新教材适用2023_2024学年高中生物第3章基因工程第4节蛋白质工程的原理和应用课件新人教版选择性必修3

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第3章　基因工程第4节　蛋白质工程的原理和应用 1．说出蛋白质工程崛起的缘由。2．概述蛋白质工程的基本原理。3．举例说明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。1．科学思维——尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计或改造某一蛋白质的设计流程。2．社会责任——尝试运用逆向思维分析和解决问题。知识点一　蛋白质工程的原理 一、蛋白质工程1．概念(1)基础：蛋白质分子的___________及其与___________的关系。(2)手段：通过___________或___________，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质。(3)目的：获得满足人类的生产和生活需求的_________。2．理论和技术条件：_____________、_________以及_________技术的迅猛发展。结构规律 生物功能 基因改造 基因合成 蛋白质 分子生物学 晶体学 计算机 二、蛋白质工程崛起的缘由1．基因工程的实质：将一种生物的_______转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的________，进而表现出__________。2．基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界中_________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___________生存的需要，却不一定完全符合_________________的需要。4．实例：玉米中赖氨酸的含量比较低，赖氨酸合成中两种酶的_________被替换，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。基因 蛋白质 新的性状 已存在 特定物种 人类生产和生活 氨基酸 三、蛋白质工程的基本原理1．目标：根据人们对_________功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。2．方法：___________或___________。3．流程：预期蛋白质功能→设计预期的_____________→推测应有的_________序列→找到相对应的_____________序列(基因)或合成新的_______→获得所需要的蛋白质。蛋白质 改造基因 合成基因 蛋白质结构 氨基酸 脱氧核苷酸 基因 活 | 学 | 巧 | 练1.蛋白质工程是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．蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子。( )3．实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系。( )4．基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。( )× √ √ × 合 | 作 | 探 | 究1.为什么蛋白质工程不是直接改造蛋白质而是通过基因改造和基因合成来完成？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，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传下去的。②对基因进行改造比对蛋白质进行直接改造容易操作，难度小得多。2．蛋白质工程的操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？提示：基因工程操作程序的基本思路遵循中心法则，从DNA→ mRNA →多肽→折叠产生蛋白质，基本上是生产出自然界中已有的蛋白质。蛋白质工程是按照相反的思路进行的，确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→基因中的碱基序列，可以创造自然界不存在的蛋白质。1．对蛋白质工程的2点说明(1)改造对象：通过改造控制蛋白质合成的基因的结构来改造某种蛋白质的结构。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。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。②对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作，难度要小得多。(2)蛋白质工程中经过处理得到的新基因与基因突变得到的新基因有较大差别：基因突变的新基因中含有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程中经处理得到的新基因则没有。2．蛋白质工程的基本流程 科学家为提高玉米中赖氨酸含量，计划将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的氨基酸由天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。下列对蛋白质的改造，操作正确的是( )A．直接通过分子水平改造蛋白质B．直接改造相应的mRNAC．对相应的基因进行操作D．重新合成新的基因C 解析：蛋白质工程的目的是对蛋白质进行改造，从而使蛋白质功能可以满足人们的需求。蛋白质行使功能与其高级结构密切相关，而蛋白质高级结构又非常复杂，所以直接对蛋白质进行改造非常困难，而蛋白质是由基因控制合成的，对基因进行操作却容易得多。另外，通过改造基因而改造蛋白质可以遗传，而对蛋白质直接改造，即使成功也不能遗传。 葡萄糖异构酶(GI)在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，科学家对GI基因进行体外定点诱变，以脯氨酸(Pro138)替代甘氨酸(Gly138)，含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结果最适反应温度提高10～12 ℃。这属于生物工程中的( )A．基因工程　　　　 B．蛋白质工程C．发酵工程 D．酶工程解析：题中是对基因进行改造，以实现对现有蛋白质的改造，属于蛋白质工程。B 知识点二　蛋白质工程的应用 1．在医药工业方面的应用(1)研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造_____________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_______________，研发出速效胰岛素类似物。(2)提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个___________变成_________，提高了干扰素的保存时间。(3)改造抗体：将小鼠单克隆抗体上_________________“嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。胰岛素基因 胰岛素的聚合 半胱氨酸 丝氨酸 结合抗原的区域 2．在其他工业和农业方面的应用(1)改进酶的性能或开发新的工业用酶：利用蛋白质工程获得蛋白酶的多种_________。(2)改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造参与_______________的酶，以提高植物光合作用的效率。突变体 调控光合作用 合 | 作 | 探 | 究利用蛋白质工程可以提高玉米赖氨酸含量，改造途径如下：结果：改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。(1)结合上述资料，可以通过何种途径提高玉米中的赖氨酸含量？提示：改变赖氨酸合成途径中关键酶的活性，来提高赖氨酸的含量。(2)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酶的活性？提示：蛋白质的结构是由其氨基酸组成决定的，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。 新冠病毒的表面刺突蛋白(S蛋白)的受体结合域(RBD)与人体细胞表面的ACE2受体相互作用感染细胞。科学家设计了一种自然界中不存在的蛋白质LCB1，可与S蛋白RBD紧密结合，以干扰新冠病毒的感染。下列说法不合理的是( )A．LCB1的作用机理与S蛋白的抗体类似B．LCB1可依据S蛋白的RBD结构进行设计C．LCB1是通过细胞中原有基因表达产生的D．可用蛋白质工程进行LCB1的设计和生产C 解析：S蛋白的抗体能与S蛋白RBD特异性结合，而根据题干可知，LCB1可与S蛋白RBD紧密结合，说明LCB1的作用机理与S蛋白的抗体类似，A合理；由于LCB1可与S蛋白RBD紧密结合，故LCB1可依据S蛋白的RBD结构进行设计，B合理；由题意知，蛋白质LCB1是一种自然界中不存在的蛋白质，故不能通过细胞中原有基因表达产生的，C不合理；可用蛋白质工程进行LCB1的设计和生产，D合理。 科学家将β－干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素第十七位的半胱氨酸，改变成丝氨酸，结果大大提高了β－干扰素的抗病活性，并且提高了储存稳定性。该生物技术为( )A．基因工程　　　　 B．蛋白质工程C．基因突变 D．细胞工程B 解析：基因工程是将符合人们要求的目的基因导入适宜的生物体内，使其高效表达，从中提取人们所需的蛋白质，或表现出某种性状，蛋白质产品仍然是天然存在的蛋白质。蛋白质工程是对控制蛋白质合成的基因进行改造，从而实现对相应蛋白质的改变，所得到的蛋白质已不是天然存在的蛋白质。题干中的操作涉及的基因显然不再是原来的基因，其合成的β－干扰素也不是天然的β－干扰素，而是经过人工改造的、符合人类需求的蛋白质，因而该生物技术为蛋白质工程。指点迷津•拨云见日 蛋白质工程与基因工程的区别与联系 中华鲟是地球上最古老的脊椎动物，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解析：改造后的中华鲟具有新的性状，但其和现有中华鲟仍是同一物种；蛋白质工程改造的是基因，可以遗传给子代，因此改造后的中华鲟的后代也具有改造的蛋白质。D 学 | 霸 | 记 | 忆1.基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。2．蛋白质工程并不是直接改造蛋白质分子的结构，而是通过基因操作来实现对天然蛋白质的改造。3．蛋白质工程的基本途径：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或合成新的基因→获得所需要的蛋白质4．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，通过基因改造或基因合成，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需要。课堂达标•巩固训练1．关于蛋白质工程的基本流程，下列叙述正确的是( )①设计预期蛋白质分子结构②推测氨基酸序列③预期蛋白质功能④找出相应脱氧核苷酸序列A．③→①→②→④　 B．④→②→①→③C．①→②→③→④ D．③→④→①→②解析：蛋白质工程的基本流程是：从③预期蛋白质功能出发→①设计预期的蛋白质结构→②推测应有的氨基酸序列→④找到相对应的脱氧核苷酸序列，A正确。A 2．科研人员利用相关技术改变了胰岛素B链的第9位氨基酸，从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述中，不正确的是( )A．该过程的操作对象是胰岛素分子B．可通过测定DNA序列确定突变是否成功C．对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程D．胰岛素的本质是蛋白质不宜口服使用A 解析：蛋白质工程的直接操作对象是基因，而不是蛋白质，A错误；可通过测定DNA序列确定突变是否成功，B正确；胰岛素是蛋白质，对蛋白质结构的改造属于蛋白质工程，C正确；胰岛素为蛋白质，若口服会被消化酶分解，因此胰岛素不宜口服使用，D正确。3．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。