資源簡介

3.4蛋白質工程的原理和應用的學案
【學習目標】
1.舉例說明基因工程在農業、食品及醫藥等行業的廣泛應用改善了人類的生活品質。
2.舉例說出植物基因工程、動物基因工程成果及其給人類帶來的影響。
3.展開想象的翅膀，用圖畫或文字創造等，暢想基因工程的未來。
【學習重難點】
教學重點
基因工程在農牧業、食品、環保以及醫藥領域的應用
教學難點
1.理解CAR-T、CRISPR/Cas等前沿科技的基本原理
2.體會基因工程在各領域的改造思路。
【預習新知】
蛋白質工程崛起的緣由
1.基因工程的實質和不足:
(1)實質:將一種生物的基因轉移到 ,后者可以產生它本不能產生的 ,進而表現出 。
(2)基因工程存在的不足:原則上只能生產自然界 的蛋白質。
2.蛋白質工程的崛起:
(1)理論和技術條件: 、晶體學以及計算機技術的迅猛發展。
(2)天然蛋白質存在不足:天然蛋白質的 符合特定物種生存的需要,卻不一定完全符合 的需要。
(3)實例:
蛋白質缺陷 改造措施 改造后效果
玉米中賴氨酸含量低 賴氨酸合成中兩種酶的氨基酸被替換 玉米葉片和種子中游離賴氨酸分別提高5倍和2倍
蛋白質工程的基本原理
1.目標:根據人們對蛋白質功能的特定需求,對蛋白質的結構進行設計改造。
2.方法:改造或合成基因。
3.基本思路:
填一填:基于蛋白質的合成過程和蛋白質工程的基本思路,完成下列填空。
①蛋白質?、诙嚯逆湣、踡RNA　④目的基因
A推測應有的氨基酸序列
B找到并改變基因或合成新的基因
C轉錄　D翻譯
蛋白質工程的應用
1.醫藥工業方面:
(1)速效胰島素類似物:改變氨基酸序列, 胰島素的聚合。
(2)干擾素:一個半胱氨酸替換為絲氨酸, 保存時間。
(3)單克隆抗體:將小鼠抗體上 的區域“嫁接”到人的抗體上,降低誘發免疫反應的強度。
2.其他工業方面:廣泛用于 或開發新的工業用酶。如枯草桿菌蛋白酶。
3.農業方面:
(1)改造某些 的酶,提高植物光合作用的效率。
(2)改造 的結構,增強防治病蟲害的效果。
知識點　基因工程與蛋白質工程的比較
比較 項目 基因工程 蛋白質工程
原理 基因重組 中心法則的逆轉
區 別 過 程 獲取目的基因→構建表達載體→導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定 預期蛋白質功能→設計預期蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質
實 質 定向改造生物的遺傳特性,以獲得人類所需要的生物類型或生物產品 改造或制造人類所需要的蛋白質
結 果 生產自然界中已經有的蛋白質 生產自然界中沒有的蛋白質
聯系 ①蛋白質工程是在基因工程的基礎上延伸出來的第二代基因工程,對現有蛋白質的改造或制造新的蛋白質必須通過基因修飾或基因合成來實現,蛋白質工程離不開基因工程 ②基因工程中所用的某些酶也需要通過蛋白質工程進行修飾或改造,以提高其功能
【易錯提示】
1．蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。
2．蛋白質工程直接操作的對象是基因，而不是蛋白質。
3．基因工程只能生產自然界已存在的蛋白質。
4．基因工程和蛋白質工程都是在分子水平上操作，目的都是合成相應的蛋白質。
【深化探究】
蛋白質工程與基因工程的比較
項目 蛋白質工程 基因工程
區別 起點 預期蛋白質功能 目的基因
過程 預期蛋白質功能→設計蛋白質結構→推測氨基酸序列→推測脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達出蛋白質 獲取目的基因→構建基因表達載體→導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定
實質 通過改造相應的基因達到對蛋白質進行改造的目的 基因重組
結果 可以創造出自然界不存在的蛋白質 生產自然界已存在的蛋白質
應用及現狀 ①主要集中在對現有蛋白質進行改造，如干擾素、天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶等 ②對創造新的蛋白質還有許多技術難題未突破，因為蛋白質高級結構非常復雜，人們對此知之甚少 ①已被廣泛應用，如轉基因植物、動物、藥品生產等已商業化 ②基因治療僅處于初期的臨床試驗階段
聯系 ①蛋白質工程獲得目的基因后，需要通過基因工程獲得預期蛋白質 ②蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程
合作探究：(1)為什么蛋白質工程不是直接改造蛋白質而是通過基因改造和基因合成來完成？
提示：①任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過的蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白質也是無法遺傳下去的。②對基因進行改造比對蛋白質進行直接改造容易操作，難度小得多。
(2)蛋白質工程的操作程序的基本思路與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則，從DNA→mRNA→多肽→折疊產生蛋白質，基本上是生產出自然界中已有的蛋白質。蛋白質工程是按照相反的思路進行的，確定蛋白質的功能→蛋白質應用的高級結構→蛋白質具備的折疊狀態→應有的氨基酸序列→基因中的堿基序列，可以創造自然界不存在的蛋白質。
【鞏固訓練】
1.干擾素是動物體內的一種蛋白質,可以用于治療病毒感染性疾病和癌癥,但在體外保存相當困難。如圖是利用蛋白質工程設計生產干擾素的流程圖。據圖分析,下列敘述錯誤的是( )
A.圖中構建新的于擾素模型的主要依據是預期的蛋白質功能
B.圖中新的干擾素基因必須加上啟動子和終止子才能表達
C.圖中改造千擾素結構的實質是改造干擾素基因的結構
D.圖中各項技術并沒有涉及基因工程技術
2.科學家選取纖維素酶分子中若干個氨基酸位點作為改造點，結合中心法則原理，構建了“小而精”的突變體文庫，最終獲得催化效率更高的纖維素酶分子。下列說法錯誤的是( )
A.改造纖維素酶分子的前提是已知纖維素酶的氨基酸序列及其空間結構
B.該過程設計出的高效纖維素酶分子可能是自然界中不存在的蛋白質
C.該過程的實質是對纖維素酶基因在分子水平上進行改造
D.纖維素酶和高效纖維素酶在細胞內合成過程中遺傳信息的流向不同
3.如圖是科學家對鼠源雜交瘤抗體進行改造，生產出效果更好的鼠-人嵌合抗體的過程，下列說法錯誤的是( )
A.改造鼠源雜交瘤抗體，生產鼠-人嵌合抗體的過程,屬于基因工程
B.對鼠源雜交瘤抗體進行改造的難點是設計出嵌合抗體的空間結構
C.對鼠源雜交瘤抗體進行改造，是通過基因定點誘變技術改造基因實現的
D.鼠-人嵌合抗體的使用不會對人體產生任何不良反應
4.豬的胰島素用于人體時降血糖效果不明顯，原因是豬胰島素分子中有一個氨基酸與人的不同。為了使豬胰島素適用于治療人類糖尿病，用蛋白質工程對蛋白質分子進行設計的最佳方案是( )
A.對豬胰島素進行一個氨基酸的替換
B.將豬胰島素和人胰島素進行拼接組成新的胰島素
C.將豬胰島素和人胰島素混合在一起治療糖尿病
D.根據人胰島素設計制造一種新的胰島素
5.從某海洋動物中獲得一基因，其表達產物為一種抗菌性和溶血性均較強的多肽。目前在該多肽的基礎上研發抗菌性強但溶血性弱的多肽藥物，首先要做的是( )
A.合成編碼目的肽的DNA片段
B.構建含目的肽DNA片段的表達載體
C.依據該多肽的氨基酸序列設計多條模擬肽
D.篩選出具有優良活性的模擬肽作為目的肽
6.科學家將葡萄糖異構酶的第138位甘氨酸用脯氨酸替代，結果它的最適反應溫度提高了10~12℃。據分析，脯氨酸替代甘氨酸后，由于引入了一個吡咯環側鏈，該側鏈剛好填充于第138位甘氨酸附近的空洞，使蛋白質的空間結構更具剛性，從而提高了酶的熱穩定性。下列說法正確的是( )
A.蛋白質工程和基因工程的根本區別是操作對象的差異
B.對葡萄糖異構酶的改造需要以基因工程為基礎
C.蛋白質工程操作過程中，不需要酶和載體作為工具
D.經改造后的葡萄糖異構酶熱穩定性提高這一性狀不可遺傳
7.如圖為蛋白質工程操作的基本思路，下列敘述不正確的是( )
A.圖中①代表轉錄，②代表翻譯，④代表推測，⑤代表改造或合成
B.蛋白質工程中對蛋白質高級結構的了解是非常關鍵的工作
C.蛋白質工程的目的是對基因的結構進行分子設計
D.從圖中可以看出蛋白質工程的基本途徑與中心法則是相反的
8.已知生物體內有一種蛋白質（P），該蛋白質是一種轉運蛋白，由305個氨基酸組成。如果將P分子中第158位的絲氨酸變成亮氨酸，第240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸，改變后的蛋白質（P1）不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性?；卮鹣铝袉栴}：
（1）從以上敘述可知，若要改變蛋白質的功能，可以考慮對蛋白質的________進行改造。
（2）以P基因序列為基礎，獲得P1基因的途徑有改造________基因或合成________基因。所獲得的基因表達時是遵循中心法則的，中心法則的全部內容包括________的復制，以及遺傳信息在不同分子之間的流動，即：________________________。
（3）蛋白質工程也被稱為第二代基因工程，其基本途徑是從預期的蛋白質功能出發，通過________和________，進而確定相對應的脫氧核苷酸序列，據此獲得基因，再經表達、純化獲得蛋白質，之后還需要對蛋白質的生物________進行鑒定。
參考答案
1.答案：D
解析：由題干可知,構建新的干擾素模型要利用蛋白質工程,而蛋白質工程的主要依據就是預期的蛋白質功能,A正確;新的干擾素基因合成之后,要在受體細胞中表達,必須構建基因表達載體,基因表達載體的組成包括啟動子和終止子等,B正確;蛋白質工程是以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎,通過改造或合成基因,來改造現有蛋白質,或制造一種新的蛋白質,因此題圖中改造干擾素結構的實質是改造干擾素基因的結構,C正確;題圖中,合成新的干擾素基因后,要構建基因表達載體,并將其導入受體細胞中才能表達,這屬于基因工程技術,D錯誤。
2.答案：D
解析：根據題意，題中改造纖維素酶分子的過程屬于蛋白質工程，蛋白質工程的前提是已知纖維素酶的氨基酸序列及其空間結構，A正確；設計出的高效纖維素酶分子可能是自然界中不存在的蛋白質，B正確；蛋白質工程的實質是對纖維素酶基因在分子水平上進行改造，C正確；纖維素酶和高效纖維素酶在細胞內合成過程中遺傳信息的流向相同，D錯誤。
3.答案：ACD
解析：通過圖示可知鼠-人嵌合抗體是通過人工設計而形成的具有特定功能的蛋白質，其生產過程應屬于蛋白質工程的范疇，對鼠源雜交瘤抗體進行改造是通過基因工程定向改造基因實現的，A、C錯誤；由于蛋白質空間結構比較復雜，不易確定，所以對鼠源雜交瘤抗體進行改造的難點是設計出嵌合抗體的空間結構，B正確；從免疫的角度考慮，對人體來說鼠源抗體為抗原，若利用人的抗體與之嵌合，則排斥作用可能會減輕，對人體的副作用可能會減少，但不是不產生任何不良反應，D錯誤。
4.答案：A
解析：豬胰島素同人胰島素只有一個氨基酸不同，只要替換掉這個氨基酸就可以了，制造一種全新的胰島素非常困難，而且一種新的蛋白質會帶來什么危害也是人們所擔心的。C項沒有用到蛋白質工程技術，本題選A。
5.答案：C
解析：蛋白質工程進行時，需從預期的蛋白質功能出發，設計預期的蛋白質結構，然后推測應有的氨基酸序列，由于要在題述中多肽的基礎上研發多肽藥物，因此可首先依據題述多肽的氨基酸序列設計多條模擬肽，C符合題意。
6.答案：B
解析：蛋白質工程中對蛋白質的改造必須通過改造或合成基因來完成。葡萄糖異構酶的改造過程中涉及基因的改造，其遺傳物質會發生改變，因此屬于可遺傳變異，D錯誤。
7.答案：C
解析：分析題圖可知，圖中①代表轉錄，②代表翻譯，④代表推測，⑤代表改造或合成，A正確；蛋白質發揮功能必須依賴于正確的高級結構，因此蛋白質工程中對蛋白質高級結構的了解是非常關鍵的工作，B正確；蛋白質工程的目的是對蛋白質的結構進行分子設計，通過基因合成或基因修飾實現，C錯誤；從圖中可以看出蛋白質工程的基本途徑與中心法則是相反的，D正確。
8.答案：（1）氨基酸序列；
（2）P；P1；DNA和RNA（或遺傳物質）；DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白質（或轉錄、逆轉錄、翻譯）
（3）設計預期的蛋白質結構；推測應有的氨基酸序列；功能
解析：（1）從題中所述可知，將P分子中第158位的絲氨酸變成亮氨酸，第240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸后，該蛋白質的功能發生了改變，此過程是通過對構成蛋白質的氨基酸的排列順序進行改造，進而改變了蛋白質的結構，從而改變了蛋白質的功能。
（2）在蛋白質工程中，目的基因可以以P基因序列為基礎，對生物體內原有的P基因進行改造，也可以通過人工合成法合成新的P1基因。中心法則的內容如下圖所示：
由圖可知，中心法則的全部內容包括：DNA以自身為模板進行的復制，DNA通過轉錄將遺傳信息傳遞給RNA，最后RNA通過翻譯將遺傳信息表達成蛋白質；在某些病毒中RNA可自我復制（如煙草花葉病毒），某些病毒能以RNA為模板逆轉錄合成DNA（如HIV），這是對中心法則的補充。
（3）蛋白質工程的基本途徑是：預期的蛋白質功能→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質，經過該過程得到的蛋白質，需要對其生物功能進行鑒定，以保證其發揮正常作用。

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