人教版高中生物選擇性蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

從社會(huì)中來(lái)你見(jiàn)過(guò)用細(xì)菌畫(huà)畫(huà)嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫(huà)"的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樵谒鼈兊捏w內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過(guò)改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的檢測(cè)、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。那么，科學(xué)家是怎樣對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的呢？對(duì)蛋白質(zhì)分子的設(shè)計(jì)和改造是通過(guò)蛋白質(zhì)工程來(lái)實(shí)現(xiàn)的一、蛋白質(zhì)工程概述蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)改造或合成基因，來(lái)改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿(mǎn)足人類(lèi)生產(chǎn)和生活的需求。①基礎(chǔ)：___________________________________②操作：___________________________________③操作對(duì)象：_______________________________④目的：______________________________________________________________________⑤地位：___________________________________⑥理論和技術(shù)：_____________________________蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系改造或合成基因改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿(mǎn)足人類(lèi)生產(chǎn)和生活的需求在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程基因分子生物學(xué)、晶體學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.基因工程的實(shí)質(zhì)

將一種生物的____轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它________________，進(jìn)而表現(xiàn)出________2.基因工程的局限性___________________________3.蛋白質(zhì)工程崛起的緣由①基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)；②天然蛋白質(zhì)是生物長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的，它們的結(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(lèi)生產(chǎn)和生活的需要；基因本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)新的性狀只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)4.實(shí)例賴(lài)氨酸合成調(diào)控達(dá)到一定濃度兩種酶的活性352位的蘇氨酸變成異亮氨酸二氫吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶+104位的天冬酰胺變成異亮氨酸賴(lài)氨酸含量抑制提高提高限制提高三、蛋白質(zhì)工程的基本原理1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)_____的特定需求，因此要對(duì)蛋白質(zhì)的_____進(jìn)行設(shè)計(jì)改造2.蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)*_____________________________________________3.天然蛋白質(zhì)合成過(guò)程天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程是按照________進(jìn)行的功能結(jié)構(gòu)改造或合成基因（來(lái)定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)）中心法則基因表達(dá)形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)形式生物功能轉(zhuǎn)錄翻譯4.蛋白質(zhì)工程思路蛋白質(zhì)工程與天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程_____：從______________出發(fā)→設(shè)計(jì)______________→推測(cè)______________→找到并改變___________________或_________→獲得所需要的蛋白質(zhì)相反預(yù)期的蛋白質(zhì)功能預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)有的氨基酸序列相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列合成新基因預(yù)期功能預(yù)期結(jié)構(gòu)推測(cè)氨基酸序列（多肽鏈）改造或合成目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯折疊設(shè)計(jì)行使思考·討論蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：—丙氨酸—色氨酸—賴(lài)氨酸—谷氨酸—苯丙氨酸—討論1.請(qǐng)寫(xiě)出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？提示：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)色氨酸(UGG)

賴(lài)氨酸(AAA、AAG）谷氨酸（GAA、GAG）苯丙氨酸（UUU、UUC）mRNA序列為：GCUUGGAAAGAAUUUDNA序列為：CGAACCTTTCTTAAAGCTTGGAAAGAATTT共___種可能序列32思考·討論蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：—丙氨酸—色氨酸—賴(lài)氨酸—谷氨酸—苯丙氨酸—討論2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？

確定目的基因的堿基序列后，可以人工合成目的基因，或應(yīng)用基因定點(diǎn)突變技術(shù)來(lái)進(jìn)行堿基的替換、增添等進(jìn)而改造基因；補(bǔ)充：基因的定點(diǎn)突變技術(shù)1——重疊PCR①該過(guò)程需要___種引物；②PCR1的產(chǎn)物AB是引物___和引物___擴(kuò)增的結(jié)果；③PCR2的產(chǎn)物CD是引物___和引物___擴(kuò)增的結(jié)果；④產(chǎn)物AD的形成需要引物嗎？_______________________⑤需要改變的堿基位于引物___和引物___上⑥引物b和引物c之間有什么關(guān)系？_________________⑦PCR3中突變產(chǎn)物AD的擴(kuò)增需要引物___和引物___4abcdbc引物b和引物c應(yīng)有部分堿基互補(bǔ)ad不需要，需要耐高溫的DNA聚合酶現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用：利用重疊PCR技術(shù)進(jìn)行定點(diǎn)突變可以實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維素酶基因進(jìn)行合理性改造，過(guò)程如下圖，下列分析正確的是（

）A.PCR1過(guò)程中的產(chǎn)物AB是依賴(lài)引物a和引物b擴(kuò)增的結(jié)果B.引物c和引物b上均含有與模板鏈不能互補(bǔ)的堿基C.①過(guò)程需要先加熱至90-95℃再冷卻至55-60℃D.②過(guò)程需要利用引物a和引物d獲得突變產(chǎn)物ADABC補(bǔ)充：基因的定點(diǎn)突變技術(shù)2——大引物PCR該過(guò)程需要三條引物，第一輪PCR利用突變上游引物和常規(guī)下游引物進(jìn)行擴(kuò)增；第二輪PCR利用第一輪擴(kuò)增產(chǎn)物中的一條鏈作為下游大引物，與常規(guī)上游引物一起擴(kuò)增得到完整的含有突變位點(diǎn)的DNA片段；補(bǔ)充：基因的定點(diǎn)突變技術(shù)3補(bǔ)充：基因定點(diǎn)突變技術(shù)和基因突變的比較定點(diǎn)突變基因突變相同點(diǎn)類(lèi)型結(jié)果不同點(diǎn)場(chǎng)所手段方向產(chǎn)生新基因生物體外生物體內(nèi)PCR技術(shù)誘變因素定向改造不定向性堿基對(duì)的增添、缺失、替換四、蛋白質(zhì)工程和基因工程的比較項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程操作對(duì)象操作起點(diǎn)操作水平操作流程結(jié)果實(shí)質(zhì)聯(lián)系基因基因DNA分子水平DNA分子水平預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)氨基酸序列→找到并改變對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)目的基因的篩選與獲取→構(gòu)建基因表達(dá)載體→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定可生產(chǎn)自然界沒(méi)有的蛋白質(zhì)可生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)通過(guò)改造或合成基因來(lái)定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(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①蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程；②蛋白質(zhì)工程離不開(kāi)基因工程，其包含基因工程基本操作；預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因思考：如何辨別一個(gè)操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程？是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對(duì)原有基因進(jìn)行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程看蛋白質(zhì)看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程五、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.研發(fā)速效胰島素類(lèi)似物天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體預(yù)期結(jié)構(gòu)改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴(lài)氨酸交換位置新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改變B鏈第20-29位氨基酸組成推測(cè)序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合2.延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)改造一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能延長(zhǎng)保存時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)氨基酸替換推測(cè)序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年3.降低人對(duì)小鼠單抗了抗體的免疫反應(yīng)

通過(guò)_______，將小鼠抗體上______的區(qū)域（即_____）“嫁接”到_______（即_____）上，經(jīng)過(guò)這樣改造的抗體______________________；改造基因結(jié)合抗原可變區(qū)人的抗體恒定區(qū)誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)降低很多4.其他①改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶；②改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量；③改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲(chóng)害的效果增強(qiáng)；蛋白質(zhì)工程現(xiàn)狀蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程；主要原因是：___________________________________