第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用-【金版教程】2024-2025学年高中生物必修3 生物技术与工程 创新导学案word（人教版2019 多选版）

第4节　蛋白质工程的原理和应用 1.说出蛋白质工程崛起的缘由。2.概述蛋白质工程的基本原理。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。 1．蛋白质工程的概念 概念 基础 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 手段 改造或合成基因 目的 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需求 2.蛋白质工程的地位：在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程。 3．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)蛋白质工程崛起的缘由 ①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。 ②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。 4．蛋白质工程的基本原理 (1)蛋白质工程目标：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)操作对象：必须通过改造或合成基因来完成。 (3)天然蛋白质的合成过程(按照中心法则进行) (4)蛋白质工程基本思路：(与中心法则相反)从预期蛋白质功能出发→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．通过基因改造或基因合成来完成蛋白质工程，而不是直接对蛋白质进行改造的原因： (1)蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大。 (2)蛋白质是由基因编码的，改造了基因，可以间接改造蛋白质。 (3)基因可以遗传，蛋白质无法遗传。 2．基因工程中的目的基因与蛋白质工程中的目的基因的区别：基因工程中的目的基因一般是自然界中存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是天然存在的。 5．蛋白质工程的应用 (1)医药工业方面 ①科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。 ②对干扰素的改造，使其在一定条件下可以延长保存时间。 ③对小鼠单克隆抗体的改造，使其诱发免疫反应的强度降低。 通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域(即可变区)“嫁接”到人的抗体(即恒定区)上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。 (2)其他工业方面：改进酶的性能或开发新的工业用酶。 (3)农业方面 ①改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。 ②设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。 6．蛋白质工程难度很大的原因 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。 课堂小结 1．(目标2)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 2．(目标2)科学家将胰岛素的第28和29位的氨基酸调换顺序，成功获得了速效胰岛素，生产速效胰岛素时需要定向改造的对象是(　　) A．胰岛素 B．胰岛素mRNA C．胰岛素基因 D．胰岛B细胞 答案　C 解析　对天然蛋白质进行改造，是通过对基因的操作来实现的。 3．(目标2)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过程的正确顺序是(　　) ①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列　②蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计序列　③蓝色荧光蛋白基因的合成　④表达出蓝色荧光蛋白 A．①②③④ B．②①③④ C．②③①④ D．④②①③ 答案　B 解析　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→找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→表达出相应的蛋白质，故正确顺序应该是②①③④。 4．(目标3)科学家将葡萄糖异构酶的第138位甘氨酸用脯氨酸替代，结果它的最适反应温度提高了10～12 ℃。据分析，脯氨酸替代甘氨酸后，由于引入了一个吡咯环侧链，该侧链刚好填充于第138位甘氨酸附近的空洞，使蛋白质的空间结构更具刚性，从而提高了酶的热稳定性。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．对葡萄糖异构酶的改造需要以基因工程为基础 C．蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具 D．经改造后的葡萄糖异构酶热稳定性提高这一性状不可遗传 答案　B 解析　蛋白质工程中对蛋白质的改造必须通过改造或合成基因来完成。葡萄糖异构酶的改造过程中涉及基因的改造，其遗传物质会发生改变，因此属于可遗传变异，D错误。 5．(多选)(目标1)下列关于蛋白质工程的说法正确的是(　　) A．蛋白质工程能定向改造蛋白质的结构，使之更加符合人类的需要 B．蛋白质工程是在分子水平上对基因直接进行操作，进而改变蛋白质的分子结构 C．蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子 D．蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程 答案　ABCD 题型一　蛋白质工程的原理 例1　如图为蛋白质工程操作的基本思路，下列叙述错误的是(　　) A．图中①代表转录，②代表翻译，④代表推测，⑤代表改造或合成 B．蛋白质工程中对蛋白质高级结构的了解是非常关键的工作 C．蛋白质工程的目的是对基因的结构进行分子设计 D．从图中可以看出蛋白质工程的基本思路与中心法则是相反的 解题分析　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改造实现，以得到符合人类需求的蛋白质，C错误。 答案　C 例2　(多选)枯草杆菌蛋白酶广泛应用于洗涤剂、制革及丝绸工业。某研究小组利用蛋白质工程将该蛋白酶中第188位丙氨酸替换为脯氨酸、第239位谷氨酰胺替换为精氨酸、第262位缬氨酸替换为亮氨酸，结果发现该酶的催化活性大幅度提高。下列叙述正确的是(　　) A．对枯草杆菌蛋白酶进行改造通过直接改造蛋白酶的分子结构来实现 B．通过基因工程和蛋白质工程生产的枯草杆菌蛋白酶的氨基酸序列相同 C．改造后的枯草杆菌蛋白酶可能使空间结构发生改变导致其催化活性提高 D．对枯草杆菌蛋白酶进行分子设计必须从预期蛋白酶的功能特点入手 解题分析　对枯草杆菌蛋白酶进行改造通过改造基因来实现，A错误；该蛋白酶中第188位丙氨酸替换为脯氨酸、第239位谷氨酰胺替换为精氨酸、第262位缬氨酸替换为亮氨酸，结果发现该酶的催化活性大幅度提高，其原因可能是改变了该蛋白酶的空间结构，提高了酶与底物的亲和力，B错误，C正确；枯草杆菌蛋白酶本质为蛋白质，对蛋白质进行分子设计应从预期的蛋白质功能出发，对蛋白质的结构进行设计，D正确。 答案　CD 题型二　蛋白质工程和基因工程的比较 例3　下列有关蛋白质工程与基因工程的叙述，错误的是(　　) A．蛋白质工程也要通过转录和翻译来实现 B．蛋白质工程与基因工程没有任何关系 C．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 D．蛋白质工程比基因工程难度大得多 解题分析　蛋白质工程的操作对象是基因，也要通过转录和翻译来实现特定蛋白质的合成，A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，B错误。 答案　B 知识拓展 1．基因工程与蛋白质工程的比较 基因工程 蛋白质工程 操作环境(场所) 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 基本 过程 目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→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→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 改造天然蛋白质或创造出自然界不存在的蛋白质 联系 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，所以说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.通过两看法辨别基因工程和蛋白质工程 课后课时作业 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 难度 ★ ★ ★★ ★ ★ ★★ ★ ★★ ★ ★★ ★ 对点 蛋白质工程的基本思路 蛋白质工程的基本思路 蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的基本思路 蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的应用 蛋白质工程的原理 蛋白质工程的原理 基因工程与蛋白质工程的关系 蛋白质工程的应用 蛋白质工程的应用 [单项选择题] 1．L­天冬酰胺酶对于治疗小儿白血病特别有效，但在临床应用中经常出现过敏反应。科研人员预期在L­天冬酰胺酶的基础上研发药效强但免疫性弱的蛋白质药物，下一步要做的是(　　) A．合成编码L­天冬酰胺酶的DNA片段 B．构建含L­天冬酰胺酶基因片段的表达载体 C．设计出药效强但免疫性弱的蛋白质结构 D．利用抗原—抗体杂交等方法对表达产物进行检测 答案　C 2．下图为蛋白质工程操作的基本思路，下列相关叙述正确的是(　　) A．图中⑤、⑥过程分别是转录、翻译 B．由于蛋白质不能遗传，因此蛋白质工程的产物不能大量生产 C．根据蛋白质的氨基酸序列推测出的mRNA的碱基序列是唯一的 D．蛋白质工程的目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求 答案　D 解析　图中⑤、⑥过程分别是翻译、折叠，④过程是转录，A错误；一种氨基酸可能对应多种密码子，所以根据蛋白质的氨基酸序列推测出的mRNA的碱基序列不是唯一的，C错误。 3．T4溶菌酶在高温时易失去活性。研究人员对编码T4溶菌酶的基因进行改造，使T4溶菌酶第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键，提高了酶的耐热性。下列相关叙述正确的是(　　) A．T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸数量发生了改变 B．T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程，自然界中的酶都可通过蛋白质工程进行改造 C．蛋白质工程与中心法则的流动方向一致，即DNA→mRNA→蛋白质 D．若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响 答案　D 解析　由题意可知，T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸序列及空间结构发生了改变，A错误；T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程，大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA，蛋白质工程只能用于改造蛋白质，B错误；蛋白质工程与中心法则的流动方向相反，C错误；结构与功能相适应，若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响，D正确。 4．在设计合成自然界中不存在的蛋白质时，首先应该设计(　　) A．基因结构 B．mRNA结构 C．氨基酸序列 D．蛋白质结构 答案　D 解析　合成自然界不存在的蛋白质属于蛋白质工程，应根据蛋白质功能，从设计蛋白质结构入手，依次推测相应的氨基酸和脱氧核苷酸序列，然后通过基因修饰或基因合成，获得相应的蛋白质，D正确。 5．猪的胰岛素用于人体降低血糖浓度效果不明显，原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪胰岛素临床用于治疗人糖尿病，用蛋白质工程进行操作的最佳方案是(　　) A．将猪胰岛素中与人不同的氨基酸进行替换 B．将猪胰岛素和人胰岛素进行拼接组成新的胰岛素 C．将猪和人的胰岛素混合在一起治疗糖尿病 D．根据人的胰岛素设计制造一种全新的胰岛素 答案　A 解析　根据题干信息“猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同”可知，用蛋白质工程进行操作的最佳方案是将猪胰岛素中与人不同的氨基酸进行替换。 6．FⅧ基因主要在肝脏中表达，控制合成凝血因子(FⅧ)。若将FⅧ第309位的丙氨酸替换为丝氨酸，可增加FⅧ的分泌。A型血友病是由FⅧ基因突变导致FⅧ含量降低或功能异常的疾病。下列叙述错误的是(　　) A．上述得到高分泌量的FⅧ的操作过程属于蛋白质工程 B．构建基因表达载体时应将编辑后的FⅧ基因连接于肝脏细胞特异性启动子下游 C．以腺病毒为载体将编辑后的FⅧ基因插入肝细胞核基因组可对A型血友病患者进行治疗 D．为了检测编辑后的FⅧ基因是否成功表达，不能从血液中提取蛋白质进行抗原—抗体杂交 答案　D 解析　选择肝细胞特异性启动子，且将编辑后的FⅧ基因连接于其下游，可使FⅧ基因表达且严格限于肝细胞，B正确；通过腺病毒将编辑后的FⅧ基因插入肝细胞核基因组并成功表达可增加FⅧ的分泌，治疗A型血友病患者，C正确；编辑后的FⅧ基因表达的凝血因子与患者体内原有的凝血因子不同，所以可以从血液中提取蛋白质进行抗原—抗体杂交，检测编辑后的FⅧ基因是否成功表达，D错误。 7．已知生物体内有一种蛋白质(P)，该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。下列相关叙述错误的是(　　) A．上述对蛋白质P的改造属于蛋白质工程 B．可以通过修饰P基因或合成P1基因来获得P1基因 C．P1基因通过转录和翻译获得具有专一性的蛋白质P1 D．直接对蛋白质P的氨基酸序列进行改造来获得蛋白质P1 答案　D 解析　蛋白质工程属于第二代基因工程，通过基因修饰或基因合成来完成，不能直接对蛋白质的氨基酸序列进行改造来获得新的蛋白质，D错误。 [多项选择题] 8．纤维素酶广泛应用于医药、食品发酵、造纸、废水处理等领域。研究人员利用蛋白质工程将细菌纤维素酶的第137、179、194位相应氨基酸替换为赖氨酸后，纤维素酶的热稳定性得到了提高。下列有关该技术的说法错误的是(　　) A．经改造后的纤维素酶热稳定性提高这一性状可遗传 B．对纤维素酶的改造是通过直接改造mRNA实现的 C．改造纤维素酶也需要构建基因表达载体 D．改造后的纤维素酶和原纤维素酶发挥的作用不同 答案　BD 解析　蛋白质工程是对基因进行修饰改造或重新合成，然后使改造或合成的基因进行表达，改造后的性状是可遗传的，A正确，B错误；改造后的纤维素酶和原纤维素酶都发挥催化作用，使纤维素分解，D错误。 9．下列有关基因工程与蛋白质工程的说法错误的是(　　) A．蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具 B．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新的蛋白质 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．蛋白质工程完全不同于基因工程 答案　ACD 解析　基因工程和蛋白质工程都是分子水平操作，C错误；基因工程是蛋白质工程的基础，故蛋白质工程又被称为第二代基因工程，D错误。 [非选择题] 10．胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下，要经过较长的时间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易分解，因此，治疗效果受到影响。下图表示用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题： (1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是：________________。 (2)通过人工合成DNA形成的新基因应与__________结合后转移到________________中才能得到准确表达。 (3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有______________、______________和发酵工程。 (4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是什么？ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 答案　(1)新胰岛素的预期功能 (2)载体　大肠杆菌等受体细胞 (3)蛋白质工程　基因工程 (4)从新的胰岛素模型，推测新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后人工合成出新的胰岛素基因。 解析　(1)蛋白质工程是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计，因此，图中构建新的胰岛素模型的依据是新胰岛素的预期功能，即速效胰岛素。 (2)合成的目的基因应与载体形成重组DNA分子后导入受体细胞中才能得以表达。 11．科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的人—鼠嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成人—鼠嵌合抗体的过程，据图回答下列问题： (1)改造鼠源杂交瘤抗体，生产人—鼠嵌合抗体，属于__________(填生物工程)的范畴。 (2)图示过程是根据预期的____________出发，设计预期的________________，最终必须对________进行操作，此操作中改变的是__________________。 (3)经过改造的人—鼠嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是____________________(从免疫角度考虑)。 (4)上述过程中对科学家来说难度最大的是________________________。 答案　(1)蛋白质工程 (2)嵌合抗体功能　嵌合抗体的结构　基因　脱氧核苷酸序列 (3)使人体产生的免疫反应减少 (4)设计预期的嵌合抗体的空间结构 12 学科网（北京）股份有限公司 $$