科学前沿 组装细胞课堂实录【1】

选修三1.4 蛋白质工程的崛起教案

课题

选修三1.4 蛋白质工程的崛起

1、

知识目标来源学#科#网课型

新授课

(1)举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 (2)简述蛋白质工程的原理。

教学

目标

2、

能力目标

尝试运用逆向思维分析和解决问题。

3、

情感目标

(1)关注蛋白质工程的发展

(2)适时渗透爱家乡教育。

1、教学重点 （1）开展蛋白质工程的研究的原因

重点

难点

（2）蛋白质工程的原理。教学难点

2、教学难点

蛋白质工程的原理。

教具

准备

多媒体课件制作

课时

1课时

安排

教学方法、教学手段与学法、学情

教学过程与教学内容

（一）新课导入

[提问]：如何让一种生物的性状在另一种生物中表达？

[总结]：在种内可以用常规杂交育种的办法实现，但要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流，就显得力不从心了。基因工程的诞生，为克服这一远缘杂交的障碍问题，带来了新的希望。于是取得了丰硕成果：大肠杆菌为人类生产出了胰岛素、干扰素，牛的乳腺生物反应器为人类制造出了蛋白质类药物，烟草植物体内含有了某种药物蛋白。至此，人们也只是实现了世界上现有基因在转基因生物中的表达。

但一个新问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它的结构、性能不能完全满足人类生产和生活的需要。例如：干扰素的保存问题。

[过渡]：要解决这些问题，要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们又开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。

（二）新课讲授

一、蛋白质工程崛起的缘由

1、引发蛋白质工程崛起的新问题：

天然蛋白质的结构和功能不能完全满足人类生产和生活的需要。

2、现有蛋白质不能满足人类需要的几个典型例子

如：干扰素可以用来治疗病毒的感染和癌症，但不能在体外保存；

玉米中赖氨酸的含量比较低；

（1）干扰素的体外保存

①具体问题：不能在体外保存

②解决的措施：将分子上一个半胱氨酸变成丝氨酸

（2）富含赖氨酸的玉米新品种培育

①具体问题：在玉米中含量低

②解决的措施：将天冬氨酸激酶的第352为的天冬酰胺变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中的第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸

二、蛋白质工程的基本原理

1、蛋白质工程流程

[提问]：对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现呢？为什么？

（1）中心法则：

基因

mRNA 形成氨基酸序列的多肽链 盘曲折叠成有一定空间结构的蛋白质 行使生物功能

[思考与讨论]P27[来源:学科网]

[提示]：1.首先应该根据三联密码子推出mRNA序列为GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C），再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）。

2.确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。

（2）蛋白质工程：

①原理：中心法则的逆推

②过程

：从预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 找到相应的脱氧核苷酸序列（基因）

③目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的

结构进行分子设计。

④实质：基因改造

2、蛋白质工程概念

蛋白质工程是指以蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰和基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。

前提：了解蛋白质的结构和功能。

原理：修饰基因（基因修饰或基因合成）

目的：设计一定分子结构的蛋白质

“异想天开”：根据以上蛋白质工程的原理，能不能根据人类需要的蛋白质的结构设计相应的基因，导入适合的细菌中，让细菌生产人类需要的蛋白质食品呢？

[提示]：理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。

来源学|科|网

三、蛋白质工程的进展与前景

1、进展：

（1）对胰岛素的改造，使其成为速效型药品。

（2）水蛭素改造

2、前景诱人：

探索将蛋白质工程应用于微电子方面。

用蛋白质工程制造的电子元件具有体积小、

耗电少和效率高的特点。

3、难度很大：来源学*科*网Z*X*X*K]

主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还

很不够。

[拓展] 1.

人类蛋白质组计划

类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。2003年，该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。

“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织／器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划，总部设在北京，目前有16个国家和地区的80多个实验室报名参加。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。

人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持。

2.酶工程

酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。（如加酶洗衣粉）

酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用，而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。

（三）课堂小结

师生共同小结

（四）课堂练习

课件展示习题

板

书

一、蛋白质工程崛起的缘由

二、蛋白质工程的基本原理

①原理：中心法则的逆推

1.4 蛋白质工程的崛起

②过程

：从预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 找到相应的脱氧核苷酸序列

③目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。

④实质：基因改造

三、蛋白质工程的进展与前景