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2019-2020年高中生物 1.4《蛋白質(zhì)工程的崛起》教學設計 新人教版選修3 一、 教學目標 1.舉例說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。 2.簡述蛋白質(zhì)工程的原理。 3.嘗試運用逆向思維分析和解決問題。 二、 教學重點和難點 1.教學重點 （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。 2.教學難點 蛋白質(zhì)工程的原理。 三、 教學策略 1.建議采用“問題—探究—新問題—再探究”的教學模式。 本節(jié)內(nèi)容是基因工程的延伸和發(fā)展。由于蛋白質(zhì)工程剛剛起步，學習內(nèi)容較少。如何學得充實，又讓學生悟出些終身學習的道理，建議采用“問題—探究—新問題—再探究”的教學模式。 新課一開始，可以帶領學生回憶原有知識：要想讓一種生物的性狀在另一種生物中表達，在種內(nèi)可以用常規(guī)雜交育種的辦法實現(xiàn)，但要使有生殖隔離的種間生物實現(xiàn)基因交流，就顯得力不從心了?；蚬こ痰恼Q生，為克服這一遠緣雜交的障礙問題，帶來了新的希望。于是取得了豐碩成果：大腸桿菌為人類生產(chǎn)出了胰島素，牛的乳腺生物反應器為人類制造出了蛋白質(zhì)類藥物，煙草植物體內(nèi)含有了某種藥物蛋白……至此，人們也只是實現(xiàn)了世界上現(xiàn)有基因在轉(zhuǎn)基因生物中的表達。但一個新問題出現(xiàn)了，生物產(chǎn)生的天然蛋白質(zhì)是在長期進化過程中形成的，它的結(jié)構(gòu)、性能不能完全滿足人類生產(chǎn)和生活的需要。為了加深這一點的認識，可調(diào)動學生從書中找實例（干擾素例子、工業(yè)用酶的例子）加以佐證。于是要對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進行改造，制造出目前從天然蛋白質(zhì)中找不到的蛋白質(zhì)。這樣人們又開始了新一輪的探索，蛋白質(zhì)工程應運而生了。 2.建議加強與已有知識的聯(lián)系，用逆向思維的方法解決新問題。 學生在必修課中已學習過中心法則及蛋白質(zhì)具有復雜的空間結(jié)構(gòu)等知識。中心法則告訴我們遺傳信息的流動方向如圖1-4所示。 圖1-4 遺傳信息的流動方向 這是學習新知識的基礎。既然蛋白質(zhì)的功能是由DNA決定的，那么要制造出新的蛋白質(zhì)，就要改造DNA。所以蛋白質(zhì)工程的原理應該是中心法則的逆推。結(jié)合課本中插圖，可以較明確地說明這一點。 還有兩點教學建議需要說明。第一，蛋白質(zhì)工程的誕生是有其理論與技術條件支撐的，正如課本中開頭描述的，它是隨著分子生物學、晶體學以及計算機技術的迅猛發(fā)展而誕生的，也與基因組學、蛋白質(zhì)組學、生物信息學的發(fā)展等因素有關（本書“前沿動態(tài)”中有簡要介紹）。第二，說明蛋白質(zhì)工程目前的現(xiàn)狀：成功的例子不多，主要是因為蛋白質(zhì)發(fā)揮其功能需要依賴于正確的空間結(jié)構(gòu)，而科學家目前對大多數(shù)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)了解很少。這樣學習，可以使學生認識到科學探索之路的漫長、艱辛和永無止境。 四、 答案和提示 （一）思考與探究 1.蛋白質(zhì)工程是應怎樣的需求而崛起的？ 提示（供教師在教學中參考）：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(jié)構(gòu)生物學對大量蛋白質(zhì)分子的精確立體結(jié)構(gòu)及其復雜的生物功能的分析結(jié)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。 下面舉一個如何通過蛋白質(zhì)工程來提高重組β-干擾素專一活性和穩(wěn)定性的例子。干擾素是一種抗病毒、抗腫瘤的藥物。將人的干擾素的cDNA在大腸桿菌中進行表達，產(chǎn)生的干擾素的抗病毒活性為106 U/mg，只相當于天然產(chǎn)品的十分之一，雖然在大腸桿菌中合成的β-干擾素量很多，但多數(shù)是以無活性的二聚體形式存在。為什么會這樣？如何改變這種狀況？研究發(fā)現(xiàn)，β-干擾素蛋白質(zhì)中有3個半胱氨酸（第17位、31位和141位），推測可能是有一個或幾個半胱氨酸形成了不正確的二硫鍵。研究人員將第17位的半胱氨酸，通過基因定點突變改變成絲氨酸，結(jié)果使大腸桿菌中生產(chǎn)的β-干擾素的抗病性活性提高到108 U/mg，并且比天然β-干擾素的貯存穩(wěn)定性高很多。 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(jié)構(gòu)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.蛋白質(zhì)工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？ 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(jié)構(gòu)→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.你知道酶工程嗎？絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)，酶工程與蛋白質(zhì)工程有什么區(qū)別？ 提示：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(gòu)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(jié)構(gòu)，然后由酶的分子結(jié)構(gòu)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。 （二）正文中討論題 某多肽鏈的一段氨基酸序列是：…—丙氨酸—色氨酸—賴氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—… 討論： （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）？ 答：（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。 （三）異想天開 能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設計相應的基因，導入合適的細菌中，讓細菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？ 提示：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(jié)構(gòu)非常復雜，人類對蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)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。 （四）旁欄思考題 1.你知道人類蛋白質(zhì)組計劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關系？我國科學家承擔了什么任務？ 提示：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.對天然蛋白質(zhì)進行改造，你認為應該直接對蛋白質(zhì)分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？ 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。 前沿動態(tài) 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(gòu)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.基因沉默 轉(zhuǎn)基因植物和轉(zhuǎn)基因動物中往往會遇到這樣的情況，外源基因存在于生物體內(nèi)，并未丟失或損傷，但該基因不表達或表達量極低，這種現(xiàn)象稱為基因沉默（gene silence）。這是基因工程中遇到的一個影響實際應用的重要問題。一般認為基因沉默有三種情況：位置效應的基因沉默、轉(zhuǎn)錄水平的基因沉默和轉(zhuǎn)錄后水平的基因沉默。如果外源基因整合到甲基化程度高、轉(zhuǎn)錄活性低的異染色質(zhì)上，一般不能表達，這種現(xiàn)象稱為位置效應產(chǎn)生的基因沉默。如果外源基因的啟動子產(chǎn)生甲基化，或者外源基因異染色質(zhì)化都會使外源基因不能轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄水平上的基因沉默。如果外源基因可以轉(zhuǎn)錄出mRNA，但mRNA不能積累，或被降解，或被相應的RNA或蛋白質(zhì)封閉，使之不能翻譯出蛋白質(zhì)，稱為轉(zhuǎn)錄后水平的基因沉默。 如何避免基因沉默呢？這是科學家一直在努力解決的問題之一。目前主要的對策是在構(gòu)建表達載體時，應可能避免外源基因與內(nèi)源序列同源性過高，或者選擇甲基化酶活性低的受體細胞，或選擇外源基因在生物體內(nèi)為單拷貝的轉(zhuǎn)基因生物。 3.無抗性選擇標記基因的策略 當前轉(zhuǎn)基因植物中大部分都是使用了抗生素抗性基因作為選擇標記基因，由于擔心這樣做會對人類健康和環(huán)境帶來負面影響，因此，科學工作者正在想辦法消除轉(zhuǎn)基因植物中的抗性基因。基本的做法有兩種：一是將抗性選擇標記基因和目的基因分別構(gòu)建在兩個不同的表達載體上，用這兩種載體同時轉(zhuǎn)化受體細胞，通過篩選和分子檢測找到同時含有抗性篩選標記基因和目的基因的植株，通過自交，在F1代分離時，由于抗性篩選標記基因和目的基因不是在一個表達載體上，它們整合到受體細胞染色體DNA上時不在同一個位點上，兩者相距較遠，不會連鎖，因此分離時可以將二者分開，分別存在于不同的植株中，這樣就可以得到含有目的基因而不含抗性篩選標記基因的植株。二是采用位點專一性重組系統(tǒng)，通過重組酶的作用將抗性篩選標記基因從轉(zhuǎn)基因植株的DNA中切除掉。 4.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(jié)構(gòu)基因組學　結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，獲得這些蛋白質(zhì)在整個生命活動中的三維結(jié)構(gòu)全息圖，即單個蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，以及蛋白質(zhì)與其他生物大分子結(jié)合后的復合體的三維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。