第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用(课件PPT)-【勤径学升】2024-2025学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程同步练测（人教版2019）

单击此处添加文本具体内容 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.简述蛋白质工程的原理。 2.概述蛋白质工程的进展和前景。 第4节　蛋白质工程的原理和应用 [对应学生用书第87页] 一、蛋白质工程 1.概念 （1）基础：蛋白质分子的 　结构规律　⁠及其与 　生物功能　⁠的关系。 结构规律　 生物功能　 第4节　蛋白质工程的原理和应用 （2）手段：通过 　改造　⁠或 　合成　⁠基因，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质。 改造　 合成　 （3）目的：获得满足人类的生产和生活需求的 　蛋白质　⁠。 蛋白质　 2.理论和技术条件： 　分子生物学　⁠、 　晶体学　⁠以及 　计算机　⁠技术的迅猛发展。 分子生物学　 晶体学　 计算机　 第4节　蛋白质工程的原理和应用 二、蛋白质工程崛起的缘由 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，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　⁠。 2.基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界中 　已存在　⁠的蛋白质。 3.天然蛋白质的不足：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。 4.实例：玉米中赖氨酸的含量比较低，赖氨酸合成中两种酶的 　氨基酸　⁠被替换，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。 基因　 蛋白质　 新的性状　 已存在　 特定物种　 人类生产和生活　 氨基酸　 第4节　蛋白质工程的原理和应用 三、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设计改造。 2.方法： 　改造基因　⁠或 　合成基因　⁠。 3.基本思路：预期蛋白质功能→设计预期的 　蛋白质结构　⁠→推测应有的 　氨基酸　⁠序列→找到相对应的 　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。 蛋白质　 改造基因　 合成基因　 蛋白质结构　 氨基酸　 脱氧核苷酸　 基因　 第4节　蛋白质工程的原理和应用 四、蛋白质工程的应用 1.在医药工业方面的应用 （1）研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造 　胰岛素　⁠基因使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了 　胰岛素的聚合　⁠，研发出速效胰岛素类似物。 （2）提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个 　半胱氨酸　⁠变成 　丝氨酸　⁠，提高了干扰素的保存时间。 胰岛素　 胰岛素的聚合　 半胱氨酸　 丝氨酸　 第4节　蛋白质工程的原理和应用 （3）改造抗体：将小鼠单克隆抗体上 　结合抗原的区域　⁠“嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。 结合抗原的区域　 2.在其他工业和农业方面的应用 （1）改进酶的性能或开发新的工业用酶：利用蛋白质工程获得蛋白酶的多种 　突变体　⁠。 （2）改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造参与 　调控光合作用　⁠的酶，以提高植物光合作用的效率。 突变体　 调控光合作用　 第4节　蛋白质工程的原理和应用 判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 （1）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。（　×　） （2）蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子。 （　√　） （3）实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系。 （　√　） × √ √ 第4节　蛋白质工程的原理和应用 （4）基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。（　×　） （5）根据某多肽链的一段氨基酸序列，可以很容易地确定控制该肽链合成的基因的脱氧核苷酸序列。（　×　） （6）蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为人们对蛋白质复杂的高级结构没有完全认识。（　√　） × × √ 第4节　蛋白质工程的原理和应用 [对应学生用书第88页] 知识点　蛋白质工程的原理和应用 　　随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展，蛋白质工程取得了很大的进展。目前，它已成为研究蛋白质结构和功能的重要手段，并将广泛应用于农业、医药工业和其他工业生产中。研发速效胰岛素类似物就是生动的实例。 第4节　蛋白质工程的原理和应用 天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。目前，科学家通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，使人胰岛素B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制胰岛素的聚合。 第4节　蛋白质工程的原理和应用 　（1）如何生产速效胰岛素，可以直接对天然胰岛素进行改造吗？ 提示：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，而且可以遗传下去。如果直接改造蛋白质，即使改造成功，被改造的蛋白质还是无法遗传。对基因进行改造比直接对蛋白质进行改造要容易操作，难度要小得多。不可以。 第4节　蛋白质工程的原理和应用 （2）假如利用大肠杆菌生产速效胰岛素，你能否设计出生产胰岛素的流程？如果能，请写出设计过程。 提示：能。从人体内分离和纯化胰岛素，测定胰岛素分子中氨基酸的序列→将胰岛素高度纯化，利用技术手段了解胰岛素的空间结构→根据胰岛素结构与功能之间的关系.通过改变基因的碱基序列，来改变氨基酸的排列顺序，将B28位脯氨酸与B29位赖氨酸交换位置，或使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸→合成目的基因→构建基因表达载体→导入大肠杆菌→生产速效胰岛素。 第4节　蛋白质工程的原理和应用 （3）蛋白质工程被称为“第二代基因工程”，请概述二者的根本区别及其联系。 提示：二者的根本区别是基因工程只能控制合成自然界中已存在的蛋白质，蛋白质工程可以制造出符合人类需要的自然界没有的蛋白质。二者的联系表现在蛋白质工程离不开基因工程，蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶，需要构建基因表达载体；改造后的基因要表达出相应的蛋白质，同样需要将改造或合成的基因导入受体细胞。 第4节　蛋白质工程的原理和应用 　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 操作对象 基因 基因 操作水平 DNA分子水平 DNA分子水平 基本过程 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 第4节　蛋白质工程的原理和应用 比较项目 基因工程 蛋白质工程 实质 通过基因重组定向改造生物的遗传特性，以获得人类需要的生物类型或生物产品 通过改造或合成基因，生产人类所需的但自然界不存在的蛋白质 结果 生产自然界已有的蛋白质 生产自然界没有的蛋白质 第4节　蛋白质工程的原理和应用 1.胰岛素可用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后易在皮下堆积，需较长时间才能进入血液，进入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影响。如图是新的速效胰岛素的生产过程，有关叙述错误的是 （　　） 第4节　蛋白质工程的原理和应用 A.新的胰岛素的预期功能是构建新胰岛素模型的主要依据 B.新的胰岛素生产过程中不涉及中心法则 C.若用大肠杆菌生产新的胰岛素，常用Ca2＋处理大肠杆菌 D.新的胰岛素功能的发挥必须依赖蛋白质正确的高级结构 解析　新的胰岛素生产过程中涉及中心法则，B错误。 答案　B 第4节　蛋白质工程的原理和应用 2.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，蛋白质工程不对基因进行操作 B.基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程合成的不是天然存在的蛋白质 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 第4节　蛋白质工程的原理和应用 解析　基因工程和蛋白质工程均是对基因进行操作，A错误；基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程可以合成非天然存在的蛋白质，B正确；基因工程和蛋白质工程都是分子水平的操作，C错误；基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状，但只能生产自然界已存在的蛋白质；蛋白质工程是通过修改基因或创造合成新基因来合成新的蛋白质，改变生物的遗传性状，蛋白质工程不完全同于基因工程，蛋白质工程被称为第二代基因工程，D错误。 答案　B 第4节　蛋白质工程的原理和应用 　　　　　　　　　　　　　⁠素养发展　探究应用 　　　　　　　　　　　　　  [情境] 水蛭唾液腺分泌的水蛭素（蛋白质）是一种优良的凝血酶抑制剂，在血栓治疗上有着重要的医学价值，但天然的水蛭素的临床活性较低，如果将水蛭素分子中第47位的天冬酰胺替换成赖氨酸，其分子活性会提高20倍。 第4节　蛋白质工程的原理和应用 （1）上述过程中的操作对象是水蛭素吗？试解释原因。 提示：不是。因为对基因改造比对蛋白质直接进行改造要容易，且改造过的基因可以遗传给后代，而改造过的蛋白质不能遗传到下一代，所以操作对象为控制水蛭素合成的基因。 [探究] 第4节　蛋白质工程的原理和应用 （2）科学家通过反复实验，获得了改造后的水蛭素基因，将水蛭素基因导入大肠杆菌中，结果发现，获得的水蛭素注入血栓患者体内后并没有达到令人满意的效果。请你试分析可能的原因。 提示：大肠杆菌为原核细胞，没有内质网和高尔基体，不能对水蛭素的肽链进行加工（其加工过程与水蛭细胞内的加工过程不同），导致水蛭素分子结构异常，功能下降。 第4节　蛋白质工程的原理和应用 第4节　蛋白质工程的原理和应用 [对应学生用书第90页] 第4节　蛋白质工程的原理和应用 1.判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 （1）蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。（　√　） （2）蛋白质工程以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础。 （　√　） （3）基因工程在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程在分子水平对蛋白质进行操作。（　×　） （4）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。（　√　） √ √ × √ （5）蛋白质工程最终要达到的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息。（　×　） （6）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。（　×　） × × 第4节　蛋白质工程的原理和应用 2.蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主要包括 （　　） ①进行少数氨基酸的替换 ②对不同来源的蛋白质的拼接 ③从氨基酸的排列顺序出发设计全新的蛋白质 ④直接改变蛋白质的空间结构 A.①③④ B.①②③ C.②③④ D.①②④ 第4节　蛋白质工程的原理和应用 解析　对已知结构的蛋白质进行少数氨基酸的替换，属于蛋白质工程中的分子设计，①正确；对不同来源的蛋白质分子进行拼接组装，属于蛋白质工程中对蛋白质分子的设计，②正确；从预期的蛋白质功能出发去推测氨基酸的排列顺序，属于蛋白质工程中对蛋白质分子的设计，③正确；蛋白质分子通常较大，直接改变蛋白质的空间结构不易操作，因此蛋白质工程是在基因水平上实现的，④错误。 答案　B 第4节　蛋白质工程的原理和应用 3.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 解析　蛋白质工程的最终目的是改造现有的蛋白质，或者制造一种全新的蛋白质，以满足人类的需求。 答案　D 第4节　蛋白质工程的原理和应用 第4节　蛋白质工程的原理和应用 第4节　蛋白质工程的原理和应用 第4节　蛋白质工程的原理和应用 5.枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性，但极易被氧化而失效。1985年，科学家埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替换后，其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有效地除去血渍、奶渍等蛋白质污渍。据此回答下列问题： （1）改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是 　　　　　　　　⁠。  （2）改造后的枯草杆菌蛋白酶基因与原来相比，至少有 　　　　⁠个碱基对发生变化。  第4节　蛋白质工程的原理和应用 （3）利用生物技术改造蛋白质，提高了蛋白质的稳定性，埃斯特尔所做的工作是对已知蛋白质进行 　　　　　　　　⁠。  （4）若要获得新型蛋白质，需用到的生物工程有蛋白质工程、 　　　　⁠和发酵工程。  （5）埃斯特尔获得新型的枯草杆菌蛋白酶的基本思路是什么？ 　 ⁠。  第4节　蛋白质工程的原理和应用 解析　（1）蛋白酶的化学本质是蛋白质，改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是蛋白质工程。 （2）由于将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替换，氨基酸发生了改变，改造后的枯草杆菌蛋白酶基因与原来相比，至少有1个碱基对发生变化。（3）利用生物技术改造蛋白质，提高了蛋白质的稳定性，埃斯特尔所做的工作是对已知蛋白质进行少数氨基酸的替换。 （4）若要获得新型蛋白质，需用到的生物工程有蛋白质工程、基因工程和发酵工程。（5）蛋白质工程的目的是合成满足人类生产和生活需求的蛋白质。获得新型的枯草杆菌蛋白酶的基本思路是：从预期的蛋白质功能出发，设计预期蛋白质的结构，推测应有的氨基酸序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后对现有的基因进行改造或利用DNA合成仪合成基因。 第4节　蛋白质工程的原理和应用 答案　（1）蛋白质工程　 （2）1　 （3）少数氨基酸的替换　 （4）基因工程 （5）从预期的蛋白质功能出发，设计预期蛋白质的结构，推测应有的氨基酸序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后对现有的基因进行改造或利用DNA合成仪合成基因 第4节　蛋白质工程的原理和应用 4．(陕西西安二中期中)蛛丝的强度和柔韧度得益于蛛丝蛋白的特殊布局。有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构推测出相应的基因结构，用以指导对蚕丝蛋白的修改，让蚕也吐出坚韧的丝。下列有关说法正确的是(　　) A．蚕合成像蛛丝蛋白一样坚韧的丝的过程不遵循中心法则 B．蛋白质空间结构复杂是蛋白质工程实施难度大的重要原因 C．可以利用PCR等技术检测是否有目标蛋白的合成 D．利用基因工程技术不能改变基因上特定位点的核苷酸序列 解析　蚕合成像蛛丝蛋白一样坚韧的丝的过程包括了转录、翻译过程，遵循中心法则，A错误；蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂，B正确；PCR技术不能检测蛋白质，可用抗原—抗体杂交技术检测蛋白质，C错误；利用基因工程技术可以改变基因上特定位点的核苷酸序列，进而实现对蛋白质的改造，D错误。 答案　B $$