學高中生物 第一章 課時4蛋白質工程 蘇教版選修3

第4課時蛋白質工程目標導航1.簡述蛋白質工程的概念和基本原理。2.舉例說出蛋白質工程的基本過程。3.舉例說出蛋白質工程的應用和發(fā)展。一、蛋白質工程的概念和原理1．蛋白質工程概念：是通過物理化學與生物化學等技術了解蛋白質的____________，并借助計算機輔助設計、________________和________________改造基因，以定向改造____________、甚至創(chuàng)造出________________的蛋白質的技術。2．蛋白質工程的關鍵技術：____________。3．蛋白質工程的前提條件：了解蛋白質____________的關系。4．蛋白質改造的方法(1)對已知空間結構的蛋白質的改造①大改：即制造出____________________蛋白質。②中改：即在蛋白質分子中替代__________________________________________。③小改：即改造蛋白質分子中的__________________的殘基。核心技術是基因工程中的______________，其中____________是常用的方法之一。(2)對空間結構不清楚的蛋白質的改造：采用____________來進行改造。二、蛋白質工程的應用1．通過改造酶的結構，有目的的提高酶的熱穩(wěn)定性。如通過替換酶的某種氨基酸，或者在蛋白質分子中引入二硫鍵也可提高蛋白質的熱穩(wěn)定性。2．生物工程制藥：(1)鼠源雜交瘤抗體的改造：在基因水平上對抗體進行重組，生產(chǎn)人________和鼠________嵌合抗體，對人體的不良反應減少。(2)纖維蛋白溶解酶原激活因子的改造：利用________________技術，將纖維蛋白溶解酶原激活因子分子中的天門冬酰胺替換為谷氨酰胺。3．疾病診斷(1)方法：________________。(2)原理：____________________________。(3)實例：SARS病毒的檢測和診斷。知識點一蛋白質工程的概念和原理1．下列關于蛋白質工程的說法，錯誤的是()A．蛋白質工程能定向改造蛋白質的分子結構，使之更加符合人類的需要B．蛋白質工程是在分子水平上對蛋白質分子直接進行操作，定向改變分子結構C．蛋白質工程能產(chǎn)生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質分子D．蛋白質工程與基因工程密不可分，又稱為第二代基因工程2．下圖為蛋白質工程操作的基本思路，請據(jù)圖回答下列問題：eq\x(\a\al(基因,DNA))eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(\o(→,\s\up7(⑤)),\o(→,\s\up7(①))\x(mRNA)\o(→,\s\up7(②))))eq\x(\a\al(氨基酸序列,多肽鏈))eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(\o(→,\s\up7(④)),\o(→,\s\up7(③))))eq\x(\a\al(蛋白質,三維結構))eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(預期功能,→生物功能))(1)代表蛋白質工程操作思路的過程是________；代表中心法則內(nèi)容的是____________。(填寫數(shù)字)(2)寫出圖中各數(shù)字代表的生物學過程的名稱或內(nèi)容：①________；②________；③________；④________；⑤________。(3)蛋白質工程的目的是______________________，通過____________實現(xiàn)。(4)從圖中可以看出蛋白質工程的基本途徑與中心法則是____________的。知識點二蛋白質工程的應用3．科學家對鼠源雜交瘤抗體進行改造，生產(chǎn)出效果更好的鼠—人嵌合抗體，用于癌癥治療。下圖表示形成鼠—人嵌合抗體的過程，據(jù)圖回答：(1)改造鼠源雜交瘤抗體，生產(chǎn)鼠－人嵌合抗體，屬于____________(生物工程)的范疇。(2)圖示過程是根據(jù)預期的________________，設計________________，最終必須對________進行操作，此操作中改變的是____________。(3)經(jīng)過改造的鼠－人嵌合抗體，與鼠源雜交瘤抗體相比較，突出的優(yōu)點是________________________________________________________________________(從免疫角度考慮)。(4)上述過程中對科學家來說難度最大的是____________________________________________________________。知識點三基因工程和蛋白質工程4．胰島素可以用于治療糖尿病，但是胰島素被注射到人體后，會堆積在皮下，要經(jīng)過較長的時間才能進入血液，而進入血液的胰島素又容易分解，因此，治療效果受到影響。如圖是用蛋白質工程設計速效胰島素的生產(chǎn)過程，請據(jù)圖回答有關問題：(1)構建新的蛋白質模型是蛋白質工程的關鍵，圖中構建新的胰島素模型的主要依據(jù)是________________________________________________________________________。(2)通過DNA合成形成的新基因應與________結合后轉移到__________________中才能得到準確表達。(3)若要利用大腸桿菌生產(chǎn)速效胰島素，涉及到的生物工程有______________、________和發(fā)酵工程。(4)圖解中從新的胰島素模型到新的胰島素基因的基本思路是什么？________________________________________________________________________________________________________________________________________________?；A落實1．蛋白質工程的基本流程正確的是()①蛋白質分子結構設計②DNA合成③預期蛋白質功能④根據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列A．①→②→③→④ B．④→②→①→③C．③→①→④→② D．③→④→①→②2．關于蛋白質工程的說法，正確的是()A．蛋白質工程的核心問題是對蛋白質分子進行直接改造B．蛋白質工程是與基因工程并列的兩大生物工程技術C．蛋白質工程中不涉及基因結構問題D．蛋白質工程是一項難度很大的工程，目前成功的例子不多3．下列關于由我國牽頭的“人類肝臟蛋白組計劃”的敘述中，不正確的是()A．揭示并確認肝臟合成的蛋白質B．為重大肝病預防、診斷、治療和新藥研發(fā)提供科學基礎C．用蛋白質工程實現(xiàn)肝臟合成人類需要的蛋白質D．是對蛋白質工程的有力推動和理論支持4．人們發(fā)現(xiàn)蛛絲蛋白比蠶絲蛋白更細，但強度卻更大，于是有人試圖通過破解蛛絲蛋白的結構從而推出其基因結構，以指導對蠶絲蛋白基因的修改，從而讓蠶也吐出像蛛絲蛋白一樣堅韌的絲，此過程的名稱和依據(jù)的原理分別是()A．基因突變：DNA→RNA→蛋白質B．基因工程：RNA→RNA→蛋白質C．基因工程：DNA→RNA→蛋白質D．蛋白質工程：蛋白質→RNA→DNA→RNA→蛋白質5．蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程，其結果產(chǎn)生的蛋白質是()A．氨基酸種類增多B．氨基酸種類減少C．仍為天然存在蛋白質D．可合成天然不存在蛋白質能力提升6．某種微生物合成的蛋白酶與人體消化液中的蛋白酶的結構和功能很相似，只是熱穩(wěn)定性較差，進入人體后容易失效。現(xiàn)要將此酶開發(fā)成一種片劑，臨床治療食物的消化不良，最佳方案是()A．將此酶中的少數(shù)氨基酸替換，以改善其功能B．將此酶與人蛋白酶進行拼接，形成新的蛋白酶C．重新設計與創(chuàng)造一種全新的蛋白酶D．減少此酶在片劑中的含量7．基因工程與蛋白質工程的區(qū)別是()A．基因工程需對基因進行分子水平操作，蛋白質工程不對基因進行操作B．基因工程生產(chǎn)的是天然存在的蛋白質，蛋白質工程可以生產(chǎn)不是天然存在的蛋白質C．基因工程是分子水平操作，蛋白質工程是細胞水平(或性狀水平)的操作D．基因工程完全不同于蛋白質工程8．蛋白質工程的研究將對生命科學產(chǎn)生重大影響。下列關于蛋白質工程的敘述，不正確的是()A．實施蛋白質工程的前提條件是了解蛋白質結構和功能的關系B．基因工程是蛋白質工程的關鍵技術C．蛋白質工程是對蛋白質分子的直接改造D．蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程9．豬的胰島素用于人體時降血糖效果不明顯，原因是豬胰島素分子中有一個氨基酸與人的不同。為了使豬胰島素用于治療人類糖尿病，用蛋白質工程的蛋白質分子設計的最佳方案是()A．對豬胰島素進行一個氨基酸的替換B．將豬胰島素和人胰島素進行拼接組成新的胰島素C．將豬和人的胰島素混合在一起治療糖尿病D．根據(jù)人的胰島素設計制造一種全新的胰島素綜合拓展10．蛋白質工程是指根據(jù)人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行分子設計、生產(chǎn)的過程。下圖是蛋白質工程的基本途徑，試回答下列有關問題：eq\x(\a\al(預期,蛋白,質功,能))eq\o(→,\s\up7(①))eq\x(\a\al(設計預,期蛋白,質結構))eq\o(→,\s\up7(②))eq\x(\a\al(推測應,有氨基,酸序列))eq\o(→,\s\up7(③))eq\x(\a\al(推測相應,基因中脫,氧核苷酸,序列))eq\o(→,\s\up7(④))eq\x(\a\al(生產(chǎn),相應,蛋白,質))(1)圖中③過程的主要依據(jù)是每種氨基酸都有其對應的________，后者位于__________分子上，其上的核苷酸序列與基因中的脫氧核苷酸序列之間存在著____________關系。(2)通過③過程獲得的脫氧核苷酸序列不是完整的基因，要使這一序列能夠表達、發(fā)揮作用，還必須在序列的上、下游加上________和________，在這個過程中需要________酶的參與。(3)完成④過程需要涉及________技術。第4課時蛋白質工程知識清單一、1.結構與功能基因定點誘變重組DNA技術天然蛋白質自然界不存在2.基因工程3．結構和功能4.(1)①自然界不存在的全新②一個肽段或一個特定的結構域③1個或幾個氨基酸定點誘變技術PCR技術(2)非定點誘變二、2.(1)恒定區(qū)可變區(qū)(2)基因定點誘變3．(1)蛋白質芯片法(2)抗體與相應抗原的特異性結合對點訓練1．B[蛋白質工程首先是對基因進行改造，因此是對基因的操作。]思路導引理解蛋白質工程的含義→逐一對照選項分析→正確選擇。知識鏈接對蛋白質工程內(nèi)容的理解(1)氨基酸的排列順序由基因決定，所以蛋白質工程需要改造控制蛋白質合成的相應基因中的脫氧核苷酸序列或人工合成所需要的自然界中原本不存在的基因片段。(2)直接決定蛋白質結構和功能的因素①氨基酸的種類、數(shù)量、排列順序。②蛋白質空間結構，因對空間結構了解很少，使蛋白質分子的設計相當艱巨。(3)蛋白質工程中經(jīng)過處理得到的新基因與基因突變得到的新基因有較大差別，基因突變的新基因中含有不編碼蛋白質的序列，而蛋白質工程中的新基因則沒有。2．(1)④⑤①②③(2)轉錄翻譯折疊分子設計DNA合成(3)對蛋白質的結構進行分子設計基因合成或改造(4)相反解析天然蛋白質合成的過程是按照中心法則進行的，而蛋白質工程的基本途徑與之相反，即從預期的蛋白質功能出發(fā)→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到相應的脫氧核苷酸序列(基因)。解答此題需要理解中心法則和蛋白質結構的知識。歸納提升蛋白質工程的設計思路可做如下歸納：由圖可見，蛋白質工程的設計思路是中心法則的逆推。3．(1)蛋白質工程(2)嵌合抗體功能嵌合抗體的結構基因堿基對(3)對人體的不良反應減少(4)設計嵌合抗體的空間結構解析(1)通過圖示可知鼠－人嵌合抗體是通過人工設計而形成的特定功能蛋白質，其生產(chǎn)過程應屬于蛋白質工程的范疇。(2)蛋白質工程的流程：預期蛋白質的功能→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到相對應的脫氧核苷酸序列(基因)→通過基因工程操作生產(chǎn)預期的蛋白質。(3)從免疫的角度考慮，對人體來說鼠源抗體為抗原，若利用人的抗體與之嵌合，則排斥作用會減輕，對人體的負作用會減少。(4)由于蛋白質空間結構比較復雜，不易確定，所以成為蛋白質工程中最大的障礙。知識鏈接蛋白質工程的應用(1)通過改造酶的結構，有目的的提高酶的熱穩(wěn)定性。如將酶中的天門冬酰胺和谷氨酸胺替換為其他氨基酸，就可以有效的提高酶的熱穩(wěn)定性；在蛋白質分子中引入二硫鍵也可提高蛋白質的熱穩(wěn)定性。(2)生物工程制藥①鼠源雜交瘤抗體的改造：在基因水平上對抗體進行重組，產(chǎn)生人恒定區(qū)和鼠可變區(qū)嵌合抗體，對人體的不良反應減少。②纖維蛋白溶解酶原激活因子(t－PA)的改造：利用基因定點誘變技術，將t－PA分子中的天門冬酰胺替換為谷氨酰胺，使t－PA在血液循環(huán)中停留時間大大延長，療效更加顯著。4．(1)蛋白質的預期功能(2)載體大腸桿菌等受體細胞(3)蛋白質工程基因工程(4)根據(jù)新的胰島素模型中氨基酸的序列，推測出其基因中的脫氧核苷酸序列，然后利用DNA合成儀來合成出新的胰島素基因解析(1)蛋白質工程的目標是根據(jù)人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質結構進行分子設計，因此，圖中構建新的胰島素模型的依據(jù)是胰島素的功能，即速效胰島素。(2)合成的目的基因應與載體構建基因表達載體后導入受體細胞中才能得以表達。(3)利用蛋白質工程生產(chǎn)自然界原本不存在的蛋白質，需對原有的胰島素進行改造，根據(jù)新的胰島素模型中氨基酸的序列推測出其基因中的脫氧核苷酸序列，人工合成新的胰島素基因，形成目的基因，改造好的目的基因需通過基因工程來生產(chǎn)基因產(chǎn)物，并且在生產(chǎn)過程中要借助工程菌，所以還需要進行發(fā)酵，因此該過程涉及蛋白質工程、基因工程和發(fā)酵工程。(4)由新的蛋白質模型到構建新的基因，其基本設計思路是根據(jù)新的蛋白質中氨基酸的序列，推測出基因中的脫氧核苷酸序列，然后用DNA合成儀直接合成出新的基因。思路導引解答本題的思路為：eq\b\lc\\rc\}(\a\vs4\al\co1(解讀蛋白質工程的基本途,徑聯(lián)系基因工程操作步驟))eq\a\vs4\al(對比二者關系，進行,相應推導后組織答案。)歸納提升(1)蛋白質工程與基因工程的區(qū)別和聯(lián)系項目蛋白質工程基因工程區(qū)別過程預期蛋白質功能→設計預期的蛋白質結構→推測氨基酸序列→推測脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達出蛋白質獲取目的基因→構建表達載體→導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定實質定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類所需的生物類型或生物產(chǎn)品(基因的異體表達)結果生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質生產(chǎn)自然界中已有的蛋白質聯(lián)系蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程，因為對現(xiàn)有蛋白質的改造或制造新的蛋白質，必須通過基因修飾或基因合成實現(xiàn)(2)蛋白質組計劃和人類基因組計劃的比較蛋白質組計劃基因組計劃啟動時間年成立組織1990年正式啟動主要內(nèi)容“肝臟蛋白質”和“血漿蛋白質”的研究測定人類基因組24條染色體上全部DNA序列參加國家16個國家，80多個實驗室6個國家，中國是唯一的發(fā)展中國家我國承擔任務牽頭執(zhí)行“人類肝臟蛋白質組計劃”承擔1%的測序工作意義揭示并確認肝臟(血漿)蛋白質；為重大疾病預防、診斷、治療以及新藥研發(fā)提供科學基礎；推動支持蛋白質工程遺傳病的診斷和治療；揭示基因表達的機理課后作業(yè)1．C[蛋白質工程的流程是逆基因表達的順序進行的，首先預期蛋白質功能，然后再分析出蛋白質的分子結構從而得出氨基酸的序列，再推出基因中脫氧核苷酸序列，最后進行人工DNA合成。]2．D[用排除法可以選出正確的答案。A、B、C三項說法均有明顯錯誤。A項不能對蛋白質分子進行直接改造，而是對基因進行改造；B項二者不并列，基因工程是基礎；C項蛋白質工程對基因進行改造，故涉及基因結構的問題。]3．C[“人類肝臟蛋白質組計劃”將揭示肝臟合成蛋白質的奧秘，這有利于人類改造蛋白質，是對蛋白質工程的有力推動和理論支持，并不是用蛋白質工程實現(xiàn)肝臟合成人類需要的蛋白質。]4．D[通過修改已知蠶絲蛋白的基因，從而創(chuàng)造出全新蛋白質的過程叫蛋白質工程。其依據(jù)的原理是中心