2017-2018年高中生物 第一單元 生物技術(shù)與生物工程 第一章 基因工程和蛋白質(zhì)工程 第3節(jié) 蛋白質(zhì)工程學案 中圖版選修3

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1、 第三節(jié)　蛋白質(zhì)工程 1．簡述蛋白質(zhì)工程。 2．蛋白質(zhì)的分子設(shè)計。(難點) 3．蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用。(重點) 蛋 白 質(zhì) 的 分 子 設(shè) 計 1．蛋白質(zhì)工程 (1)依據(jù)：蛋白質(zhì)的精細結(jié)構(gòu)和生物活性之間的關(guān)系。 (2)改造對象：利用生物技術(shù)手段對蛋白質(zhì)的DNA編碼序列或直接對蛋白質(zhì)進行有目的的改造。 (3)產(chǎn)物：創(chuàng)造出自然界本不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)分子，也就是產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)。 (4)本質(zhì)：改造控制該蛋白質(zhì)合成的基因結(jié)構(gòu)。 2．蛋白質(zhì)的分子設(shè)計 (1)小范圍改造 對已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)進行少數(shù)氨基酸的替換。 (2)蛋白質(zhì)拼接組裝 對不同來源的蛋白質(zhì)進

2、行拼接組裝。 (3)蛋白質(zhì)從頭設(shè)計 從氨基酸的排列順序出發(fā)，設(shè)計制造出自然界不存在的全新蛋白質(zhì)。 3．蛋白質(zhì)工程的基礎(chǔ) 蛋白質(zhì)工程的基礎(chǔ)是基因工程。所以蛋白質(zhì)工程又叫第二代基因工程。 蛋白質(zhì)分子的設(shè)計是一項復雜而艱巨的工程，其基本流程可以用下圖表示： 探討：構(gòu)建新的蛋白質(zhì)模型是分子設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，你認為構(gòu)建蛋白質(zhì)模型的依據(jù)是什么？ 提示：構(gòu)建蛋白質(zhì)模型的依據(jù)是控制這種蛋白質(zhì)合成的基因以及蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。 探討：通過DNA合成形成的新基因怎樣才能得到準確的表達？ 提示：通過基因工程技術(shù)，將新基因?qū)氪竽c桿菌等受體細胞中，新基因在受體細胞中指導合成新的蛋白質(zhì)。 探

3、討：有的學者認為，蛋白質(zhì)工程本身也是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的一種有力工具。你是怎么看待的？ 提示：這些學者認識恰當，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)直接影響其功能活性，要想研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，蛋白質(zhì)工程就是有力工具，利用這種工具可以改變蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，探究功能的改變而做出相應(yīng)的科學結(jié)論。 1．蛋白質(zhì)工程的概念 蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。 2．蛋白質(zhì)工程的目標 是根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行分子設(shè)計。由于基因決定蛋白質(zhì)，因此要對蛋白質(zhì)的結(jié)

4、構(gòu)進行設(shè)計改造，最終還必須通過改造基因來完成。 3．蛋白質(zhì)工程的基本途徑 從預期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計預期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)。 1．下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的基本流程中正確的是(　　) ①蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計?、贒NA合成?、垲A期蛋白質(zhì)功能　④根據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列 A．①→②→③→④　　　 B．④→②→①→③ C．③→①→④→② D．③→④→①→② 【解析】　蛋白質(zhì)工程根據(jù)人們的需要首先要預期相應(yīng)功能，然后對其空間結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，目前這一步是科學家們?nèi)晕赐耆莆盏?，根?jù)相應(yīng)的氨基酸推導出基因中堿基序列，再利用人工合成法合成

5、相應(yīng)的目的基因。 【答案】　C 2．胰島素可以用于治療糖尿病，但是胰島素被注射到人體后，會堆積在皮下，要經(jīng)過較長的時間才能進入血液，而進入血液的胰島素又容易分解，因此，治療效果受到影響。如圖是用蛋白質(zhì)工程設(shè)計速效胰島素的生產(chǎn)過程，請據(jù)圖回答有關(guān)問題： (1)構(gòu)建新的蛋白質(zhì)模型是蛋白質(zhì)工程的關(guān)鍵，圖中構(gòu)建新的胰島素模型的主要依據(jù)是_________________________________________________________。 (2)通過DNA合成形成的新基因應(yīng)與________結(jié)合后轉(zhuǎn)移到____________________中才能得到準確表達。 (3)若要

6、利用大腸桿菌生產(chǎn)速效胰島素，需用到的生物工程有____________、____________和發(fā)酵工程。 (4)圖解中從新的胰島素模型到新的胰島素基因的合成的基本思路是什么？ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 【解析】　(1)蛋白質(zhì)工程首先要根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行分子設(shè)計，因此，題圖中構(gòu)建新的胰島素模型的主要依據(jù)是預期胰島素的功能，

7、即速效胰島素。 (2)合成的目的基因應(yīng)與載體結(jié)合，構(gòu)建基因表達載體后導入受體細胞中才能表達。 (3)利用蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)速效胰島素，需合成新的胰島素基因，改造好的目的基因需要通過基因工程來生產(chǎn)基因產(chǎn)物，并在生產(chǎn)中要借助工程菌，所以還需要發(fā)酵過程，因此，此過程涉及蛋白質(zhì)工程、基因工程、發(fā)酵工程。 (4)由新的胰島素模型到構(gòu)建新的胰島素基因，其基本思路是根據(jù)新的胰島素中氨基酸的序列，推測出其基因中的脫氧核苷酸序列，然后利用DNA合成儀來合成出新的胰島素基因。 【答案】　(1)胰島素的預期功能 (2)載體　大腸桿菌等受體細胞 (3)蛋白質(zhì)工程　基因工程 (4)根據(jù)新的胰島素中氨基酸的序列

8、，推測出其基因中的脫氧核苷酸序列，然后利用DNA合成儀合成出新的胰島素基因。 蛋 白 質(zhì) 工 程 的 應(yīng) 用 及 與 基 因 工 程 的 比 較 蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用 1．提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性 實例：將T4溶菌酶第3位上的異亮氨酸改成半胱氨酸，使其獲得了較強的耐熱特征。 2．改變蛋白質(zhì)的活性 實例：利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)對組織纖溶酶原激活物(t-PA)進行改造，可增加其溶栓效能。 3．合成嵌合抗體 嵌合抗體是指保留鼠單克隆抗體的可變區(qū)，用人抗體的恒定區(qū)替換鼠單克隆抗體的恒定區(qū)，特點是嵌合抗體的抗原性顯著下降，而抗體的特異識別功能沒有喪失。 探討：豬的胰島素用于降低人

9、體血糖濃度效果不明顯，原因是豬胰島素分子中有一個氨基酸與人的不同。為了使豬胰島素用于臨床治療糖尿病，用蛋白質(zhì)工程中蛋白質(zhì)分子設(shè)計的最佳方案是什么？ 提示：對豬胰島素進行一個不同氨基酸的替換。 探討：對天然蛋白質(zhì)進行改造，是直接對蛋白質(zhì)分子進行操作來實現(xiàn)的嗎？ 提示：不是，由于基因決定蛋白質(zhì)，因此要對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造，最終必須通過基因改造來完成。 探討： 蛋白質(zhì)工程是新崛起的一項生物工程，又稱第二代基因工程。上圖為蛋白質(zhì)工程流程圖，圖中A、B在遺傳學上依次表示了什么過程？ 提示：轉(zhuǎn)錄和翻譯。 蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較 比較項目 基因工程 蛋白質(zhì)工程 操作對

10、象 基因 基因 操作水平 DNA分子水平 DNA分子水平 操作過程 獲取目的基因→構(gòu)建基因表達載體→將目的基因?qū)胧荏w細胞→目的基因的檢測與鑒定 確定蛋白質(zhì)的功能→蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級結(jié)構(gòu)→蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)→蛋白質(zhì)應(yīng)有的氨基酸序列→應(yīng)有的堿基序列→合成DNA→表達出蛋白質(zhì) 實質(zhì) 定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類需要的生物類型或生物產(chǎn)品 定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì) 結(jié)果 生產(chǎn)人類需要的基因產(chǎn)物(自然界已有的蛋白質(zhì)) 可以生產(chǎn)自然界沒有的、不存在的新蛋白質(zhì) 聯(lián)系 蛋白質(zhì)工程是以基因工程為基礎(chǔ)的 1．科學家將β-干擾素基因進行定點突變導入大腸桿菌表達，使

11、干擾素第17位的半胱氨酸改變成絲氨酸，結(jié)果大大提高了β-干擾素的抗病活性，并且提高了儲存穩(wěn)定性。該生物技術(shù)為(　　) A．基因工程　　 B．蛋白質(zhì)工程 C．基因突變 D．細胞工程 【解析】　由于對蛋白質(zhì)工程和基因工程之間關(guān)系的不明確，可能導致誤選A?；蚬こ淌峭ㄟ^對基因的操作，將符合人們需要的目的基因?qū)脒m宜的生物體，使其高效表達，從中提取所需蛋白質(zhì)，或表現(xiàn)出某種性狀，蛋白質(zhì)產(chǎn)品仍然為天然存在的蛋白質(zhì)。而蛋白質(zhì)工程卻是對控制蛋白質(zhì)合成的基因進行改造，從而實現(xiàn)對其編碼的蛋白質(zhì)的改變，所得到的已不是天然蛋白質(zhì)。題目中的操作涉及的基因顯然不再是原來的基因，其合成的β-干擾素也不是天然的β-干擾

12、素，而是經(jīng)過改造的人類所需要的蛋白質(zhì)，因而整個過程利用的生物技術(shù)為蛋白質(zhì)工程。 【答案】　B 2.干擾素是動物體內(nèi)合成的一種蛋白質(zhì)，可以用于治療病毒感染和癌癥，但體外保存相當困難，如果將其分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，就可在－70 ℃條件下保存半年，給廣大患者帶來福音。 (1)蛋白質(zhì)的合成是受基因控制的，因此獲得能夠控制合成“可以保存的干擾素”的基因是生產(chǎn)的關(guān)鍵，依據(jù)蛋白質(zhì)工程原理，設(shè)計實驗流程，讓動物生產(chǎn)“可以保存的干擾素”： (2)基因工程和蛋白質(zhì)工程相比較，基因工程在原則上只能生產(chǎn)______________的蛋白質(zhì)，不一定符合________________需要。而蛋

13、白質(zhì)工程是以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過________或________，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進行________或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活需要。 (3)蛋白質(zhì)工程實施的難度很大，原因是蛋白質(zhì)具有十分復雜的________結(jié)構(gòu)。 (4)對天然蛋白質(zhì)進行改造，應(yīng)該直接對蛋白質(zhì)分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？其原因是什么？____________________________________ ________________________________________________________________ 【解析】　蛋白質(zhì)工程

14、的操作流程是：預期蛋白質(zhì)的功能→設(shè)計預期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測氨基酸序列→確定相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列?；蚬こ讨荒苌a(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)工程卻可以生產(chǎn)自然界不存在的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程直接操作的對象是基因。 【答案】　(1)預期蛋白質(zhì)的功能　預期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)　應(yīng)有的氨基酸序列　相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因) (2)自然界已存在　人類生產(chǎn)和生活　基因修飾　基因合成　改造 (3)空間(或高級) (4)應(yīng)該通過對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)的改造。首先，任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因也就是對蛋白質(zhì)進行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以通過改造過的基因遺傳下去；如果對蛋白質(zhì)直

15、接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子也無法遺傳。其次，對基因進行改造比對蛋白質(zhì)直接進行改造要容易操作，難度要小得多。 1．下列哪項不是蛋白質(zhì)工程的研究內(nèi)容(　　) A．分析蛋白質(zhì)分子的精細結(jié)構(gòu) B．對蛋白質(zhì)進行有目的的改造 C．分析氨基酸的化學組成 D．按照人的意愿將天然蛋白質(zhì)改造成新的蛋白質(zhì) 【解析】　蛋白質(zhì)工程就是指根據(jù)蛋白質(zhì)的精細結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系，按照人的意愿改造蛋白質(zhì)分子，形成自然界中不存在的蛋白質(zhì)分子，對蛋白質(zhì)的改造包括氨基酸的種類、數(shù)量和排列順序，但不包括氨基酸的化學組成。 【答案】　C 2．蛋白質(zhì)工程中對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計時，主要包括哪幾種(　　)

16、 ①進行少數(shù)氨基酸的替換 ②對不同來源的蛋白質(zhì)的拼接 ③從氨基酸的排列順序出發(fā)設(shè)計全新的蛋白質(zhì) ④直接改變蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu) A．①②　　 B．①②③ C．②③④ D．①②④ 【解析】　蛋白質(zhì)工程中對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計時，不能直接改變蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。但是能進行少數(shù)氨基酸的替換，能對不同來源的蛋白質(zhì)進行拼接，能夠從氨基酸的排列順序出發(fā)設(shè)計全新的蛋白質(zhì)。 【答案】　B 3．蛋白質(zhì)工程被稱為第二代基因工程，目前已成為研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的重要手段。如圖為蛋白質(zhì)工程的流程圖(自右向左)，請據(jù)圖回答以下問題： (1)與基因工程相比較，蛋白質(zhì)工程產(chǎn)物具備的特點是：__________

17、________________________________________________________。 (2)圖中的步驟①和②分別為________、分子設(shè)計。 (3)如果已知mRNA的堿基序列是—A—U—C—C—A—G—G—U—C—，要合成對應(yīng)的DNA，需要的原料是四種________，所用的酶是________；合成DNA的對應(yīng)堿基對序列是_________________________________________________。 (4)由圖可知，要改造蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，最終是通過改造基因來實現(xiàn)的。請說明原因：______________________________

18、_______________________________。 (5)從以上流程圖可以看出，蛋白質(zhì)工程是以________為基礎(chǔ)并延伸出來的包含多學科的綜合科技工程領(lǐng)域。 【解析】　(1)蛋白質(zhì)工程可以生產(chǎn)出原來自然界不存在的新的蛋白質(zhì)。 (2)步驟①是由氨基酸序列推測出脫氧核苷酸序列進行的DNA合成過程。 (3)DNA合成的原料是4種游離的脫氧核苷酸，由mRNA合成DNA是逆轉(zhuǎn)錄需要逆轉(zhuǎn)錄酶。合成的DNA是雙鏈的，根據(jù)堿基互補配對原則，應(yīng)該是 —A—T—C—C—A—G—G—T—C— —T—A—G—G—T—C—C—A—G— (4)改造基因的操作比直接改造蛋白質(zhì)要容易，且改造基因

19、后這種性狀是可以遺傳的，而改造蛋白質(zhì)后還需要對新合成的再改造。 (5)蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上的延伸，又被稱為第二代基因工程。 【答案】　(1)可生產(chǎn)出自然界不存在的蛋白質(zhì) (2)DNA合成 (3)脫氧(核糖)核苷酸　反(逆)轉(zhuǎn)錄酶 —A—T—C—C—A—G—G—T—C— —T—A—G—G—T—C—C—A—G— (4)改造基因的操作更容易，且改造后可以遺傳 (5)基因工程 4．已知生物體內(nèi)有一種蛋白質(zhì)(P)，該蛋白質(zhì)是一種轉(zhuǎn)運蛋白，由305個氨基酸組成。如果將P分子中158位的絲氨酸變成亮氨酸，240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸，改變后的蛋白質(zhì)(P1)不但保留P的功能，而且

20、具有了酶的催化活性?；卮鹣铝袉栴}： (1)從上述資料可知，若要改變蛋白質(zhì)的功能，可以考慮對蛋白質(zhì)的________進行改造。 (2)以P基因序列為基礎(chǔ)，獲得P1基因的途徑有修飾________基因或合成________基因，所獲得的基因表達時是遵循中心法則的，中心法則的全部內(nèi)容包括________的復制；以及遺傳信息在不同分子之間的流動，即：____________。 (3)蛋白質(zhì)工程也被稱為第二代基因工程，其基本途徑是從預期蛋白質(zhì)功能出發(fā)，通過________和________，進而確定相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列，據(jù)此獲得基因，在經(jīng)表達、純化獲得蛋白質(zhì)，之后還需要對蛋白質(zhì)的生物______

21、__進行鑒定。 【解析】　(1)從題述資料可知，若要改變蛋白質(zhì)的功能，可以考慮對蛋白質(zhì)的氨基酸序列進行改造。 (2)以P基因序列為基礎(chǔ)，獲得P1基因的途徑有二：①修飾P基因，②合成P1基因；所獲得的基因表達時是遵循中心法則的，中心法則的全部內(nèi)容包括DNA和RNA的復制，以及遺傳信息在不同分子之間的流動，即DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白質(zhì)。 (3)蛋白質(zhì)工程的過程為：預期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有氨基酸序列→找到對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)。據(jù)此獲得基因，再經(jīng)表達、純化獲得蛋白質(zhì)，之后還需要對蛋白質(zhì)的生物功能進行鑒定。 【答案】　(1)氨基酸序列(或結(jié)構(gòu)) (2)P　P1　DNA和RNA　DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白質(zhì)(或轉(zhuǎn)錄、逆轉(zhuǎn)錄、翻譯) (3)設(shè)計蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)　推測氨基酸序列　功能 課堂小結(jié)： 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 核心回扣 1.蛋白質(zhì)工程直接研究的是蛋白質(zhì)的精細結(jié)構(gòu)和生物活性之間的關(guān)系。 2.蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)是利用生物技術(shù)手段對蛋白質(zhì)的DNA編碼序列即基因進行改造。 3.蛋白質(zhì)工程可創(chuàng)造出自然界不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)。 4.利用蛋白質(zhì)工程改造或者設(shè)計制造出的人工蛋白，在活性、穩(wěn)定性及抗原性等方面都優(yōu)于天然蛋白質(zhì)。 9