【微课第五期】人教版选修3专题1--1.4 蛋白质工程的崛起 （老久讲生物-31张ppt）课件
文档属性
| 名称 | 【微课第五期】人教版选修3专题1--1.4 蛋白质工程的崛起 （老久讲生物-31张ppt）课件 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 2.4MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2019-01-27 09:43:22 | ||
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文档简介
1.4 蛋白质工程的崛起
1、基因工程的应用
（1）基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者产生本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。
（2）基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
一、蛋白质工程崛起的缘由
玉米中赖氨酸的含量比较低。
干扰素在体外很难保存。
2、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。
资料
改造
玉米中赖氨酸含量比较低
天冬氨酸激酶
（352位的苏氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）
天冬氨酸激酶
（异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
改造
改造
3、蛋白质工程的目的：生产符合人类生产和生活的需要的蛋白质。
二、蛋白质工程的基本原理
1、目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。
创造满足人们需求的，自然界不存在的蛋白质。
2、原理：改造基因（基因修饰或基因合成）。
3、流程：
预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质→推测应有的氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列。
4、本质：第二代基因工程
基因
DNA
氨基酸序列
多肽链
蛋白质
空间结构
预期功能
生物功能
mRNA
转录
翻译
折叠
DNA合成
分子设计
流程：
蛋白质的一级结构
蛋白质的二级结构
胰岛素的三级结构
血红蛋白质的四级结构
蛋白质工程的主要步骤通常包括：
（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；
（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如定点突变；
（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。
（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；
（2）测定其氨基酸序列；
（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构
讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：
……—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—…
（1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。有多少种？
（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（DNA）？
（1）mRNA序列为：
GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）
脱氧核苷酸序列：
CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）
（2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法。
（二）蛋白质改造工程举例
1.水蛭素改造
水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。
2．生长激素改造
生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。
蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。
三、蛋白质工程的进展和前景
1、前景诱人：如用此技术制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。
2、难度很大：主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。
比较基因工程和蛋白质工程
基因工程 蛋白质工程
相同点 都要改造基因，都属于分子水平
产生新的 基因型，无新基因 基因（型）
产生的蛋白质 原有的 新的
联系 蛋白质工程以基因工程为基础，
是基因工程的应用和延伸
基因工程习题解析
1.下图分别表示的是基因的结构示意图和科学家通过基因工程培育抗虫棉时，从苏云金芽孢杆菌中提取抗虫基因开始，到“放入”棉花细胞中与棉花的DNA分子结合起来而发挥作用的过程示意图。请回答下列 有关问题：
（1）图C中的目的基因是从图A和图B中哪一个基因提取的？
，理由是 。
图A
图A编码区是连续的，符合原核基因的结构特点
（2）图C中的III是导入目的基因的受体细胞，经培养、筛选获得一株有抗虫特性的转基因植株。经分析，该植株含有一个携带目的基因的DNA片段，因此可以把它看作是杂合子。理论上该转基因植株自交F1代中仍具有抗虫特性的植株占植株总数的 ，原因是
。
3/4
1个目的基因只能嵌入到一对同源染色体的其中一条，自交产生的显性纯合子和杂合子均有抗虫特性。
（3）科学家最初在做抗虫棉实验时，虽然用一定的方法已检测出棉花植株中含有抗虫基因，但让棉铃虫食用棉花叶片时，棉铃虫并没有被杀死，这说明抗虫基因还不能在植株中表达。科学家在研究的基础上，又一次对棉花植株中的抗性基因进行了修饰，然后再让棉铃虫食用棉的叶片，结果第2天棉铃虫就中毒死亡了。这种对目的基因所做的修饰发生在（ ）
A．内含子 B．外显子 C．编码区 D．非编码区
D
（4）科学家认为，此种“转基因的抗虫棉”种植后，也可能出现不抗虫植株，此植株形成的原因可能是：
1.繁殖后代时，出现抗虫基因的基因突变，导致性状改变。2.繁殖后代时出现染色体片段的缺失，缺失的片段中存在抗性基因。
2.某研究小组为了研制预防禽流感病毒的疫苗，开展了前期研究工作。其简要的操作流程如下图。下列有关叙述错误的是( C )
A.步骤①所代表的过程是逆转录
B.步骤②需使用限制性核酸内切酶和DNA连接酶
C.步骤③可用CaCl2处理大肠杆菌，使其从感受态恢复到常态
D.检验Q蛋白的免疫反应特性，可用Q蛋白与患禽流感康复的鸡的血清进行抗原—抗体特异性反应试验
3.下面是四种不同质粒的示意图，其中ori为复制必需的序列，amp为氨苄青霉素抗性基因，tet为四环素抗性基因，箭头表示一种限制性核酸内切酶的酶切位点。若要得到一个能在四环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长的含重组DNA的细胞，应选用的质粒是( )
C
4.下列有关基因工程的叙述，错误的是( )
A.从基因组文库中获取的某种生物的部分基因，可以实现物种间的基因交流
B.从cDNA文库中获取的目的基因，既无启动子，又无内含子
C.用人的胰高血糖素基因制成的DNA探针，检测人胰岛B细胞中的mRNA，可形成杂交分子
D.基因表达载体中的标记基因,不能含有限制酶的切割位点。
D
5.降钙素是一种多肽类激素，临床上用于治疗骨质疏松症等。人的降钙素活性很低，半衰期较短。某科学机构为了研发一种活性高、半衰期长的新型降钙素，从预期新型降钙素的功能出发，推测相应的脱氧核苷酸序列，并人工合成了两条72个碱基的DNA单链，两条链通过18个碱基对形成部分双链DNA片段，再利用Klenow酶补平，获得双链DNA，过程如下图：
获得的双链DNA经EcoR Ⅰ(识别序列和切割位点—GAATTC—)和BamH Ⅰ(识别序列和切割位点—GGATCC—)双酶切后插入大肠杆菌质粒中
下列有关分析错误的是( )
A.Klenow酶是一种DNA聚合酶
B.合成的双链DNA有72个碱基对
C.EcoR Ⅰ和BamH Ⅰ双酶切的目的是保证目的基因和运载体的定向连接
D.筛选重组质粒需要大肠杆菌质粒中含有标记基因
B
解析：
A:Klenow酶作用时，以一条DNA链为模板，利用脱氧核苷酸合成互补DNA单链，这符合DNA聚合酶的作用特点。
B：（72+72）-18=126
C:双酶切防止自身环化，提高了目的基因与运载体拼接的可能性
D:标记基因的存在有助于转化成功的受体细胞的初步筛选。
6.利用基因工程技术生产羧酸酯酶（CarE）制剂的流程如图14所示，下列叙述正确的是（ ）
A.过程①需使用逆转录酶
B.过程②需使用解旋酶和PCR获取目的基因
C.过程③使用的感受态细胞可用NaCl溶液制备
D.过程④可利用DNA分子杂交鉴定目的基因是否已导入受体细胞
A
7.嗜热土壤芽胞杆菌产生的β-葡萄糖苷酶（BglB）是一种耐热纤维素酶，为使其在工业生产中更好地应用，开展了以下试验：
Ⅰ.利用大肠杆菌表达BglB酶
（1）PCR扩增bglB基因时，选用 基因组DNA作模板。
（2）右图为质粒限制酶酶切图谱。bglB基因不含图中限制酶识别序列。为使PCR扩增的bglB基因重组进该质粒，扩增的bglB基因两端需分别引入 和
不同限制酶的识别序列。
（3）大肠杆菌不能降解纤维素，但转入上述建构好的表达载体后则获得了降解纤维素的能力，这是因为 。
芽孢杆菌
NdeI
BamHI
BglB基因顺利表达，纤维素酶水解纤维素。
Ⅱ.温度对BglB酶活性的影响
（4）据图1、2可知，80℃保温30分钟后，BglB酶会 ；为高效利用BglB酶降解纤维素，反应温度最好控制在 （单选）
A.50℃ B.60℃ C.70℃ D.80℃
Ⅲ.利用分子育种技术提高BglB酶的热稳定性
在PCR扩增bglB基因的过程中，加入诱变剂可提高bglB基因的突变率。经过筛选，可获得能表达出热稳定性高的BglB酶的基因。
失活
B
（5）与用诱变剂直接处理嗜热土壤芽胞杆菌相比，上述育种技术获得热稳定性高的BglB酶基因的效率更高，其原因是在PCR过程中 （多选）。
A.仅针对bglB基因进行诱变 B.bglB基因产生了定向突变
C.bglB基因可快速累积突变 D.bglB基因突变不会导致酶的氨基酸数目改变
8.为达到相应目的，必须通过分子检测的是（ ）
A.携带链霉素抗性基因受体菌的筛选
B.产生抗人白细胞介素－8抗体的杂交瘤细胞的筛选
C.转基因抗虫棉植株抗虫效果的鉴定
D.21三体综合征的诊断
B
AC
1、基因工程的应用
（1）基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者产生本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。
（2）基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
一、蛋白质工程崛起的缘由
玉米中赖氨酸的含量比较低。
干扰素在体外很难保存。
2、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。
资料
改造
玉米中赖氨酸含量比较低
天冬氨酸激酶
（352位的苏氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）
天冬氨酸激酶
（异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
改造
改造
3、蛋白质工程的目的：生产符合人类生产和生活的需要的蛋白质。
二、蛋白质工程的基本原理
1、目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。
创造满足人们需求的，自然界不存在的蛋白质。
2、原理：改造基因（基因修饰或基因合成）。
3、流程：
预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质→推测应有的氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列。
4、本质：第二代基因工程
基因
DNA
氨基酸序列
多肽链
蛋白质
空间结构
预期功能
生物功能
mRNA
转录
翻译
折叠
DNA合成
分子设计
流程：
蛋白质的一级结构
蛋白质的二级结构
胰岛素的三级结构
血红蛋白质的四级结构
蛋白质工程的主要步骤通常包括：
（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；
（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如定点突变；
（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。
（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；
（2）测定其氨基酸序列；
（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构
讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：
……—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—…
（1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。有多少种？
（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（DNA）？
（1）mRNA序列为：
GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）
脱氧核苷酸序列：
CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）
（2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法。
（二）蛋白质改造工程举例
1.水蛭素改造
水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。
2．生长激素改造
生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。
蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。
三、蛋白质工程的进展和前景
1、前景诱人：如用此技术制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。
2、难度很大：主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。
比较基因工程和蛋白质工程
基因工程 蛋白质工程
相同点 都要改造基因，都属于分子水平
产生新的 基因型，无新基因 基因（型）
产生的蛋白质 原有的 新的
联系 蛋白质工程以基因工程为基础，
是基因工程的应用和延伸
基因工程习题解析
1.下图分别表示的是基因的结构示意图和科学家通过基因工程培育抗虫棉时，从苏云金芽孢杆菌中提取抗虫基因开始，到“放入”棉花细胞中与棉花的DNA分子结合起来而发挥作用的过程示意图。请回答下列 有关问题：
（1）图C中的目的基因是从图A和图B中哪一个基因提取的？
，理由是 。
图A
图A编码区是连续的，符合原核基因的结构特点
（2）图C中的III是导入目的基因的受体细胞，经培养、筛选获得一株有抗虫特性的转基因植株。经分析，该植株含有一个携带目的基因的DNA片段，因此可以把它看作是杂合子。理论上该转基因植株自交F1代中仍具有抗虫特性的植株占植株总数的 ，原因是
。
3/4
1个目的基因只能嵌入到一对同源染色体的其中一条，自交产生的显性纯合子和杂合子均有抗虫特性。
（3）科学家最初在做抗虫棉实验时，虽然用一定的方法已检测出棉花植株中含有抗虫基因，但让棉铃虫食用棉花叶片时，棉铃虫并没有被杀死，这说明抗虫基因还不能在植株中表达。科学家在研究的基础上，又一次对棉花植株中的抗性基因进行了修饰，然后再让棉铃虫食用棉的叶片，结果第2天棉铃虫就中毒死亡了。这种对目的基因所做的修饰发生在（ ）
A．内含子 B．外显子 C．编码区 D．非编码区
D
（4）科学家认为，此种“转基因的抗虫棉”种植后，也可能出现不抗虫植株，此植株形成的原因可能是：
1.繁殖后代时，出现抗虫基因的基因突变，导致性状改变。2.繁殖后代时出现染色体片段的缺失，缺失的片段中存在抗性基因。
2.某研究小组为了研制预防禽流感病毒的疫苗，开展了前期研究工作。其简要的操作流程如下图。下列有关叙述错误的是( C )
A.步骤①所代表的过程是逆转录
B.步骤②需使用限制性核酸内切酶和DNA连接酶
C.步骤③可用CaCl2处理大肠杆菌，使其从感受态恢复到常态
D.检验Q蛋白的免疫反应特性，可用Q蛋白与患禽流感康复的鸡的血清进行抗原—抗体特异性反应试验
3.下面是四种不同质粒的示意图，其中ori为复制必需的序列，amp为氨苄青霉素抗性基因，tet为四环素抗性基因，箭头表示一种限制性核酸内切酶的酶切位点。若要得到一个能在四环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长的含重组DNA的细胞，应选用的质粒是( )
C
4.下列有关基因工程的叙述，错误的是( )
A.从基因组文库中获取的某种生物的部分基因，可以实现物种间的基因交流
B.从cDNA文库中获取的目的基因，既无启动子，又无内含子
C.用人的胰高血糖素基因制成的DNA探针，检测人胰岛B细胞中的mRNA，可形成杂交分子
D.基因表达载体中的标记基因,不能含有限制酶的切割位点。
D
5.降钙素是一种多肽类激素，临床上用于治疗骨质疏松症等。人的降钙素活性很低，半衰期较短。某科学机构为了研发一种活性高、半衰期长的新型降钙素，从预期新型降钙素的功能出发，推测相应的脱氧核苷酸序列，并人工合成了两条72个碱基的DNA单链，两条链通过18个碱基对形成部分双链DNA片段，再利用Klenow酶补平，获得双链DNA，过程如下图：
获得的双链DNA经EcoR Ⅰ(识别序列和切割位点—GAATTC—)和BamH Ⅰ(识别序列和切割位点—GGATCC—)双酶切后插入大肠杆菌质粒中
下列有关分析错误的是( )
A.Klenow酶是一种DNA聚合酶
B.合成的双链DNA有72个碱基对
C.EcoR Ⅰ和BamH Ⅰ双酶切的目的是保证目的基因和运载体的定向连接
D.筛选重组质粒需要大肠杆菌质粒中含有标记基因
B
解析：
A:Klenow酶作用时，以一条DNA链为模板，利用脱氧核苷酸合成互补DNA单链，这符合DNA聚合酶的作用特点。
B：（72+72）-18=126
C:双酶切防止自身环化，提高了目的基因与运载体拼接的可能性
D:标记基因的存在有助于转化成功的受体细胞的初步筛选。
6.利用基因工程技术生产羧酸酯酶（CarE）制剂的流程如图14所示，下列叙述正确的是（ ）
A.过程①需使用逆转录酶
B.过程②需使用解旋酶和PCR获取目的基因
C.过程③使用的感受态细胞可用NaCl溶液制备
D.过程④可利用DNA分子杂交鉴定目的基因是否已导入受体细胞
A
7.嗜热土壤芽胞杆菌产生的β-葡萄糖苷酶（BglB）是一种耐热纤维素酶，为使其在工业生产中更好地应用，开展了以下试验：
Ⅰ.利用大肠杆菌表达BglB酶
（1）PCR扩增bglB基因时，选用 基因组DNA作模板。
（2）右图为质粒限制酶酶切图谱。bglB基因不含图中限制酶识别序列。为使PCR扩增的bglB基因重组进该质粒，扩增的bglB基因两端需分别引入 和
不同限制酶的识别序列。
（3）大肠杆菌不能降解纤维素，但转入上述建构好的表达载体后则获得了降解纤维素的能力，这是因为 。
芽孢杆菌
NdeI
BamHI
BglB基因顺利表达，纤维素酶水解纤维素。
Ⅱ.温度对BglB酶活性的影响
（4）据图1、2可知，80℃保温30分钟后，BglB酶会 ；为高效利用BglB酶降解纤维素，反应温度最好控制在 （单选）
A.50℃ B.60℃ C.70℃ D.80℃
Ⅲ.利用分子育种技术提高BglB酶的热稳定性
在PCR扩增bglB基因的过程中，加入诱变剂可提高bglB基因的突变率。经过筛选，可获得能表达出热稳定性高的BglB酶的基因。
失活
B
（5）与用诱变剂直接处理嗜热土壤芽胞杆菌相比，上述育种技术获得热稳定性高的BglB酶基因的效率更高，其原因是在PCR过程中 （多选）。
A.仅针对bglB基因进行诱变 B.bglB基因产生了定向突变
C.bglB基因可快速累积突变 D.bglB基因突变不会导致酶的氨基酸数目改变
8.为达到相应目的，必须通过分子检测的是（ ）
A.携带链霉素抗性基因受体菌的筛选
B.产生抗人白细胞介素－8抗体的杂交瘤细胞的筛选
C.转基因抗虫棉植株抗虫效果的鉴定
D.21三体综合征的诊断
B
AC