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】兩者都可以生產(chǎn)蛋白質(zhì)?；蚬こ炭赏ㄟ^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的新型蛋白質(zhì)分子。 ( ) 【分析】蛋白質(zhì)工程是依據(jù)人們設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)來改造基因的, 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存的穩(wěn)定性。 (2)可以通過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)候不能滿足人們在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用,因此需要對現(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),均會影響酶的活性。,2.(2015煙臺高二檢測)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)過改造可長期儲存,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)家通過對_______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)是通過改造基因來實(shí)現(xiàn)的。 (2)基因工程藥物與蛋白質(zhì)工程藥物沒有區(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,改造了基因即對蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造,而且可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造,即使改造成功,被改造的蛋白質(zhì)也是無法遺傳的。 ②對基因進(jìn)行改造比對蛋白質(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)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對應(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操作對象不同:蛋白質(zhì)工程的操作對象是天然基因改造后的基因;基因工程的操作對象是天然基因。 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)工程的對比,【過關(guān)小練即時(shí)應(yīng)用】 1.(2015徐州高二檢測)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)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求,對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。,2.(2015全國卷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。回答下列問題: (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, 中心法則的全部內(nèi)容包括 的復(fù)制;以及遺傳信息在不同 分子之間的流動,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 和 ,進(jìn)而確定相對應(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 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。 【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)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對應(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)一步對蛋白質(zhì)的生物功能進(jìn)行檢測與鑒定。 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)無法應(yīng)用 B.發(fā)展前景太窄 C.對于大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)不清楚 D.無法人工合成目的基因 【解析】選C。多數(shù)蛋白質(zhì)除具有一級結(jié)構(gòu)即氨基酸順序外,還具有復(fù)雜的高級結(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。空間結(jié)構(gòu)不清楚也就無法進(jìn)行蛋白質(zhì)合成。,