第3章　基因工程 第3节　基因工程的应用-第4节　蛋白质工程的原理和应用课件PPT

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第3节　基因工程的应用第4节　蛋白质工程的原理和应用目 标 素 养1.列举基因工程在农牧业、医药卫生领域、食品工业方面的具体应用及取得的丰硕成果,培养科学思维能力,树立社会责任意识。2.简述蛋白质工程的原理,认同蛋白质工程是基因工程的延续。3.了解蛋白质工程的应用,尝试运用逆向思维分析和解决问题。知 识 概 览一、基因工程的应用1.基因工程在农牧业方面的应用(1)应用:基因工程技术已被广泛用于　改良　动植物品种、提高作物和畜产品的　产量　等方面。 (2)植物基因工程的应用: (3)动物基因工程的应用:①提高动物的生长速率:将　外源生长激素　基因导入动物体内,以提高动物的生长速率。 ②改善畜产品的品质:将　肠乳糖酶　基因导入奶牛基因组,使获得的转基因牛分泌的乳汁中,乳糖的含量大大降低,而其他营养成分不受影响。 2.基因工程在医药卫生领域的应用(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)让哺乳动物批量生产药物,如　乳腺　生物反应器。 (3)期望建立移植器官工厂:抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原决定基因,再结合克隆技术,培育出不会引起　免疫排斥　反应的转基因克隆器官。 3.基因工程在食品工业方面的应用(1)利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等,可以实现大规模生产。(2)用基因工程技术获得的工业用酶的纯度更　高　,而且它的生产成本显著降低,生产效率较高。 4.基因工程其他方面的应用(1)培育出可以　降解　多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染。 (2)利用经过基因改造的微生物来生产　能源　。 微点拨11.转基因抗病植物仍然需要防虫管理,因为每种基因都有特定的结构和功能,具有抗病基因的植物只能抗病。2.在培育动物乳腺生物反应器时,为了保证目的基因只在乳腺细胞中表达,要将目的基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起。微判断11.科学家将某些病毒、真菌的抗病基因导入植物中,以获得转基因抗病植物。( )2.由大肠杆菌工程菌获得的人干扰素可直接应用。( )√×二、蛋白质工程的原理和应用1.蛋白质工程(1)基础:蛋白质分子的结构规律及其与　生物功能　的关系。 (2)原理: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　。 (3)目的:满足人类生产和生活的需求。(4)与基因工程的关系:它是在基因工程的基础上,延伸出来的　第二代　基因工程。 2.蛋白质工程崛起的缘由(1)基因工程的实质: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　新的性状　。 (2)基因工程的不足:基因工程原则上只能生产自然界中　已存在　的蛋白质。 (3)天然蛋白质的不足: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。 3.蛋白质工程的基本原理(1)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)原理:由于基因决定蛋白质,因此要对蛋白质的结构进行设计改造,最终还必须通过改造或合成　基因　来完成。 (3)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　。 4.蛋白质工程的应用(1)进展:①在医药工业方面,利用蛋白质工程　研发　药物。 ②在其他工业方面,用于改进　酶　的性能或开发新的工业用酶。 ③在农业方面,尝试改造某些参与调控光合作用的酶;设计优良微生物农药,通过改造微生物蛋白质的结构,使它防治病虫害的效果增强。(2)难度:蛋白质发挥功能必须依赖于正确的　高级结构　,而这种结构往往十分复杂。 微点拨2基因工程和蛋白质工程都遵循中心法则。蛋白质工程直接操作的对象是基因,而不是蛋白质。微思考为什么改变一个氨基酸就可以改变蛋白质的稳定性甚至某种蛋白质的活性?提示:蛋白质的结构的决定因素包括氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构,因此个别氨基酸的改变就会导致其结构的改变,从而影响到其性质和功能。微判断2蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的。( )×一 基因工程的应用重难归纳1.乳腺生物反应器(1)优点和缺点:①优点:a.产量高,易获得目标产品。b.目标产品质量好。c.产品成本低。d.从乳汁中提取产品,操作简单。②缺点:受性别和年龄的限制,只有雌性动物哺乳期才能获得相应产物。(2)过程: 2.乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较 1996—2017年,全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍,从1.7×106 hm2发展到1.898×108 hm2。2017年,我国转基因作物的种植面积位居世界第八位。(1)与传统育种方法相比较,转基因育种有哪些优点?提示:①目的性强,能定向改造生物性状。②克服远缘杂交不亲和的障碍。③育种周期短。(2)脱毒苗与抗毒苗(转基因抗病植物)有何区别?提示:脱毒苗是选择植物的茎尖(刚形成,病毒极少,甚至无病毒)进行组织培养而获得的,属于细胞工程的范畴;抗毒苗是把某抗病基因导入植物中,并通过一定的方法培育形成的,属于基因工程的范畴。典例剖析动物基因工程前景广阔,可利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器,以生产所需要的药品,如利用转基因动物生产人的生长激素。科学家培育转基因动物使其成为乳腺生物反应器时(　　)A.仅利用了基因工程技术B.不需要乳腺蛋白基因的启动子C.利用农杆菌转化法将人的生长激素基因导入受精卵中D.转基因动物需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂”D解析:科学家培育转基因动物时除涉及基因工程外,还涉及其他现代生物技术,如胚胎移植。生产生长激素时,需要将人的生长激素基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起,再通过显微注射技术导入哺乳动物的受精卵中,培养一段时间后,将胚胎移入母体内,使其生长发育成转基因动物。学以致用下列有关利用乳腺生物反应器与大肠杆菌生产药物的叙述,错误的是(　　)A.前者在乳汁中提取药物,后者可在细胞中提取药物B.前者生产药物的过程不需要严格灭菌,后者需要严格灭菌C.前者合成的蛋白质可加工成熟,后者合成的蛋白质一般不能加工成熟D.两者的基因结构与人类的基因结构均相同答案:D解析:动物的基因结构与人类的基因结构基本相同,大肠杆菌的基因结构与人类的基因结构不同。二 蛋白质工程重难归纳1.蛋白质工程与基因工程的关系特别提醒 (1)蛋白质工程的最终目的是改造蛋白质,但不是直接对蛋白质分子进行操作,而是通过对基因的操作,实现对蛋白质的改造。(2)合成或修饰的基因作为新的目的基因,通过基因工程的操作步骤实现其表达。(3)由于有的氨基酸可由多种密码子决定,故由某种特定氨基酸序列所推测出的脱氧核苷酸序列可能有多种。2.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修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质。(2)根据改造蛋白质部位的多少,对蛋白质的改造可分为三类。①“大改”:设计并制造出自然界中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。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基因修饰或基因合成来完成,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,改造了基因即对蛋白质进行了改造,而且可以遗传下去。如果对蛋白质直接进行改造,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。典例剖析下列关于蛋白质工程的说法,正确的是(　　)A.蛋白质工程是指在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作B.蛋白质工程能产生自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子C.对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的D.蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的答案:B解析:蛋白质工程是利用基因工程手段对蛋白质进行改造,以期获得人类所需的蛋白质。蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子。学以致用下列关于基因工程与蛋白质工程的叙述,正确的是(　　)A.基因工程需要对基因进行分子水平上的操作,蛋白质工程不对基因进行操作B.基因工程合成的是天然的蛋白质,蛋白质工程合成的不是天然存在的蛋白质C.基因工程是分子水平上的操作,蛋白质工程是细胞水平(或性状水平)上的操作D.基因工程完全不同于蛋白质工程 答案:B解析:基因工程和蛋白质工程都是分子水平上的操作。蛋白质工程最终通过改造或合成基因,改造现有蛋白质,或制造一种新的蛋白质,从根本上来说是对基因进行改造。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,二者有相似之处。1.下列关于转基因大豆的叙述,错误的是(　　)A.培育过程中可能用到抗病、抗虫等抗性基因B.目的基因的受体细胞可以是大豆受精卵,也可以是体细胞C.转基因大豆的种植过程中减少了农药等的使用量,生产成本更低D.固氮菌的固氮基因也是必需的目的基因之一答案:D解析:豆科植物可与含固氮基因的根瘤菌共生,故固氮基因并非必需的目的基因。2.下列关于抗病毒的转基因植物成功表达后的说法,正确的是(　　)A.抗病毒的转基因植物可以抵抗所有病毒B.抗病毒的转基因植物对病毒的抗性具有局限性或特异性C.抗病毒的转基因植物可以抗害虫D.抗病毒的转基因植物可以稳定遗传,不会变异答案:B解析:抗病毒的转基因植物只能抵抗某种或某类病毒,不可能抵抗所有病毒,更不能抗害虫,A、C两项错误。目的基因导入受体细胞后,可以随受体细胞内的遗传物质稳定遗传,也会发生变异,D项错误。3.下列有关动物基因工程的说法,错误的是(　　)A.将外源生长激素基因导入动物体内可提高动物的生长速率B.将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组中,使获得的转基因牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大降低C.利用基因工程技术得到的乳腺生物反应器可以解决很多重要药物的生产问题D.用转基因动物作为器官移植的供体时,导入的是调节因子,而不是目的基因,因此无法抑制抗原的合成答案:D解析:用转基因动物作为器官移植的供体时,可在器官供体基因组中导入某种调节因子,以抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原决定基因,再结合克隆技术,培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官。4.某研究所成功培育出第一头携带人白蛋白基因的转基因牛。他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法,使转基因动物乳汁中的药用蛋白含量提高了30多倍。下列有关叙述正确的是(　　)A.转基因动物是指体细胞中出现了新基因的动物B.提高基因的表达水平是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因C.只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白,是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中是纯合的D.转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因,但不发生转录、翻译,故不能合成人白蛋白答案:D解析:体细胞中出现新基因有可能是基因突变导致的,A项错误。提高基因的表达水平是指增强白蛋白基因的表达,白蛋白基因数目没有增多,B项错误。转基因动物一般用到的受体细胞是受精卵,发育成的个体的几乎所有细胞中都有相同的外源基因,C项错误。转基因牛的白蛋白基因是选择性表达的,在肌肉细胞中不能表达,D项正确。5.蛋白质工程的目标是(　　)A.通过对基因进行修饰而产生新的蛋白质B.通过基因重组,合成生物体本来没有的蛋白质C.根据人们对蛋白质功能的特定需求,改造或制造蛋白质D.对现有蛋白质进行大量生产答案:C6.下列关于基因工程和蛋白质工程的说法,正确的是(　　)A.都是分子水平上的操作B.基因工程就是改造基因的分子结构C.蛋白质工程就是改造蛋白质的分子结构D.基因工程能产生自然界根本不存在的基因,蛋白质工程能产生自然界根本不存在的蛋白质答案:A7.继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后,膀胱生物反应器的研究也取得了一定进展。最近,科学家培育出一种转基因小鼠,其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。请回答下列问题。(1)将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞,常用的方法是　　　　　　　　。 (2)进行基因转移时,通常要将外源基因转入动物的　 　中,原因是　  　。 (3)通常采用　　　　　　　　技术检测外源基因是否插入了小鼠的基因组。 (4)在研制膀胱生物反应器时,应使外源基因在小鼠的　　　　　　细胞中特异性表达。 答案:(1)显微注射法(2)受精卵(或早期胚胎)　受精卵(或早期胚胎细胞)具有全能性,可使外源基因在相应组织细胞中表达(3)PCR(4)膀胱上皮(2)基因工程是遵循中心法则的,即　　　　→　　　　　→　　　　　→折叠产生有一定功能的蛋白质,它主要是生产自然界中　　　　　　(填“已存在”或“不存在”)的蛋白质。 (3)蛋白质工程操作程序的基本思路:从预期的　　　　　出发→设计预期的　　　　　　→推测应有的　　　　　　→找到并改变相对应的　　　　　　　　　　　(基因)或合成新的基因→获得所需要的　　　　　。它可以创造自然界中　　　　　(填“已存在”或“不存在”)的蛋白质。 答案:(1)蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系改造　合成(2)DNA　mRNA　多肽链　已存在(3)蛋白质功能　蛋白质结构　氨基酸序列　脱氧核苷酸序列　蛋白质　不存在