13蛋白质工程 教案苏教版选修3.docx

1、13蛋白质工程 教案苏教版选修3第三节蛋白质工程课标要求简述蛋白质工程。课标解读1简述蛋白质工程的概念和原理。2说明蛋白质工程和基因工程的区别与联系。3举例说明蛋白质工程的应用和发展。教学地位蛋白质工程是基因工程的延伸，又称为第二代基因工程，是按照人们的需要，利用基因工程的原理对蛋白质进行改造。目前蛋白质工程还有许多理论和技术问题等待解决，成功的实例还不多，但发展前景广阔。在高考中考到的次数还不多，常在考查基因工程的非选择题中有一问涉及蛋白质工程。教法指导1结合过程图，让学生理解蛋白质工程的基本原理。2结合具体的应用实例，让学生理解蛋白质工程的应用。新课导入建议玉米的营养价值不如小麦，原因是玉

2、米中必需氨基酸赖氨酸的含量比较低。玉米中赖氨酸含量低的原因是赖氨酸合成过程中的两种关键酶天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性受到赖氨酸浓度的影响较大，当赖氨酸浓度达到一定量时，会抑制两种酶的活性。所以玉米中赖氨酸的含量很难提高，如果我们将天冬氨酸激酶第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶的第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米种子中的赖氨酸含量提高2倍，那么怎样对这两种酶进行改造呢？这就要依靠蛋白质工程。教学流程设计课前自主探究：阅读教材P3035有关知识，填充【课前自主导学】空白，完成思考交流1、2。步骤1：课程导入：建议用【新课导入建议】方法导入课题。步骤2：尝

3、试作答【课前自主导学】部分的【正误判断】，检查自学效果。步骤3：教师结合教材P30图117和教材P31图118让学生理解蛋白质工程的原理，通过【课堂互动探究】探究1归纳总结，通过例1强化。步骤6：诵读【结论语句】，尝试构建最优知识网络图解，互评后参看【本课知识小结】的网络构建。课下完成【当堂双基达标】。步骤5：通过教材中的实例让学生认识蛋白质工程的应用，认识蛋白质工程的意义。步骤4：引导学生讨论蛋白质工程和基因工程的区别与联系，通过【课堂互动探究】探究2的表格进行比较。通过例2强化。课标解读重点难点1.简述蛋白质工程的概念和原理。2.说明蛋白质工程和基因工程的区别与联系。3.举例说明蛋白质工程

4、的应用和发展。1.蛋白质工程的概念和原理。(重难点)2.蛋白质工程的应用。(重点)蛋白质工程的概念和原理1.概念(1)基础：蛋白质的结构和功能的关系。(2)手段：借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因。(3)目的：定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质。2原理(1)结构分析前提条件：了解蛋白质的结构和功能的关系。了解蛋白质结构的方法(2)结构预测与设计：构建蛋白质空间结构模型。(3)基因工程：对基因进行改造，是蛋白质工程的关键技术。改造类型操作程序大改根据氨基酸的性质和特点，设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质，使之具有特定的氨基酸序列、空间结构和预期功能中改在蛋

5、白质分子中替代某一个肽段或一个特定的结构域小改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某活性部位的1个或几个氨基酸残基，以改善蛋白质的性质和功能(4)蛋白质纯化：纯化蛋白质，测定和分析其结构和功能。(5)功能分析：分析蛋白质的生物学和化学特性。1蛋白质工程是直接改造蛋白质的结构吗？【提示】不是，蛋白质工程的实质是改造基因。蛋白质工程的应用1.改造酶的结构，提高酶的热稳定性。2生物工程制药(1)实例1：鼠源杂交瘤抗体的改造。改造方法：在基因水平上对抗体进行重组，产生人恒定区和鼠可变区嵌合抗体。结果：对人体的不良反应减少。(2)实例2：对t-PA的改造。t-PA功能：溶解血栓块，医治

6、心肌梗死等疾病。改造方法：将t-PA分子中的天门冬酰胺替换为谷氨酰胺。结果：t-PA在血液循环中停留时间延长，疗效 更加显著。3疾病诊断(1)方法：蛋白质芯片法。(2)原理：抗原抗体的特异性结合。(3)实例：SARS病毒的检测与诊断。2酵母菌的丙糖磷酸异构酶上有两个天门冬酰胺，在分别转变为苏氨酸和异亮氨酸后，酶的热稳定性提高了将近50%，是我们教材中介绍的一重要蛋白质工程成果。试想，在用苏氨酸和异亮氨酸替换丙糖磷酸异构酶中的两个天门冬酰胺之前，要做的最重要的工作是什么？【提示】蛋白质中氨基酸的排列顺序，从根本上讲是由相应基因中的碱基顺序所决定的，故在氨基酸替换之前，要做的最重要的工作就是根据苏

7、氨酸和异亮氨酸的密码子，对丙糖磷酸异构酶的基因进行再设计和改造。1蛋白质工程直接操作的对象是蛋白质的空间结构。()【提示】是基因的结构。2利用蛋白质工程可以让大肠杆菌生产人的胰岛素。()【提示】利用的是基因工程。3蛋白质工程就是利用蛋白酶对蛋白质进行改造。()【提示】蛋白质工程是对控制蛋白质合成的基因进行改造。4蛋白质工程能够生产出新的蛋白质。()蛋白质工程的原理和方法【问题导思】蛋白质工程改造蛋白质的原理是什么？蛋白质工程改造蛋白质的方法有哪些？1蛋白质工程兴起的缘由基因工程原则上只能生产自然界中已存在的天然蛋白质，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

8、要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要，因此在基因工程的基础上产生了蛋白质工程来定向改造天然蛋白质，甚至创造出自然界不存在的蛋白质。2实施前提：通过物理化学与生物化学等技术手段了解蛋白质结构与功能的关系。3改造的对象：蛋白质。4改造的手段：借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因。5改造的目的：定向改造天然蛋白质，甚至创造出自然界不存在的蛋白质。5关键技术：蛋白质工程一般先创造出适合人类需求的新基因，然后使其表达出具有特定结构和功能的蛋白质，所以基因工程是其关键技术。7蛋白质工程别名：第二代基因工程。8蛋白质改造的方法(1)对已知空间结构的蛋白质的改造。根据蛋白质被改造的多少

9、，可分为“大改”、“中改”和“小改”。大改：根据氨基酸的性质和特点，设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质，使之具有特定的氨基酸序列、空间结构和预期功能。中改：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：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某活性部位的一个或几个氨基酸残基，以改善蛋白质的性质和功能。核心技术是基因工程中的定点诱变技术，其中PCR技术是常用的方法之一。(2)对空间结构不清楚的蛋白质的改造方法：采用非定点诱变的方法来改造蛋白质。缺点：缺乏像定点诱变那样的目的性和针对性。优点：突变位点多，有时会产生意想不到的改造效果。9对定点诱变技术的理解项目内容条件原料

10、脱氧核苷酸酶DNA聚合酶和DNA连接酶引物含突变顺序的DNA分子片段操作方法PCR结果后代中半数为诱变的DNA分子适用范围空间结构完全清楚的蛋白质科学家想提高玉米中赖氨酸的含量，计划将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，这样就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。下列对蛋白质的改造，操作正确的是()A直接通过分子水平改造蛋白质B直接改造相应的mRNAC对相应的基因进行操作D重新合成新的基因【审题导析】通过蛋白质工程改造基因后，可以遗传，使后代都能产生新的蛋白质。【精讲精析】蛋白质功能与其高级结构密切相关，因蛋白

11、质高级结构非常复杂，所以直接对蛋白质进行改造非常困难。而蛋白质是由基因控制合成的，对基因进行操作却容易得多；另外，通过改造基因对蛋白质的修改可以遗传，如对蛋白质直接改造，即使成功也不能遗传。【答案】C蛋白质工程和基因工程的比较【问题导思】蛋白质工程与基因工程有哪些区别和联系？其实质分别是什么？蛋白质工程与基因工程的操作程序分别有哪些？1蛋白质工程与基因工程的不同点蛋白质工程基因工程操作起点预期蛋白质的功能目的基因实质定向改造和生产人类所需要的蛋白质定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或产品合成的蛋白质生产自然界没有的蛋白质生产自然界已存在的蛋白质操作程序基本思路结构分析结构预测与设

12、计基因工程蛋白质纯化功能分析遵循中心法则：从DNAmRNA蛋白质应用及现状主要集中在对现有蛋白质进行改造。对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，目前还没有真正成功的例子，原因是蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少已被广泛应用，转基因植物、动物、生产药品等已商业化，但基因治疗仅处于实验阶段，未实际应用2.相同点：都属于分子水平的操作。蛋白质工程的本质是通过改造基因进而创造出自然界不存在的蛋白质。所以被形象地称为第二代基因工程。1基因工程中的目的基因一般为天然存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是天然存在的。2蛋白质工程中经过处理得到的新基因与基因突变得到的新基因有较大差别，基因突变的新基

13、因中含有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程中的新基因则没有。(2013南京高二月考)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，要经过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 ？_。【审题导

14、析】解答本题的思路为：对比二者关系，进行相应推导后组织答案【精讲精析】(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预期胰岛素的功能，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，需对原有的胰岛素进行改造，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。(4)由新的蛋白质模型到构建新的

15、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。【答案】(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本 课 知 识 小 结网 络 构 建结 论 语 句1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。2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以遗传下去。3只能生产出自然界中已存在的蛋白质种类是基因工程的“缺点”，能够生产出自然

16、界中不存在的蛋白质种类则是蛋白质工程的“优点”。4蛋白质工程中不对蛋白质进行直接改造的原因是对基因进行改造比对蛋白质直接改造容易操作，难度小得多。1蛋白质工程的目标是()A通过对基因进行诱变，产生新的蛋白质B通过基因重组，合成生物体本来没有的蛋白质C根据人们对蛋白质功能的特定需求，改造或制造蛋白质D生产大量的蛋白质【解析】蛋白质工程是指为了满足人类的生产和生活的需要，以蛋白质分子的结构规律和生物功能为基础，通过对基因修饰或合成新的基因，对现有的蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质。【答案】C2蛋白质工程中需要进行操作的直接对象是()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】蛋白

17、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。蛋白质工程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，最终还需按要求对相应的基因进行修饰加工和改造，使之能控制合成人类需要的蛋白质。【答案】D3蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主要包括哪几种()进行少数氨基酸的替换对不同来源的蛋白质的拼接从氨基酸的排列顺序出发设计全新的蛋白质直接改变蛋白质的空间结构A BC D【解析】蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，不能直

18、接改变蛋白质的空间结构。但是能进行少数氨基酸的替换，能对不同来源的蛋白质进行拼接，能够从氨基酸的排列顺序出发设计全新的蛋白质。【答案】B4(2013连云港高二检测)关于蛋白质工程的说法，错误的是()A蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类需要B蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质直接进行操作，定向改变分子的结构C蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的新型蛋白质D蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程【解析】蛋白质工程被称为第二代基因工程，是对基因结构进行相应的改造，从而产生新的蛋白质，并非是对蛋白质直接改造，直接改造后不能够遗传，也不能大量生产。【答案】B5下图为蛋白质的定

19、点诱变技术的部分过程图解，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_。【解析】基因定点诱变技术是实现蛋白质工程“小改”的操作技术，与人工诱变和自然突变相比，是一种定向的基因改造，而一般的基因突变是不定向的。【答案】(1)DNA(2)两(3)人工诱变是遗传物质不定向的变异，而图示的这种对遗传物质的改造是对遗传物质的定向改变(4)小改一、选择题1(2013淮安高二检测)蛋白质工程的实质是()A改造蛋白质

20、 B改造mRNAC改造基因 D改变氨基酸【解析】蛋白质是基因控制合成的，改造蛋白质要从改造基因入手。【答案】C2以下关于蛋白质工程的说法，正确的是()A蛋白质工程以基因工程为基础B蛋白质工程就是酶工程的延伸C蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质的改造D蛋白质工程只能生产天然的蛋白质【解析】改造蛋白质的结构从改造基因入手，因此蛋白质工程以基因工程为基础。【答案】A3对蛋白质的改造有大改、中改和小改之分，其划分的依据是()A蛋白质分子的复杂程度B操作过程的复杂程度C蛋白质改造部位的多少D蛋白质数目的多少【解析】蛋白质的改造有大改、中改、小改，其划分的依据是蛋白质改造部位的多少。【答案】C4下列说法正确的

21、是()A蛋白质工程和基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质，所以二者没有区别B基因工程是蛋白质工程的关键技术C通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍然是天然的蛋白质D蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的【解析】改造蛋白质是从改造基因入手的，因此基因工程是蛋白质工程的关键技术。【答案】B5下列不属于蛋白质工程成果的是()A改造酶的结构，提高酶的热稳定性B生产出鼠人嵌合抗体C将tPA分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺D将人的胰岛基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素【解析】将人的胰岛基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素属于基因工程的成果。【答案】D6(2013南京高二期末)关于蛋白质工程的说法，正确的是(

22、)A蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作B蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子C对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的D蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的【解析】所谓的蛋白质工程，就是利用基因工程手段，包括基因的定点突变和基因表达对蛋白质进行改造，以期获得性质和功能更加完善的蛋白质分子，能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子。【答案】B7某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构和功能很相似，只是热稳定性较差，进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂，临床治疗消化不良，最佳方案是()A对此酶中的少数氨基酸替换，以改善其热稳定性

23、B将此酶与人蛋白酶进行拼接，形成新的蛋白酶C重新设计与创造一种全新的蛋白酶D减少此酶在片剂中的含量【解析】酶的热稳定性与蛋白质的分子结构有关，应该说是与蛋白质分子结构中的少数几个氨基酸有关。【答案】A8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】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

24、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技术来进行蛋白质的改造。【答案】B9猪的胰岛素用于降低人体血糖浓度效果不明显，原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪胰岛素用于临床治疗糖尿病，用蛋白质工程对蛋白质分子设计的最佳方案是()A对猪胰岛素进行一个不同氨基酸的替换B将猪胰岛素和人胰岛素进行拼接组成新的胰岛素C将猪和人的胰岛素混合在一起治疗糖尿病D根据人的胰岛素设计制造一种全新的胰岛素【解析】由于猪胰岛素分子中只有一个氨基酸与人胰岛素不同，所以蛋白质工程中蛋白质的分子设计，只需替换这一个不同的氨基酸即可。虽然根据人胰岛素分子的结构设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗

25、，但分子设计和胰岛素的生产方面都存在很多困难，所以不是最佳方案。【答案】A10(2012洛阳高二检测)蛋白质芯片可用于()检测血清样品中的特异性抗体检测某人是否患有SARS检测体内的特异性抗体含量的动态变化检测所有传染病A BC D【解析】蛋白质芯片含有蛋白质的抗原及相应的配套对照蛋白，它们有序地排列在一种新型的高分子芯片基质上，能检测出送检血清样品中的特异性抗体，从而鉴定出哪种血清样品异常；使用蛋白质芯片检测某人是否感染SARS病毒；还可用来观察某人感染SARS病毒之后体内特异性抗体含量的动态变化，帮助监测病情的发展。【答案】B二、非选择题11(2013合肥检测)下图为蛋白质工程操作的基本思

26、路，请据图回答下列问题：(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是_；代表中心法则内容的是_。(填写数字)(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：_；_；_；_；_。(3)蛋白质工程的目的是_，通过_实现。(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是_的。【解析】本题考查蛋白质工程的基本思路，解题关键是理解蛋白质工程的原理，尤其注意以下两个方面：蛋白质工程的直接操作对象是基因；蛋白质工程的设计思路是中心法则的逆转。还要掌握中心法则和蛋白质结构的相关知识。天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的，而蛋白质工程的基本途径与之相反，即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

27、基酸序列找到相应的脱氧核苷酸序列(基因)。【答案】(1)(2)转录翻译折叠分子设计DNA合成(3)获得预期功能的蛋白质基因合成或改造(4)相反12利用蛋白质工程改造天然蛋白质，进而改变其功能，获得毒副作用减小、专一性增强、药效加强及稳定性增强的理想药物。天然胰岛素在人体内寿命只有几小时，重症病人每天得注射好几次药物，给病人带来不便和痛苦。通过蛋白质工程改变胰岛素的空间结构，以延长其半衰期，得到长效胰岛素；还可以在不改变胰岛素活性部位的前提下，增强其他部位的结合强度，使之难以被酶破坏，从而增强其稳定性。(1)此蛋白质工程的基本途径是_。(2)与基因工程相比，合成的蛋白质有何特点？_。(3)用蛋白质工程生产的胰岛素，与天然胰岛素比较，显著的优点是_。【解析】蛋白质工程的基本途径所体现的内容为中心法则的逆过程，能合成自然界中根本不存在的蛋白质。通过蛋白质工程得到的长效胰岛素，难以被酶破坏，故其稳定性高。【答案】(1)从预期的胰岛素功能出发设计预期的胰岛素分子结构推测应有的氨基酸序列找到相应的脱氧核苷酸序列(基因)(2)合成的是自然界根本不存在的蛋白质(3)稳定性强13科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠人嵌合抗体，用于癌症治疗。如图表示形成鼠人嵌合抗体的过程，据图回答问题：(1)改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠人嵌合抗体，属于_