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新教材生物学人教版选择性必修3生物技术与工程
第3章第4节教学设计
第3章基因工程
第4节蛋白质工程的原理和应用
目录
一、核心素养对接
二、必备知识
三、探究实践
四、深化归纳
五、应用创新
第3章基因工程
第4节蛋白质工程的原理和应用
一、核心素养对接
1．运用结构与功能观，说明蛋白质工程设计的原理。
2．基于实例，采用模型与建模、归纳与概括等方法，表示蛋白质工程的基本思路。
二、必备知识
（一）蛋白质工程的概念
1．基础
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
2．操作方法
改造或合成基因。
3．结果
改造现有的蛋白质，或制造一种新的蛋白质。
4．目的
获得满足人类生产和生活的需求的蛋白质。
5．与基因工程的关系
在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。
（二）蛋白质工程崛起的缘由
1．基因工程的实质和不足
(1)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)基因工程存在的不足：原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。
2．蛋白质工程的崛起
(1)理论和技术条件：分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
(2)天然蛋白质存在不足：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。
(3)实例
蛋白质缺陷
改造措施
改造后效果
玉米中赖氨酸含量低
赖氨酸合成中两种酶的氨基酸被替换
玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍
（三）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
改造基因或合成基因。
微思考
为什么蛋白质工程不是直接改造蛋白质而是通过基因改造和基因合成来完成？
提示：(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，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。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下去的。(2)对基因进行改造比对蛋白质进行直接改造容易操作，难度小得多。
3．基本思路
基于蛋白质的合成过程和蛋白质工程的基本思路，完成下列填空：
①蛋白质②多肽链③mRNA④目的基因
A推测应有的氨基酸序列
B找到并改变基因或合成新的基因
C转录
D翻译
微思考
如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？说明你的理由。
提示：不唯一，因为一种氨基酸有一种或多种密码子，因此获得的基因总的碱基排列顺序有多种。
（四）蛋白质工程的应用
1．在医药工业方面的应用
(1)研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造胰岛素基因使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，研发出速效胰岛素类似物。
(2)提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，提高了干扰素的保存时间。
(3)改造抗体：将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。
2．在其他工业和农业方面的应用
(1)改进酶的性能或开发新的工业用酶：利用蛋白质工程获得蛋白酶的多种突变体。
(2)改造某些重要的酶：利用蛋白质工程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。
判一判(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构。 (×)
提示：蛋白质工程中直接改造的是基因，不是蛋白质。
2．蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子。 (√)
3．实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系。 (√)
4．基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。 (×)
提示：蛋白质工程的基本思路是按照中心法则相反的过程进行的。
5．根据某多肽链的一段氨基酸序列，可以很容易地确定控制该肽链合成的基因的脱氧核苷酸序列。 (×)
提示：由于密码子的简并，根据某多肽链的一段氨基酸序列，不能确定基因的脱氧核苷酸序列。
6．蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为人们对蛋白质复杂的高级结构没有完全认识。 (√)
三、探究实践
核心点一：蛋白质工程的原理和应用
合作探究
科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。如图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程。
1．改造鼠源杂交瘤抗体，是对人抗体和鼠抗体直接进行操作吗？操作的思路应该是什么？
提示：不是对人抗体和鼠抗体进行直接操作。操作的思路是根据需要设计出人—鼠抗体的结构，推测出氨基酸的序列和基因的碱基序列，对小鼠的基因进行改造，最后扩增该基因并通过基因工程生产鼠—人嵌合抗体。
2．经过改造的鼠—人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是什么？
提示：对人体的不良反应
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