新教材同步系列2024春高中生物第3章基因工程第4节蛋白质工程的原理和应用课件新人教版选择性必修3

第3章基因工程第4节蛋白质工程的原理和应用课标要点学法指导1．举例说出蛋白质工程崛起的缘由2．阐述蛋白质工程的原理及应用3．尝试运用逆向思维分析和解决问题1．结合教材实例和中心法则的内容，理解蛋白质工程崛起的缘由及其原理(生命观念、科学思维)2．用列表法比较蛋白质工程和基因工程(科学思维)3．结合教材实例和有关材料，理解蛋白质工程的应用前景(社会责任)知识导图

课前·新知导学

蛋白质工程的概念及崛起的缘由1．蛋白质工程的概念蛋白质工程是指以蛋白质分子的___________及其与___________的关系作为基础，通过________或__________，来改造______________，或制造一种______________，以满足人类的生产和生活的需求。它是在____________的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是涉及多学科的综合科技工程。结构规律生物功能改造合成基因现有蛋白质新的蛋白质基因工程2．蛋白质工程崛起的缘由(1)基因工程的实质及不足：①实质：将一种生物的_______转移到另一种生物体内，使后者可以产生它本不能产生的__________，进而表现出_____________。②不足：基因工程在原则上只能生产自然界已存在的_________。(2)蛋白质工程崛起的缘由：天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的______________符合___________生存的需要，却不一定完全符合人类_____________的需要。若不能直接满足人类需要，就必须人为对其进行改造，蛋白质工程从而崛起。基因蛋白质新的性状蛋白质结构和功能特定物种生产和生活3．蛋白质工程的实例富含__________的玉米新品种的培育。玉米体内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——______________________________________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_______这两种酶的活性，从而影响赖氨酸含量的提高。经过蛋白质工程改造，将天冬氨酸激酶的第352位的_________变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成____________，就可以分别使玉米叶片和种子中的赖氨酸含量提高5倍和2倍。赖氨酸天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶抑制苏氨酸异亮氨酸在培育富含赖氨酸的玉米的过程中，为什么改变一个氨基酸就可以改变天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性？_________________________________。【答案】两种酶的化学本质是蛋白质，蛋白质的结构的决定因素包括氨基酸的种类、数目及排列顺序和蛋白质的空间结构，因此个别氨基酸的改变就会导致其结构的改变，从而影响其性质和功能

蛋白质工程制造的蛋白质是 (

)A．天然蛋白质B．稀有蛋白质C．自然界中不存在的蛋白质D．尚没有制造出来【答案】C【解析】蛋白质工程是对基因进行改造，进而产生符合人们需要的蛋白质，因此其产物不再是天然的蛋白质。

蛋白质工程的基本原理1．蛋白质工程的目标根据人们对______________的特定需求，对蛋白质的________进行设计改造。2．蛋白质工程的原理根据对蛋白质的结构进行设计改造，来改造基因或____________。蛋白质功能结构合成基因3．天然蛋白质的合成途径(中心法则)基因→表达(________和_________)→形成具有特定____________的多肽链→形成具有___________的蛋白质→行使生物功能。4．蛋白质工程的基本思路从预期的蛋白质功能出发→设计__________________→推测应有的______________→找到并改变相对应的______________________或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。转录翻译氨基酸序列高级结构预期的蛋白质结构氨基酸序列脱氧核苷酸序列(基因)

基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？_____________________________________。【答案】都遵循中心法则

蛋白质工程正确的基本流程是 (

)①设计蛋白质分子结构②合成DNA

③从预期的蛋白质功能出发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→②【答案】C【解析】蛋白质工程是根据人们的需要首先要预期蛋白质的相应功能，然后设计预期的蛋白质结构，推测其应有的氨基酸序列，根据相应的氨基酸序列推测脱氧核苷酸序列，再合成相应的目的基因，C正确。

蛋白质工程的应用1．医药工业方面(1)速效胰岛素类似物的研发：通过改造______________实现了对相应氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替换为____________或者将它与B29位的__________交换位置，从而抑制胰岛素的聚合。胰岛素基因天冬氨酸赖氨酸(2)干扰素的体外保存的实现：将干扰素分子上的一个___________变成__________，在一定条件下，可以延长保存时间。(3)小鼠单克隆抗体的改造：将小鼠抗体上___________的区域“嫁接”到____________上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度会________很多。半胱氨酸丝氨酸结合抗原人的抗体降低2．工业用酶方面利用蛋白质工程获得枯草杆菌__________的突变体，从中筛选出一些符合工业化_____________的突变体，从而提高这种酶的使用价值。3．农业方面(1)科学家正尝试改造某些参与调控________________，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。(2)利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物________________，使它防止害虫的效果增强。蛋白酶生产需求光合作用的酶蛋白质的结构蛋白质工程在各个方面的成功应用，是对蛋白质直接改造还是对基因进行改造或修饰？_____________________________________。【答案】对基因进行改造或修饰

猪的胰岛素用于人体降低血糖浓度效果不明显，原因是猪的胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪的胰岛素可用于临床治疗人的糖尿病，用蛋白质工程对蛋白质分子进行设计的最佳方案是

(

)A．对猪的胰岛素进行一个不同氨基酸的替换B．将猪的胰岛素和人的胰岛素进行拼接，组成新的胰岛素C．将猪的胰岛素和人的胰岛素混合在一起治疗人的糖尿病D．根据人的胰岛素设计制造一种新的胰岛素【答案】A【解析】

由于猪的胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同，所以可通过蛋白质工程中蛋白质的分子设计，替换这一个不同的氨基酸，A正确；将猪的胰岛素和人的胰岛素进行拼接，组成新的胰岛素的结构改变，B错误；将猪的胰岛素和人的胰岛素混合在一起治疗人的糖尿病达不到预期的效果，C错误；虽然根据人胰岛素分子的结构设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗，但在分子设计和胰岛素的生产方面都存在着很多困难，所以不是最佳方案，D错误。课堂·重难探究[知识归纳]1．蛋白质工程的概念分析蛋白质工程的概念分析和原理分析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改造或合成基因，来改造现有的蛋白质，或制造一种新的蛋白质目的满足人类生产和生活的需求2．蛋白质工程的原理由预期的蛋白质结构找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列。3．蛋白质工程的过程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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。4．流程图1．基因工程中的目的基因与蛋白质工程中的目的基因有何区别？提示：基因工程中目的基因一般是自然存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是天然存在的。2．为什么要通过基因改造或基因合成来完成蛋白质工程，而不是直接对蛋白质进行改造？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，而且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去。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。[对点精练]1．(2023·广东清远期末)下列有关蛋白质工程的叙述，错误的是

(

)A．蛋白质工程可以定向改变蛋白质分子的结构B．蛋白质工程生产干扰素的过程遵循了中心法则C．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D．对纤维素酶的改造是通过改造基因的结构而实现的【答案】C【解析】蛋白质工程是以蛋白质的结构规律及其与生物功能的关系作为基础的，因此蛋白质工程可以定向改变蛋白质分子的结构，A正确；蛋白质工程是通过改造基因的结构实现的，该过程中，干扰素的合成过程依然需要经过转录和翻译过程实现，即遵循了中心法则，B正确；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技术，因此其没有完全摆脱基因工程技术，C错误；蛋白质工程通过基因改造或基因合成，对现有蛋白质进行基因改造，或制造一种新的蛋白质，可见对纤维素酶的改造需通过改造基因结构，D正确。2．(2023·云南名校阶段练习)如图为蛋白质工程操作的基本思路，下列叙述不正确的是

(

)A．代表蛋白质工程操作思路的过程是④⑤B．代表中心法则内容的是①②③C．①代表转录，②③代表翻译，④代表分子设计，⑤代表DNA合成D．蛋白质工程的目的是对基因的结构进行分子设计，通过基因合成或改造而实现【答案】D【解析】蛋白质工程操作思路是以蛋白质分子的结构规律及其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，即图中的④⑤，A正确；中心法则是指遗传信息的传递过程，包括转录、翻译、DNA复制、RNA复制和逆转录过程，图中①代表转录，②③代表翻译，因此代表中心法则内容的有①②③，B正确；据图可知，①代表转录，②③代表翻译，④代表分子设计，⑤代表DNA合成，C正确；蛋白质工程的目的是对蛋白质的结构进行分子设计，通过基因合成或基因改造实现，D错误。课堂·延伸提分易错易混：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原理基因重组中心法则的逆转区别过程目的基因的筛选与获取→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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质比较项目基因工程蛋白质工程区别实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(基因的异体表达)定向改造或生产人类所需要的蛋白质结果生产自然界中已经有的蛋白质生产自然界中没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，对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质必须通过基因改造或基因合成来实现，蛋白质工程离不开基因工程，而基因工程中所用的某些酶也需要通过蛋白质工程进行修饰或改造，以提高其功能，因此两者是相互促进的例1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改造或基因合成来完成C．当得到可以在－70℃条件下保存半年的干扰素后，在相关酶、氨基酸和适宜的温度、pH条件下，干扰素可以大量自我合成D．基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的【答案】C【解析】基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以通过对基因改造实现对现有蛋白质的改造，或制造一种新的蛋白质，A正确；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，蛋白质工程不是对蛋白质分子的直接改造，而是通过修改基因或创造合成新基因来合成新的蛋白质，B正确；干扰素的成分是糖蛋白，不能自我复制，C错误；蛋白质工程的实质是改造基因，基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的，D正确。错因分析：一是对蛋白质工程和基因工程的结果分辨不清；二是对蛋白质工程的发展和原理掌握不清；三是对蛋白质工程和基因工程的过程和实质掌握不熟练，导致对两者产生的变异是否可以遗传不清楚；四是对干扰素的化学本质及其自我复制的特性理解不清。解题技巧：实验流程图类试题的解题技巧例2

Ⅰ．肠道病毒71型(EV71)为单股正链RNA病毒，是引起手足口病的主要病原体之一。

在EV71中，结构蛋白1(VPⅠ)为主要的中和抗原(中和抗原与中和抗体结合后能阻止病原体入侵与增殖)。研究人员在研制VPⅠ蛋白疫苗的过程中，做了如下实验：(1)图中过程①和②分别是_____________________________。(2)采用PCR技术进行体外扩增获得大量的VPⅠ基因，除了需要引物外，PCR扩增目的基因还需要_______________________等条件。(3)通过上述过程⑥得到的蛋白制备的疫苗比④效果更好，从细胞结构差异的角度分析，原因是_________________________________。Ⅱ．赖氨酸是人体八大必需氨基酸之一，能促进人体发育、增强免疫功能，并有提高中枢神经组织功能的作用。某农科所科技人员欲将玉米中某种蛋白酶改造成“M酶”，从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量，以期培育出高赖氨酸玉米新品种。请回答下列问题：(1)科技人员先从“提升玉米种子中赖氨酸含量”这一目标出发，预期构建出________的结构，再推测出相对应目的基因的______________序列，最终合成出“M酶”基因。(2)“M酶”基因只有插入______________，才能确保“M酶”基因在玉米细胞中得以稳定遗传。(3)将含有“M酶”基因的玉米细胞培育成转“M酶”基因的玉米植株。为了确保育种成功，科技人员需要通过________________，从个体水平加以鉴定。【答案】Ⅰ．(1)逆转录

、基因表达载体的构建(2)模板(DNA的两条母链)、原料(四种脱氧核苷酸)、耐高温的DNA聚合酶(3)动物细胞具有内质网、高尔基体，可以对核糖体合成的多肽链进行剪切、折叠、加工、修饰等处理Ⅱ．(1)“M酶”脱氧核苷酸(2)玉米细胞的染色体DNA中(3)测定玉米种子中赖氨酸含量审题流程：第一步解读题干，提取信息根据题干“在EV71中，结构蛋白1(VPⅠ)为主要的中和抗原(中和抗原与中和抗体结合能阻止病原体入侵与增殖)。研究人员在研究VPⅠ蛋白疫苗的过程中，做了如下实验”，“赖氨酸能促进人体发育、增强免疫功能……将玉米中某种蛋白酶改造成‘M酶’，从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量，以期培育出高赖氨酸玉米新品种”可以获得信息：①VPⅠ蛋白是病毒的主要抗原，可以利用VPⅠ蛋白作为抗原研制疫苗；②赖氨酸有许多功能；③可以通过蛋白质工程提高玉米种子赖氨酸的含量。第二步解读流程图，对接教材本题Ⅰ流程图表示有“RNA→DNA的逆转录过程”“DNA→VPⅠ基因的PCR扩增过程”“携带VPⅠ基因的重组表达载体构建过程”“将目的基因分别导入大肠杆菌和动物细胞过程”“检测VPⅠ蛋白表达过程”等内容，可以判断考查的是基因工程的基本操作程序，与教材中第3章第2节密切相关。基因工程的基本操作程序包括目的基因的筛选和获取，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。根据本题Ⅱ题干“将玉米中某种蛋白酶改造成‘M酶’，从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量”判断考查的是蛋白质工程，与教材中第3章第4节《蛋白质工程的原理和应用》密切相关。蛋白质工程先从预期蛋白质的功能出发，设计预期蛋白质的结构，推测其应有的氨基酸序列，进而推测基因的脱氧核苷酸序列，然后通过基因工程生产需要的蛋白质。第三步结合小题，逐个突破Ⅰ．(1)①是以RNA为模板合成DNA，表示逆转录；②是用VPⅠ基因构建携带VPⅠ基因的重组表达载体，表示基因表达载体的构建。(2)采用PCR技术进行体外扩增获得大量的VPⅠ基因，除了需要引物外，PCR扩增目的基因还需要模板、原料、耐高温的DNA聚合酶。(3)大肠杆菌是原核生物，没有内质网和高尔基体；而动物细胞具有内质网、高尔基体，可以对核糖体合成的多肽链进行剪切、折叠、加工、修饰等处理，疫苗效果更好。Ⅱ．(1)根据题意，从“提升玉米种子中赖氨酸含量”这一目标出发，进行的是蛋白质工程，预期构建出“M酶”的结构，再推测出相对应目的基因的脱氧核苷酸序列，最终合成出“M酶”基因。(2)“M酶”基因只有插入玉米细胞的染色体DNA中，才能在玉米细胞中得以稳定遗传。(3)从个体水平鉴定育种是否成功，要测定玉米种子中赖氨酸的含量。小练·素养达成1．(2023·广东梅州期末)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通过改造基因来改造蛋白质B．蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子C．蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列D．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【答案】C【解析】蛋白质工程的实质是通过改造基因来改造蛋白质，A正确；蛋白质工程能以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因改造或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，B正确；蛋白质工程并非是改变蛋白质分子的所有氨基酸序列，C错误；蛋白质工程可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代的基因工程，是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程，D正确。2．(2023·广东深圳期中)科学家将葡萄糖异构酶的第138位甘氨酸用脯氨酸替代，结果它的最适温度提高了10～12℃。下列说法正确的是

(

)A．蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异B．对葡萄糖异构酶的改造需要以基因工程为基础C．蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具D．经改造后的葡萄糖异构酶热稳定性提高，这一性状不可遗传【答案】B【解析】蛋白质工程和基因工程都要对基因进行操作，其操作对象相同，A错误；对葡萄糖异构酶的改造属于蛋白质工程，需要以基因工程为基础，B正确；蛋白质工程要通过基因工程实施，需要酶和载体作为工具，C错误；蛋白质工程对编码蛋白质的基因进行了改造，遗传物质已经改变，属于可以遗传的变异，D错误。3．(2023·广东梅州期末)下列关于基因工程和蛋白质工程的叙述错误的是

(

)①科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，目的是降低转基因奶牛分泌的乳汁中乳糖的含量

②人生长激素基因工程菌产生的生长激素属于该工程菌的初生代谢物

③基因工程和蛋白质工程都需要在分子水平对基因进行操作

④蛋白质工程最终要达到的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息A．一项B．二项

C．三项

D．四项【答案】B【解析】将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，肠乳糖酶基因表达产物是乳糖酶，可分解乳糖，使乳糖含量降低，①正确；人生长激素基因工程菌产生的生长激素属于该工程菌的次生代谢物，②错误；蛋白质工程本质上属于基因工程的延伸，基因工程和蛋白质工程都需要在分子水平上对基因进行操作，③正确；蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求，④错误。综上所述，错误的有二项，B符