高中生物人教版现代生物科技专题专题1基因工程蛋白质工程的崛起 专题

蛋白质工程的崛起1．举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2．理解蛋白质工程的原理。(重、难点)3．了解蛋白质工程的应用。4．掌握蛋白质工程的操作过程。(难点)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．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)基因工程存在不足：原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。(3)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。(4)实例。①延长干扰素保存时间：体外很难保存eq\o(→,\s\up7(改造))体外可以保存半年②提高玉米赖氨酸含量：改造后玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。eq\a\vs4\al([合作探讨])探讨eq\a\vs4\al(1)：蛋白质工程为什么需直接改造基因，而不直接改造蛋白质？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的。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。探讨eq\a\vs4\al(2)：蛋白质工程操作的基本思路是什么？提示：蛋白质工程是按照以下思路进行的：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(基因)，可以创造出自然界不存在的蛋白质。eq\a\vs4\al([思维升华])1．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．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。(6)蛋白质的改造方法①“大改”：制造出自然界中不存在的全新蛋白质。②“中改”：在蛋白质分子中替代—个肽段或—个特定的结构域。③“小改”：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。(7)蛋白质工程的流程图如下：1．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成新的蛋白质【解析】本题考查蛋白质工程的原理。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。【答案】C2．科学家为提高玉米中赖氨酸含量，计划将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的氨基酸由天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。下列对蛋白质的改造，操作正确的是()【导学号：72240013】A．直接通过分子水平改造蛋白质B．直接改造相应的mRNAC．对相应的基因进行操作D．重新合成新的基因【解析】蛋白质工程的目的是对蛋白质进行改造，从而使蛋白质功能可以满足人们的需求。蛋白质行使功能与其高级结构密切相关，而蛋白质高级结构又非常复杂，所以直接对蛋白质进行改造非常困难，而蛋白质是由基因控制合成的，对基因进行操作却容易得多。另外，通过改造基因而改造蛋白质可以遗传，而对蛋白质直接改造，即使成功也不能遗传。【答案】C蛋白质工程的基本原理以及进展和前景1．蛋白质工程的基本原理概念基础蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系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目的获得满足人类生产和生活需求的蛋白质原理由预期的蛋白质找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)流程预期蛋白质功能→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(基因)2.蛋白质工程的进展和前景(1)前景诱人。如用此技术制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。(2)难度很大。主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。eq\a\vs4\al([合作探讨])探讨eq\a\vs4\al(1)：判断蛋白质工程方法的关键是什么？提示：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。探讨eq\a\vs4\al(2)：为什么说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？提示：因为蛋白质的合成由基因控制，所以说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。探讨eq\a\vs4\al(3)：蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质相同吗？分别体现在哪些方面？提示：不同。(1)操作对象不同：蛋白质工程的操作对象是天然基因改造后的基因；基因工程的操作对象是天然基因。(2)得到的蛋白质不同：蛋白质工程可以得到自然界没有的新的蛋白质；基因工程得到的是自然界原有的蛋白质。eq\a\vs4\al([思维升华])1．基因工程和蛋白质工程二者在操作上的基本思路比较(1)基因工程遵循中心法则，从DNA→mRNA→多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能，基本上是生产出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→多肽链应有的氨基酸序列→基因应有的碱基序列，可以创造出自然界不存在的蛋白质。2．二者的区别与联系项目蛋白质工程基因工程区别过程预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→推测相对应的脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质获取目的基因→构建基因表达载体→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要的蛋白质定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需要的生物类型或生物产品结果生产自然界没有的蛋白质生产自然界中已有的蛋白质联系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，因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因修饰或基因合成实现(1)蛋白质工程最终还是回到基因工程上来，因为蛋白质的合成由基因控制，所以说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。(2)基因工程中的目的基因一般为自然界存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是自然界存在的。1．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，或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【解析】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，也需要通过转录和翻译来实现，原则上能生产符合人们要求的蛋白质，但和基因工程相比，突出特点是可以改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，而基因工程往往生产现有的蛋白质。【答案】B2．下列不属于蛋白质工程成果的是()【导学号：72240014】A．改造酶的结构，提高酶的热稳定性B．生产出鼠—人嵌合抗体C．将t－PA分子中的天门冬酰胺替换为谷氨酰胺D．乳腺生物反应器【解析】A、B、C三项所述都是对现存的蛋白质分子进行改造，属于蛋白质工程的成分。乳腺生物反应器属于基因工程的成果。【答案】D1．蛋白质工程中，对蛋白质的结构进行分子设计的根据是()A．人们对蛋白质功能的特定需求B．蛋白质中氨基酸序列C．信使RNA中核糖核苷酸序列D．基因中脱氧核苷酸序列【解析】在蛋白质工程中，人们先根据蛋白质功能与结构的关系，以特定的功能为依据设计蛋白质的结构。【答案】A2．下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，不合理的是()A．基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造，从而制造一种新的蛋白质B．蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成C．当得到可以在－70℃D．基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的【解析】利用蛋白质工程生产蛋白质产品应通过改造相应基因后，再经基因表达大量产生。【答案】C3．某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构和功能很相似，只是其热稳定性较差，进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂，临床治疗食物消化不良，最佳方案是()A．替换此酶中的少数氨基酸，以改善其功能B．将此酶与人蛋白酶进行拼接，形成新的蛋白酶C．重新设计与创造一种蛋白酶D．减少此酶在片剂中的含量【解析】要想使蛋白酶热稳定性有所提高，就要改变蛋白质的结构，此类问题一般是对蛋白质中的个别氨基酸进行替换。【答案】A4．如图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：【导学号：72240015】生物功能(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：①____________；②____________；③____________；④____________。(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)④⑤①②③(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码子(