3.4 蛋白质工程的原理和应用(教用Word)-【赢在微点·轻松课堂】2024-2025学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程（人教版，多选）

第4节　蛋白质工程的原理和应用 课程目标 核心素养 1.概述人们根据基因工程原理,进行蛋白质设计和改造,可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。 2.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。 科学思维　结合中心法则相关知识,阐明蛋白质工程的原理。 科学思维、科学探究　列表比较蛋白质工程和基因工程。 社会责任　结合实例分析蛋白质工程的应用。 课前自主预习 　 知|识|梳|理 一、蛋白质工程的概念 1.基础:蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。 2.手段: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。 3.目的:以满足人类的生产和生活的需求。 二、蛋白质工程崛起的缘由 1.崛起缘由。 (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产生自然界已存在的蛋白质。 (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.实例。 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。 三、蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的基本思路 预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→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。 四、蛋白质工程的应用 1.进展。 (1)通过对胰岛素基因的改造,使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位赖氨酸交换位置,从而有效抑制了胰岛素的聚合,研发出速效胰岛素类似物。 (2)干扰素(半胱氨酸)干扰素(丝氨酸) 　 　体外很难保存　体外-70 ℃下可以保存半年 (3)小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上,降低抗体诱发免疫反应的强度。 (4)获得枯草杆菌蛋白酶的多种突变体。 (5)尝试改造某些参与调控光合作用的酶,提高植物光合作用的效率。 (6)改造微生物蛋白质结构,防治病虫害的效果增强。 2.前景和存在的问题: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。 自|主|检|测 判断对错(正确的打“√”,错误的打“×”) (1)蛋白质工程制造的是天然蛋白质。 (×) (2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的。 (×) (3)由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化,空间结构千差万别,蛋白质工程操作难度很大。 (√) (4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性。 (×) 课堂合作探究 　 知识点一　蛋白质工程的基本原理 1.蛋白质工程的目标。 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。 2.蛋白质工程的实质:改造或合成基因。 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。 3.蛋白质工程的基本思路(如图)。 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。 特别提醒　(1)蛋白质工程是在分子水平上进行操作的。 (2)蛋白质工程的基本思路与中心法则是相反的,是中心法则的逆推。 　　蛋白质工程为什么需直接改造基因,而不直接改造蛋白质? 提示:(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。 【典例1】　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 　　蛋白质工程类试题的解题思路 分析蛋白质工程类试题,需从操作手段、设计思路、结果等方面入手: 【微变式】　从某海洋动物中获得一基因,其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物,首先要做的是 (　　) A.合成编码目的肽的DNA片段 B.构建含目的肽DNA片段的表达载体 C.依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽 D.筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽 解析　紧扣蛋白质工程的流程(基本途径)进行分析。由题可知,多肽P1为抗菌性和溶血性均较强的多肽,要设计出抗菌性强但溶血性弱的多肽,即在P1的基础上设计出自然界原本不存在的蛋白质,用蛋白质工程技术可以实现。蛋白质工程的基本途径是: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。故要想在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物,首先要做的是依据P1的氨基酸序列设计出多条模拟肽,然后进行改造,从而确定抗菌性强但溶血性弱的多肽的氨基酸序列。 答案　C 知识点二　基因工程与蛋白质工程的比较 项目 蛋白质工程 基因工程 操作 对象 基因 操作 水平 DNA分子水平 操作 流程 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测应有氨基酸序列→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 目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 结果 可生产自然界没有的蛋白质 可生产自然界已有的蛋白质 实质 通过改造或合成基因定向改造或生产蛋白质 通过基因重组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 应用 在农业、医药工业及其他工业生产中有很大的应用价值 在转基因动植物、药物生产等领域已有广泛应用 联系 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 　　为什么说蛋白质工程是第二代基因工程? 提示:蛋白质工程离不开基因工程,改造基因后,要通过基因工程生产人类需要的蛋白。 【典例2】　下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述,正确的是 (　　) A.基因工程需对基因进行操作,蛋白质工程不对基因进行操作 B.基因工程在分子水平操作,蛋白质工程在细胞水平(或性状水平)操作 C.基因工程合成自然界已存在的蛋白质,蛋白质工程可制造一种新的蛋白质 D.蛋白质工程与基因工程没有任何联系 解析　基因工程和蛋白质工程都需对基因进行操作,A项错误;基因工程和蛋白质工程都是在分子水平上进行的操作,B项错误;基因工程和蛋白质工程的结果不同,基因工程合成自然界已有的蛋白质,而蛋白质工程可根据人类需要制造自然界没有的蛋白质,C项正确;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,蛋白质工程最终还是要回到基因工程上来,因为蛋白质的合成由基因控制,D项错误。 答案　C 【微变式】　下列有关蛋白质工程的说法,正确的是 (　　) A.蛋白质工程无需构建基因表达载体 B.通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍是天然的蛋白质 C.蛋白质工程需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶 D.蛋白质工程是在蛋白质分子水平上改造蛋白质 解析　蛋白质工程的基本流程: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,找出相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。这是蛋白质工程特有的途径,接下来是按照基因工程的一般步骤进行。因此,基因工程技术利用的工具(限制酶、DNA连接酶、载体)以及操作流程也适用于蛋白质工程技术中,A项错误,C项正确;蛋白质工程生产的蛋白质是改造后的蛋白质或者是新的蛋白质,B项错误;蛋白质工程的操作对象是基因,属于分子水平,D项错误。 答案　C 网络构建　知识构建　把握核心脉络 随堂达标自测 　 1.葡萄糖异构酶(GI)在工业上应用广泛,为提高其热稳定性,科学家对GI基因进行体外定点诱变,以脯氨酸(Pro138)替代甘氨酸(Gly138),含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达,结果最适反应温度提高10~12 ℃。这属于生物工程中的 (　　) A.基因工程 B.蛋白质工程 C.发酵工程 D.酶工程 解析　题中是对基因进行修饰改造,以实现对现有蛋白质的改造,属于蛋白质工程。 答案　B 2.下面对蛋白质工程的基本操作程序的叙述,正确的是 (　　) ①蛋白质分子结构　②DNA合成　③mRNA合成　④蛋白质的预期功能　⑤根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列 A.①→②→③→④→⑤→① B.⑤→④→③→②→①→② C.④→①→⑤→②→③→① D.②→③→⑤→①→②→④ 解析　蛋白质工程的操作流程为: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。 答案　C 3.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,只是其热稳定性较差,进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂,临床治疗食物消化不良,最佳方案是 (　　) A.替换此酶中的少数氨基酸,以改善其功能 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蛋白酶 D.减少此酶在片剂中的含量 解析　要想使某种微生物合成的蛋白酶热稳定性有所提高,就要改变蛋白质的结构,此类问题一般是对蛋白质中的个别氨基酸进行替换。 答案　A 4.(多选)蛋白质工程与基因工程相比,描述不正确的是 (　　) A.基因工程原则上能生产任何蛋白质 B.蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质 C.蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现 D.蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第三代基因工程 解析　基因工程原则上只能生产自然界已有的蛋白质;蛋白质工程通过基因改造或基因合成,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,是延伸出来的第二代基因工程,蛋白质工程需进行转录和翻译。 答案　ACD 5.如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过程是　　　　。(填序号)  (2)写出图中序号代表的生物学过程的名称或内容: ①　　　　;②　　　　;③　　　　。  (3)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则　　　　。  (4)功能是由其结构决定的,直接决定蛋白质多样性的因素有　　　　　　　　,从根本上说,蛋白质的结构是由　　　　决定的。  (5)根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA中的碱基序列是否是唯一的?　　　　,为什么?　　　　　　　　　　　　　　　　。  (6)将氨基酸合成为多肽链的场所是　　　　。真核细胞中将多肽链转变为具有一定空间结构的蛋白质的场所是　　　　。  解析　蛋白质结构的多样性由组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构四个因素共同决定;从根本上说,蛋白质的结构是由基因(DNA)决定的;一种氨基酸可能具有多种密码子,根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA中的碱基序列可能有多种;蛋白质的合成场所为核糖体,在内质网中将多肽链折叠成具有一定空间结构的蛋白质。 答案　(1)④⑤　①②③　(2)转录　翻译　折叠　 (3)相反　(4)氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构　基因(DNA)　(5)不唯一　一种氨基酸可能具有多种密码子　(6)核糖体　内质网 学科网（北京）股份有限公司 $$