学高中生物 第一章 课时4蛋白质工程 苏教版选修3

第4课时蛋白质工程目标导航1.简述蛋白质工程的概念和基本原理。2.举例说出蛋白质工程的基本过程。3.举例说出蛋白质工程的应用和发展。一、蛋白质工程的概念和原理1．蛋白质工程概念：是通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的____________，并借助计算机辅助设计、________________和________________改造基因，以定向改造____________、甚至创造出________________的蛋白质的技术。2．蛋白质工程的关键技术：____________。3．蛋白质工程的前提条件：了解蛋白质____________的关系。4．蛋白质改造的方法(1)对已知空间结构的蛋白质的改造①大改：即制造出____________________蛋白质。②中改：即在蛋白质分子中替代__________________________________________。③小改：即改造蛋白质分子中的__________________的残基。核心技术是基因工程中的______________，其中____________是常用的方法之一。(2)对空间结构不清楚的蛋白质的改造：采用____________来进行改造。二、蛋白质工程的应用1．通过改造酶的结构，有目的的提高酶的热稳定性。如通过替换酶的某种氨基酸，或者在蛋白质分子中引入二硫键也可提高蛋白质的热稳定性。2．生物工程制药：(1)鼠源杂交瘤抗体的改造：在基因水平上对抗体进行重组，生产人________和鼠________嵌合抗体，对人体的不良反应减少。(2)纤维蛋白溶解酶原激活因子的改造：利用________________技术，将纤维蛋白溶解酶原激活因子分子中的天门冬酰胺替换为谷氨酰胺。3．疾病诊断(1)方法：________________。(2)原理：____________________________。(3)实例：SARS病毒的检测和诊断。知识点一蛋白质工程的概念和原理1．下列关于蛋白质工程的说法，错误的是()A．蛋白质工程能定向改造蛋白质的分子结构，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，定向改变分子结构C．蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子D．蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程2．下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：eq\x(\a\al(基因,DNA))eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(\o(→,\s\up7(⑤)),\o(→,\s\up7(①))\x(mRNA)\o(→,\s\up7(②))))eq\x(\a\al(氨基酸序列,多肽链))eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(\o(→,\s\up7(④)),\o(→,\s\up7(③))))eq\x(\a\al(蛋白质,三维结构))eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(预期功能,→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)蛋白质工程的目的是______________________，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。知识点二蛋白质工程的应用3．科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图回答：(1)改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠－人嵌合抗体，属于____________(生物工程)的范畴。(2)图示过程是根据预期的________________，设计________________，最终必须对________进行操作，此操作中改变的是____________。(3)经过改造的鼠－人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是________________________________________________________________________(从免疫角度考虑)。(4)上述过程中对科学家来说难度最大的是____________________________________________________________。知识点三基因工程和蛋白质工程4．胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下，要经过较长的时间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易分解，因此，治疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题：(1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是________________________________________________________________________。(2)通过DNA合成形成的新基因应与________结合后转移到__________________中才能得到准确表达。(3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，涉及到的生物工程有______________、________和发酵工程。(4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是什么？________________________________________________________________________________________________________________________________________________。基础落实1．蛋白质工程的基本流程正确的是()①蛋白质分子结构设计②DNA合成③预期蛋白质功能④根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A．①→②→③→④ B．④→②→①→③C．③→①→④→② D．③→④→①→②2．关于蛋白质工程的说法，正确的是()A．蛋白质工程的核心问题是对蛋白质分子进行直接改造B．蛋白质工程是与基因工程并列的两大生物工程技术C．蛋白质工程中不涉及基因结构问题D．蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多3．下列关于由我国牵头的“人类肝脏蛋白组计划”的叙述中，不正确的是()A．揭示并确认肝脏合成的蛋白质B．为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发提供科学基础C．用蛋白质工程实现肝脏合成人类需要的蛋白质D．是对蛋白质工程的有力推动和理论支持4．人们发现蛛丝蛋白比蚕丝蛋白更细，但强度却更大，于是有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推出其基因结构，以指导对蚕丝蛋白基因的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝蛋白一样坚韧的丝，此过程的名称和依据的原理分别是()A．基因突变：DNA→RNA→蛋白质B．基因工程：RNA→RNA→蛋白质C．基因工程：DNA→RNA→蛋白质D．蛋白质工程：蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质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，其结果产生的蛋白质是()A．氨基酸种类增多B．氨基酸种类减少C．仍为天然存在蛋白质D．可合成天然不存在蛋白质能力提升6．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，临床治疗食物的消化不良，最佳方案是()A．将此酶中的少数氨基酸替换，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全新的蛋白酶D．减少此酶在片剂中的含量7．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，蛋白质工程不对基因进行操作B．基因工程生产的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程可以生产不是天然存在的蛋白质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)的操作D．基因工程完全不同于蛋白质工程8．蛋白质工程的研究将对生命科学产生重大影响。下列关于蛋白质工程的叙述，不正确的是()A．实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系B．基因工程是蛋白质工程的关键技术C．蛋白质工程是对蛋白质分子的直接改造D．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9．猪的胰岛素用于人体时降血糖效果不明显，原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪胰岛素用于治疗人类糖尿病，用蛋白质工程的蛋白质分子设计的最佳方案是()A．对猪胰岛素进行一个氨基酸的替换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综合拓展10．蛋白质工程是指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、生产的过程。下图是蛋白质工程的基本途径，试回答下列有关问题：eq\x(\a\al(预期,蛋白,质功,能))eq\o(→,\s\up7(①))eq\x(\a\al(设计预,期蛋白,质结构))eq\o(→,\s\up7(②))eq\x(\a\al(推测应,有氨基,酸序列))eq\o(→,\s\up7(③))eq\x(\a\al(推测相应,基因中脱,氧核苷酸,序列))eq\o(→,\s\up7(④))eq\x(\a\al(生产,相应,蛋白,质))(1)图中③过程的主要依据是每种氨基酸都有其对应的________，后者位于__________分子上，其上的核苷酸序列与基因中的脱氧核苷酸序列之间存在着____________关系。(2)通过③过程获得的脱氧核苷酸序列不是完整的基因，要使这一序列能够表达、发挥作用，还必须在序列的上、下游加上________和________，在这个过程中需要________酶的参与。(3)完成④过程需要涉及________技术。第4课时蛋白质工程知识清单一、1.结构与功能基因定点诱变重组DNA技术天然蛋白质自然界不存在2.基因工程3．结构和功能4.(1)①自然界不存在的全新②一个肽段或一个特定的结构域③1个或几个氨基酸定点诱变技术PCR技术(2)非定点诱变二、2.(1)恒定区可变区(2)基因定点诱变3．(1)蛋白质芯片法(2)抗体与相应抗原的特异性结合对点训练1．B[蛋白质工程首先是对基因进行改造，因此是对基因的操作。]思路导引理解蛋白质工程的含义→逐一对照选项分析→正确选择。知识链接对蛋白质工程内容的理解(1)氨基酸的排列顺序由基因决定，所以蛋白质工程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中原本不存在的基因片段。(2)直接决定蛋白质结构和功能的因素①氨基酸的种类、数量、排列顺序。②蛋白质空间结构，因对空间结构了解很少，使蛋白质分子的设计相当艰巨。(3)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。2．(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)相反解析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)。解答此题需要理解中心法则和蛋白质结构的知识。归纳提升蛋白质工程的设计思路可做如下归纳：由图可见，蛋白质工程的设计思路是中心法则的逆推。3．(1)蛋白质工程(2)嵌合抗体功能嵌合抗体的结构基因碱基对(3)对人体的不良反应减少(4)设计嵌合抗体的空间结构解析(1)通过图示可知鼠－人嵌合抗体是通过人工设计而形成的特定功能蛋白质，其生产过程应属于蛋白质工程的范畴。(2)蛋白质工程的流程：预期蛋白质的功能→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)→通过基因工程操作生产预期的蛋白质。(3)从免疫的角度考虑，对人体来说鼠源抗体为抗原，若利用人的抗体与之嵌合，则排斥作用会减轻，对人体的负作用会减少。(4)由于蛋白质空间结构比较复杂，不易确定，所以成为蛋白质工程中最大的障碍。知识链接蛋白质工程的应用(1)通过改造酶的结构，有目的的提高酶的热稳定性。如将酶中的天门冬酰胺和谷氨酸胺替换为其他氨基酸，就可以有效的提高酶的热稳定性；在蛋白质分子中引入二硫键也可提高蛋白质的热稳定性。(2)生物工程制药①鼠源杂交瘤抗体的改造：在基因水平上对抗体进行重组，产生人恒定区和鼠可变区嵌合抗体，对人体的不良反应减少。②纤维蛋白溶解酶原激活因子(t－PA)的改造：利用基因定点诱变技术，将t－PA分子中的天门冬酰胺替换为谷氨酰胺，使t－PA在血液循环中停留时间大大延长，疗效更加显著。4．(1)蛋白质的预期功能(2)载体大肠杆菌等受体细胞(3)蛋白质工程基因工程(4)根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因解析(1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计，因此，图中构建新的胰岛素模型的依据是胰岛素的功能，即速效胰岛素。(2)合成的目的基因应与载体构建基因表达载体后导入受体细胞中才能得以表达。(3)利用蛋白质工程生产自然界原本不存在的蛋白质，需对原有的胰岛素进行改造，根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，人工合成新的胰岛素基因，形成目的基因，改造好的目的基因需通过基因工程来生产基因产物，并且在生产过程中要借助工程菌，所以还需要进行发酵，因此该过程涉及蛋白质工程、基因工程和发酵工程。(4)由新的蛋白质模型到构建新的基因，其基本设计思路是根据新的蛋白质中氨基酸的序列，推测出基因中的脱氧核苷酸序列，然后用DNA合成仪直接合成出新的基因。思路导引解答本题的思路为：eq\b\lc\\rc\}(\a\vs4\al\co1(解读蛋白质工程的基本途,径联系基因工程操作步骤))eq\a\vs4\al(对比二者关系，进行,相应推导后组织答案。)归纳提升(1)蛋白质工程与基因工程的区别和联系项目蛋白质工程基因工程区别过程预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质获取目的基因→构建表达载体→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(基因的异体表达)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(2)蛋白质组计划和人类基因组计划的比较蛋白质组计划基因组计划启动时间年成立组织1990年正式启动主要内容“肝脏蛋白质”和“血浆蛋白质”的研究测定人类基因组24条染色体上全部DNA序列参加国家16个国家，80多个实验室6个国家，中国是唯一的发展中国家我国承担任务牵头执行“人类肝脏蛋白质组计划”承担1%的测序工作意义揭示并确认肝脏(血浆)蛋白质；为重大疾病预防、诊断、治疗以及新药研发提供科学基础；推动支持蛋白质工程遗传病的诊断和治疗；揭示基因表达的机理课后作业1．C[蛋白质工程的流程是逆基因表达的顺序进行的，首先预期蛋白质功能，然后再分析出蛋白质的分子结构从而得出氨基酸的序列，再推出基因中脱氧核苷酸序列，最后进行人工DNA合成。]2．D[用排除法可以选出正确的答案。A、B、C三项说法均有明显错误。A项不能对蛋白质分子进行直接改造，而是对基因进行改造；B项二者不并列，基因工程是基础；C项蛋白质工程对基因进行改造，故涉及基因结构的问题。]3．C[“人类肝脏蛋白质组计划”将揭示肝脏合成蛋白质的奥秘，这有利于人类改造蛋白质，是对蛋白质工程的有力推动和理论支持，并不是用蛋白质工程实现肝脏合成人类需要的蛋白质。]4．D[通过修改已知蚕丝蛋白的基因，从而创造出全新蛋白质的过程叫蛋白质工程。其依据的原理是中心