-新人教版-选择性必修3-蛋白质工程的原理和应用-教案

1、第4节蛋白质工程的原理和应用新课标核心素养1.举例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.简述蛋白质工程已有的实际应用。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)蛋白质工程崛起的缘由及基本原理1蛋白质工程崛起的缘由(1)蛋白质工程的概念：指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，以满足人类生产和生活的需求。(2)蛋白质工程的基础：基因工程。(3)基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物

2、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。(4)基因工程存在的不足：基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。(5)天然蛋白质存在的不足：天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们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。2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)流程：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。(1)蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子()(2)基因工程遵循中心法

3、则，而蛋白质工程不遵循()(3)为延长干扰素保存时间，需要替换氨基酸；为提高玉米中赖氨酸含量，需要在蛋白质中加入赖氨酸()(4)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，也需要利用基因工程的基本工具，需要经历基因工程的操作流程()1(生命观念)蛋白质工程中为什么通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造？提示：(1)蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；(2)改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。2(社会责任)蛋白质工程的实例(1)结合基因与性状的关系探讨提高玉米中的赖氨酸含量的途径是什么？(从直接控制法和间接控制法的角度回答)提示：直接控制法

4、：可以将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米。间接控制法：可以改变赖氨酸合成途径中关键酶的活性。(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。3(科学思维)如何判断基因工程和蛋白质工程？提示：“三看法”判断基因工程和蛋白质工程(1)一看对基因的操作方法如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基，则属

5、于蛋白质工程。(2)二看目的基因的合成方式基因工程和蛋白质工程中都可以通过逆转录合成目的基因，或根据蛋白质的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。如果合成时mRNA或氨基酸序列没有经过改造，则为基因工程技术；如果mRNA或氨基酸序列经过了改造，或mRNA或氨基酸序列是根据蛋白质预期的功能人工设计的，则为蛋白质工程技术。(3)三看合成的蛋白质种类如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。1蛋白质工程是新崛起的一项生物工程，下图是蛋白质工程流程示意图，下列有关图中A、B在遗传学上的过程及有关蛋白质工程的说法，正确的是()

6、A转录和翻译 蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造B翻译和转录 蛋白质工程只能生产天然的蛋白质C翻译和转录 蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造D转录和翻译 蛋白质工程可以生产自然界原本不存在的蛋白质解析：选D过程A表示以DNA的一条链为模板合成mRNA，在遗传学上称为转录；过程B表示以mRNA为模板合成多肽链，在遗传学上称为翻译；蛋白质工程是指以蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，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需求，因此蛋白质工程可以生产自然界原本不存在的蛋白质。2蛋白质工程与基因工程相比，其突出的特点是()A基因工程原

7、则上能生产任何蛋白质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解析：选B蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过改造或合成基因，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要求。也就是说，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。归纳提升蛋白质工程与基因工程的比较(1)区别项目蛋白质工程基因工程过程预期蛋白质功能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获取目

8、的基因基因表达载体的构建将目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定实质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，以获得人类所需的生物类型和生物产品结果可生产自然界没有的蛋白质只能生产自然界已有的蛋白质(2)联系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。基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造。知识点(二)蛋白质工程的应用1在医药方面(1)利用蛋白质工程研发药物。(2)实例：干扰素在体外保存相当困难，如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在70 2在工业方面(1)蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。(2)实例：枯草杆菌蛋白酶具

9、有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。3在农业方面科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。(1)根据某多肽链的一段氨基酸序列，可以很容易地确定决定这段肽链的脱氧核苷酸序列()(2)蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为人们对蛋白质复杂的高级结构没有完全认识()(3)科学家利用蛋白质工程的思路来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()1(科学思维)科学家对胰岛素进行改造是否要获得相应的目的基因？如何获得？提示：是。应该以现有的胰岛素结构为基础，设计满足新功能需要的新结构，推测出相关的氨基酸序列

10、，然后根据密码子找出相应的DNA序列，再进行人工合成或改造得到目的基因。2(社会责任)经改造的干扰素基因合成的干扰素和原来的相比，在结构和功能上的改变有哪些？提示：在结构方面：其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸。在功能方面：大大提高了该干扰素在体外保存的稳定性。(多选)以下有关蛋白质工程的叙述，不正确的是()A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B基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作C蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列D蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性答案：BC学习小结1下列关于蛋白质工程的叙述，不正确的是()A可以根据人类的需

11、要，设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质B可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域C可以通过基因工程间接地改造蛋白质中特定的一个或几个氨基酸D可以通过人工化学合成的方法直接对蛋白质的氨基酸进行改造解析：选D蛋白质工程是在原有蛋白质的基础上，根据人们的需求对蛋白质分子作出的定向的改造，可以设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质，A正确；蛋白质工程可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域，B正确；可以通过基因工程有目的地改造蛋白质中特定的一个或几个氨基酸，以获得人类所需要的目的蛋白质，C正确；蛋白质工程属于第二代基因工程，不能通过人工化学合成的方法直接对蛋

12、白质的氨基酸进行改造，D错误。2酶的定向进化是发展迅速的生物工程技术，是人为创造特殊的进化条件，模拟自然进化机制，在体外对基因进行随机突变，构建人工突变酶库，并定向筛选获得具有特定性质或功能的进化酶。下列有关该技术说法错误的是()A酶的定向进化技术可以使酶朝着人们需要的方向进化B在酶的定向进化过程中，获得的进化酶所对应的基因序列一定是已知的C酶的定向进化的实质是达尔文进化论在分子水平上的延伸和应用D与蛋白质工程的定点诱变相比，酶的定向进化更接近自然进化过程，不需要了解原始酶的结构和功能，但进化时间大大缩短解析：选B据题干信息可知：酶的定向技术可通过遗传变异和选择开发出人类所需要的蛋白质，该技术

13、可使酶朝着人们需要的方向进化，A正确；由于密码子的简并性，获得的进化酶所对应的基因序列也可能并不是唯一的，即对应的基因序列不一定已知，B错误；酶定向进化仍为遗传变异和选择的综合作用，故其实质是达尔文进化论在分子水平上的延伸和应用，C正确；蛋白质工程的定点诱变建立在对原始酶的结构及功能的了解基础上，需对其对应的基因再进行修饰或合成，是个缓慢的过程，而酶的定向进化更接近自然进化的过程，但又因其是在人为创造的进化条件下进行，故进化时间可大大缩短，D正确。3下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述，不正确的是()A将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法B设计扩增目的基因的引物时，不必考虑表达载体的序

14、列C蛋白质工程是通过改造或合成基因，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质的技术D蛋白质工程可合成自然界中不存在的蛋白质解析：选B将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法；设计的引物应能与表达载体两端的序列互补配对；蛋白质工程是指以分子生物学相关理论为基础，通过改造或合成基因，对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质的技术；通过蛋白质工程可合成自然界中不存在的蛋白质。4下列关于蛋白质工程应用的叙述，不正确的是()A蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多B通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性C将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内，使大肠杆菌产生人的胰岛素的技术属于蛋白质工程

15、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解析：选C将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内，使其产生大量胰岛素的技术属于基因工程。5(多选)如图是蛋白质工程的示意图，下列有关叙述正确的是()A蛋白质工程流程的顺序是E、F、G、A、B、C、DBA、B过程是在细胞核内完成的，C过程是在细胞质内完成的CG过程的完成依赖于改造或合成基因DC过程可在大肠杆菌中由内质网和高尔基体完成解析：选AC由图可知，蛋白质工程的基本流程为E、F、G、A、B、C、D；图中A过程表示转录，主要场所是细胞核，B过程表示翻译，其场所为细胞质的核糖体；由图可知，要改造蛋白质结构，最终是通过改造基因来实现的，因为改造基因操作更容易，且改造后可以遗传；大肠杆菌为原核生物，无内质网和高尔基体。6请根据题图回答有关问题：(1)在如图所示的蛋白质工程流程中，A、B分别是_、_。(2)对获得的目的基因可采用_技术扩增其数量，依据的原理是_。在该过程中所用酶的最大理化