高中生物北师大版 (2019)选择性必修3 生物技术与工程第3章 基因工程第五节 蛋白质工程图文ppt课件

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一、蛋白质工程需要改造蛋白质的编码基因1.概念: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.改造过程根据需要的蛋白质功能设计蛋白质结构,推测氨基酸序列,设计改造DNA序列,通过转录和翻译获得具有所需生物功能的蛋白质。
二、蛋白质工程可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质1.应用在现阶段,蛋白质工程主要是通过修改氨基酸序列来改善现有蛋白质的结构和构象,提高蛋白质的活性和稳定性。蛋白质工程能够根据人类需求更快、更有效地改造蛋白质,为人类服务。
2.实例(1)用定点突变的方法提高蛋白酶的热稳定性。(2)用定点诱变的方法,对苏云金芽孢杆菌中的毒素蛋白进行了改造,达到了提高毒性、扩大杀虫谱的目的。(3)通过蛋白质工程,将干扰素结构上的两个半胱氨酸改为丝氨酸,就可以使其保存半年,而活性不受影响。(4)改造植物、微生物体内的金属硫蛋白,可显著提高植物、微生物吸附重金属的能力,保护生态环境。3.蛋白质工程就是依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造,生产目标蛋白的过程。
【预习检测】 1.判断正误。(1)蛋白质工程可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)蛋白质工程是基因工程的延伸。(　　)　
(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没有的蛋白质,基因工程只能生产自然界已有的蛋白质。(　　)(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内,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-干扰素也不是天然存在的β-干扰素,而是经过改造的、具有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的某些区段替代鼠单克隆抗体的区段,以降低鼠单克隆抗体的免疫原性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.理论上对关键氨基酸的置换与增删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.蛋白质工程中,直接需要进行操作的对象是(　　)。　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
【问题引领】1.2008年诺贝尔化学奖授予“发现和发展了水母绿色荧光蛋白”的三位科学家。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。(1)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,这种说法对吗?提示:不对。蛋白质的功能除了与氨基酸的序列有关以外,还与其特定的空间结构有关。
(2)蛋白质工程需要通过改造或合成基因来完成,为什么不是直接对蛋白质进行改造?提示:①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的,改造了基因即改造了蛋白质,而且可以遗传。如果直接对蛋白质进行改造,即使改造成功,被改造的蛋白质也无法遗传。②对基因进行改造比对蛋白质进行改造要容易操作,难度要小得多。
2.确定目的基因的碱基序列后,怎样才能改造目的基因(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组文库中获取。3.基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则?请说明理由。提示:是。基因工程指导合成天然蛋白质的过程是遵循中心法则的;在蛋白质工程的具体操作中,经改造的基因表达产生蛋白质的过程仍需遵循中心法则。
【归纳提升】1.对蛋白质工程的理解(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: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。(3)操作:基因改造。(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.蛋白质工程示意图
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改造,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质。(2)根据改造蛋白质的部位的多少,对蛋白质的改造可分为以下三类。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。
【典型例题】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。图Z3-5-2是用蛋白质工程设计的速效胰岛素的生产过程示意图,请据图回答下列问题。
(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,设计改造DNA序列,然后利用DNA合成仪来合成新的胰岛素基因。(3) 否(4)农杆菌介导的遗传转化法(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)根据需要的蛋白质功能,推测氨基酸序列,设计改造DNA序列,合成新的胰岛素基因。(3)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。(4)农杆菌介导的遗传转化法是目前植物转基因技术中常用的方法。(5)利用大肠杆菌生产速效胰岛素需要用到蛋白质工程、发酵工程等。
【变式训练】 1.(不定项选择题)天然胰岛素制剂易形成二聚体或六聚体,降低疗效,科学家希望对胰岛素进行改造,从而降低它的聚合作用。研究人员通过解析人胰岛素的晶体结构发现,人胰岛素由A链和B链构成,其中B链的第20~29位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域,科学家通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造,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,从而有效抑制了胰岛素的聚合,由此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用。据此分析,下列叙述错误的是(　　)。A.速效胰岛素类似物的研发是蛋白质工程在医药方面的重要应用B.在改造胰岛素的过程中利用了基因定点突变技术C.B28位氨基酸与B29位氨基酸交换位置后,蛋白质的结构没变D.改造的胰岛素基因在胰岛A细胞中也能表达
答案:CD解析:B28位氨基酸与B29位氨基酸交换位置后,蛋白质中氨基酸的排列顺序发生了改变,胰岛素的结构也随之发生改变。胰岛素由胰岛B细胞分泌,胰岛A细胞不分泌胰岛素,因此改造的胰岛素基因在胰岛A细胞中不表达。
2.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分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸,第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基因的途径有改造　　　　　　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,其具体改造过程是根据需要的蛋白质功能　　　　　　　　　　　　　　,　　　　　　　　　　　　　,设计改造DNA序列,通过　　　　　获得具有所需生物功能的蛋白质。 
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、反转录、翻译)(3)设计蛋白质结构　推测氨基酸序列　转录和翻译
解析:(1)由题意可知,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、反转录、翻译)。(3)蛋白质工程的具体改造过程包括根据需要的蛋白质功能设计蛋白质结构,推测氨基酸序列,设计改造DNA序列,通过转录和翻译获得具有所需生物功能的蛋白质。
蛋白质工程的内容1.蛋白质工程研究的主要内容有两个方面:根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质;确定蛋白质的化学组成、空间结构及其与生物功能之间的关系。2.蛋白质工程的核心内容之一就是收集大量的蛋白质分子结构的信息,以便建立结构与功能之间的关系数据库,为蛋白质结构与功能之间关系的理论研究奠定基础。根据对天然蛋白质结构与功能分析建立起来的数据库,可以预测一定氨基酸序列的肽链空间结构和生物功能;反之也可以根据特定的生物功能,设计蛋白质的氨基酸序列和空间结构。
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。图Z3-5-3表示形成鼠-人嵌合抗体的过程,据图回答下列问题。
(1)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。 (2)图示过程是根据需要的　　　　　　　　　　　　设计　　　　　　,最终必须对　　　　　　进行操作,此操作中改变的是　　　　　　　　　　　　。 (3)经过改造的鼠-人嵌合抗体,与鼠源杂交瘤抗体相比较,突出的优点是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(从免疫角度考虑)。 (4)对科学家来说,上述过程中难度最大的是  　。 
答案:(1)蛋白质工程(2)嵌合抗体功能　嵌合抗体的结构　基因　基因的碱基序列(3)使人体的不良反应减少(4)设计嵌合抗体的空间结构
解析:(1)由题图可知,鼠-人嵌合抗体是通过人工设计而形成的特定功能的蛋白质,其生产过程应属于蛋白质工程的范畴。(2)蛋白质工程的改造过程:根据需要的蛋白质功能设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→设计改造DNA序列(基因)→通过转录和翻译获得具有所需生物功能的蛋白质。(3)从免疫的角度考虑,对人体来说鼠源抗体为抗原,若利用人的抗体与之嵌合,则免疫排斥反应会减轻,对人体的副作用会减少。(4)由于蛋白质的空间结构比较复杂,不易确定,所以成为蛋白质工程中最大的障碍。