1、创新设计学年高中生物 专题一 基因工程 第4课时 蛋白质工程的崛起学案 新人教版选修3第4课时蛋白质工程的崛起目标导读1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.结合教材P27图129，简述蛋白质工程的基本原理。3.概述蛋白质工程的应用。重难点击蛋白质工程的原理。1基因工程的基本操作程序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的检测与鉴定2基因工程的实质将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本来不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。3中心法则告诉我们遗传信息的流动方向如下：蛋白质具有复杂的空间结构，不同种类的蛋白质具有不同的结构和功能。蛋白质结构的多样性是由构成蛋
2、白质的氨基酸种类、数目、排列顺序和空间结构来决定的，而其结构多样性的根本原因则是由于控制蛋白质合成的基因的多样性。课堂导入基因工程只能生产自然界中已经存在的蛋白质，不一定完全符合人们生活需要。于是，人们开始设计蛋白质工程。探究点一蛋白质工程崛起的缘由和基本原理1基因工程的不足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。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？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
3、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。3蛋白质工程的基本原理(1)概念基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。手段：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。目的：获得满足人类的生产和生活需求的蛋白质。(2)原理：由预期的蛋白质找到相对应的基因。即中心法则的逆推。(3)流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相应的脱氧核苷酸序列(基因)合成DNA表达出蛋白质。(4)最终结果：生产出自然
4、界从来没有过的蛋白质。小贴士(1)蛋白质工程的目的基因只能用人工合成的方法获得。(2)设计中的困难：如何推测非编码区以及内含子的脱氧核苷酸序列。归纳提炼1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。2蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶，需要构建基因表达载体。改造后的基因需要表达出相应的蛋白质，同样需将改造或合成的基因导入受体细胞。活学活用1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)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)(2)写出图中各数字
5、代表的生物学过程的名称或内容：_；_；_；_；_。(3)蛋白质工程的目的是_，通过_实现。(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是_的。答案(1)(2)转录翻译折叠分子设计DNA合成(3)对蛋白质的结构进行分子设计基因合成或改造(4)相反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。探究点二蛋白质工程的进展和前景1蛋白质工程的进展和前景(1)前景诱人：通过对胰岛素的改造，使其成为速效型药品；用蛋白质工程方法制成
6、的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。(2)难度很大：主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。2科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品，阅读教材，结合资料完成下述分析。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题：(1)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蛋白质的预期功能。(2)通过人工合成DNA形成的新基因应与载体结合后转移到大肠杆菌等受体细胞中才能得到准确表达。(3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有蛋白质工程、基因工程和发酵工程。(4)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根
7、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。归纳提炼比较项目基因工程蛋白质工程操作对象基因基因操作水平DNA分子水平DNA分子水平基本过程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的检测与鉴定确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白质应具备的折叠状态蛋白质应有的氨基酸序列应有的碱基序列合成DNA表达出蛋白质实质定向改造生物的遗传特性，以获得人类需要的生物类型或生物产品定向改造或生产人类所需的蛋白质结果生产人类需要的基因产物(自然界已有的蛋白质)可以生产自然界没有的、不存在的新蛋白质联系蛋白质工程是以基因工程为基
8、础的活学活用2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
9、此，基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。蛋白质工程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
10、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A BC D答案C解析蛋白质工程的基本流程是：预期蛋白质功能蛋白质分子结构设计据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列DNA合成。4阅读下列材料并回答问题。利用蛋白质工程改造天
11、然蛋白质，进而改变其功能，可以获得毒副作用减弱、专一性增强、药效加强、稳定性增强的理想药物。如胰岛素是治疗依赖型糖尿病的特效药物，但是天然胰岛素在人体内的作用只有几小时，重症病人每天要注射多次药物，给病人带来很大的痛苦和不便。通过蛋白质工程改变胰岛素的空间结构，以延长其半衰期，可以得到长效胰岛素。另外，还可以在不改变胰岛素活性部位结构的前提下，增强与其他部位的结合强度，使之难以被酶破坏，从而增强其稳定性。(1)用蛋白质工程生产的胰岛素，与天然胰岛素相比较，其显著的优点有哪些？_。(2)写出蛋白质工程的基本途径。_。(3)与基因工程相比，通过蛋白质工程合成的蛋白质有何特点？_。答案(1)具有长效
12、性和稳定性(2)从预期的蛋白质功能出发设计预期的胰岛素分子结构推测应有的氨基酸序列找到相应的脱氧核苷酸序列(基因)(3)蛋白质工程合成的蛋白质是自然界原本不存在的蛋白质基础过关知识点一蛋白质工程崛起的缘由和基本原理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
13、上对蛋白质分子直接进行操作B蛋白质工程能产生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，其原理是中心法则的逆推。3蛋白质工程操作的实质是()A改造蛋白质 B改造mRNAC改造基因 D改造氨基酸答案C解析蛋白质工程的目的是获取人类需要的蛋白质，由于蛋白质的合成是受基因控制的，所以要从根本上对基因进行改造。4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
14、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。5猪的胰岛素用于人体降低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
15、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。6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
16、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。知识点二蛋白质工程的进展和前景7下列说法正确的是()A蛋白质工程和基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质，所以二者没有区别B基因工程是蛋白质工程的关键技术C通过蛋白质工程改造后的蛋白质，有的仍然是天然的蛋白质D蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的答案B解析蛋白质工程获得的是自然界中不存在的蛋白质，基因工程得到的是自然界中本身存在的蛋白质。蛋白质工程是
17、在基因工程的基础上发展起来的，故基因工程是蛋白质工程的关键技术。蛋白质工程改造的对象是基因而不是蛋白质本身。8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，与天然产物不相同。9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
18、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。能力提升10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
19、白质。11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蛋白质工程能产生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。12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
20、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。13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。14干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱
21、氨酸变成丝氨酸，就可在70 下保存半年，给广大患者带来福音。(1)蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”(请填写)。(2)基因工程和蛋白质工程相比较，基因工程在原则上只能生产_的蛋白质，不一定符合人类生产和生活的需要。而蛋白质工程是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_或_，对现有蛋白质进行_，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。(3)蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的_结构。(4)对天然蛋白质进行改造，应该直接对蛋白质分子进行操
22、作，还是通过对基因的操作来实现？_。原因是_。答案(1)预期蛋白质的功能蛋白质三维结构应有的氨基酸序列相应的脱氧核苷酸序列(基因)(2)自然界已存在基因修饰基因合成改造(3)空间(或高级)(4)基因基因控制蛋白质的合成，并且基因能遗传给下一代解析蛋白质工程是研究多种蛋白质的结构和功能、蛋白质折叠、蛋白质分子设计等一系列分子生物学基本问题的一种新型的、强有力的手段。通过对蛋白质工程的研究，可以深入地揭示生命现象的本质和生命活动的规律。基因工程遵循中心法则，从DNAmRNA蛋白质折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白
23、质应具备的折叠状态蛋白质应有的氨基酸序列应有的碱基排列合成DNA创造出自然界不存在的蛋白质。152008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
24、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_工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等，该工程是直接改造GFP分子，还是改造GFP基因？_。答案(1)GFP基因终止子显微注射法(2)标记基因(3)蛋白质改造GFP基因(绿色荧光蛋白基因)个性拓展16近期肝脏学杂志发表了一篇文章称科学家经研究发现：乙肝病毒HBX蛋白质能调控宿主细胞内许多基因的转录，广泛影响宿主细胞的各种生命活动，包括调节细胞凋亡、抑制细胞DNA的修复、干扰细胞有丝分裂和细胞周期进程等，因此可利用该蛋白质治疗乙肝。下图表示利用乳腺反应器生产乙肝病毒HBX蛋
25、白的流程示意图。请回答问题：(1)已知HBX蛋白基因的核苷酸序列，则可采用_获得目的基因，并利用_技术进行扩增。(2)为获得更高活性的HBX蛋白质，需要对蛋白质结构进行设计改造，但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原因是_。(3)图中载体是_，为早期胚胎移植到受体，在该步骤操作前对胚胎进行了检查和筛选，发现有些胚胎因为外源基因的插入而死亡，请你分析外源基因插入导致胚胎死亡的原因：_。答案(1)人工合成法PCR(2)改造基因易于操作且改造后能够遗传(3)动物病毒外源基因的插入导致胚胎正常发育所需的基因不能表达解析已知核苷酸序列的基因，可采用人工合成法进行合成从而获得目的基因，然后利用PCR技术进行扩增；改造蛋白质不能遗传，而改造基因则可以遗传，因此改造蛋白质需要通过改造基因来实现；培育转基因动物利用的载体是动物病毒；外源基因插入到羊的DNA中，则可能会影响到其他基因的表达，如果插入后影响了使羊胚胎发育所需要的基因的表达，就会导致胚胎死亡。
