高中生物人教版 (2019)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备课ppt课件

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1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.简述蛋白质工程的原理。3.举例说明蛋白质工程的实际应用。
1.认同蛋白质工程是基因工程的延续。2.认同蛋白质工程在农业、医药工业及其他工业生产中的应用价值。3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。
一、蛋白质工程的概念1.概念:是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础,通过改造或合成基因,来改造现有蛋白质,或制造一种新的蛋白质,以满足人类生产和生活的需求。2.对蛋白质工程概念的理解(1)蛋白质工程的基础:蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。(2)蛋白质工程的实质:改造或合成基因。(3)蛋白质工程的产物:改造现有蛋白质,或制造新的蛋白质。
二、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.基因工程的不足:基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。
三、蛋白质工程的基本原理1.关于天然蛋白质(1)合成过程遵循的原则:中心法则。(2)合成过程:基因→表达(转录和翻译)→形成具有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。2.蛋白质工程(1)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设计改造。(2)基本思路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。
四、蛋白质工程的应用1.在医药工业方面:利用蛋白质工程研发药物,如速效胰岛素类似物、易于保存的干扰素、不易诱发人体免疫反应的小鼠单克隆抗体等。2.在其他工业方面:广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶,如枯草杆菌蛋白酶。3.在农业方面:科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶,以提高植物光合作用的效率,增加粮食的产量;设计优良微生物农药,通过改造微生物蛋白质的结构,使它防治病虫害的效果增强。
【预习检测】 1.判断正误。(1)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。(　　)(2)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设计改造。(　　)(3)蛋白质工程的操作手段是基因改造或基因合成。(　　)(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。(　　)(5)基因工程中所利用的工具酶都是通过蛋白质工程进行修饰、改造的。(　　)
(6)蛋白质工程能定向改造或生产人类所需的蛋白质,不能定向改造生物的遗传性状。(　　)(7)蛋白质工程可生产自然界中没有的蛋白质,基因工程原则上只能生产自然界中已有的蛋白质。(　　)(8)蛋白质工程是一项难度很大的工程,目前还没进入实用阶段。(　　)
2.下列关于蛋白质工程的说法,正确的是(　　)A.蛋白质工程以基因工程为基础B.蛋白质工程就是酶工程的延伸C.蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造D.蛋白质工程只能生产天然的蛋白质答案:A
3.科学家将β-干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达,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-干扰素的抗病毒活性,并且提高了储存稳定性。该生物技术为(　　)A.蛋白质工程　　B.基因工程C.基因突变D.细胞工程答案:A
解析: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,使其高效表达,从中提取所需的蛋白质,或表现某种性状,蛋白质产品仍然为天然存在的蛋白质。而蛋白质工程却是对控制蛋白质合成的基因进行改造,从而实现对其编码的蛋白质的改变,所得到的已不是天然的蛋白质。题目中的操作中涉及的基因显然不再是原来的基因,其合成的β-干扰素也不是天然β-干扰素,而是经过改造的,是具人类所需优点的蛋白质,因而整个过程利用的生物技术为蛋白质工程。
4.下列关于蛋白质工程的说法,错误的是(　　)A.蛋白质工程能将人抗体某些区段替代鼠单克隆抗体的区段,降低鼠单克隆抗体免疫原性B.蛋白质工程可对酶的催化活性、底物专一性、抗氧化性、热变性、碱变性等加以改变C.理论上置换与增删关键氨基酸是进行蛋白质工程的唯一方法D.蛋白质工程的崛起能在一定程度上满足人类生产生活的需要答案:C
5.在蛋白质工程中,需要直接进行操作的对象是(　　)A.氨基酸结构B.蛋白质空间结构C.肽链结构D.基因结构答案:D
知识点　蛋白质工程的原理
1.已知一段肽链的氨基酸序列为……—亮氨酸—色氨酸—赖氨酸—谷氨酸—苯丙氨酸—……,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。提示:每种氨基酸都有对应的密码子,只要查一下密码子表,就可以将题干所述氨基酸序列的编码序列查出来。但是由于该氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个密码子编码的,所以其碱基排列组合起来就比较复杂,至少可以排列出16种。首先应该根据密码子推出mRNA序列为:GCU(或C或A或G)UGG AAA(或G)AUG UUU(或C),再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列为:CGA(或G或T或C)ACC TTT(或C)TAC AAA(或G)。
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: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文库中获取。3.在蛋白质工程中,为什么通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造?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的。(2)蛋白质具有十分复杂的空间结构,基因的结构相对简单,对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作。
4.蛋白质工程的难度体现在哪里?提示:蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构,目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还远远不够,所以蛋白质工程目前成功的例子还很少。5.基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则?为什么?提示:都遵循中心法则。基因工程指导合成天然蛋白质合成的过程是遵循中心法则的;在蛋白质工程的具体操作中,经改造的基因表达出蛋白质仍遵循中心法则。
1.对蛋白质工程的概念应从以下几个方面理解。(1)基础:蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。(2)目的:根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质结构进行设计改造。(3)操作:基因改造或基因合成。(4)结果:改造了现有蛋白质或制造出新的蛋白质。
2.蛋白质工程与基因工程的关系
3.蛋白质工程流程图注意: 表示蛋白质工程的特殊部分,←表示遵循中心法则,属于基因工程的内容。
4.蛋白质工程的判断(1)判断是否为蛋白质工程的关键是看是否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。(2)根据改造蛋白质部位的多少,对蛋白质的改造可分为三类。①“大改”:设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质。②“中改”:在蛋白质分子中替换某一个肽段或一个特定的结构域。③“小改”:改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。
胰岛素可以用于治疗糖尿病,但是胰岛素被注射入人体后,会堆积在皮下,要经过较长时间才能进入血液,而进入血液的胰岛素又容易被分解,治疗效果受到影响。下图是用蛋白质工程设计的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)图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?(3)新的胰岛素基因与载体(质粒)结合过程中需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶。已知限制性内切核酸酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—。请画出质粒被限制性内切核酸酶Ⅰ切割后所形成的黏性末端:　　　　　　　　　　　。DNA连接酶对所连接的DNA两端碱基序列是否有专一性要求?　　　　　　。 (4)若将含有新的胰岛素基因的表达载体导入植物细胞中,最常用的方法是　　　　　　　　　　　　　　　。 (5)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素,需用到的生物工程有　　　　　、发酵工程等。 
答案:(1)蛋白质(即新的胰岛素)的预期功能(2)根据新的胰岛素中氨基酸的序列,推测出相对应的脱氧核苷酸序列,然后利用DNA合成仪来合成新的胰岛素基因。(3)—G—CCTAG、GATCC—G—　否(4)农杆菌转化法(5)蛋白质工程解析:(1)构建新的胰岛素模型的主要依据是蛋白质的预期功能。(2)根据蛋白质的预期功能,推测新的胰岛素中氨基酸的序列,进而推测基因中的脱氧核苷酸序列,合成新的胰岛素基因。(3)植物基因工程最常用的转化方法是农杆菌转化法。(4)限制酶识别特定的核苷酸序列,产生特定的黏性末端或平末端,而DNA连接酶对所连接的DNA两端碱基序列却没有专一性要求。(5)利用大肠杆菌生产速效胰岛素需要用到蛋白质工程、发酵工程。
【变式训练】 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。请回答下列问题。(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　　　　　　　　 　　　　　　　　　　。 
(3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程,其基本途径是从预期蛋白质功能出发,通过　　　　　　　　　　　和　　　　　　　　　　　　,进而确定相对应的脱氧核苷酸序列,据此获得基因,再经表达、纯化获得蛋白质,之后还需要对蛋白质的生物　　　　进行鉴定。 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)(3)设计蛋白质的结构　推测氨基酸的序列　功能
解析:(1)根据题意可知,对蛋白质的氨基酸序列(或结构)进行改造,可达到改变蛋白质的功能的目的。(2)以P基因序列为基础,获得P1基因,可以对P基因进行修饰改造,也可以用人工方法合成P1基因。中心法则的全部内容包括DNA和RNA的复制、DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或复制、转录、逆转录、翻译)。(3)蛋白质工程的基本途径是从预期蛋白质的功能出发,通过设计蛋白质的结构和推测氨基酸的序列,进而确定相对应的脱氧核苷酸序列,据此获得基因。经表达得到的蛋白质,要对其生物功能进行鉴定。