2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修三3-4蛋白质工程的原理和应用导学案

PAGE第三章第4节蛋白质工程的原理和应用课前案一、蛋白质工程的概念理解①基础：蛋白质分子的及其与的关系。②手段：改造或合成。③结果：对现有蛋白质进行或制造出。二、蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实质和不足：(1)实质：将一种生物的基因转移到,后者可以产生它本不能产生的，进而表现出。(2)基因工程存在的不足：原则上只能生产自然界的蛋白质。2.蛋白质工程的崛起：(1)理论和技术条件：、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。(2)天然蛋白质存在不足：天然蛋白质的符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合的需要。(3)实例：玉米中赖氨酸的含量比较低，将赖氨酸合成过程中两种酶的替换，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。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：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的→推测应有的序列→找到并改变相对应的序列（基因）或合成新的→获得所需要的蛋白质。四、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。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。【易错易混辨析】：(1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。（）(2)蛋白质工程以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础。（）(3)基因工程在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程在分子水平对蛋白质进行操作。（）(4)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。（）(5)蛋白质工程最终要达到的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息。（）(6)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。（）课中案探究一、蛋白质工程的基本原理结合图示回答有关问题：(1)写出流程图中字母代表的含义：A.B.C.D.E.(2)上图字母中属于中心法则的过程有，属于蛋白质工程的过程有。(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？原因是什么？(4)蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质相同吗？分别体现在哪些方面？(5)如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？说明你的理由。(6)利用蛋白质工程将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，如何对现有的基因进行改造？(7)某同学认为只要知道了氨基酸的序列就可以利用蛋白质工程制造出各种特定功能的蛋白质，你认为他的说法科学吗？说明你的理由。(8)蛋白质工程被称为“第二代基因工程”，请概述二者的根本区别及其联系。【归纳总结】蛋白质工程与基因工程的异同项目蛋白质工程基因工程过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筛选与获取目的基因→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要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或生物产品结果可生产自然界中不存在的蛋白质只能生产自然界中已存在的蛋白质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探究二、基因定点突变技术基因定点突变的目的是通过定向地改变基因内一个或少数几个碱基来改变多肽链上一个或几个氨基酸。该技术是蛋白质工程的重要技术。基因定点突变技术主要分为PCR定点突变技术和不依赖PCR的定点突变技术，这两类定点突变技术互为补充。1.PCR定点突变技术（1）重叠延伸PCR①该过程需要___种引物；②PCR1的产物AB是引物___和引物___扩增的结果；③PCR2的产物CD是引物___和引物___扩增的结果；④产物AD的形成需要引物吗？_______________________⑤需要改变的碱基位于引物___和引物___上⑥引物b和引物c之间有什么关系？_________________⑦PCR3中突变产物AD的扩增需要引物___和引物___【典例1】利用重叠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，过程如上图，下列分析正确的是（）不定项A.PCR1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.①过程需要先加热至90-95℃再冷却至55-60℃D.②过程需要利用引物a和引物d获得突变产物AD（2）大引物PCR该过程需要三条引物，第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增；第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条链作为下游大引物，与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段；【典例2】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（)不定项A.第一轮PCR过程中复性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。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),属于蛋白质工程第4节蛋白质工程的原理和应用1.下列是蛋白质工程的相关叙述,说法错误的是()A.蛋白质工程可以定向改变蛋白质分子的结构B.蛋白质工程生产干扰素的过程遵循了中心法则C.蛋白质工程是完全摆脱基因工程技术的一项全新的生物工程技术D.对纤维素酶的改造需通过改造基因结构而实现2.如图为蛋白质工程操作的基本思路,下列叙述不正确的是()A.图中①代表转录,②代表翻译B.蛋白质工程可生产自然界中不存在的蛋白质C.蛋白质工程是对基因的结构进行分子设计D.根据蛋白质的氨基酸序列推测出的mRNA的碱基序列是不唯一的3.蛛丝的强度和柔韧度得益于蛛丝蛋白的特殊布局。有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构推测出相应的基因结构,用以指导对蚕丝蛋白的修改,让蚕也吐出坚韧的丝。下列有关说法正确的是()A.蚕合成像蛛丝蛋白一样坚韧的丝的过程不遵循中心法则B.蛋白质空间结构复杂是蛋白质工程实施难度大的重要原因C.可以利用PCR等技术检测是否有目标蛋白的合成D.利用基因工程技术不能改变基因上特定位点的核苷酸序列4.T4溶菌酶来源于T4噬菌体,是重要的工业用酶。科学家通过一定技术使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸(密码子是AUU、AUC、AUA)变为半胱氨酸(密码子是UGU、UGC),于是在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键,从而使T4溶菌酶的耐热性得到了提高。对上述过程的叙述错误的是()A.对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴B.上述过程通过直接改造T4溶菌酶mRNA上的2个碱基实现C.参与新的T4溶菌酶合成的tRNA种类可能不变D.改造后的T4溶菌酶肽键数不变,二硫键的作用类似于DNA中的氢键5.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或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.蛋白质工程最终要达到的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息D.基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的6.下列有关蛋白质工程的叙述,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.当前限制蛋白质工程发展的关键因素是基因工程技术还不成熟C.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构,使之更加符合人类的需要D.蛋白质工程中合成所需蛋白质的过程中,遗传信息的流向是与中心法则相反的7.FⅧ基因主要在肝脏中表达,控制合成凝血因子(FⅧ)。若使FⅧ第309位的丙氨酸替换为丝氨酸,可增加FⅧ的分泌。A型血友病是由FⅧ基因突变导致FⅧ含量降低或功能异常的疾病。下列叙述错误的是()A.上述得到高分泌量的FⅧ的操作过程属于蛋白质工程B.构建基因表达载体时应将编辑后的FⅧ基因连接于肝脏细胞特异性启动子下游C.以腺病毒为载体将编辑后的FⅧ基因插入肝细胞核基因组可对A型血友病患者进行治疗D.为了检测编辑后的FⅧ基因是否成功表达,可通过PCR等技术检测其mRNA第309位的密码子是否改变8.基因定点突变的目的是通过定向地改变基因内一个或少数几个碱基来改变多肽链上一个或几个氨基酸。该技术是蛋白质工程的重要技术。如图为利用PCR技术进行定点突变的流程,相关叙述错误的是()A.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或合成基因来完成B.酶①应为耐高温的DNA聚合酶,引物X和Y应该为引物2和4C.可以将引物1、引物2、引物3和引物4置于同一个反应系统中同时进行第一个阶段的反应,进而缩短实验时间D.利用图示流程技术可以将两个不同的基因拼接到一起9．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而实现的C．改造后的中华鲸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10．下列关于蛋白质工程实施的叙述，不正确的是（）A．可以根据人类的需要，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11．蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主要包括哪儿种()①进行少数氨基酸的替换②对不同来源的蛋白质的拼接③从氨基酸的排列顺序出发设计全新的蛋白质④直接改变蛋白质的空间结构A．①②B．①②③C．②③④D．①②④12．科研人员利用相关技术改变了胰岛素B链第29位氨基酸，从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述不正确的是()A．胰岛素的本质是蛋白质，不宜口服使用B．可通过测定DNA的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．该过程的操作对象是胰岛素分子13.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分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸,第240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸,改变后的蛋白质(P1)不但保留了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基因的途径有改造基因或合成基因,所获得的基因表达时是遵循中心法则的,中心法则的全部内容包括的复制,以及遗传信息在不同分子之间的流动,即:。

(3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程,其基本思路是从预期的蛋白质功能出发,通过 和,进而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,再经表达、纯化获得所需要的蛋白质。

14.(2022湖南,22)水蛭是我国的传统中药材,主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一,具有良好的抗凝血作用。拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构,提高其抗凝血活性。回答下列问题:(1)蛋白质工程流程如图所示,物质a是,物质b是。在生产过程中,物质b可能不同,合成的蛋白质空间构象却相同,原因是 。

(2)蛋白质工程是基因工程的延伸,基因工程中获取目的基因的常用方法有、和利用PCR技术扩增。PCR技术遵循的基本原理是。

(3)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后,分析水解产物中的肽含量及其抗凝血活性,结果如图所示。推测两种处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的(填“种类”或“含量”)有关,导致其活性不同的原因是

。

(4)若要比较蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素的抗凝血活性差异,简要写出实验设计思路 。

15．(2020·天津)Ⅰ型糖尿病是因免疫系统将自身胰岛素作为抗原识别而引起的自身免疫病。小肠黏膜长期少量吸收胰岛素抗原，能诱导免疫系统识别该抗原后应答减弱，从而缓解症状。科研人员利用Ⅰ型糖尿病模型小鼠进行动物实验，使乳酸菌在小鼠肠道内持续产生人胰岛素抗原，为此构建重组表达载体，技术路线如下。据图回答：(1)为使人胰岛素在乳酸菌中高效表达，需改造其编码序列。下图是改造前后人胰岛素B链编码序列的起始30个核苷酸序列。据图分析，转录形成的mRNA中，该段序列所对应的片段内存在碱基替换的密码子数有______个。(2)在人胰岛素A、B肽链编码序列间引入一段短肽编码序列，确保等比例表达A、B肽链。下列有关分析正确的是________(多选)。A．引入短肽编码序列不能含终止子序列B．引入短肽编码序列不能含终止密码子编码序列C．引入短肽不能改变A链氨基酸序列D．引入短肽不能改变原人胰岛素抗原性(3)在重组表达载体中，SacⅠ和XbaⅠ限制酶仅有图示的酶切位点。用这两种酶充分酶切重组表达载体，可形成________种DNA片段。(4)检测转化的乳酸菌发现，信号肽－重组人胰岛素分布在细胞壁上。由此推测，信号肽的合成和运输所经历的细胞结构依次是___________________________________________。(5)用转化的乳酸菌饲喂Ⅰ型糖尿病模型小鼠一段时间后，小鼠体内出现人胰岛素抗原，能够特异性识别它的免疫细胞有________(多选)。A．B细胞B．T细胞C．巨噬细胞D．浆细胞第三章第4节蛋白质工程的原理和应用答案课前案一.①结构规律生物功能②基因③改造新的蛋白质二、1.(1)另一种生物体内蛋白质新的性状（2)已存在2.(1)分子生物学（2)结构和功能人类生产和生活（3）氨基酸三、1.蛋白质2.改造合成基因3.蛋白质结构氨基酸脱氧核苷酸基因四、1.(1)胰岛素基因胰岛素的聚合(2)半胱氨酸丝氨酸(3)结合抗原的区域2.(1)突变体（2)调控光合作用易错易混辨析：提示(1)√(2)√(3)×(4)√(5)×(6)×课中案探究一、蛋白质工程的基本原理(1)预期功能氨基酸序列改造或合成转录翻译(2)D、EA、C(3)提示：应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。主要原因是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。(4)提示：不同。体现：①操作对象不同：蛋白质工程的操作对象是天然基因改造后的基因；