第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中生物学选择性必修第三册（人教版2024）

第4节　蛋白质工程的原理和应用 [课标要求] 1.理解蛋白质工程的原理(生命观念)。2.用列表法比较蛋白质工程和基因工程(科学思维)。3.列举蛋白质工程的应用(社会责任)。 (见学生用书P85) 知识点1　蛋白质工程的基本原理1.蛋白质工程的概念 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。它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：基因工程原则上只能生产__自然界中已存在__的蛋白质，而这些蛋白质__不一定__完全符合人类生产和生活的需要。 (3)蛋白质工程手段 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。 (4)蛋白质工程的目的：生产符合人们生产和生活需要的并非自然界中已存在的__蛋白质__。 3．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)原理：中心法则的逆推。 (3)过程：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。 【辨正误】 (1)蛋白质工程可以生产蛋白质，基因工程只能生产基因。(　×　) 基因工程不能生产基因。 (2)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。(　×　) 蛋白质工程需要改变的往往是个别或局部氨基酸的序列。 (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)蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列。(　×　) 蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是预期的蛋白质功能。 (5)蛋白质工程实施过程中可对关键氨基酸直接置换或增删。(　×　) 蛋白质工程中真正的操作对象仍然是基因，即对基因进行改造，不是对氨基酸的序列进行改造。 知识点2　蛋白质工程的应用 1.应用实例 (1)临床上：科学家通过对__胰岛素基因__的改造实现了对相应氨基酸序列的改造，由此研发出速效胰岛素类似物产品，从而有效抑制了胰岛素的__聚合__。 (2)医药工业方面：①科学家将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成__丝氨酸__，在一定的条件下，可以延长保存时间；②科学家将小鼠抗体上__结合抗原__的区域“嫁接”到人的抗体上，经过这样改造的抗体__诱发免疫反应__的强度就会降低很多。 (3)其他工业方面：蛋白质工程被广泛用于改进__酶__的性能或开发新的工业用酶。 (4)农业方面：科学家正在尝试改造某些参与调控__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；科学家利用__蛋白质工程__的思路来设计优良__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。 2．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__。 【辨正误】 (1)速效胰岛素类似物产品的获得应解析人胰岛素的晶体结构。(　√　) (2)在医药工业方面，利用蛋白质工程研发药物很少见。(　×　) 利用蛋白质工程研发药物并不少见。 (3)可直接将干扰素分子上的一个半胱氨酸用丝氨酸取代，在一定条件下可以延长保存时间。(　×　) 欲改造蛋白质，必须先改造基因。 (4)蛋白质工程被广泛应用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。(　√　) (见学生用书P86) (教材P94图示拓展)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.__多肽链__；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、D、E__　。 (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　(3)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。 探究点1　蛋白质工程的原理 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，如果将干扰素分子中的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在一定条件下延长保存时间，将是广大患者的福音。 (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，设计如下实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”。 (2)基因工程和蛋白质工程相比较，基因工程原则上只能生产__自然界中已存在__的蛋白质，这些天然蛋白质不一定完全符合__人类生产和生活__的需要。 (3)蛋白质工程实施的难度很大，原因是__蛋白质是大分子化合物，具有十分复杂的高级结构，蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，因此蛋白质工程实施的难度很大。__　。 (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？为什么？ 提示　(4)对天然蛋白质的改造应该通过对基因的操作来实现，原因有以下几个方面：①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因也就是对蛋白质进行了改造。②改造后的蛋白质可以通过改造后的基因遗传给下一代。如果直接对蛋白质进行改造，即使改造成功，被改造后的蛋白质分子也无法遗传。③对基因进行改造比直接对蛋白质进行改造要容易操作，难度小得多。 1．蛋白质工程与基因工程的区别和联系 点悟：蛋白质工程的设计思路是中心法则的逆推。 【例1】 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)不但保留了P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列问题： (1)从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的__________进行改造。 (2)以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰__________基因或合成__________基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括__________的复制；以及遗传信息在不同分子之间的流动，即__________。 (3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过________________和__________，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物__________进行鉴定。 解析　(1)根据题意，蛋白质P改变了氨基酸的序列后，蛋白质的结构发生改变，从而导致蛋白质P的功能发生变化，因此若改变蛋白质的功能，可考虑对蛋白质的氨基酸序列(或结构)进行改造。(2)蛋白质工程的核心操作是进行相关基因修饰或基因合成，即获得P1基因的途径有修饰P基因或合成P1基因。中心法则的内容包括：DNA的复制、RNA的复制、DNA→RNA(转录)、RNA－DNA(逆转录)、RNA→蛋白质(翻译)。(3)蛋白质工程的基本途径：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→找到相应的脱氧核苷酸序列。通过蛋白质工程合成的蛋白质还需要进行生物活性的鉴定，即功能鉴定，看是否满足人们的需求。 答案　(1)氨基酸序列(或结构)　(2)P　P1　DNA和RNA(或遗传物质)　DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转录、翻译)　(3)设计蛋白质的结构　推测氨基酸序列　功能 【例2】 科学家将葡萄糖异构酶的第138位甘氨酸用脯氨酸替代，结果它的最适温度提高了10～12 ℃。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　蛋白质工程和基因工程都要对基因进行操作，其操作对象相同，A项错误；对葡萄糖异构酶的改造属于蛋白质工程，需要以基因工程为基础，B项正确；蛋白质工程要通过基因工程实施，需要酶和载体作为工具，C项错误；蛋白质工程对编码蛋白质的基因进行了改造，遗传物质已经改变，属于可以遗传的变异，D项错误。 “二看法”判断基因工程和蛋白质工程 核心知识小结 [网络构建] [答题必备] 1．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．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。 4．蛋白质工程是对编码蛋白质的基因进行改造或合成新的基因，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。 5．基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，蛋白质工程可以生产自然界中不存在的蛋白质。 1．下列有关蛋白质工程的叙述，错误的是(　　) A．在分子水平上直接改造蛋白质 B．需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶 C．须从预期的蛋白质功能出发，设计蛋白质结构 D．应用蛋白质工程可生产速效胰岛素 答案　A 解析　蛋白质工程是在分子水平上对基因进行改造，A项错误；蛋白质工程是第二代基因工程，需构建基因表达载体，也需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶，B项正确；蛋白质工程的基本途径：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或合成新的基因→获得所需要的蛋白质，C项正确；蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰，推测应有氨基酸序列，找到对应的脱氧核苷酸序列，进而合成速效胰岛素制剂，D项正确。 2．蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过改造或合成基因来完成，而不直接改造蛋白质的原因是(　　) A．缺乏改造蛋白质所必需的工具酶 B．改造基因易于操作且改造后的基因能够遗传 C．人类对大多数蛋白质高级结构知之甚少 D．蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大 答案　B 解析　由于基因控制蛋白质的合成，所以要对蛋白质进行设计改造，可通过改造或合成基因来完成，且改造后的基因能够遗传给子代。故选B。 3．水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓，但在治疗过程中发现其抗凝血活性低。研究人员欲提高水蛭素抗凝血活性，正确的操作步骤是(　　) ①确定影响活性的氨基酸序列　②分析水蛭素的空间结构，找到影响其活性的结构域　③推测需要替换的氨基酸序列　④构建表达载体，使其在受体细胞中表达　⑤PCR技术获得改造后的水蛭素基因　⑥确定基因中的碱基序列 A．②①③⑤⑥④　　　 B．②③⑥①⑤④ C．②①③⑥⑤④ D．①②③④⑤⑥ 答案　C 解析　运用蛋白质工程技术，先分析水蛭素的空间结构，找到影响其活性的结构域(②)，然后确定影响活性的氨基酸序列(①)，推测需要替换的氨基酸序列(③)，最终确定基因中的碱基序列(⑥)，据此通过PCR技术获得改造后的水蛭素基因(⑤)，并构建表达载体，使其在受体细胞中表达(④)，可提高水蛭素抗凝血活性。综上所述，C项正确。 4．玉米中赖氨酸浓度与两种关键酶(天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶)浓度成反比，增加玉米细胞中赖氨酸含量最有效的途径是(　　) A．将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞 B．切除玉米细胞中天冬氨酸激酶基因和二氢吡啶二羧酸合成酶基因 C．修饰天冬氨酸激酶基因和二氢吡啶二羧酸合成酶基因的个别碱基 D．将根瘤菌的固氮基因导入玉米细胞 答案　C 解析　玉米中赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨酸合成过程中的两种关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性受细胞内赖氨酸浓度的影响较大，当赖氨酸达到一定浓度时，就会抑制这两种酶的活性。如果将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸；将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。通过改变有关基因的个别碱基，从而改变基因控制合成的蛋白质(酶)的结构来达到目的，属于蛋白质工程。 5．(2022·湖南改编)水蛭是我国的传统中药材，主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构，提高其抗凝血活性。回答下列问题： (1)蛋白质工程流程如图所示，物质a是__________，物质b是__________。在生产过程中，物质b可能不同，合成的蛋白质空间构象却相同，原因是______________________________________________________。 (2)蛋白质工程是基因工程的延伸，基因工程常用PCR特异性地快速扩增目的基因，PCR 技术遵循的基本原理是____________________________________。 (3)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，分析水解产物中的肽含量及其抗凝血活性，结果如图所示。推测两种处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的________(填“种类”或“含量”)有关，导致其活性不同的原因是_____________________________________________________________。 (4)若要比较蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素的抗凝血活性差异，简要写出实验设计思路__________________________ 解析　(1)据分析可知，物质a是多肽链，物质b是mRNA。在生产过程中，物质b可能不同，合成的蛋白质空间构象却相同，原因是密码子具有简并性，即一种氨基酸可能有几个密码子。(2)PCR技术遵循的基本原理是DNA的半保留复制。(3)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，据图可知，水解产物中的肽含量随着酶解时间的延长均上升，且差别不大。而水解产物中抗凝血活性有差异，经酶甲处理后，随着酶解时间的延长，抗凝血活性先上升后相对稳定；经酶乙处理后，随着酶解时间的延长，抗凝血活性先上升后下降；且酶甲处理后的酶解产物的抗凝血活性最终高于经酶乙处理后的酶解产物的抗凝血活性，差异明显，据此推测两种处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的种类有关，导致其活性不同的原因是提取的水蛭蛋白的酶解时间和酶的种类不同，导致水蛭蛋白空间结构有不同程度破坏。(4)若要比较蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素的抗凝血活性差异，实验设计思路为：取3支试管，分别加入等量的蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素；用酒精消毒，用注射器取同一种动物(如家兔)血液，立即将等量的血液加入1、2、3号三支试管中，静置相同时间，统计三支试管中血液凝固时间。 答案　(1)多肽链　mRNA　密码子的简并性　(2)DNA的半保留复制　(3)种类　提取的水蛭蛋白的酶解时间和处理酶的种类不同，导致水蛭蛋白空间结构有不同程度破坏　(4)取3支试管，分别加入等量的蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素；用酒精消毒，用注射器取同一种动物(如家兔)血液，立即将等量的血液加入1、2、3号三支试管中，静置相同时间，统计三支试管中血液凝固时间 学科网（北京）股份有限公司 $$