第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用-【勤径学升】2024-2025学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程同步练测（人教版2019）

第3章 基因工程 第 4 节 蛋白质工程的原理和应用 [学习目标] 1.简述蛋白质工程的原理。 2.概述蛋白质工程的进展和前景。 自主学习探新知 课前预习 双基落实 一、蛋白质工程 1.概念 (1)基础：蛋白质分子的 及其与 的关系。 (2)手段：通过 或_ 基因，对 现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋 白质。 (3)目的：获得满足人类的生产和生活需求的 _。 2.理论和技术条件： 以 及 技术的迅猛发展。 二、蛋白质工程崛起的缘由 1.基因工程的实质：将一种生物的 转移到另一种生物体内，后者可以产生它 本不能产生的 ,进而表现出 0 2.基因工程的不足：基因工程在原则上只能产 生自然界中 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 生存的需要，却不一定 完全符合 的需要。 4.实例：玉米中赖氨酸的含量比较低，赖氨酸合 成中两种酶的 被替换，就可以使玉 米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高 5倍和2倍。 三、蛋白质工程的基本原理 1.目标：根据人们对 功能的特定需求， 对蛋白质的结构进行设计改造。 2.方法： 或 。 3.基本思路：预期蛋白质功能→设计预期的 →推测应有的 _序列→ 找到相对应的 序列(基因)或合 成新的 →获得所需要的蛋白质。 四、蛋白质工程的应用 1.在医药工业方面的应用 (1)研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造 基因使 B28位脯氨酸替换为天冬氨 酸或者将它与 B29 位的赖氨酸交换位置，从 而有效抑制了 ,研发出速 效胰岛素类似物。 (2)提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的 变成 ,提高了干一个 扰素的保存时间。 (3)改造抗体：将小鼠单克隆抗体上 “嫁接”到人的抗体上，降低了诱发 人体免疫反应的强度。 2.在其他工业和农业方面的应用 (1)改进酶的性能或开发新的工业用酶：利用 蛋白质工程获得蛋白酶的多种 。 (2)改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造 参与 的酶，以提高植物光 合作用的效率。 概念检测 判断正误，正确的打“√”,错误的打“×”。 (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。( ) 87 ?高中生物学·选择性必修3(人教版) (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)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。 (4)基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不 遵循。 ( ) (5)根据某多肽链的一段氨基酸序列，可以很 容易地确定控制该肽链合成的基因的脱氧核 苷酸序列。 ( ) (6)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。 ( ) 互动探究解疑难 要点归纳 重难突破 知识点 蛋白质工程的原理和应用 思考讨论 (3)蛋白质工程被称为“第二代基因工程”,请 概述二者的根本区别及其联系。随着分子生物学、晶体学以及计算机技术 的迅猛发展，蛋白质工程取得了很大的进展。 目前，它已成为研究蛋白质结构和功能的重要 手段，并将广泛应用于农业、医药工业和其他工 业生产中。研发速效胰岛素类似物就是生动的 实例。天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚 体，皮下注射后往往要经历一个逐渐解离为单 体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。目前， 科学家通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基 酸序列的改造，使人胰岛素 B28位脯氨酸替换 为天冬氨酸或者将它与 B29位的赖氨酸交换位 置，从而有效抑制胰岛素的聚合。 口素养提升 基因工程与蛋白质工程的比较 比较项目 基因工程 蛋白质工程 操作对象 基因 基因 (1)如何生产速效胰岛素，可以直接对天然胰 岛素进行改造吗? 操作水平 DNA分子水平 DNA分子水平 从预期的蛋白质 功能出发→设计 预期的蛋白质结 目的基因的筛选与获 构→推测应有的 取→基因表达载体的 氨基酸序列→找 基本过程 构建→将目的基因导 到并改变相对应 入受体细胞→目的基 的脱氧核苷酸序 因的检测与鉴定 列(基因)或合成 新的基因→获得 所需要的蛋白质 (2)假如利用大肠杆菌生产速效胰岛素，你能 否设计出生产胰岛素的流程?如果能，请写 出设计过程。 通过基因重组定向改 通过改造或合成 造生物的遗传特性，以 基因，生产人类 实质 获得人类需要的生物 所需的但自然界 类型或生物产品 不存在的蛋白质 生产自然界已有的蛋 生产自然界没有 结果 白质 的蛋白质 88 第3章 基因工程 能力强化 1.胰岛素可用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后 易在皮下堆积，需较长时间才能进入血液，进 入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影 响。下图是新的速效胰岛素的生产过程，有 关叙述错误的是 ( ) 生化制备与重折查胰岛素结晶X射线品体衍射 新的胰岛素 高级结构 在大肠杆菌或其 计算机设 他细胞中表达 计及作图 人工合成DNA新的胰岛素基因 新的胰岛素模型 A.新的胰岛素的预期功能是构建新胰岛素 模型的主要依据 B.新的胰岛素生产过程中不涉及中心法则 C.若用大肠杆菌生产新的胰岛素，常用Ca2+ 处理大肠杆菌 D.新的胰岛素功能的发挥必须依赖蛋白质 正确的高级结构 2.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 素养发展 探究应用 [情境_ 水蛭唾液腺分泌的水蛭素(蛋白质)是一种 优良的凝血酶抑制剂，在血栓治疗上有着重要 的医学价值，但天然的水蛭素的临床活性较低， 如果将水蛭素分子中第47 位的天冬酰胺替换 成赖氨酸，其分子活性会提高20倍。 [探究] (1)上述过程中的操作对象是水蛭素吗?试 解释原因。 (2)科学家通过反复实验，获得了改造后的水 蛭素基因，将水蛭素基因导入大肠杆菌中，结 果发现，获得的水蛭素注入血栓患者体内后 并没有达到令人满意的效果。请你试分析可 能的原因。 [课堂小结|----------------- 基础—生物助能的笑构规律及其与 概念 手段—改造或合成基因 目的—获得满足人类生产和生活需求 的蛋白质 蛋白质工程的理和和用 基本思路 预期 推测氨基酸序列改道或合成目的功能一蛋白质三维结折叠多肽链翻评mRNA转录基因生物 构功能 医药方面 医药工业方面 应用 农业方面 其他方面 89 ?高中生物学·选择性必修3(人教版) 随堂巩固促应用 验证反馈 迁移运用 1.判断正误，正确的打“√”,错误的打“×”。 (1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需 ( )要的蛋白质。 (2)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为基础。 (3)基因工程在分子水平对基因进行操作，蛋白 质工程在分子水平对蛋白质进行操作。( ) (4)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳 定性。 ( ) (5)蛋白质工程最终要达到的目的是获取编 码蛋白质的基因序列信息。 ( ) (6)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有 氨基酸序列。 ( ) 2.蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主 要包括 ( ) ①进行少数氨基酸的替换 ②对不同来源的 蛋白质的拼接 ③从氨基酸的排列顺序出发 设计全新的蛋白质 ④直接改变蛋白质的空 间结构 A.①③④ B.①②③ C.②③④ D.①②④ 3.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，满足 人类的需求 4.(陕西西安二中期中)蛛丝的强度和柔韧度得 益于蛛丝蛋白的特殊布局。有人试图通过破 解蛛丝蛋白的结构推测出相应的基因结构， 用以指导对蚕丝蛋白的修改，让蚕也吐出坚 韧的丝。下列有关说法正确的是( ) A.蚕合成像蛛丝蛋白一样坚韧的丝的过程 不遵循中心法则 B.蛋白质空间结构复杂是蛋白质工程实施 难度大的重要原因 C.可以利用 PCR 等技术检测是否有目标蛋 白的合成 D.利用基因工程技术不能改变基因上特定 位点的核苷酸序列 5.枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质 的特性，但极易被氧化而失效。1985年，科 学家埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第 222 位氨基酸替换后，其水解活性有所下降， 但抗氧化能力大大提高。用这种水解酶作为 洗涤剂的添加剂，可以有效地除去血渍、奶渍 等蛋白质污渍。据此回答下列问题： (1)改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是 _。 (2)改造后的枯草杆菌蛋白酶基因与原来相 比，至少有 个碱基对发生变化。 (3)利用生物技术改造蛋白质，提高了蛋白质 的稳定性，埃斯特尔所做的工作是对已知蛋 白质进行 。 (4)若要获得新型蛋白质，需用到的生物工程 有蛋白质工程、 和发酵工程。 (5)埃斯特尔获得新型的枯草杆菌蛋白酶的 基本思路是什么? o 提示、请完成《素能提升训练》训练十六 90 期胚胎培养、胚胎移植等技术，移植后的胚胎能在受体 子宫中存活的生理基础是受体子宫对外来胚胎基本不 发生排斥反应。(2)途径乙获得转基因植物，过程Ⅱ将 目的基因导入受体细胞，最常采用的导入方法是农杆菌 转化法，也可将受体细胞 B培养到愈伤组织阶段，实现 细胞产物的工厂化生产。若要获得脱毒的转基因莴苣， 应选择茎尖、茎尖分生区、芽尖等分生组织作为外植体。 (3)途径丙获得转基因细菌，过程Ⅱ将目的基因导入受 体细胞，可用 Ca2+处理大肠杆菌，以制备感受态细胞。 该途径用基因工程的方法，获得使外源基因高效率表达 的菌类细胞株系，来大量生产干扰素，这样的菌类细胞 株系称为基因工程菌。(4)三条途径中，过程Ⅲ依据的 生物学原理不相同，途径甲利用了受精卵的全能性，发 育成转基因牛，途径乙利用了植物细胞的全能性，发育 成完整的莴苣植株，途径丙利用了大肠杆菌繁殖快的特 点来大量生产干扰素。 答案(1)限制酶和 DNA连接 乳腺蛋白基因 动物 体细胞核移植(核移植) (2)农杆菌转化法 愈伤组织 茎尖(或茎尖分生区、芽尖) (3)Ca2+ 基因工程菌 (4)植物细胞的全能性 素养发展 探究应用 (1)提示：需要限制酶和 DNA连接酶，FPP基因和质粒 能连接成①的主要原因是具有相同的黏性末端(或平 末端)。 (2)提示：重组质粒未导入农杆菌中。 (3)提示：抑制 SQS基因的表达(或增强 ADS基因的表达)。 【随堂巩固促应用】 1.(1)√ (2)X(3)×(4)× (5)× 2.C 乙烯可以促进果实成熟，利用转基因技术抑制乙烯 形成酶的活性和抑制乙烯的合成，延长番茄的储藏时 间，A正确；科学家将某些病毒的抗病毒基因导入动物 体内，培育出抵抗相应病毒的动物新品种，B正确；目的 基因导入了受体细胞不一定都能正常表达，C错误；基 因工程制药是利用进行基因改造的微生物生产药物，如 抗体、激素、细胞因子、疫苗等，D正确。 3.C 转基因抗虫棉使得棉花具有了抗虫的能力，没有改 善作物的品质，A错误；将目的基因导入受体细胞前需 要先构建基因表达载体，B错误；利用调节细胞渗透压 的基因，可以提高作物的抗盐碱和抗早的能力，C正确； 可以利用质粒作为植物基因工程的载体，D错误。 4.A 试管动物技术又称体外受精—胚胎移植，其原理是 有性生殖，克隆羊多莉利用了核移植技术，两者均没有 运用基因工程技术；抗虫棉、转基因玉米，利用大肠杆菌生 产胰岛素以及利用酵母菌细胞生产乙肝病毒疫苗，均是将 一种生物的基因导入另一种生物体内，从而使该基因在受 体细胞中稳定存在并表达，采用的是基因工程技术。 5.解析 (1)从苏云金杆菌提取 DNA时，需加入蛋白酶， 其作用是除去蛋白质杂质。研磨液中的 SDS 能使蛋白 质变性，因此无需担心 DNA酶水解 DNA。但即使有蛋 白质变性剂使蛋白质变性改变其理化性质，仍然有可溶 性、不溶性的蛋白质杂质通过沉淀、过滤等物理方式难 以去除，因此为了获得较纯的 DNA,保证提取的 DNA 作为PCR模板的品质，需要加入蛋白酶。提取过程中 加入体积分数为95??预冷酒精，其目的是溶解蛋白 质等物质，析出不溶于酒精的 DNA。(2)本操作中获取 目的基因的方法是人工合成和 PCR技术扩增。(3)穿 梭质粒中p35s为启动子，其作用是RNA聚合酶识别并 结合的部位，驱动目的基因转录；插入两个 p35s 启动 子，其目的可能是增强目的基因的表达。(4)结合基因 表达载体的示意图，根据图中穿梭质粒上的 Kan?和 HygB3两个标记基因的位置，用 HygBR基因对应的抗 生素初步筛选转化的棉花愈伤组织。(5)为检测棉花植 株是否导入目的基因，提取棉花植株染色体 DNA作模 板，进行 PCR,应选用的引物是F3和R2。(6)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，本研究采用的部分生物技术属于蛋白质工程，理由 是用1-1362 合成基因序列和1363-1 848天然基因 序列获得改造的抗虫蛋白，将1-1362 基因序列改变为 棉花细胞偏好密码子的基因序列，未产生新的蛋白质， 不属于蛋白质工程。ABC不符合题意，D 符合题意。 故选D。 答案(1)水解蛋白质，使得 DNA与蛋白质分离 溶 解蛋白质等物质，析出不溶于酒精的 DNA (2)PCR技术扩增 人工合成 (3)RNA聚合酶识别并结合的部位 增强目的基因的 表达 (4)HygBR(5)F3 R2 (6)D 第 4 节 蛋白质工程的原理和应用 【自主学习探新知】一、 1.(1)结构规律 生物功能(2)改造 合成(3)蛋白质 2.分子生物学 晶体学 计算机 二、 1.基因 蛋白质 新的性状 2.已存在 3.特定物种 人类生产和生活 4.氨基酸 三、 1.蛋白质 2.改造基因 合成基因 3.蛋白质结构 氨基酸 脱氧核苷酸 基因 四、 1.(1)胰岛素 胰岛素的聚合 (2)半胱氨酸 丝氨酸 (3)结合抗原的区域 2.(1)突变体(2)调控光合作用 概念检测 (1)×(2)√ (3)√ (4)×(5)× (6)√ 【互动探究解疑难】 知识点 思考讨论 (1)提示：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 果直接改造蛋白质，即使改造成功，被改造的蛋白质还 是无法遗传。对基因进行改造比直接对蛋白质进行改 造要容易操作，难度要小得多。不可以。 (2)提示：能。从人体内分离和纯化胰岛素，测定胰岛素 分子中氨基酸的序列→将胰岛素高度纯化，利用技术手 段了解胰岛素的空间结构→根据胰岛素结构与功能之 间的关系.通过改变基因的碱基序列，来改变氨基酸的 排列顺序，将 B28位脯氨酸与 B29 位赖氨酸交换位置， 或使 B28 位脯氨酸替换为天冬氨酸→合成目的基因→ 构建基因表达载体→导入大肠杆菌→生产速效胰岛素。 (3)提示：二者的根本区别是基因工程只能控制合成自 17 然界中已存在的蛋白质，蛋白质工程可以制造出符合人 类需要的自然界没有的蛋白质。二者的联系表现在蛋 白质工程离不开基因工程，蛋白质工程在改造基因时需 要与基因工程有关的工具酶，需要构建基因表达载体； 改造后的基因要表达出相应的蛋白质，同样需要将改造 或合成的基因导入受体细胞。 能力强化 1.B 新的胰岛素生产过程中涉及中心法则，B错误。 2.B 基因工程和蛋白质工程均是对基因进行操作，A错 误；基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程 可以合成非天然存在的蛋白质，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；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改基因或创造 合成新基因来合成新的蛋白质，改变生物的遗传性状， 蛋白质工程不完全同于基因工程，蛋白质工程被称为第 二代基因工程，D错误。 素养发展 探究应用 (1)提示：不是。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，而改造 过的蛋白质不能遗传到下一代，所以操作对象为控制水 蛭素合成的基因。 (2)提示：大肠杆菌为原核细胞，没有内质网和高尔基 体，不能对水蛭素的肽链进行加工(其加工过程与水蛭 细胞内的加工过程不同),导致水蛭素分子结构异常，功 能下降。 【随堂巩固促应用】 1.(1)√ (2)√ (3)X(4)√ (5)× (6)× 2.B 对已知结构的蛋白质进行少数氨基酸的替换，属于 蛋白质工程中的分子设计，①正确；对不同来源的蛋白 质分子进行拼接组装，属于蛋白质工程中对蛋白质分子 的设计，②正确；从预期的蛋白质功能出发去推测氨基 酸的排列顺序，属于蛋白质工程中对蛋白质分子的设 计，③正确；蛋白质分子通常较大，直接改变蛋白质的空 间结构不易操作，因此蛋白质工程是在基因水平上实现 的，④错误。 3.D 蛋白质工程的最终目的是改造现有的蛋白质，或者 制造一种全新的蛋白质，以满足人类的需求。 4.B 蚕合成像蛛丝蛋白一样坚韧的丝的过程包括了转 录、翻译过程，遵循中心法则，A错误；蛋白质工程是一 项难度很大的工程，主要是因为蛋白质发挥功能必须依 赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂，B 正确；PCR技术不能检测蛋白质，可用抗原—抗体杂交 技术检测蛋白质，C错误；利用基因工程技术可以改变 基因上特定位点的核苷酸序列，进而实现对蛋白质的改 造，D错误。 5.解析(1)蛋白酶的化学本质是蛋白质，改造枯草杆菌 蛋白酶的生物技术是蛋白质工程。(2)由于将枯草杆菌 蛋白酶分子中的第 222 位氨基酸替换，氨基酸发生了改 变，改造后的枯草杆菌蛋白酶基因与原来相比，至少有 1个碱基对发生变化。(3)利用生物技术改造蛋白质， 提高了蛋白质的稳定性，埃斯特尔所做的工作是对已知 蛋白质进行少数氨基酸的替换。(4)若要获得新型蛋白 质，需用到的生物工程有蛋白质工程、基因工程和发酵 工程。(5)蛋白质工程的目的是合成满足人类生产和生 活需求的蛋白质。获得新型的枯草杆菌蛋白酶的基本 思路是：从预期的蛋白质功能出发，设计预期蛋白质的 结构，推测应有的氨基酸序列，推测出其基因中的脱氧 核苷酸序列，然后对现有的基因进行改造或利用 DNA 合成仪合成基因。 答案(1)蛋白质工程(2)1 (3)少数氨基酸的替换(4)基因工程 (5)从预期的蛋白质功能出发，设计预期蛋白质的结构， 推测应有的氨基酸序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸 序列，然后对现有的基因进行改造或利用 DNA合成仪 合成基因 第4章 生物技术的安全性 与伦理问题 第1节 转基因产品的安全性 【自主学习探新知】一、 1.(1)生理结构 遗传物质 快 敏感 遗传物质操作 (2)啤酒酵母双乙酰(3)基因工程菌 2.(1)生长激素 生长激素释放激素(2)抗病毒 (3)转基因动物模型 3.(1)抗虫 抗病 抗除草剂 耐储藏 乙烯形成 乙烯 (2)棉花 番木瓜 水稻 玉米(3)安全性 二、 1.(1)全新特征(2)价值观取向 见解 2.转基因食品的安全性 三、 1.自主创新 确保安全 2.知情权 选择权 安全性 概念检测 (1)×(2)×(3)√ (4)× 【互动探究解疑难】 知识点 思考讨论 (1)提示：①有些转基因食品可能含有有毒物质和过敏 原，会对人体健康产生不利影响；②减少食物的营养价 值或降低食物中的重要成分；③大量的转基因生物进入 自然界后很可能会与野生物种杂交，造成基因污染； ④有些作物插入抗虫或抗真菌的基因可能危害环境中 有益的昆虫和真菌；⑤可能产生具有耐药性的细菌，对 人类健康存在着潜在的危害。 (2)提示：科学家这样做的目的是避免造成基因污染。 α-淀粉酶基因可以阻断淀粉储藏，使花粉失去活性，因 而可以防止目的基因随着转基因花粉传播；培育转生长 激素基因的三倍体鲤鱼，减数分裂异常，配子不育，可以 避免其逃逸到野外环境与其他鲤鱼杂交，将目的基因传 到野外。 (3)提示：坚持正确的舆论导向，促使决策者做出正确的 决策，从而促进科学技术的发展；完善相应的法律法规， 利用各种手段最大限度地保证转基因技术和产品的安 全性；增强科学家的法律法规意识，提高科学家的科学 研究道德水平。 18