生物人教版（2019）选择性必修3 3.4蛋白质工程的原理和应用（共26张ppt）
文档属性
| 名称 | 生物人教版（2019）选择性必修3 3.4蛋白质工程的原理和应用（共26张ppt） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 2.9MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2022-12-18 20:00:33 | ||
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文档简介
(共26张PPT)
选择性必修3 生物技术与工程 第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
【学习目标】
1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。（生命观念）
2.概述蛋白质工程的基本原理。（生命观念）
3.运用蛋白质工程技术解决实际问题。（社会责任）
【温故知新】
基因工程的实质？
基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
思考：基因工程产生的蛋白质是否完全符合人类的需要？
基因工程的不足：
原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。
天然蛋白质的不足：
天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们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。
如何改造这些蛋白质？
二、概念：
从定义可以看出，蛋白质工程的实质:
定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
→改造或合成基因
思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
⑴蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
⑵改造的基因可以遗传，改造的蛋白质无法遗传；
⑶蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
⑷改造基因比改造蛋白质更容易操作。
蛋白质工程的现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而蛋白质高级结构非常复杂
一级结构：氨基酸排序
二级结构：指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式
三级结构：蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象
四级结构：在体内有许多蛋白质含有2条或2条以上多肽链,才能全面地执行功能。每一条多肽链都有其完完整的三级结构,称为亚基
追问：蛋白质的高级结构究竟有多复杂？
三、蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程________：
相反
从_________________出发→设计______________→推测______________→找到并改变_________________或____________→获得所需要的蛋白质。
预期蛋白质功能
预期蛋白质结构
应有氨基酸序列
相对应的脱氧核苷酸序列
合成新基因
预期功能
预期结构
推测
氨基酸序列（多肽链）
改造或合成
目的基因
转录
mRNA
翻译
折叠
设计
行使
如果让你设计一种蛋白质，你的思路或途径？
预期_____________→设计____________
→推测___________→找到____________
预期功能
预期结构
推测
氨基酸序列（多肽链）
改造或合成
目的基因
转录
mRNA
翻译
折叠
设计
行使
1.设计好了新蛋白质的氨基酸序列，能否写出对应基因的碱基序列？
例：某多肽链的一段氨基酸序列是：—丙—色—赖—谷—苯丙—
讨论1.请写出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？
提示：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG) 色氨酸(UGG)赖氨酸(AAA、AAG） 谷氨酸（GAA、GAG） 苯丙氨酸（UUU、UUC）
mRNA序列为：GCU UGG AAA GAA UUU
DNA序列为：CGA ACC TTT CTT AAA
GCT TGG AAA GAA TTT
共___种可能序列
32
【思考·讨论】
讨论2.确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？
⑴可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因
⑵应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因；
拓展：基因的定点突变技术1------重叠PCR技术
①该过程需要______种引物；
②PCR1的产物AB是引物___和引物___扩增的结果；
③PCR2的产物CD是引物___和引物___扩增的结果；
④产物AD的形成需要引物吗？___________________________________
⑤需要改变的碱基位于引物___和引物___上
⑥引物b和引物c之间有什么关系？__________________________________
⑦PCR3中突变产物AD的扩增需要引物___
和引物___
4
a
b
c
d
b
c
引物b和引物c应有部分碱基互补的关系
a
d
不需要，但需要耐高温的DNA聚合酶
该过程需要三种引物，第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增；第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条链作为下游大引物，与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段。
拓展：基因的定点突变技术2------大引物PCR技术
拓展：基因的定点突变技术3------突变质粒
噬菌体
动植物病毒
引物
原料
耐高温
DNA聚合酶
专一性
①②③④
Ca2+
缓冲液
拓展：基因定点突变技术和基因突变的比较
定点突变 基因突变
相同点 类型
结果
不同点 场所
手段
方向
产生新基因
生物体外
生物体内
PCR技术
诱变因素
定向改造
不定向性
碱基对的增添、缺失、替换
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
操作水平
结果
实质
联系
基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
可生产自然界没有的蛋白质
可生产自然界已有的蛋白质
通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状
①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；
②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程基本操作；
预期蛋白质功能
目的基因
蛋白质工程与基因工程的比较
小结：如何判断一个操作是基因工程还是蛋白质工程
是否合成新的基因
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否为天然蛋白质
是
否
蛋白质工程
基因工程
【现学现用】
下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是________；代表中心法则内容的是__________。(填写数字)
(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：
①______；②______；③______；④______；⑤__________。
(3)蛋白质工程的目的是_______________________________ ___________________________，通过____________________实现。
(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。
④⑤
①②③
转录
翻译
折叠
推测
改造合成
根据人们对蛋白质功能的特定需求，
基因改造或基因合成
相反
对蛋白质的结构进行分子设计
四、蛋白质工程的应用
1.研发速效胰岛素类似物
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
预期结构
改造
B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置
新胰岛素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
降低胰岛素的聚合作用
设计结构
改变B链第20-29位氨基酸组成
推测序列
翻译
多肽链
有效抑制胰岛素的聚合
定点突变
四、蛋白质工程的应用
2.延长干扰素体外保存时间
干扰素在体外保存相当困难
将干扰素分子上的一个半胱氨酸换成丝氨酸
在-70℃下干扰素可保存半年
？
天然干扰素不易保存
改造
新干扰素基因
预期功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
一个半胱氨酸变成丝氨酸
推测序列
预期结构
转录
mRNA
折叠
翻译
多肽链
行使功能
在-70℃下可以保存半年
定点突变
3.合成嵌合抗体
四、蛋白质工程的应用
通过__________，将小鼠抗体上_________的区域（即________）“嫁接”到_________（即_______）上，经过这样改造的抗体__________________；
改造基因
结合抗原
可变区
人的抗体
恒定区
诱发免疫反应的强度就会降低很多
鼠抗体
人抗体
恒定区
恒定区
可变区
可变区
嵌合抗体
对人体的不良反应减少
四、蛋白质工程的应用
4.在农业生产上的应用
改造某些参与调控光合作用的酶，
以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量；
设计优良微生物农药，改造微生物蛋白质的结构，
使它防治病虫害的效果增强；
5.改变蛋白质的活性，延长作用时间
【材料1】组织纤溶酶原激活物(t-PA)专一激活人体内的纤溶系统，保证血液循环的畅通。但 t-PA用于溶栓治疗时具有一定的局限性，它进入血浆后大部分与纤溶酶原激活剂抑制物 形成复合物，并迅速失去活性。利用蛋白质工程技术对t-PA进行改造，就可以消除上述缺点， 从而增加溶栓效能，减少药用剂量并降低副作用。
【材料2】延长白细胞介素-2的作用时间白细胞介素-2(IL-2)是一种细胞因子，能够促进T淋巴细胞增殖以及增强某些免疫细胞的活性，已被广泛运用于各种肿瘤和病毒感染疾病的治疗。IL-2作为临床药物在血浆中的作用时间较短，治疗期间需要频繁给药。科学家通过蛋白质工程，将长效人血清白蛋白（HSA)与IL-2重组，获得了一种新的融合蛋白（HSA/IL-2),这种融合蛋白既具有普通IL-2的生物活性，作用时间又有所延长，可明显提高IL-2的疗效。
基因拼接
定点突（诱）变
四、蛋白质工程的应用
一.概念检测
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。
（1）基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。 （ ）
（2）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。 （ ）
（3）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。 （ ）
×
×
√
练习与应用（P96）
一.概念检测
2.蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到 的目的是 （ ）
A.分析蛋白质的三维结构
B.研究蛋白质的氨基酸组成
C.获取编码蛋白质的基因序列信息
D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满 足人类的需求
3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第 47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这 项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（ ）
A.基因 B.氨基酸
C.多肽链 D.蛋白质
D
A
练习与应用（P96）
二.拓展应用
T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴？在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么？如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作？
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。
练习与应用（P96）
1.
(1)应选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质粒和含有目的基因的DNA片段，并且注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部，以防破坏目的基因，限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等结构。
(2)加入DNA连接酶。
(3)该质粒便于进行双重筛选。标记基因AmpR基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。而由于LacZ基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色：含有空质粒（没有连接目的基因的质粒）的大肠杆菌菌落呈蓝色；含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。
(4)含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。因为目的基因的插入破坏了LacZ基因的结构，使其不能正常表达，形成β-半乳糖苷酶，底物X-gal也就不会被分解。
复习与提高（P98）
2.
(1)逆转录病毒是载体，能将外源基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和KIf4送入小鼠成纤维细胞。
(2)可以设置对照组。将转入外源基因和没有转人外源基因的细胞分别培养在相同的培养基中，并确保其他培养条件相同。如果只有转入外源基因的细胞转化成了iPS细胞，就可以证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用。
(3)可以依次去掉1个基因，将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中，然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较，来推测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响，进而判断每个基因作用的相对大小。（其他合理答案均可）
(4）不会引起免疫排斥反应，因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化，理论上产生的还是“自体”细胞。iPS细胞拥有分化为各种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险。
复习与提高（P98）
3.水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。
方案一 把根瘤菌的固氮相关基因导入水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氮肥的施用量。
方案二 直接将固氮相关基因导入水稻细胞中，建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，这样就可以免施氮肥了。
(1)请评估这两种方案哪种更容易实现。
从亲缘关系的远近来看，固氮相关基因可能更容易在水稻根系微生物中稳定存在和表达，进而使其具有固氮的能力。
复习与提高（P98）
3.水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。
方案一 把根瘤菌的固氮相关基因导入水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氮肥的施用量。
方案二 直接将固氮相关基因导入水稻细胞中，建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，这样就可以免施氮肥了。
(2)如果两个方案都实现的话，你认为哪种更值得推广？请说出你的理由。
此题不要求有唯一的答案，学生可从便捷性、安全性、经济性等角度进行分析，言之成理即可。例如，从便捷性角度认为能固氮的水稻新品种更值得推广；或从转基因安全性角度认为能固氮的水稻根系微生物更值得推广等。
复习与提高（P98）
选择性必修3 生物技术与工程 第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
【学习目标】
1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。（生命观念）
2.概述蛋白质工程的基本原理。（生命观念）
3.运用蛋白质工程技术解决实际问题。（社会责任）
【温故知新】
基因工程的实质？
基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
思考：基因工程产生的蛋白质是否完全符合人类的需要？
基因工程的不足：
原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。
天然蛋白质的不足：
天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们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。
如何改造这些蛋白质？
二、概念：
从定义可以看出，蛋白质工程的实质:
定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
→改造或合成基因
思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
⑴蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
⑵改造的基因可以遗传，改造的蛋白质无法遗传；
⑶蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
⑷改造基因比改造蛋白质更容易操作。
蛋白质工程的现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而蛋白质高级结构非常复杂
一级结构：氨基酸排序
二级结构：指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式
三级结构：蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象
四级结构：在体内有许多蛋白质含有2条或2条以上多肽链,才能全面地执行功能。每一条多肽链都有其完完整的三级结构,称为亚基
追问：蛋白质的高级结构究竟有多复杂？
三、蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程________：
相反
从_________________出发→设计______________→推测______________→找到并改变_________________或____________→获得所需要的蛋白质。
预期蛋白质功能
预期蛋白质结构
应有氨基酸序列
相对应的脱氧核苷酸序列
合成新基因
预期功能
预期结构
推测
氨基酸序列（多肽链）
改造或合成
目的基因
转录
mRNA
翻译
折叠
设计
行使
如果让你设计一种蛋白质，你的思路或途径？
预期_____________→设计____________
→推测___________→找到____________
预期功能
预期结构
推测
氨基酸序列（多肽链）
改造或合成
目的基因
转录
mRNA
翻译
折叠
设计
行使
1.设计好了新蛋白质的氨基酸序列，能否写出对应基因的碱基序列？
例：某多肽链的一段氨基酸序列是：—丙—色—赖—谷—苯丙—
讨论1.请写出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？
提示：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG) 色氨酸(UGG)赖氨酸(AAA、AAG） 谷氨酸（GAA、GAG） 苯丙氨酸（UUU、UUC）
mRNA序列为：GCU UGG AAA GAA UUU
DNA序列为：CGA ACC TTT CTT AAA
GCT TGG AAA GAA TTT
共___种可能序列
32
【思考·讨论】
讨论2.确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？
⑴可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因
⑵应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因；
拓展：基因的定点突变技术1------重叠PCR技术
①该过程需要______种引物；
②PCR1的产物AB是引物___和引物___扩增的结果；
③PCR2的产物CD是引物___和引物___扩增的结果；
④产物AD的形成需要引物吗？___________________________________
⑤需要改变的碱基位于引物___和引物___上
⑥引物b和引物c之间有什么关系？__________________________________
⑦PCR3中突变产物AD的扩增需要引物___
和引物___
4
a
b
c
d
b
c
引物b和引物c应有部分碱基互补的关系
a
d
不需要，但需要耐高温的DNA聚合酶
该过程需要三种引物，第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增；第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条链作为下游大引物，与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段。
拓展：基因的定点突变技术2------大引物PCR技术
拓展：基因的定点突变技术3------突变质粒
噬菌体
动植物病毒
引物
原料
耐高温
DNA聚合酶
专一性
①②③④
Ca2+
缓冲液
拓展：基因定点突变技术和基因突变的比较
定点突变 基因突变
相同点 类型
结果
不同点 场所
手段
方向
产生新基因
生物体外
生物体内
PCR技术
诱变因素
定向改造
不定向性
碱基对的增添、缺失、替换
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
操作水平
结果
实质
联系
基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
可生产自然界没有的蛋白质
可生产自然界已有的蛋白质
通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状
①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；
②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程基本操作；
预期蛋白质功能
目的基因
蛋白质工程与基因工程的比较
小结：如何判断一个操作是基因工程还是蛋白质工程
是否合成新的基因
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否为天然蛋白质
是
否
蛋白质工程
基因工程
【现学现用】
下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是________；代表中心法则内容的是__________。(填写数字)
(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：
①______；②______；③______；④______；⑤__________。
(3)蛋白质工程的目的是_______________________________ ___________________________，通过____________________实现。
(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。
④⑤
①②③
转录
翻译
折叠
推测
改造合成
根据人们对蛋白质功能的特定需求，
基因改造或基因合成
相反
对蛋白质的结构进行分子设计
四、蛋白质工程的应用
1.研发速效胰岛素类似物
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
预期结构
改造
B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置
新胰岛素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
降低胰岛素的聚合作用
设计结构
改变B链第20-29位氨基酸组成
推测序列
翻译
多肽链
有效抑制胰岛素的聚合
定点突变
四、蛋白质工程的应用
2.延长干扰素体外保存时间
干扰素在体外保存相当困难
将干扰素分子上的一个半胱氨酸换成丝氨酸
在-70℃下干扰素可保存半年
？
天然干扰素不易保存
改造
新干扰素基因
预期功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
一个半胱氨酸变成丝氨酸
推测序列
预期结构
转录
mRNA
折叠
翻译
多肽链
行使功能
在-70℃下可以保存半年
定点突变
3.合成嵌合抗体
四、蛋白质工程的应用
通过__________，将小鼠抗体上_________的区域（即________）“嫁接”到_________（即_______）上，经过这样改造的抗体__________________；
改造基因
结合抗原
可变区
人的抗体
恒定区
诱发免疫反应的强度就会降低很多
鼠抗体
人抗体
恒定区
恒定区
可变区
可变区
嵌合抗体
对人体的不良反应减少
四、蛋白质工程的应用
4.在农业生产上的应用
改造某些参与调控光合作用的酶，
以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量；
设计优良微生物农药，改造微生物蛋白质的结构，
使它防治病虫害的效果增强；
5.改变蛋白质的活性，延长作用时间
【材料1】组织纤溶酶原激活物(t-PA)专一激活人体内的纤溶系统，保证血液循环的畅通。但 t-PA用于溶栓治疗时具有一定的局限性，它进入血浆后大部分与纤溶酶原激活剂抑制物 形成复合物，并迅速失去活性。利用蛋白质工程技术对t-PA进行改造，就可以消除上述缺点， 从而增加溶栓效能，减少药用剂量并降低副作用。
【材料2】延长白细胞介素-2的作用时间白细胞介素-2(IL-2)是一种细胞因子，能够促进T淋巴细胞增殖以及增强某些免疫细胞的活性，已被广泛运用于各种肿瘤和病毒感染疾病的治疗。IL-2作为临床药物在血浆中的作用时间较短，治疗期间需要频繁给药。科学家通过蛋白质工程，将长效人血清白蛋白（HSA)与IL-2重组，获得了一种新的融合蛋白（HSA/IL-2),这种融合蛋白既具有普通IL-2的生物活性，作用时间又有所延长，可明显提高IL-2的疗效。
基因拼接
定点突（诱）变
四、蛋白质工程的应用
一.概念检测
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。
（1）基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。 （ ）
（2）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。 （ ）
（3）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。 （ ）
×
×
√
练习与应用（P96）
一.概念检测
2.蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到 的目的是 （ ）
A.分析蛋白质的三维结构
B.研究蛋白质的氨基酸组成
C.获取编码蛋白质的基因序列信息
D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满 足人类的需求
3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第 47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这 项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（ ）
A.基因 B.氨基酸
C.多肽链 D.蛋白质
D
A
练习与应用（P96）
二.拓展应用
T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴？在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么？如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作？
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。
练习与应用（P96）
1.
(1)应选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质粒和含有目的基因的DNA片段，并且注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部，以防破坏目的基因，限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等结构。
(2)加入DNA连接酶。
(3)该质粒便于进行双重筛选。标记基因AmpR基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。而由于LacZ基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色：含有空质粒（没有连接目的基因的质粒）的大肠杆菌菌落呈蓝色；含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。
(4)含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。因为目的基因的插入破坏了LacZ基因的结构，使其不能正常表达，形成β-半乳糖苷酶，底物X-gal也就不会被分解。
复习与提高（P98）
2.
(1)逆转录病毒是载体，能将外源基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和KIf4送入小鼠成纤维细胞。
(2)可以设置对照组。将转入外源基因和没有转人外源基因的细胞分别培养在相同的培养基中，并确保其他培养条件相同。如果只有转入外源基因的细胞转化成了iPS细胞，就可以证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用。
(3)可以依次去掉1个基因，将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中，然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较，来推测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响，进而判断每个基因作用的相对大小。（其他合理答案均可）
(4）不会引起免疫排斥反应，因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化，理论上产生的还是“自体”细胞。iPS细胞拥有分化为各种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险。
复习与提高（P98）
3.水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。
方案一 把根瘤菌的固氮相关基因导入水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氮肥的施用量。
方案二 直接将固氮相关基因导入水稻细胞中，建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，这样就可以免施氮肥了。
(1)请评估这两种方案哪种更容易实现。
从亲缘关系的远近来看，固氮相关基因可能更容易在水稻根系微生物中稳定存在和表达，进而使其具有固氮的能力。
复习与提高（P98）
3.水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。
方案一 把根瘤菌的固氮相关基因导入水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氮肥的施用量。
方案二 直接将固氮相关基因导入水稻细胞中，建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，这样就可以免施氮肥了。
(2)如果两个方案都实现的话，你认为哪种更值得推广？请说出你的理由。
此题不要求有唯一的答案，学生可从便捷性、安全性、经济性等角度进行分析，言之成理即可。例如，从便捷性角度认为能固氮的水稻新品种更值得推广；或从转基因安全性角度认为能固氮的水稻根系微生物更值得推广等。
复习与提高（P98）