2017-2018学年高中生物第一章基因工程第三节蛋白质工程同步备课教学案.docx

第三节蛋白质工程学习导航1.结合教材P35，概述蛋白质工程的概念和基本原理。2.结合教材P3537，说出蛋白质工程的基本过程。3.结合教材P3839，举例描述蛋白质工程的应用和发展。重难点击蛋白质工程的概念和基本原理。方式一人类可以创造出自然界不存在的蛋白质吗？答案是肯定的。例如：科学家已生产出一种以前必须从南极鱼类身体中提取的抗冻蛋白质。这一技术可用于储存大量新鲜的动植物和人类的组织细胞，防止形成冰晶，破坏脆弱的细胞膜和细胞的内部结构。你想了解这方面的知识吗？请跟着我一起学习：蛋白质工程。方式二基因工程的诞生，为克服远缘杂交的障碍问题，带来了新的希望，并取得了丰硕成果：大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，牛的乳腺生物反应器为人类制造出了蛋白质类药物，烟草植物体内含有了某种药物蛋白至此，人们也只是实现了自然界现有基因在转基因生物中的表达。但一个新问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它的结构、性能不能完全满足人类生产和生活的需要。于是要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们又开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。一、蛋白质工程概述1蛋白质工程的概念(1)基础：蛋白质的结构和功能之间的关系。(2)手段：借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因。(3)目的：定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质。(4)关键技术：基因工程。2蛋白质工程的流程预期功能蛋白质氨基酸序列基因。3蛋白质工程的关键技术蛋白质工程的关键技术是基因工程。蛋白质工程又被称为第二代基因工程。4对蛋白质改进的三种类型改造类型操作程序大改根据氨基酸的性质和特点，设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质，使之具有特定的氨基酸序列、空间结构和预期功能中改改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构小改通过基因工程中的定点诱变技术，有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的一个或几个氨基酸残基，以改善蛋白质的性质和功能5.两种改变蛋白质结构的技术(1)定点诱变技术：适用于已知空间结构的蛋白质。(2)非定点诱变技术：适用于不能预先确定诱变位点的蛋白质。对照下面蛋白质工程的基本过程，分析回答问题：1请写出中心法则，并说明蛋白质工程中获取目的基因的方法。答案 (1)中心法则如下：(2)获取目的基因的方法是人工合成法。2基因工程合成的蛋白质有哪些不足？答案在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。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对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？答案应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，主要原因如下：(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能会遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，但被改造过的蛋白质分子也是无法遗传的。(2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。4基因的定点诱变技术是改变蛋白质结构的核心技术之一，试从以下各项分析此技术。项目内容条件原料脱氧核苷酸酶DNA聚合酶和DNA连接酶引物含突变位点的DNA分子片段操作方法PCR技术结果后代中半数为诱变的DNA分子适用范围空间结构完全清楚的蛋白质，进行“小改”特点有目的性和针对性5.非定点诱变技术的适用对象和特点是什么？答案(1)适用对象：对于不能预先确定诱变位点的蛋白质，可采用非定点诱变技术来进行蛋白质的改造。(2)特点：非定点诱变突变位点多，有时甚至会产生意想不到的改造效果。归纳总结有关蛋白质工程的三点提醒(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)蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶。改造后的基因需要表达出相应的蛋白质，同样需将改造或合成的基因导入受体细胞。(3)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，而蛋白质工程中的新基因则没有。1科学家将干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素分子上的半胱氨酸变成丝氨酸，结果大大提高了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，其合成的干扰素也不是天然干扰素，而是经过改造的，是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。2将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞，可以提高玉米中的赖氨酸含量；更换赖氨酸形成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，使两种酶的活性提高，也可以提高玉米中的赖氨酸含量。以上两种技术分别属于()A基因工程、基因工程B蛋白质工程、蛋白质工程C基因工程、蛋白质工程D蛋白质工程、基因工程答案C解析富含赖氨酸的蛋白质是自然界中已有的蛋白质，基因工程只是把该蛋白质基因转入玉米细胞，并使之合成该蛋白质，属于基因工程；更换赖氨酸合成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，是对自然界中已有的蛋白质进行改造，属于蛋白质工程。一题多变上述两种提高玉米中赖氨酸含量的技术的实质相同吗？为什么？_。答案不相同。蛋白质工程的实质是定向改造或生产人类所需的蛋白质，基因工程的实质是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，定向改 造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品二、蛋白质工程的应用1改造酶的结构，提高酶的热稳定性。2生物工程制药(1)实例1：鼠源杂交瘤抗体的改造。改造方法：在基因水平上对抗体进行重组，产生人恒定区和鼠可变区嵌合抗体。结果：对人体的不良反应减少。(2)实例2：对t-PA的改造。t-PA功能：溶解血栓块，医治心肌梗死等疾病。改造方法：将t-PA分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺。结果：t-PA在血液循环中停留时间延长，疗效更加显著。3疾病诊断(1)方法：蛋白质芯片法。(2)原理：抗原抗体的特异性结合。(3)实例：SARS病毒的检测与诊断。4基因工程和蛋白质工程的优缺点(1)基因工程：原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。(2)蛋白质工程能更充分地利用自然界中存在的蛋白质。能在分子水平上对蛋白质进行再设计和改造，进而创造出自然界中不存在的蛋白质。1从理论上分析，蛋白质工程的最基本原理就是中心法则的逆推，但是由某一氨基酸序列推导出的目的基因为什么有多种？答案一种氨基酸可以由一种或几种不同的密码子决定，这样推导出的基因也就有多种。2为什么说蛋白质工程是第二代基因工程？答案蛋白质工程离不开基因工程，改造基因后，要通过基因工程生产人类需要的蛋白质。3蛋白质工程的目标是什么？答案依据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计和改造，进而创造出自然界中不存在的蛋白质。归纳总结基因工程和蛋白质工程的对比比较项目基因工程蛋白质工程操作对象天然基因改造基因操作水平DNA分子水平基本过程获取目的基因构建基因表达载体将目的基因导入受体细胞检测和鉴定目的基因预期的蛋白质功能设计预期的蛋白质结构推测蛋白质应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列合成DNA表达出蛋白质结果生产人类需要的基因产物(自然界已有的蛋白质)可以生产自然界没有的、不存在的新蛋白质联系蛋白质工程是以基因工程为基础的3下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是_；代表中心法则内容的是_(填写数字)。(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：_；_；_；_；_。(3)蛋白质工程的目的是_，通过_实现。(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是_的。答案(1)(2)转录翻译折叠分子设计DNA合成(3)根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计基因合成或改造(4)相反4科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品，阅读教材，结合资料完成下述分析。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题：(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)通过人工合成DNA形成的新基因应与_结合后转移到_中才能得到准确表达。(3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有_、_和发酵工程。(4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是_。答案(1)蛋白质的预期功能(2)载体大肠杆菌等受体细胞(3)蛋白质工程基因工程(4)根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因1蛋白质工程的基本流程正确的是()蛋白质分子结构设计DNA合成预期蛋白质功能据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A BC D答案C解析蛋白质工程是根据人们的需要首先要预期相应功能，然后对其空间结构进行设计，目前这一步是科学家们仍未完全掌握的，根据相应的氨基酸序列推导出基因中的碱基序列，再利用人工合成法合成相应的目的基因。2蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是()A蛋白质工程能生产人类需要的基因产物B蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质C蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现D蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第三代基因工程答案B解析蛋白质工程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，以满足人类的生产和生活的需求，是延伸出来的第二代基因工程。3以下蛋白质工程中，目前已成功的是()A对胰岛素进行改造，生产速效型药品B蛋白质工程应用于微电子方面C生产体外耐储存的干扰素D用蛋白质工程生产血红蛋白答案A解析A已经实现，B、C、D三项目前尚未实现，只是蛋白质工程的发展前景，有待于进一步研究和设计。4蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质的原因是()A缺乏改造蛋白质所必需的工具酶B改造基因易于操作且改造后能够遗传C人类对大多数蛋白质高级结构知之甚少D蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大答案B解析由于基因控制蛋白质的合成，所以对蛋白质设计改造可通过对基因进行修饰或合成来完成，且改造后的基因能够遗传给子代。52008年诺贝尔化学奖授予了三位在研究绿色荧光蛋白(GFP)方面作出突出贡献的科学家。绿色荧光蛋白能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发出的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。GFP基因可作为目的基因用于培育绿色荧光小鼠，如图表示培育绿色荧光小鼠的基本流程：请根据上述材料回答下列问题：(1)用于培育绿色荧光小鼠的基因表达载体的组成必须有启动子、标记基因、_和_等。图中过程常用的方法是_。(2)GFP基因与目的基因一起构建到载体上不影响目的基因的表达，也不影响由目的基因控制合成的蛋白质的结构与功能，且对细胞无毒害作用，因此GFP基因可以作为基因表达载体上的_。(3)目前科学家们通过_工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等，该工程是直接改造GFP分子，还是改造GFP基因？_。答案(1)GFP基因终止子显微注射法(2)标记基因(3)蛋白质改造GFP基因(绿色荧光蛋白基因)课时作业学考达标1蛋白质工程制造的蛋白质是()A天然蛋白质B稀有蛋白质C自然界中不存在的蛋白质D尚没有制造出来答案C解析蛋白质工程是对基因进行改造进而产生符合人们需要的蛋白质，因此不再是天然的蛋白质。2下列说法不正确的是()A天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的B天然蛋白质都能符合人类生产和生活的需要C天然干扰素在体外保存相当困难D许多工业用酶是由天然酶改造出来的答案B3添加在洗衣粉中的某种酶在低温下活性较低，影响了洗衣粉的洗涤效果。若让你用生物工程的方法改变此酶的特性，首先考虑的是()A基因工程 B蛋白质工程C诱变 D细胞工程答案B解析可通过蛋白质工程实现对蛋白质改造的目的。4蛋白质工程的实质是()A改造蛋白质 B改造mRNAC改造基因 D改造氨基酸答案C解析蛋白质工程的目的是获取人类需要的蛋白质，由于蛋白质的合成是受基因控制的，所以要从根本上对基因进行改造。5下列关于蛋白质工程的说法，错误的是()A蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类需要B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C蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的新型蛋白质分子D蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发，设计出相应的基因，并借助基因工程实现答案B解析基因的结构决定蛋白质的结构，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基因来完成，而不是直接对蛋白质分子进行操作。6蛋白质工程是新崛起的一项生物工程，又称第二代基因工程。下图为蛋白质工程流程图，图中A、B在遗传学上依次表示()A转录和翻译 B翻译和转录C复制和转录 D传递和表达答案A高考提能7下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，不合理的是()A基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造，从而制造一种新的蛋白质B蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成C当得到可以在70 条件下保存半年的干扰素后，在相关酶、氨基酸和适宜的温度、pH条件下，干扰素可以大量自我合成D基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的答案C8猪的胰岛素用于人体降低血糖浓度效果不明显，原因是猪的胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪的胰岛素用于临床治疗人的糖尿病，用蛋白质工程对蛋白质分子进行设计的最佳方案是()A对猪的胰岛素进行一个不同氨基酸的替换B将猪的胰岛素和人的胰岛素进行拼接，组成新的胰岛素C将猪的胰岛素和人的胰岛素混合在一起治疗人的糖尿病D根据人的胰岛素设计制造一种新的胰岛素答案A解析由于猪的胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同，所以可通过蛋白质工程中蛋白质的分子设计，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的结构设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗，但在分子设计和胰岛素的生产方面都存在着很多困难，所以不是最佳方案。9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tPA分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺D将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素答案D解析将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素，属于基因工程的成果。10下列关于蛋白质工程应用的叙述，不正确的是()A蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳定性B通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性C利用蛋白质工程可以从大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素D蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰，合成速效型胰岛素制剂答案C解析从大肠杆菌中得到人的胰岛素利用的是基因工程技术。11蛋白质工程是指根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计、生产的过程。下图是蛋白质工程的基本途径，试回答下列有关问题：(1)图中过程的主要依据是每种氨基酸都有其对应的_，其位于_分子上，其上的核苷酸序列与基因中的脱氧核苷酸序列之间存在着_关系。(2)通过过程获得的脱氧核苷酸序列不是完整的基因，要使这一序列能够表达、发挥作用，还必须在序列的上、下游加上_和_，在这个过程中需要_酶的参与。(3)完成过程需要涉及_技术。答案(1)密码子mRNA碱基互补配对(2)启动子终止子DNA连接(3)基因工程解析(1)由氨基酸可推知mRNA中碱基序列，进而能推知相应基因中的脱氧核苷酸序列。(2)经过程获得的脱氧核苷酸序列并非完整的基因，它还必须加入启动子、终止子等，在这个过程中需要DNA连接酶参与。(3)完成过程需基因工程技术，从而实现改造的目的基因的表达。12绿色荧光蛋白(GFP)能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光， 这样借助GFP发出的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。下图为我国首例绿色荧光蛋白(GFP)转基因克隆猪的培育过程示意图，据图回答下列问题：(1)图中通过过程、形成重组质粒，需要限制酶切取目的基因、切割质粒。限制酶的识别序列和切点是GGATCC，限制酶的识别序列和切点是GATC 。在质粒上有酶的一个切点，在目的基因的两侧各有1 个酶的切点。请画出质粒被限制酶切割后形成黏性末端的过程。_。在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接起来_，理由是_。(2)过程将重组质粒导入猪胎儿成纤维细胞时，采用最多也最有效的方法是_。(3)如果将切取的GFP基因与抑制小猪抗原表达的基因一起构建到载体上，GFP基因可以作为基因表达载体上的标记基因，其作用是_。(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过程的正确顺序是：_(用序号表示)。推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计蓝色荧光蛋白基因的修饰(合成)表达出蓝色荧光蛋白答案(1)(只写出切割后形成的部分即可)可以连接因为由两种不同限制酶切割后形成的黏性末端是相同的(或是可以互补的)(2)显微注射法(3)鉴定受体细胞中是否含有目的基因(4)解析(1)由于两种限制酶切割形成的黏性末端是相同的，可以互补配对，因此可用DNA连接酶进行相互“缝合”。(2)基因工程中目的基因导入动物细胞的方法是显微注射法。(3)基因表达载体上标记基因的作用是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因。13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。下图表示形成鼠人嵌合抗体的过程，据图回答下面的问题：(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)图示过程是根据预期的_，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)上述过程中对科学家来说难度最大的是_。答案(1)蛋白质工程(2)嵌合抗体功能嵌合抗体的结构基因碱基序列(3)对人体的不良反应减少(4)设计嵌合抗体的空间结构解析(1)通过图示可知鼠人嵌合抗体是通过人工设计而形成的特定功能蛋白质，其生产过程应属于蛋白质工程的范畴。(2)蛋白质工程的流程：预期蛋白质的功能设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)通过基因工程操作生产预期的蛋白质。(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，则排斥作用会减轻，对人体的副作用会减少。(4)由于蛋白质空间结构比较复杂，不易确定，所以成为蛋白质工程中最大的障碍。真题体验14(2015全国，40)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158位的丝氨酸变成亮氨酸，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。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基因的途径有修饰_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