2019-2020年高中生物《蛋白質(zhì)工程的崛起》教案1 新人教版選修3.doc

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2019-2020年高中生物《蛋白質(zhì)工程的崛起》教案1 新人教版選修3 【本節(jié)重難點】 重點：1.為什么要開展蛋白質(zhì)工程的研究 2.蛋白質(zhì)工程的原理 難點：1.蛋白質(zhì)工程的原理 【知識精講】 教材梳理 知識點一 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(zhì)進行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。也就是說，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，是包含多學科的綜合科技工程領域。 說明：對本概念的理解應從以下幾個方面理解： 1.蛋白質(zhì)工程的基礎：蛋白質(zhì)分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系 2.蛋白質(zhì)工程的改造對象：改造蛋白質(zhì)的結構，本質(zhì)上是改造控制該蛋白質(zhì)合成的基因的結構。3.蛋白質(zhì)工程的產(chǎn)物：產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)。 知識點二 蛋白質(zhì)工程的原理：蛋白質(zhì)工程的目標——是根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結構進行分子設計。其基本途徑是從預期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設計預期的蛋白質(zhì)結構→推測應有的氨基酸序列→找到相對應的脫氧核苷酸序列（基因）。其流程圖如下： 知識點三 蛋白質(zhì)工程的實例：①.干擾素是動物體內(nèi)的一種蛋白質(zhì)，可治療病毒的感染和癌癥，但在體外保存相當困難，通過蛋白質(zhì)工程改造蛋白質(zhì)后可在－70℃條件下，保存半年。②.玉米體內(nèi)賴氨酸的含量比較低，關鍵是玉米體內(nèi)天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶濃度達到一定量時，就會抑制這兩種酶的活性，從而影響賴氨酸含量的提高，經(jīng)過蛋白質(zhì)工程改造這兩種酶后，分別使賴氨酸的含量提高了5倍和2倍。 說明：對該部分知識的學習不能局限于這兩個例子，更重要的是從中學習蛋白質(zhì)工程的原理和蛋白質(zhì)工程的基本途徑。 知識點四 蛋白質(zhì)工程的進展和前景：蛋白質(zhì)工程的進展向人們展示出誘人的前景，如：通過對胰島素的改造，使其成為一種速效性藥品，再如：將蛋白質(zhì)工程應用與微電子方面，制成電子元件，具有體積小、耗電少、效率高等優(yōu)點。但是由于蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于它的高級結構（空間結構），這是相當復雜的，所以，目前成功的例子還不多，還需要人們的努力?？傊?，蛋白質(zhì)工程的前景是光明的，道路是曲折的。 說明：學習該部分知識時要聯(lián)系蛋白質(zhì)的結構，特別要理解蛋白質(zhì)的空間結構對其功能的影響，如：高溫使蛋白質(zhì)的空間結構發(fā)生變化，導致蛋白質(zhì)變性；同時要根據(jù)所學知識，發(fā)揮自己的想象能力，解決如何在蛋白質(zhì)工程操作中不使蛋白質(zhì)的空間結構改變，而了解能行使正常功能的蛋白質(zhì)的結構？ 教材拓展 拓展點一 蛋白質(zhì)工程與基因工程的主要區(qū)別：蛋白質(zhì)工程主要是根據(jù)蛋白質(zhì)精細結構和生物活性的作用機制之間的關系，利用基因工程手段，按人類需要定向改造天然的蛋白質(zhì)分子，甚至創(chuàng)造新的自然界根本就不存在的、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，基因工程是通過基因操作把外援基因轉(zhuǎn)入適當?shù)纳矬w內(nèi)，并在其中進行表達，它的產(chǎn)品還是該基因編碼的天然存在的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)工程則更進一步，根據(jù)分子設計方案，通過對天然蛋白質(zhì)的基因進行改造來實現(xiàn)對其編碼的蛋白質(zhì)的改造，它的產(chǎn)品已不再是天然的蛋白質(zhì)，而是經(jīng)過改造的具有人類所需優(yōu)點的蛋白質(zhì)。天然蛋白質(zhì)是通過漫長進化過程，由自然選擇而來的，而蛋白質(zhì)工程對天然蛋白質(zhì)的改造好比在實驗室里加快了進化過程，能更快、更有效地為人類需要服務。 拓展點二 蛋白質(zhì)工程的內(nèi)容：蛋白質(zhì)工程的內(nèi)容主要有兩方面：一是根據(jù)需要設計具有特定氨基酸序列和空間結構的蛋白質(zhì)；二是確定蛋白質(zhì)的化學組成及空間結構與生物功能之間的關系。在此基礎上，實現(xiàn)從氨基酸序列預測蛋白質(zhì)的空間結構和生理功能，設計合成具有特定生理功能的全新蛋白質(zhì)，而氨基酸排序由基因決定，所以還需要改造控制蛋白質(zhì)合成的相應基因中脫氧核苷酸序列或人工合成所需要的自然界原本不存在的基因片段，用于蛋白質(zhì)工程。 總結：學法指導：學習蛋白質(zhì)工程時，要結合基因控制蛋白質(zhì)的合成過程、基因工程以及蛋白質(zhì)的生理功能等知識，只有在這些知識的基礎上，才能學好蛋白質(zhì)工程；同時，要關注當前關于蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，以加深對蛋白質(zhì)工程的理解。 【典題分類精析】 考點一、蛋白質(zhì)工程的概念 例1.以下關于蛋白質(zhì)工程的說法正確的是（ ） A、蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎 B、蛋白質(zhì)工程就是酶工程的延伸 C、蛋白質(zhì)工程就是用蛋白酶對蛋白質(zhì)進行改造 D、蛋白質(zhì)工程只能生產(chǎn)天然的蛋白質(zhì) 分析：本題考查蛋白質(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(zhì)進行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。所以，蛋白質(zhì)是以基因工程為基礎。蛋白質(zhì)工程是以基因工程為基礎，又稱為第二代基因工程。蛋白質(zhì)工程不僅能生產(chǎn)天然蛋白質(zhì)，還可以需要改造控制蛋白質(zhì)合成的相應基因中脫氧核苷酸序列或人工合成所需要的自然界原本不存在的基因片段，從而合成自然界中本來不存在的蛋白質(zhì)。 點評：正確理解蛋白質(zhì)工程的概念及與其它生物工程的關系，是解答本題的關鍵所在。 考點二、蛋白質(zhì)工程的原理 例2.科學家將β－干擾素基因進行定點突變導入大腸桿菌表達，使干擾素第17位的半胱氨酸改變成絲氨酸，結果大大提高了β－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 A.基因工程 B.蛋白質(zhì)工程 C.基因突變 D.細胞工程 分析：本題考查蛋白質(zhì)工程的原理及產(chǎn)物?；蚬こ淌峭ㄟ^對基因的操作，將符合人們需要的目的基因?qū)脒m宜的生物體，使其高效表達，從中提取所需蛋白質(zhì)，或表現(xiàn)出某種性狀，蛋白質(zhì)產(chǎn)品仍然為天然存在的蛋白質(zhì)。而蛋白質(zhì)工程卻是對控制蛋白質(zhì)合成的基因進行改造，從而實現(xiàn)對其編碼的蛋白質(zhì)的改變，所得到的已不是天然蛋白質(zhì)。題目中的操作涉及到的基因顯然不再是原來的基因，其合成的β－干擾素也不是天然的β－干擾素，而是經(jīng)過改造的，而是人類所需優(yōu)點的蛋白質(zhì)，因而整個過程利用的生物技術為蛋白質(zhì)工程。 大案:B 點評：對基因進行改造比對蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度較小，而且改造過的蛋白質(zhì)還可以遺傳下去。 考點三、蛋白質(zhì)工程的實例 例3.干擾素是動物體內(nèi)的一種蛋白質(zhì)，可以用來治療病毒的感染和癌癥，但在體外保存相當困難，如何長期保存，科學家發(fā)現(xiàn)干擾素中的一個半胱氨酸變成絲氨酸，可以保存半年。你來設想一下，能不能讓動物生產(chǎn)能夠長期儲存的干擾素？采用什么方法？ 分析：本題考查蛋白質(zhì)的原理及實例。根據(jù)題意，已知干擾素蛋白質(zhì)氨基酸序列，再根據(jù)科學家的發(fā)現(xiàn)，把干擾素的半胱胺酸換成絲氨酸，反推信使RNA堿基序列，再反推DNA堿基序列，然后進行基因改造，將改造的基因?qū)雱游锛毎湍苌a(chǎn)長期儲存的干擾素。 答案：能生產(chǎn)長期儲存的干擾素。用氨基酸序列反推信使RNA序列，再反推DNA序列，然后進行基因改造。 點評：解答本題的思路是：蛋白質(zhì)在體外保存時間短，是由于蛋白質(zhì)的結構決定的，影響辦法改變蛋白質(zhì)的結構，這樣自然想到應改變DNA的結構，即蛋白質(zhì)工程的原理及過程。 考點四、蛋白質(zhì)工程的進展和前景 27.某種微生物合成的蛋白酶與人體消化液中的蛋白酶的結構和功能很相似，只有對熱穩(wěn)定性較差，進入人體后容易失效?，F(xiàn)要將此酶開發(fā)成一種片劑，臨床治療食物的消化不良，最佳方案是 A.對此酶中的少數(shù)氨基酸替換，以改善其功能 B.將此酶與人蛋白酶進行拼接，形成新的蛋白酶 C.重新設計與創(chuàng)造一種全新的蛋白酶 D.減少此酶在片劑中的含量 分析：本題考查蛋白質(zhì)工程的進展與前景。蛋白質(zhì)的結構包括一級結構和空間結構，一級結構是指組成蛋白質(zhì)的氨基酸的種類、數(shù)量、排列順序，蛋白質(zhì)的功能是由其一級和空間結構共同決定，特別是空間結構與蛋白質(zhì)的功能關系更密切。要想使蛋白酶熱穩(wěn)定性有所提高，就要改變蛋白質(zhì)的結構，此類問題一般是對蛋白質(zhì)中的個別氨基酸進行替換。 答案：A 點評：目前對蛋白質(zhì)功能的改變，主要是改變蛋白質(zhì)中個別氨基酸，最根本的做法是改變控制合成該蛋白質(zhì)的基因的結構。 考點五、蛋白質(zhì)工程與基因工程的主要區(qū)別 例4.人類正常血紅蛋白（HbA）β鏈第63位氨基酸是組氨酸，其密碼子為CAU或CAC，當β鏈第63位組氨酸被酪氨酸（UAU或UAC）替代后，出現(xiàn)異常血紅蛋白質(zhì)（HbM），導致一種貧血癥，β鏈第63位組氨酸被精氨酸（CGU或CGC）所替代而產(chǎn)生的異常血紅蛋白（HbZ）將引起另一種貧血癥。 （1）寫出正常血紅蛋白基因中，決定β鏈第63位組氨酸密碼子的堿基組成。 （2）在決定β鏈第63 位組氨酸密碼子的DNA三個堿基對中，任何一個堿基對發(fā)生變化都將產(chǎn)生異常的血紅蛋白嗎？為什么？ （3）若將正常的基因片段導入貧血癥患者骨髓造血干細胞，則可以達到治療目的，請問：此操作屬于蛋白質(zhì)工程嗎？為什么？ 分析：（1）在基因中的堿基對的排列順序決定的信使RNA中堿基排列順序、信使RNA進入細胞質(zhì)后與核糖體結合起來，指導蛋白質(zhì)的合成，血紅蛋白異常，歸根到底是由于基因中堿基對的排列順序改變引起的，由于蛋白質(zhì)中的氨基酸主要有20種，而決定氨基酸的密碼子有61種，所以一種密碼子決定一種氨基酸，而一種氨基酸可以由幾種密碼子決定。 （2）在決定組氨酸密碼子的DNA三個堿基對中任意一個堿基發(fā)生變化不一定都產(chǎn)生異常的血紅蛋白，這是因為一種密碼子決定一種氨基酸，而一種氨基酸可以由幾種不同的密碼子來決定。 （3）基因工程是將外源基因轉(zhuǎn)移到受體細胞后，可以產(chǎn)生它本來不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，從而表現(xiàn)出新的性狀，實質(zhì)上，基因工程產(chǎn)生的只能是自然界已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)工程則是通過對基因進行加工修飾或進行基因合成，對現(xiàn)有的蛋白質(zhì)進行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，而題目中只將正常的外源基因?qū)氩∪思毎?，合成的都是天然存在的正常的蛋白質(zhì)，所以，不是蛋白質(zhì)工程，應屬于基因工程。 答案：（1） （2）不一定，原因是當 中的第三對堿基發(fā)生A、T→G、C或G、C→A、T的變化后，產(chǎn)生的密碼子分別為CAC或CAU，仍為組氨酸的密碼子，因而不會影響產(chǎn)生正常的血紅蛋白。 （3）不屬于蛋白質(zhì)工程，因為此操作是將健康的正常的目的基因?qū)胗腥毕莸氖荏w細胞，合成的蛋白質(zhì)仍為天然存在的蛋白質(zhì)，所以，不是蛋白質(zhì)工程，而是屬于基因工程技術。 點評：總結：基因中的堿基對發(fā)生改變不一定引起生物性狀的改變，原因有以下幾點：①基因堿基對改變，必將引起信使RNA上密碼子的改變，但由于一種蛋白質(zhì)可能對應著幾種不同的密碼子，所以，所控制的蛋白質(zhì)不一定發(fā)生改變 ②在①的基礎上，蛋白質(zhì)結構改變，該蛋白質(zhì)的功能不一定改變 ③如果該堿基對不在結構基因中，就不決定蛋白質(zhì)中氨基酸的序列，就不影響蛋白質(zhì)的結構和功能。 考點六、蛋白質(zhì)工程的內(nèi)容 例1．下列哪項不是蛋白質(zhì)工程的研究內(nèi)容 A.分析蛋白質(zhì)分子的精細結構 B.對蛋白質(zhì)進行有目的的改造 C.分析氨基酸的化學組成 D.按照人的意愿將天然蛋白資改造成新的蛋白質(zhì) 分析：本題考查蛋白質(zhì)的原理。蛋白質(zhì)工程就是根據(jù)蛋白質(zhì)的精細結構和生物活性之間的關系，按照人的意愿改造蛋白質(zhì)分子，形成自然界不存在的蛋白質(zhì)分子。為了改造某種蛋白質(zhì)分子，必須對其精細結構進行分析，但不包括組成蛋白質(zhì)的氨基酸的化學成分分析。 答案：C 點評：蛋白質(zhì)工程改造的對象是編碼蛋白質(zhì)的DNA序列。 【針對性練習】 1.蛋白質(zhì)工程的基礎是（ ） A.發(fā)酵工程 B.細胞工程 C.胚胎工程 D.基因工程 2．牛奶中含有乳球蛋白和酪蛋白等物質(zhì)，在奶汁的形成過程中，與上述物質(zhì)的合成和分泌有密切關系的細胞結構是 ( ) A.核糖體、線粒體、中心體、染色體 B．線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、核膜 C. 核糖體、線粒體、質(zhì)體、高爾基體 D．線粒體、核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體 3.下面各項中與蛋白質(zhì)工程沒有直接關系的是 A.利用各種高科技手段分析蛋白質(zhì)的分子結構 B.研究并改變某種蛋白質(zhì)相關基因的堿基序列 C.設計和制造自然界中沒有的人工蛋白質(zhì) D.用基因替換的方法治療人的某種遺傳病 4.下列與基因工程無關的是( ) A.培養(yǎng)利用“工程菌”生產(chǎn)胰島素 B.基因治療 C.蛋白質(zhì)工程 D.雜交育種 5.乳腺生物反應器可用于： A．動物抗病育種 B．分泌大量乳汁 C．生產(chǎn)藥用蛋白 D．治療人類疾病 6.已知氨基酸序列如何確定mRNA堿基序列 A.氨基酸的密碼子 B.基因堿基對序列 C.mRNA上U的位置 D.tRNA序列 7.關于蛋白質(zhì)工程的說法錯誤的是 A.蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)分子的結構，使之更加符合人類需要 B.蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分直接進行操作，定向改變分子結構 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，又被稱為第二代基因工程 8.下列哪項是基因工程與蛋白質(zhì)工程的主要區(qū)別 A.合成符合人類需要的蛋白質(zhì) B.將目的基因?qū)胧荏w細胞 C.基因的復制與表達 D.產(chǎn)品符合人類需要 9.下列那項是蛋白質(zhì)工程的內(nèi)容 A.合成目的基因 B.設計需要的蛋白質(zhì)分子 C.將兩個物種基因重組 D.基因治療 10.蛋白質(zhì)工程的重要方面是 A.合成基因 B.基因表達 C.蛋白質(zhì)分子設計 D.蛋白質(zhì)分子的改變 11.添加在洗衣粉中的某種酶在低溫下活性較低，影響了洗衣粉的洗衣效果。若讓你用生物工程的方法改變此酶的特性，首先考慮的是 A.基因工程 B.蛋白質(zhì)工程 C.誘變 D.細胞工程 12.蛋白質(zhì)工程中的蛋白質(zhì)分子設計的首要任務是 A.改變控制蛋白質(zhì)合成的基因 B.合成新基因 C.構建新蛋白質(zhì)的分子模型 D.弄清原來蛋白質(zhì)的結構與功能 13.下列各項與蛋白質(zhì)結構多樣性無關的是 A.氨基酸數(shù)目、種類、排列順序 B.構成蛋白質(zhì)的多肽鏈的數(shù)目 C.構成蛋白質(zhì)的肽鏈的空間結構 D.氨基酸至少含一個氨基和一個羧基 14.當前醫(yī)學上，第二代生物技術藥物正逐漸取代第一代多肽蛋白質(zhì)類替代治療劑。則第一代藥物與第二代重組藥物分別是 A.都與天然產(chǎn)物完全相同 B.都與天然產(chǎn)物不相同 C.第一代藥物與天然產(chǎn)物相同、第二代重組藥物與天然產(chǎn)物不同 D. 第一代藥物與天然產(chǎn)物不相同、第二代重組藥物與天然產(chǎn)物相同 15．下列說法正確的是 A．蛋白質(zhì)工程和基因工程的目的是獲得人類需要的蛋白質(zhì)，所以兩者沒有區(qū)別 B． 通過蛋白質(zhì)工程改造后的蛋白質(zhì)有的仍是天然的蛋白質(zhì) C．蛋白質(zhì)工程是在基因水平上改造蛋白質(zhì)的 D．蛋白質(zhì)工程是在蛋白質(zhì)分子水平上改造蛋白質(zhì)的 16.蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)是 A.改造蛋白質(zhì) B.改造mRNA C.改造基因 D.改造氨基酸 17.干擾素經(jīng)改造可以長期儲存，從蛋白質(zhì)水平上應改變的是 A.胱氨酸 B.精氨酸 C.谷氨酸 D.半胱氨酸 18.自然界中不存在的蛋白質(zhì)的合成首先應設計 A.基因結構 B.mRNA結構 C.氨基酸序列 D.蛋白質(zhì)結構 19.蛋白質(zhì)工程在設計蛋白質(zhì)結構時依據(jù)是 A.基因功能 B.蛋白質(zhì)功能 C.氨基酸序列 D.mRNA密碼子序列 20．（多選）蛋白質(zhì)工程根據(jù)被改造部位的多少，可以分為“大改”、“中改”、“小改”。其中屬于“小改”的是 A．設計并制造出自然界不存在的全新蛋白質(zhì) B．改造蛋白質(zhì)分子中某些活性部位的1個或幾個氨基酸殘基 C．在蛋白質(zhì)分子中替代某一肽段或結構域 D．通過定點誘變技術，以獲得人類所需要的目的蛋白質(zhì) 21.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？請把相應的堿基序列寫出來。 （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）？ 22．(7分)蛋白質(zhì)工程是指根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結構進行分子設計、生產(chǎn)的過程。下面是蛋白質(zhì)工程的基本途徑，試回答下列有關問題： 預期 蛋白質(zhì)功能 設計預期 蛋白質(zhì)結構 推測應有 氨基酸序列 推測相應基因中 脫氧核苷酸序列 ① ② ③ ④ 生產(chǎn)相應 蛋白質(zhì) （1）圖中③過程的主要依據(jù)是每種氨基酸都有其對應的　 　 ，后者位于　 　分子上，其上的核苷酸序列與基因中的脫氧核苷酸之間存在著　 　關系。 （2）通過③過程獲得的脫氧核苷酸序列不是完整的基因，要使這一序列能夠表達、發(fā)揮作用，還必須在序列的上、下游加上 　和　 　，在這個過程中需要 酶的參與。 （3）完成④過程需要涉及　 　技術。 【課后答案點撥】 思考與探究（P28） 1.解析：蛋白質(zhì)工程的崛起主要是工業(yè)生產(chǎn)和基礎理論研究的需要。而結構生物學對大量蛋白質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應用于工業(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。這是因為工業(yè)生產(chǎn)中每一步的反應體系中常常會有酸、堿或有機溶劑存在，反應溫度較高，在這種條件下，大多數(shù)酶會很快變性失活。提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個非常重要的課題。一般來說，提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性包括：延長酶的半衰期，提高酶的熱穩(wěn)定性，延長藥用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等。 在基礎理論研究方面，蛋白質(zhì)工程是研究多種蛋白質(zhì)的結構和功能、蛋白質(zhì)折疊、蛋白質(zhì)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(zhì)工程的研究，可以深入地揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)和生命活動的規(guī)律。 2.答：基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質(zhì)→折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質(zhì)的功能→蛋白質(zhì)應有的高級結構→蛋白質(zhì)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(zhì)。 3.解析：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(chǎn)、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(chǎn)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。α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖異構酶這三個酶連續(xù)作用于淀粉，就可以代替蔗糖生產(chǎn)出高果糖漿；蛋白酶用于皮革脫毛膠以及洗滌劑工業(yè)；固定化酶還可以治療先天性缺酶病或是器官缺損引起的某些功能的衰竭等。至于我們?nèi)粘Ｉ钪兴姷降募用赶匆路?、嫩肉粉等，就更是酶工程最直接的體現(xiàn)了。通常所說的酶工程是用工程菌生產(chǎn)酶制劑，而沒有經(jīng)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(zhì)工程的重點則在于對已存在的蛋白質(zhì)分子的改造。當然，隨著蛋白質(zhì)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(zhì)工程的一部分。 討論（P27） 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。 異想天開（P27） 解析：理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。一些報道利用細菌生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)往往都是自然界已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設計出來而自然不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級結構非常復雜，人類對蛋白質(zhì)的高級結構和在生物體內(nèi)如何行使功能知之甚少，很難設計出一個嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質(zhì)，而且一個嶄新的蛋白質(zhì)會帶來什么危害也是人們所擔心的。 旁欄思考題（P26） 1.解析：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一項重大的科學命題。xx年，國際人類蛋白質(zhì)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(zhì)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(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(zhì)，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(zhì)組計劃的深入研究將是對蛋白質(zhì)工程的有力推動和理論支持。 2.答：毫無疑問應該從對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下： （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，而且改造過的蛋白質(zhì)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)分子還是無法遺傳的。 （2）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。 【拓展閱讀】 1.動物乳腺生物反應器 1987年美國科學家戈登（Gordon）等人首次在小鼠的奶中生產(chǎn)出一種醫(yī)用蛋白──tPA（組織型纖溶酶原激活物），展示了用動物乳腺生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的可能性。利用動物乳腺生產(chǎn)高價值產(chǎn)品的方式稱為動物乳腺反應器。 為什么要用動物乳腺作為反應器生產(chǎn)高價值的蛋白質(zhì)產(chǎn)品呢？這是因為動物乳房是一種高度分化的專門化腺體，合成蛋白質(zhì)的能力非常強，尤其是一些經(jīng)過長期的遺傳改良，專門產(chǎn)奶的乳用動物品種，蛋白質(zhì)合成能力更是驚人。一頭優(yōu)質(zhì)奶牛，一年可產(chǎn)奶10 000 kg。即便是一只奶山羊，一年也可產(chǎn)奶2 000 kg。 動物乳腺生物反應器歸納起來有四大優(yōu)點：①產(chǎn)量高，且易收獲目標產(chǎn)品，可以隨乳汁分泌而排出動物體外；②目標產(chǎn)品的質(zhì)量好。動物乳腺組織不僅具有按遺傳信息流向合成蛋白質(zhì)的能力，而且具備一整套對蛋白進行修飾和加工的能力，如糖基化、羧化、磷酸化以及分子組裝等，而微生物和植物系統(tǒng)都不具備這種全面的蛋白質(zhì)后加工能力；③產(chǎn)品成本低；④從奶牛中提取產(chǎn)品，操作比較簡單。 正因為利用動物乳腺生物反應器生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品有上述優(yōu)點，目前利用動物乳腺生物反應器生產(chǎn)醫(yī)用蛋白質(zhì)已成為一種風險投資產(chǎn)業(yè)，受到科學家、商界和醫(yī)藥界的高度重視。目前瞄準的目標醫(yī)藥產(chǎn)品有：①血液蛋白質(zhì)，如表1-2所示，這些血液蛋白質(zhì)有巨大的經(jīng)濟效益，其中利用奶牛生產(chǎn)的凝血酶Ⅲ已通過第三期臨床實驗，即將投放市場。②第二代醫(yī)用蛋白質(zhì)，主要有抗體、降鈣素、人的生長激素、胰島素等藥物蛋白，乳白蛋白、乳鐵蛋白等營養(yǎng)蛋白，疫苗，組織修復物等。③生產(chǎn)“人源化牛奶”，即用成人的乳蛋白基因替代牛的乳蛋白基因，使牛奶變成像人奶的一種基因工程奶。 表1-2 一些醫(yī)用蛋白質(zhì)的需求情況 　　　　第8因子　第9因子　C蛋白　凝血酶Ⅲ　抗胰蛋白酶　血纖蛋白原　白蛋白 市場需求量　304 g　　 4 kg　　10 kg　 21 kg　　　5 t　　　150 kg　　　315 t 單價（美元/g）290萬　　4萬　　 1萬　　 7 000　　 500　　 1 000　　 3.50 總價值（億美元）8.82　　1.60　　1.00　 1.50　　　 2.50　　 1.50　 11.20 動物乳腺生物反應器的做法與轉(zhuǎn)基因動物的操作是相同的，只是為了將目標產(chǎn)品在乳汁中形成，需要使用乳腺組織中特異表達的啟動子，即在目標產(chǎn)品蛋白質(zhì)編碼框的前面加上乳腺組織中特異表達的啟動子等，構建成表達載體后通過注射導入受精卵中，再將其送入母體動物內(nèi)，發(fā)育成動物個體，這個轉(zhuǎn)基因動物就會在奶中產(chǎn)生所需要的目標產(chǎn)品。 2.當前生命科學中的幾個前沿研究領域 基因組學　基因組學是闡明各種生物基因組DNA中堿基對的排列順序，破譯相關的遺傳信息的學科。目前除人類基因組的測序工作已完成外，水稻基因組、擬南芥基因組、雞基因組等也已完成，這些工作的相繼完成為揭示生命奧秘提供了基本的資料。 功能基因組學　基因組測序工作的完成只是為人類從基因水平認識生命本質(zhì)，提供了基本的資料。功能基因組學就是要揭示每個基因在生命活動中的具體功能，為勾畫整個生命藍圖，充分利用基因資料打下基礎。發(fā)現(xiàn)新的功能基因和新的基因功能的確定，從而獲得知識產(chǎn)權，已成為當前生命領域世界各國競相爭奪的“制高點”。 結構基因組學　結構基因組學是繼人類基因組計劃之后又一個大的科學熱點，是在生物的整體水平測定出全部蛋白質(zhì)分子的三維結構，以及蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)與核酸之間、蛋白質(zhì)與多糖之間、蛋白質(zhì)和核酸以及多糖之間的精細三維結構，獲得這些蛋白質(zhì)在整個生命活動中的三維結構全息圖，即單個蛋白質(zhì)的三維結構，以及蛋白質(zhì)與其他生物大分子結合后的復合體的三維結構狀態(tài)與生命活動的關系，從而在生命整體水平上理解生命的原理。結構基因組學的研究進展，將對人類疾病機理的闡明、疾病的防治有重要意義。 蛋白質(zhì)組學　蛋白質(zhì)組學是獨立于基因組學發(fā)展的一門新興的前沿學科。它是研究一個完整的生物體（或細胞等）所表達的所有蛋白質(zhì)的特征，包括蛋白質(zhì)的表達水平，翻譯后的修飾，蛋白質(zhì)之間的相互作用等，從蛋白質(zhì)水平上全面認識生物體的生理活動和病理過程。 生物信息學　生物信息學是綜合運用生物學、信息學、數(shù)學以及計算機科學等諸多學科的理論和方法，處理和分析大規(guī)模復雜的生物信息的交叉學科。從浩瀚的生物信息數(shù)據(jù)中找出某些規(guī)律和共同點，從而揭示生命的奧秘和利用對人類有用的生物信息。 【五年高考及經(jīng)典模擬回放】 1．［xx濰坊模擬］1982年，美國科學家將人的生長素基因和牛的生長素基因分別注射到小白鼠的受精卵中得到了體型巨大的“超級小鼠”。此項研究遵循的原理是（ ） A DNA---RNA---蛋白質(zhì) B RNA---DNA---蛋白質(zhì) C DNA---蛋白質(zhì)---RNA D RNA---蛋白質(zhì)---DNA 答案：A 解析：生長素基因能夠通過轉(zhuǎn)錄和翻譯產(chǎn)生生長素，此過程可以用DNA---RNA---蛋白質(zhì)表示。 2．［xx濰坊模擬］蛋白質(zhì)工程中對蛋白質(zhì)分子進行設計時，主要包括哪幾種？（ ） ①進行少數(shù)氨基酸的替換②對不同來源的蛋白質(zhì)的拼接③從氨基酸的排列順序出發(fā)設計全新的蛋白質(zhì)④直接改變蛋白質(zhì)的空間結構 A．①② B．①②③ C．②③④ D．①②④ 答案：B 解析：蛋白質(zhì)工程中對蛋白質(zhì)分子進行設計時，不能直接改變蛋白質(zhì)的空間結構。但是能進行少數(shù)氨基酸的替換，能對不同來源的蛋白質(zhì)進行拼接，能夠從氨基酸的排列順序出發(fā)設計全新的蛋白質(zhì)。故本題的正確的答案為B。 3. ［xx泰安模擬］關于基因工程和蛋白質(zhì)工程的說法正確的是（ ） A．都是分子水平上的操作 B．基因工程就是改造基因的分子結構 C．蛋白質(zhì)工程就是改造蛋白質(zhì)的分子結構 D．基因工程能產(chǎn)生自然界根本不存在的基因，蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生自然界根本不存在的蛋白質(zhì) 答案：A 解析：基因工程的操作對象是基因，屬于分子水平；蛋白質(zhì)工程的操作對象是蛋白質(zhì)分子，二者都屬于分子水平的操作。 4．［xx安丘模擬］蛋白質(zhì)工程是新崛起的一項生物工程，又稱第二代基因工程。下圖示意蛋白質(zhì)工程流程，圖中A、B在遺傳學上依次表示 A．轉(zhuǎn)錄和翻譯 B．翻譯和轉(zhuǎn)錄 C．復制和轉(zhuǎn)錄 D．傳遞和表達 答案：A 解析：在遺傳學上，把由DNA到mRNA的過程稱為轉(zhuǎn)錄，由mRNA到蛋白質(zhì)的過程稱為翻譯。 5. ［xx太原模擬］蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是（ ） ①蛋白質(zhì)分子結構設計 ②DNA合成 ③預期蛋白質(zhì)功能 ④據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列 A.①→②→③→④ B.④→②→①→③ C.③→①→④→② D.③→④→①→② 答案：C 解析：蛋白質(zhì)工程的基本流程是：預期蛋白質(zhì)功能，蛋白質(zhì)分子結構設計，據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列，DNA合成。 6. ［xx湛江模擬］蛋白質(zhì)工程制造的蛋白質(zhì)是（ ） A.天然蛋白質(zhì) B.稀有蛋白質(zhì) C.自然界中不存在的蛋白質(zhì) D.肌肉蛋白 答案：C 解析：蛋白質(zhì)工程可以通過一定的技術手段改造蛋白質(zhì)的結構，制造出自然界中不存在的蛋白質(zhì)，大大豐富了自然界中蛋白質(zhì)的種類。 7.［xx蕭山模擬］下列各項中不屬于蛋白質(zhì)工程在醫(yī)學上應用的是（ ） A.基因芯片用于HIV診斷 B. t-PA用于醫(yī)治心肌梗死 C.速效胰島素用于治療糖尿病 D. 人—鼠嵌合抗體用于識別、殺傷腫瘤細胞 答案：A 解析：基因芯片用于HIV診斷屬于基因工程中的基因診斷，不屬于蛋白質(zhì)工程。 8. ［xx濰坊模擬］枯草桿菌產(chǎn)生的蛋白酶具有催化分解蛋白質(zhì)的特性，但極易被氧化而失效。1985年，美國的埃斯特爾將枯草桿菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替換后，雖然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用這種水解酶作為洗滌劑的添加劑，可以有效地除去血漬、奶漬等蛋白質(zhì)污漬。 （1）改造枯草桿菌蛋白酶的生物技術是 。 （2）改造后的枯草桿菌中的控制合成蛋白酶的基因與原來相比，至少有 個堿基對發(fā)生變化。 （3）利用生物技術改造蛋白質(zhì)，是提高了蛋白質(zhì)的 性，埃斯特爾所作的工作是對已知蛋白質(zhì)進行 。 答案：（1）蛋白質(zhì)工程 （2）1 （3）穩(wěn)定 少數(shù)氨基酸的替換 解析：本題考查蛋白質(zhì)工程的有關問題?；蛑械?個堿基對決定mRNA上3個堿基，mRNA上3個堿基決定一個氨基酸。利用生物技術改造蛋白質(zhì)能夠提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。