第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用(Word教参)-【精讲精练】2024-2025学年高中生物选择性必修3（人教版2019 多选）

第4节　蛋白质工程的原理和应用 学习目标 1.说出蛋白质工程崛起的缘由 生命观念 2.概述蛋白质工程的基本原理 科学思维 3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程 社会责任 一、蛋白质工程的概念及基本原理 1．概念 2．蛋白质工程崛起的缘由 (1)基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。 (2)基因工程的不足：基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。 (3)天然蛋白质的不足：天然蛋白质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。 3．蛋白质工程的基本原理 二、蛋白质工程的应用 某病毒的表面刺突蛋白(S蛋白)的受体结合域(RBD)与人体细胞表面的ACE2受体相互作用感染细胞。科学家利用蛋白质工程设计了一种自然界中不存在的蛋白质LCB1，可与S蛋白RBD紧密结合，以干扰该病毒的感染。结合所学知识判断： (1)蛋白质工程是指通过直接改造现有蛋白质而产生出符合人类需求的新的蛋白质的工程技术(×) (2)基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而这种蛋白质不一定完全符合人们生产和生活的需要(√) (3)通过改造相关基因，使天冬氨酸激酶上352位的苏氨酸变为异亮氨酸，可以大幅度提高玉米中赖氨酸的含量(√) (4)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设计改造(√) (5)由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成(√) 探究点一　蛋白质工程崛起的缘由及基本原理 阅读教材蛋白质工程的基本思路，探究下列问题： (1)写出流程图中字母代表的含义： A．预期功能；B.氨基酸序列；C.改造或合成；D.转录；E.翻译。 (2)上图字母中属于中心法则的过程有D、E，属于蛋白质工程的过程有A、C。 (3)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？原因是什么？ 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：①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。 (4)蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质相同吗？分别体现在哪些方面？ 提示　不同。体现：①操作对象不同：蛋白质工程的操作对象是天然基因改造后的基因；基因工程的操作对象是天然基因。②得到的蛋白质不同：蛋白质工程可以得到自然界中没有的新的蛋白质；基因工程得到的是自然界中原有的蛋白质。 蛋白质工程与基因工程的区别和联系 1．(2024·湖南师大附中调研)下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(　　) A．分析蛋白质分子的结构是蛋白质工程的研究内容之一 B．蛋白质工程只能生产自然界中已经存在的蛋白质 C．蛋白质工程崛起的原因是天然蛋白质不能够完全满足人类生产、生活的需要 D．蛋白质工程可以制造一种新的蛋白质，也可以对现有的蛋白质进行改造 解析　基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，蛋白质工程能生产自然界中不存在的蛋白质，B错误。 答案　B 2．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，干扰素可以大量自我合成 D．基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的 解析　蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，进而设计出相应的基因，并借助基因工程实现，A合理；基因工程生产的自然界中已存在的蛋白质不能完全符合人类需要，因此催生了蛋白质工程，但由于基因决定蛋白质，因此蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成，B合理；干扰素作为一种表达产物，其化学本质为蛋白质，蛋白质不具有自我合成的能力，C不合理；基因工程产生的变异即为基因重组，目的基因转入后便可以随宿主的基因一同表达并遗传给后代，蛋白质工程最终也要通过基因来改造，因此蛋白质工程产生的变异也可以遗传，D合理。 答案　C “三看”法巧判基因工程和蛋白质工程 　 　　　　　　　　　　　　探究点二　蛋白质工程的应用 利用蛋白质工程可以提高玉米赖氨酸含量，改造途径如下： 结果：改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。探究下列问题： (1)结合上述资料，可以通过何种途径提高玉米中的赖氨酸含量？ 提示　改变赖氨酸合成途径中关键酶的活性，来提高赖氨酸的含量。 (2)为什么改变一个氨基酸就可以改变蛋白质的稳定性甚至某种蛋白质酶的活性？ 提示　蛋白质的结构与其氨基酸组成和排序有关，个别氨基酸的改变就会导致其结构的改变，从而影响到其性质和功能。 3．(2024·福建莆田第二十五中学月考)目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等。采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是(　　) ①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列　②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构　③合成蓝色荧光蛋白基因　④表达出蓝色荧光蛋白 A．①②③④ B．②①③④ C．②③①④ D．④②①③ 解析　参照蛋白质工程的基本途径，采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构→①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列→③合成蓝色荧光蛋白基因→④表达出蓝色荧光蛋白。 答案　B 4．某病毒通过其表面刺突蛋白(S蛋白)的受体结合域(RBD)与人体细胞表面的ACE2受体相互作用，侵入人体细胞。研究人员设计并合成了一种自然界不存在的LCB1蛋白药物，可识别并紧密结合S蛋白的RBD，以干扰该病毒的感染。下列叙述不正确的是(　　) A．LCB1可能与ACE2受体的某些区域结构类似 B．LCB1可以依据S蛋白的RBD结构进行设计 C．LCB1是通过细胞中原有的基因表达产生的 D．LCB1设计和合成是通过蛋白质工程实现的 解析　LCB1蛋白是自然界不存在的蛋白质，不能通过细胞中的原有基因表达产生。 答案　C [课堂小结] [课堂巩固] 1．下列关于蛋白质工程的叙述，不正确的是(　　) A．基因工程是蛋白质工程的关键技术 B．蛋白质工程是对蛋白质分子的直接改造 C．蛋白质工程获取的是自然界不存在的蛋白质 D．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 解析　蛋白质工程是通过对基因进行改造来实现对蛋白质分子的改造，所以基因工程是蛋白质工程的关键技术，A正确；蛋白质工程不是对蛋白质分子的直接改造，而是通过修改基因或创造合成新基因来改变生物的性状，B错误；基因工程生产的是自然界中已有的蛋白质，蛋白质工程生产的是自然界中不存在的蛋白质，C正确；蛋白质工程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，所以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，D正确。 答案　B 2．T4溶菌酶在温度较高时容易失去活性，科学家对影响T4溶菌酶耐热性的相关基因进行改造，使该酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸，与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，该酶的耐热性得到了提高。下列有关叙述正确的是(　　) A．不能利用抗原—抗体杂交的方法对该酶进行检测 B．引起T4溶菌酶空间结构改变的根本原因是二硫键的形成 C．该实例可应用重叠延伸PCR技术，对相关基因进行改造 D．该实例不必用到限制酶和DNA连接酶 解析　T4溶菌酶本质为蛋白质，可利用抗原—抗体特异性结合的特点对该酶进行检测，A错误；引起T4溶菌酶空间结构改变的根本原因是对T4溶菌酶耐热性的相关基因进行了改造，B错误；该实例属于蛋白质工程的范畴，需要借助基因工程技术，即需要限制酶和DNA连接酶，D错误。 答案　C 3．(2024·襄阳四中调研)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存在的蛋白质，蛋白质工程合成的可以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(性状水平) D．基因工程完全不同于蛋白质工程 解析　基因工程和蛋白质工程都是对基因进行分子水平的操作，A错误；基因工程合成的是天然存在的蛋白质，而蛋白质工程可以合成自然界不存在的蛋白质，B正确；基因工程和蛋白质工程都是分子水平的操作，C错误；蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，又称为第二代基因工程，D错误。 答案　B 4．(不定项)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(　　) 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不是同一物种 D．改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质 解析　改造后的中华鲟具有新的性状，但其和现有中华鲟仍是同一物种，C错误；蛋白质工程改造的是基因，可以遗传给子代，因此改造后的中华鲟的后代也具有改造的蛋白质，D错误。 答案　CD 5．干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在－70 ℃下保存半年，给广大患者带来福音。 (1)蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”。请填写：预期蛋白质的功能→设计________→推测________→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得________。 (2)基因工程和蛋白质工程相比较，基因工程在原则上只能生产________的蛋白质，不一定符合人类生产和生活的需要。而蛋白质工程是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________或________，对现有蛋白质进行________，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。 (3)蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的________结构。 (4)对天然蛋白质进行改造，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？________。原因是_________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析　(1)蛋白质工程的基本思路是：预期蛋白质的功能→设计预期蛋白质的结构→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)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。(2)基因工程和蛋白质工程相比较，基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，不一定符合人类生产生活需要。而蛋白质工程是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，通过基因的改造或合成，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需要。(3)蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的空间结构。(4)对天然蛋白质进行改造，应该通过对基因的操作来实现，原因是基因控制蛋白质的合成，并且基因能遗传给下一代。 答案　(1)预期的蛋白质结构　应有的氨基酸序列　所需要的蛋白质　(2)自然界已存在　基因改造　基因合成　改造　(3)空间(或高级)　(4)对基因的操作　基因控制蛋白质的合成，并且基因能遗传给下一代 学科网（北京）股份有限公司 $$