2019-2020学年高中生物 第一章 基因工程 第三节 蛋白质工程学案 苏教版选修3

1第三节蛋白质工程学习导航明目标、知重点难点简述蛋白质工程的概念及基本原理。(重点)举例说出蛋白质工程的应用和发展。鼠—人嵌合抗体。(难点)蛋白质的定点诱变过程。(难点)一、阅读教材P35～37概述蛋白质工程1．概念：指通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能，并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。基因工程是蛋白质工程中的关键技术，因此，蛋白质工程又被称为第二代基因工程。2．基本途径：新蛋白质预期功能―→设计相关蛋白质结构―→设计对应的氨基酸序列―→合成相关脱氧核苷酸序列(基因)→合成新的蛋白质。3．根据蛋白质被改造部位的多少，可以将对蛋白质的改造分成大改、中改、小改。基因的定点诱变技术是改变蛋白质结构的核心技术之一。二、阅读P38～39完成蛋白质工程的应用1．蛋白质工程可通过改造酶的结构，有目的地提高酶的热稳定性，如在蛋白质分子中引入二硫键可以显著提高蛋白质的热稳定性。2．科学家发明的利用鼠源杂交瘤抗体来处理癌细胞的方法，对癌细胞有一定的杀伤力，但也有导致机体高度过敏的副作用。为了解决这一问题，科学家又对该抗体进行了改造，生产出效果良好的鼠—人嵌合抗体。3．蛋白质工程不仅能更充分地利用自然界存在的蛋白质，而且能在分子水平上对蛋白质进行再设计和改造，进而创造出自然界中不存在的蛋白质。判一判(1)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的。(×)2(2)由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大。(√)(3)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性。(×)(4)利用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。(√)连一连蛋白质工程的概念和原理[学生用书P18]结合教材P35～37内容完成以下探究。探究1完善下面的内容，理解蛋白质工程的内涵(1)据图回答各序号代表的过程：①转录、②翻译、③折叠、④分子设计、⑤DNA合成。(2)由图分析，蛋白质工程的最基本原理就是中心法则的逆推。(3)蛋白质工程的关键技术：基因工程。(4)蛋白质工程的前提条件：了解蛋白质的结构和功能的关系。探究2结合教材回答下面问题，分析对蛋白质改造的方法(1)对已知空间结构的蛋白质的改造①大改：制造出自然界中不存在的全新蛋白质。②中改：在蛋白质分子中改变某一个多肽链片段或一个特定的结构。③小改：是指通过基因工程中的定点诱变技术，有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的一个或几个氨基酸残基。④定点诱变技术项目内容3条件原料脱氧核苷酸酶DNA聚合酶和DNA连接酶引物含突变顺序的DNA分子片段常用操作方法PCR等结果后代中半数为诱变的DNA分子适用范围空间结构完全清楚的蛋白质(2)对不能预先确定诱变位点的蛋白质的改造：采用非定点诱变技术。蛋白质工程与基因工程的比较蛋白质工程基因工程操作环境生物体外生物体外操作起点预期蛋白质的功能获取目的基因实质定向改造和生产人类所需要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产品操作对象基因操作程序确定蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到相应的脱氧核苷酸序列→人工合成或修饰目的基因→合成具有相应生物功能的蛋白质获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定应用主要集中在对现有蛋白质进行改进已被广泛应用，转基因植物的推广与应用已带来巨大的社会效益和经济效益结果可生产自然界中没有的蛋白质只能生产自然界中已有的蛋白质突破1蛋白质工程的基本流程41．蛋白质工程的基本流程正确的是()①蛋白质分子结构设计②DNA合成③预期蛋白质功能④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A．①→②→③→④B．④→②→①→③C．③→①→④→②D．③→④→①→②解析：选C。蛋白质工程的基本流程：预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有氨基酸序列→据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列(基因)→DNA合成，最终还是回到基因工程上来解决蛋白质的合成。因此，蛋白质工程的基本流程正确的是③→①→④→②。突破2定点诱变技术2．葡萄糖异构酶在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，科学家在确定第138位甘氨酸为目标氨基酸后，对葡萄糖异构酶基因进行体外定点诱变，以脯氨酸138替代甘氨酸138，含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结果突变型葡萄糖异构酶比野生型的最适反应温度提高10～12℃，酶的热稳定性得到了提高。请根据图示分析回答下列问题：(1)对葡萄糖异构酶进行定点诱变的过程体现了________________________和________两种现代生物技术的综合运用。(2)1的名称叫________________；其组成包括目的基因、终止子、标记基因、复制原点和________。(3)人工合成的引物与________酶发挥生理作用有关。(4)与正常基因相比，经过定点诱变后的基因中发生了两个碱基的________，后代中能够合成目的蛋白质的细胞占总数的________。解析：(1)本题为通过对基因的结构的定点诱变实现蛋白质的改造，所以是基因工程和5蛋白质工程的综合应用。(2)1由质粒和插入的正常基因组成，所以是基因表达载体。(3)引物是DNA聚合酶进行延伸的基础。(4)正常蛋白质的甘氨酸的密码子是GGU，突变蛋白的脯氨酸的密码子是CCU，说明基因发生了两个碱基的替换，形成的子代细胞中有一半合成正常蛋白质，另一半合成突变蛋白质。答案：(1)蛋白质工程基因工程(2)基因表达载体启动子(3)DNA聚合(4)替换1/2定点诱变技术的优缺点(1)优点：①诱变部位是实验者事先设计的，突变完全在人为控制条件下进行；②获得所需的突变表现型比例很高；③生物体没有别的基因突变，能够保留生物的特性。(2)缺点：具有局限性，即对不能预先确定诱变位点的蛋白质不能使用。蛋白质工程的应用[学生用书P19]随着蛋白质工程的发展，大量新型的具有特定功能的蛋白质将在工业、农业、医药和环境保护等方面发挥重要的作用。结合教材P38～39内容完成以下探究。探究1阅读材料，分析蛋白质工程在酶的应用材料：酵母菌的丙糖磷酸异构酶上有两个天冬酰胺，在分别转变为苏氨酸和异亮氨酸后，酶的热稳定性提高了将近50%。此外，在蛋白质分子中引入二硫键也可以显著提高蛋白质的热稳定性。通过改造酶的结构，有目的地提高酶的热稳定性。如通过替换酶的某种氨基酸，或者在蛋白质分子中引入二硫键来提高蛋白质的热稳定性。探究2观察下面鼠—人嵌合抗体的过程图，分析蛋白质工程在医药领域的应用6(1)改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠—人嵌合抗体，属于蛋白质工程的范畴。(2)图示过程是根据预期的嵌合抗体功能，设计嵌合抗体的结构，最终必须对基因进行操作，此操作中改变的是碱基对。(3)经过改造的鼠—人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是对人体的不良反应减少(从免疫角度考虑)。(4)上述过程中对科学家来说难度最大的是设计嵌合抗体的空间结构。(5)蛋白质工程在制药方面取得优异的成果，例如：鼠源杂交瘤抗体的改造：在基因水平上对抗体进行重组，生产人恒定区和鼠可变区嵌合抗体，使其对人体的不良反应减少。纤维蛋白溶解酶原激活因子的改造：通过蛋白质工程，利用基因定点诱变技术，将纤维蛋白溶解酶原激活因子分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺，延长其在血液循环中的停留时间。蛋白质芯片检测SARS与基因诊断的原理有何不同？提示：蛋白质芯片检测SARS是利用抗原—抗体杂交原理，而基因诊断利用了DNA分子杂交原理。蛋白质工程的应用蛋白质工程的应用原因方法效果实例提高酶肽链中的天冬①把两个天冬酰热稳定性提高了酵母菌的丙糖磷7酶的热稳定性酰胺和谷氨酰胺易发生脱氨反应，导致酶的结构被破坏，进而使酶丧失功能胺换成其他氨基酸将近50%酸异构酶的改造②引入二硫键可以显著提高蛋白质的热稳定性生物工程制药鼠源性的单克隆抗体会被人的免疫系统排斥，不能直接用于人体在基因水平上对抗体进行重组，产生人恒定区和鼠可变区嵌合抗体对某些肿瘤细胞具有特异的识别能力和杀伤力，对人体的不良反应减少鼠—人嵌合抗体生物工程制药t­PA进入血浆后大部分与纤溶酶原激活剂抑制物形成复合物，并迅速失去活性将天冬酰胺替换为谷氨酰胺t­PA在血液循环中的停留时间就会大大延长t­PA突破1蛋白质工程成果1．下列不属于蛋白质工程成果的是()A．改造酶的结构，提高酶的热稳定性B．生产出鼠—人嵌合抗体C．将t­PA分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺D．将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素解析：选D。将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素，属于基因工程的成果。突破2鼠—人嵌合抗体2．合成鼠—人嵌合抗体属于蛋白质分子设计中的()A．对已知蛋白质分子结构进行少数氨基酸替换8B．对不同来源的蛋白质进行拼接组装C．设计制造自然界中全新的蛋白质D．把两种不同的蛋白质组装成一种蛋白质分子解析：选B。鼠—人嵌合抗体是由鼠抗体中的可变区与人抗体中的恒定区组装拼接而成的，是将两种不同来源的蛋白质分子进行拼接后形成的嵌合抗体。由于形成的融合蛋白质具有两种蛋白质的结构，所以能表现两种蛋白质的特性。核心知识小结[网络构建][关键语句]1.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。2.蛋白质工程能够生产出自然界不存在．．．的蛋白质。3.对基因的改造包括了大、中、小三改。核心技术之一是基因的定点诱变．．．．技术。4.鼠—人嵌合抗体是蛋白质工程．．．．．的产物。[随堂检测]知识点一蛋白质工程概述1．下列物质不属于“小改”的产物的是()A．速效胰岛素B．鼠—人嵌合抗体C．改造后的t­PAD．热稳定性更高的丙糖磷酸异构酶解析：选B。速效胰岛素是改造了两个氨基酸，改造后的t­PA改造了一个氨基酸，热稳定性更高的丙糖磷酸异构酶也是改造了两个氨基酸，它们都属于“小改”，而鼠—人嵌合抗体改造了一个特定的结构域，属于“中改”。2．蛋白质工程是新崛起的一项生物工程。如图为蛋白质工程流程，图中A、B在遗传学上依次表示()9A．转录和翻译B．翻译和转录C．复制和转录D．传递和表达解析：选A。根据图示很明显看出A是由基因到信使RNA，故A表示的是转录，B是由信使RNA到氨基酸序列多肽链，故很明显这个过程指的是翻译。3．蛋白质工程与基因工程相比，其突出的特点是()A．基因工程原则上能生产任何蛋白质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解析：选B。基因工程在原则上只能生产自然界已经存在的蛋白质，A项错误；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，B项正确；蛋白质工程中也存在转录和翻译，C项错误；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，D项错误。知识点二蛋白质工程的应用4．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，则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解析：选C。基因工程导入目的基因到受体细胞，表现出目的性状，为自然界原来存在的性状；而蛋白质工程通过基因修饰或基因合成，可以创造出自然界不存在的性状。5．从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是()A．合成编码目的肽的DNA片段B．构建含目的肽DNA片段的表达载体C．依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽10D．筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽解析：选C。紧扣蛋白质工程的流程(基本途径)进行分析。由题可知，多肽P1为抗菌性和溶血性均较强的多肽，要设计出抗菌性强但溶血性弱的多肽，即在P1的基础上设计