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蛋白质工程的原理和应用[学习目标] 1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。
2.简述蛋白质工程的基本原理。
1．蛋白质工程(1)基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
(2)手段：通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质。
(3)目的：获得满足人类生产和生活需求的蛋白质。
(4)困难：蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。
2．蛋白质工程崛起的缘由(1)崛起缘由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基因工程的不足：基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。
③天然蛋白质的不足：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：提高玉米赖氨酸含量天冬氨酸激酶(第352位为苏氨酸)――→改造天冬氨酸激酶(第352位为异亮氨酸)二氢吡啶二羧酸合成酶(第104位为天冬酰胺)――→改造二氢吡啶二羧酸合成酶(第104位为异亮氨酸)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。
3．蛋白质工程的基本原理(1)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设计改造。
(2)方法：改造或合成基因。
(3)基本思路：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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
4．蛋白质工程的应用(1)医药工业方面①科学家通过对胰岛素基因的改造，研发出速效胰岛素类似物产品。
改造干扰素(丝氨酸)②干扰素(半胱氨酸)――→↓在一定条件下，可以延长保存时间③人－鼠嵌合抗体：降低免疫反应强度。
(2)其他工业方面用于改进酶的性能或开发新的工业用酶，如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。
(3)农业方面①科学家尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
教学设计课程基本信息学科高中生物年级高二学期秋季课题蛋白质工程的原理和应用教学目标1.说出蛋白质工程崛起的缘由；2.概述蛋白质工程的基本原理；3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
教学内容教学重点：1.蛋白质工程的基本原理；2.依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
教学难点：1.蛋白质工程的基本原理；2.依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
教学过程一、教材分析本节内容分为三个部分。
首先阐述蛋白质工程崛起的缘由，教材在这部分引导学生分析了进行蛋白质工程研究的原因，并且通过实例说明了开展蛋白质工程研究的意义。
“蛋白质工程的基本原理”部分，需要学生结合在必修2课程中学过的中心法则知识，以及刚学过的基因工程知识来进行学习。
并进一步通过“思考·讨论”活动，让学生思考、分析，加深对原理的理解。
旁栏中的资料内容体现了蛋白质工程的发展除了需要基础理论的支撑，还需要多种技术的支持，其中不仅有生物技术，还有其他学科领域的技术，这可以让学生认识到多学科相互渗透、融合是现代科技发展的总趋势。
关于蛋白质工程的应用，教材首先创设了科学家改造胰岛素的情境来说明依据人类需要对蛋白质进行改造、获得目标蛋白的过程，并列举了蛋白质工程在工农业生产中应用的实例。
二、学情分析本节课是这个单元的最后一节，内容建立在重组DNA技术的基本工具、基因工程的基本操作程序、以及基因工程的应用的基础之上。
学生已经懂得如何利用重组DNA技术的基本工具，通过基因工程的基本操作程序生产所需蛋白质。
三、教学目标（1）运用结构与功能观等观点，结合中心法则有关知识，说明蛋白质工程的基本原理（生命观念）。
（2）基于蛋白质工程的实例，采用模型与建模、归纳与概括等方法，用文字图示或模型的形式表示蛋白质工程的基本思路（科学思维）。
（3）尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，运用逆向思维设计或改造某一蛋白质的设计流程（科学探究）。
蛋白质工程的原理和应用必备知识基础练1.下列有关基因工程与蛋白质工程的叙述,正确的是()A.蛋白质工程与基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质,所以二者没有区别B.基因工程是蛋白质工程的关键技术C.通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍然是天然的蛋白质D.蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的,而蛋白质工程可以生产自然界中没有的新的蛋白质,两者存在区别,A项错误;蛋白质工程本质上是通过基因修饰或基因合成来完成对蛋白质分子的改造,是在基因工程的基础上发展出的第二代基因工程,B项正确;蛋白质工程改造后的蛋白质可能是自然界中没有的新的蛋白质,C项错误;蛋白质工程本质上是改造基因,不是直接改造蛋白质分子,D 项错误。
2.(2021安徽淮南一中高二期中)下图所示是利用蛋白质工程生产保存时间更久的干扰素(一种糖蛋白)的核心流程,下列叙述正确的是()A.该过程得到的干扰素与自然界中的干扰素相同B.图中③过程得到的脱氧核苷酸序列往往是唯一的C.蛋白质工程的基础是蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系D.蛋白质工程是通过对蛋白质的结构进行修饰或合成来操作的,该过程得到的干扰素是经过改造的,与自然界中的干扰素不相同,A项错误;由于密码子的简并性,图中③过程得到的脱氧核苷酸序列往往不是唯一的,B项错误;结构决定功能,蛋白质工程的基础是蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系,C项正确;蛋白质工程是通过对基因的结构进行修饰或合成来操作的,D项错误。
3.下图为蛋白质工程的流程图,下列说法正确的是()A.利用蛋白质工程制造出的蛋白质都是自然界本来就有的B.蛋白质工程是一项完全摆脱基因工程技术的全新的生物工程技术C.过程a、b分别是转录、翻译D.蛋白质工程不可能构建出一种新的基因,蛋白质工程可以生产自然界中不存在的蛋白质,A项错误;蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程,B项错误;据图可知,过程a、b分别是转录、翻译,C项正确;蛋白质工程中可根据预期蛋白质的结构构建出一种全新的基因,D项错误。
【成才之路】2016高中生物专题1 第4节蛋白质工程的崛起同步练习新人教版选修3一、选择题1．蛋白质工程制造的蛋白质是( )A．天然蛋白质B．稀有蛋白质C．自然界中不存在的蛋白质D．血红蛋白质[答案] C2．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，而不是直接改造蛋白质的原因是( )A．缺乏改造蛋白质所必需的工具酶B．改造基因易于操作且改造后能够遗传C．人类对大多数蛋白质高级结构知之甚少D．蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大[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。
蛋白质工程的直接操作对象是基因，并且改造后能够遗传；若直接改造蛋白质，其性状不能遗传。
3．蛋白质工程的基本流程是( )①蛋白质分子结构设计②DNA合成③预期蛋白质功能④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A．①→②→③→④B．④→②→①→③C．③→①→④→②D．③→④→①→②[答案] C4．蛋白质工程的基础是( )A．基因工程B．细胞工程C．发酵工程D．酶工程[答案] A[解析] 蛋白质工程是基因工程的延续，是在基因工程基础上发展起来的。
进行蛋白质分子设计后，需要应用高效的基因工程来进行蛋白质的合成。
5．蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是( )A．基因工程原则上能生产任何蛋白质B．蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造，则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。
6．下列关于蛋白质工程应用的叙述不正确的是( )A．蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳定性B．通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性C．利用蛋白质工程可以在大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素D．蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰，合成速效型胰岛素制剂[答案] C[解析] 蛋白质工程是依据人们设计的蛋白质分子结构，来改造基因，进而控制合成新的蛋白质或改变自然界中的蛋白质，而在大肠杆菌中生产人胰岛素利用基因工程技术便可达到。
蛋白质工程的原理和应用课堂互动探究案（答案在最后）课程标准1.概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能符合人类要求的蛋白质。
2．举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
素养达成1.说明基因的碱基排列顺序—蛋白质的结构—蛋白质功能的关系。
(生命观念)2．尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计改造某一蛋白质的设计流程。
(科学思维)设疑激趣由血栓引起的心脑血管疾病给人类健康造成极大危害，溶栓疗法是治疗血栓的重要措施。
组织型纤溶酶原激活物(t－PA)能激活纤溶酶原转化为纤溶酶，将沉积在血管内外的纤维蛋白溶解，而保持血管畅通。
但t－PA用于溶栓治疗时具有一定的局限性，它进入血浆后大部分与纤溶酶原激活剂抑制物形成复合物，并迅速失去活性。
利用蛋白质工程技术对t－PA进行改造，就可以消除上述缺点，增加溶栓效能、减少药用剂量和降低副作用等(如图)。
人类是怎样实现对蛋白质的定点改造的？这种改造对蛋白质的结构和功能有什么影响？夯基提能·分层突破——互动·探究·智涂学习主题一蛋白质工程的原理、操作及应用活动1蛋白质工程的目标是生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质。
结合图示回答有关问题：1．写出流程图中字母代表的含义：A.______________________；B.____________________；C.____________________；D.________________________；E.________________________。
2．上图字母中属于中心法则的过程有________，属于蛋白质工程的过程有________。
3．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？原因是什么？4．某同学认为只要知道了氨基酸的序列就可以利用蛋白质工程制造出各种特定功能的蛋白质，你认为他的说法科学吗？说明你的理由。
