高中生物人教版現(xiàn)代生物科技專題專題1基因工程蛋白質(zhì)工程的崛起 專題

蛋白質(zhì)工程的崛起1．舉例說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。2．理解蛋白質(zhì)工程的原理。(重、難點)3．了解蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用。4．掌握蛋白質(zhì)工程的操作過程。(難點)蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1．基因工程的實質(zhì)：將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀。2．蛋白質(zhì)工程的崛起(1)理論和技術(shù)條件：分子生物學(xué)、晶體學(xué)以及計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展。(2)基因工程存在不足：原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。(3)天然蛋白質(zhì)存在不足：天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。(4)實例。①延長干擾素保存時間：體外很難保存eq\o(→,\s\up7(改造))體外可以保存半年②提高玉米賴氨酸含量：改造后玉米葉片和種子中的游離賴氨酸分別提高5倍和2倍。eq\a\vs4\al([合作探討])探討eq\a\vs4\al(1)：蛋白質(zhì)工程為什么需直接改造基因，而不直接改造蛋白質(zhì)？提示：①任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白質(zhì)也是無法遺傳的。②對基因進(jìn)行改造比對蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。探討eq\a\vs4\al(2)：蛋白質(zhì)工程操作的基本思路是什么？提示：蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進(jìn)行的：從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)，可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)。eq\a\vs4\al([思維升華])1．天然蛋白質(zhì)的不足天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。2．對蛋白質(zhì)工程內(nèi)容的理解(1)改造對象：改造蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是改造控制該蛋白質(zhì)合成的基因的結(jié)構(gòu)。(2)產(chǎn)物：產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)。(3)原理：基因改造。由于基因決定蛋白質(zhì)，要對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，最終還必須通過改造基因來完成。(4)蛋白質(zhì)工程中經(jīng)過處理得到的新基因與基因突變得到的新基因有較大差別，基因突變的新基因中含有不編碼蛋白質(zhì)的序列，而蛋白質(zhì)工程中的新基因則沒有。(5)蛋白質(zhì)工程的內(nèi)容主要有兩方面：一是根據(jù)需要設(shè)計具有特定氨基酸序列和空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)；二是確定蛋白質(zhì)的化學(xué)組成及空間結(jié)構(gòu)與生物功能之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)從氨基酸序列預(yù)測蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和生理功能，設(shè)計合成具有特定生理功能的全新蛋白質(zhì)，而氨基酸的排序由基因決定，所以還需要改造控制蛋白質(zhì)合成的相應(yīng)基因中的脫氧核苷酸序列，或人工合成所需要的自然界原本不存在的基因片段，用于蛋白質(zhì)工程。(6)蛋白質(zhì)的改造方法①“大改”：制造出自然界中不存在的全新蛋白質(zhì)。②“中改”：在蛋白質(zhì)分子中替代—個肽段或—個特定的結(jié)構(gòu)域。③“小改”：改造蛋白質(zhì)分子中的幾個氨基酸殘基。(7)蛋白質(zhì)工程的流程圖如下：1．下列哪項不是蛋白質(zhì)工程的研究內(nèi)容()A．分析蛋白質(zhì)分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)B．對蛋白質(zhì)進(jìn)行有目的的改造C．分析氨基酸的化學(xué)組成D．按照人的意愿將天然蛋白質(zhì)改造成新的蛋白質(zhì)【解析】本題考查蛋白質(zhì)工程的原理。蛋白質(zhì)工程就是根據(jù)蛋白質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和生物活性之間的關(guān)系，按照人的意愿改造蛋白質(zhì)分子，形成自然界不存在的蛋白質(zhì)分子。為了改造某種蛋白質(zhì)分子，必須對其精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，但不包括對組成蛋白質(zhì)的氨基酸的化學(xué)成分的分析?！敬鸢浮緾2．科學(xué)家為提高玉米中賴氨酸含量，計劃將天冬氨酸激酶的第352位的蘇氨酸變成異亮氨酸，將二氫吡啶二羧酸合成酶中第104位的氨基酸由天冬酰胺變成異亮氨酸，就可以使玉米葉片和種子中的游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。下列對蛋白質(zhì)的改造，操作正確的是()【導(dǎo)學(xué)號：72240013】A．直接通過分子水平改造蛋白質(zhì)B．直接改造相應(yīng)的mRNAC．對相應(yīng)的基因進(jìn)行操作D．重新合成新的基因【解析】蛋白質(zhì)工程的目的是對蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，從而使蛋白質(zhì)功能可以滿足人們的需求。蛋白質(zhì)行使功能與其高級結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)又非常復(fù)雜，所以直接對蛋白質(zhì)進(jìn)行改造非常困難，而蛋白質(zhì)是由基因控制合成的，對基因進(jìn)行操作卻容易得多。另外，通過改造基因而改造蛋白質(zhì)可以遺傳，而對蛋白質(zhì)直接改造，即使成功也不能遺傳。【答案】C蛋白質(zhì)工程的基本原理以及進(jìn)展和前景1．蛋白質(zhì)工程的基本原理概念基礎(chǔ)蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系手段通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)目的獲得滿足人類生產(chǎn)和生活需求的蛋白質(zhì)原理由預(yù)期的蛋白質(zhì)找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)流程預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)2.蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景(1)前景誘人。如用此技術(shù)制成的電子元件，具有體積小、耗電少和效率高的特點。(2)難度很大。主要是目前科學(xué)家對大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)的了解還很不夠。eq\a\vs4\al([合作探討])探討eq\a\vs4\al(1)：判斷蛋白質(zhì)工程方法的關(guān)鍵是什么？提示：通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)。探討eq\a\vs4\al(2)：為什么說蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程？提示：因為蛋白質(zhì)的合成由基因控制，所以說蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程。探討eq\a\vs4\al(3)：蛋白質(zhì)工程和基因工程的操作對象以及得到的蛋白質(zhì)相同嗎？分別體現(xiàn)在哪些方面？提示：不同。(1)操作對象不同：蛋白質(zhì)工程的操作對象是天然基因改造后的基因；基因工程的操作對象是天然基因。(2)得到的蛋白質(zhì)不同：蛋白質(zhì)工程可以得到自然界沒有的新的蛋白質(zhì)；基因工程得到的是自然界原有的蛋白質(zhì)。eq\a\vs4\al([思維升華])1．基因工程和蛋白質(zhì)工程二者在操作上的基本思路比較(1)基因工程遵循中心法則，從DNA→mRNA→多肽鏈→形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)→行使生物功能，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。(2)蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進(jìn)行的：確定蛋白質(zhì)的功能→蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級結(jié)構(gòu)→蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)→多肽鏈應(yīng)有的氨基酸序列→基因應(yīng)有的堿基序列，可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)。2．二者的區(qū)別與聯(lián)系項目蛋白質(zhì)工程基因工程區(qū)別過程預(yù)期的蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→推測相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達(dá)出蛋白質(zhì)獲取目的基因→構(gòu)建基因表達(dá)載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→目的基因的檢測與鑒定實質(zhì)定向改造或生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)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(chǎn)品結(jié)果生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界中已有的蛋白質(zhì)聯(lián)系蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程，因為對現(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造或制造新的蛋白質(zhì)，必須通過基因修飾或基因合成實現(xiàn)(1)蛋白質(zhì)工程最終還是回到基因工程上來，因為蛋白質(zhì)的合成由基因控制，所以說蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程。(2)基因工程中的目的基因一般為自然界存在的基因，而蛋白質(zhì)工程中的目的基因不是自然界存在的。1．蛋白質(zhì)工程與基因工程相比，其突出特點是()A．基因工程原則上能生產(chǎn)任何蛋白質(zhì)B．蛋白質(zhì)工程能對現(xiàn)有的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)C．蛋白質(zhì)工程可以不通過轉(zhuǎn)錄和翻譯來實現(xiàn)D．蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來的第三代基因工程【解析】蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程，也需要通過轉(zhuǎn)錄和翻譯來實現(xiàn)，原則上能生產(chǎn)符合人們要求的蛋白質(zhì)，但和基因工程相比，突出特點是可以改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)，而基因工程往往生產(chǎn)現(xiàn)有的蛋白質(zhì)?！敬鸢浮緽2．下列不屬于蛋白質(zhì)工程成果的是()【導(dǎo)學(xué)號：72240014】A．改造酶的結(jié)構(gòu)，提高酶的熱穩(wěn)定性B．生產(chǎn)出鼠—人嵌合抗體C．將t－PA分子中的天門冬酰胺替換為谷氨酰胺D．乳腺生物反應(yīng)器【解析】A、B、C三項所述都是對現(xiàn)存的蛋白質(zhì)分子進(jìn)行改造，屬于蛋白質(zhì)工程的成分。乳腺生物反應(yīng)器屬于基因工程的成果。【答案】D1．蛋白質(zhì)工程中，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計的根據(jù)是()A．人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求B．蛋白質(zhì)中氨基酸序列C．信使RNA中核糖核苷酸序列D．基因中脫氧核苷酸序列【解析】在蛋白質(zhì)工程中，人們先根據(jù)蛋白質(zhì)功能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以特定的功能為依據(jù)設(shè)計蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)?！敬鸢浮緼2．下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程和基因工程的比較，不合理的是()A．基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)工程可以對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，從而制造一種新的蛋白質(zhì)B．蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，蛋白質(zhì)工程最終還是要通過基因修飾或基因合成來完成C．當(dāng)?shù)玫娇梢栽冢?0℃D．基因工程和蛋白質(zhì)工程產(chǎn)生的變異都是可遺傳的【解析】利用蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)蛋白質(zhì)產(chǎn)品應(yīng)通過改造相應(yīng)基因后，再經(jīng)基因表達(dá)大量產(chǎn)生?！敬鸢浮緾3．某種微生物合成的蛋白酶與人體消化液中的蛋白酶的結(jié)構(gòu)和功能很相似，只是其熱穩(wěn)定性較差，進(jìn)入人體后容易失效?，F(xiàn)要將此酶開發(fā)成一種片劑，臨床治療食物消化不良，最佳方案是()A．替換此酶中的少數(shù)氨基酸，以改善其功能B．將此酶與人蛋白酶進(jìn)行拼接，形成新的蛋白酶C．重新設(shè)計與創(chuàng)造一種蛋白酶D．減少此酶在片劑中的含量【解析】要想使蛋白酶熱穩(wěn)定性有所提高，就要改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，此類問題一般是對蛋白質(zhì)中的個別氨基酸進(jìn)行替換?！敬鸢浮緼4．如圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請據(jù)圖回答下列問題：【導(dǎo)學(xué)號：72240015】生物功能(1)代表蛋白質(zhì)工程操作思路的過程是________，代表中心法則內(nèi)容的過程是________。(填數(shù)字)(2)寫出圖中數(shù)字代表的生物學(xué)過程的名稱或內(nèi)容：①____________；②____________；③____________；④____________。(3)從圖中可以看出蛋白質(zhì)工程的基本途徑與中心法則________。(4)功能是由其結(jié)構(gòu)決定的，直接決定蛋白質(zhì)多樣性的因素有___________________________________________________________________，從根本上說，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是由________決定的。(5)根據(jù)蛋白質(zhì)的氨基酸序列推測的mRNA中的堿基序列是否是唯一的？________，為什么？________________________________________________。(6)將氨基酸合成為多肽鏈的場所是____________。真核細(xì)胞中將多肽鏈轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢臻g結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)的場所是____________。(7)蛋白質(zhì)工程中的目的基因一般通過________獲得?！窘馕觥康鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性由組成蛋白質(zhì)的氨基酸的種類、數(shù)目、排列順序和蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)四個因素共同決定；從根本上說，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是由基因(DNA)決定的；一種氨基酸可能具有多種密碼子，根據(jù)蛋白質(zhì)的氨基酸序列推測的mRNA中的堿基序列可能有多種；蛋白質(zhì)的合成場所為核糖體，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中將多肽鏈折疊成具有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)；蛋白質(zhì)工程的目的基因的堿基序列已知，可以通過DNA合成儀進(jìn)行人工合成。【答案】(1)④⑤①②③(2)轉(zhuǎn)錄翻譯折疊分子設(shè)計(3)相反(4)氨基酸的種類、數(shù)目、排列順序和蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)基因(DNA)(5)不唯一一種氨基酸可能具有多種密碼子(