高中生物苏教版 选择性必修3第三章 第三节　蛋白质工程（66张PPT）

1、第三节蛋白质工程学习目标素养要求1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.简述蛋白质工程的基本原理。1.科学思维：尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要 的蛋白质功能，设计或改造某一蛋白质。2.社会责任：认同蛋白质工程的重要意义。蛋白质工程内容索引网络构建课时对点练蛋白质工程1.蛋白质工程的一般过程(1)概念：蛋白质工程是指以蛋白质分子的 规律及其与生物 的关系为基础，对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，以 现有蛋白质或制造 的蛋白质。(2)蛋白质工程的一般过程新蛋白质预期功能设计蛋白质结构 推测氨基酸序列 基因(DNA) 合成新的蛋白质教材梳理预习新知夯实基础结构功能改造新(3)基因工程的不足

2、原则上只能生产自然界中已经 的蛋白质。生产的蛋白质不一定符合人们生产和生活的 。(4)蛋白质工程的优势能更 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 ，进而创造出自然界中 的蛋白质。(5)实例：水蛭素第47位天冬酰胺 赖氨酸或精氨酸抗凝血效率可 4倍。存在需要充分设计和改造不存在提高2.蛋白质工程首先要获取基因和蛋白质的结构数据(1)GenBank生物大分子数据库序列文件的基本单位是 ，包括核苷酸 和注释两部分。GenPept是由GenBank中的核酸序列翻译而得到的 序列数据库。(2)Entrez数据库查询系统是一个将核酸、蛋白质序列和 、蛋白质 数据库整合在一起的综合数据库

3、查询系统。序列条目排列顺序蛋白质基因图谱结构3.通过基因改造生产目标蛋白质(1)基因的体外定向突变适用对象：掌握了基本 的蛋白质。类型目的方法大面积的定向突变_单一或少数几个突变位点的基因定向突变_结构信息基因全合成引物定点引入法定点诱变法的过程示意图引物突变DNA聚合酶DNA连接酶受体细胞转录突变(2)非定点诱变技术适用对象：不能预先确定 的蛋白质。缺点：目的性和 不够强。优点：突变位点 ，有时会产生意想不到的改造效果。诱变位点针对性多4.蛋白质工程的设计思路与应用目的思路原理实例提高蛋白质(酶)的稳定性引入_二硫键是稳定蛋白质分子_最关键键的一种共价键，在蛋白质分子中引入二硫键能显著提高其

4、_向T4溶菌酶引入二硫键提高了T4溶菌酶的热稳定性转换氨基酸残基在高温下，蛋白质分子中天冬酰胺和谷氨酰胺的侧链上的酰胺基会发生 ，进而损害其_ ；将天冬酰胺和谷氨酰胺残基转换为其他合适的氨基酸残基，可以提高蛋白质的热稳定性酵母菌的丙糖磷酸异构酶的两个亚基中各含有两个天冬酰胺残基，分别用 和异亮氨酸残基替代，大幅度提高了酶的热稳定性二硫键空间结构稳定性脱氨反应结构和功能苏氨酸改善酶的催化活性转换_大量酶蛋白的X射线晶体衍射结果显示，酶的催化活性中心附近有少数关键性氨基酸残基，决定了酶的 活性将嗜热芽孢杆菌酪氨酰tRNA合成酶分子中的一个苏氨酸残基改变为丙氨酸或脯氨酸残基时，酶的 大大提高消除酶的

5、被抑制特性转换氨基酸残基转换氨基酸残基可以消除酶的 特性将枯草芽孢杆菌蛋白酶分子中第222位的甲硫氨酸残基转换成半胱氨酸残基或丙氨酸残基，酶的活性将不再受 的抑制酸残基氨基催化活性被抑制漂白剂(1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质()(2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的()(3)定点诱变技术可用于各种蛋白质的改造()(4)热稳定的蛋白质一般都具有抗有机溶剂和极端pH的能力()判断正误核心探讨对照右面蛋白质工程的基本过程，分析回答问题：1.基因工程合成的蛋白质有哪些不足？提示原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不

6、一定完全符合人类生产和生活的需要。突破重难强化素养2.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？提示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。3.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_酶_引物含 的DNA分子片段操作方法_结果后代中半数为

7、诱变的DNA分子适用范围_特点有_脱氧核苷酸DNA聚合酶和DNA连接酶突变位点PCR技术掌握了蛋白质的基本结构信息目的性和针对性4.非定点诱变技术的适用对象和特点是什么？提示(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改造。(2)特点：非定点诱变突变位点多，有时会产生意想不到的改造效果。5.某种微生物合成的一种蛋白酶与人体消化液中某种蛋白酶的结构和功能很相似，只是前者热稳定性较差，进入人体后容易失效。尝试根据本节课所学知识提出改造该种微生物蛋白酶的思路。提示(1)思路一：向该蛋白酶中引入二硫键。(2)思路二：将该蛋白酶中的天冬酰胺和谷氨酰胺残基转换为其他合

8、适的氨基酸残基。蛋白质工程与基因工程的区别与联系核心归纳比较项目蛋白质工程基因工程区别起点预期的蛋白质功能目的基因过程新蛋白质预期功能设计蛋白质结构设计对应的氨基酸序列改造或合成可以产生新蛋白质的相关DNA序列合成新的蛋白质目的基因的获取基因表达载体的构建将目的基因导入受体细胞目的基因及其表达产物的检测鉴定区别目标定向改造或生产人类所需的蛋白质定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需要的新的生物类型和生物产品结果生产非天然的蛋白质生产自然界已经存在的蛋白质联系都在生物体外对基因进行操作；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

9、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.细胞工程典题应用及时反馈知识落实解析题干中的操作涉及的基因不再是原来的基因，其合成的-干扰素也不是天然的-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.中华鲟是地球上最古老的脊椎动物之一，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

10、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，C正确；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错误。网络构建课时对点练题组一蛋白质工程的一般过程1.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 B.mRNA结构C.氨基酸序列 D.蛋白质结构12345678910对点训练11121314151617182.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

11、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新蛋白质的预期功能出发，设计出相应的 基因，并借助基因工程技术实现1234567891011121314151617解析基因的结构决定蛋白质的结构，对蛋白质的结构进行设计改造是通过改造或合成基因来完成的，而不是直接对蛋白质分子进行操作。183.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的过程的正确顺序是推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构合成蓝色荧光蛋白基因表达出蓝色荧光蛋白A. B.

12、C. D.123456789101112131415161718解析参照蛋白质工程的基本途径，采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是：根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列合成蓝色荧光蛋白基因表达出蓝色荧光蛋白。1234567891011121314151617184.蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过改造或合成基因来完成，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123

13、4567891011121314151617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改造或合成来完成，且改造后的基因能够遗传给子代。185.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，蛋白质工程不需对基因进行操作B.基因工程中基因的编码蛋白序列未经改造，而蛋白质工程中基因的编 码蛋白序列经过改造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)操作D.基因工程完全不同于蛋白质工程1234567891011121314151617181234567891011121314151617解析蛋白质工程是从分子水平上对蛋白质进行改造设计，通过

14、对相应的基因进行改造，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，产生人类所需的性状，或者获取所需的产品。18解析该过程运用的是蛋白质工程。从新蛋白质预期功能出发，对蛋白质控制的基因进行改造以达到改造蛋白质的目的。6.蛛丝的强度和柔韧度得益于蛛丝蛋白的特殊布局，使它产生了一个由坚硬的结晶区和非结晶区构成的混合区域。有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因结构，以指导对蚕丝蛋白的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝蛋白一样坚韧的丝。此过程运用的技术及流程分别是A.基因突变：DNARNA蛋白

15、质B.基因工程：RNARNA蛋白质C.基因工程：DNARNA蛋白质D.蛋白质工程：蛋白质氨基酸序列DNARNA多肽链蛋白质123456789101112131415161718题组二通过基因改造生产目标蛋白质7.下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是A.基因大面积的定向突变一般采用基因全合成的方法B.在定点诱变过程中加入的引物需含有所需的突变顺序C.在定点诱变过程中只需加入DNA聚合酶D.可用PCR技术扩增已获得定点突变的基因1234567891011121314151617解析定点诱变需要加入DNA聚合酶和DNA连接酶。188.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

16、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1012 。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.酶工程解析葡萄糖异构酶热稳定性得到了提高，葡萄糖异构酶的改造过程是通过对基因进行修饰改造，以实现对现有蛋白质的改造，属于蛋白质工程，蛋白质工程也叫第二代基因工程，是通过对基因的改造来实现对蛋白质改造的一项技术，B正确。123456789101112131415161718题组三蛋白质工程的设计思路与应用9.(2021常州高二开学考试)下列有关蛋白质工程的叙述，不正确的是A.蛋白质工程需要用到

17、限制酶和DNA连接酶B.蛋白质工程只能改造现有的蛋白质而不能制造新的蛋白质C.T4溶菌酶中引入二硫键提高了它的热稳定性是蛋白质工程应用的体现D.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123456789101112131415161718解析蛋白质工程是对基因进行修饰改造或重新合成，然后进行表达，故蛋白质工程需要用到限制酶和DNA连接酶，A项正确；通过蛋白质工程，可产生自然界没有的蛋白质，B项错误；蛋白质工程能通过基因修饰或基因合成，定向对现有蛋白质分子的结构进行改造，使之更加符合人类需要，D项正确。12345678910111213141516171810.(2021无锡高

18、二期末)已知某生物体内有一种X蛋白，如果将X蛋白的某一个氨基酸替换，改造后的蛋白质(X1蛋白)不但可以保留X蛋白的功能，而且具有了酶的催化活性。下列说法正确的是A.蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异B.可以通过对X蛋白基因进行改造或人工合成获得X1蛋白基因C.蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具D.细胞内合成X1蛋白与X蛋白的过程中，遗传信息的流向是相反的123456789101112131415161718解析蛋白质工程和基因工程的操作对象都是基因，两者的根本区别是蛋白质工程可制造出自然界没有的蛋白质，A错误；蛋白质工程操作过程中，需要酶和载体作为工具，C错误；细胞内合成

19、X1蛋白与X蛋白的过程中，遗传信息的流向是相同的，D错误。123456789101112131415161718选择题1112题为单选题，1316题为多选题。11.(2021徐州高二期中)人体内的tPA蛋白能高效降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓，然而，为心梗患者注射大剂量的基因工程tPA会诱发颅内出血，其原因在于tPA与血纤维蛋白结合的特异性不高。研究证实，通过某技术，将tPA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，可制造出性能优异的改良tPA蛋白，进而显著降低出血。下列相关叙述错误的是A.该技术的关键是了解tPA蛋白质分子的结构B.该技术生产改良tPA蛋白的过程遵循中心法则C.该技术是在分子水平上直接改

20、造蛋白质的D.该技术构建出了一种自然界中原先不存在的全新的基因1234567891011121314151617综合强化18解析将tPA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸需要采用蛋白质工程技术，该技术的关键是了解tPA蛋白质分子的结构，A正确；该技术是在分子水平上通过改造基因来改造蛋白质的，C错误。12345678910111213141516171812.(2021南通高二月考)大引物PCR定点突变常用来研究蛋白质结构改变导致的功能变化。单核苷酸的定点诱变仅需进行两轮PCR反应即可获得，第一轮加诱变引物和侧翼引物，第一轮产物作第二轮PCR扩增的大引物，过程如图所示。下列叙述正确的是A.第一轮PCR

21、过程中退火所用的温度与第二轮PCR退火 的温度是一样的B.PCR扩增的定点诱变产物通常需要连接到载体分子上 才能表达出相应的性状，该定点诱变产物需具备起始 密码子、终止密码子等结构才能进行转录和翻译C.第二轮PCR所用的引物是第一轮PCR的产物DNA的两条链D.将某功能蛋白的第17位Cys(UGU)改造成Ser(UCU)，属于蛋白质工程123456789101112131415161718解析为了使两轮PCR反应在同一支试管中进行，引物设计时应考虑不同的退火温度，第二轮PCR的退火温度应该比第一轮高，A错误；若要使得目的基因可以表达出蛋白质，则需要在产物上具备启动子和终止子(而非起始密码子和终

22、止密码子)，诱导基因转录和翻译，B错误；第一轮产物作第二轮PCR扩增的大引物外，第二轮PCR仍需加入的引物是另一种侧翼引物，以便进行另一条链的延伸，C错误；欲将某功能蛋白的第17位Cys(UGU)改造成Ser(UCU)，应将诱变引物设计包含AGA或TCT序列，该过程属于蛋白质工程技术范畴，D正确。12345678910111213141516171813.科学家通过利用PCR定点突变技术改造Rubisco酶基因，提高了光合作用过程中Rubisco酶对CO2的亲和力，从而显著提高了植物的光合作用速率。下列叙述正确的是A.PCR定点突变技术使Rubisco酶基因发生定向突变B.PCR技术扩增目的基

23、因的过程中必须添加两种引物C.PCR扩增过程需加入解旋酶和热稳定的DNA聚合酶D.PCR定点突变技术属于蛋白质工程的范畴1234567891011121314151617解析PCR扩增过程不需要加入解旋酶，C错误。1814.蛋白质工程是指根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质进行分子设计、生产的过程。下图是蛋白质工程的流程图，据图分析正确的是1234567891011121314151617A.过程是目前蛋白质工程难度最大的环节B.过程和所需原料分别是脱氧核苷酸和氨基酸C.若使过程设计的基因能表达和发挥作用，必须在基因的两端添加调 控序列D.通过蛋白质工程可以获得自然界不存在的蛋白质18解析

24、图中过程表示从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，这是目前蛋白质工程难度最大的环节，A正确；是转录过程，是翻译过程，这两个过程的原料依次是核糖核苷酸和氨基酸，B错误；若使过程设计的基因能表达和发挥作用，必须在基因的两端添加调控序列，如启动子和终止子，C正确。12345678910111213141516171815.干扰素是动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存相当困难。下图是利用蛋白质工程设计保存干扰素的生产流程图，据图分析下列叙述正确的是A.图中构建新的干扰素模型的主 要依据是蛋白质的预期功能B.图中新的干扰素基因必须加上 启动子和终止密码子才能表达C.图

25、中改造干扰素结构的实质是改造干扰素基因的结构D.图中各项技术并没有涉及基因工程技术1234567891011121314151617181234567891011121314151617解析图中新的干扰素基因必须加上启动子和终止子才能表达，B错误；图中新的干扰素基因导入受体细胞中表达新干扰素的过程涉及基因工程技术，D错误。1816.利用重叠延伸PCR技术进行定点突变可以实现对纤维素酶基因进行合理性改造，其过程如下图所示。下列分析正确的是A.PCR 1过程中的产物AB是依赖引物a 和引物b扩增的结果B.引物c和引物b上均含有与模板链不 能互补的碱基C.过程需要先加热至约72 后再冷 却至约55

26、D.过程需要利用引物a和引物d获得 突变产物AD1234567891011121314151617181234567891011121314151617解析PCR技术中DNA单链延伸的方向是沿着引物的5端向3端延伸的，据此可分析，PCR 1过程中的产物AB是依赖引物a和引物b扩增的结果，A正确；根据突变位点的产生可推知，引物c和引物b上均含有与模板链不能互补的碱基，B正确；181234567891011121314151617过程是双螺旋解开的过程，即氢键断裂可通过先加热至约94 完成，而后再冷却至约55 使氢键形成，为子链的延伸做准备，C错误；过程为子链延伸的过程，该过程需要利用AB上链和C

27、D下链之间的互补配对实现子链的延伸过程，D错误。1817.葡萄糖异构酶在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，科学家在确定第138位甘氨酸为目标氨基酸后，对葡萄糖异构酶基因进行体外定点诱变，以脯氨酸138替代甘氨酸138，含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结果突变型葡萄糖异构酶比野生型的最适反应温度提高1012 ，酶的热稳定性得到了提高。请根据以右图示分析回答问题：123456789101112131415161718(1)对葡萄糖异构酶进行定点诱变的过程体现了_和_现代生物技术的综合运用。1234567891011121314151617基因工程蛋白质工程18解析蛋白质工程是指以蛋白质分子的结

28、构规律及其与生物功能的关系为基础，对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，以改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。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，由于葡萄糖异构酶发生了变化，所以该过程属于蛋白质工程。因此对葡萄糖异构酶进行定点诱变的过程体现了蛋白质工程和基因工程现代生物技术的综合运用。123456789101112131415161718(2)图中的名称叫_，其组成包括了目的基因、_、_、复制原点和_等。1234567891011121314151617基因表达载体启动子终止子标记基因解析图中是基因表达载体，至少包括目的基因、启动子、终止子、标记基因和复制原点。18(3)目的基因经过体外定点诱变后，为了提高其导入大肠杆菌的成功率，需用一定浓度的