2021學(xué)年專題1 基因工程1.4 蛋白質(zhì)工程的崛起學(xué)案設(shè)計

這是一份2021學(xué)年專題1 基因工程1.4 蛋白質(zhì)工程的崛起學(xué)案設(shè)計，共6頁。學(xué)案主要包含了蛋白質(zhì)工程崛起的緣由，蛋白質(zhì)工程的基本原理，蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景等內(nèi)容，歡迎下載使用。

一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由
1.基因工程的實質(zhì):
將一種生物的基因轉(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)工程崛起的緣由:
(1)基因工程存在不足:在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。
(2)天然蛋白質(zhì)存在不足:天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要,卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。
3.蛋白質(zhì)工程的實例:
二、蛋白質(zhì)工程的基本原理
1.蛋白質(zhì)工程的解釋:
(1)基礎(chǔ):蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系。
(2)手段:通過基因修飾或基因合成,對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造,或制造一種新的蛋白質(zhì)。
(3)目的:獲得滿足人類生產(chǎn)和生活需求的蛋白質(zhì)。
2.原理:由預(yù)期的蛋白質(zhì)找到相對應(yīng)的基因,即中心法則的逆推。
3.流程:預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預(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)→合成DNA→表達(dá)出蛋白質(zhì)。
4.結(jié)果:現(xiàn)有蛋白質(zhì)得以改造,或制造出新的蛋白質(zhì)。
5.與基因工程的關(guān)系:是在基因工程的基礎(chǔ)上,延伸出來的第二代基因工程。
三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景
1.前景誘人:用蛋白質(zhì)工程方法制成的電子元件,具有體積小、耗電少和效率高的特點。
2.難度很大:主要是因為目前科學(xué)家對大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)的了解還很不夠。
1.蛋白質(zhì)工程的目的是改造或合成人類需要的蛋白質(zhì)。(√)
2.基因工程遵循中心法則,而蛋白質(zhì)工程不遵循。(×)
【分析】蛋白質(zhì)工程修飾或合成的基因在復(fù)制和表達(dá)時仍然遵循中心法則。
3.為延長干擾素保存時間,需要替換氨基酸;為提高玉米中賴氨酸含量,需要在蛋白質(zhì)中加入賴氨酸。(×)
【分析】前半句正確。為提高玉米中賴氨酸含量需要改變賴氨酸合成過程中的兩種關(guān)鍵酶,分別將其中的一個氨基酸替換。
4.蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上,延伸出來的第二代基因工程,也需要利用基因工程的基本工具,需要經(jīng)歷基因工程的操作流程。(√)
5.根據(jù)某多肽鏈的一段氨基酸序列,可以很容易地確定決定這段肽鏈的脫氧核苷酸序列。(×)
【分析】由于密碼子的簡并性,根據(jù)氨基酸序列確定脫氧核苷酸序列并不容易。
6.蛋白質(zhì)工程是一項難度很大的工程,主要是因為人們對蛋白質(zhì)復(fù)雜的高級結(jié)構(gòu)沒有完全認(rèn)識。(√)
7.蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進(jìn)行操作,定向改變分子的結(jié)構(gòu)。(×)
【分析】蛋白質(zhì)工程是通過基因修飾或基因合成對現(xiàn)有蛋白質(zhì)定向改造,以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求,蛋白質(zhì)工程直接操作的對象是基因。
蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較
【易錯提醒】
有關(guān)蛋白質(zhì)工程的兩點提醒
(1)改造對象是基因: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)也是無法遺傳下去的。
(2)基因突變的新基因中含有不編碼蛋白質(zhì)的序列,而蛋白質(zhì)工程中的新基因則沒有。
【選修對接必修】 對接必修1:蛋白質(zhì)與核酸
(1)蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者,基本組成單位是氨基酸。
(2)核酸是遺傳信息的攜帶者,基本組成單位是核苷酸。
(3)蛋白質(zhì)多樣性的直接原因和根本原因是什么?
提示:直接原因是氨基酸的種類、數(shù)量、排列順序及肽鏈的空間結(jié)構(gòu)不同,根本原因是基因的多樣性及其選擇性表達(dá)。
近30年來,我國患糖尿病的人數(shù)的增長極為迅速,這不僅與人們不健康的生活方式有關(guān),也與患者體內(nèi)胰島素的缺乏有關(guān)。生產(chǎn)速效胰島素以及利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)實現(xiàn)胰島素的批量生產(chǎn)就成為了目前糖尿病治療的新思路,請回答下列相關(guān)問題:
(1)速效胰島素是科學(xué)家將胰島素B鏈的第28個和第29個氨基酸調(diào)換順序后獲得的。該過程中,需要對__________(填“胰島素”“胰島素基因”或“胰島細(xì)胞”)進(jìn)行定向改造。
(2)利用基因工程技術(shù)實現(xiàn)胰島素的批量生產(chǎn)的過程中,關(guān)鍵操作環(huán)節(jié)是__________________,該環(huán)節(jié)需用到的工具酶有____________。
(3)對于胰島素基因的獲取,一是通過提取__________細(xì)胞中的胰島素mRNA,經(jīng)過__________過程合成,之后通過__________技術(shù)大量擴增;二是通過分析胰島素的__________序列,進(jìn)行人工合成。
(4)為了將改造后的分子順利導(dǎo)入大腸桿菌體內(nèi),一般需要用__________處理大腸桿菌,使之成為__________細(xì)胞。
【解析】(1)將胰島素B鏈的第28和29個氨基酸調(diào)換順序后可獲得速效胰島素。因此,要生產(chǎn)速效胰島素,可采用蛋白質(zhì)工程技術(shù),這就需要對胰島素基因進(jìn)行定向改造。(2)基因工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是基因表達(dá)載體的構(gòu)建,該過程需要用到的工具酶是限制酶和DNA連接酶。(3)對于胰島素基因的獲取,一是通過提取胰島B細(xì)胞的胰島素mRNA,經(jīng)過逆轉(zhuǎn)錄過程合成,之后通過PCR技術(shù)大量擴增;二是通過分析胰島素的氨基酸序列,進(jìn)行人工合成。(4)為了將改造后的分子順利導(dǎo)入大腸桿菌體內(nèi),一般需要用CaCl2處理大腸桿菌,使之成為感受態(tài)細(xì)胞。
答案:(1)胰島素基因 (2)基因表達(dá)載體的構(gòu)建 限制酶、DNA連接酶 (3)胰島B 逆轉(zhuǎn)錄 PCR 氨基酸
(4)CaCl2 感受態(tài)
【誤區(qū)警示】
(1)不能準(zhǔn)確理解蛋白質(zhì)工程的實質(zhì):蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)的產(chǎn)品不是天然的蛋白質(zhì),而是經(jīng)過改造了的具有人類所需要優(yōu)點的蛋白質(zhì)。
(2)不能正確認(rèn)識基因工程中的工具和工具酶:載體屬于工具,但不屬于工具酶。
干擾素是動物體內(nèi)合成的一種蛋白質(zhì),可以用于治療病毒感染和癌癥。人的干擾素基因在大腸桿菌細(xì)胞中進(jìn)行表達(dá),產(chǎn)生的干擾素,其抗病毒活性只有天然產(chǎn)品的十分之一,且體外保存相當(dāng)困難。研究發(fā)現(xiàn),若將第17位的半胱氨酸改變?yōu)榻z氨酸,生產(chǎn)出的干擾素的抗病毒活性是原來的100倍,并且在-70 ℃的條件下,可以保存半年,給廣大患者帶來福音?；卮鹣铝袉栴}:
(1)從上述資料可知,若要改變干擾素的功能,可以考慮對干擾素的__________
____________進(jìn)行改造。
(2)對干擾素進(jìn)行改造,應(yīng)該直接對______________________(填“干擾素分子”或“干擾素基因”)進(jìn)行操作來實現(xiàn),原因是 _________________________________。
(3)與蛋白質(zhì)工程相比較,基因工程在原則上只能生產(chǎn)________的蛋白質(zhì),不一定符合生產(chǎn)和生活的需要,而蛋白質(zhì)工程是以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系為基礎(chǔ),通過________或________得到符合要求的________,再通過______________________(填生理過程)實現(xiàn)相應(yīng)蛋白質(zhì)的合成,滿足生產(chǎn)和生活需要。
【解析】(1)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定干擾素的功能,而蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與氨基酸的種類、數(shù)量、排列順序等有關(guān),且題干顯示改變一個氨基酸就可以改變干擾素的功能,因此若要改變干擾素的功能,可以考慮對干擾素的氨基酸序列進(jìn)行改造。
(2)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)由基因決定,蛋白質(zhì)不能直接遺傳,而基因可以遺傳,且對基因的改造比對蛋白質(zhì)的改造要容易,因此對干擾素進(jìn)行改造,應(yīng)該直接對干擾素基因進(jìn)行操作來實現(xiàn)。
(3)基因工程只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì),而蛋白質(zhì)工程可以生產(chǎn)自然界不存在的蛋白質(zhì);蛋白質(zhì)工程通過基因修飾或基因合成得到符合要求的基因,再通過轉(zhuǎn)錄和翻譯實現(xiàn)相應(yīng)蛋白質(zhì)的合成,滿足生產(chǎn)和生活需要。
答案:(1)氨基酸序列 (2)干擾素基因 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)由基因決定,蛋白質(zhì)不能直接遺傳,基因可以遺傳;對基因的改造比對蛋白質(zhì)的改造要容易 (3)自然界已存在 基因修飾 基因合成 基因 轉(zhuǎn)錄和翻譯
【補償訓(xùn)練】
(2015·全國卷Ⅱ節(jié)選)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)運蛋白,由305個氨基酸組成。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?；卮鹣铝袉栴}:
(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:________
__________________________________________________。
【解析】(1)蛋白質(zhì)P1是由蛋白質(zhì)P改變了兩個氨基酸得到的,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)五個過程。
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)
【方法規(guī)律】基因工程與蛋白質(zhì)工程的判斷方法
蛋白質(zhì)缺陷
改造措施
改造后效果
干擾素體外
保存時間短
半胱氨酸
替換為絲氨酸
保存時間延長至半年
玉米中賴氨
酸含量低
賴氨酸合成中兩種
酶的氨基酸被替換
玉米葉片和種子中游離賴氨酸分別提高5倍和2倍
項目
蛋白質(zhì)工程
基因工程
區(qū)
別
操作
對象
基因
過
程
預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測氨基酸序列→推測脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達(dá)出蛋白質(zhì)
獲取目的基因→構(gòu)建基因表達(dá)載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→目的基因的檢測與鑒定
實
質(zhì)
通過改造相應(yīng)的基因達(dá)到對蛋白質(zhì)進(jìn)行改造的目的
基因重組
結(jié)
果
可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)
生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)
聯(lián)
系
①蛋白質(zhì)工程獲得目的基因后,需要通過基因工程獲得預(yù)期蛋白質(zhì)
②蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上,延伸出來的第二代基因工程