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专题1基因工程1.4蛋白质工程的崛起[学习目标][核心素养]1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.简述蛋白质工程的基本原理。3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。科学思维：尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计或改造某一蛋白质的设计流程。读教材、抓双基自主预习一、蛋白质工程崛起的缘由1．基因工程的实质：将一种生物的1______转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的2________，进而表现出新的性状。2．基因工程的不足：原则上只能生产3______________的蛋白质。基因蛋白质自然界已存在3．蛋白质工程的崛起(1)理论和技术条件：分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。(2)天然蛋白质存在不足：天然蛋白质的4____________符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合5________________的需要。结构和功能人类生产和生活(3)实例蛋白质缺陷改造措施改造后效果干扰素体外保存时间短半胱氨酸替换为6________－70℃条件下，保存时间延长至半年玉米中赖氨酸含量低将赖氨酸合成过程中两种酶的氨基酸替换玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍丝氨酸二、蛋白质工程的基本原理1．概念(1)基础：蛋白质分子的7__________及其与8__________的关系。(2)手段：通过9__________或10__________，对现有蛋白质进行11______，或制造一种新的蛋白质。(3)目的：获得满足人类生产和生活需求的12________。结构规律生物功能基因修饰基因合成改造蛋白质2．基本原理(1)目标：根据人们对蛋白质功能的13__________，对蛋白质的结构进行14__________。特定需求分子设计(2)原理：15__________。写出流程图中字母代表的含义：A.16______；B.17______；C.18__________；D.19________；E.20__________。转录翻译分子设计多肽链预期功能基因改造3．结果：现有蛋白质得以改造，或制造出21____________。4．实施水平：22______(分子)水平。5．与基因工程的关系：是在23__________的基础上，延伸出来的第二代基因工程。新的蛋白质基因基因工程三、蛋白质工程的进展和前景1．进展：如科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。2．前景：生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积24____、耗电25____和效率26____的特点。3．面临困难：对蛋白质发挥功能必须依赖的正确的27__________的了解还很不够。小少高高级结构1．判断下列叙述的正误。(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)蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子。()(3)基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。()(4)为延长干扰素保存时间，需要替换氨基酸；为提高玉米中赖氨酸含量，需要在蛋白质中加入赖氨酸。()×√××(5)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，也需要利用基因工程的基本工具，需要经历基因工程的操作流程。()(6)根据某多肽链的一段氨基酸序列，可以很容易地确定决定这段肽链的脱氧核苷酸序列。()(7)蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为人们对蛋白质复杂的高级结构没有完全认识。()(8)蛋白质工程是通过基因的修饰和合成来实现对蛋白质的改造的。()√×√√2．下列关于蛋白质工程实施的叙述，不正确的是()A．可以根据人类的需要，设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质B．可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域C．可以通过基因工程间接地改造蛋白质中特定的一个或几个氨基酸D．可以通过人工化学合成的方法直接对蛋白质的氨基酸进行改造解析：选D可以根据人类的需要，设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质，A正确；可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域，B正确；可以通过基因工程间接地改造蛋白质中特定的一个或几个氨基酸，C正确；蛋白质工程通过改造基因来完成对蛋白质的改造，D错误。解疑难、提能力课堂探究探究点一|蛋白质工程|核心探究|一、蛋白质工程解读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。蛋白质工程通过基因修饰或基因合成手段对现有的蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需要。1．原理：中心法则的逆推。2．操作对象：基因。即通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。因为对基因改造比对蛋白质直接进行改造要容易，且改造过的基因可以遗传给后代。3．基本途径：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(基因)。4．改造方法：根据改造蛋白质部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类：“大改”：制造出自然界中不存在的全新蛋白质；“中改”：在蛋白质分子中替换某一个肽段或一个特定的结构域；“小改”：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。5．实例：蛋白质工程设计速效型胰岛素的生产过程(1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，主要依据是蛋白质的预期功能。(2)从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是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合成仪来合成新的胰岛素基因。(3)通过人工合成DNA形成的新基因应与载体结合后转移到大肠杆菌等受体细胞中才能得到准确表达。二、蛋白质工程原理与中心法则1．蛋白质结构和功能的决定因素(1)氨基酸的种类、数目和排列顺序。每一种蛋白质都有独特的氨基酸序列，所以改变其中关键氨基酸就能改变蛋白质。氨基酸是由三联体密码子决定的，只要改变密码子的一个或两个碱基，氨基酸的种类就可能会发生变化。(2)蛋白质的空间结构。2．蛋白质工程的原理是中心法则的逆推天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的：基因→表达(转录和翻译)→形成氨基酸序列多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能；而蛋白质工程却与之相反，它的基本途径是：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，可以创造出自然界不存在的蛋白质。|探究演练|1．(2019·吉安期中)下列关于蛋白质工程的叙述，不正确的是()A．实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系B．基因工程是蛋白质工程的关键技术C．蛋白质工程是对蛋白质分子的直接改造D．利用蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子解析：选C实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系，A正确；基因工程是蛋白质工程的关键技术，B正确；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，是在分子水平上对基因直接进行操作，C错误；利用蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子，D正确。2．下列有关蛋白质工程的说法错误的有几项()①蛋白质工程无需构建基因表达载体②通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍是天然的蛋白质③蛋白质工程需要用到限制酶和DNA连接酶④蛋白质工程是在蛋白质分子水平上改造蛋白质的A．1B．2C．3D．4解析：选C蛋白质工程是指以蛋白质的结构规律及其与生物功能的关系为基础，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要，蛋白质工程需构建基因表达载体，①错误；利用蛋白质工程产生的是自然界没有的蛋白质，②错误；蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的，故蛋白质工程需要用到限制酶和DNA连接酶，③正确；对蛋白质结构的改造是通过改造基因来实现的，所以蛋白质工程是在基因水平上改造蛋白质，④错误。3．如图为蛋白质工程操作的基本思路，下列叙述不正确的是()A．代表蛋白质工程操作思路的过程是④⑤B．代表中心法则内容的是①②C．①代表转录，②代表翻译，④代表分子设计，⑤代表DNA合成D．蛋白质工程的目的是对基因的结构进行分子设计，通过基因合成或改造实现解析：选D蛋白质工程的目的是对蛋白质的结构进行分子设计，通过基因合成或基因修饰实现。探究点二|蛋白质工程与基因工程的比较|核心探究|基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状，但只能生产自然界已存在的蛋白质；蛋白质工程是通过修饰基因或创造合成新基因来改变生物的遗传和表达性状，合成新的蛋白质，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。二者比较如下：项目蛋白质工程基因工程起点预期蛋白质功能目的基因过程预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定区别实质通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的基因重组项目蛋白质工程基因工程结果可以创造出自然界不存在的蛋白质生产自然界已存在的蛋白质区别应用及现状①主要集中在对现有蛋白质进行改造，如干扰素、天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化②基因治疗仅处于初期的临床试验阶段项目蛋白质工程基因工程联系①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质②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[易错易混]有关蛋白质工程的两点提醒(1)改造对象是基因：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。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传下去的。(2)基因突变的新基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。|探究演练|4．(2019·洛阳联考)下列有关基因工程与蛋白质工程的叙述正确的是()A．蛋白质工程与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．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：选B蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计，基因工程不涉及蛋白质结构的设计，A错误；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，B正确；通过蛋白质工程改造后的蛋白质不再是天然的蛋白质，C错误；对蛋白质结构的改造是通过改造基因来实现的，所以蛋白质工程是在基因水平上改造蛋白质，D错误。5．基因工程与蛋白质工程的区别是()A．基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不对基因进行操作B．基因工程合成的是天然的蛋白质，蛋白质工程合成的不是天然存在的蛋白质C．基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平或性状水平操作D．基因工程完全不同于蛋白质工程解析：选B基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程是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，A、C错误；基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状，但只能生产自然界已存在的蛋白质，蛋白质工程是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，B正确；基因工程是蛋白质工程的关键技术，故蛋白质工程又被称为第二代基因工程，D错误。6．(2018·衡水检测)下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，不合理的是()A．蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发，设计出相应的基因，并借助基因工程实现B．蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成C．当得到可以在－70℃条件下保存半年的干扰素后，在相关酶、氨基酸和适宜的温度、pH条件下，干扰素可