资源简介

3.4蛋白质工程的原理和应用的学案
【学习目标】
1.举例说明基因工程在农业、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。
2.举例说出植物基因工程、动物基因工程成果及其给人类带来的影响。
3.展开想象的翅膀，用图画或文字创造等，畅想基因工程的未来。
【学习重难点】
教学重点
基因工程在农牧业、食品、环保以及医药领域的应用
教学难点
1.理解CAR-T、CRISPR/Cas等前沿科技的基本原理
2.体会基因工程在各领域的改造思路。
【预习新知】
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 ,后者可以产生它本不能产生的 ,进而表现出 。
(2)基因工程存在的不足:原则上只能生产自然界 的蛋白质。
2.蛋白质工程的崛起:
(1)理论和技术条件: 、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 符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合 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
蛋白质工程的基本原理
1.目标:根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的结构进行设计改造。
2.方法:改造或合成基因。
3.基本思路:
填一填: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。
①蛋白质　②多肽链　③mRNA　④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
蛋白质工程的应用
1.医药工业方面:
(1)速效胰岛素类似物:改变氨基酸序列, 胰岛素的聚合。
(2)干扰素:一个半胱氨酸替换为丝氨酸, 保存时间。
(3)单克隆抗体:将小鼠抗体上 的区域“嫁接”到人的抗体上,降低诱发免疫反应的强度。
2.其他工业方面:广泛用于 或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶。
3.农业方面:
(1)改造某些 的酶,提高植物光合作用的效率。
(2)改造 的结构,增强防治病虫害的效果。
知识点　基因工程与蛋白质工程的比较
比较 项目 基因工程 蛋白质工程
原理 基因重组 中心法则的逆转
区 别 过 程 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 预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质
实 质 定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的生物类型或生物产品 改造或制造人类所需要的蛋白质
结 果 生产自然界中已经有的蛋白质 生产自然界中没有的蛋白质
联系 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,对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质必须通过基因修饰或基因合成来实现,蛋白质工程离不开基因工程 ②基因工程中所用的某些酶也需要通过蛋白质工程进行修饰或改造,以提高其功能
【易错提示】
1．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，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
2．蛋白质工程直接操作的对象是基因，而不是蛋白质。
3．基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质。
4．基因工程和蛋白质工程都是在分子水平上操作，目的都是合成相应的蛋白质。
【深化探究】
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
结果 可以创造出自然界不存在的蛋白质 生产自然界已存在的蛋白质
应用及现状 ①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 ②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 ①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化 ②基因治疗仅处于初期的临床试验阶段
联系 ①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 ②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
合作探究：(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，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)蛋白质工程的操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？
提示：基因工程操作程序的基本思路遵守中心法则，从DNA→mRNA→多肽→折叠产生蛋白质，基本上是生产出自然界中已有的蛋白质。蛋白质工程是按照相反的思路进行的，确定蛋白质的功能→蛋白质应用的高级结构→蛋白质具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→基因中的碱基序列，可以创造自然界不存在的蛋白质。
【巩固训练】
1.干扰素是动物体内的一种蛋白质,可以用于治疗病毒感染性疾病和癌症,但在体外保存相当困难。如图是利用蛋白质工程设计生产干扰素的流程图。据图分析,下列叙述错误的是( )
A.图中构建新的于扰素模型的主要依据是预期的蛋白质功能
B.图中新的干扰素基因必须加上启动子和终止子才能表达
C.图中改造千扰素结构的实质是改造干扰素基因的结构
D.图中各项技术并没有涉及基因工程技术
2.科学家选取纤维素酶分子中若干个氨基酸位点作为改造点，结合中心法则原理，构建了“小而精”的突变体文库，最终获得催化效率更高的纤维素酶分子。下列说法错误的是( )
A.改造纤维素酶分子的前提是已知纤维素酶的氨基酸序列及其空间结构
B.该过程设计出的高效纤维素酶分子可能是自然界中不存在的蛋白质
C.该过程的实质是对纤维素酶基因在分子水平上进行改造
D.纤维素酶和高效纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向不同
3.如图是科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠-人嵌合抗体的过程，下列说法错误的是( )
A.改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠-人嵌合抗体的过程,属于基因工程
B.对鼠源杂交瘤抗体进行改造的难点是设计出嵌合抗体的空间结构
C.对鼠源杂交瘤抗体进行改造，是通过基因定点诱变技术改造基因实现的
D.鼠-人嵌合抗体的使用不会对人体产生任何不良反应
4.猪的胰岛素用于人体时降血糖效果不明显，原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪胰岛素适用于治疗人类糖尿病，用蛋白质工程对蛋白质分子进行设计的最佳方案是( )
A.对猪胰岛素进行一个氨基酸的替换
B.将猪胰岛素和人胰岛素进行拼接组成新的胰岛素
C.将猪胰岛素和人胰岛素混合在一起治疗糖尿病
D.根据人胰岛素设计制造一种新的胰岛素
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。目前在该多肽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.依据该多肽的氨基酸序列设计多条模拟肽
D.筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽
6.科学家将葡萄糖异构酶的第138位甘氨酸用脯氨酸替代，结果它的最适反应温度提高了10~12℃。据分析，脯氨酸替代甘氨酸后，由于引入了一个吡咯环侧链，该侧链刚好填充于第138位甘氨酸附近的空洞，使蛋白质的空间结构更具刚性，从而提高了酶的热稳定性。下列说法正确的是( )
A.蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异
B.对葡萄糖异构酶的改造需要以基因工程为基础
C.蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具
D.经改造后的葡萄糖异构酶热稳定性提高这一性状不可遗传
7.如图为蛋白质工程操作的基本思路，下列叙述不正确的是( )
A.图中①代表转录，②代表翻译，④代表推测，⑤代表改造或合成
B.蛋白质工程中对蛋白质高级结构的了解是非常关键的工作
C.蛋白质工程的目的是对基因的结构进行分子设计
D.从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是相反的
8.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分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸，第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：
（1）从以上叙述可知，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基因的途径有改造________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的蛋白质功能出发，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。
参考答案
1.答案：D
解析：由题干可知,构建新的干扰素模型要利用蛋白质工程,而蛋白质工程的主要依据就是预期的蛋白质功能,A正确;新的干扰素基因合成之后,要在受体细胞中表达,必须构建基因表达载体,基因表达载体的组成包括启动子和终止子等,B正确;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,通过改造或合成基因,来改造现有蛋白质,或制造一种新的蛋白质,因此题图中改造干扰素结构的实质是改造干扰素基因的结构,C正确;题图中,合成新的干扰素基因后,要构建基因表达载体,并将其导入受体细胞中才能表达,这属于基因工程技术,D错误。
2.答案：D
解析：根据题意，题中改造纤维素酶分子的过程属于蛋白质工程，蛋白质工程的前提是已知纤维素酶的氨基酸序列及其空间结构，A正确；设计出的高效纤维素酶分子可能是自然界中不存在的蛋白质，B正确；蛋白质工程的实质是对纤维素酶基因在分子水平上进行改造，C正确；纤维素酶和高效纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向相同，D错误。
3.答案：ACD
解析：通过图示可知鼠-人嵌合抗体是通过人工设计而形成的具有特定功能的蛋白质，其生产过程应属于蛋白质工程的范畴，对鼠源杂交瘤抗体进行改造是通过基因工程定向改造基因实现的，A、C错误；由于蛋白质空间结构比较复杂，不易确定，所以对鼠源杂交瘤抗体进行改造的难点是设计出嵌合抗体的空间结构，B正确；从免疫的角度考虑，对人体来说鼠源抗体为抗原，若利用人的抗体与之嵌合，则排斥作用可能会减轻，对人体的副作用可能会减少，但不是不产生任何不良反应，D错误。
4.答案：A
解析：猪胰岛素同人胰岛素只有一个氨基酸不同，只要替换掉这个氨基酸就可以了，制造一种全新的胰岛素非常困难，而且一种新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。C项没有用到蛋白质工程技术，本题选A。
5.答案：C
解析：蛋白质工程进行时，需从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，然后推测应有的氨基酸序列，由于要在题述中多肽的基础上研发多肽药物，因此可首先依据题述多肽的氨基酸序列设计多条模拟肽，C符合题意。
6.答案：B
解析：蛋白质工程中对蛋白质的改造必须通过改造或合成基因来完成。葡萄糖异构酶的改造过程中涉及基因的改造，其遗传物质会发生改变，因此属于可遗传变异，D错误。
7.答案：C
解析：分析题图可知，图中①代表转录，②代表翻译，④代表推测，⑤代表改造或合成，A正确；蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，因此蛋白质工程中对蛋白质高级结构的了解是非常关键的工作，B正确；蛋白质工程的目的是对蛋白质的结构进行分子设计，通过基因合成或基因修饰实现，C错误；从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是相反的，D正确。
8.答案：（1）氨基酸序列；
（2）P；P1；DNA和RNA（或遗传物质）；DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质（或转录、逆转录、翻译）
（3）设计预期的蛋白质结构；推测应有的氨基酸序列；功能
解析：（1）从题中所述可知，将P分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸，第240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸后，该蛋白质的功能发生了改变，此过程是通过对构成蛋白质的氨基酸的排列顺序进行改造，进而改变了蛋白质的结构，从而改变了蛋白质的功能。
（2）在蛋白质工程中，目的基因可以以P基因序列为基础，对生物体内原有的P基因进行改造，也可以通过人工合成法合成新的P1基因。中心法则的内容如下图所示：
由图可知，中心法则的全部内容包括：DNA以自身为模板进行的复制，DNA通过转录将遗传信息传递给RNA，最后RNA通过翻译将遗传信息表达成蛋白质；在某些病毒中RNA可自我复制（如烟草花叶病毒），某些病毒能以RNA为模板逆转录合成DNA（如HIV），这是对中心法则的补充。
（3）蛋白质工程的基本途径是：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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列或合成新的基因→获得所需要的蛋白质，经过该过程得到的蛋白质，需要对其生物功能进行鉴定，以保证其发挥正常作用。

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