2017_2018学年高中生物基因工程第5课时蛋白质工程学案苏教版.docx

第5课时 蛋白质工程学习目标1.简述蛋白质工程的概念和基本原理。2.举例说出蛋白质工程的基本过程。3.举例说出蛋白质工程的应用和发展。一、蛋白质工程概述1基因工程的基本操作程序主要包括哪几个步骤？答案包括四个步骤：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、目的基因的检测和鉴定。2获取目的基因的常用方法有哪些？答案(1)从基因文库中获取；(2)利用PCR技术扩增目的基因；(3)人工合成法。3请写出中心法则，并判断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。4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。5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以遗传下去。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。6根据蛋白质被改造部位的多少，可将蛋白质改造分为大改、中改和小改三种，试区别这三种改造的异同。答案大改是指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。中改是指改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构。小改是指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。7如何利用PCR技术进行基因定点诱变？答案一般先通过PCR技术扩增获得定点突变的基因，再通过基因工程的方法，将突变基因导入受体细胞，经过转录和翻译就可合成所需的蛋白质。8对空间结构不清楚的蛋白质的改造，可采用非定点诱变技术来进行改造。9由以上知识总结蛋白质工程的概念。答案蛋白质工程是指通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能，并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，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。二、蛋白质工程的应用1蛋白质结构为什么具有多样性？答案蛋白质结构的多样性是由构成蛋白质的氨基酸种类、数目、排列顺序和空间结构来决定的，其结构多样性的根本原因则是控制蛋白质合成的基因具有多样性。2利用蛋白质工程可以将酶中的天冬酰胺和谷氨酰胺转变为其他氨基酸，有效提高酶的热稳定性。此外，在蛋白质分子中引入二硫键也可以显著提高蛋白质的热稳定性。3在生物工程制药领域，可通过蛋白质工程人工合成或改造抗体，使之对某些肿瘤细胞具有特异的识别能力和杀伤力。4目前，蛋白质工程成功的例子不多，原因是什么？答案结构决定功能，蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，这种高级结构十分复杂。而且目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。一、蛋白质工程的流程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)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：_；_；_；_；_。(2)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)。(3)蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质的_的关系，其关键技术是_。(4)蛋白质工程的目的是_，通过_实现。(5)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是_的。(6)在蛋白质工程中构建基因表达载体与基因工程完全相同吗？_。(7)蛋白质工程与基因工程的结果有何不同？它们之间有什么关系？_。答案(1)转录翻译折叠分子设计DNA合成(2)(3)结构和功能基因工程(4)对蛋白质的结构进行分子设计基因合成或改造(5)相反(6)不一定完全相同。蛋白质工程中的目的基因是人工合成的，不含有非编码区以及内含子的脱氧核苷酸序列。在构建基因表达载体时，需要添加启动子、终止子等必要部分(7)蛋白质工程生产出自然界从来没有过的蛋白质，而基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质。蛋白质工程就是通过基因重组技术改变或设计合成具有特定生物功能的蛋白质；基因工程技术是蛋白质工程技术的基础，因此蛋白质工程也叫第二代基因工程解析天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的，而蛋白质工程的基本途径与之相反，即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相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。解答此题需要理解中心法则和蛋白质结构的知识。二、蛋白质工程的应用科学家通过对抗体和胰岛素的改造，使其效果更良好，结合下列材料，完成后面问题：材料一鼠人嵌合抗体形成过程材料二如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程。(1)分析材料一，并填空。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。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_。经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)。上述过程中对科学家来说难度最大的是_。(2)分析材料二，并填空。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_。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。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。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)蛋白质工程嵌合抗体功能嵌合抗体结构基因碱基对对人体的不良反应减少设计嵌合抗体的空间结构(2)蛋白质的预期功能载体大肠杆菌等受体细胞蛋白质工程基因工程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某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构和功能很相似，只是热稳定性较差，进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂，临床治疗消化不良，最佳方案是()A将此酶中的少数氨基酸替换，以改善其功能B将此酶与人蛋白酶进行拼接，形成新的蛋白酶C重新设计与创造一种全新的蛋白酶D减少此酶在片剂中的含量答案A解析要想使蛋白酶热稳定性有所提高，就要改变蛋白质的结构，此类问题一般是对蛋白质中的个别氨基酸进行替换。2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主要原因是()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解析蛋白质工程是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。蛋白质工程的直接操作对象是基因，并且改造后能够遗传；若直接改造蛋白质，其性状不能遗传。3蛋白质工程的基本流程是()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ABCD答案C4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位的氨基酸由天冬氨酸变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸含量分别提高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重新合成新的基因答案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需求。而蛋白质功能与其高级结构密切相关，蛋白质高级结构又非常复杂，所以直接对蛋白质改造非常困难，而蛋白质是由基因控制合成的，对基因进行操作就容易得多。另外，改造后的基因可以遗传，如对蛋白质直接改造，即使成功也不能遗传。5基因工程与蛋白质工程的区别是()A基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不对基因进行操作B基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程合成的可以不是天然存在的蛋白质C基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平(或性状水平)的操作D基因工程完全不同于蛋白质工程答案B解析蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程，是从分子水平对蛋白质进行改造设计，直接对相应的基因进行修饰加工甚至人工进行基因合成，从而对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活需求，而基因工程只是将外源基因导入另一生物体内，并使之表达，体现人类所需的性状，或者获取所需的产品，因此，基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。基础再现1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。如果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解析蛋白质工程可以改造酶的结构，通过改造蛋白质分子中某些活性部位的一个或几个氨基酸残基，有目的地提高酶适应低温的能力，进而提高洗衣粉在低温时的洗涤效果。2下列关于蛋白质工程的说法，正确的是()A蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作B蛋白质工程能生产出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解析蛋白质工程是在分子水平上对基因直接进行操作，即通过直接改造基因实现的；蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程相反，其是中心法则的逆推。3在设计合成自然界中不存在的蛋白质时，首先应该设计()A基因结构BmRNA结构C氨基酸序列D蛋白质结构答案D解析蛋白质工程的操作程序：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相对应的脱氧核苷酸序列。由此可知，首先设计的应该是蛋白质的结构。4猪的胰岛素用于降低人体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。为了使猪的胰岛素可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。5当前医学上，蛋白质工程药物正逐步取代第一代基因工程多肽蛋白质类替代治疗剂。基因工程药物与蛋白质工程药物的区别是()A都与天然产物完全相同B都与天然产物不相同C基因工程药物与天然产物完全相同，蛋白质工程药物与天然产物不相同D基因工程药物与天然产物不相同，蛋白质工程药物与天然产物完全相同答案C解析基因工程合成的是自然界已存在的蛋白质，与相应天然产物完全相同；蛋白质工程可以合成自然界不存在的蛋白质，与天然产物不完全相同。能力提升6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项已经实现，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。7下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是()A蛋白质工程操作的实质是改造基因B蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列C蛋白质工程的基础是基因工程D蛋白质工程遵循的原理包括中心法则答案B解析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。它的目标是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，最终用人工合成的方法合成相应的基因，而改造的基因须按照中心法则才能合成人类需要的蛋白质。8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蛋白质工程能生产自然界中不曾存在的新型蛋白质分子D蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程答案B解析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基因的结构来完成，这种操作既简单，又能够遗传；而不是直接对蛋白质分子进行操作。9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。10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基因工程能创造出自然界根本不存在的基因，蛋白质工程能创造出自然界根本不存在的蛋白质答案A解析基因工程的操作对象是基因，属于分子水平上的操作；蛋白质工程的操作对象是DNA和蛋白质分子，二者都属于分子水平上的操作。11完成下列一组填空。(1)蛋白质工程是指通过物理化学与生物化学等技术了解_，并借助计算机辅助设计、_和_改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。(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“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是：_，它可以创造自然界中_(填“存在”或“不存在”)的蛋白质。(4)假如预期到某种酶的功能，要设计相应的基因。上述图示中，是_，是_。答案(1)蛋白质的结构与功能基因定点诱变重组DNA技术(2)DNAmRNA多肽链存在(3)预期蛋白质功能设计预期的蛋白质结构设计对应的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列不存在(4)分子设计氨基酸序列解析天然蛋白质的合成，遵循中心法则进行：基因mRNA形成具有一定氨基酸序列的多肽链产生具高级结构的蛋白质行使生物功能，而蛋白质工程正好与之相反。122008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，下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_。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，且对细胞无毒性作用，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