高中生物 探究導(dǎo)學(xué)課型 專題1 基因工程 1.4 蛋白質(zhì)工程的崛起同課異構(gòu)課件 新人教版選修3.ppt

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1.4 蛋白質(zhì)工程的崛起,探究1 蛋白質(zhì)工程崛起的緣由 【研讀教材自主認(rèn)知】 1.基因工程的實(shí)質(zhì):將一種生物的_____轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi),后者 可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì),進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀。 2.蛋白質(zhì)工程: (1)崛起緣由。 ①基因工程在原則上只能生產(chǎn)_____________的蛋白質(zhì)。 ②天然蛋白質(zhì)的___________符合特定_________的需要,卻不一定完 全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。,基因,自然界已存在,結(jié)構(gòu)和功能,物種生存,(2)實(shí)例。,絲氨酸,蘇氨酸,(改造后玉米葉片和種子中游離賴氨酸含量分別提高5倍和2倍),天冬酰胺,【小判斷】 (1)蛋白質(zhì)工程可以生產(chǎn)蛋白質(zhì),基因工程只能生產(chǎn)基因。 ( ) 【分析】?jī)烧叨伎梢陨a(chǎn)蛋白質(zhì)?；蚬こ炭赏ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)生產(chǎn)該 基因控制表達(dá)的蛋白質(zhì)。 (2)若將正常的基因片段導(dǎo)入貧血癥患者的骨髓造血干細(xì)胞中,可以達(dá) 到治療目的,這不屬于蛋白質(zhì)工程。 ( ) 【分析】此操作是將健康的正常的目的基因?qū)胗腥毕莸氖荏w細(xì)胞, 合成的蛋白質(zhì)仍為天然存在的蛋白質(zhì),所以不屬于蛋白質(zhì)工程,屬于基 因工程。,,√,(3)蛋白質(zhì)工程能生產(chǎn)出自然界中不曾存在過(guò)的新型蛋白質(zhì)分子。 ( ) 【分析】蛋白質(zhì)工程是依據(jù)人們?cè)O(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)來(lái)改造基因的, 控制合成的蛋白質(zhì)可能是自然界中不曾存在過(guò)的蛋白質(zhì)分子。,√,【合作探究核心歸納】 1.基因工程的局限性: (1)基因工程的實(shí)質(zhì)是什么? 提示:向一種生物體內(nèi)轉(zhuǎn)入另一種生物的基因,令其成功表達(dá),并表現(xiàn)出新的性狀。 (2)基因工程能否完全滿足人們生產(chǎn)生活的需要,為什么? 提示:不能,因?yàn)榛蚬こ讨荒苌a(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。,2.蛋白質(zhì)工程的實(shí)例: (1)經(jīng)改造的干擾素基因合成的干擾素和原來(lái)的相比,在結(jié)構(gòu)和功能上有什么改變? 提示:經(jīng)改造的干擾素,其分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸,結(jié)果大大提高該干擾素在體外儲(chǔ)存的穩(wěn)定性。 (2)可以通過(guò)哪些途徑提高玉米中的賴氨酸含量? 提示:①可以將富含賴氨酸的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胗衩?②可以改變賴氨酸合成途徑中關(guān)鍵酶的活性。,(3)為什么改變一個(gè)氨基酸就可以改變蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性甚至某種蛋白質(zhì)酶的活性? 提示:蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是由其氨基酸組成決定的,個(gè)別氨基酸的改變就會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的改變,從而影響到其性質(zhì)和功能。,【精講精析】蛋白質(zhì)工程誕生的必要性 從實(shí)例中可以看出自然界中原有的蛋白質(zhì)在很多時(shí)候不能滿足人們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用,因此需要對(duì)現(xiàn)有的蛋白質(zhì)進(jìn)行加工改造,提高其性質(zhì)和作用。,【過(guò)關(guān)小練即時(shí)應(yīng)用】 1.將富含賴氨酸的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胗衩准?xì)胞,可以提高玉米中的賴氨酸含量;更換賴氨酸形成過(guò)程中的天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的個(gè)別氨基酸,使兩種酶的活性提高,也可以提高玉米中的賴氨酸含量。以上兩種技術(shù)分別屬于( ) A.基因工程 基因工程 B.蛋白質(zhì)工程 蛋白質(zhì)工程 C.基因工程 蛋白質(zhì)工程 D.蛋白質(zhì)工程 基因工程,【解題指南】明確基因工程和蛋白質(zhì)工程的主要區(qū)別在于要生產(chǎn)的蛋白質(zhì)是否是自然界已存在的。 【解析】選C。富含賴氨酸的蛋白質(zhì)是自然界中已有的蛋白質(zhì),基因工程只是把該蛋白質(zhì)基因轉(zhuǎn)入玉米細(xì)胞,并使之合成該蛋白質(zhì);更換賴氨酸合成過(guò)程中的天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的個(gè)別氨基酸,是對(duì)自然界中已有的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造,屬于蛋白質(zhì)工程。,【互動(dòng)探究】 (1)上述兩種提高玉米中賴氨酸含量的技術(shù)的實(shí)質(zhì)相同嗎?為什么? 提示:不相同。蛋白質(zhì)工程實(shí)質(zhì)是定向改造或生產(chǎn)人類所需蛋白質(zhì),基因工程實(shí)質(zhì)是定向改造生物的遺傳特性,以獲得人類所需的生物類型或生物產(chǎn)品。 (2)改變上題中兩種酶的氨基酸數(shù)目、排列順序或者兩種酶的空間結(jié)構(gòu),是否會(huì)改變其活性? 提示:改變組成酶的氨基酸數(shù)目、排列順序或者蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),均會(huì)影響酶的活性。,2.(2015煙臺(tái)高二檢測(cè))科學(xué)家將β-干擾素基因進(jìn)行定點(diǎn)突變導(dǎo)入 大腸桿菌表達(dá),使干擾素分子上的半胱氨酸變成絲氨酸,結(jié)果大大提高 了β-干擾素的抗病毒活性,并且提高了儲(chǔ)存穩(wěn)定性。該生物技術(shù)為 ( ) A.蛋白質(zhì)工程 B.基因工程 C.基因突變 D.細(xì)胞工程 【解題指南】解答本題的關(guān)鍵在于題目敘述的結(jié)果:改變氨基酸組成, 從而產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)。,【解析】選A。題干中的操作涉及的基因顯然不再是原來(lái)的基因,其合成的β-干擾素也不是天然β-干擾素,而是經(jīng)過(guò)改造的,是具有人類所需優(yōu)點(diǎn)的蛋白質(zhì),因而整個(gè)過(guò)程利用的生物技術(shù)為蛋白質(zhì)工程。,【補(bǔ)償訓(xùn)練】干擾素經(jīng)過(guò)改造可長(zhǎng)期儲(chǔ)存,從蛋白質(zhì)水平上應(yīng)改變的是 ( ) A.胱氨酸 B.精氨酸 C.谷氨酸 D.半胱氨酸 【解析】選D。如果將干擾素分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸,可以在-70℃的條件下保存半年。,探究2 蛋白質(zhì)工程的原理、進(jìn)展和前景 【研讀教材自主認(rèn)知】 1.蛋白質(zhì)工程的基本原理:,結(jié)構(gòu)規(guī)律,生物功能,基因修飾,基因合成,改造,新的蛋白質(zhì),特定需求,蛋白質(zhì),氨基酸序列,脫氧核苷酸序列,2.蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景: (1)進(jìn)展。 ①醫(yī)藥方面:科學(xué)家通過(guò)對(duì)_______的改造,已使其成為速效型藥品。 ②電子方面:生物和材料科學(xué)家正積極探索將蛋白質(zhì)工程應(yīng)用于微電 子方面,用蛋白質(zhì)工程方法制成的電子元件,具有_______、_______ 和_______的特點(diǎn)。 (2)前景和存在的問(wèn)題。 蛋白質(zhì)工程前景是誘人的,但難度卻很大,尤其是目前科學(xué)家對(duì)大多數(shù) _________________的了解還很不夠。,胰島素,體積小,耗電少,效率高,蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu),【小判斷】 (1)蛋白質(zhì)工程是在蛋白質(zhì)分子水平上直接改造蛋白質(zhì)的。 ( ) 【分析】蛋白質(zhì)工程改造蛋白質(zhì)是通過(guò)改造基因來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 (2)基因工程藥物與蛋白質(zhì)工程藥物沒(méi)有區(qū)別。 ( ) 【分析】基因工程藥物與天然產(chǎn)物相同,蛋白質(zhì)工程藥物可能與天然 產(chǎn)物不相同。,,,(3)對(duì)胰島素進(jìn)行改造使其成為速效型藥品利用的是蛋白質(zhì)工程。 ( ) 【分析】蛋白質(zhì)工程在醫(yī)藥方面已取得進(jìn)展,如對(duì)胰島素的改造使其 成為速效型藥品。 (4)基因工程和蛋白質(zhì)工程都改變了遺傳物質(zhì)。 ( ) 【分析】基因工程和蛋白質(zhì)工程都是對(duì)基因進(jìn)行操作,改變了遺傳物 質(zhì)。,√,√,(5)由某種特定氨基酸序列所推測(cè)出的脫氧核苷酸序列是一定的。 ( ) 【分析】由于一種氨基酸可由多種密碼子決定,故由某種特定氨基酸 序列所推測(cè)出的脫氧核苷酸序列可能有多種。,,【合作探究核心歸納】 1.蛋白質(zhì)工程的基本原理和操作: (1)蛋白質(zhì)工程為什么需直接改造基因,而不直接改造蛋白質(zhì)? 提示:①任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的,改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造,而且可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造,即使改造成功,被改造的蛋白質(zhì)也是無(wú)法遺傳的。 ②對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造要容易操作,難度要小得多。,(2)蛋白質(zhì)工程是否需要限制酶和DNA連接酶等工具? 提示:需要。蛋白質(zhì)工程的操作思路:從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因),然后還要合成或改造DNA、構(gòu)建基因表達(dá)載體,即按照基因工程的操作,最后獲得所需要的目的蛋白質(zhì),因此該過(guò)程中需要限制酶和DNA連接酶等工具。,【精講精析】蛋白質(zhì)工程是第二代基因工程 蛋白質(zhì)工程最終還是要通過(guò)基因工程的方式獲得產(chǎn)品,其不同之處在于獲得目的基因的方式與傳統(tǒng)的基因工程不同。,2.蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較: (1)基因工程和蛋白質(zhì)工程是否都遵循中心法則?為什么? 提示:都遵循中心法則?；蚬こ讨笇?dǎo)合成天然蛋白質(zhì)的過(guò)程是遵循中心法則的;蛋白質(zhì)工程操作時(shí),經(jīng)改造的基因表達(dá)所需要的蛋白質(zhì)仍需遵循中心法則。,(2)蛋白質(zhì)工程和基因工程的操作對(duì)象以及得到的蛋白質(zhì)相同嗎?分別體現(xiàn)在哪些方面? 提示:不同。①操作對(duì)象不同:蛋白質(zhì)工程的操作對(duì)象是天然基因改造后的基因;基因工程的操作對(duì)象是天然基因。 ②得到的蛋白質(zhì)不同:蛋白質(zhì)工程可以得到自然界沒(méi)有的新的蛋白質(zhì);基因工程得到的是自然界原有的蛋白質(zhì)。,3.蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展: 科學(xué)家對(duì)胰島素進(jìn)行改造是否要獲得相應(yīng)的目的基因?如何獲得? 提示:要獲得。應(yīng)該以現(xiàn)有的胰島素結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)滿足新功能需要的新結(jié)構(gòu),推測(cè)出相關(guān)的氨基酸序列,然后根據(jù)密碼子找出相應(yīng)的DNA序列,再進(jìn)行人工合成得到目的基因。,【歸納總結(jié)】基因工程和蛋白質(zhì)工程的對(duì)比,【過(guò)關(guān)小練即時(shí)應(yīng)用】 1.(2015徐州高二檢測(cè))自然界中不存在的蛋白質(zhì)的合成首先應(yīng)設(shè)計(jì) ( ) A.基因結(jié)構(gòu) B. mRNA結(jié)構(gòu) C.氨基酸序列 D.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),【解題指南】解答本題的關(guān)鍵在于熟悉蛋白質(zhì)工程操作流程:,【解析】選D。自然界中不存在的蛋白質(zhì)的合成是根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求,對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。,2.(2015全國(guó)卷Ⅱ)已知生物體內(nèi)有一種蛋白質(zhì)(P),該蛋白質(zhì)是一 種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,由305個(gè)氨基酸組成。如果將P分子中158位的絲氨酸變成 亮氨酸,240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸,改變后的蛋白質(zhì)(P1)不但保 留P的功能,而且具有了酶的催化活性?；卮鹣铝袉?wèn)題: (1)從上述資料可知,若要改變蛋白質(zhì)的功能,可以考慮對(duì)蛋白質(zhì)的 進(jìn)行改造。,(2)以P基因序列為基礎(chǔ),獲得P1基因的途徑有修飾 基因 或合成 基因。所獲得的基因表達(dá)時(shí)是遵循中心法則的, 中心法則的全部?jī)?nèi)容包括 的復(fù)制;以及遺傳信息在不同 分子之間的流動(dòng),即:_________________________________________ 。 (3)蛋白質(zhì)工程也被稱為第二代基因工程,其基本途徑是從預(yù)期蛋白質(zhì) 功能出發(fā),通過(guò) 和 ,進(jìn)而確定相對(duì)應(yīng)的脫氧核 苷酸序列,據(jù)此獲得基因,再經(jīng)表達(dá)、純化獲得蛋白質(zhì),之后還需要對(duì) 蛋白質(zhì)的生物 進(jìn)行鑒定。,【解題指南】題干關(guān)鍵信息:遺傳信息在不同分子之間的流動(dòng)。 【解析】本題考查蛋白質(zhì)工程和中心法則的相關(guān)內(nèi)容。(1)蛋白質(zhì)P1 是由蛋白質(zhì)P改變了兩個(gè)氨基酸序列得到的,故若要改變蛋白質(zhì)的功能, 可以考慮對(duì)蛋白質(zhì)的氨基酸序列進(jìn)行改造。(2)P1基因可以在P基因的 基礎(chǔ)上經(jīng)修飾改造而成,也可以根據(jù)氨基酸序列用化學(xué)方法合成。中 心法則的內(nèi)容為: ,包括DNA的復(fù)制,RNA的復(fù) 制,遺傳信息由DNA→RNA、由RNA→DNA、由RNA→蛋白質(zhì)五個(gè)過(guò)程。 (3)蛋白質(zhì)工程的基本途徑是:從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)。該基因表達(dá)后得到相應(yīng)蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)是否符合我們的設(shè)計(jì)要求,還需要進(jìn)一步對(duì)蛋白質(zhì)的生物功能進(jìn)行檢測(cè)與鑒定。 答案:(1)氨基酸序列(或結(jié)構(gòu)) (2)P P1 DNA和RNA(或遺傳物質(zhì)) DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白質(zhì)(或轉(zhuǎn)錄、逆轉(zhuǎn)錄、翻譯) (3)設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 推測(cè)氨基酸序列 功能,【補(bǔ)償訓(xùn)練】蛋白質(zhì)工程在實(shí)施中最大的難題是 ( ) A.生產(chǎn)的蛋白質(zhì)無(wú)法應(yīng)用 B.發(fā)展前景太窄 C.對(duì)于大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)不清楚 D.無(wú)法人工合成目的基因 【解析】選C。多數(shù)蛋白質(zhì)除具有一級(jí)結(jié)構(gòu)即氨基酸順序外,還具有復(fù)雜的高級(jí)結(jié)構(gòu),即空間結(jié)構(gòu),而很多蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是人們目前還不清楚的?？臻g結(jié)構(gòu)不清楚也就無(wú)法進(jìn)行蛋白質(zhì)合成。,