氨酸絲氨酸絲氨酸精氨酸精氨酸UCAGG纈氨酸纈氨酸纈氨酸纈氨酸、甲硫氨酸(起始)丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸UCAG二、蛋白質(zhì)工程的基本原理丙氨酸GCUGCCGCAGCG苯丙氨酸UUUUUC谷氨酸GAAGAG色氨酸UGG賴(lài)氨酸AAAAAG

由于上述氨基酸有多個(gè)密碼子，因此需要通過(guò)排列組合進(jìn)行排列。GCU(或C，或A，或G)UGGAAA(或G)GAA(或G)UUU(或C)CGA(或G，或T，或C)ACCTTT(或C)CTT(或C)AAA(或G)mRNADNA編碼鏈共

種可能序列32共

種可能序列32二、蛋白質(zhì)工程的基本原理

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(kù)中獲取目的基因。

對(duì)基因的改造經(jīng)常會(huì)用到基因定點(diǎn)突變技術(shù)來(lái)進(jìn)行堿基的替換、增添等?；顒?dòng)任務(wù)二：蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用討論：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。目錄CONTENTS蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1蛋白質(zhì)工程的基本原理2蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用3三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用【實(shí)例1】研發(fā)速效胰島素類(lèi)似物天然胰島素易形成二聚體或六聚體預(yù)期結(jié)構(gòu)改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴(lài)氨酸交換位置新胰島素基因mRNA折疊預(yù)期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改變B鏈第20～29位氨基酸組成推測(cè)序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合轉(zhuǎn)錄1.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用天然干擾素（體外保存困難）改造后的干擾素（-70℃可保存半年）半胱氨酸絲氨酸三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用【實(shí)例2】延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間將干擾素分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸1.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用【實(shí)例3】制備人鼠嵌合抗體醫(yī)學(xué)問(wèn)題小鼠單克隆抗體會(huì)使人體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)致治療效果大大降低。解決辦法通過(guò)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(guò)這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)減低很多。1.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用【實(shí)例3】制備人鼠嵌合抗體鼠抗體人抗體恒定區(qū)恒定區(qū)可變區(qū)可變區(qū)嵌合抗體三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用應(yīng)用實(shí)例醫(yī)藥工業(yè)方面改造胰島素基因，獲得速效胰島素類(lèi)似物可以保存半年的干擾素生產(chǎn)人鼠嵌合抗體其他工業(yè)方面改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶提高玉米葉片和種子中游離的賴(lài)氨酸含量農(nóng)業(yè)方面改造某些參與調(diào)控光合作用的酶設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥1.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用2.蛋白質(zhì)工程的難點(diǎn)蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程。主要原因蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴(lài)于正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而這種高級(jí)結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。由計(jì)算機(jī)建立的血紅蛋白三維結(jié)構(gòu)模型前景展望科學(xué)家要設(shè)計(jì)出更加符合人類(lèi)需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅(jiān)克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)更多的福祉。人體蛋白質(zhì)組導(dǎo)航國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃2024年12月，《自然》雜志在線發(fā)布了由中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜發(fā)起、18國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)聯(lián)合署名的人體蛋白質(zhì)組導(dǎo)航國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“‘π-HuB’計(jì)劃”）白皮書(shū)。這是《自然》雜志首次發(fā)布中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜發(fā)起的全球性大科學(xué)計(jì)劃白皮書(shū)。

“π-HuB”計(jì)劃專(zhuān)注于揭示生命活動(dòng)的蛋白質(zhì)組“實(shí)時(shí)全景圖譜”，更深入、全面、系統(tǒng)地探索人體在不同生理和病理狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)變化，全面剖析人體發(fā)育、衰老以及疾病產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制。課堂小結(jié)蛋白質(zhì)工程理論基礎(chǔ)技術(shù)手段目標(biāo)基本思路實(shí)踐應(yīng)用蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系通過(guò)改造或合成基因,來(lái)改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求,對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對(duì)應(yīng)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)。藥物研發(fā)改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶增加糧食產(chǎn)量、研發(fā)新型農(nóng)藥隨堂檢測(cè)1.中華鱘是地球上最古老的脊椎動(dòng)物之一，被譽(yù)為“水中大熊貓”。研究者試圖利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改造中華鱘體內(nèi)的某些蛋白質(zhì)，使其更加適應(yīng)現(xiàn)在的水域環(huán)境。以下說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A.該工程可以定向改變蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)B.改造蛋白質(zhì)是通過(guò)改造基因而實(shí)現(xiàn)的C.中華鱘的相關(guān)蛋白質(zhì)被改造的過(guò)程同樣遵循中心法則D.改造后的中華鱘產(chǎn)生的后代不具有改造后的蛋白質(zhì)2.水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)防和治療血栓。研究人員發(fā)現(xiàn)，用賴(lài)氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在這項(xiàng)替換研究中，目前可行的直接操作對(duì)象是()A.基因B.氨基酸C.多肽鏈D.蛋白質(zhì)DA隨堂檢測(cè)3.下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請(qǐng)據(jù)圖回答下列問(wèn)題：（1）代表蛋白質(zhì)工程操作思路的過(guò)程是_____；代表中心法則內(nèi)容的是________。(填寫(xiě)數(shù)字)（2）寫(xiě)出圖中各數(shù)字代表的生物學(xué)過(guò)程的名稱(chēng)或內(nèi)容：①______；