【名师特供】3.4《蛋白质工程的原理和应用》 课件 人教版高中生物选修三

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学习目标目标尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计改造某一蛋白质的设计流程。（科学思维）说明基因的碱基排列顺序—蛋白质的结构—蛋白质功能的关系。（生命观念）尝试运用逆向思维分析和解决问题。（社会责任）基因工程在农牧业方面的应用基因工程的应用1.转基因抗虫植物2.转基因抗病植物3.转基因抗除草剂植物4.改良植物的品质5.提高动物的生长速率6.改善畜产品的品质基因工程在医药卫生领域的应用基因工程在食品工业方面的应用1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物。2.利用基因工程技术，可以让哺乳动物批量生产药物,如乳腺生物反应器。3.用转基因动物作器官移植的供体等。温故知新构建基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸、维生素 情景视频一:人类蛋白质组计划（视频）情景视频二:从社会中来 右图是用发出不同颜色荧光的细菌“画"的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。 用细菌“画画”（视频）问题1: 科学家利用了什么技术让细菌能发出绿色荧光？基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。问题2: 科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造让细菌能发出黄色荧光？情景视频一:从社会中来 右图是用发出不同颜色荧光的细菌“画"的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。 用细菌“画画”（视频） 科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。问题2: 科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造让细菌能发出黄色荧光？问题3: 这种对现有蛋白质进行改造的技术与基因工程技术一样吗？一、蛋白质工程崛起的缘由（一）基因工程的实质和不足：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，进而表现出新性状。问题4: 什么是蛋白质工程呢？一、蛋白质工程崛起的缘由（二）蛋白质工程概念：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。基础 操作方法及对象结果目的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，是涉及多学科的综合科技工程。1.下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(　　) A.分析蛋白质分子的结构是蛋白质工程的研究内容之一 B.蛋白质工程只能生产自然界中已经存在的蛋白质 C.蛋白质工程崛起的原因是天然蛋白质不能够完全满足人类生产、生活的需要 D.蛋白质工程可以制造一种新的蛋白质，也可以对现有的蛋白质进行改造 　实战训练　赖氨酸合成达到一定浓度两种酶的活性352位的苏氨酸变成异亮氨酸二氢吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶+104位的天冬酰胺变成异亮氨酸赖氨酸含量提高5倍提高2倍一、蛋白质工程崛起的缘由（三）实例：对天然酶的改造问题5: 蛋白质工程是怎样进行的呢？温故天然蛋白质合成的过程。构建出蛋白质工程的基本思路。为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？蛋白质工程的目标、实质、结果。2341合作探究一：请同学们自主阅读教材P94，小组合作思考讨论完成问题。 二、蛋白质工程的基本原理如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？二、蛋白质工程的基本原理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。通过改造或合成基因，来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。生产出自然界没有的蛋白质。问题5:为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？ ①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；（一）实质、目标和结果：二、蛋白质工程的基本原理（二）天然蛋白质合成过程：基因mRNA具有特定氨基酸序列的多肽链具有高级结构的蛋白质行使生物功能按照中心法则进行二、蛋白质工程的基本原理（三）蛋白质工程的基本设计思路：①预期的蛋白质功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质预期功能生物功能设计推测改造或合成行使折叠转录翻译逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反蛋白质工程基本思路的应用思考.讨论二、蛋白质工程的基本原理某多肽链的一段氨基酸序列是：问题6: 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。查密码子表得知：推知mRNA序列为：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）共 种可能序列32蛋白质工程基本思路的应用思考.讨论二、蛋白质工程的基本原理查密码子表得知：推知mRNA序列为：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）共 种可能序列32脱氧核苷酸序列GCT(或C或A或G)TGG AAA(或G)GAA（或G） TTT(或C)CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C)CTT（或C） AAA(或G)共 种可能序列32蛋白质工程基本思路的应用思考.讨论二、蛋白质工程的基本原理某多肽链的一段氨基酸序列是：问题7: 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？ 确定目的基因的碱基序列后，可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法获取。根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类：预期蛋白质功能目的基因预期蛋白质功能→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①主要集中在对现有蛋白质进行改造，②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化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三、蛋白质工程与基因工程的比较是否合成新的基因蛋白质工程是否对原有基因进行改造蛋白质工程基因工程看蛋白质看基因是否为天然蛋白质蛋白质工程基因工程三、蛋白质工程与基因工程的比较问题8: 如何确定一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？2.蛋白质工程的基本操作程序正确的是（ ）①设计预期的蛋白质结构 ②找到相对应的脱氧核苷酸的序列③推测应有的氨基酸的序列 ④蛋白质的预期功能 A．①→②→③→④ B．④→③→②→① C．④→①→③→② D．②→③→①→④ 　实战训练　3.科学家为提高玉米中赖氨酸的含量，计划将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变为异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变为异亮氨酸。为此，下列操作正确的是(　　) A.直接改造这两种酶的空间结构 B.对指导这两种酶合成的mRNA进行改造 C.利用诱变育种技术促使控制这两种酶合成的基因突变 D.利用基因工程技术，对控制这两种酶合成的基因进行改造4.目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等。采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是(　　)①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列　 ②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构　 ③合成蓝色荧光蛋白基因　 ④表达出蓝色荧光蛋白 A.①②③④ B.②①③④ C.②③①④ D.④②①③ 问题9: 蛋白质工程有哪些运用呢？请举例。合作探究二：请同学们自主阅读教材P95，小组合作思考讨论总结蛋白质工程可以应用于哪些领域，有哪些案例。 四、蛋白质工程的运用四、蛋白质工程的运用四、蛋白质工程的运用（一）医药工业方面：定点突变1.实例二：研发速效胰岛素类似物天然胰岛素易形成二聚体或六聚体预期结构B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置新胰岛素基因mRNA降低胰岛素的聚合作用改变B链第20～29位氨基酸组成多肽链有效抑制胰岛素的聚合四、蛋白质工程的运用（一）医药工业方面：定点突变2.实例二：延长干扰素体外保存时间 干扰素是动物体内的一种蛋白质体，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存却相当困难。干扰素（半胱氨酸）体外很难保存干扰素（丝氨酸）延长体外保存时间体外-70℃保存半年鼠抗体人抗体嵌合抗体四、蛋白质工程的运用（一）医药工业方面：基因融合3.实例三：降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应四、蛋白质工程的运用（二）其他工业方面的运用：广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶 如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。（三）农业工业方面的运用：速效胰岛素赖氨酸农药四、蛋白质工程的运用(1)面临的问题：蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。四、蛋白质工程的运用(2)前景展望：要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。5.下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述，正确的是（ ） A. 通过基因工程产生的蛋白质都符合人类需要 B. 通过基因工程能得到自然界中不存在的蛋白质 C. 蛋白质工程通常是对蛋白质结构进行直接改造 D. 蛋白质工程可以创造新的、自然界中不存在的蛋白质 　实战训练　6.中华鲟是地球上最古老的脊椎动物之一，被称为“活化石”。研究者试图通过蛋白质工程改造中华鲟体内的某些蛋白质，使其更加适应现在的水域环境，以下说法错误的是(　　) A．该工程可以定向改变蛋白质分子的结构 B．改造蛋白质是通过改造基因结构来实现的 C．改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种 D．改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质7.蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到 的目的是 （ ） A.分析蛋白质的三维结构 B.研究蛋白质的氨基酸组成 C.获取编码蛋白质的基因序列信息 D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满 足人类的需求8.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第 47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这 项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（ ） A.基因 B.氨基酸　　C.多肽链 D.蛋白质8.从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。目前在P1 的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是( ) A. 合成编码目的肽的DNA 片段 B. 构建含目的肽DNA 片段的表达载体 C. 依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽 D. 筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽9. 蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的 基础上进行的，它最终要达到的目的是 ( ) A.分析蛋白质的三维结构 B.研究蛋白质的氨基酸组成 C.获取编码蛋白质的基因序列信息 D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求10.T4溶菌酶的稳定性大大提高的根本原因是( ) A．控制T4溶菌酶合成的基因的一个位点发生突变 B．控制T4溶菌酶合成的mRNA上的密码子发生变化 C．T4溶菌酶中一个氨基酸发生了替换 D．T4溶菌酶中的第3位氨基酸由异亮氨酸变为半胱氨酸11.下列不属于蛋白质工程成果的是( )A．改造酶的结构，提高酶的热稳定性B．生产出鼠—人嵌合抗体C．将t—PA分子中的天门冬酰胺替换为谷氨酰胺D．蛋白质酶洗衣粉容易洗掉或除奶渍、血渍12.下列关于蛋白质工程的说法，错误的是(　　)A.蛋白质工程的崛起符合工业生产和基础理论研究的需要B.蛋白质工程可对酶的催化活性、抗氧化性等加以改变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.蛋白质工程能将人抗体的某些区段替代鼠单克隆抗体的区段，降低鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度高中生物 选择性必修3