2019-2020学年人教版生物选修三讲义:专题1 1.4 蛋白质工程的崛起 Word版含答案.pdf
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1、1.4 蛋白质工程的崛起 蛋白质工程的崛起 学习目标 :学习目标 : 1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.理解蛋白质工程的原理。理解蛋白质工程的原理。 (重、 难点 重、 难点) 3.了解蛋白质工程的应用。了解蛋白质工程的应用。4.掌握蛋白质工程的操作过程。掌握蛋白质工程的操作过程。(难点难点) 一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由 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。生它本不能产生的蛋白质,进而表现出新的性状
2、。 2蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起 (1)理论和技术条件:分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。理论和技术条件:分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。 (2)基因工程存在不足:原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。基因工程存在不足:原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 (3)天然蛋白质存在不足:天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要,天然蛋白质存在不足: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。却不一定完全符合人类生产和生活的需要。 (4)实例实例 延长干扰素保存时间:延长干扰素保存时间: 体外很难保存体外可以保存半年体外很难保存
3、体外可以保存半年 改改造造 提高玉米赖氨酸含量:改造后玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高提高玉米赖氨酸含量:改造后玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高 5 倍和倍和 2 倍。倍。 二、蛋白质工程的基本原理以及进展和前景二、蛋白质工程的基本原理以及进展和前景 1蛋白质工程的基本原理蛋白质工程的基本原理 基础基础蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 手段手段 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 种新的蛋白质种新的蛋白质 概念概念 目的目的获得满足人类生产和生活需求的蛋白质获得满足
4、人类生产和生活需求的蛋白质 原理原理由预期的蛋白质找到相对应的脱氧核苷酸序列由预期的蛋白质找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因基因) 流程流程 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 序列找到相对应的脱氧核苷酸序列序列找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因基因) 2.蛋白质工程的进展和前景蛋白质工程的进展和前景 (1)前景诱人。如用此技术制成的电子元件,具有体积小、耗电少和效率高的前景诱人。如用此技术制成的电子元件,具有体积小、耗电少和效率高的 特点。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不够。难度很大。主要
5、是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还不够。 1判断对错判断对错(正确的打“” ,错误的打“”正确的打“” ,错误的打“”) (1)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。 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。( ) (2)通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍然是天然蛋白质。通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍然是天然蛋白质。( ) (3)实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系。实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系。 ( ) (4)蛋白质工程是通过基因的修饰和合成来实现对蛋白质的改造。蛋白质工程是通过基
6、因的修饰和合成来实现对蛋白质的改造。 ( ) 提示:提示:(1) 蛋白质工程中直接改造的是基因,不是蛋白质。 蛋白质工程中直接改造的是基因,不是蛋白质。 (2) 蛋白质工程实现了对现有蛋白质的改造,或制造一种新的蛋白质,不 再是天然蛋白质。 蛋白质工程实现了对现有蛋白质的改造,或制造一种新的蛋白质,不 再是天然蛋白质。 (3) (4) 2蛋白质工程中,对蛋白质的结构进行分子设计的根据是蛋白质工程中,对蛋白质的结构进行分子设计的根据是( ) A人们对蛋白质功能的特定需求人们对蛋白质功能的特定需求 B蛋白质中氨基酸序列蛋白质中氨基酸序列 C信使信使 RNA 中核糖核苷酸序列中核糖核苷酸序列 D基因
7、中脱氧核苷酸序列基因中脱氧核苷酸序列 A 在蛋白质工程中,人们先根据蛋白质功能与结构的关系,以特定的功能 为依据设计蛋白质的结构。 在蛋白质工程中,人们先根据蛋白质功能与结构的关系,以特定的功能 为依据设计蛋白质的结构。 3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, 只是其热稳定性较差,进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂,临床 治疗食物消化不良,最佳方案是 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, 只是其热稳定性较差,进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂,临床 治疗食物消化不良,最佳方案是( ) A替换此酶中的少数氨基酸,以改善其
8、功能替换此酶中的少数氨基酸,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蛋白酶重新设计与创造一种蛋白酶 D减少此酶在片剂中的含量减少此酶在片剂中的含量 A 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。 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。 蛋白质工程蛋白质工程 背景材料 背景材料 1天然蛋白质的不足天然蛋白质的不足 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。
9、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对蛋白质工程内容的理解对蛋白质工程内容的理解 (1)原理:中心法则的逆推原理:中心法则的逆推 (2)操作对象:基因。即通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改变。因为 对基因改造比对蛋白质直接进行改造要容易,且改造过的基因可以遗传给后代。 操作对象:基因。即通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改变。因为 对基因改造比对蛋白质直接进行改造要容易,且改造过的基因可以遗传给后代。 (3)基本途径: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 基本途径:从预期的蛋白质功
10、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(基因基因)。 (4)改造方法:根据改造蛋白质的部位多少,对蛋白质的改造可分为三类:改造方法:根据改造蛋白质的部位多少,对蛋白质的改造可分为三类: “大改”:制造出自然界中不存在的全新蛋白质。“大改”:制造出自然界中不存在的全新蛋白质。 “中改”:在蛋白质分子中替换某一个肽段或一个特定的结构域。“中改”:在蛋白质分子中替换某一个肽段或一个特定的结构域。 “小改”:改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。“小改”:改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。 (5)实例:蛋白质工程设计速效型胰岛素的生产过程实例:蛋白质工程设计速效型胰岛素
11、的生产过程 构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键,主要依据是蛋白质的预期功能。构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键,主要依据是蛋白质的预期功能。 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 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 来合成新的胰岛素基因。 合成仪 来合成新的胰岛素基因。 通过人工合成通过人工合成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。 形成的新基因应与载体结
12、合后转移到大肠杆菌等受体细 胞中才能得到准确表达。 思考交流思考交流 下图为蛋白质工程操作的基本思路,请据图回答下列问题: 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蛋白质工程操作思路的过程是_,代表中心法则内容的过程是,代表中心法则内容的过程是 _。(填数字填数字) (2)写出图中数字代表的生物学过程的名称或内容:写出图中数字代表的生物学过程的名称或内容:_;_; ; _;_。 (3)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则_。 (4)功能是由其结构决定的,直接决定蛋白质多样性的因素有功能是由
13、其结构决定的,直接决定蛋白质多样性的因素有_。 从根本上说,蛋白质的结构是由 。 从根本上说,蛋白质的结构是由_决定的。决定的。 (5)根据蛋白质的氨基酸序列推测的根据蛋白质的氨基酸序列推测的 mRNA 中的碱基序列是否是唯一的?中的碱基序列是否是唯一的? _,为什么?,为什么?_ _。 (6)将氨基酸合成多肽链的场所是将氨基酸合成多肽链的场所是 _。 (7)蛋白质工程中的目的基因一般通过蛋白质工程中的目的基因一般通过_获得。获得。 【技巧点拨】 【技巧点拨】 解析解析 蛋白质结构的多样性由组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序 和蛋白质的空间结构四个因素共同决定;从根本上说,蛋白质的结构是
14、由基因 蛋白质结构的多样性由组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序 和蛋白质的空间结构四个因素共同决定;从根本上说,蛋白质的结构是由基因 (DNA)决定的;一种氨基酸可能具有多种密码子,根据蛋白质的氨基酸序列推测 的 决定的;一种氨基酸可能具有多种密码子,根据蛋白质的氨基酸序列推测 的 mRNA 中的碱基序列可能有多种;蛋白质的合成场所为核糖体;蛋白质工程的中的碱基序列可能有多种;蛋白质的合成场所为核糖体;蛋白质工程的 目的基因的碱基序列已知,可以通过目的基因的碱基序列已知,可以通过 DNA 合成仪进行人工合成。合成仪进行人工合成。 答案答案 (1) (2)转录 翻译 折叠 分子设计 转录
15、翻译 折叠 分子设计 (3)相反 相反 (4)氨 基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构 基因 氨 基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构 基因(DNA) (5)不唯一 一 种氨基酸可能具有多种密码子 不唯一 一 种氨基酸可能具有多种密码子 (6)核糖体 核糖体 (7)人工合成人工合成 特别提醒:特别提醒: 蛋白质工程包括两步:第一步是根据蛋白质的预期功能对蛋白质的结构进行 分子设计;第二步是根据设计好的蛋白质的氨基酸序列合成相应的 蛋白质工程包括两步:第一步是根据蛋白质的预期功能对蛋白质的结构进行 分子设计;第二步是根据设计好的蛋白质的氨基酸序列合成相应的 DNA。 1科学家将科
16、学家将 干扰素基因进行定点诱变并导入大肠杆菌体内使其表达,得到 的干扰素第 干扰素基因进行定点诱变并导入大肠杆菌体内使其表达,得到 的干扰素第 17 位的半胱氨酸变成了丝氨酸,结果大大提高了其储存稳定性,该生 物技术为 位的半胱氨酸变成了丝氨酸,结果大大提高了其储存稳定性,该生 物技术为( ) A基因工程 基因工程 B蛋白质工程蛋白质工程 C诱变育种诱变育种 D细胞工程细胞工程 B 基因工程是通过对基因的操作,将符合人们需要的目的基因导入适宜的 生物体,原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,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为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白 质进行
17、改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产或生活需要。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 基因工程是通过对基因的操作,将符合人们需要的目的基因导入适宜的 生物体,原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,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为基础,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,以满足人类的生产或生活需要。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 干扰素也不是天然的干扰素也不是天然的 干扰 素,而是经过人工改造的、符合人类需要的蛋白质,因而该生物技术为蛋白质工 程。 干扰 素,而是经过人工改造的、符合人类需
18、要的蛋白质,因而该生物技术为蛋白质工 程。 2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第 位的苏氨 酸变成异亮氨酸,将二氢吡啶二羧酸合成酶中第 104 位的氨基酸由天冬酰胺变成 异亮氨酸,就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸的含量分别提高 位的氨基酸由天冬酰胺变成 异亮氨酸,就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸的含量分别提高 5 倍和倍和 2 倍。 下列对蛋白质的改造,操作正确的是 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直接通过分子水平
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