高考生物一輪復習核心要點突破系列課件：第一章第三節(jié)《蛋白質工程》（蘇教版選修3）

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歡迎進入生物課堂 第三節(jié)蛋白質工程 課標領航通過本節(jié)的學習 我能夠1 理解蛋白質工程與基因工程的關系 2 描述蛋白質工程的基本原理 3 舉例闡述蛋白質工程的應用和發(fā)展 情景導引人類可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質嗎 答案是肯定的 例如 科學家已生產出一種以前必須從南極魚類體中提取的抗凍蛋白質 這一技術可用于儲存大量新鮮的動植物和人類的組織細胞 防止形成冰晶 破壞脆弱的細胞膜和細胞的內部結構 你想了解這方面的知識嗎 核心要點突破 知能過關演練 第三節(jié) 基礎自主梳理 基礎自主梳理 一 蛋白質工程的概念和原理1 蛋白質工程是指通過 與生物化學等技術了解蛋白質的結構與功能 并借助計算機輔助設計 和重組DNA技術改造基因 以定向改造天然蛋白質 甚至創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質的技術 基因工程是蛋白質工程中的關鍵技術 因此 蛋白質工程又被稱為 物理化學 基因定點誘變 第二代基因工程 2 實施蛋白質工程的前提條件是了解蛋白質的 和 的關系 應用X射線晶體衍射法 可以測定蛋白質的三維空間結構 利用 法可以了解其構象 3 根據(jù)蛋白質被改造部位的多少 可以將對蛋白質的改造分成 結構 功能 核磁共振 大改 中改 小改 4 大改 是指根據(jù)氨基酸的性質和特點 設計并制造出 使之具有特定的氨基酸序列 空間結構和預期功能 中改 是指在蛋白質分子中替代某一個肽段或一個特定的結構域 小改 是指通過基因工程中的定點誘變技術 有目的地改造蛋白質分子中 的1個或幾個氨基酸殘基 以改善蛋白質的性質和功能 是改變蛋白質結構的核心技術之一 自然界中不存在的全新蛋白質 某活性部位 基因的定點誘變技術 思考感悟1 對天然蛋白質進行改造 是直接對蛋白質分子進行操作 還是通過對基因的操作來實現(xiàn) 提示 對基因的操作 二 蛋白質工程的應用1 蛋白質工程可通過改造酶的結構 有目的地提高酶的熱穩(wěn)定性 如在蛋白質分子中引入 可以顯著提高蛋白質的熱穩(wěn)定性 2 科學家發(fā)明的利用鼠源雜交瘤抗體來處理癌細胞的方法 對癌細胞有一定的殺傷力 但也有導致機體高度過敏的副作用 為了解決這一問題 科學家又對該抗體進行了改造 生產出效果良好的 二硫鍵 鼠 人嵌合抗體 3 我國科學家為蛋白質工程的理論和技術發(fā)展做出的積極貢獻 最著名的是完成了 的人工合成 4 蛋白質工程使我們不僅能更充分地利用自然界存在的基因和蛋白質 而且能在 上對基因和蛋白質進行再設計和改造 進而創(chuàng)造出自然界不存在的基因和蛋白質 結晶牛胰島素 分子水平 思考感悟2 一般的藻類植物僅能生活在40 以下的水環(huán)境中 但也有少數(shù)種類的藻類植物可以生活在80 以上的溫泉中 若從酶的角度考慮 其主要原因是什么 提示 溫泉藻類植物體內酶肽鏈中的某些氨基酸與一般藻類植物的不同 導致了酶的熱穩(wěn)定性的差異 核心要點突破 1 產生基因工程在原則上只能生產自然界已存在的蛋白質 這些天然蛋白質是生物在長期進化過程中形成的 它們的結構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和生活的需要 這就需要對現(xiàn)有蛋白質進行改造 制造出目前從天然蛋白質中找不到的蛋白質 這樣 人們又開始了新一輪的探索 蛋白質工程應運而生 2 基本原理 1 從理論上分析 蛋白質工程的最基本原理就是中心法則的逆推 2 過程 從預期的蛋白質功能出發(fā) 設計預期的蛋白質結構 推測應有的氨基酸序列 找到相對應的脫氧核苷酸序列 合成DNA 表達出蛋白質 3 蛋白質工程與基因工程的比較 特別提醒 蛋白質工程最終還是回到基因工程上來 因為蛋白質的合成由基因控制 所以說蛋白質工程是在基因工程的基礎上延伸出來的第二代基因工程 基因工程中的目的基因一般為自然界存在的基因 而蛋白質工程中的目的基因不是天然存在的 2011年陜西安康高二檢測 某多肽鏈的一段氨基酸序列是 甲硫氨酸 色氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 氨基酸及對應的密碼子為 甲硫氨酸AUG 色氨酸UGG 苯丙氨酸UUU UUC 1 怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列 請把相應的堿基序列寫出來 2 確定目的基因的堿基序列后 怎樣才能合成或改造目的基因 DNA 思路點撥 本題考查蛋白質工程的原理及實例 解答本題應突破以下幾點 首先設計蛋白質氨基酸序列 找到對應的脫氧核苷酸序列 根據(jù)DNA 基因 脫氧核苷酸序列進行人工合成或進行基因改造 嘗試解答 1 根據(jù)氨基酸序列反推mRNA密碼子序列 再反推DNA上堿基序列 其DNA堿基序列為 TACACCAAGACC 或 ATGTGGTTCTGG TACACCAAAACC ATGTGGTTTTGG 2 確定目的基因的堿基序列后 就可以根據(jù)人類的需要改造它 通過人工合成的方法 或從基因庫中獲取 解析 由氨基酸序列知 翻譯該蛋白質的mRNA上堿基序列為 AUGUGGUUCUGG 或 AUGUGGUUUUGG 由mRNA上堿基序列知 轉錄產生mRNA的DNA堿基序列為 TACACCAAGACC 或 ATGTGGTTCTGG TACACCAAAACC ATGTGGTTTTGG 互動探究 由上述氨基酸序列推導出的目的基因為什么有多種 提示 一種氨基酸可以由一種或幾種不同的密碼子決定 這樣推導出的基因也就有多種 跟蹤訓練蛋白質工程中需要直接進行操作的對象是 A 氨基酸結構B 蛋白質空間結構C 肽鏈結構D 基因結構解析 選D 蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎 通過基因修飾或基因合成 對現(xiàn)有的蛋白質進行改造 或制造一種新的蛋白質 以滿足人類的生產和生活的需求 其目標是根據(jù)人們對蛋白質功能的特定需求 對蛋白質結構進行分子設計 但因為基因決定蛋白質 因此對蛋白質的結構進行設計改造 歸根到底還需要對相應的基因進行操作 按要求進行修飾 加工 改造 使之能控制合成人類需要的蛋白質 1 定點誘變技術 基因的定點誘變技術是改變蛋白質結構的核心技術之一 1 適用對象 適用于對已知空間結構的蛋白質 進行 小改 2 特點 定點誘變有目的性和針對性 3 常用操作方法 PCR技術是目前常用的方法之一 4 具體操作過程 人工合成帶有突變位點的引物 通過技術擴增獲得定點突變的基因 通過基因工程的方法 將目的基因導入受體細胞 在受體細胞內轉錄和翻譯合成所需的蛋白質 5 結果 完成對蛋白質分子的 小改 即通過定點誘變技術在蛋白質肽鏈中引入替代氨基酸 從而改變其結構 有目的地改造蛋白質的功能 2 非定點誘變技術 1 適用對象 對于不能預先確定誘變位點的蛋白質 可采用非定點誘變來進行蛋白質的改造 2 特點 非定點誘變突變位點多 有時甚至會產生出意想不到的改造效果 下圖為蛋白質的定點誘變過程的部分過程圖解 請據(jù)圖解回答下列問題 1 圖中的質粒的本質是 2 將定點誘變過的質粒引入細胞進行復制后 可得到 種結果 圖示的三對堿基的組成分別是 3 圖示的這種對遺傳物質的改造和人工誘變的區(qū)別是 4 通過圖示技術實現(xiàn)對蛋白質的改造屬于 嘗試解答 1 小型環(huán)狀DNA分子 2 兩種CTG GACCGG GCC 3 人工誘變是遺傳物質的不定向改變 而基因的定點誘變技術是對遺傳物質的定向改變 4 小改 解析 基因的定點誘變技術是實現(xiàn)蛋白質小改的核心技術 其實質是通過基因水平的改造 實現(xiàn)對蛋白質分子結構的改造 與人工誘變相比這是一種定向的基因改造 而人工誘變則是不定向的 基因的定點誘變技術其原理是DNA分子的半保留復制 通過利用人工合成的含有所需突變順序的引物 利用DNA多聚酶合成完整的鏈 再用DNA連接酶連接 從而得到定點誘變了的DNA分子 這樣的DNA分子表達的結果 得到個別氨基酸發(fā)生改變的蛋白質分子 跟蹤訓練下列關于基因定點誘變技術的說法 正確的是 A 對任何蛋白質的改造都可以用基因定點誘變技術B 對于已知空間結構的蛋白質的改造可以采用基因定點誘變技術C 基因定點誘變技術是蛋白質工程中必須用到的技術D 采用基因定點誘變技術通?？梢愿淖兊鞍踪|中多種氨基酸 解析 選B 基因定點誘變技術是 小改 時所用的一項技術 是有目的地改造蛋白質分子中某活性部位的1個或幾個氨基酸殘基 是改變蛋白質結構的核心技術之一 主要應用于空間結構已知的蛋白質 對于空間結構未知的蛋白質用非定點誘變來進行蛋白質的改造 利用蛋白質工程改造或者設計制造出的人工蛋白 在活性 穩(wěn)定性及抗原性等方面都優(yōu)于天然蛋白質 1 提高蛋白質的熱穩(wěn)定性一種方法是通過替換酶的幾種氨基酸 可以提高酶的熱穩(wěn)定性 另一種方法是在蛋白質分子中引入二硫鍵也可提高蛋白質的熱穩(wěn)定性 2 改變蛋白質的活性組織纖溶酶原激活物 t PA 專一激活人體內的纖溶系統(tǒng) 保證血液循環(huán)的暢通 但t PA進入血漿后大部分與纖溶酶原激活劑抑制物形成復合物 并迅速失去活性 利用蛋白質工程將t PA分子中的天冬酰胺替換為谷氨酰胺后 t PA在血液循環(huán)中的停留時間會大大延長 3 合成嵌合抗體小鼠單克隆抗體的制備比較簡單 但這種鼠源性的單克隆抗體會被人的免疫系統(tǒng)排斥 不能直接用于人體 嵌合抗體就是保留鼠單克隆抗體的可變區(qū) 而用人體抗體的恒定區(qū)替換鼠單克隆抗體的恒定區(qū) 這種嵌合抗體的抗原性顯著下降 而抗體的特異識別功能沒有喪失 可用于臨床治療 目前蛋白質工程成功的例子不多 主要是因為蛋白質發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結構 而目前科學家對大多數(shù)蛋白質的高級結構的了解還不夠 要設計出更加符合人類需要的蛋白質還需經過艱辛的探索 胰島素可以用于治療糖尿病 但是胰島素被注射到人體后 會堆積在皮下 需經較長的時間才能進入血液 而進入血液的胰島素又容易分解 因此 治療效果受到影響 如圖是用蛋白質工程設計速效胰島素的生產過程 請據(jù)圖回答有關問題 1 構建新的蛋白質模型是蛋白質工程的關鍵 圖中構建新的胰島素模型的主要依據(jù)是 2 通過DNA合成形成的新基因應與 結合后轉移到 中才能得到準確表達 3 若要利用大腸桿菌生產速效胰島素 需用到的生物工程有 和發(fā)酵工程 4 圖解中從新的胰島素模型到新的胰島素基因的基本思路是什么 嘗試解答 1 蛋白質的預期功能 2 載體大腸桿菌等受體細胞 3 蛋白質工程基因工程 4 根據(jù)新的胰島素模型中氨基酸的序列 推測出其基因中的脫氧核苷酸序列 然后利用DNA合成儀來合成出新的胰島素基因 解析 1 蛋白質工程的目標是根據(jù)人們對蛋白質功能的特定需求 對蛋白質結構進行分子設計 因此 圖中構建新的胰島素模型的依據(jù)是胰島素的預期功能 即速效胰島素 2 合成的目的基因應與載體構建基因表達載體后導入受體細胞中才能得以表達 3 利用蛋白質工程生產自然界原本不存在的蛋白質 需對原有胰島素進行改造 根據(jù)新的胰島素模型中氨基酸的序列推測出其基因中的脫氧核苷酸序列 人工合成新的胰島素基因 形成目的基因 改造好的目的基因需通過基因工程來生產基因產物 并且在生產過程中要借助工程菌 所以還需要進行發(fā)酵 因此該過程涉及蛋白質工程 基因工程和發(fā)酵工程 4 由新的蛋白質模型到構建新的基因 其基本設計思路是根據(jù)新的蛋白質中氨基酸的序列 推測出基因中的脫氧核苷酸序列 然后用DNA合成儀直接合成出新的基因 跟蹤訓練下列關于蛋白質工程應用的敘述正確的是 多選 A 蛋白質工程可以改造酶的結構 提高酶的熱穩(wěn)定性B 通過蛋白質工程可以改變蛋白質的活性C 利用蛋白質工程可以在大腸桿菌細胞中得到人的胰島素D 蛋白質工程可以對胰島素進行改造和修飾 合成速效型胰島素制劑 解析 選ABD 蛋白質工程是依據(jù)人們設計的蛋白質分子結構來改造基因 進而控制合成或改變自然界中的蛋白質 而在大腸桿菌中生產人胰島素利用基因工程技術便可達到 知能過關演練 本部分內容講解結束 點此進入課件目錄 按ESC鍵退出全屏播放 謝謝使用 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全