第3章 基因工程 第4节 蛋白质工程的原理和应用(共55张PPT)

(共55张PPT)
第3章　基因工程
第4节　蛋白质工程的原理和应用
课标要点 学法指导
1．举例说出蛋白质工程崛起的缘由 2．阐述蛋白质工程的原理及应用 3．尝试运用逆向思维分析和解决问题 1．结合教材实例和中心法则的内容，理解蛋白质工程崛起的缘由及其原理(生命观念、科学思维)
2．用列表法比较蛋白质工程和基因工程(科学思维)
3．结合教材实例和有关材料，理解蛋白质工程的应用前景(社会责任)
知识导图


课前·新知导学
　　　蛋白质工程的概念及崛起的缘由
1．蛋白质工程的概念
蛋白质工程是指以蛋白质分子的____________及其与____________的关系作为基础，通过_______或___________，来改造____________，或制造一种_____________，以满足人类的生产和生活的需求。它是在_____________的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是包含多学科的综合科技工程。
结构规律　
生物功能　
改造　
合成基因　
现有蛋白质　
新的蛋白质　
基因工程　
2．蛋白质工程崛起的缘由
(1)基因工程的实质及不足：
①实质：将一种生物的________转移到另一种生物体内，使后者可以产生它本不能产生的_________，进而表现出________________。
②不足：基因工程在原则上只能生产自然界已存在的_________。
(2)蛋白质工程崛起的缘由：天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的_______________符合___________生存的需要，却不一定完全符合人类______________的需要。若不能直接满足人类需要，就必须人为对其进行改造，蛋白质工程从而崛起。
基因　
蛋白质　
新的性状　
蛋白质　
结构和功能　
特定物种　
生产和生活　
3．蛋白质工程的实例
富含__________的玉米新品种的培育。玉米体内赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨酸合成过程中的两个关键酶——____________________ __________________的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大，当赖氨酸浓度达到一定量时，就会________这两种酶的活性，从而影响赖氨酸含量的提高。经过蛋白质工程改造，将天冬氨酸激酶的第352位的________变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的天冬酰胺变成__________，就可以分别使玉米叶片和种子中的赖氨酸含量提高5倍和2倍。
赖氨酸　
天冬氨酸激酶和二氢　
吡啶二羧酸合成酶　　
抑制　
苏氨酸　
异亮氨酸　
在培育富含赖氨酸的玉米的过程中，为什么改变一个氨基酸就可以改变天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性？
微思考
【答案】两种酶的化学本质是蛋白质，蛋白质的结构的决定因素包括氨基酸的种类、数目及排列顺序和蛋白质的空间结构，因此个别氨基酸的改变就会导致其结构的改变，从而影响到其性质和功能。
　　　蛋白质工程制造的蛋白质是 (　　)
A．天然蛋白质　　　　
B．稀有蛋白质
C．自然界中不存在的蛋白质　
D．尚没有制造出来
【答案】C
【解析】蛋白质工程是对基因进行改造，进而产生符合人们需要的蛋白质，因此产物不再是天然的蛋白质。
　　　蛋白质工程的基本原理
1．蛋白质工程的目标
根据人们对______________的特定需求，对蛋白质的________进行设计改造。
2．蛋白质工程的原理
根据对蛋白质的结构进行设计改造，来改造基因或____________。
蛋白质功能　
结构　
合成基因　
3．天然蛋白质的合成途径(中心法则)
基因→表达(_______和_________)→形成具有特定______________的多肽链→形成具有___________的蛋白质→行使生物功能。
4．蛋白质工程的基本思路
从预期的蛋白质功能出发→设计__________________→推测应有的________________→找到并改变相对应的__________________或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
转录　
翻译　
氨基酸序列　
高级结构　
预期的蛋白质结构　
氨基酸序列　
脱氧核苷酸序列　
基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？
微思考
【答案】都遵循中心法则。
　　　蛋白质工程正确的基本流程是 (　　)
①蛋白质分子结构设计　②DNA合成　③从预期的蛋白质功能出发　④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列
A．①→②→③→④　　 B．④→②→①→③
C．③→①→④→② D．③→④→①→②
【答案】C
【解析】蛋白质工程是根据人们的需要首先要预期蛋白质的相应功能，然后设计预期的蛋白质结构，推测其应有的氨基酸序列，根据相应的氨基酸序列推导出基因中的脱氧核苷酸序列，再合成相应的目的基因，C正确。
　　　蛋白质工程的应用
1．医药工业方面
(1)速效胰岛素类似物的研发：通过改造______________实现了对相应氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替换为____________或者将它与B29位的__________交换位置，从而抑制胰岛素的聚合。
胰岛素基因　
天冬氨酸　
赖氨酸　
(2)干扰素的体外保存的实现：将干扰素分子上的一个__________变成__________，可以在__________的条件下保存半年。
(3)小鼠单克隆抗体的改造：将小鼠抗体上____________的区域“嫁接”到____________上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度会________很多。
半胱氨酸　
丝氨酸　
－70 ℃　
结合抗原　
人的抗体　
降低　
2．工业用酶方面
利用蛋白质工程获得枯草杆菌________的突变体，从中筛选出一些符合工业化____________的突变体，从而提高这种酶的使用价值。
3．农业方面
(1)科学家正尝试改造某些参与调控________________，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
(2)利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物________________，使它防止害虫的效果增强。
蛋白酶　
生产需求　
光合作用的酶　
蛋白质的结构　
蛋白质工程在各个方面的成功应用，是对蛋白质直接改造还是对基因进行改造或修饰？
微思考
【答案】对基因进行改造或修饰。
　　　猪的胰岛素用于人体降低血糖浓度效果不明显，原因是猪的胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪的胰岛素可用于临床治疗人的糖尿病，用蛋白质工程对蛋白质分子进行设计的最佳方案是 (　　)
A．对猪的胰岛素进行一个不同氨基酸的替换
B．将猪的胰岛素和人的胰岛素进行拼接，组成新的胰岛素
C．将猪的胰岛素和人的胰岛素混合在一起治疗人的糖尿病
D．根据人的胰岛素设计制造一种新的胰岛素
【答案】A
【解析】 由于猪的胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同，所以可通过蛋白质工程中蛋白质的分子设计，替换这一个不同的氨基酸即可，A正确；将猪的胰岛素和人的胰岛素进行拼接，组成新的胰岛素的结构改变，B错误；将猪的胰岛素和人的胰岛素混合在一起治疗人的糖尿病达不到预期的效果，C错误；虽然根据人胰岛素分子的结构设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗，但在分子设计和胰岛素的生产方面都存在着很多困难，所以不是最佳方案，D错误。
蛋白质工程的概念分析和原理分析
[知识归纳]
1．蛋白质工程的概念分析
基础 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
手段 通过改造或合成基因，来改造现有的蛋白质，或制造一种新的蛋白质
目的 满足人类生产和生活的需求
2．蛋白质工程的原理
由预期的蛋白质结构找到对应的脱氧核苷酸序列。
3．蛋白质工程的过程
从预期的蛋白质功能出发→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。
4．流程图
1．基因工程中的目的基因与蛋白质工程中的目的基因有何区别？
提示：基因工程中目的基因一般是自然存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是天然存在的。
2．为什么要通过基因改造或基因合成来完成蛋白质工程，而不是直接对蛋白质进行改造？
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通过改造过的基因遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。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。
【规律总结】蛋白质改造的三种类型的“改”
第一类为“大改”，即制造出自然界中不存在的全新蛋白质。
第二类为“中改”，即在蛋白质分子中替代一个肽段或一个特定的结构域。
第三类为“小改”，即改造蛋白质分子中的几个氨基酸的残基。
素养达成：本重难点通过对蛋白质工程的概念分析和原理分析，培养“生命观念”“科学思维”素养。
[对点精练]
1．人们发现蛛丝蛋白比蚕丝蛋白更细，但强度却更大，于是有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其基因结构，以指导对蚕丝蛋白基因的改造，从而让蚕吐出的丝也能像蛛丝一样坚韧。此过程应用的生物技术的名称和依据的原理流程分别是 (　　)
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→RNA→DNA→RNA→蛋白质
【答案】D
【解析】根据题干信息“通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其基因结构，以指导对蚕丝蛋白基因的改造，从而让蚕吐出的丝也能像蛛丝一样坚韧”可知，该工程运用的技术是蛋白质工程，操作的流程是蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质。D正确。
2．下图表示蛋白质工程的操作流程，下列叙述不正确的是 (　　)


A．蛋白质工程中了解蛋白质分子的结构是非常关键的工作
B．蛋白质工程是完全摆脱基因工程技术的一项全新的生物工程技术
C．图中a、b过程分别表示转录、翻译
D．通过蛋白质工程可制造出一种新的蛋白质
【答案】B
【解析】蛋白质工程中了解蛋白质分子的结构是非常关键的工作，如蛋白质的空间结构、氨基酸的排列顺序等，这对于合成或改造基因至关重要，A正确；蛋白质工程的进行离不开基因工程，因为对蛋白质的改造要通过对基因的改造来完成，B错误；图中a、b过程分别表示转录、翻译，C正确；通过蛋白质工程可对现有蛋白质进行改造，也可制造出一种新的蛋白质，D正确。
易错易混：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 目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 从预期的蛋白质功能出发→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(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质
比较项目 基因工程 蛋白质工程
区别 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(基因的异体表达) 定向改造或生产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 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，而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，因此两者是相互促进的 例1　下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，不合理的是 (　　)
A．基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造，从而制造一种新的蛋白质
B．蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因改造或基因合成来完成
C．当得到可以在－70 ℃条件下保存半年的干扰素后，在相关酶、氨基酸和适宜的温度、pH条件下，干扰素可以大量自我合成
D．基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的
【答案】C
【解析】基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以通过对基因改造实现对现有蛋白质的改造，或制造一种新的蛋白质，A正确；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，蛋白质工程不是对蛋白质分子的直接改造，而是通过修改基因或创造合成新基因来合成新的蛋白质，B正确；干扰素的成分是糖蛋白，不能自我复制，C错误；蛋白质工程的实质是改造基因，基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的，D正确。
错因分析：一是对蛋白质工程和基因工程的结果分辨不清；二是对蛋白质工程的发展和原理掌握不清；三是对蛋白质工程和基因工程的过程和实质掌握不熟练，导致对两者产生的变异是否可以遗传不清楚；四是对干扰素的化学本质及其自我复制的特性理解不清。
解题技巧：实验流程图类试题的解题技巧
例2　Ⅰ．截至2021年8月3日，我国累计报告接种新冠病毒疫苗已达17亿剂次。疫苗接种加速大规模推进。新冠病毒表面的S蛋白是主要的病毒抗原。研究人员在研制S蛋白疫苗的过程中，做了如下实验：
(1)图中过程①和②分别是______________。
(2)采用PCR技术进行体外扩增获得大量的S基因，除了需要引物外，PCR扩增目的基因还需要____________________等条件。
(3)通过上述过程⑥得到的蛋白制备的疫苗比④效果更好，从细胞结构差异的角度分析，原因是______________________。
Ⅱ．赖氨酸是人体八大必需氨基酸之一，能促进人体发育、增强免疫功能，并有提高中枢神经组织功能的作用。某农科所科技人员欲将玉米中某种蛋白酶改造成“M酶”，从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量，以期培育出高赖氨酸玉米新品种。请回答下列问题：
(1)科技人员先从“提升玉米种子中赖氨酸含量”这一目标出发，预期构建出________的结构，再推测出相对应目的基因的______________序列，最终合成出“M酶”基因。
(2)“M酶”基因只有插入______________，才能确保“M酶”基因在玉米细胞中得以稳定遗传。
(3)将含有“M酶”基因的玉米细胞培育成转“M酶”基因的玉米植株。为了确保育种成功，科技人员需要通过__________，从个体水平加以鉴定。
【答案】Ⅰ．(1)逆转录 、基因表达载体的构建
(2)模板(DNA的两条母链)、原料(四种脱氧核苷酸)、耐高温的DNA聚合酶
(3)动物细胞具有内质网、高尔基体，可以对核糖体合成的多肽链进行剪切、折叠、加工、修饰等处理
Ⅱ．(1) M酶　脱氧核苷酸
(2)玉米细胞的染色体DNA中
(3)测定玉米种子中赖氨酸含量
审题流程：
第一步　解读题干，提取信息
根据题干“新冠病毒表面的S蛋白是主要的病毒抗原。研究人员在研制S蛋白疫苗的过程中，做了如下实验”，“赖氨酸能促进人体发育、增强免疫功能……将玉米中某种蛋白酶改造成‘M酶’，从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量，以期培育出高赖氨酸玉米新品种”可以获得信息：①S蛋白是病毒的主要抗原，可以利用S蛋白作为抗原研制疫苗；②赖氨酸有许多功能；③可以通过蛋白质工程提高玉米种子赖氨酸的含量。
第二步　解读流程图，对接教材
本题Ⅰ流程图表示有“RNA→DNA的逆转录过程”“DNA→S基因的PCR扩增过程”“携带S基因的重组表达载体构建过程”“将目的基因分别导入大肠杆菌和动物细胞过程”“检测S蛋白表达过程”等内容，可以判断考查的是基因工程的基本操作程序，与教材中第三章第二节密切相关。
基因工程的基本操作程序包括目的基因的筛选和获取，基因表达载体的构建，将目的基因导入受体细胞，目的基因的检测与鉴定。根据本题Ⅱ题干“将玉米中某种蛋白酶改造成‘M酶’，从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量”判断考查的是蛋白质工程，与教材中第三章第四节“蛋白质工程的原理和应用”密切相关。蛋白质工程先从预期蛋白质的功能出发，设计预期蛋白质的结构，推测其应有的氨基酸序列，进而推测基因的脱氧核苷酸序列，然后通过基因工程生产需要的蛋白质。
第三步　结合小题，逐个突破
Ⅰ．(1)①是以RNA为模板合成DNA，表示逆转录；②是用S基因构建携带S基因的重组表达载体，表示基因表达载体的构建。
(2)采用PCR技术进行体外扩增获得大量的S基因，除了需要引物外，PCR扩增目的基因还需要模板、原料、耐高温的DNA聚合酶。
(3)大肠杆菌是原核生物，没有内质网和高尔基体；而动物细胞具有内质网、高尔基体，可以对核糖体合成的多肽链进行剪切、折叠、加工、修饰等处理，疫苗效果更好。
Ⅱ．(1)根据题意，从“提升玉米种子中赖氨酸含量”这一目标出发，进行的是蛋白质工程，预期构建出“M酶”的结构，再推测出相对应目的基因的脱氧核苷酸序列，最终合成出“M酶”基因。
(2)“M酶”基因只有插入玉米细胞的染色体DNA中，才能在玉米细胞中得以稳定遗传。
(3)从个体水平鉴定育种是否成功，要测定玉米种子中赖氨酸的含量。
小练·素养达成
1．将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞，可以提高玉米中的赖氨酸含量；更换赖氨酸形成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，使两种酶的活性提高，也可以提高玉米中的赖氨酸含量。以上两种技术分别属于 (　　)
A．基因工程、基因工程　 B．蛋白质工程、蛋白质工程
C．基因工程、蛋白质工程 D．蛋白质工程、基因工程
【答案】C
【解析】 富含赖氨酸的蛋白质是自然界中已有的蛋白质，基因工程只是把该蛋白质基因转入玉米细胞，并使之合成该蛋白质，属于基因工程；更换酶分子中的氨基酸是对自然界中已有的蛋白质进行改造，属于蛋白质工程，C正确。
2．蛋白质工程的实质是 (　　)
A．改造蛋白质　　 B．改造mRNA
C．改造基因 D．改造氨基酸
【答案】C
【解析】蛋白质工程的目的是获取人类需要的蛋白质，由于蛋白质的合成是受基因控制的，所以要从根本上对基因进行改造，C正确。
3．下列有关蛋白质工程的说法正确的是 (　　)
A．蛋白质工程无需构建基因表达载体
B．通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍是天然蛋白质
C．蛋白质工程需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶
D．蛋白质工程是在蛋白质分子水平上改造蛋白质的
【答案】C
【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，需构建基因表达载体，A错误；通过蛋白质工程改造后的蛋白质不再是天然的蛋白质，B错误；蛋白质工程是对基因进行修饰改造或重新合成，需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶，C正确；蛋白质工程是在基因水平上改造蛋白质的，D错误。
4．科研人员利用相关技术改变了胰岛素β链的第9位氨基酸，从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述中，不正确的是 (　　)
A．胰岛素的本质是蛋白质，不宜口服使用
B．可通过测定DNA的序列确定突变是否成功
C．对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程
D．该过程的操作对象是胰岛素分子
【答案】D
【解析】胰岛素的本质是蛋白质，只能注射，不宜口服使用，A正确；可通过测定DNA的序列确定突变是否成功，B正确；对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程，C正确；蛋白质工程的操作对象是基因，D错误。
5．下列关于蛋白质工程及其应用的说法正确的是 (　　)
A．蛋白质工程能定向改造蛋白质分子结构，使之更加符合人类需要
B．蛋白质工程的实质是通过改变氨基酸的结构改变蛋白质的功能
C．当前限制蛋白质工程发展的关键因素是基因工程技术还不成熟
D．蛋白质工程技术中的操作对象是蛋白质或控制蛋白质合成的基因
【答案】A
【解析】蛋白质工程能按照人们的意愿定向改造蛋白质分子结构，使之更加符合人类需要，A正确；蛋白质工程的实质是通过改变基因来改变蛋白质的结构和功能，B错误；当前限制蛋白质工程发展的关键因素是人们对蛋白质的空间结构了解较少，C错误；蛋白质工程技术中的操作对象是基因，D错误。