第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程（人教版2019 不定项）

第4节　蛋白质工程的原理和应用 课时目标 1.运用结构与功能观，说明蛋白质工程设计的原理。(生命观念) 2．基于蛋白质工程的实例，采用模型与建模等方法表示蛋白质工程的基本思路。(科学思维) 3．认同蛋白质工程在农业、医药工业及其他工业生产中有很大的应用价值。(社会责任) 一、蛋白质工程的概念及其崛起的缘由 1．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：获得满足人类生产和生活需求的蛋白质。 2．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：基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。 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——改造天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶 ①蛋白质缺陷：这两种酶是玉米细胞中合成赖氨酸的关键酶，它们的活性受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以玉米中赖氨酸含量很难提高。 ②改造措施：将天冬氨酸激酶中第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。 ③改造后效果：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。 二、蛋白质工程的基本原理和应用 1．蛋白质工程的基本原理 (1)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)方法：通过改造或合成基因来完成。 (3)基本思路 2．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基因的改造，研发出速效胰岛素类似物产品。 ②将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在一定条件下，可以延长保存时间。 ③人—鼠嵌合单克隆抗体：降低鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度。 (2)其他工业方面 用于改进酶的性能或开发新的工业用酶，如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。 (3)农业方面 ①科学家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。 ②科学家利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，增强微生物防治病虫害的效果。 ◆名师点睛 1．蛋白质结构和功能的决定因素 (1)氨基酸的种类、数目和排列顺序。每一种蛋白质都有独特的氨基酸序列，所以改变其中的关键氨基酸就能改变蛋白质。氨基酸是由密码子决定的，只要改变密码子的一个或两个碱基，氨基酸的种类就可能发生变化。 (2)蛋白质的空间结构。由于肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构千差万别，组成的蛋白质分子结构极其多样。 2．有关蛋白质工程的易错点 (1)遗传性问题：改造了基因即对蛋白质进行了改造，改造过的蛋白质可以遗传。如果对蛋白质直接改造，被改造的蛋白质是无法遗传的。 (2)表达的场所：改造后的基因需要导入受体细胞才能表达出相应的蛋白质。 (3)编码区的问题：蛋白质工程中经过处理得到的新基因与基因突变得到的新基因有较大差别。基因突变得到的新基因中含有不编码蛋白质的序列，蛋白质工程得到的新基因中则没有。 ◆思维启迪 1．为什么蛋白质工程是一项难度很大的工程？ 提示：蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。 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什么？ 提示：蛋白质工程的最终目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，以满足人类的需求。 ◆基础速判(对的画“√”，错的画“×”) 1．蛋白质工程是指通过直接改造现有蛋白质而生产出符合人类需求的新的蛋白质的工程技术。(　　×　　) 2．基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而这种蛋白质不一定完全符合人们生产和生活的需要。(　　√　　) 3．蛋白质工程的目标是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。(　　√　　) 4．蛋白质工程只能生产自然界已有的蛋白质。(　　×　　) 5．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。(　　√　　) 任务__蛋白质工程及其与基因工程的比较 1．蛋白质工程为什么需要改造基因，而不直接改造蛋白质？ 答案：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；对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。 2．基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？为什么？ 答案：都遵循中心法则。基因工程指导合成天然蛋白质的过程遵循中心法则；蛋白质工程操作时，经改造的基因表达所需要的蛋白质仍需遵循中心法则。 3．探讨蛋白质工程和基因工程的区别并填写下表。 区别 蛋白质工程 基因工程 操作对象 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 天然基因 最终结果 ________________________________________________________________________ ____________________________________ ________________________________________________________________________ _________________________ 答案：天然基因改造后的基因　可以得到自然界中不存在的蛋白质 得到自然界中已存在的蛋白质 1．蛋白质工程与基因工程的比较 2．“三看法”判断基因工程和蛋白质工程 (1)一看对基因的操作方法 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、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基的替换或增添或缺失，则属于蛋白质工程。 (2)二看目的基因的合成方式 基因工程和蛋白质工程中都可以通过逆转录合成目的基因，或根据蛋白质的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。如果mRNA或氨基酸序列没有经过改造，则为基因工程技术；如果mRNA或氨基酸序列经过了改造，mRNA或氨基酸序列是根据预期的蛋白质功能人工设计的，则为蛋白质工程技术。 (3)三看合成的蛋白质种类 如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。 1．(2024·丹东高二检测)利用AI(人工智能)破解蛋白质结构和功能之谜，建立蛋白质数据库，并在此基础上进行蛋白质结构设计和优化，会给未来蛋白质工程的发展带来翻天覆地的变化。关于该技术的实施，下列说法错误的是(　　) A.用AI预测新型蛋白质的基因结构应依据中心法则原理 B．可以通过改造或合成基因来获得AI设计的蛋白质 C．根据设计的某种蛋白质的氨基酸序列推理的基因序列中包含启动子和终止子 D．用蛋白质的氨基酸序列推测的RNA编码序列有多种可能，原因是密码子具有简并性 C　解析：用AI预测新型蛋白质的基因结构依据的原理是中心法则，从蛋白质结构反推出氨基酸序列，再反推出相应的基因序列，A正确；对蛋白质的改造是通过改造或合成基因来完成的，B正确；启动子和终止子为非编码区，故由氨基酸序列推理的基因序列中不包含启动子和终止子，C错误；因为一种氨基酸可能对应多种密码子(简并性)，故用蛋白质的氨基酸序列推测的RNA编码序列有多种可能，D正确。 2．(2024·长沙高二检测)枯草杆菌蛋白酶广泛应用于洗涤剂、食品等行业。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，结果发现枯草杆菌蛋白酶的催化活性大幅度提高。下列叙述错误的是(　　) A．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 B．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出发 C．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不同 D．改造后的枯草杆菌蛋白酶可能是空间结构发生改变导致其催化活性提高 A　解析：蛋白质工程通过获取编码蛋白质的基因序列信息进而合成相关的基因并最终获得符合人们需求的蛋白质，这是蛋白质工程的最终目的，A错误；对蛋白质进行分子设计应从预期的蛋白质功能出发，从而对蛋白质的结构进行设计，因此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出发，B正确；基因工程生产的蛋白质是自然界已有的蛋白质，而蛋白质工程能对现有蛋白质进行改造，或制造新的蛋白质，结合题干信息可知，两者的氨基酸序列不同，C正确；改造后的蛋白酶替换掉了其中的某些氨基酸，从而使其催化活性大幅提高，原因可能是改变了蛋白酶的空间结构，D正确。 3．(不定项)下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，正确的是(　　) A．基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质 B．蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过改造或合成基因来完成 C．基因工程遵循中心法则，蛋白质工程完全不遵循中心法则 D.基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的 ABD　解析：基因工程遵循中心法则，蛋白质工程也遵循中心法则，C错误。 通过蛋白质工程改造水蛭素结构 ——科学探究与社会责任 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。 设计1：考查原理识记与理解能力 (1)蛋白质工程是基因工程的延伸，基因工程中常用____________特异性快速扩增目的基因。该技术遵循的基本原理是________________。 设计2：考查逻辑推理与论证能力 (2)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1、图2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______________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 图1 图2 设计3：考查科学探究与长句表达能力 (3)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：____________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：(1)PCR　DNA半保留复制 (2)种类　提取的水蛭蛋白的酶解时间和处理的酶的种类不同，对水蛭蛋白空间结构有不同程度的破坏 (3)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3支试管中，静置相同时间，统计3支试管中血液凝固时间 解析：(1)蛋白质工程是基因工程的延伸，基因工程中常用PCR特异性地快速扩增目的基因。PCR技术遵循的基本原理是DNA半保留复制。(2)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，由题图可知，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，而水解产物的抗凝血活性有差异：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。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处理的酶的种类不同，对水蛭蛋白空间结构有不同程度的破坏。(3)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3支试管中，静置相同时间，统计3支试管中血液凝固时间。 1．(2024·深圳高二检测)猪的胰岛素用于人体时降血糖效果不明显，原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪胰岛素适于治疗人类糖尿病，用蛋白质工程对蛋白质分子进行设计的最佳方案是(　　) A．对猪胰岛素进行一个氨基酸的替换 B．将猪和人的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新的胰岛素 A　解析：依据题中信息可知，蛋白质分子设计的最佳方案应为对猪胰岛素进行一个氨基酸的替换使之变成人胰岛素。 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．蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大 C．人类对大多数蛋白质高级结构知之甚少 D．改造基因易于操作且改造后能够遗传 D　解析：蛋白质工程应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，原因是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，而且改造过后可以遗传下去，如果对蛋白质直接进行改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传；对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度小。故选D。 3．(2024·哈尔滨高二检测)中华鲟是地球上最古老的脊椎动物，被称为“活化石”。研究者试图通过蛋白质工程改造中华鲟体内的某些蛋白质，使其更加适应现在的水域环境。以下说法错误的是(　　) A．该工程可以定向改变蛋白质分子的结构 B．该工程中改造蛋白质是通过改造基因结构实现的 C．改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种 D．改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质 D　解析：蛋白质工程可以定向改变蛋白质分子的结构，A正确；改造蛋白质是通过改造基因结构实现的，B正确；改造后的中华鲟具有新的性状，但其和现有中华鲟仍是同一物种，C正确；蛋白质工程改造的是基因，可以遗传给子代，因此改造后的中华鲟的后代也具有改造的蛋白质，D错误。 4．蛛丝的强度和柔韧度得益于蛛丝蛋白的特殊布局，使它产生了一个由坚硬的结晶区和非结晶区构成的混合区域。有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因，以指导对蚕丝蛋白的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝一样坚韧的丝。此过程运用的技术及流程分别是(　　) A．基因突变：DNA→RNA→蛋白质 B．基因工程：RNA→RNA→蛋白质 C．基因工程：DNA→RNA→蛋白质 D．蛋白质工程：蛋白质→氨基酸序列→DNA→RNA→多肽链→蛋白质 D　解析：该过程通过改造基因来实现对蛋白质的改造，属于蛋白质工程；根据题干信息“通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因，以指导对蚕丝蛋白的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝一样坚韧的丝”可知，流程是蛋白质→氨基酸序列→DNA→RNA→多肽链→蛋白质，D正确。 5．(不定项)人体内的t-PA蛋白能高效降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓，然而，为心梗患者注射大剂量的基因工程t-PA蛋白会诱发颅内出血，其原因在于t-PA蛋白与血纤维蛋白结合的特异性不高。研究证实，通过某技术，将t-PA蛋白第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，可制造出性能优异的改良t-PA蛋白，进而显著降低出血风险。下列相关叙述错误的是(　　) A．该技术的关键是了解t-PA蛋白分子的结构 B．该技术生产改良t-PA蛋白的过程遵循中心法则 C．该技术是在分子水平上直接改造蛋白质的 D．该技术不能构建出自然界中原先不存在的全新的基因 CD　解析：将t-PA蛋白第84位的半胱氨酸换成丝氨酸需要采用蛋白质工程技术，该技术的关键是了解t-PA蛋白分子的结构，A正确；用蛋白质工程技术生产改良t-PA蛋白的过程遵循中心法则，B正确；该技术是在分子水平上通过改造基因来实现对蛋白质的改造，C错误；该技术通过改造或合成基因，能够构建出自然界中原先不存在的全新的基因，D错误。 6．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，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在－70 ℃下保存半年，给广大患者带来福音。 (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，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”。请填写：预期蛋白质的功能→设计________________→推测________________________→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________________。 (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，不一定符合人类生产和生活的需要。而蛋白质工程是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________或________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。 (3)蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的________结构。 (4)对天然蛋白质进行改造，应该通过对____________(填“蛋白质分子”或“基因”)进行操作来实现，原因是______________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：(1)预期的蛋白质结构　应有的氨基酸序列　所需要的蛋白质 (2)自然界中已存在　改造　合成 (3)高级(或空间) (4)基因　基因控制蛋白质的合成，并且基因能遗传给下一代 解析：(1)蛋白质工程的基本思路：预期蛋白质的功能→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。(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自然界中已存在的蛋白质，不一定符合人类生产生活的需要；而蛋白质工程是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。(3)蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的高级结构。(4)对天然蛋白质进行改造，应该通过对基因的操作来实现，原因是基因控制蛋白质的合成，并且基因能遗传给下一代。 学科网（北京）股份有限公司 $$