2021学年专题1 基因工程1.4 蛋白质工程的崛起学案设计

这是一份2021学年专题1 基因工程1.4 蛋白质工程的崛起学案设计，共6页。学案主要包含了蛋白质工程崛起的缘由，蛋白质工程的基本原理，蛋白质工程的进展和前景等内容，欢迎下载使用。


一、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.蛋白质工程崛起的缘由:
(1)基因工程存在不足:在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
(2)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。
3.蛋白质工程的实例:
二、蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的解释:
(1)基础:蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
(2)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。
(3)目的:获得满足人类生产和生活需求的蛋白质。
2.原理:由预期的蛋白质找到相对应的基因,即中心法则的逆推。
3.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)→合成DNA→表达出蛋白质。
4.结果:现有蛋白质得以改造,或制造出新的蛋白质。
5.与基因工程的关系:是在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基因工程。
三、蛋白质工程的进展和前景
1.前景诱人:用蛋白质工程方法制成的电子元件,具有体积小、耗电少和效率高的特点。
2.难度很大:主要是因为目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。
1.蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。(√)
2.基因工程遵循中心法则,而蛋白质工程不遵循。(×)
【分析】蛋白质工程修饰或合成的基因在复制和表达时仍然遵循中心法则。
3.为延长干扰素保存时间,需要替换氨基酸;为提高玉米中赖氨酸含量,需要在蛋白质中加入赖氨酸。(×)
【分析】前半句正确。为提高玉米中赖氨酸含量需要改变赖氨酸合成过程中的两种关键酶,分别将其中的一个氨基酸替换。
4.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。(√)
5.根据某多肽链的一段氨基酸序列,可以很容易地确定决定这段肽链的脱氧核苷酸序列。(×)
【分析】由于密码子的简并性,根据氨基酸序列确定脱氧核苷酸序列并不容易。
6.蛋白质工程是一项难度很大的工程,主要是因为人们对蛋白质复杂的高级结构没有完全认识。(√)
7.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作,定向改变分子的结构。(×)
【分析】蛋白质工程是通过基因修饰或基因合成对现有蛋白质定向改造,以满足人类的生产和生活的需求,蛋白质工程直接操作的对象是基因。
蛋白质工程与基因工程的比较
【易错提醒】
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下去的。
(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。
【选修对接必修】 对接必修1:蛋白质与核酸
(1)蛋白质是生命活动的主要承担者,基本组成单位是氨基酸。
(2)核酸是遗传信息的携带者,基本组成单位是核苷酸。
(3)蛋白质多样性的直接原因和根本原因是什么?
提示:直接原因是氨基酸的种类、数量、排列顺序及肽链的空间结构不同,根本原因是基因的多样性及其选择性表达。
近30年来,我国患糖尿病的人数的增长极为迅速,这不仅与人们不健康的生活方式有关,也与患者体内胰岛素的缺乏有关。生产速效胰岛素以及利用转基因技术实现胰岛素的批量生产就成为了目前糖尿病治疗的新思路,请回答下列相关问题:
(1)速效胰岛素是科学家将胰岛素B链的第28个和第29个氨基酸调换顺序后获得的。该过程中,需要对__________(填“胰岛素”“胰岛素基因”或“胰岛细胞”)进行定向改造。
(2)利用基因工程技术实现胰岛素的批量生产的过程中,关键操作环节是__________________,该环节需用到的工具酶有____________。
(3)对于胰岛素基因的获取,一是通过提取__________细胞中的胰岛素mRNA,经过__________过程合成,之后通过__________技术大量扩增;二是通过分析胰岛素的__________序列,进行人工合成。
(4)为了将改造后的分子顺利导入大肠杆菌体内,一般需要用__________处理大肠杆菌,使之成为__________细胞。
【解析】(1)将胰岛素B链的第28和29个氨基酸调换顺序后可获得速效胰岛素。因此,要生产速效胰岛素,可采用蛋白质工程技术,这就需要对胰岛素基因进行定向改造。(2)基因工程的关键环节是基因表达载体的构建,该过程需要用到的工具酶是限制酶和DNA连接酶。(3)对于胰岛素基因的获取,一是通过提取胰岛B细胞的胰岛素mRNA,经过逆转录过程合成,之后通过PCR技术大量扩增;二是通过分析胰岛素的氨基酸序列,进行人工合成。(4)为了将改造后的分子顺利导入大肠杆菌体内,一般需要用CaCl2处理大肠杆菌,使之成为感受态细胞。
答案:(1)胰岛素基因 (2)基因表达载体的构建 限制酶、DNA连接酶 (3)胰岛B 逆转录 PCR 氨基酸
(4)CaCl2 感受态
【误区警示】
(1)不能准确理解蛋白质工程的实质:蛋白质工程生产的产品不是天然的蛋白质,而是经过改造了的具有人类所需要优点的蛋白质。
(2)不能正确认识基因工程中的工具和工具酶:载体属于工具,但不属于工具酶。
干扰素是动物体内合成的一种蛋白质,可以用于治疗病毒感染和癌症。人的干扰素基因在大肠杆菌细胞中进行表达,产生的干扰素,其抗病毒活性只有天然产品的十分之一,且体外保存相当困难。研究发现,若将第17位的半胱氨酸改变为丝氨酸,生产出的干扰素的抗病毒活性是原来的100倍,并且在-70 ℃的条件下,可以保存半年,给广大患者带来福音。回答下列问题:
(1)从上述资料可知,若要改变干扰素的功能,可以考虑对干扰素的__________
____________进行改造。
(2)对干扰素进行改造,应该直接对______________________(填“干扰素分子”或“干扰素基因”)进行操作来实现,原因是 _________________________________。
(3)与蛋白质工程相比较,基因工程在原则上只能生产________的蛋白质,不一定符合生产和生活的需要,而蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础,通过________或________得到符合要求的________,再通过______________________(填生理过程)实现相应蛋白质的合成,满足生产和生活需要。
【解析】(1)蛋白质的结构决定干扰素的功能,而蛋白质的结构与氨基酸的种类、数量、排列顺序等有关,且题干显示改变一个氨基酸就可以改变干扰素的功能,因此若要改变干扰素的功能,可以考虑对干扰素的氨基酸序列进行改造。
(2)蛋白质的结构由基因决定,蛋白质不能直接遗传,而基因可以遗传,且对基因的改造比对蛋白质的改造要容易,因此对干扰素进行改造,应该直接对干扰素基因进行操作来实现。
(3)基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质,而蛋白质工程可以生产自然界不存在的蛋白质;蛋白质工程通过基因修饰或基因合成得到符合要求的基因,再通过转录和翻译实现相应蛋白质的合成,满足生产和生活需要。
答案:(1)氨基酸序列 (2)干扰素基因 蛋白质的结构由基因决定,蛋白质不能直接遗传,基因可以遗传;对基因的改造比对蛋白质的改造要容易 (3)自然界已存在 基因修饰 基因合成 基因 转录和翻译
【补偿训练】
(2015·全国卷Ⅱ节选)已知生物体内有一种蛋白质(P),该蛋白质是一种转运蛋白,由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸,240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸,改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能,而且具有了酶的催化活性。回答下列问题:
(1)从上述资料可知,若要改变蛋白质的功能,可以考虑对蛋白质的____________进行改造。
(2)以P基因序列为基础,获得P1基因的途径有修饰______基因或合成______
____________基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的,中心法则的全部内容包括____________的复制,以及遗传信息在不同分子之间的流动,即:________
__________________________________________________。
【解析】(1)蛋白质P1是由蛋白质P改变了两个氨基酸得到的,故若要改变蛋白质的功能,可以考虑对蛋白质的氨基酸序列进行改造。
(2)P1基因可以在P基因的基础上经修饰改造而成,也可以根据氨基酸序列用化学方法合成。中心法则的内容为:
包括DNA的复制,RNA的复制,遗传信息由DNA→RNA、由RNA→DNA、由RNA→蛋白质五个过程。
答案:(1)氨基酸序列(或结构)
(2)P P1 DNA和RNA(或遗传物质)
DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转录、翻译)
【方法规律】基因工程与蛋白质工程的判断方法
蛋白质缺陷
改造措施
改造后效果
干扰素体外
保存时间短
半胱氨酸
替换为丝氨酸
保存时间延长至半年
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
项目
蛋白质工程
基因工程
区
别
操作
对象
基因
过
程
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→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→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
实
质
通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的
基因重组
结
果
可以创造出自然界不存在的蛋白质
生产自然界已存在的蛋白质
联
系
①蛋白质工程获得目的基因后,需要通过基因工程获得预期蛋白质
②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