高中生物 14蛋白質(zhì)工程的崛起難點(diǎn)剖析 新人教版選修3

1、難點(diǎn)剖析知識(shí)·巧學(xué)一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由蛋白質(zhì)工程的崛起主要是工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)理論研究的需要。而結(jié)構(gòu)生物學(xué)對(duì)大量蛋白質(zhì)分子的精確立體結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜的生物功能的分析結(jié)果，為設(shè)計(jì)改造天然蛋白質(zhì)提供了藍(lán)圖。分子遺傳學(xué)以定點(diǎn)突變?yōu)橹行牡幕虿僮骷夹g(shù)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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)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?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)中每一步的反應(yīng)體系中常常會(huì)有酸、堿或有機(jī)溶劑存在，反應(yīng)溫度較高，在這種條件下，大多數(shù)酶會(huì)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(gè)非常重要的課題。一般來(lái)說，

2、提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性包括：延長(zhǎng)酶的半衰期，提高酶的熱穩(wěn)定性，延長(zhǎng)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。在基礎(chǔ)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(shè)計(jì)等一系列分子生物學(xué)基本問題的一種新型的、強(qiáng)有力的手段。通過對(duì)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(dòng)的規(guī)律。疑點(diǎn)突破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(jìn)行表達(dá)，產(chǎn)生的干擾素的抗病毒活性為106 U/mg，只相當(dāng)于天然產(chǎn)品的十分之一，雖然在大腸桿菌中合成的干擾素量很多，但多數(shù)是以無(wú)活性的二聚體形式存在。為什么會(huì)這樣？如何改變這種狀況？研究發(fā)現(xiàn)，

3、干擾素蛋白質(zhì)中有3個(gè)半胱氨酸（第17位、31位和141位），推測(cè)可能是由一個(gè)或幾個(gè)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(diǎn)突變改變成絲氨酸，結(jié)果使大腸桿菌中生產(chǎn)的干擾素的抗病活性提高到108 U/mg，并且比天然干擾素的儲(chǔ)存穩(wěn)定性高很多。知識(shí)拓展 人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)重大的科學(xué)命題。2001年，國(guó)際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。之后，該組織正式提出并啟動(dòng)了兩項(xiàng)重大國(guó)際合作行動(dòng)：一項(xiàng)是由中國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是以美國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕。

4、“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國(guó)際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國(guó)賀福初院士牽頭。這是中國(guó)科學(xué)家第一次領(lǐng)銜的重大國(guó)際科研協(xié)作計(jì)劃，總部設(shè)在北京，目前有16個(gè)國(guó)家和地區(qū)的80多個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)名參加。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的深入研究將是對(duì)蛋白質(zhì)工程的有力推動(dòng)和理論支持。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程就是根據(jù)蛋白質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，利用基因工程手段，按照人類自身需求，定向改造天然蛋白質(zhì)，甚至創(chuàng)造新的、自然界本不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)分子。蛋白質(zhì)工程自誕生起就與基因工程密不可分。蛋白質(zhì)工

5、程通過對(duì)天然蛋白質(zhì)的基因的改造，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)它編碼的蛋白質(zhì)的改造。因此它的產(chǎn)品已不再是天然的蛋白質(zhì)，而是通過改造的、具有了人類所需優(yōu)點(diǎn)的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)是生命的體現(xiàn)者，離開了蛋白質(zhì)，生命將不復(fù)存在?？墒?，生物體內(nèi)存在的天然蛋白質(zhì)，有的往往不盡如人意，需要進(jìn)行改造。由于蛋白質(zhì)是由許多氨基酸按一定順序連接而成的，每一種蛋白質(zhì)有自己獨(dú)特的氨基酸順序，所以改變其中關(guān)鍵的氨基酸就能改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)。而氨基酸是由三聯(lián)體密碼決定的，只要改變構(gòu)成遺傳密碼的一個(gè)或兩個(gè)堿基就能達(dá)到改造蛋白質(zhì)的目的。蛋白質(zhì)工程的一個(gè)重要途徑就是根據(jù)人們的需要，對(duì)負(fù)責(zé)編碼某種蛋白質(zhì)的基因重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，使合成的蛋白質(zhì)變得更符合人類的需要。記

6、憶要訣 蛋白質(zhì)工程流程：預(yù)期蛋白質(zhì)功能設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測(cè)應(yīng)有氨基酸序列找到對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）。三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景蛋白質(zhì)工程在食品工業(yè)、日用品工業(yè)方面有廣泛的應(yīng)用前景。比如用經(jīng)過改造的穩(wěn)定性好的酶，可由價(jià)格便宜的棕櫚油生產(chǎn)出價(jià)格昂貴的可可脂，從而創(chuàng)造很高的經(jīng)濟(jì)效益。荷蘭一家公司設(shè)計(jì)了一種能和漂白劑一同起作用的去污酶，并且通過對(duì)這種酶上的兩個(gè)氨基酸的修改，使這種酶具有較高抵抗力，在洗滌過程中不受破壞。因此，通過蛋白質(zhì)工程可實(shí)現(xiàn)常規(guī)酶工程手段不能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。在醫(yī)學(xué)上，蛋白質(zhì)工程也具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，用人工手段去改造某些致癌基因的產(chǎn)物蛋白質(zhì)，使它失去致癌作用，從而開辟治療

7、癌癥的新途徑。我國(guó)的蛋白質(zhì)工程具有國(guó)際先進(jìn)水平，這些工程包括重組人胰島素和溶血栓藥物、重組人尿激酶等。對(duì)動(dòng)植物體內(nèi)參與重要生命活動(dòng)的酶加以修飾和改造，是蛋白質(zhì)工程未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要目標(biāo)。有朝一日，人們一定能夠通過蛋白質(zhì)工程來(lái)設(shè)計(jì)、控制那些與DNA相互作用的調(diào)控蛋白質(zhì)，到那時(shí)，人為控制遺傳、改造生命就不再是天方夜譚了。辨析比較蛋白質(zhì)工程與基因工程簡(jiǎn)單地講，蛋白質(zhì)工程就是根據(jù)蛋白質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和生物活力的作用機(jī)制之間的關(guān)系，利用基因工程的手段，按照人類自身的需要，定向地改造天然的蛋白質(zhì)，甚至于創(chuàng)造新的、自然界本不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)分子。蛋白質(zhì)工程在誕生之日起就與基因工程密不可分?；蚬こ淌?/p>

8、通過基因操作把外源基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)纳矬w內(nèi)，并在其中進(jìn)行表達(dá)，它的產(chǎn)品還是該基因編碼的天然存在的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程則更進(jìn)一步根據(jù)分子設(shè)計(jì)的方案，通過對(duì)天然蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其所編碼的蛋白質(zhì)的改造，它的產(chǎn)品已不再是天然的蛋白質(zhì)，而是經(jīng)過改造的，具有了人類所需要的優(yōu)點(diǎn)的蛋白質(zhì)。天然蛋白質(zhì)都是通過漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程自然選擇而來(lái)的，而蛋白質(zhì)工程對(duì)天然蛋白質(zhì)的改造，好比是在實(shí)驗(yàn)室里加快了的進(jìn)化過程，期望能更快、更有效地為人類服務(wù)。問題·探究問題1 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？探究：基因工程是遵循中心法則，從DNAmRNA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

9、蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進(jìn)行的：確定蛋白質(zhì)的功能蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)應(yīng)有的氨基酸序列應(yīng)有的堿基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)。問題2對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)？探究：毫無(wú)疑問應(yīng)該從對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)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(wú)法遺傳的。（2）對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。問題3 能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的

10、結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的細(xì)菌中，讓細(xì)菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？探究：理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。一些報(bào)道利用細(xì)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(shè)計(jì)出來(lái)而自然界不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對(duì)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和在生物體內(nèi)如何行使功能知之甚少，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質(zhì)。典題·熱題例1 已知某多肽的一段氨基酸序列是：丙氨酸色氨酸賴氨酸，控制此多肽合成的基因中的堿基序列()A.只能有一種情況B.可能有多種情況C.A、B都不對(duì)D.A、B都正確解析：每種氨基酸都有對(duì)應(yīng)的密碼子，由于有的

11、氨基酸密碼子不是唯一的，因此導(dǎo)致mRNA上的核糖核苷酸的序列無(wú)法準(zhǔn)確確定，只能根據(jù)密碼子表將所有可能情況逐一列出，再根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則推出脫氧核苷酸序列，因此，基因中的堿基序列也是不確定的。答案：B誤區(qū)警示一種密碼子只對(duì)應(yīng)一種氨基酸，但一種氨基酸可能有多種密碼子，要注意“一對(duì)多，多對(duì)一”關(guān)系。例2 蛋白質(zhì)工程和基因工程的相同點(diǎn)在于()A.最終目的B.實(shí)施過程C.基本原理D.沒有共同點(diǎn)解析：蛋白質(zhì)工程和基因工程的最終目的都是獲得人們預(yù)期的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需要。蛋白質(zhì)工程根據(jù)人們對(duì)特定蛋白質(zhì)的需要，設(shè)計(jì)預(yù)期蛋白質(zhì)，推測(cè)出預(yù)期蛋白質(zhì)的氨基酸序列，再找到相對(duì)應(yīng)的核苷酸序列，最終生產(chǎn)符合要求的蛋白質(zhì)。基因工程是將原有的一段特定核苷酸序列拼接到另外一段核苷酸序列中，使其產(chǎn)生人們需要的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程從改造蛋白質(zhì)本