2019_2020学年高中生物专题1基因工程1.4蛋白质工程的崛起教学案含解析新人教版选修.pdf
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1、蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起 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基因工程的不足:基因工程在原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。 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。 二、蛋白质工程的基本原理 1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)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。 (3)目的:获得满足人类的生产和生活需求的蛋白质。 2流程:预期蛋白质功能设计预
2、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)。 三、蛋白质工程的进展和前景 1进展:科学家通过对胰岛素的改造,已使其成为速效型药品。 2前景: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。 3面临的困难:对蛋白质发挥功能必须依赖的高级结构了解不够。 1.基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。 2蛋白质工程并不是直接改造蛋白质分子的结构,而是通过基因操作来实现 对天然蛋白质的改造。 蛋白质工程并不是直接改造蛋白质分子的结构,而是通过基因
3、操作来实现 对天然蛋白质的改造。 3蛋白质工程的基本途径是:从预期的蛋白质功能出发蛋白质工程的基本途径是:从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质 结构 设计预期的蛋白质 结构推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列。找到相对应的脱氧核苷酸序列。 4蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础, 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要。 蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础, 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
4、的需要。 5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。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。 1合成天然不存在的蛋白质应首先设计( ) A基因结构 BRNA 结构 C氨基酸序列 D蛋白质结构 解析:选 D 合成天然不存在的蛋白质属于蛋白质工程。实施蛋白质工程的前提是了解蛋 白质的结构与功能的关系,首先要从设计蛋白质的结构入手,然后再根据基因工程的方法通 过基因修饰或基因合成,合成相应的蛋白质,从而实现对蛋白质的改造。 2蛋白质工程在实施过程中最大的难题是( ) A生产的蛋白质无法应用 B发展前景太窄 C对大多数蛋白质的高级结构了解不清楚 D无法人工合成目的基
5、因 解析:选 C 蛋白质工程实施的最大难题是对于大多数蛋白质的高级结构了解不清楚,所 以很难改造其基因。 3蛋白质工程的基本流程是( ) 蛋白质分子结构的设计 DNA合成 预期蛋白质功能 根据氨基酸序列推出脱氧 核苷酸序列 A B C D 解析:选 C 蛋白质工程的操作流程为: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。 Error!核心要点一蛋白质工程的基本原理 1对蛋白质工程内容的理解 (1)改造对象:改造蛋白质的结构,本质上是改造控制该蛋白质合成的基因的结构。 (2)产物:产生新的蛋白质。 (3)原理:基因改造。由于基因决定蛋白质,要对蛋白
6、质的结构进行改造,最终还必须通 过改造基因来完成。 (4)蛋白质工程中经过处理得到的新基因与基因突变得到的新基因有较大差别,基因突变 的新基因中含有不编码蛋白质的序列,而蛋白质工程中的新基因则没有。 (5)蛋白质工程的内容主要有两方面:一是根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构 的蛋白质;二是确定蛋白质的化学组成及空间结构与生物功能之间的关系,在此基础上,实 现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生理功能,设计合成具有特定生理功能的全新蛋白 质,而氨基酸的排序由基因决定,所以还需要改造控制蛋白质合成的相应基因中的脱氧核苷 酸序列,或人工合成所需要的自然界原本不存在的基因片段,用于蛋白质工程。
7、2蛋白质工程流程图 名师点拨 蛋白质工程通过对基因的操作实现对天然蛋白质进行改造的原因 (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,被改造的蛋白质还是无法遗传。 (2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作,难度要小得多。 题组冲关 1下列关于蛋白质工程的叙述,错误的是( ) A蛋白质工程的实质是改造基因 B蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列 C蛋白质工程的基础是基因工程 D蛋白质工程遵循的原理包括中心法则 解析:选 B 蛋白质工程是根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的结构
8、进行分子 设计,然后根据设计的蛋白质结构,合成出特定的脱氧核苷酸序列。 2糖尿病是近年来高发的“富贵病” ,常见类型有遗传型糖尿病和型糖尿病。遗传型 糖尿病的主要病因之一是胰岛受损。科研机构作出如下设计:取糖尿病患者的细胞,将人的 正常胰岛素基因导入其中,然后进行细胞培养,诱导产生胰岛组织,重新植入患者的胰岛, 使胰岛恢复功能。型糖尿病需要注射胰岛素治疗。目前临床使用的胰岛素制剂注射 120 min 后才出现高峰,与人体生理状态不符。科研人员通过一定的工程技术手段,将胰岛素 B 链 的 28 号和 29 号氨基酸互换,获得了速效胰岛素,速效胰岛素已通过临床试验。 (1)对遗传型糖尿病进行基因治
9、疗的方案中,胰岛素基因称为_,实验室中要先 对该基因利用_技术进行扩增。将该基因导入正常细胞所用的方法是_。 (2)科研人员利用蛋白质工程合成速效胰岛素,该技术的实验流程为: 其中,流程 A 是_,流程 B 是_。 (3)与基因工程相比,蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为 基础, 通过基因_或基因_, 对现有蛋白质进行_, 或制造一种新的蛋白质, 以满足人类的生产生活需要。 解析 : (1)根据题意, 在进行基因治疗时, 胰岛素基因是目的基因, 在体外条件下可利用 PCR 技术对其进行扩增,在基因工程中将目的基因导入动物细胞的常用方法是显微注射法。(2)根 据蛋白质工程
10、的流程示意图,可知整个流程是根据预期蛋白质的功能设计蛋白质的三维结构, 然后推测相应的氨基酸序列,并找到相应的脱氧核苷酸序列,最后合成相应的蛋白质。(3)与 基因工程相比,蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础,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 生活需要。 答案:(1)目的基因 PCR 显微注射法 (2)预期蛋白质的功能 相应的氨基酸序列 (3)修饰 合成 改造 Error!核心要点二基因工程与蛋白质工程的关系 1二者在操作上的基本思路 (1)基因工程是遵循中心法则,从 DNAmRNA蛋白质折叠产生功能。基本上是生产出
11、 自然界已有的蛋白质。 (2)蛋白质工程是按照以下思路进行的:确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋 白质应具备的折叠状态应有的氨基酸序列相对应的碱基序列。可以创造天然不存在的蛋 白质。 2二者的区别与联系 比较项目蛋白质工程基因工程 操作起点预期的蛋白质功能目的基因 过程 预期蛋白质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 获取目的基因构建基因表达载 体将目的基因导入受体细胞目 的基因的检测与鉴定 实质定向改造或生产人类所需的蛋白质 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 区 别 结果可生产天然没有的蛋白质只能生产自然界已有的蛋白质
12、联 系 都在生物体外对基因进行操作; 蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 题组冲关 3基因工程与蛋白质工程的区别是( ) A基因工程需对基因进行分子水平操作,蛋白质工程不需对基因进行操作 B基因工程合成的是天然存在的蛋白质,蛋白质工程合成的可以是天然不存在的蛋白质 C基因工程是分子水平操作,蛋白质工程是细胞水平(或性状水平)操作 D基因工程完全不同于蛋白质工程 解析:选 B 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。蛋白质工程 是从分子水平上对蛋白质进行改造设计,通过对相应的基因进行修饰、加工,甚至人工进行 基因合成, 从而对现有蛋白质进行改造, 或制造一种新的
13、蛋白质, 以满足人类生产和生活需求 ; 而基因工程只是将外源基因导入另一生物体内,并使之表达,产生人类所需的性状,或者获 取所需的产品,基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 4镰刀型细胞贫血症是一种单基因遗传病,患者的血红蛋白分子 肽链第 6 位氨基酸 谷氨酸被缬氨酸代替,导致功能异常。回答下列问题: (1)异常血红蛋白的氨基酸序列改变的根本原因是编码血红蛋白基因的_序列发生 改变。 (2)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中,可以合成正常的血红蛋白达到 治疗的目的。此操作_(填“属于”或“不属于”)蛋白质工程,理由是该操作 _。 (3)用基因工程方法制备血红蛋白时, 可先提
14、取早期红细胞中的_, 以其作为模板, 在_酶的作用下反转录合成 cDNA。cDNA 与载体需在_酶的作 用下拼接构建基因表达载体,然后导入受体菌进行表达。 (4)检测受体菌是否已合成血红蛋白,可从受体菌中提取_,用相应的抗体进行 _杂交,若出现杂交带,则表明该受体菌已合成血红蛋白。 解析 : (1)基因是具有遗传效应的 DNA 片段, 遗传信息储存在基因碱基对的排列顺序中。 (2) 蛋白质工程是指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, 以满足人类生产和生活的需求,题中所述不属于蛋白质工程。(3)利用反转录法获取目的基因 时,需先提取 mRNA,在逆转录酶的作用下反
15、转录合成 cDNA。cDNA 与载体需在限制酶和 DNA 连 接酶的作用下拼接构建成基因表达载体, 才可导入受体菌。 (4)检测目的基因是否合成蛋白质, 需要从转基因生物中提取蛋白质,用相应的抗体进行抗原抗体杂交。 答案:(1)碱基对 (2)不属于 没有对现有的蛋白质进行改造 (3)mRNA 逆转录 限制 酶和 DNA 连接 (4)蛋白质 抗原抗体 方法规律 “三看法”判断基因工程和蛋白质工程 (1)一看对基因的操作方法: 如果仅将基因用限制酶从 DNA 片段中切割下来,没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工, 或仅对其调控序列进行加工,则属于基因工程;如果将目的基因经过了一些实质性的改造, 如
16、对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基,则属于蛋白质工程。 (2)二看目的基因的合成方式: 基因工程和蛋白质工程中都可以通过反转录合成目的基因,或根据蛋白质的氨基酸序列先合 成 mRNA,再合成基因。如果合成时 mRNA 或氨基酸序列没有经过改造,则为基因工程技术; 如果 mRNA 或氨基酸序列经过了改造,或 mRNA 或氨基酸序列是根据蛋白质预期的功能人工设 计的,则为蛋白质工程技术。 (3)三看合成的蛋白质种类: 如果合成的蛋白质是天然蛋白质,则是基因工程;如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异, 甚至是自然界中所没有的,则为蛋白质工程。 随堂基础巩固 1蛋白质工程中需要直接进行操
17、作的对象是( ) A氨基酸结构 B蛋白质空间结构 C肽链结构 D基因结构 解析:选 D 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础, 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 生产和生活需求。因此蛋白质工程最终还是要对基因进行改造。 2蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是( ) A基因功能 B蛋白质功能 C氨基酸序列 DmRNA 密码子序列 解析:选 B 蛋白质工程依据蛋白质功能,设计蛋白质结构,再推测并合成相应的基因。 3葡萄糖异构酶(GI)在工业上应用广泛,为提高其热稳定性,科学家对 GI 基因进行体 外定点诱变,以脯氨酸(Pr
18、o138)替代 Gly138,含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达,结果 最适反应温度提高 1012 。这属于生物工程中的( ) A基因工程 B蛋白质工程 C发酵工程 D酶工程 解析:选 B 酶工程的重点在于对已存在的酶合理充分利用(如:加酶洗衣粉、嫩肉粉等), 而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。通常所说的酶工程是用工程菌生 产酶制剂,而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构,然后由酶的分子结构来确定相应基 因的碱基序列等步骤。 4下列哪项不是蛋白质工程的研究内容( ) A分析蛋白质分子的精细结构 B对蛋白质进行有目的的改造 C分析氨基酸的化学组成 D按照人的意愿将天然蛋白质改造
19、成新的蛋白质 解析:选 C 蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构和生物活性之间的关系,按照人的意 愿改造蛋白质分子,形成自然界不存在的蛋白质分子。为了改造某种蛋白质分子,必须对其 精细结构进行分析,但不包括对组成蛋白质的氨基酸的化学成分的分析。 5猪胰岛素用于降低人体血糖浓度的效果并不明显,原因是猪胰岛素分子中有一个氨基 酸与人的不同。为了使猪胰岛素能够用于临床治疗糖尿病,蛋白质工程中蛋白质分子设计的 最佳方案是( ) A对猪胰岛素进行一个不同氨基酸的替换 B将猪胰岛素和人胰岛素进行拼接组成新的胰岛素 C将猪和人的胰岛素混合在一起治疗糖尿病 D根据人的胰岛素设计制造一种全新的胰岛素 解析:选 A
20、 由于猪胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同,所以只需替换这一 个不同的氨基酸即可。虽然根据人胰岛素分子设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗, 但是在分子设计和胰岛素的生产方面都存在很多的困难,所以并不是最佳方案。 6下列围绕蛋白质工程的叙述,错误的是( ) A蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构,使之更加符合人类的需要 B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 C蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的新型蛋白质分子 D蛋白质工程的操作起点是从预期蛋白质功能出发,设计出相应的基因,并借助基因工 程实现的 解析:选 B 蛋白质工程实际上是对基因进行操作,而不是对
21、蛋白质进行操作。 7如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过程是_。 (填数字) (2)写出图中数字代表的生物学过程的名称或内容: _;_;_;_。 (3)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则_。 (4)功能是由其结构决定的,直接决定蛋白质多样性的因素有_,从根 本上说,蛋白质的结构是由_决定的。 (5)根据蛋白质的氨基酸序列推测的 mRNA 中的碱基序列是否是唯一的?_,为什 么?_。 (6)将氨基酸合成为多肽链的场所是_。真核细胞中将多肽链转变为具有一定空间 结构的蛋白质的场所是_。 (7)蛋白质工程中的目的
22、基因一般通过_获得。 解析:蛋白质结构的多样性由组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的 空间结构四个因素共同决定;从根本上说,蛋白质的结构是由基因(DNA)决定的;一种氨基酸 可能具有多种密码子,根据蛋白质的氨基酸序列推测的 mRNA 中的碱基序列可能有多种;蛋白 质的合成场所为核糖体,在内质网中将多肽链折叠成具有一定空间结构的蛋白质;蛋白质工 程的目的基因的碱基序列已知,可以通过 DNA 合成仪进行人工合成。 答案:(1) (2)转录 翻译 折叠 分子设计 (3)相反 (4)氨基酸的种 类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构 基因(DNA) (5)不唯一 一种氨基酸可能具有多 种密
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