1.4-蛋白质工程的崛起

首页末页下一页上一页1．4蛋白质工程的崛起首页末页下一页上一页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是：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要。5．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。首页末页下一页上一页一、蛋白质工程崛起的缘由1．基因工程的实质：将一种生物的转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的，进而表现出。2．基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界的蛋白质。3．天然蛋白质的不足：天然蛋白质的结构和功能符合生存的需要，却不一定完全符合的需要。基因蛋白质新的性状已存在特定物种人类生产和生活首页末页下一页上一页二、蛋白质工程的基本原理1．概念(1)基础：蛋白质分子的及其与的关系。(2)手段：通过或，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。2．流程：预期蛋白质功能→设计预期的→推测应有的序列→找到相对应的序列(基因)。结构规律生物功能基因修饰基因合成蛋白质蛋白质结构氨基酸脱氧核苷酸首页末页下一页上一页三、蛋白质工程的进展和前景1．进展：科学家通过对的改造，已使其成为速效型药品。2．前景：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，具有的特点。3．面临的困难：对蛋白质发挥功能必须依赖的了解不够。胰岛素体积小、耗电少和效率高高级结构首页末页下一页上一页1．合成天然不存在的蛋白质应首先设计()A．基因结构B．RNA结构C．氨基酸序列D．蛋白质结构解析：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，首先要从设计蛋白质的结构入手，然后再根据基因工程的方法通过基因修饰或基因合成，合成相应的蛋白质，从而实现对蛋白质的改造。D首页末页下一页上一页2．蛋白质工程在实施过程中最大的难题是()A．生产的蛋白质无法应用B．发展前景太窄C．对大多数蛋白质的高级结构了解不清楚D．无法人工合成目的基因解析：蛋白质工程实施的最大难题是对于大多数蛋白质的高级结构了解不清楚，所以很难改造其基因。C首页末页下一页上一页3．蛋白质工程的基本流程是()①蛋白质分子结构的设计②DNA合成③预期蛋白质功能④根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A．①②③④B．④②①③C．③①④②D．③④①②解析：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。C首页末页下一页上一页核心要点一蛋白质工程的基本原理1．对蛋白质工程内容的理解(1)改造对象：改造蛋白质的结构，本质上是改造控制该蛋白质合成的基因的结构。(2)产物：产生新的蛋白质。(3)原理：基因改造。由于基因决定蛋白质，要对蛋白质的结构进行改造，最终还必须通过改造基因来完成。首页末页下一页上一页(4)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。(5)蛋白质工程的内容主要有两方面：一是根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；二是确定蛋白质的化学组成及空间结构与生物功能之间的关系，在此基础上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生理功能，设计合成具有特定生理功能的全新蛋白质，而氨基酸的排序由基因决定，所以还需要改造控制蛋白质合成的相应基因中的脱氧核苷酸序列，或人工合成所需要的自然界原本不存在的基因片段，用于蛋白质工程。首页末页下一页上一页2．蛋白质工程流程图[名师点拨]蛋白质工程通过对基因的操作实现对天然蛋白质进行改造的原因(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遗传。(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。首页末页下一页上一页[题组冲关]1．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是()A．蛋白质工程的实质是改造基因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解析：蛋白质工程是根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，然后根据设计的蛋白质结构，合成出特定的脱氧核苷酸序列。B首页末页下一页上一页2．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Ⅱ型糖尿病。遗传型糖尿病的主要病因之一是胰岛受损。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。Ⅱ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120min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。首页末页下一页上一页(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_____________________。首页末页下一页上一页(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______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。首页末页下一页上一页(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)修饰合成改造首页末页下一页上一页核心要点二基因工程与蛋白质工程的关系1．二者在操作上的基本思路(1)基因工程是遵循中心法则，从DNA→mRNA→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。(2)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→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→相对应的碱基序列。可以创造天然不存在的蛋白质。首页末页下一页上一页2．二者的区别与联系比较项目蛋白质工程基因工程区别操作起点预期的蛋白质功能目的基因过程预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定实质定向改造或生产人类所需的蛋白质定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品结果可生产天然没有的蛋白质只能生产自然界已有的蛋白质联系①都在生物体外对基因进行操作；②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首页末页下一页上一页[题组冲关]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首页末页下一页上一页解析：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；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。答案：B首页末页下一页上一页4．镰刀型细胞贫血症是一种单基因遗传病，患者的血红蛋白分子β肽链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸代替，导致功能异常。回答下列问题：(1)异常血红蛋白的氨基酸序列改变的根本原因是编码血红蛋白基因的________序列发生改变。(2)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中，可以合成正常的血红蛋白达到治疗的目的。此操作________(填“属于”或“不属于”)蛋白质工程，理由是该操作__________。首页末页下一页上一页(3)用基因工程方法制备血红蛋白时，可先提取早期红细胞中的________，以其作为模板，在________酶的作用下反转录合成cDNA。cDNA与载体需在________________________酶的作用下拼接构建基因表达载体，然后导入受体菌进行表达。(4)检测受体菌是否已合成血红蛋白，可从受体菌中提取________，用相应的抗体进行________杂交，若出现杂交带，则表明该受体菌已合成血红蛋白。首页末页下一页上一页解析：(1)基因是具有遗传效应的DNA片段，遗传信息储存在基因碱基对的排列顺序中。(2)蛋白质工程是指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，以满足人类生产和生活的需求，题中所述不属于蛋白质工程。(3)利用反转录法获取目的基因时，需先提取mRNA，在逆转录酶的作用下反转录合成cDNA。cDNA与载体需在限制酶和DNA连接酶的作用下拼接构建成基因表达载体，才可导入受体菌。(4)检测目的基因是否合成蛋白质，需要从转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原－抗体杂交。首页末页下一页上一页答案：(1)碱基对(2)不属于没有对现有的蛋白质进行改造(3)mRNA逆转录限制酶和DNA连接(4)蛋白质抗原－抗体首页末页下一页上一页[方法规律]“三看法”判断基因工程和蛋白质工程(1)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。首页末页下一页上一页(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或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。首页末页下一页上一页(3)三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。首页末页下一页上一页[随堂基础巩固]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．基因结构解析：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。因此蛋白质工程最终还是要对基因进行改造。D首页末页下一页上一页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