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1.4 蛋白质工程的崛起,探究1 蛋白质工程崛起的缘由 【研读教材自主认知】 1.基因工程的实质:将一种生物的_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.蛋白质工程: (1)崛起缘由。 基因工程在原则上只能生产_的蛋白质。 天然蛋白质的_符合特定_的需要,却不一定完 全符合人类生产和生活的需要。,基因,自然界已存在,结构和功能,物种生存,(2)实例。,丝氨酸,苏氨酸,(改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍),天冬酰胺,【小判断】 (1)蛋白质工程可以生产蛋白质,基因工程只能生产基因。 ( ) 【分析】两者都可以生产蛋白质。基因工程可通过转基因技术生产该 基因控制表达的蛋白质。 (2)若将正常的基因片段导入贫血症患者的骨髓造血干细胞中,可以达 到治疗目的,这不属于蛋白质工程。 ( ) 【分析】此操作是将健康的正常的目的基因导入有缺陷的受体细胞, 合成的蛋白质仍为天然存在的蛋白质,所以不属于蛋白质工程,属于基 因工程。,(3)蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子。 ( ) 【分析】蛋白质工程是依据人们设计的蛋白质分子结构来改造基因的, 控制合成的蛋白质可能是自然界中不曾存在过的蛋白质分子。,【合作探究核心归纳】 1.基因工程的局限性: (1)基因工程的实质是什么? 提示:向一种生物体内转入另一种生物的基因,令其成功表达,并表现出新的性状。 (2)基因工程能否完全满足人们生产生活的需要,为什么? 提示:不能,因为基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质。,2.蛋白质工程的实例: (1)经改造的干扰素基因合成的干扰素和原来的相比,在结构和功能上有什么改变? 提示:经改造的干扰素,其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,结果大大提高该干扰素在体外储存的稳定性。 (2)可以通过哪些途径提高玉米中的赖氨酸含量? 提示:可以将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米,可以改变赖氨酸合成途径中关键酶的活性。,(3)为什么改变一个氨基酸就可以改变蛋白质的稳定性甚至某种蛋白质酶的活性? 提示:蛋白质的结构是由其氨基酸组成决定的,个别氨基酸的改变就会导致其结构的改变,从而影响到其性质和功能。,【精讲精析】蛋白质工程诞生的必要性 从实例中可以看出自然界中原有的蛋白质在很多时候不能满足人们在实际生产生活中的应用,因此需要对现有的蛋白质进行加工改造,提高其性质和作用。,【过关小练即时应用】 1.将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞,可以提高玉米中的赖氨酸含量;更换赖氨酸形成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸,使两种酶的活性提高,也可以提高玉米中的赖氨酸含量。以上两种技术分别属于( ) A.基因工程 基因工程 B.蛋白质工程 蛋白质工程 C.基因工程 蛋白质工程 D.蛋白质工程 基因工程,【解题指南】明确基因工程和蛋白质工程的主要区别在于要生产的蛋白质是否是自然界已存在的。 【解析】选C。富含赖氨酸的蛋白质是自然界中已有的蛋白质,基因工程只是把该蛋白质基因转入玉米细胞,并使之合成该蛋白质;更换赖氨酸合成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸,是对自然界中已有的蛋白质进行改造,属于蛋白质工程。,【互动探究】 (1)上述两种提高玉米中赖氨酸含量的技术的实质相同吗?为什么? 提示:不相同。蛋白质工程实质是定向改造或生产人类所需蛋白质,基因工程实质是定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需的生物类型或生物产品。 (2)改变上题中两种酶的氨基酸数目、排列顺序或者两种酶的空间结构,是否会改变其活性? 提示:改变组成酶的氨基酸数目、排列顺序或者蛋白质的空间结构,均会影响酶的活性。,2.(2015烟台高二检测)科学家将-干扰素基因进行定点突变导入 大肠杆菌表达,使干扰素分子上的半胱氨酸变成丝氨酸,结果大大提高 了-干扰素的抗病毒活性,并且提高了储存稳定性。该生物技术为 ( ) A.蛋白质工程 B.基因工程 C.基因突变 D.细胞工程 【解题指南】解答本题的关键在于题目叙述的结果:改变氨基酸组成, 从而产生新的蛋白质。,【解析】选A。题干中的操作涉及的基因显然不再是原来的基因,其合成的-干扰素也不是天然-干扰素,而是经过改造的,是具有人类所需优点的蛋白质,因而整个过程利用的生物技术为蛋白质工程。,【补偿训练】干扰素经过改造可长期储存,从蛋白质水平上应改变的是 ( ) A.胱氨酸 B.精氨酸 C.谷氨酸 D.半胱氨酸 【解析】选D。如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,可以在-70的条件下保存半年。,探究2 蛋白质工程的原理、进展和前景 【研读教材自主认知】 1.蛋白质工程的基本原理:,结构规律,生物功能,基因修饰,基因合成,改造,新的蛋白质,特定需求,蛋白质,氨基酸序列,脱氧核苷酸序列,2.蛋白质工程的进展和前景: (1)进展。 医药方面:科学家通过对_的改造,已使其成为速效型药品。 电子方面:生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电 子方面,用蛋白质工程方法制成的电子元件,具有_、_ 和_的特点。 (2)前景和存在的问题。 蛋白质工程前景是诱人的,但难度却很大,尤其是目前科学家对大多数 _的了解还很不够。,胰岛素,体积小,耗电少,效率高,蛋白质的高级结构,【小判断】 (1)蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的。 ( ) 【分析】蛋白质工程改造蛋白质是通过改造基因来实现的。 (2)基因工程药物与蛋白质工程药物没有区别。 ( ) 【分析】基因工程药物与天然产物相同,蛋白质工程药物可能与天然 产物不相同。,(3)对胰岛素进行改造使其成为速效型药品利用的是蛋白质工程。 ( ) 【分析】蛋白质工程在医药方面已取得进展,如对胰岛素的改造使其 成为速效型药品。 (4)基因工程和蛋白质工程都改变了遗传物质。 ( ) 【分析】基因工程和蛋白质工程都是对基因进行操作,改变了遗传物 质。,(5)由某种特定氨基酸序列所推测出的脱氧核苷酸序列是一定的。 ( ) 【分析】由于一种氨基酸可由多种密码子决定,故由某种特定氨基酸 序列所推测出的脱氧核苷酸序列可能有多种。,【合作探究核心归纳】 1.蛋白质工程的基本原理和操作: (1)蛋白质工程为什么需直接改造基因,而不直接改造蛋白质? 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。如果对蛋白质直接改造,即使改造成功,被改造的蛋白质也是无法遗传的。 对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作,难度要小得多。,(2)蛋白质工程是否需要限制酶和DNA连接酶等工具? 提示:需要。蛋白质工程的操作思路: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相对应的脱氧核苷酸序列(基因),然后还要合成或改造DNA、构建基因表达载体,即按照基因工程的操作,最后获得所需要的目的蛋白质,因此该过程中需要限制酶和DNA连接酶等工具。,【精讲精析】蛋白质工程是第二代基因工程 蛋白质工程最终还是要通过基因工程的方式获得产品,其不同之处在于获得目的基因的方式与传统的基因工程不同。,2.蛋白质工程与基因工程的比较: (1)基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则?为什么? 提示:都遵循中心法则。基因工程指导合成天然蛋白质的过程是遵循中心法则的;蛋白质工程操作时,经改造的基因表达所需要的蛋白质仍需遵循中心法则。,(2)蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质相同吗?分别体现在哪些方面? 提示:不同。操作对象不同:蛋白质工程的操作对象是天然基因改造后的基因;基因工程的操作对象是天然基因。 得到的蛋白质不同:蛋白质工程可以得到自然界没有的新的蛋白质;基因工程得到的是自然界原有的蛋白质。,3.蛋白质工程的进展: 科学家对胰岛素进行改造是否要获得相应的目的基因?如何获得? 提示:要获得。应该以现有的胰岛素结构为基础,设计满足新功能需要的新结构,推测出相关的氨基酸序列,然后根据密码子找出相应的DNA序列,再进行人工合成得到目的基因。,【归纳总结】基因工程和蛋白质工程的对比,【过关小练即时应用】 1.(2015徐州高二检测)自然界中不存在的蛋白质的合成首先应设计 ( ) A.基因结构 B. mRNA结构 C.氨基酸序列 D.蛋白质结构,【解题指南】解答本题的关键在于熟悉蛋白质工程操作流程:,【解析】选D。自然界中不存在的蛋白质的合成是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。,2.(2015全国卷)已知生物体内有一种蛋白质(P),该蛋白质是一 种转运蛋白,由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成 亮氨酸,240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸,改变后的蛋白质(P1)不但保 留P的功能,而且具有了酶的催化活性。回答下列问题: (1)从上述资料可知,若要改变蛋白质的功能,可以考虑对蛋白质的 进行改造。,(2)以P基因序列为基础,获得P1基因的途径有修饰 基因 或合成 基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的, 中心法则的全部内容包括 的复制;以及遗传信息在不同 分子之间的流动,即:_ 。 (3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程,其基本途径是从预期蛋白质 功能出发,通过 和 ,进而确定相对应的脱氧核 苷酸序列,据此获得基因,再经表达、纯化获得蛋白质,之后还需要对 蛋白质的生物 进行鉴定。,【解题指南】题干关键信息:遗传信息在不同分子之间的流动。 【解析】本题考查蛋白质工程和中心法则的相关内容。(1)蛋白质P1 是由蛋白质P改变了两个氨基酸序列得到的,故若要改变蛋白质的功能, 可以考虑对蛋白质的氨基酸序列进行改造。(2)P1基因可以在P基因的 基础上经修饰改造而成,也可以根据氨基酸序列用化学方法合成。中 心法则的内容为: ,包括DNA的复制,RNA的复 制,遗传信息由DNARNA、由RNADNA、由RNA蛋白质五个过程。 (3)蛋白质工程的基本途径是: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相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。该基因表达后得到相应蛋白质,蛋白质是否符合我们的设计要求,还需要进一步对蛋白质的生物功能进行检测与鉴定。 答案:(1)氨基酸序列(或结构) (2)P P1 DNA和RNA(或遗传物质) DNARNA、RNADNA、RNA蛋白质(或转录、逆转录、翻译) (3)设计蛋白质的结构 推测氨基酸序列 功能,【补偿训练】蛋白质工程在实施中最大的难题是 ( ) A.生产的蛋白质无法应用 B.发展前景太窄 C.对于大多数蛋白质的高级结构不清楚 D.无法人工合成目的基因 【解析】选C。多数蛋白质除具有一级结构即氨基酸顺序外,还具有复杂的高级结构,即空间结构,而很多蛋白质的空间结构是人们目前还不清楚的。空间结构不清楚也就无法进行蛋白质合成。,
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