第4节 蛋白质工程的原理和应用-【金版新学案】2024-2025学年高中生物选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（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.运用结构与功能观等观念，说明蛋白质工程设计的原理。　2.基于蛋白质工程的实例，构建蛋白质工程的基本操作模型。 知识点一　蛋白质工程崛起的缘由及基本原理 1．蛋白质工程崛起的缘由 (1)蛋白质工程的概念 (2)蛋白质工程崛起的理由 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。 2．蛋白质工程的基本原理 [精通教材] 1．对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的吗？ 提示：对蛋白质的改造是通过直接改造相应的基因来实现的。 2．若已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一，为什么？ 提示：不唯一；因为一个氨基酸可以由一个或多个密码子决定，因此获得的基因中的碱基序列有多种。 任务　分析蛋白质工程的原理 基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。蛋白质工程的目标是生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质。结合图示回答有关问题： (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。主要原因是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。 学生用书第112页 (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没有的新的蛋白质；基因工程得到的是自然界原有的蛋白质。 [核心归纳] 基因工程和蛋白质工程的比较 项目 基因工程 蛋白质工程 操作环境 生物体外 生物体外 操作核心 基因 基因 操作起点 目的基因 预期的蛋白质功能 区 别 过程 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 预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→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→获得所需要的蛋白质 结果 生产自然界已存在的蛋白质 可以创造出自然界不存在的蛋白质 联系 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，因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质必须通过改造或合成基因实现 应用1.（2024·广东韶关二模）科学家利用蛋白质工程技术将水蛭素（一种可用于预防和治疗血栓的蛋白质）第47位的天冬酰胺替换为赖氨酸，显著提高了它的抗凝血活性，流程图如下。已知天冬酰胺对应的密码子为AAU、AAC，赖氨酸对应的密码子为AAA、GUA等。下列叙述错误的是(　　) A．上图的操作流程是从预期的水蛭素功能出发的 B．在这项替换研究中目前可行的直接操作对象是基因 C．上图中大分子物质a和b的单体序列均是唯一的 D．用蛋白质工程可生产基因工程所不能生产的蛋白质 答案：C 解析：据图分析，通过分析预期的水蛭素功能推导出蛋白质的结构，进而明确氨基酸序列，最终确定基因中碱基对的排列顺序，A正确；蛋白质的改造工程直接改变的是控制蛋白质合成所对应的基因，B正确；基因a的基本单位是四种脱氧核苷酸，b是mRNA，基本单位是四种核糖核苷酸，由于密码子简并，同一蛋白质分子所对应的大分子物质a和b的单体序列均不是唯一的，C错误；基因工程是利用已有的基因生产蛋白质，而蛋白质工程是通过改造基因从而获得原本没有的蛋白质，因此用蛋白质工程可生产基因工程所不能生产的蛋白质，D正确。 蛋白质工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白质 1．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的。 2．对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。 　　 应用2.下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述中，正确的是(　　) A．蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够 B．基因工程和蛋白质工程都可以生产自然界不存在的蛋白质 C．不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是所有生物共用一套遗传密码 D．基因工程的直接操作对象是基因，蛋白质工程的直接操作对象是蛋白质 答案：A 解析：蛋白质的空间结构复杂，蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够，A正确；基因工程生产自然界已有的蛋白质，蛋白质工程生产自然界中不存在的蛋白质，B错误；不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是它们具有相同的结构及遵循碱基互补配对原则，C错误；蛋白质工程需要进行基因修饰或合成，直接操作对象仍然是基因，D错误。 “二看法”判断基因工程和蛋白质工程 　　 学生用书第113页 知识点二　蛋白质工程的应用 1．医药工业方面的应用 2．在其他方面的应用 [精通教材] 1．研究人员试图将人胰岛素的B链的第28位氨基酸由脯氨酸替换为天冬氨酸，从而有效抑制胰岛素的聚合，获得速效胰岛素类似物，应该如何操作？ 提示：应将基因相应位置上的碱基进行替换，从而使其指导合成的胰岛素相应位置上的氨基酸发生改变。 2．确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？ 提示：可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。 任务　分析蛋白质工程的应用 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。 (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：蛋白质的结构是由其氨基酸组成决定的，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。 应用1.（2024·北京丰台一模）人白细胞介素-2(IL-2)是一种细胞因子，含有3个半胱氨酸，分别位于第58、105、125位，其中58位与105位半胱氨酸之间形成的二硫键对保持IL-2活性起重要作用。用大肠杆菌生产IL-2，为保证产物活性，将IL-2基因中编码125位半胱氨酸的序列突变为丝氨酸序列。下列叙述错误的是(　　) A．突变的IL-2基因的序列发生了碱基对的增添 B．天然的和基因工程生产的IL-2均在核糖体上合成 C．突变的IL-2基因的表达降低了二硫键错配的可能 D．大肠杆菌中IL-2基因的复制和表达遵循中心法则 答案：A 解析：由题意可知，为保证产物活性，将IL-2基因中编码125位半胱氨酸的序列突变为丝氨酸序列，只是一个氨基酸发生了改变，应该是发生了碱基替换，而不是碱基对的增添，A错误；天然的IL-2和基因工程生产的IL-2的本质都是蛋白质，都是在核糖体上合成的，B正确；58位与105位半胱氨酸之间形成的二硫键对保持IL-2活性起重要作用，突变的IL-2基因的表达降低了二硫键错配的可能，C正确；大肠杆菌是原核生物，其遗传物质是DNA，基因的复制和表达都遵循中心法则，D正确。 应用2.（2024·陕西西安高二期末）研究发现，胰岛素进入血液循环后容易被降解，糖尿病患者需要反复注射胰岛素才能达到治疗效果。科研人员借助蛋白质工程改变了胰岛素中的某些氨基酸，提高了胰岛素在患者体内的稳定性，延长了其作用时间。下列叙述正确的是（多选）(　　) 学生用书第114页 A.蛋白质工程的实质是在DNA分子水平上进行设计和改造 B．氨基酸序列的差异是影响胰岛素在患者体内是否稳定的原因之一 C．改造胰岛素应首先从设计胰岛素基因中的脱氧核苷酸序列出发 D．蛋白质工程难度很大与蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构有关 答案：ABD 解析：蛋白质工程的基本流程为预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有氨基酸序列→据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列（基因）→DNA合成，最终要利用基因工程来解决蛋白质的合成，因此蛋白质工程的实质是在DNA分子水平上进行设计和改造蛋白质，A正确；氨基酸序列差异，导致胰岛素的空间结构有所改变，影响了它的功能，B正确；胰岛素属于蛋白质，改造胰岛素应首先从设计预期的蛋白质结构出发，C错误；多数蛋白质除具有一级结构（即氨基酸顺序）外，还具有复杂的高级结构，即空间结构，而很多蛋白质的空间结构是人们目前还不清楚的，因此实施蛋白质工程的难度很大，D正确。 思维导图 要语必背 1.基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 2.蛋白质工程并不是直接改造蛋白质分子的结构，而是通过基因操作来实现对天然蛋白质的改造。 3.蛋白质工程的基本思路是：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→获得所需要的蛋白质。 1．蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是(　　) A．分析蛋白质的三维结构 B．研究蛋白质的氨基酸组成 C．获取编码蛋白质的基因序列信息 D．改造现有蛋白质或制造新的蛋白质 答案：D 解析：分析蛋白质的三维结构是蛋白质工程的准备工作，与题意不符，A错误；研究蛋白质的氨基酸组成是为了设计或改造相关基因，这不是蛋白质工程的最终目的，B错误；获取编码蛋白质的基因序列信息可以实现对基因的修饰或合成，但不是蛋白质工程要达到的最终目的，C错误；改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，从而满足人类的需求，这是蛋白质工程的最终目的，D正确。 2．下图所示是利用蛋白质工程生产保存时间更久的干扰素（一种糖蛋白）的核心流程，下列叙述正确的是(　　) A．该过程得到的干扰素与自然界中的干扰素相同 B．图中③过程得到的脱氧核苷酸序列往往是唯一的 C．蛋白质工程的基础是蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 D．蛋白质工程是通过对蛋白质的结构进行修饰或合成来操作的 答案：C 解析：题图所示是利用蛋白质工程生产保存时间更久的干扰素，该过程得到的干扰素是经过改造的，与自然界中的干扰素不相同，A错误；由于密码子的简并，图中③过程得到的脱氧核苷酸序列往往不是唯一的，B错误；结构与功能相适应，因此，蛋白质工程的基础是蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系，C正确；蛋白质工程是通过对基因进行修饰或合成来操作的，D错误。 3．已知生物体内有一种X蛋白，如果将X蛋白的某一个氨基酸替换，改变后的蛋白质（X1蛋白）不但保留了X蛋白的功能，而且具有了酶的催化活性。下列说法正确的是(　　) A．蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异 B.可以通过对X蛋白基因进行改造或人工合成获得X1蛋白基因 C．蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具 D．细胞内合成X1蛋白与X蛋白的过程中，遗传信息的流向是相反的 答案：B 解析：蛋白质工程和基因工程的操作对象都是基因，两者的根本区别是蛋白质工程可制造出自然界没有的蛋白质，A错误；可以通过对X蛋白基因进行改造或人工合成获得X1蛋白基因，B正确；蛋白质工程操作过程中，需要酶和载体作为工具，C错误；细胞内合成X1蛋白与X蛋白的过程中，遗传信息的流向是相同的，D错误。 4．（2024·陕西咸阳高二期末）研究人员利用蛋白质工程将细菌纤维素酶的第137、179、194位相应氨基酸 学生用书第115页 替换为赖氨酸后，纤维素酶热稳定性得到了提高。下列有关该技术的说法正确的是(　　) A．对纤维素酶的改造需要以基因工程为基础 B．对纤维素酶的改造是通过直接改造mRNA实现的 C．改造后的纤维素酶和原纤维素酶是同一种酶 D．改造前后纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向不同 答案：A 解析：对纤维素酶的改造属于蛋白质工程，需要以基因工程为基础，蛋白质工程是在基因水平上改造基因，A正确；对纤维素酶的改造是通过直接改造纤维素酶的基因实现的，B错误；改造后的纤维素酶氨基酸序列发生了改变，和原纤维素酶不是同一种酶，C错误；改造前后纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向相同，都是DNA→RNA→蛋白质，D错误。 5．（2024·江西南昌模拟）萤火虫的荧光素酶能催化ATP激活的荧光素氧化发光，这一现象在生物检测和成像方面有重要的应用价值。为了解决天然荧光素酶不能高效催化人工合成的荧光素DTZ发光的问题，研究人员采用蛋白质工程（又称为第二代基因工程）对它进行了改造。下列关于蛋白质工程改造天然荧光素酶的叙述，正确的是（多选）(　　) A．通过化学诱变剂可定向改造天然荧光素酶的基因序列 B．改造天然荧光素酶所用的基因表达载体需要启动子和终止子 C．可用PCR方法检测突变的荧光素酶基因是否翻译成蛋白质 D．改造后的荧光素酶在一定条件下催化DTZ发光是将化学能转化为光能 答案：BD 解析：通过化学诱变剂可以让天然荧光素酶的基因序列进行随机突变，但化学诱变通常是不定向的，A错误；改造天然荧光素酶所用的基因表达载体必须包含启动子和终止子，启动子是驱动基因转录的元件，而终止子是指示转录终止的元件，B正确；PCR方法主要用于检测DNA的存在或者染色体DNA上是否插入目的基因或者目的基因是否转录出mRNA，检测目的基因是否翻译为蛋白质的方法为抗原—抗体杂交，C错误；改造后的荧光素酶在一定条件下催化DTZ发光是将化学能转化为光能，D正确。 6．（创新情境）下图为蛋白质工程操作的基本思路，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　　　　　。（填图中序号） (2)写出图中各序号代表的生物学过程的名称或内容： ①　　　　　，②　　　　　，③　　　　　　　，④　　　　　　　，⑤　　　　　　　　　。 (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。 答案：(1)④⑤　①②　(2)①转录　②翻译　③（多肽链的）折叠　④（蛋白质的）分子设计　⑤DNA合成或改造　(3)获得满足人类生产和生活需求的蛋白质　基因改造或基因合成　(4)相反 解析：(1)题图中④⑤过程代表蛋白质工程的操作思路；①②过程代表中心法则内容。(2)题图中①代表转录过程，②代表翻译过程，③代表多肽链的折叠过程，④代表蛋白质的分子设计过程，⑤代表DNA合成或改造。(3)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作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。可见，蛋白质工程的目的是获得满足人类生产和生活需求的蛋白质。(4)蛋白质工程是根据具有相应功能的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列，进而推测出脱氧核苷酸序列，因此其与中心法则的基本途径相反。 学科网（北京）股份有限公司 $$