2025届高三生物二轮复习讲义蛋白质工程

蛋白质工程 同学你好，今天我们就要进入到高中生物的最后一个考点了，它就是蛋白质工程。 为什么要进行蛋白质工程的研究呢？我们知道将一种生物的基因转移到另外一种生物体内，后者可以产生它本来不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状，这就是基因工程的本质。但是基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，但却不一定完全符合人类生产和生活的需要。例如，玉米中人的必需氨基酸 ——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。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。如果我们将天冬氨酸激酶中第 352 位的苏氨酸 变成异亮氨酸，然后，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游离赖氨酸的含量分别提高 5 倍和 2 倍。像这样，对蛋白质分子的设计和改造就是通过蛋白质工程来实现的。 所以，蛋白质工程的定义就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，或创造一种新的蛋白质，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，是涉及多学科的综合科技工程。蛋白质工程的过程与正常基因表达过程刚好相反。它的基本思路是：①从预期的蛋白质功能出发；②设计预期的蛋白质结构；③推测应有的氨基酸序列；④找到并改变相对应的脱氧核苷酸 （基因）序列亦或是直接合成新的基因；⑤获得所需要的蛋白质。在这个过程中，蛋白质的结构判断最为重要，所以它经常需要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型；往往还需要制备蛋白质晶体，然后通过 X 射线衍射技术，分析晶体的结构；还要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。 蛋白质工程目前也已经有了很多的应用。比如，天然胰岛素往往容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素往往需要经历一个逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。那么，如果对蛋白质的氨基酸序列进行适当的改造，就能降低胰岛素分子间的作用力，从而有效抑制胰岛素的聚合。由此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用。再比如，通过改造干扰素，使干扰素可以延长保 - 1 - 细节深挖 对蛋 白质工程概念的理解 基础 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 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 目的 获得满足人类生产和生活需求的蛋白质 为什么蛋白质工程改造或合成基因而不是直接改造蛋白质？ （1） 改造或合成基因比直接改造蛋白质要容易得多。 （2） 对基因进行改造后，既对其控制合成的蛋白质进行了改造，也使改造过的基因可以遗传下去，而经过直接改造的蛋白质分子是无法遗传给后代的。 根据蛋白质的改造程度，对蛋白质的改造可分为三类： （1） “大改”：设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质。 （2） “中改”：在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。 （3） “小改”：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。 心之所向 素履以往 生如逆旅 一苇以航 存时间；将人的单克隆抗体和小鼠的单克隆抗体进行“嫁接”，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多等等。这一技术有很多具体的应用，当题目出现相关背景信息时，大家需要根据题目信息来判断，到底需要如何改造氨基酸，如何改造基因，来达到特定的目的。不过蛋白质工程还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，而这些高级结构往往十分复 杂。科学家要设计出更加符合人类需求的蛋白质，还需要不断地攻坚克难，这也是今后生物学主要的发展方向之一。 为了更好地研究蛋白质和基因的功能，教材在最后拓展了网络数据分析基因和蛋白质的序列信息的方法。比如，GenBank 是目前国际上广泛使用的序列数据库之一，它的数据主要是各国的实验室、测序机构等发布的序列信息。利用这个数据库，我们可以便捷地检索到基因和蛋白质的序列信息。而像 BLAST（基本局部比对搜索工具）是一种能对两个或多个序列（包括 DNA 序列和蛋白质序列）进行相似度比较，或将某个序列与序列数据库中的序列进行快速比对分析的工 具。这样可以帮助我们利用计算机和软件快速地对序列进行分析，对生物学的发展起到了很大的促进作用。 基因工程讲完，高中生物即将结束。教材在最后的第四章又补充了一个生物技术的安全性和伦理问题。不过这一部分和生物学知识本身没有什么直接关系，高考几乎没有考过。即便是偶然出现一个题 目，因为涉及的是安全性和伦理问题，题目考的必然是一些价值观判断，这时只要找到积极向上、正能量的价值观就可以了。所以这一章的内容我们就不用单独回顾和讲解。那么到这里为止，高中生物的知识梳理就全部结束了。 人生是一种历练，高考是一个终点，也是一个起点。 它是你寒窗十二载的荣誉勋章，更是你奔赴星海的出征号角；它是你与千万人同场竞技的战场，更是你与自我较量、蜕变的熔炉；它是你少年时代的庄严句点，更是你青春人生的华彩序章。 高考是知识的淬火成钢，是意志的千锤百炼，是心智的乘风破浪，高考不是终点，而是更高处的起点。 大学课堂的思辨激荡、职场征途的锐意进取、人生舞台的无限可能，都在前方等待着你此刻的拼搏向上。愿你们以热血为墨、以信念为纸，书写不负韶华的答卷；愿你们以今日之坚毅，铸明日之锋芒，让高考成为生 命长卷中墨染重彩的惊叹号。 - 2 - 学科网（北京）股份有限公司 $$