高中生物苏教版（2019）选择性必修3第三章 第三节　蛋白质工程（66张PPT）

(共66张PPT)
第三节　蛋白质工程
学习目标
素养要求
1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。
2.简述蛋白质工程的基本原理。
1.科学思维：尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要
的蛋白质功能，设计或改造某一蛋白质。
2.社会责任：认同蛋白质工程的重要意义。
蛋白质工程
内容索引
网络构建
课时对点练
蛋白质工程
1.蛋白质工程的一般过程
(1)概念：蛋白质工程是指以蛋白质分子的 规律及其与生物 的关系为基础，对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，以 现有蛋白质或制造 的蛋白质。
(2)蛋白质工程的一般过程
新蛋白质预期功能―→设计蛋白质结构 推测氨基酸序列
基因(DNA) 合成新的蛋白质
教材梳理
预习新知　夯实基础
结构
功能
改造
新
(3)基因工程的不足
①原则上只能生产自然界中已经 的蛋白质。
②生产的蛋白质不一定符合人们生产和生活的 。
(4)蛋白质工程的优势
①能更 地利用自然界中存在的蛋白质。
②能在分子水平上对蛋白质进行再 ，进而创造出自然界中
的蛋白质。
(5)实例：水蛭素第47位天冬酰胺 赖氨酸或精氨酸―→抗凝血效率
可 4倍。
存在
需要
充分
设计和改造
不存在
提高
2.蛋白质工程首先要获取基因和蛋白质的结构数据
(1)GenBank生物大分子数据库
①序列文件的基本单位是 ，包括核苷酸 和注释两部分。
②GenPept是由GenBank中的核酸序列翻译而得到的 序列数据库。
(2)Entrez数据库查询系统是一个将核酸、蛋白质序列和 、蛋白质 数据库整合在一起的综合数据库查询系统。
序列条目
排列顺序
蛋白质
基因图谱
结构
3.通过基因改造生产目标蛋白质
(1)基因的体外定向突变
①适用对象：掌握了基本 的蛋白质。
②类型
目的 方法
大面积的定向突变 ___________
单一或少数几个突变位点的基因定向突变 _______________
结构信息
基因全合成
引物定点引入法
③定点诱变法的过程示意图
引物
突变
DNA聚合酶
DNA连接酶
受体细胞
转录
突变
(2)非定点诱变技术
①适用对象：不能预先确定 的蛋白质。
②缺点：目的性和 不够强。
③优点：突变位点 ，有时会产生意想不到的改造效果。
诱变位点
针对性
多
4.蛋白质工程的设计思路与应用
目的 思路 原理 实例
提高蛋白质 (酶)的稳定性 引入 _______ 二硫键是稳定蛋白质分子________最关键键的一种共价键，在蛋白质 分子中引入二硫键能显著提高其 _______ 向T4溶菌酶引入二硫键提高了T4溶菌酶的热稳定性
转换氨基酸残基 在高温下，蛋白质分子中天冬酰胺和谷氨酰胺的侧链上的酰胺基会发生 ，进而损害其_______ ；将天冬酰胺和谷氨酰胺残基转换为其他合适的氨基酸残基，可以提高蛋白质的热稳定性 酵母菌的丙糖磷酸异构酶的两个亚基中各含有两个天冬酰胺残基，分别用 和异亮氨酸残基替代，大幅度提高了酶的热稳定性
二硫键
空间结构
稳定性
脱氨反应
结构和
功能
苏氨酸
改善酶的 催化活性 转换____ _______ 大量酶蛋白的X射线晶体衍射结果显示，酶的催化活性中心附近有少数关键性氨基酸残基，决定了酶的 活性 将嗜热芽孢杆菌酪氨酰－tRNA合成酶分子中的一个苏氨酸残基改变为丙氨酸或脯氨酸残基时，酶的
大大提高
消除酶 的被抑 制特性 转换氨基 酸残基 转换氨基酸残基可以消除酶的 特性 将枯草芽孢杆菌蛋白酶分子中第222位的甲硫氨酸残基转换成半胱氨酸残基或丙氨酸残基，酶的活性将不再受 的抑制
酸残基
氨基
催化
活性
被抑制
漂白剂
(1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质(　　)
(2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的(　　)
(3)定点诱变技术可用于各种蛋白质的改造(　　)
(4)热稳定的蛋白质一般都具有抗有机溶剂和极端pH的能力(　　)
判断正误
√
×
×
√
核心探讨
对照右面蛋白质工程的基本过程，分析回答问题：
1.基因工程合成的蛋白质有哪些不足？
提示　原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
突破重难　强化素养
2.对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？
提示　应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，主要原因如下：
(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能会遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，但被改造过的蛋白质分子也是无法遗传的。
(2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。
3.基因的定点诱变技术是改变蛋白质结构的核心技术之一，试从以下各项分析此技术。
项目 内容
条 件 原料 ___________
酶 _______________________
引物 含 的DNA分子片段
操作方法 _________
结果 后代中半数为诱变的DNA分子
适用范围 __________________________
特点 有_______________
脱氧核苷酸
DNA聚合酶和DNA连接酶
突变位点
PCR技术
掌握了蛋白质的基本结构信息
目的性和针对性
4.非定点诱变技术的适用对象和特点是什么？
提示　(1)适用对象：对于不能预先确定诱变位点的蛋白质，可采用非定点诱变技术来进行蛋白质改造。
(2)特点：非定点诱变突变位点多，有时会产生意想不到的改造效果。
5.某种微生物合成的一种蛋白酶与人体消化液中某种蛋白酶的结构和功能很相似，只是前者热稳定性较差，进入人体后容易失效。尝试根据本节课所学知识提出改造该种微生物蛋白酶的思路。
提示　(1)思路一：向该蛋白酶中引入二硫键。
(2)思路二：将该蛋白酶中的天冬酰胺和谷氨酰胺残基转换为其他合适的氨基酸残基。
蛋白质工程与基因工程的区别与联系
核心归纳
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 起点 预期的蛋白质功能 目的基因
过程 新蛋白质预期功能→设计蛋白质结构→设计对应的氨基酸序列→改造或合成可以产生新蛋白质的相关DNA序列→合成新的蛋白质 目的基因的获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因及其表达产物的检测鉴定
区 别 目标 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需要的新的生物类型和生物产品
结果 生产非天然的蛋白质 生产自然界已经存在的蛋白质
联系 ①都在生物体外对基因进行操作；②蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 1.科学家将β-干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素分子上的半胱氨酸变成丝氨酸，结果大大提高了β-干扰素的抗病毒活性，并且提高了储存稳定性。该生物技术为
A.蛋白质工程 B.基因工程
C.基因突变 D.细胞工程
√
典题应用
及时反馈　知识落实
解析　题干中的操作涉及的基因不再是原来的基因，其合成的β-干扰素也不是天然的β-干扰素，而是经过改造的，是具有人类所需优点的蛋白质，因而整个过程利用的生物技术为蛋白质工程。
2.中华鲟是地球上最古老的脊椎动物之一，被称为“活化石”。研究者试图通过蛋白质工程改造中华鲟体内的某些蛋白质，使其更加适应现在的水域环境。以下说法错误的是
A.该工程可以定向改变蛋白质分子的结构
B.改造蛋白质是通过改造基因结构来实现的
C.改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种
D.改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质
√
解析　改造后的中华鲟具有新的性状，但其和现有中华鲟仍是同一物种，C正确；
蛋白质工程改造的是基因，可以遗传给子代，因此改造后的中华鲟的后代也具有改造的蛋白质，D错误。
网络构建
课时对点练
题组一　蛋白质工程的一般过程
1.在设计合成自然界中不存在的蛋白质时，首先应该设计
A.基因结构 B.mRNA结构
C.氨基酸序列 D.蛋白质结构
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对点训练
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2.下列关于蛋白质工程的说法，错误的是
A.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类需要
B.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分
子的结构
C.蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的新型蛋白质分子
D.蛋白质工程的操作起点是从新蛋白质的预期功能出发，设计出相应的
基因，并借助基因工程技术实现
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解析　基因的结构决定蛋白质的结构，对蛋白质的结构进行设计改造是通过改造或合成基因来完成的，而不是直接对蛋白质分子进行操作。
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3.目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等。采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是
①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列　②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构　③合成蓝色荧光蛋白基因　④表达出蓝色荧光蛋白
A.①②③④ B.②①③④
C.②③①④ D.④②①③
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解析　参照蛋白质工程的基本途径，采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是：②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构→①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列→③合成蓝色荧光蛋白基因→④表达出蓝色荧光蛋白。
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4.蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过改造或合成基因来完成，而不直接改造蛋白质的原因是
A.缺乏改造蛋白质所必需的工具酶
B.改造基因易于操作且改造后能够遗传
C.人类对大多数蛋白质高级结构知之甚少
D.蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大
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解析　由于基因控制蛋白质的合成，所以对蛋白质设计改造可通过对基因进行改造或合成来完成，且改造后的基因能够遗传给子代。
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5.基因工程与蛋白质工程的区别是
A.基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不需对基因进行操作
B.基因工程中基因的编码蛋白序列未经改造，而蛋白质工程中基因的编
码蛋白序列经过改造
C.基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平(或性状水平)操作
D.基因工程完全不同于蛋白质工程
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解析　蛋白质工程是从分子水平上对蛋白质进行改造设计，通过对相应的基因进行改造，甚至人工进行基因合成，从而对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活需求；而基因工程只是将外源基因导入另一生物体内，并使之表达，产生人类所需的性状，或者获取所需的产品。
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解析　该过程运用的是蛋白质工程。从新蛋白质预期功能出发，对蛋白质控制的基因进行改造以达到改造蛋白质的目的。
6.蛛丝的强度和柔韧度得益于蛛丝蛋白的特殊布局，使它产生了一个由坚硬的结晶区和非结晶区构成的混合区域。有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因结构，以指导对蚕丝蛋白的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝蛋白一样坚韧的丝。此过程运用的技术及流程分别是
A.基因突变：DNA→RNA→蛋白质
B.基因工程：RNA→RNA→蛋白质
C.基因工程：DNA→RNA→蛋白质
D.蛋白质工程：蛋白质→氨基酸序列→DNA→RNA→多肽链→蛋白质
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题组二　通过基因改造生产目标蛋白质
7.下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是
A.基因大面积的定向突变一般采用基因全合成的方法
B.在定点诱变过程中加入的引物需含有所需的突变顺序
C.在定点诱变过程中只需加入DNA聚合酶
D.可用PCR技术扩增已获得定点突变的基因
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解析　定点诱变需要加入DNA聚合酶和DNA连接酶。
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8.葡萄糖异构酶(GI)在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，科学家对GI基因进行体外定点诱变，以脯氨酸(Pro138)替代甘氨酸(Gly138)，含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结果最适反应温度提高10～12 ℃。这属于生物工程中的
A.基因工程 B.蛋白质工程
C.发酵工程 D.酶工程
√
解析　葡萄糖异构酶热稳定性得到了提高，葡萄糖异构酶的改造过程是通过对基因进行修饰改造，以实现对现有蛋白质的改造，属于蛋白质工程，蛋白质工程也叫第二代基因工程，是通过对基因的改造来实现对蛋白质改造的一项技术，B正确。
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题组三　蛋白质工程的设计思路与应用
9.(2021·常州高二开学考试)下列有关蛋白质工程的叙述，不正确的是
A.蛋白质工程需要用到限制酶和DNA连接酶
B.蛋白质工程只能改造现有的蛋白质而不能制造新的蛋白质
C.T4溶菌酶中引入二硫键提高了它的热稳定性是蛋白质工程应用的体现
D.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类需要
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解析　蛋白质工程是对基因进行修饰改造或重新合成，然后进行表达，故蛋白质工程需要用到限制酶和DNA连接酶，A项正确；
通过蛋白质工程，可产生自然界没有的蛋白质，B项错误；
蛋白质工程能通过基因修饰或基因合成，定向对现有蛋白质分子的结构进行改造，使之更加符合人类需要，D项正确。
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10.(2021·无锡高二期末)已知某生物体内有一种X蛋白，如果将X蛋白的某一个氨基酸替换，改造后的蛋白质(X1蛋白)不但可以保留X蛋白的功能，而且具有了酶的催化活性。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.可以通过对X蛋白基因进行改造或人工合成获得X1蛋白基因
C.蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具
D.细胞内合成X1蛋白与X蛋白的过程中，遗传信息的流向是相反的
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解析　蛋白质工程和基因工程的操作对象都是基因，两者的根本区别是蛋白质工程可制造出自然界没有的蛋白质，A错误；
蛋白质工程操作过程中，需要酶和载体作为工具，C错误；
细胞内合成X1蛋白与X蛋白的过程中，遗传信息的流向是相同的，D错误。
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选择题11～12题为单选题，13～16题为多选题。
11.(2021·徐州高二期中)人体内的t－PA蛋白能高效降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓，然而，为心梗患者注射大剂量的基因工程t－PA会诱发颅内出血，其原因在于t－PA与血纤维蛋白结合的特异性不高。研究证实，通过某技术，将t－PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，可制造出性能优异的改良t－PA蛋白，进而显著降低出血。下列相关叙述错误的是
A.该技术的关键是了解t－PA蛋白质分子的结构
B.该技术生产改良t－PA蛋白的过程遵循中心法则
C.该技术是在分子水平上直接改造蛋白质的
D.该技术构建出了一种自然界中原先不存在的全新的基因
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综合强化
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解析　将t－PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸需要采用蛋白质工程技术，该技术的关键是了解t－PA蛋白质分子的结构，A正确；
该技术是在分子水平上通过改造基因来改造蛋白质的，C错误。
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12.(2021·南通高二月考)大引物PCR定点突变常用来研究蛋白质结构改变导致的功能变化。单核苷酸的定点诱变仅需进行两轮PCR反应即可获得，第一轮加诱变引物和侧翼引物，第一轮产物作第二轮PCR扩增的大引物，过程如图所示。下列叙述正确的是
A.第一轮PCR过程中退火所用的温度与第二轮PCR退火
的温度是一样的
B.PCR扩增的定点诱变产物通常需要连接到载体分子上
才能表达出相应的性状，该定点诱变产物需具备起始
密码子、终止密码子等结构才能进行转录和翻译
C.第二轮PCR所用的引物是第一轮PCR的产物DNA的两条链
D.将某功能蛋白的第17位Cys(UGU)改造成Ser(UCU)，属于蛋白质工程
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解析　为了使两轮PCR反应在同一支试管中进行，引物设计时应考虑不同的退火温度，第二轮PCR的退火温度应该比第一轮高，A错误；
若要使得目的基因可以表达出蛋白质，则需要在产物上具备启动子和终止子(而非起始密码子和终止密码子)，诱导基因转录和翻译，B错误；
第一轮产物作第二轮PCR扩增的大引物外，第二轮PCR仍需加入的引物是另一种侧翼引物，以便进行另一条链的延伸，C错误；
欲将某功能蛋白的第17位Cys(UGU)改造成Ser(UCU)，应将诱变引物设计包含—AGA—或—TCT—序列，该过程属于蛋白质工程技术范畴，D正确。
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13.科学家通过利用PCR定点突变技术改造Rubisco酶基因，提高了光合作用过程中Rubisco酶对CO2的亲和力，从而显著提高了植物的光合作用速率。下列叙述正确的是
A.PCR定点突变技术使Rubisco酶基因发生定向突变
B.PCR技术扩增目的基因的过程中必须添加两种引物
C.PCR扩增过程需加入解旋酶和热稳定的DNA聚合酶
D.PCR定点突变技术属于蛋白质工程的范畴
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解析　PCR扩增过程不需要加入解旋酶，C错误。
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14.蛋白质工程是指根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质进行分子设计、生产的过程。下图是蛋白质工程的流程图，据图分析正确的是
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A.过程①是目前蛋白质工程难度最大的环节
B.过程④和⑤所需原料分别是脱氧核苷酸和氨基酸
C.若使过程③设计的基因能表达和发挥作用，必须在基因的两端添加调
控序列
D.通过蛋白质工程可以获得自然界不存在的蛋白质
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解析　图中过程①表示从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，这是目前蛋白质工程难度最大的环节，A正确；
④是转录过程，⑤是翻译过程，这两个过程的原料依次是核糖核苷酸和氨基酸，B错误；
若使过程③设计的基因能表达和发挥作用，必须在基因的两端添加调控序列，如启动子和终止子，C正确。
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15.干扰素是动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存相当困难。下图是利用蛋白质工程设计保存干扰素的生产流程图，据图分析下列叙述正确的是
A.图中构建新的干扰素模型的主
要依据是蛋白质的预期功能
B.图中新的干扰素基因必须加上
启动子和终止密码子才能表达
C.图中改造干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
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解析　图中新的干扰素基因必须加上启动子和终止子才能表达，B错误；
图中新的干扰素基因导入受体细胞中表达新干扰素的过程涉及基因工程技术，D错误。
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16.利用重叠延伸PCR技术进行定点突变可以实现对纤维素酶基因进行合理性改造，其过程如下图所示。下列分析正确的是
A.PCR 1过程中的产物AB是依赖引物a
和引物b扩增的结果
B.引物c和引物b上均含有与模板链不
能互补的碱基
C.①过程需要先加热至约72 ℃后再冷
却至约55 ℃
D.②过程需要利用引物a和引物d获得
突变产物AD
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解析　PCR技术中DNA单链延伸的方向是沿着引物的5′端向3′端延伸的，据此可分析，PCR 1过程中的产物AB是依赖引物a和引物b扩增的结果，A正确；
根据突变位点的产生可推知，引物c和引物b上均含有与模板链不能互补的碱基，B正确；
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①过程是双螺旋解开的过程，即氢键断裂可通过先加热至约94 ℃完成，而后再冷却至约55 ℃使氢键形成，为子链的延伸做准备，C错误；
②过程为子链延伸的过程，该过程需要利用AB上链和CD下链之间的互补配对实现子链的延伸过程，D错误。
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17.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。请根据以右图示分析回答问题：
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(1)对葡萄糖异构酶进行定点诱变的过程体现了___________和
_________现代生物技术的综合运用。
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基因工程
蛋白质工程
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解析　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为基础，对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，以改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。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，由于葡萄糖异构酶发生了变化，所以该过程
属于蛋白质工程。因此对葡萄糖异构酶进行定点诱变的过程体现了蛋白质工程和基因工程现代生物技术的综合运用。
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(2)图中①的名称叫_____________，其组成包括了目的基因、_______、_______、复制原点和_________等。
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基因表达载体
启动子
终止子
标记基因
解析　图中①是基因表达载体，至少包括目的基因、启动子、终止子、标记基因和复制原点。
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(3)目的基因经过体外定点诱变后，为了提高其导入大肠杆菌的成功率，需用一定浓度的__________处理大肠杆菌。
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CaCl2溶液
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解析　将目的基因导入微生物细胞时，常采用感受态细胞法，即用一定浓度的CaCl2溶液处理大肠杆菌，使大肠杆菌处于容易接受外来的DNA分子的感受态，进而将目的基因导入受体细胞。
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(4)与正常基因相比，经过定点诱变后的基因中发生了两对碱基的______。
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替换
解析　由图可知，脯氨酸与甘氨酸的密码子有两个碱基不同，所以基因中发生了两对碱基的替换。
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(5)基因工程最后一步是_____________
____________________，从分子水平检测的方法有_____________________
______________。
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目的基因及其
表达产物的检测鉴定
(DNA)分子杂交、抗
原—抗体杂交
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18.科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的人—鼠嵌合抗体，用于癌症治疗。右图表示形成人—鼠嵌合抗体的过程，据图回答下列问题：
解析　通过图示可知人—鼠嵌合抗体是通过人工设计而形成的特定功能蛋白质，其生产过程应属于蛋白质工程的范畴。
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(1)改造鼠源杂交瘤抗体，生产人—鼠
嵌合抗体，属于___________(填生物工程)的范畴。
蛋白质工程
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(2)图示过程是根据预期的________
_______出发，设计预期的________
_________，最终必须对______进行操作，此操作中改变的是_________。
解析　蛋白质工程的流程：根据新蛋白质的预期功能→设计蛋白质结构→设计对应的氨基酸序列→改造或合成可以产生新蛋白质的相关DNA序列(基因)→利用基因工程技术合成新的蛋白质。
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嵌合抗
体功能
嵌合抗
体的结构
基因
DNA序列
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(3)经过改造的人—鼠嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是______________________(从免疫角度考虑)。
解析　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，则排斥作用会减轻，对人体的副作用会减少。
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对人体的不良反应减少
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(4)上述过程中对科学家来说难度最大的是_________________________。
解析　由于蛋白质空间结构比较复杂，不易确定，所以成为蛋白质工程中最大的障碍。
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设计预期的嵌合抗体的结构
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本课结束