苏教版高中生物学选择性必修3生物学技术与工程精品课件 第三章 基因工程 第三节 蛋白质工程

活性 酸残基 酸残基,决定了酶的 催化 酸或脯氨酸残基时,酶的
活性
活性 大大提高
将枯草芽孢杆菌蛋白酶分
消除酶 转换氨 的被抑 基酸 制特性 残基
转换氨基酸残基可以消除酶
子中第222位的甲硫氨酸残 基转换成半胱氨酸残基或
的 被抑制 特性
丙氨酸残基,酶的活性将不
再受 漂白剂 的抑制
旁栏边角 想一想 蛋白质工程,为什么不直接加工蛋白质,而是通过改造基因来改造蛋白质? 提示 因为蛋白质的结构特别复杂,直接改造蛋白质难度太大。并且蛋白质 是基因表达的产物,可以通过改造基因中的遗传信息来间接地改造蛋白质。
表达产物的检测鉴定
比较项目
蛋白质工程
基因工程
区
定向改造或生产人类所需的蛋 定向改造生物的遗传特性,以获
别 目标 白质
得人类所需要的新的生物类型
和生物产品
结果 生产非天然的蛋白质
生产自然界已经存在的蛋白质
联系
①都在生物体外对基因进行操作;②蛋白质工程是在基因工程基 础上延伸出来的第二代基因工程
视角应用
答案 AC
解析 新的胰岛素的产生是依据蛋白质工程原理完成的,A项错误;新的胰岛 素生产过程中涉及转录、翻译的过程,其涉及中心法则,B项正确;新的胰岛 素产生过程中最困难的一步是设计新的胰岛素分子的空间结构,C项错误; 把目的基因导入大肠杆菌,常用Ca2+处理大肠杆菌,使其成为感受态细胞,利 于重组质粒的进入,D项正确。
胞培育成转“M酶”基因的玉米植株。为了确保育种成功,科研人员需要测
定玉米种子中
的含量。
答案 (1)结构 脱氧核苷酸 (2)热稳定DNA聚合酶 4种脱氧核苷酸 (3)玉米细胞中染色体的DNA上 (4)全能性 赖氨酸
解析 (1)根据题干信息可知,某农科所的科研人员欲将玉米种子的某种蛋 白酶改造成“M酶”,则应该利用蛋白质工程,先根据预期构建出“M酶”(蛋白 质)的结构,再推测出相对应目的基因的脱氧核苷酸序列,最终合成出“M酶” 基因。(2)基因工程中,获取的目的基因一般利用PCR技术进行扩增,过程中 需要热稳定DNA聚合酶的催化,原料是4种脱氧核苷酸。(3)要想确保“M酶” 基因在玉米细胞中得以稳定遗传,必须将“M酶”基因插入玉米细胞的染色 体DNA中。(4)利用植物组织培养技术,依据植物细胞的全能性原理,可将 含有“M酶”基因的玉米细胞培育成转“M酶”基因的玉米植株。科研人员需 要测定玉米种子中赖氨酸含量,从个体水平加以鉴定,以确保育种成功。
3.赖氨酸是人体必需氨基酸,具有促进人体发育、增强免疫的功能,并能起
到提高中枢神经组织功能的作用。某农科所的科研人员欲将玉米种子的
某种蛋白酶改造成“M酶”,从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量,以培育
出高赖氨酸的玉米新品种。请回答下列问题。
(1)科技人员先从“提升玉米种子中赖氨酸的含量”这一功能出发,设计预期
举例:水蛭素(水蛭的唾液腺分泌的一种凝血酶抑制剂)第47位天冬酰胺 赖 氨酸或精氨酸→抗凝血效率可 提高 4倍。
2.蛋白质工程首先需要获得和分析目标蛋白质的相关信息,包括 基因和蛋白质的结构数据
(1)GenBank生物大分子数据库: ①序列文件的基本单位是序列条目,包括核苷酸 排列顺序 和 注释 两部分。 ②GenPept是由GenBank中的核酸序列翻译而得到的 蛋白质 序列数据 库。 (2)Entrez数据库查询系统是一个将核酸、蛋白质序列和 基因图谱 、 蛋白质 结构 数据库整合在一起的综合数据库查询系统。
3.通过基因改造生产目标蛋白质
(1)通过基因的体外 定向突变 ,生产出符合人类需求的目标蛋白质。
①适用对象:掌握了基本 结构信息 的蛋白质。
②类型及方法:
目的
方法
大面积的定向突变
基因全合成
单一或少数几个突变位点的基因定向
突变
引物定点引入法
a.定点诱变法的过程示意图。
b.具体操作方法。 通过PCR扩增(体外扩增)已获得定点突变的基因→通过基因工程的方法, 将突变基因导入受体细胞→转录、翻译合成所需的蛋白质 (2)非定点诱变技术: ①适用对象:不能预先确定 诱变位点 的蛋白质。 ②缺点: 目的性 和针对性不够强(基因突变具有不定向)。 ③优点:突变位点 多 ,有时(基因突变具有多害少利性)会产生意想不到 的改造效果。
重难探究•能力素养全提升
主题 蛋白质工程
情境探究 1.对天然蛋白质进行改造,你认为应该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 应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造,主要原因如下: 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,而且改造过的蛋白质可能会遗传下去。如果对蛋白质直接改造,即使改 造成功,但被改造过的蛋白质分子也是无法遗传的。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.(多选)胰岛素用于治疗糖尿病,但胰岛素注射后易在皮下堆积,需较长时
间才能进入血液,进入血液后又易被分解,因此治疗效果受到影响。下图是
新的速效胰岛素的生产过程,有关叙述错误的是(
)
A.新的胰岛素的产生是依据基因工程原理完成的 B.新的胰岛素生产过程中涉及中心法则 C.新的胰岛素产生过程中最困难的一步是由胰岛素分子结构推测氨基酸 序列 D.若用大肠杆菌生产新的胰岛素,常用Ca2+处理大肠杆菌
热稳定性 酵母菌的丙糖磷酸异 构酶的两个亚基中各 含有两个天冬酰胺残 基,分别用 苏氨酸 和异亮氨酸残基替代, 大幅度提高了酶的热
性
稳定性
目的 思路
原理
实例
大量酶蛋白的X射线化活性 -tRNA合成酶分子中的一
的催化 氨基 中心附近有少数关键性氨基 个苏氨酸残基改变为丙氨
2.基因的定点诱变技术是改变蛋白质结构的核心技术之一,试从以下各项
分析此技术。
项目
内容
条 件
原料 酶 引物
含
的DNA分子片段
操作方法
结果
后代中半数为诱变的DNA分子
适用范围
特点
有
提示 脱氧核苷酸 DNA聚合酶和DNA连接酶 突变位点 PCR技术 掌
握了蛋白质的基本结构信息 目的性和针对性
3.某种微生物合成的一种蛋白酶与人体消化液中某种蛋白酶的结构和功 能很相似,只是前者热稳定性较差,进入人体后容易失效。尝试根据本节课 所学知识提出两种改造该种微生物蛋白酶的思路。 提示 思路一:向该蛋白酶中引入二硫键。思路二:将该蛋白酶中的天冬酰 胺和谷氨酰胺残基转换为其他合适的氨基酸残基。
4.蛋白质工程的设计思路与应用
目的 思路
原理
实例
引入 二硫键是稳定蛋白质分子 空间结构 向T4溶菌酶引入二硫
二硫 最关键的一种共价键,在蛋白质分子中 键提高了T4溶菌酶的
提高 蛋白 质的 稳定 性
键
转换氨 基酸残 基
引入二硫键能显著提高其 稳定性
高温下,蛋白质分子中天冬酰胺和谷氨 酰胺的侧链上的酰胺基会发生 脱氨 反应 ,损害其 结构和功能 ;将天 冬酰胺和谷氨酰胺残基转换为其他合 适的氨基酸残基,可提高蛋白质热稳定
第三章 第三节 蛋白质工程
内
01 基础落实•必备知识全过关
容
索
02 重难探究•能力素养全提升
引
学习目标
1.举例说明蛋白质工程崛起的缘由。 2.简述蛋白质工程的基本原理。
基础落实•必备知识全过关
知识点 蛋白质工程 1.蛋白质工程是基因工程的延伸(第二代基因工程) (1)蛋白质工程概念: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 的关系为基础,对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造, 以 改造 现有蛋白质或制造 新 的蛋白质。 (2)蛋白质工程的一般过程:
结论语句 辨一辨 (1)蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作,定向改变分 子的结构。( × ) (2)基因工程遵循中心法则,而蛋白质工程不遵循。( × ) (3)定点诱变技术可用于各种蛋白质的改造。( × ) (4)热稳定的蛋白质一般都具有抗有机溶剂和极端pH的能力。( √ ) (5)根据某生物多肽链的一段氨基酸序列,可以很容易地确定该生物中决定 这段肽链的脱氧核苷酸序列。( × )
1.中华鲟是地球上最古老的脊椎动物之一,被称为“活化石”。研究者试图 通过蛋白质工程改造中华鲟体内的某些蛋白质,使其更加适应现在的水域 环境。以下说法错误的是( D ) A.该工程可以定向改变蛋白质分子的结构 B.改造蛋白质是通过改造基因结构来实现的 C.改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种 D.改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质 解析 蛋白质工程改造的是基因,可以遗传给子代。
本课结束
新蛋白质预期功能 设计蛋白质三维结构
推测氨基酸序列多肽
链
基因(DNA) (转录和翻译)新蛋白质新功能
(3)蛋白质工程崛起的缘由: ①基因工程原则上只能生产自然界中已经 存在 的蛋白质。 ②基因工程生产的蛋白质不一定符合人们生产和生活的 需要 。 (4)蛋白质工程的优势: ①能更 充分 地利用自然界中存在的蛋白质。 ②能在分子水平上对蛋白质进行 再设计 和改造,进而创造出自然界中 不存在 的蛋白质(和基因工程的本质区别)。
的“M酶”的
,再推测出相对应的目的基因的
序
列,最终合成出“M酶”基因。
(2)科技人员获得“M酶”基因后,常利用PCR技术在体外将其大量扩增,此过
程需要一种特殊的酶是
,原料是
。
(3)“M酶”基因只有插入 细胞中得以稳定遗传。
,才能确保“M酶”基因在玉米
(4)依据植物细胞具有
的原理,可将含有“M酶”基因的玉米细
方法突破
蛋白质工程与基因工程的比较
比较项目
蛋白质工程
基因工程
起点 预期的蛋白质功能
目的基因
区 别 过程
新蛋白质预期功能→设计蛋白质结 目的基因的获取→基因表达 构→设计对应的氨基酸序列→改造 载体的构建→将目的基因导 或合成可以产生新蛋白质的相关 入受体细胞→目的基因及其
DNA序列→合成新的蛋白质