生物人教版选修3学案1-4蛋白质工程的崛起

1．4蛋白质工程的崛起知识点一蛋白质工程崛起的缘由1．基因工程的实质(优势)与不足(1)实质(优势)：通过转基因手段，可以使一种生物的基因转移到另一种生物体内，使该生物产生原本不能产生的蛋白质，从而使其表现出新的性状。(2)不足：基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，但不一定完全符合人类生产和生活的需要。在此构想下，蛋白质工程应运而生。2．蛋白质工程的崛起人们利用相关技术手段，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，适应生产和使用的需要。如干扰素、天然酶的改造等。3．蛋白质工程的目的：生产符合人们生活需要并非自然界已存在的蛋白质。实例分析1．通过蛋白质工程来提高重组β－干扰素专一活性和稳定性。干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性为1×106U/mg，只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的β－干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，β－干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸(第17位、31位和141位)，推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的β－干扰素的抗病性活性提高到1×108U/mg，并且比天然β－干扰素的贮存稳定性高很多。2．提高玉米赖氨酸的含量含量低的原因：赖氨酸合成过程中两个关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响，当赖氨酸浓度达到一定量时，就会抑制这两种酶的活性。改变两种酶的特性后，玉米游离赖氨酸含量提高。如果对赖氨酸合成过程中的两个关键酶进行改造，可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。【典题精练1】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104位的氨基酸由天冬氨酸变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍，下列对蛋白质的改造，操作正确的是()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，从而使蛋白质可以满足人们的需求。蛋白质功能与其高级结构密切相关，蛋白质高级结构又非常复杂，所以直接对蛋白质改造非常困难，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，改造后的基因可以遗传，如对蛋白质直接改造，即使成功也不能遗传。【答案】C【典题精练2】下列说法正确的是()A．蛋白质工程和基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质，所以二者没有区别B．基因工程是蛋白质工程中的关键技术C．通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍然是天然的蛋白质D．蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的【解析】蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计，其中，基因工程是关键技术，是蛋白质工程的基础。因为对蛋白质结构的改造是通过改造基因来实现的，所以蛋白质工程是在基因水平上改造蛋白质，改造后的蛋白质不再是天然的蛋白质。【答案】B知识点二蛋白质工程的原理与进展1．蛋白质工程的概念：以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础(理论基础)，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(工程原理)，以满足人类的生产和生活的需求(工程目的)。2．蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。3．蛋白质工程的操作步骤(1)操作步骤：①从生物体中分离纯化目的蛋白。②测定其氨基酸序列。③借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构。④设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响。⑤设计编码该蛋白质的基因改造方案，如定点突变。⑥分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。(2)流程图：基因工程与蛋白质工程的比较比较项目基因工程蛋白质工程操作对象基因基因操作水平DNA分子水平DNA分子水平基本过程目的基因的获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→蛋白质应有的氨基酸序列→应有的碱基序列→合成DNA→表达出蛋白质实质定向改造生物的遗传特性，以获得人类需要的生物类型或生物产品定向改造或生产人类所需的蛋白质结果生产人类需要的基因产物(自然界已有的蛋白质)可以生产自然界没有的、不存在的新蛋白质联系蛋白质工程是以基因工程为基础的【典题精练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自然界不存在的蛋白质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】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，体现人类所需的性状，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。【答案】B【典题精练4】下图为蛋白质工程操作的基本思路流程图，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是________。(填写数字)(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：①________；②________；③________；④________；⑤________。(3)蛋白质工程的目标是______________________________，通过________实现。(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是________的。【解析】解题关键是理解蛋白质工程的原理，尤其注意以下两个方面：①蛋白质工程的直接操作对象是基因；②蛋白质工程的设计思路是中心法则的逆转。此外，还要掌握中心法则和蛋白质结构的相关知识。天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的，而蛋白质工程的基本途径与之相反，即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→找到相应的脱氧核苷酸序列(基因)。【答案】(1)④⑤①②③(2)转录翻译折叠分子设计DNA合成(3)对蛋白质的结构进行分子设计基因合成或改造(4)相反一、选择题1．下列关于蛋白质工程的设计思路不正确的是(D)A．从蛋白质的功能推测蛋白质应有的结构B．从蛋白质的结构推测氨基酸的排列顺序C．从氨基酸的排列顺序推测脱氧核苷酸的排列顺序D．蛋白质工程与中心法则相同解析：蛋白质工程的操作过程为：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→找到相应的脱氧核苷酸序列(基因)。2．当前医学上，蛋白质工程药物正逐步取代第一代基因工程多肽蛋白质类替代治疗剂，则基因工程药物与蛋白质工程药物的区别是(C)A．都与天然产物完全相同B．都与天然产物不相同C．基因工程药物与天然产物完全相同，蛋白质工程药物与天然产物不相同D．基因工程药物与天然产物不相同，蛋白质工程药物与天然产物完全相同解析：基因工程合成的是自然界已存在的蛋白质，与相应天然产物完全相同。蛋白质工程可以合成自然界不存在的蛋白质，与天然产物不相同。3．从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是(C)A．合成编码目的肽的DNA片段B．构建含目的肽DNA片段的表达载体C．依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽D．筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽解析：如果对多肽P1进行改造，首先根据预期功能设计多肽的分子结构，即根据P1氨基酸序列设计多条模拟肽，再根据模拟肽的氨基酸序列合成编码模拟肽的DNA片段，从而构建含目的肽DNA片段的表达载体，最后从表达产生的模拟肽中筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽。4．增加玉米细胞中赖氨酸含量最有效的途径是(C)A．将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞B．切除玉米细胞中天冬氨酸激酶基因和二氢吡啶二羧酸合成酶基因的个别碱基C．更换天冬氨酸激酶基因和二氢吡啶二羧酸合成酶基因的个别碱基D．将根瘤菌的固氮基因导入玉米细胞解析：玉米中赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨酸合成过程中的两个关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大，当赖氨酸浓度达到一定量时，就会抑制这两个酶的活性。通过更换控制合成这两种酶基因的个别碱基，可大大提高玉米叶片和种子中的游离赖氨酸的含量。5．下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，不合理的是(C)A．基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，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：基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，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；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。这样产生的改变才能遗传下去；蛋白质不是遗传物质，不可能自我合成；由于基因工程和蛋白质工程都是对基因进行操作，因此，基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的。6．如图表示蛋白质工程的操作流程，下列说法不正确的是(B)A．蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作B．蛋白质工程是完全摆脱基因工程技术的一项全新的生物工程技术C．a、b过程分别表示转录、翻译D．通过蛋白质工程可制造出一种新的蛋白质解析：蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作，如蛋白质的空间结构、氨基酸的排列顺序等，这对于合成或改造基因至关重要，A正确；蛋白质工程的进行离不开基因工程，因为对蛋白质的改造要通过对基因的改造来完成，B错误；图中a、b过程分别表示转录、翻译，C正确；通过蛋白质工程可对现有蛋白质进行改造，也可制造出一种新的蛋白质，D正确。二、非选择题7．如图为利用乳腺生物反应器生产某种动物蛋白的流程示意图，请分析回答下列问题：(1)该生产流程中应用到的现代生物技术有蛋白质工程、基因工程(写出其中两种)。(2)图中A、B分别表示推测应有的氨基酸序列、基因表达载体。(3)蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质，原因是改造后的基因能够遗传，且改造基因易于操作。解析：(1)由图中“预期蛋白质功能→预期蛋白质结构→A→找到相应的脱氧核苷酸序列”这一基本流程可知，该生产流程中应用到蛋白质工程技术；由“目的基因与载体结合成B→受精卵→早期胚胎→受体→转基因动物→预期蛋白质”可知，该生产流程应用到基因工程技术。(2)由蛋白质工程的基本流程可知，A表示推测应有的氨基酸序列；B表示由目的基因与载体构建而成的基因表达载体。(3)蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质，原因是改造后的基因能够遗传，且改造基因易于操作。8．绿色荧光蛋白(GFP)能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发出的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。下图为我国首例绿色荧光蛋白(GFP)转基因克隆猪的培育过程示意图，据图回答：(1)图中通过过程①②形成重组质粒，需要限制酶切目的基因、切割质粒。限制酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—，限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。在质粒上有酶Ⅰ的一个切点，在目的基因的两侧各有1个酶Ⅱ的切点。①请画出质粒被限制酶Ⅰ切割后形成黏性末端的过程。eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(—G↓GATCC—,—CCTAG↑G—))eq\o(→,\s\up17(用限制酶Ⅰ切割))eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(—G,—CCTAG))＋eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(GATCC—,G—))(只写出切割后形成的部分即可)。②在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接起来？可以连接，理由是由两种不同限制酶切割后形成的黏性末端是相同的(或是可以互补的)。(2)过程③将重组质粒导入猪胎儿成纤维细胞时，采用最多也最有效的方法是显微注射法。(3)如果将切取的GFP基因与抑制小猪抗原表达的基因一起构建到载体上，GFP基因可以作为基因表达载体上的标记基因，其作用是鉴定受体细胞中是否含有目的基因。获得的转基因克隆猪，可以解决的医学难题是供体器官不足和免疫排斥。(4)目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等，采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白过程的正确顺序是：②①③④(用序号表示)。①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列②蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计③蓝色荧光蛋白基因的修饰(合成)④表达出蓝色荧光蛋白解析：本题考查基因工程和蛋白质工程的相关知识。(1)①小题相对比较简单，书写要关注DNA序列与限制酶识别序列的区别，不要遗漏了酶和黏性末端的正确表达。②小题中由于两种限制酶切割形成的黏性末端是相同的，可以互补配对，因此可用DNA连接酶进行相互“缝合”。(2)基因工程中目的基因导入动物细胞的方法是显微注射法。(3)基因表达载体上标记基因的作用是鉴定受体细胞中是否含有目的基因；获得转基因猪，可以解决医学上供体器官不足和免疫排斥问题。(4)蛋白质工程操作流程的正确顺序是②①③④。[旁栏思考题]P261．你知道国际人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？[提示]人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。2003年，该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划，总部设在北京，目前有16个国家和地区的80多个实验室报名参加。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。随后，相继启动了由德国、瑞士、加拿大和日本等国家牵头的各类蛋白质组计划。人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持。2．对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？[提示]毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下：(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，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。(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。[讨论]P27某多肽链的一段氨基酸序列是：…—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—…讨论：(1)怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。(2)确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因(DNA)?[提示](1)每种氨基酸都有对应的三联密码子，只要查一下遗传密码子表，就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来。但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三联密码子编码，因此其碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列出16种，可以根据学过的排列组合知识自己排列一下。首先应该根据三联密码子推出mRNA序列为GCU(或C或A或G)UGGAAA(或G)AUGUUU(或C)，再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列：CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)TACAAA(或G)。(2)确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。[异想天开]P27能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入适合的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？[提示]理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。[思考与探究]P281．蛋白质工程是应怎样的社会需求而崛起的？这说明社会需要与科技发展之间有什么关系？[提示]蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。这说明了社会需要会促进科技的发展，科技的发展又会进一步刺激社会需要。而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段。在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机