11.4蛋白质工程的崛起目标导航1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.结合教材图129，简述蛋白质工程的基本原理及蛋白质工程的进展和前景。重难点击蛋白质工程的基本原理。课堂导入方式一：人类可以创造出自然界不存在的蛋白质吗？答案是肯定的。例如：科学家已生产出一种以前必须从南极鱼类身体中提取的抗冻蛋白质。这一技术可用于储存大量新鲜的动植物和人类的组织细胞，防止形成冰晶，破坏脆弱的细胞膜和细胞的内部结构。你想了解这方面的知识吗？请跟着我一起学习：蛋白质工程的崛起。方式二：基因工程的诞生，为克服远缘杂交的障碍问题，带来了新的希望，并取得了丰硕成果：大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，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，人们也只是实现了自然界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。于是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。一、蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实质将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。2.蛋白质工程(1)崛起缘由基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。(2)实例体外很难保存体外70 下可以保存半年提高玉米赖氨酸含量(改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍)合作探究1.基因工程的优势与不足分别是什么？答案(1)优势：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。这是基因工程的实质。(2)不足：原则上基因工程只能生产自然界中已存在的蛋白质。2.蛋白质工程的实例：(1)经改造的干扰素基因合成的干扰素和原来的相比，在结构和功能上有什么改变？答案经改造的干扰素，其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，结果大大提高该干扰素在体外储存的稳定性。(2)可以通过哪些途径提高玉米中的赖氨酸含量？答案可以将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米，可以改变赖氨酸合成途径中关键酶的活性。(3)为什么改变一个氨基酸就可以改变蛋白质的稳定性甚至某种蛋白质的活性？答案蛋白质的结构是由其氨基酸组成决定的，个别氨基酸的改变就会导致其结构的改变，从而影响到其性质和功能。1.判断正误(1)基因工程能生产自然界中不存在的蛋白质()(2)蛋白质工程的主要目的是对现有蛋白质进行改造或生产新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需要()(3)蛋白质工程可以直接改造蛋白质，也可以制造出新的蛋白质()(4)为延长干扰素保存时间，需要替换氨基酸；为提高玉米中赖氨酸含量，需要在蛋白质中加入赖氨酸()答案(1)(2)(3)(4)2.将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞，可以提高玉米中的赖氨酸含量；更换赖氨酸形成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，使两种酶的活性提高，也可以提高玉米中的赖氨酸含量。以上两种技术分别属于()A.基因工程、基因工程B.蛋白质工程、蛋白质工程C.基因工程、蛋白质工程D.蛋白质工程、基因工程答案C解析富含赖氨酸的蛋白质是自然界中已有的蛋白质，基因工程只是把该蛋白质基因转入玉米细胞，并使之合成该蛋白质；更换赖氨酸合成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，是对自然界中已有的蛋白质进行改造，属于蛋白质工程。一题多变上述两种提高玉米中赖氨酸含量的技术的实质相同吗？为什么？_。答案不相同。蛋白质工程的实质是定向改造或生产人类所需蛋白质，基因工程的实质是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品二、蛋白质工程的基本原理、进展和前景1.蛋白质工程的基本原理概念基础蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系手段通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质目的获得满足人类生产和生活需求的蛋白质原理由预期的蛋白质功能找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)目标根据人们对蛋白质功能的特定需求对蛋白质结构进行分子设计基本流程预期蛋白质的功能设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列2.蛋白质工程的进展和前景(1)进展医药方面：科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。电子方面：生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面，用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。(2)前景和存在的问题：蛋白质工程前景是诱人的，但难度却很大，尤其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。合作探究1.蛋白质工程为什么需直接改造基因，而不直接改造蛋白质？答案(1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传的。(2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。2.基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？为什么？答案都遵循中心法则。基因工程指导合成天然蛋白质的过程是遵循中心法则的；蛋白质工程操作时，经改造的基因表达所需要的蛋白质仍需遵循中心法则。3.蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质相同吗？分别体现在哪些方面？答案不同。(1)操作对象不同：蛋白质工程的操作对象是天然基因改造后的基因；基因工程的操作对象是天然基因。(2)得到的蛋白质不同：蛋白质工程可以得到自然界没有的新的蛋白质；基因工程得到的是自然界原有的蛋白质。4.科学家对胰岛素进行改造是否要获得相应的目的基因？如何获得？答案要获得。应该以现有的胰岛素结构为基础，设计满足新功能需要的新结构，推测出相关的氨基酸序列，然后根据密码子找出相应的DNA序列，再进行人工合成得到目的基因。3.下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是_；代表中心法则内容的是_(填写数字)。(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：_；_；_；_；_。(3)蛋白质工程的目的是_，通过_实现。(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是_的。问题导析(1)天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的。(2)蛋白质工程的基本途径与上述过程相反，即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对应的脱氧核苷酸序列(基因)。答案(1)(2)转录翻译折叠分子设计DNA合成(3)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基因合成或改造(4)相反4.科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品，阅读教材，结合资料完成下述分析。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题：(1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是_。(2)通过人工合成DNA形成的新基因应与_结合后转移到_中才能得到准确表达。(3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有_、_和发酵工程。(4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是_。答案(1)蛋白质的预期功能(2)载体大肠杆菌等受体细胞(3)蛋白质工程基因工程(4)根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因基因工程和蛋白质工程的对比比较项目基因工程蛋白质工程操作对象天然基因改造基因操作水平DNA分子水平DNA分子水平基本过程目的基因的获取基因表达载体的构建将目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定预期的蛋白质功能设计预期的蛋白质结构推测蛋白质应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列合成DNA表达出蛋白质结果生产人类需要的基因产物(自然界已有的蛋白质)可以生产自然界没有的、不存在的新蛋白质联系蛋白质工程是以基因工程为基础的1.蛋白质工程的基本流程正确的是()蛋白质分子结构设计DNA合成预期蛋白质功能据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A.B.C.D.答案C解析蛋白质工程是根据人们的需要首先要预期相应功能，然后对其空间结构进行设计，目前这一步是科学家们仍未完全掌握的，根据相应的氨基酸序列推导出基因中的碱基序列，再利用人工合成法合成相应的目的基因。2.蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是()A.蛋白质工程能生产人类需要的基因产物B.蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质C.蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现D.蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第三代基因工程答案B解析蛋白质工程通过基因修饰或基因合成，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，是延伸出来的第二代基因工程。3.以下蛋白质工程中，目前已成功的是()A.对胰岛素进行改造，生产速效型药品B.蛋白质工程应用于微电子方面C.生产体外耐储存的干扰素D.用蛋白质工程生产血红蛋白答案A解析A已经实现，B、C、D三项目前尚未实现，只是蛋白质工程的发展前景，有待于进一步研究和设计。4.蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质的原因是()A.缺乏改造蛋白质所必