高考生物一轮复习核心要点突破系列课件：第一章第三节《蛋白质工程》（苏教版选修3）

欢迎进入生物课堂 第三节蛋白质工程 课标领航通过本节的学习 我能够1 理解蛋白质工程与基因工程的关系 2 描述蛋白质工程的基本原理 3 举例阐述蛋白质工程的应用和发展 情景导引人类可以创造出自然界不存在的蛋白质吗 答案是肯定的 例如 科学家已生产出一种以前必须从南极鱼类体中提取的抗冻蛋白质 这一技术可用于储存大量新鲜的动植物和人类的组织细胞 防止形成冰晶 破坏脆弱的细胞膜和细胞的内部结构 你想了解这方面的知识吗 核心要点突破 知能过关演练 第三节 基础自主梳理 基础自主梳理 一 蛋白质工程的概念和原理1 蛋白质工程是指通过 与生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能 并借助计算机辅助设计 和重组DNA技术改造基因 以定向改造天然蛋白质 甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术 基因工程是蛋白质工程中的关键技术 因此 蛋白质工程又被称为 物理化学 基因定点诱变 第二代基因工程 2 实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质的 和 的关系 应用X射线晶体衍射法 可以测定蛋白质的三维空间结构 利用 法可以了解其构象 3 根据蛋白质被改造部位的多少 可以将对蛋白质的改造分成 结构 功能 核磁共振 大改 中改 小改 4 大改 是指根据氨基酸的性质和特点 设计并制造出 使之具有特定的氨基酸序列 空间结构和预期功能 中改 是指在蛋白质分子中替代某一个肽段或一个特定的结构域 小改 是指通过基因工程中的定点诱变技术 有目的地改造蛋白质分子中 的1个或几个氨基酸残基 以改善蛋白质的性质和功能 是改变蛋白质结构的核心技术之一 自然界中不存在的全新蛋白质 某活性部位 基因的定点诱变技术 思考感悟1 对天然蛋白质进行改造 是直接对蛋白质分子进行操作 还是通过对基因的操作来实现 提示 对基因的操作 二 蛋白质工程的应用1 蛋白质工程可通过改造酶的结构 有目的地提高酶的热稳定性 如在蛋白质分子中引入 可以显著提高蛋白质的热稳定性 2 科学家发明的利用鼠源杂交瘤抗体来处理癌细胞的方法 对癌细胞有一定的杀伤力 但也有导致机体高度过敏的副作用 为了解决这一问题 科学家又对该抗体进行了改造 生产出效果良好的 二硫键 鼠 人嵌合抗体 3 我国科学家为蛋白质工程的理论和技术发展做出的积极贡献 最著名的是完成了 的人工合成 4 蛋白质工程使我们不仅能更充分地利用自然界存在的基因和蛋白质 而且能在 上对基因和蛋白质进行再设计和改造 进而创造出自然界不存在的基因和蛋白质 结晶牛胰岛素 分子水平 思考感悟2 一般的藻类植物仅能生活在40 以下的水环境中 但也有少数种类的藻类植物可以生活在80 以上的温泉中 若从酶的角度考虑 其主要原因是什么 提示 温泉藻类植物体内酶肽链中的某些氨基酸与一般藻类植物的不同 导致了酶的热稳定性的差异 核心要点突破 1 产生基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质 这些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 这就需要对现有蛋白质进行改造 制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质 这样 人们又开始了新一轮的探索 蛋白质工程应运而生 2 基本原理 1 从理论上分析 蛋白质工程的最基本原理就是中心法则的逆推 2 过程 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 合成DNA 表达出蛋白质 3 蛋白质工程与基因工程的比较 特别提醒 蛋白质工程最终还是回到基因工程上来 因为蛋白质的合成由基因控制 所以说蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程 基因工程中的目的基因一般为自然界存在的基因 而蛋白质工程中的目的基因不是天然存在的 2011年陕西安康高二检测 某多肽链的一段氨基酸序列是 甲硫氨酸 色氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 氨基酸及对应的密码子为 甲硫氨酸AUG 色氨酸UGG 苯丙氨酸UUU UUC 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 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 思路点拨 本题考查蛋白质工程的原理及实例 解答本题应突破以下几点 首先设计蛋白质氨基酸序列 找到对应的脱氧核苷酸序列 根据DNA 基因 脱氧核苷酸序列进行人工合成或进行基因改造 尝试解答 1 根据氨基酸序列反推mRNA密码子序列 再反推DNA上碱基序列 其DNA碱基序列为 TACACCAAGACC 或 ATGTGGTTCTGG TACACCAAAACC ATGTGGTTTTGG 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 或从基因库中获取 解析 由氨基酸序列知 翻译该蛋白质的mRNA上碱基序列为 AUGUGGUUCUGG 或 AUGUGGUUUUGG 由mRNA上碱基序列知 转录产生mRNA的DNA碱基序列为 TACACCAAGACC 或 ATGTGGTTCTGG TACACCAAAACC ATGTGGTTTTGG 互动探究 由上述氨基酸序列推导出的目的基因为什么有多种 提示 一种氨基酸可以由一种或几种不同的密码子决定 这样推导出的基因也就有多种 跟踪训练蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是 A 氨基酸结构B 蛋白质空间结构C 肽链结构D 基因结构解析 选D 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础 通过基因修饰或基因合成 对现有的蛋白质进行改造 或制造一种新的蛋白质 以满足人类的生产和生活的需求 其目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求 对蛋白质结构进行分子设计 但因为基因决定蛋白质 因此对蛋白质的结构进行设计改造 归根到底还需要对相应的基因进行操作 按要求进行修饰 加工 改造 使之能控制合成人类需要的蛋白质 1 定点诱变技术 基因的定点诱变技术是改变蛋白质结构的核心技术之一 1 适用对象 适用于对已知空间结构的蛋白质 进行 小改 2 特点 定点诱变有目的性和针对性 3 常用操作方法 PCR技术是目前常用的方法之一 4 具体操作过程 人工合成带有突变位点的引物 通过技术扩增获得定点突变的基因 通过基因工程的方法 将目的基因导入受体细胞 在受体细胞内转录和翻译合成所需的蛋白质 5 结果 完成对蛋白质分子的 小改 即通过定点诱变技术在蛋白质肽链中引入替代氨基酸 从而改变其结构 有目的地改造蛋白质的功能 2 非定点诱变技术 1 适用对象 对于不能预先确定诱变位点的蛋白质 可采用非定点诱变来进行蛋白质的改造 2 特点 非定点诱变突变位点多 有时甚至会产生出意想不到的改造效果 下图为蛋白质的定点诱变过程的部分过程图解 请据图解回答下列问题 1 图中的质粒的本质是 2 将定点诱变过的质粒引入细胞进行复制后 可得到 种结果 图示的三对碱基的组成分别是 3 图示的这种对遗传物质的改造和人工诱变的区别是 4 通过图示技术实现对蛋白质的改造属于 尝试解答 1 小型环状DNA分子 2 两种CTG GACCGG GCC 3 人工诱变是遗传物质的不定向改变 而基因的定点诱变技术是对遗传物质的定向改变 4 小改 解析 基因的定点诱变技术是实现蛋白质小改的核心技术 其实质是通过基因水平的改造 实现对蛋白质分子结构的改造 与人工诱变相比这是一种定向的基因改造 而人工诱变则是不定向的 基因的定点诱变技术其原理是DNA分子的半保留复制 通过利用人工合成的含有所需突变顺序的引物 利用DNA多聚酶合成完整的链 再用DNA连接酶连接 从而得到定点诱变了的DNA分子 这样的DNA分子表达的结果 得到个别氨基酸发生改变的蛋白质分子 跟踪训练下列关于基因定点诱变技术的说法 正确的是 A 对任何蛋白质的改造都可以用基因定点诱变技术B 对于已知空间结构的蛋白质的改造可以采用基因定点诱变技术C 基因定点诱变技术是蛋白质工程中必须用到的技术D 采用基因定点诱变技术通常可以改变蛋白质中多种氨基酸 解析 选B 基因定点诱变技术是 小改 时所用的一项技术 是有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的1个或几个氨基酸残基 是改变蛋白质结构的核心技术之一 主要应用于空间结构已知的蛋白质 对于空间结构未知的蛋白质用非定点诱变来进行蛋白质的改造 利用蛋白质工程改造或者设计制造出的人工蛋白 在活性 稳定性及抗原性等方面都优于天然蛋白质 1 提高蛋白质的热稳定性一种方法是通过替换酶的几种氨基酸 可以提高酶的热稳定性 另一种方法是在蛋白质分子中引入二硫键也可提高蛋白质的热稳定性 2 改变蛋白质的活性组织纤溶酶原激活物 t PA 专一激活人体内的纤溶系统 保证血液循环的畅通 但t PA进入血浆后大部分与纤溶酶原激活剂抑制物形成复合物 并迅速失去活性 利用蛋白质工程将t PA分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺后 t PA在血液循环中的停留时间会大大延长 3 合成嵌合抗体小鼠单克隆抗体的制备比较简单 但这种鼠源性的单克隆抗体会被人的免疫系统排斥 不能直接用于人体 嵌合抗体就是保留鼠单克隆抗体的可变区 而用人体抗体的恒定区替换鼠单克隆抗体的恒定区 这种嵌合抗体的抗原性显著下降 而抗体的特异识别功能没有丧失 可用于临床治疗 目前蛋白质工程成功的例子不多 主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构 而目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还不够 要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需经过艰辛的探索 胰岛素可以用于治疗糖尿病 但是胰岛素被注射到人体后 会堆积在皮下 需经较长的时间才能进入血液 而进入血液的胰岛素又容易分解 因此 治疗效果受到影响 如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程 请据图回答有关问题 1 构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键 图中构建新的胰岛素模型的主要依据是 2 通过DNA合成形成的新基因应与 结合后转移到 中才能得到准确表达 3 若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素 需用到的生物工程有 和发酵工程 4 图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是什么 尝试解答 1 蛋白质的预期功能 2 载体大肠杆菌等受体细胞 3 蛋白质工程基因工程 4 根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列 推测出其基因中的脱氧核苷酸序列 然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因 解析 1 蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求 对蛋白质结构进行分子设计 因此 图中构建新的胰岛素模型的依据是胰岛素的预期功能 即速效胰岛素 2 合成的目的基因应与载体构建基因表达载体后导入受体细胞中才能得以表达 3 利用蛋白质工程生产自然界原本不存在的蛋白质 需对原有胰岛素进行改造 根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列 人工合成新的胰岛素基因 形成目的基因 改造好的目的基因需通过基因工程来生产基因产物 并且在生产过程中要借助工程菌 所以还需要进行发酵 因此该过程涉及蛋白质工程 基因工程和发酵工程 4 由新的蛋白质模型到构建新的基因 其基本设计思路是根据新的蛋白质中氨基酸的序列 推测出基因中的脱氧核苷酸序列 然后用DNA合成仪直接合成出新的基因 跟踪训练下列关于蛋白质工程应用的叙述正确的是 多选 A 蛋白质工程可以改造酶的结构 提高酶的热稳定性B 通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性C 利用蛋白质工程可以在大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素D 蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰 合成速效型胰岛素制剂 解析 选ABD 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 进而控制合成或改变自然界中的蛋白质 而在大肠杆菌中生产人胰岛素利用基因工程技术便可达到 知能过关演练 本部分内容讲解结束 点此进入课件目录 按ESC键退出全屏播放 谢谢使用 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全