1、第4节蛋白质工程的原理和应用课标内容要求核心素养对接1.概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能符合人类要求的蛋白质。2举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。1生命观念：运用结构与功能观，说明蛋白质工程设计的原理。2科学思维：基于实例，采用模型与建模、归纳与概括等方法，表示蛋白质工程的基本思路。一、蛋白质工程的概念1基础蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。2操作方法：改造或合成基因。3结果：改造现有的蛋白质或制造一种新的蛋白质。4目的：获得满足人类生产和生活的需求的蛋白质。5与基因工程的关系：在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基
2、因工程。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)基因工程存在的不足：原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。2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。(2)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。(3)实例：蛋白质缺陷改造措施改造后效果玉米中赖氨酸含量低赖氨酸合成中两种酶的氨基酸被替换玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高5倍和2倍三、蛋白质工程的基本原理1目标：根据人们对蛋白质功能
3、的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。2方法：改造基因或合成基因。3基本思路基于蛋白质的合成过程和蛋白质工程的基本思路，完成下列填空。蛋白质多肽链mRNA目的基因A推测应有的氨基酸序列B找到并改变基因或合成新的基因C转录D翻译四、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：科学家通过改造胰岛素基因使B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，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半胱氨酸变成丝氨酸，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结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，
4、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突变体。(2)改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率。判断对错(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。()提示：蛋白质工程中直接改造的是基因，不是蛋白质。2蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子。()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。()4基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。()提示：蛋白质工程的基本思路是按照中心法则相反的过程进
5、行的。5根据某多肽链的一段氨基酸序列，可以很容易地确定控制该肽链合成的基因的脱氧核苷酸序列。()提示：由于密码子的简并性，根据某多肽链的一段氨基酸序列，不能确定基因的脱氧核苷酸序列。6蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为人们对蛋白质复杂的高级结构没有完全认识。()蛋白质工程与基因工程的比较项目蛋白质工程基因工程区别起点预期蛋白质功能目的基因过程预期蛋白质功能设计蛋白质结构推测氨基酸序列推测脱氧核苷酸序列合成DNA表达出蛋白质获取目的基因构建基因表达载体导入受体细胞目的基因的检测与鉴定实质通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的基因重组区别结果可以创造出自然界不存在的蛋白质生产自然界已
6、存在的蛋白质应用及现状主要集中在对现有蛋白质进行改造，如干扰素、天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化基因治疗仅处于初期的临床试验阶段联系蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质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1为什么蛋白质工程不是直接改造蛋白质而是通过基因改造和基因合成来完成？提示：(1)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
7、，被改造的蛋白质也是无法遗传下去的。(2)对基因进行改造比对蛋白质进行直接改造容易操作，难度小得多。2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。提示：不唯一，因为一种氨基酸有一种或多种密码子，因此获得的基因总的碱基排列顺序有多种。1(2021福州一中期末)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)操作D基因工程完全不同于蛋白质工程B基因工程和蛋白质工程均是对基因进行操
8、作，A错误。基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程可以合成非天然存在的蛋白质，B正确。基因工程和蛋白质工程都是分子水平的操作，C错误。基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状，但只能生产自然界已存在的蛋白质；蛋白质工程是通过修改基因或创造合成新基因来合成新的蛋白质，改变生物的遗传性状，蛋白质工程不完全同于基因工程，蛋白质工程被称为第二代基因工程，D错误。2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
9、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_进行鉴定。解析(1)根据题意可知，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
10、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DNA和RNA的复制、DNARNA、RNADNA、RNA蛋白质。(3)蛋白质工程的基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过设计蛋白质结构和推测氨基酸序列，进而确定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。答案(1)氨基酸序列(或结构)(2)PP1DNA和RNA(或遗传物质)DNARNA、RNADNA、RNA蛋白质(或转录、逆转录、翻译)(3)设计蛋白质的结构推测氨基酸序列功能“二看法”判断基因工程和蛋白质工程科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠人嵌
11、合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠人嵌合抗体的过程，据图回答下面的问题：本案例考查学生的演绎与推理和归纳与概括的科学思维。(1)改造鼠源杂交瘤抗体，是对人抗体和鼠抗体直接进行操作吗？操作的思路应该是什么？(科学思维)(2)经过改造的鼠人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是什么？(生命观念)提示：(1)不是对人抗体和鼠抗体进行直接操作。操作的思路是根据需要设计出人鼠抗体的结构，推测出氨基酸的序列和基因的碱基序列，对小鼠的基因进行改造。(2)对人体的不良反应减少。课堂小结知 识 网 络 构 建核 心 语 句 背 诵1.基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。2.蛋白质工程并不是
12、直接改造蛋白质分子的结构，而是通过基因操作来实现对天然蛋白质的改造。3.蛋白质工程的基本途径：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。4.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，通过基因改造或基因合成，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需要。1蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是()A氨基酸结构B蛋白质空间结构C肽链结构D基因结构D蛋白质工程是指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需求。
13、因此蛋白质工程最终还是要对基因进行改造。2蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是()A基因功能B蛋白质功能C氨基酸序列DmRNA密码子序列B蛋白质工程依据蛋白质功能，设计蛋白质结构，再推测并合成相应的基因。3蛋白质工程的基本操作程序正确的是()蛋白质分子结构合成DNA合成mRNA合成蛋白质的预期功能根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列ABCDC蛋白质工程的操作流程为：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(即基因)修改或合成的基因表达出相应的蛋白质。4(2020山东潍坊模拟)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
14、成，而不直接改造蛋白质的主要原因是()A缺乏改造蛋白质所必需的工具酶B蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大C人类对大多数蛋白质的高级结构知之甚少D改造基因易于操作且改造后能够遗传D蛋白质工程应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，原因是：(1)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，而且改造过后蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接进行改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。(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。5糖尿病是近年来高发的“富贵病”，常见类型有遗传型糖尿病和型糖尿病。遗传型糖尿病的主要病因之一是胰岛受损
15、。科研机构作出如下设计：取糖尿病患者的细胞，将人的正常胰岛素基因导入其中，然后进行细胞培养，诱导产生胰岛组织，重新植入患者的胰岛，使胰岛恢复功能。型糖尿病需要注射胰岛素治疗。目前临床使用的胰岛素制剂注射120 min后才出现高峰，与人体生理状态不符。科研人员通过一定的工程技术手段，将胰岛素B链的28号和29号氨基酸互换，获得了速效胰岛素，速效胰岛素已通过临床试验。(1)对遗传型糖尿病进行基因治疗的方案中，胰岛素基因称为_，实验室中要先对该基因利用_技术进行扩增。将该基因导入正常细胞所用的方法是_。(2)科研人员利用蛋白质工程合成速效胰岛素，该技术的实验流程为：其中，流程A是_，流程B是_。(3
16、)与基因工程相比，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，通过基因_或基因_，对现有蛋白质进行_，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产生活需要。解析(1)根据题意，在进行基因治疗时，胰岛素基因是目的基因，在体外条件下可利用PCR技术对其进行扩增，在基因工程中将目的基因导入动物细胞的常用方法是显微注射法。(2)根据蛋白质工程的流程示意图，可知整个流程是根据预期蛋白质的功能设计蛋白质的三维结构，然后推测相应的氨基酸序列，并找到相应的脱氧核苷酸序列，最后合成相应的蛋白质。(3)与基因工程相比，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，以满足人类的生产生活需要。答案(1)目的基因PCR显微注射法(2)预期蛋白质的功能相应的氨基酸序列(3)修饰合成改造