新教材高中生物选择性必修3课件1：3 4 蛋白质工程的原理和应用(人教版)

第3章基因工程第4节蛋白质工程的原理和应用1.基础:_______分子的结构规律及其与_________的关系。2.操作方法:改造或合成_____。3.结果:改造现有的_______或制造一种新的_______。4.目的:满足人类生产和生活的需求。5.与基因工程的关系:在_________的基础上,延伸出来的第二代基因工程。蛋白质生物功能基因蛋白质蛋白质基因工程一、蛋白质工程的概念(1)实质:将一种生物的基因转移到_______________,后者可以产生它本不能产生的_______,进而表现出_________。(2)基因工程存在的不足:原则上只能生产自然界_______的蛋白质。另一种生物体内蛋白质新的性状已存在二、蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实质和不足:(1)理论和技术条件:___________、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。(2)天然蛋白质存在不足:天然蛋白质的___________符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合_______________的需要。分子生物学结构和功能人类生产和生活二、蛋白质工程崛起的缘由2.蛋白质工程的崛起:(3)实例:蛋白质缺陷改造措施改造后效果玉米中赖氨酸含量低赖氨酸合成中两种酶的氨基酸被替换玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高5倍和2倍1.目标:根据人们对蛋白质_____的特定需求,对蛋白质的_____进行设计改造。2.方法:改造或合成_____。功能结构基因三、蛋白质工程的基本原理3.基本思路:填一填:基于蛋白质的合成过程和蛋白质工程的基本思路,完成下列填空。①_______

②_______

③_____

④_________A推测应有的___________B找到并改变_____或合成新的_____C_____

D_____蛋白质多肽链mRNA目的基因氨基酸序列基因基因转录翻译三、蛋白质工程的基本原理如果已经推测出多肽中的氨基酸序列,那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢?说明你的理由。激疑提示:不唯一,因为一个氨基酸是由一个或多个密码子决定,因此获得的基因总的碱基序列有多种。三、蛋白质工程的基本原理(1)速效胰岛素类似物:改变氨基酸序列,_____胰岛素的聚合。(2)干扰素:一个半胱氨酸替换为丝氨酸,_____保存时间。(3)单克隆抗体:将小鼠抗体上_________的区域“嫁接”到人的抗体上,降低诱发免疫反应的强度。抑制延长结合抗原改进酶的性能四、蛋白质工程的应用1.医药工业方面:2.其他工业方面:广泛用于_____________或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶。(1)改造某些_________________的酶,提高植物光合作用的效率。(2)改造_____________的结构,增强防治病虫害的效果。参与调控光合作用微生物蛋白质3.农业方面:四、蛋白质工程的应用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预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→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改造或制造人类所需要的蛋白质比较项目基因工程蛋白质工程区别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①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修饰或基因合成来实现,蛋白质工程离不开基因工程②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,以提高其功能基因工程与蛋白质工程的比较有关蛋白质工程的两点提醒(1)改造对象是基因: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。(2)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。特别·提醒【素养案例】下列关于蛋白质工程和基因工程的比较,不合理的是 (

)A.蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发,设计出相应的基因,并借助基因工程实现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℃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【解题导引】解答本题思维流程如下:

【解析】选C。蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发,设计预期的蛋白质结构,进而设计出相应的基因,并借助基因工程实现,选项A正确。基因工程生产的自然界中已存在的蛋白质不能完全符合人类需要,因此催生了蛋白质工程,但由于基因决定蛋白质,因此蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成,选项B正确。干扰素作为一种表达产物,其化学本质为蛋白质,蛋白质不具有自我合成的能力,选项C错误。基因工程产生的变异即为基因重组,目的基因转入后便可以随宿主的基因一同表达并遗传给后代,蛋白质工程最终也要通过基因来改造,因此蛋白质工程产生的变异也可以遗传,选项D正确。【素养·探究——母题追问】(1)科学思维——演绎与推理利用蛋白质工程将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,如何对现有的基因进行改造?提示:改变决定干扰素分子上半胱氨酸的碱基序列,改变其碱基的种类使其控制合成的氨基酸为丝氨酸。(2)科学思维——批判性思维某同学认为只要知道了氨基酸的序列就可以利用蛋白质工程制造出各种特定功能的蛋白质,你认为他的说法科学吗?说明你的理由。提示:不科学,蛋白质的功能除了与氨基酸的序列有关以外,蛋白质的功能还与其特定的空间结构有关。【素养·迁移】

目前科学家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 (

)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序列③蓝色荧光蛋白基因的合成④表达出蓝色荧光蛋白A.①②③④

B.②①③④C.②③①④ D.④②①③【解析】选B。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→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)→表达出相应的蛋白质,故正确顺序应该是②①③④。课堂小结课堂检测·素养达标1.随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的发展,蛋白质工程广泛应用于医药和其他工农业生产中,下列有关描述正确的是____________。

①蛋白质工程对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的②基因工程遵循中心法则,而蛋白质工程不遵循③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,也需要利用基因工程的基本工具,需要经历基因工程的操作流程④由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化,空间结构千差万别,蛋白质工程操作难度很大⑤蛋白质工程不能改变蛋白质的活性课堂检测【解析】选③④。蛋白质工程对蛋白质的改造是通过直接改造相应的基因来实现的,①错误;基因工程和蛋白质工程都遵循中心法则,②错误;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,也需要利用基因工程的基本工具,需要经历基因工程的操作流程,③正确;由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化,空间结构千差万别,蛋白质工程操作难度很大,④正确;蛋白质工程能改变蛋白质的活性,⑤错误。2.蛋白质工程的基本流程是 (

)A.基因→表达→形成特定氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能B.对蛋白质进行分子设计→改造蛋白质分子→行使功能C.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→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D.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→合成相应mRNA【解析】选C。蛋白质工程的基本流程: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。3.科学家将β-干扰素基因进行定点突变后导入大肠杆菌表达,使β-干扰素第17位的半胱氨酸改变成丝氨酸,结果大大提高了β-干扰素的抗病性,并且提高了储存稳定性,该生物技术为 (

)A.基因工程 B.蛋白质工程C.基因突变 D.细胞工程【解析】选B。基因工程是通过对基因的操作,将符合人们需要的目的基因导入适宜的生物体,原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,蛋白质工程是指以蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有的蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产或生活需要。本题中合成的β-干扰素是基因定点突变后的表达产物,不是天然的,因此属于蛋白质工程。4.下列关于基因工程药物与蛋白质工程药物的说法正确的是 (

)A.都与天然产物完全相同B.都与天然产物完全不相同C.基因工程药物与天然产物一般相同,蛋白质工程药物与天然产物可不相同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】选C。基因工程合成的药物与天然产物一般相同,而蛋白质工程可以合成出自然界不存在的蛋白质,即与天然产物可不相同。5.人体内的t-PA蛋白能高效降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓,然而,为心梗患者注射大剂量的基因工程t-PA会诱发颅内出血,其原因在于t-PA与血纤维蛋白结合的特异性不高。研究证实,通过某技术,将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸,可制造出性能优异的改良t-PA蛋白,进而显著降低出血副作用。下列相关叙述中错误的是 (

)A.该技术的关键工作是了解t-PA蛋白质分子结构B.该技术生产改良t-PA蛋白的过程遵循中心法则C.该技术是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的D.该技术构建出了一种自然界中原先不存在的全新的基因【解析】选C。将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸需要采用蛋白质工程技术,该技术的关键工作是了解t-PA蛋白质分子结构,A正确;该技术生产改良t-PA蛋白的过程遵循中心法则,B正确;该技术是在基因分子水平上通过改造基因来实现对蛋白质改造的,C错误;该技术中进行了基因修饰或基因合成,可以构建出一种自然界中原先不存在的全新的基因,D正确。6.阅读下列资料,结合所学知识回答问题:资料一多巴胺是一种重要的单胺类神经递质。大脑中多巴胺失调会导致精神疾病或神经性疾病,如多动症、精神分裂症、帕金森病等。资料二研究发现,随着年龄的增长,器质多巴胺能神经元(含有并释放多巴胺作为神经递质的神经元)呈现退行性改变,当80%的此类神经元死亡时,就可能出现帕金森病症状。资料三北京大学李龙团队开发出新型可遗传编码的乙酰胆碱和多巴胺荧光探针,该探针表达后形成荧光蛋白与神经递质受体的融合体,当相应的神经递质与上述融合体结合后发出荧光。(1)在神经系统中,多巴胺通常以__________方式由_________________释放后与相应的受体结合。

(2)有人提出一种治疗帕金森病的思路:利用从囊胚中____________(部位)获得的细胞,对其进行诱导分化后,

用以补充死亡的黑质多巴胺能神经元,这属于一种__________工程的应用。(3)对资料三中所用的技术,最准确的