人教版 (2019)选择性必修3第4节 蛋白质工程的原理和应用教案设计

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一、蛋白质工程崛起的缘由1.蛋白质工程的概念(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:改造或合成基因。(3)目的: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.蛋白质工程的崛起(1)理论和技术条件:分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。(2)缘由①基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。②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。
二、蛋白质工程的基本原理及应用1.蛋白质工程的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。
3.蛋白质工程的应用(1)通过改造胰岛素基因,使胰岛素上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,从而有效抑制胰岛素聚合,由此研发出速效胰岛素类似物产品。(2)延长干扰素体外保存时间。将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,在-70 ℃的条件下,干扰素可以保存半年。(3)改进酶的性能或开发新的工业用酶,提高酶的使用价值。
预习反馈1.判断正误。(1)蛋白质工程的基础是基因工程。( √ )(2)蛋白质工程制造的是天然蛋白质。( × )(3)蛋白质工程中对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的。( × )(4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性。( × )(5)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。( √ )(6)蛋白质工程需要使用限制性内切核酸酶和DNA连接酶。( √ )
2.下列有关蛋白质工程与基因工程的叙述,正确的是(　　)A.基因工程原则上能生产任何蛋白质B.蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质C.蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现D.蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第三代基因工程答案B解析基因工程原则上只能生产自然界已有的蛋白质;蛋白质工程通过改造或合成基因,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求,是延伸出来的第二代基因工程;蛋白质工程需要转录和翻译过程。
3.(多选)下列关于蛋白质工程的叙述,不正确的是(　　)A.通过对基因结构的定点突变实现对玉米赖氨酸合成的关键酶结构的改变,属于蛋白质工程B.将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内,使大肠杆菌生产人的胰岛素,属于蛋白质工程C.对蛋白质进行分子设计必须从蛋白质的功能特点入手D.蛋白质工程具有广阔的发展前景,且技术难度不大,目前成功的例子很多答案BD解析通过对基因结构的改变实现对玉米赖氨酸合成关键酶的改造属于蛋白质工程,A项正确;将人的胰岛素基因导入大肠杆菌体内,使其生产大量胰岛素,属于基因工程,B项错误;对蛋白质进行分子设计必须从蛋白质的功能特点入手,设计预期的蛋白质结构,C项正确;蛋白质工程具有广阔的发展前景,但其难度较大,D项错误。
蛋白质工程的原理和应用情境导引1.干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素基因导入大肠杆菌中并进行表达,产生的干扰素的抗病毒活性为106 U/mg,只相当于天然产品的十分之一,虽然在大肠杆菌中合成的干扰素量很多,但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样?如何改变这种状况?研究发现,干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸(第17位、31位和141位),推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的半胱氨酸,通过基因定点突变改变成丝氨酸,结果使大肠杆菌中生产的干扰素的抗病毒活性提高到108 U/mg,并且比天然干扰素的贮存稳定性高很多。
请讨论回答下列问题。(1)基因工程在满足人类需要上有哪些“缺点”?提示基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,这些蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要。(2)改造蛋白质是直接改造蛋白质还是改造控制其合成的基因?为什么?提示改造基因。原因:①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的,改造了相应基因即对相应蛋白质进行了改造,而且改造的性状可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造,即使改造成功,被改造的性状还是无法遗传。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。
(3)为什么说蛋白质工程是第二代基因工程?提示蛋白质工程离不开基因工程,基因经改造或合成后,要通过基因工程生产人类需要的蛋白质。
2.下图是真核生物中遗传信息的流动方向。请讨论蛋白质工程操作程序的基本思路与天然蛋白质的合成过程有什么不同。提示天然蛋白质的合成过程是沿中心法则进行的。而蛋白质工程的思路与之相反。蛋白质工程的基本思路:预期蛋白质的功能→设计蛋白质应有的高级结构→推测蛋白质应有的氨基酸序列→找到应有的脱氧核苷酸序列→获得需要的蛋白质。
3.科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造,生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体,用于癌症治疗。如图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程,据图分析回答相关问题。
(1)图示过程是根据预期的　　　　　　　　　　　,设计　　　　　　　　　　　,最终必须对　　　　进行操作,此操作中直接改变的是　　　　　　。 (2)改造鼠源杂交瘤抗体,生产鼠—人嵌合抗体,属于　　　　　　　　　　(生物工程)的范畴。 答案(1)嵌合抗体功能　嵌合抗体的结构　基因　碱基对　(2)蛋白质工程
归纳提升1.蛋白质工程流程图
2.蛋白质工程与基因工程的区别与联系
方法技巧“二看法”判断基因工程和蛋白质工程
典例剖析猪胰岛素用于降低人体血糖浓度的效果并不明显,原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪胰岛素能够用于临床治疗糖尿病,利用蛋白质工程对猪胰岛素分子设计的最佳方案是(　　)A.对猪胰岛素进行一个不同氨基酸的替换B.将猪胰岛素和人胰岛素进行拼接组成新的胰岛素C.将猪和人的胰岛素混合在一起治疗糖尿病D.根据人的胰岛素设计制造一种全新的胰岛素
答案A解析由于猪胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同,所以只需替换这一个不同的氨基酸即可。虽然根据人胰岛素分子设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗,但是在分子设计和胰岛素的生产方面都存在很多的困难,所以并不是最佳方案。
活学活练1.蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时,以下方案合理的是(　　)①进行少数氨基酸的替换②对不同来源的蛋白质的拼接③从预期蛋白质的功能出发去推测氨基酸排列顺序④直接改变蛋白质的空间结构A.①②B.①②③C.②③④D.①②④
答案B解析蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时,可以设计自然界中不存在的全新蛋白质;可以在蛋白质分子中替换一个肽段或一个特定的结构域;也可以替换蛋白质分子中的几个氨基酸残基。由于蛋白质分子通常都较大,而直接改变蛋白质的空间结构不易操作,因此蛋白质工程是在基因的水平上进行操作的,综上所述,B项符合题意。
2.糖尿病是近年来高发的“富贵病”,常见类型有遗传型糖尿病和Ⅱ型糖尿病。遗传型糖尿病的主要病因之一是胰岛受损。科研机构作出如下设计:取糖尿病患者的细胞,将人的正常胰岛素基因导入其中,然后进行细胞培养,诱导产生胰岛组织,重新植入患者的胰岛,使胰岛恢复功能。Ⅱ型糖尿病需要注射胰岛素治疗。目前临床使用的胰岛素制剂注射120 min后才出现高峰。科研人员通过一定的工程技术手段,将胰岛素B链的第28位和第29位氨基酸更换,获得了速效胰岛素,速效胰岛素已通过临床试验。
(1)对遗传型糖尿病进行基因治疗的方案中,胰岛素基因称为　　　　　　　,实验室中要先对该基因利用　　　　　　　技术进行扩增。将该基因导入患者细胞所用的方法是　　　　　　　　　。 (2)科研人员利用蛋白质工程合成速效胰岛素,该技术的实验流程如下图。其中,A是　　　　　　　　　　　　,B是　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(3)与基因工程相比,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作为基础,通过　　　　　　或　　　　基因,对现有蛋白质进行　　　　,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产生活需要。