2020高中生物专题1基因工程1.4蛋白质工程的崛起学案新人教版选修3

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1、1 14 蛋白质工程的崛起 学习目标 1. 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及蛋白质工程的 进展和前景。 方式一人类可以创造出自然界不存在的蛋白质吗？答案是肯定的。例如： 科学家已生产出 一种以前必须从南极鱼类身体中提取的抗冻蛋白质。这一技术可用于储存大量新鲜的动植物 和人类的组织细胞，防止形成冰晶， 破坏脆弱的细胞膜和细胞的内部结构。你想了解这方面 的知识吗？请跟着我一起学习：蛋白质工程的崛起。 方式二基因工程的诞生，为克服远缘杂交的障碍问题，带来了新的希望，并取得了丰硕成 果：大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，牛的乳腺生物反应器为人类制造出了蛋白质类药物， 烟草植物体内

2、含有了某种药物蛋白至此，人们也只是实现了自然界现有基因在转基因生 物中的表达。 但一个新问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它 的结构、性能不能完全满足人类生产和生活的需要。 于是要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们又开 始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。 一、蛋白质工程崛起的缘由 1崛起缘由 (1) 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，后者可以产生它本不能产 生的蛋白质，进而表现出新的性状。 (2) 基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。 (3) 天然蛋白质的不足：天然蛋白质的结构和功能

3、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实例 (1)干扰素半胱氨酸 改造 干扰素丝氨酸 体外很难保存体外 70 下可以保存半年 (2) 提高玉米赖氨酸含量 天冬氨酸激酶352位的苏氨酸 改造 天冬氨酸激酶异亮氨酸 2 二氢吡啶二羧酸合成酶104位的天冬酰胺 改造 二氢吡啶二羧酸合成酶异亮氨酸 ( 改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5 倍和 2 倍。 ) 例 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

4、基因突变D细胞工程 答案A 解析题干中的操作涉及的基因显然不再是原来的基因，其合成的- 干扰素也不是天然 - 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。 例 2将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞，可以提高玉米中的赖氨酸含量；更 换赖氨酸形成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，使两种酶的活 性提高，也可以提高玉米中的赖氨酸含量。以上两种技术分别属于( ) A基因工程、基因工程 B蛋白质工程、蛋白质工程 C基因工程、蛋白质工程 D蛋白质工程、基因工程 答案C 解析富含赖氨酸的蛋白质是自然界中已有的蛋白质，基因工程只是把该

5、蛋白质基因转入玉 米细胞， 并使之合成该蛋白质，属于基因工程； 更换赖氨酸合成过程中的天冬氨酸激酶和二 氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，是对自然界中已有的蛋白质进行改造，属于蛋白质工程。 二、蛋白质工程的基本原理、进展和前景 1蛋白质工程的基本原理 (1) 基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。 (2) 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。 (3) 目的：获得满足人类的生产和生活需求的蛋白质。 2蛋白质工程的基本流程 预期的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对应的脱氧 核苷酸序列 ( 基因 ) 。 3 3蛋白质工程的进展和前

6、景 (1) 进展 医药方面：科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。 电子方面： 生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。用蛋白质工程 方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。 (2) 前景和存在的问题：蛋白质工程前景是诱人的，但难度却很大，尤其是目前科学家对大 多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。 归纳总结 1对蛋白质工程的两点理解 (1) 改造对象：通过改造控制蛋白质合成的基因的结构来改造某种蛋白质的结构。 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，而且可以遗 传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质还是无法

7、遗传的。 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。 (2) 蛋白质工程中经过处理得到的新基因与基因突变得到的新基因有较大差别：基因突变的 新基因中含有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程中的新基因则没有。 2基因工程和蛋白质工程的对比 比较项目基因工程蛋白质工程 操作对象基因 操作水平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 预期的蛋白质功能设计预期的蛋白 质结构推测蛋白质应有的氨基酸序 列找到相对应的脱氧核苷酸序列 合成 DNA 表达出蛋白质 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

8、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础的 例 3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基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程合成的可以是天然不存在的蛋白质 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 )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的基础上延伸出来的第二代基因工程。蛋白质工程是从分子 4 水平上对蛋白质进行改造设计，通过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；

9、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，基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 例 4蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是( ) A蛋白质工程能生产人类需要的基因产物 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 答案B 解析蛋白质工程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，是延伸出来的第二代基因工程。 方法链接“三看法”判断基因工程和蛋白质工程 (1)

10、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反转录合成目的基因， 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 、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

11、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。 5 1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 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 答案B 解析题中是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。 2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。若让你

12、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 解析可通过蛋白质工程可实现对蛋白质改造的目的。 3下列说法错误的是( ) A科学家通过对胰岛素的改造已经使其成为速效型药品 B我们可以将蛋白质工程应用于微电子方面 C用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点 D蛋白质工程成功的例子不多，主要是因为蛋白质种类太少，原料不足 答案D 解析蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥功 能必须依赖于正确的高级结构，这种结构十分复杂，而目前科学家对大多数蛋白质的高级结 构的了解还不够。 4下列关于蛋

13、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蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发，设计出相应的基因，并借助基因工 程实现 答案B 解析基因的结构决定蛋白质的结构，因此， 要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须 通过改造基因来完成，而不是直接对蛋白质分子进行操作。 5(2015全国，40) 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 158 位的丝氨酸变成亮氨

14、酸，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P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列问题： 6 (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基因的途径有修饰_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，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过 _ 和_，进而 确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对 蛋白质的生物 _进

15、行鉴定。 答案(1) 氨基酸序列 ( 或结构 )( 其他答案合理也可) (2)P P1DNA和 RNA( 或遗传物质 ) DNA RNA 、RNA DNA 、RNA 蛋白质( 或转录、反转录、 翻译 ) (3) 设计预期蛋白质的结构推测应有的氨基酸序列功能 解析(1) 对蛋白质的氨基酸序列( 或结构 ) 进行改造， 可达到改变蛋白质的功能的目的。(2) 以 P 基因序列为基础，获得P1基因，可以对P 基因进行修饰改造，也可以用人工方法合成 P1基因；中心法则的全部内容包括，即 DNA 、RNA的复 制、DNA RNA 、RNA DNA 、RNA 蛋白质( 或转录、反转录、翻译) 。(3) 蛋白

16、质工程的基本途 径是从预期蛋白质功能出发，通过设计预期蛋白质结构和推测应有的氨基酸序列，推测相对 应的脱氧核苷酸序列，并获取基因。经表达的蛋白质，要对其进行生物功能鉴定。 对点训练 题组一蛋白质工程崛起的缘由 1蛋白质工程制造的蛋白质是( ) A天然蛋白质 B稀有蛋白质 C自然界中不存在的蛋白质 D尚没有制造出来 答案C 解析蛋白质工程是对基因进行改造进而产生符合人们需要的蛋白质，因此不再是天然的蛋 白质。 2合成天然不存在的蛋白质应首先设计( ) 7 A基因结构BRNA结构 C氨基酸序列D蛋白质结构 答案D 解析合成天然不存在的蛋白质属于蛋白质工程。实施蛋白质工程的前提是了解蛋白质的结 构与功能的关系， 首