第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用-【精讲精练】2024-2025学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程同步学习方案（人教版2019）

O生物学·选择性必修3生物技术与工程（配RJ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 生命观念 学习目标 2.概述蛋白质工程的基本原理 科学思维 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 社会责任 必备知识 课前预习·自主落实 素养初成 榄理教材 二、蛋白质工程的应用 科学家通过对 基因的改造，研发出 一、蛋白质工程的概念及基本原理 速效胰岛素类似物产品 医药 1.概念 工业 干扰素半胱氨酸)改造 干扰素( 方面 ,第二代基园工程 体外很难保存 在一定条件下，可以 延长保存时间 基础 蛋白质分子的 及其与 的关系 降低免疫反应强度 蛋 其他工 质工 手段通过 或 来改造现有蛋 业方面 用于改进酶的性能或开发新的工业用酶 白质，或制造一种新的蛋白质 农业 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 的效率， 目的获得满足人类生产和生活需求的 方面 增加粮食的产量 2.蛋白质工程崛起的缘由 周腿生活 (1)基因工程的实质：将一种生物的 某病毒的表面刺突蛋白(S蛋白)的受 转移到另一种生物体内，后者可以产生它 体结合域(RBD)与人体细胞表面的ACE2 本不能产生的 ,进而表现出 受体相互作用感染细胞。科学家利用蛋白 质工程设计了一种自然界中不存在的蛋白 (2)基因工程的不足：基因工程在原则上只 质LCB1,可与S蛋白RBD紧密结合，以 能生产自然界中 的蛋白质。 干扰该病毒的感染。结合所学知识判断： (3)天然蛋白质的不足：天然蛋白质的结构 (1)蛋白质工程是指通过直接改造现有蛋 和功能符合 生存的需要，却不 白质而产生出符合人类需求的新的蛋白质 的工程技术 () 一定完全符合 的需要。 (2)基因工程原则上只能生产自然界中已 3.蛋白质工程的基本原理 存在的蛋白质，而这种蛋白质不一定完全 但标根据人1对蛋白质的将定需求，对蛋白质的进行设计改造 符合人们生产和生活的需要 () 某因 质工程的基本原理 有期功能 设 。甘的基因 (3)通过改造相关基因，使天冬氨酸激酶上 思路 生物功能 352位的苏氨酸变为异亮氨酸，可以大幅 行使 多肚链 三维结构 度提高玉米中赖氨酸的含量 90 第3章基因工程● (4)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白 (5)由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质 质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行 的结构进行设计改造，最终还必须通过改 设计改造 造或合成基因来完成 关键能力 课堂探究·重难突破 素养培优 探究点一 蛋白质工程崛起的缘由及基本原理 》情境探究 归纳总结 阅读教材蛋白质工程的基本思路，探究下 蛋白质工程与基因工程的区别和联系 列问题： :蛋白质工程： 基因工程 A 设计 蛋白质 推测 B 基因 生物功能行使 三维结构)厂折叠 预期蛋白质的功能→设 多肽链 E mRNA DI DNA 计预期的蛋白质结构→ 获取、筛选目的基 推测应有的氨基酸序列 因→基因表达载体 (1)写出流程图中字母代表的含义： →找到并改变相对应的过程 的构建→将目的基 A ;B. 脱氧核苷酸序列（基因） 因导入受体细胞一 或合成新的基因→获得 目的基因的检测与 :D 所需要的蛋白质 鉴定 E. 定向改造生物的遗 定向改造或生产人类所 ,传特性，以获得人类 (2)上图字母中属于中心法则的过程有 需的蛋白质 实质 所需的生物类型和 生物产品 ,属于蛋白质工程的过程有 可生产自然界中没有的 只能生产自然界中 蛋白质 结果 已有的蛋白质 (3)对天然蛋白质进行改造，你认为应该直 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 接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基 基因工程，是对现有蛋白质进行改造或制造新的蛋白 因的操作来实现？原因是什么？ 质，必须通过改造或合成基因来完成 典题精练 1.(2024·湖南师大附中调研)下列关于蛋白 质工程的叙述，错误的是 () A.分析蛋白质分子的结构是蛋白质工程 (4)蛋白质工程和基因工程的操作对象以 的研究内容之一 及得到的蛋白质相同吗？分别体现在哪些 B.蛋白质工程只能生产自然界中已经存 方面？ 在的蛋白质 C.蛋白质工程崛起的原因是天然蛋白质 不能够完全满足人类生产、生活的需要 D.蛋白质工程可以制造一种新的蛋白质， 也可以对现有的蛋白质进行改造 91 O生物学·选择性必修3生物技术与工程（配RJ版） 2.下列关于蛋白质工程和基因工程的比较， 方法技巧 不合理的是 ( ) “三看”法巧判基因工程和蛋白质工程 A.蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋 如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割 下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、 白质功能出发，设计出相应的基因，并 加工，或仅对其调控序列进行加工，则属 一看 于基因工程 借助基因工程实现 操作 如果将目的基因经过了一些实质性的改造 B.蛋白质工程是在基因工程的基础上发 如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添 或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程 展起来的，蛋白质工程最终还是要通过 如果合成时mRNA或氨基酸序列没有经过 基因修饰或基因合成来完成 二看 改造，则为基因工程技术 C.当得到可以保存半年的干扰素后，在相 基因 如果mRNA或氨基酸序列经过了改造，或 合成 关酶、氨基酸和适宜的温度、pH条件 者mRNA或氨基酸序列是根据蛋白质预 期的功能人工设计的，则为蛋白质工程技术 下，干扰素可以大量自我合成 三看 如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基 D.基因工程和蛋白质工程产生的变异都 合成 因工程 的蛋 如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚 是可遗传的 白质 至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程 探究点二 蛋白质工程的应用 >情境探究 典题精练 利用蛋白质工程可以提高玉米赖氨酸含 3.(2024·福建莆田第二十五中学月考)目前 量，改造途径如下： 科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧 天冬氨酸激酶 改 天冬氨酸澈酶 光蛋白、黄色荧光蛋白等。采用蛋白质工 (352位的苏氨酸) 造 (异亮氨酸) 程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确 二氢吡啶二羧酸合成酶改 二氢吡啶二羧酸合成 顺序是 () (104位的天冬酰胺) 造酶（异亮氨酸） ①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相 结果：改造后玉米叶片和种子中游离赖氨 对应的脱氧核苷酸序列②根据预期的蓝色 酸含量分别提高5倍和2倍。探究下列 荧光蛋白的功能设计其结构③合成蓝色荧 问题： 光蛋白基因④表达出蓝色荧光蛋白 (1)结合上述资料，可以通过何种途径提高 A.①②③④ B.②①③④ 玉米中的赖氨酸含量？ C.②③①④ D.④②①③ 4.某病毒通过其表面刺突蛋白(S蛋白)的受 体结合域(RBD)与人体细胞表面的ACE2 (2)为什么改变一个氨基酸就可以改变蛋 受体相互作用，侵入人体细胞。研究人员 白质的稳定性甚至某种蛋白质酶的活性？ 设计并合成了一种自然界不存在的LCB1 蛋白药物，可识别并紧密结合S蛋白的 RBD,以干扰该病毒的感染。下列叙述不 正确的是 92 第3章基因工程● A.LCB1可能与ACE2受体的某些区域结 C.LCB1是通过细胞中原有的基因表达产 构类似 生的 B.LCB1可以依据S蛋白的RBD结构进 D.LCB1设计和合成是通过蛋白质工程实 行设计 现的 查漏补缺 随堂巩固·基础夯实 素养提升 B.引起T4溶菌酶空间结构改变的根本原 [课堂小结] 因是二硫键的形成 理论 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 C.该实例可应用重叠延伸PCR技术，对 基础 技术 通过改造或合成基因，来改造蛋白质， 相关基因进行改造 手段 或制造一种新的蛋白质 D.该实例不必用到限制酶和DNA连接酶 蛋 目标根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质 的进行设计改造 3.(2024·襄阳四中调研)基因工程与蛋白质 预期蛋白质的功能一设计预期的蛋白质结构 】 基本 →推测应有的氨基酸序列·找到并改变相对 思路 工程的区别是 ( 应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基 因一获得 A.基因工程需对基因进行分子水平操作， 药物研发 实践 应用 改进酶的性能或开发新的工业用酶 蛋白质工程不对基因进行操作 增加粮食产量、研发 B.基因工程合成的是天然存在的蛋白质， 「课堂巩固 蛋白质工程合成的可以不是天然存在 的蛋白质 1.下列关于蛋白质工程的叙述，不正确的是 C.基因工程是分子水平操作，蛋白质工程 ( 是细胞水平（性状水平） A.基因工程是蛋白质工程的关键技术 D.基因工程完全不同于蛋白质工程 B.蛋白质工程是对蛋白质分子的直接 4.(不定项)中华鲟是地球上最古老的脊椎动 改造 物之一，被称为“活化石”。研究者试图通 C.蛋白质工程获取的是自然界不存在的 过蛋白质工程改造中华鲟体内的某些蛋白 蛋白质 质，使其更加适应现在的水域环境，以下说 D.实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋 法错误的是 () 白质结构和功能的关系 2.T4溶菌酶在温度较高时容易失去活性，科 A.该工程可以定向改变蛋白质分子的 学家对影响T4溶菌酶耐热性的相关基因 结构 进行改造，使该酶的第3位异亮氨酸变为 B.改造蛋白质是通过改造基因结构来实 半胱氨酸，与第97位的半胱氨酸之间形成 现的 了一个二硫键，该酶的耐热性得到了提高。 C.改造后的中华鲟和现有中华鲟不是同 下列有关叙述正确的是 () 一物种 A.不能利用抗原一抗体杂交的方法对该 D.改造后的中华鲟的后代不具有改造的 酶进行检测 蛋白质 93 ○生物学·选择性必修3生物技术与工程（配RJ版） 5.干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可 不一定符合人类生产和生活的需要。而蛋 以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存 白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其 相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨 与生物功能的关系作为基础，通过 酸变成丝氨酸，就可在一70℃下保存半 或 ,对现有蛋白质进行 年，给广大患者带来福音。 或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生 (1)蛋白质的合成是受基因控制的，因此获 产和生活需要。 得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基 (3)蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋 因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设 计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰 白质具有十分复杂的 结构。 素”。请填写：预期蛋白质的功能→设计 (4)对天然蛋白质进行改造，应该直接对蛋 →推测 →找到并改变相 白质分子进行操作，还是通过对基因的操 对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的 作来实现？ 。 原因是 基因→获得 (2)基因工程和蛋白质工程相比较，基因工 程在原则上只能生产 的蛋白质， 请完成[知能达标训练】作业（十六）》 章末知识整 合 高网络构建 构建知识体系 目的基因 ① 筛选合适的目的基因 基因工程 的筛选与 利用③技术获取和 ② 工具 重组DNA 获取 扩增目的基因 载体。 基本操 技术的基 作程序 ④ 组成成分：目的基因、标记 DNA的粗探究 本工具 心 基因、启动子、终止子 提取与鉴定实践 将日的基一植物：农杆菌转化法、⑤ 农牧业方面 因导入受动物：⑥ 医药卫生领城应用 体细胞L微生物：Ca2处理 食品工业生产酶、 目的基因 分子水平的检测 氨基酸和维生素等 的检测与 ⑦水平鉴定 鉴定 ⑧操作手段 结果 蛋白质 工程 对胰岛素、干 抗素酶的放造应用 填写图中序号代表的含义： ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 94③将以上获得的T。代阳性植株自交,再将得到 2.C 蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质 的T。代种子按单株收种并播种于选择培养基 功能出发,设计预期的蛋白质结构,进而设计出 上,若某培养基上全部为具有卡那霉素抗性的植 相应的基因,并借助基因工程实现,A合理;基因 株即为需要选择的植株,即阳性率达到100%的 工程生产的自然界中已存在的蛋白质不能完全 培养基中的幼苗即为目标转基因植株。根据图 符合人类需要,因此催生了蛋白质工程,但由于 形分析,野生型和突变型基因片段的长度都是 基因决定蛋白质,因此蛋白质工程最终还是要通 150bp,野生型的基因没有限制晦X的切割位 过基因修饰或基因合成来完成,B合理:干扰素 点,而突变型的基因有限制晦X的切割位点,结 作为一种表达产物,其化学本质为蛋白质,蛋白 合图中的数据分析可知电冰图中,野生型只有 质不具有自我合成的能力,C不合理;基因工程 150bp,突变型有50bp和100bp,如图; 产生的变异即为基因重组,目的基因转入后便可 核酸电冰图 标准参照物野生型 突变型 150 以随宿主的基因一同表达并遗传给后代,蛋白质 工程最终也要通过基因来改造,因此蛋白质工程 30p 产生的变异也可以遗传,D合理。 (hp指核苷酸对) 答案 探究点二 [情境探究] (1)野生型 (2)Ti质粒 启动子和终 (1)提示 止子 (3)①DA1基因(和卡那霉素抗性基因) 改变赖氛酸合成途径中关键晦的活 ②75 ③自交100 性,来提高赖氛酸的含量。 核酸电冰图 (2)提示 蛋白质的结构与其氢基酸组成和排 标准参照物野生型 突变型 l150 序有关,个别氛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。 0hp (bp指核对) [典题精练] 第4节 蛋白质工程的原理和应用 3.B 参照蛋白质工程的基本途径,采用蛋白质 课前预习·自主落实 工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确 [梳理教材] 顺序是②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设 合成基因 一、1.结构规律 生物功能改造 计其结构→①推测蓝色荧光蛋白的氢基酸序 新的性状 蛋白质 2.(1)基因 蛋白质 列和确定相对应的脱氧核苷酸序列→③合成 (2)已存在 (3)特定物种 人类生产和生活 蓝色荧光蛋白基因→④表达出蓝色荧光蛋白。 3.功能 结构 改造 合成 4.C LCB1蛋白是自然界不存在的蛋白质,不能 光合作用 二、岛素 丝氛酸 通过细胞中的原有基因表达产生。 [走近生活] 随堂巩固·基础夯实 (5) (2) (3)(4) (1)X [课堂小结] 现有 结构 所需要的蛋白质 课堂探究·重难突破 新型农药 探究点一 [情境探究] [课堂巩固] 1.B 转 (1)预期功能 氛基酸序列 改造或合成 蛋白质工程是通过对基因进行改造来实现 录 翻译 对蛋白质分子的改造,所以基因工程是蛋白质 (2)D、E A、C 工程的关键技术,A正确;蛋白质工程不是对 (3)提示 应该通过对基因的操作来实现对天 蛋白质分子的直接改造,而是通过修改基因或 然蛋白质的改造。主要原因:①蛋白质具有十 创造合成新基因来改变生物的性状,B错误;基 分复杂的空间结构,基因的结构相对简单,容 因工程生产的是自然界中已有的蛋白质,蛋白 易改造;②改造后的基因可以遗传给下一代, 质工程生产的是自然界中不存在的蛋白质, 被改造的蛋白质无法遗传。 C正确;蛋白质工程以蛋白质分子的结构规律 (4)提示 不同。体现:①操作对象不同:蛋白 及其与生物功能的关系作为基础,所以实施蛋 质工程的操作对象是天然基因改造后的基因; 白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功 基因工程的操作对象是天然基因。②得到的 能的关系,D正确。 蛋白质不同:蛋白质工程可以得到自然界中没 2.C T4溶菌晦本质为蛋白质,可利用抗原一抗 有的新的蛋白质;基因工程得到的是自然界中 体特异性结合的特点对该晦进行检测,A错 原有的蛋白质。 误;引起T4溶菌晦空间结构改变的根本原因 [典题精练] 是对T4溶菌晦耐热性的相关基因进行了改 1.B 基因工程原则上只能生产自然界中已存在 造,B错误;该实例属于蛋白质工程的范畴,需 的蛋白质,蛋白质工程能生产自然界中不存在 要借助基因工程技术,即需要限制晦和DNA 的蛋白质,B错误。 连接晦,D错误。 3.B 基因工程和蛋白质工程都是对基因进行分 章末知识整合 子水平的操作,A错误;基因工程合成的是天 [网络构建] 然存在的蛋白质,而蛋白质工程可以合成自然 ②DNA连接 ③PCR ①限制醇 ④基因 界不存在的蛋白质,B正确;基因工程和蛋白质 表达载体的构建 花粉管通道法 显微 注射法 个体生物学 工程都是分子水平的操作,C错误:蛋白质工程 ⑧改造或合成基因 [主题突破] 实践应用 是在基因工程的基础上发展起来的,又称为第 1.B 过程①是以mRNA形成单链DNA的过 二代基因工程,D错误。 程,表示逆转录,A正确:过程③拟对单键 4.CD 改造后的中华绿具有新的性状,但其和现 cDNA进行第:次循环的扩增,根据DNA分子 有中华鲜仍是同一物种,C错误;蛋白质工程改 半保留复制特点可知。该过程理论上至少需 造的是基因,可以遗传给子代,因此改造后的 要2”-1个引物B,B错误;利用实时荧光RT 中华鲜的后代也具有改造的蛋白质,D错误。 PCR技术对某些微量RNA病毒进行检测时可 5.解析(1)蛋白质工程的基本思路是:预期蛋白 提高检测的灵敏度,是因为增加了待测RNA 逆转录产生的DNA的数量(或浓度),便于检 质的功能→设计预期蛋白质的结构→推测应 测,C正确;游离的脱氧核苷酸只能从引物的3 有的氢基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸 端开始连接,D正确。 序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的 2.D DNA分子为反向平行的两条链,每条链都 蛋白质。(2)基因工程和蛋白质工程相比较,基 含有1个游离的磷酸基团,则一个DNA分子 因工程在原则上只能生产自然界中已存在的 含有2个游离的磷酸基团,A正确;在反应过程 蛋白质,不一定符合人类生产生活需要。而蛋 中,dNTP为新链的合成提供能量,无需ATP. 白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与 B正确;做qPCR之前,需要先根据目的基因的 核苷酸序列合成1对引物和1种Taqman探 生物功能的关系作为基础,通过基因的改造或 针,C正确;若荧光信号达到设定的阁值时,经 合成,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新 历的循环数越少,说明扩增次数少,说明更多 的蛋白质,以满足人类的生产和生活需要 的荧光探针与目的基因进行了碱基互补配对, (3)蛋白质工程实施的难度很大,原因是蛋白质 可推测获得的核酸产物中含有病变的概率越 具有十分复杂的空间结构。(4)对天然蛋白质 大,D错误。 进行改造,应该通过对基因的操作来实现,原 3.D 碱性蛋白晦BAPB92的改造首先要设计蛋 白晦突变体的结构,再改造相关的基因,A错误; 因是基因控制蛋白质的合成,并且基因能遗传 替换晦BAPB92第188位的氛基酸不能通过水 给下一代。 解实现,B错误;枯草杆菌碱性蛋白晦的改造工 答案(1)预期的蛋白质结构 应有的氛基酸 程利用基因定点突变技术,定点突变的目的是把 序列 所需要的蛋白质(2)自然界已存在 目的基因上面特定部位的碱基替换成另外的碱 基因改造 基因合成 改造 (3)空间(或高 基,遵循的原理是基因突变,C错误:三种突变体 级)(4)对基因的操作 基因控制蛋白质的合 中BAPB92(A188P/V262I)晦活力提高最多,降 成,并且基因能遗传给下一代 低反应活化能的效果最显著,D正确。 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 [走近生活] 课前预习·自主落实 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)× [梳理教材] 课堂探究·重难突破 药物 探究点一 [情境探究] 一、1.遗传物质 生长繁殖 发醇周期 2.(1)生长激素 生长激素释放激素 (2)抗 (1)提示 用基因工程技术导入外源基因的生 病毒 3.(1)抗虫 (3)转基因动物模型 物,且外源基因能通过繁殖而遗传给后代,这 (2)大豆 油菜 抗病 样的生物称为转基因生物,它包括转基因植 二、意识形态 经济 伦理道德 价值 物、转基因动物和转基因微生物。 三、中性 原理 操作规程 证据 逻辑 自主 (2)提示 ①解决饥饿和贫困问题;②在一定 创新 慎重 严格 程度上可以使农作物摆脱土壤和气候的限制, 提高产量;③减少农药的使用,减少环境污染。