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学案及答案
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第三章 第4节 蛋白质工程的原理和应用
课标要求 | 学习目标 |
1.概述人们根据基因工程原理，进行蛋白 质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质； 2.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程 | 1.简述蛋白质工程的基本原理(生命观念） 2.概述蛋白质工程的进展和前景(社会责任）
|
课前自主探究
一.蛋白质工程的概念理解
①基础：蛋白质分子的 及其与 的关系。
②手段：改造或合成 。
③结果：对现有蛋白质进行 或制造出 。
二、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质和不足：
(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。
2.蛋白质工程的崛起：
(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。
(3)实例：玉米中赖氨酸的含量比较低，将赖氨酸合成过程中两种酶的 替换，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
三、蛋白质工程的基本原理
1.目标：根据人们对 功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。
2.方法： 或 。
3.流程：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的 →推测应有的 序列→找到并改变相对应的 序列（基因）或合成新的 →获得所需要的蛋白质。
四、蛋白质工程的应用
1.在医药工业方面的应用
(1)研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造 使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了 ，研发出速效胰岛素类似物。
(2)提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个 变成 ，提高了干扰素的保存时间。
(3)改造抗体：将小鼠单克隆抗体上 “嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。
2.在其他工业和农业方面的应用
(1)改进酶的性能或开发新的工业用酶：利用蛋白质工程获得蛋白酶的多种 。
(2)改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造参与 的酶，以提高植物光合作用的效率。
易错易混辨析
(1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。（ ）
(2)蛋白质工程以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础。（ ）
(3)基因工程在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程在分子水平对蛋白质进行操作。（ ）
(4)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。（ ）
(5)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。（ ）
(6)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。（ ）
课堂合作探究
【情景探究】：蛋白质工程的目标是生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质。结合图示回答有关问题：
(1)写出流程图中字母代表的含义：
A. ;B. ;C. ；
D. ；E. .
(2)上图字母中属于中心法则的过程有 ，属于蛋白质工程的过程有
。
(3)对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？原因是什么？
(4)蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋自质相同吗？分别体现在哪些方面？
(5)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。
(6)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？
(7)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。
(8)蛋白质工程被称为“第二代基因工程”，请概述二者的根本区别及其联系。
【归纳总结】蛋白质工程与基因工程的异同
项目 | 蛋白质工程 | 基因工程 |
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 | 筛选与获取目的基因→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 |
实质 | 定向改造或生产人类所需要的蛋白质 | 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 |
结果 | 可生产自然界中不存在的蛋白质 | 只能生产自然界中已存在的蛋白质 |
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 | |
第三章 第4节 蛋白质工程的原理和应用答案
课前自主探究
一.① 结构规律 生物功能 ② 基因 ③ 改造 新的蛋白质
二、1.(1)另一种生物体内 蛋白质 新的性状（2)已存在
2.(1)分子生物学（2)结构和功能 人类生产和生活 （3）氨基酸
三、1.蛋白质 2.改造 合成基因 3.蛋白质结构 氨基酸 脱氧核苷酸 基因
四、1.(1)胰岛素基因 胰岛素的聚合 (2)半胱氨酸 丝氨酸 (3)结合抗原的区域
2.(1)突变体（2)调控光合作用
易错易混辨析：提示 (1)√ (2)√(3)× (4)√ (5)×(6)×
课堂合作探究
(1)预期功能 氨基酸序列 改造或合成 转录 翻译
(2)D、E A、C
(3)对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？原因是什么？
(3)提示：应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。
主要原因是①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。
(4)蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋自质相同吗？分别体现在哪些方面？
(4)提示：不同。体现：①操作对象不同：蛋白质工程的操作对象是天然基因改造后的基因；基因工程的操作对象是天然基因。②得到的蛋白质不同：蛋白质工程可以得到自然界没有的新的蛋白质；基因工程得到的是自然界原有的蛋白质。
(5)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。
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。
(6)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。
(7)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。
(8)蛋白质工程被称为“第二代基因工程”，请概述二者的根本区别及其联系。
提示：（8)二者的根本区别是基因工程只能控制合成自然界中已存在的蛋白质，蛋白质工程可以制造出符合人类需要的自然界没有的蛋白质。二者的联系表现在蛋白质工程离不开基因工程，蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶，需要构建基因表达载体；改造后的基因要表达出相应的蛋白质，同样需要将改造或合成的基因导入受体细胞。
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