第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用-【金版新学案】2025-2026学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程同步课堂高效讲义教师用书word（人教版，单选）

本讲义聚焦蛋白质工程的原理与应用，先通过基因工程只能生产天然蛋白质的不足引出蛋白质工程，系统梳理其基本原理（从预期功能到设计结构、推测氨基酸序列、改造基因），并结合自我诊断、情境活动及归纳总结构建学习支架。 资料以情境化探究（如速效胰岛素生产分析）和对比归纳（基因工程与蛋白质工程表格）为特色，通过针对练（如水蛭素改造题）培养科学思维与探究实践能力，课中辅助教师引导学生深度理解，课后借助思维导图和自我诊断帮助学生查漏补缺，强化知识应用。

第4节　蛋白质工程的原理和应用 [学习目标]　1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。　2.简述蛋白质工程的基本原理。 任务一　蛋白质工程崛起的缘由及基本原理 1.蛋白质工程的概念 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)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。 3.蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白质的原因：(1)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。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传的。(2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。 　　(源于教材P95“异想天开”)能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。 【自我诊断】 1.蛋白质工程是指通过直接改造现有蛋白质而产生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.通过改造相关基因，使天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变为异亮氨酸，可以大幅度提高玉米中赖氨酸的含量。 (√) 4.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构(×) 5.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。 (√) 学生用书⬇第117页 [活动1]　详解蛋白质工程崛起的缘由及基本原理 情境：阅读教材蛋白质工程的基本思路，回答下列问题： (1)如何由蛋白质氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列？ 提示：先根据氨基酸与密码子的对应关系找到mRNA中相对应的核糖核苷酸序列，再根据mRNA与DNA的碱基互补配对关系找到基因中相对应的脱氧核苷酸序列。 (2)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：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。 (3)蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质相同吗？ 提示：①操作对象相同：蛋白质工程和基因工程的操作对象都为基因。②得到的蛋白质不同：蛋白质工程可以得到自然界没有的新的蛋白质；基因工程得到的是自然界中已存在的蛋白质。 【归纳总结】 1.基因工程和蛋白质工程的比较 项目 基因工程 蛋白质工程 操作环境 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 区别 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 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 结果 生产自然界已存在的蛋白质 可以创造出自然界不存在的蛋白质 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基因工程，因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质必须通过改造或合成基因实现 2.“二看法”判断基因工程和蛋白质工程 针对练1.(2024·广东韶关二模)科学家利用蛋白质工程技术将水蛭素(一种可用于预防和治疗血栓的蛋白质)第47位的天冬酰胺替换为赖氨酸，显著提高了它的抗凝血活性，流程图如下。已知天冬酰胺对应的密码子为AAU、AAC，赖氨酸对应的密码子为AAA、GUA等。下列叙述错误的是(　　) 学生用书⬇第118页 A.上图的操作流程是从预期的水蛭素功能出发的 B.在这项替换研究中目前可行的直接操作对象是基因 C.上图中大分子物质a和b的单体序列均是唯一的 D.用蛋白质工程可生产基因工程所不能生产的蛋白质 答案：C 解析：据图分析，通过分析预期的水蛭素功能设计出蛋白质的结构，进而推测应有的氨基酸序列，最终确定基因中碱基对的排列顺序，A正确；蛋白质的改造工程直接改变的是蛋白质所对应的基因，B正确；基因a的基本单位是四种脱氧核苷酸，b是mRNA，基本单位是四种核糖核苷酸，由于密码子的简并，同一蛋白质分子所对应的大分子物质a和b的单体序列均不是唯一的，C错误；基因工程是利用已有的基因生产蛋白质，而蛋白质工程是通过改造或合成基因从而获得原本没有的蛋白质，因此用蛋白质工程可生产基因工程所不能生产的蛋白质，D正确。 针对练2.(2025·山东泰安高二期末)某生物中发现一种基因的表达产物是具有较强抗菌性和溶血性的多肽P1，科研人员预期在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的蛋白质药物，下一步要做的是(　　) A.构建含目的肽DNA片段的表达载体 B.合成编码多肽P1的DNA片段 C.设计抗菌性强但溶血性弱的蛋白质结构 D.利用抗原—抗体杂交的方法对表达产物进行检测 答案：C 解析：蛋白质工程的基本思路：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。因此，预期在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的蛋白质药物，下一步要做的是设计预期的蛋白质结构，即设计抗菌性强但溶血性弱的蛋白质结构，C正确。 任务二　蛋白质工程的应用 1.医药工业方面的应用 2.在其他方面的应用 蛋白质工程的基本思路 (源于教材P96“到社会中去”)蛋白质工程的应用为酶制剂产业的发展提供了强大助力，请分析蛋白质工程在酶制剂产业中的作用。在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。 【自我诊断】 1.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。 (√) 2.蛋白质工程只能生产自然界已有的蛋白质。 (×) 3.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.根据某多肽链的一段氨基酸序列，可以很容易地确定控制该肽链合成的基因的脱氧核苷酸序列。 (×) 5.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。 (√) 学生用书⬇第119页 [活动2]　详解蛋白质工程的应用 情境：如图是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，主要依据是蛋白质的预期功能。 (2)通过人工合成DNA形成的新基因应与载体结合后转移到大肠杆菌等受体细胞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蛋白质工程、基因工程和发酵工程。 (4)根据图解，从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因。 (5)为什么改变一个氨基酸就可以改变蛋白质的稳定性甚至某种蛋白酶的活性？ 提示：蛋白质的结构与其氨基酸组成有关，个别氨基酸的改变就可能会导致其结构的改变，从而影响到其性质和功能。 针对练3.(2025·揭阳期末)神经科学家设计了一种合成蛋白质LIMK1(结合ATP并磷酸化其靶标的蛋白质)，能改善老年认知退化人群的记忆功能。下列叙述错误的是(　　) A.设计蛋白质LIMK1时，先设计其基因的碱基序列再推测其功能 B.通过基因定点突变技术可对LIMK1蛋白基因进行碱基的替换 C.设计并合成蛋白质LIMK1利用了蛋白质工程，其可制造新的蛋白质 D.蛋白质的高级结构十分复杂，故蛋白质工程是一项难度很大的工程 答案：A 解析：设计蛋白质LIMK1时，应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，A错误；通过基因定点突变技术可对LIMK1蛋白基因进行碱基的替换，B正确；设计并合成蛋白质LIMK1利用了蛋白质工程，其可制造新的蛋白质，C正确；蛋白质的高级结构十分复杂，故蛋白质工程是一项难度很大的工程，D正确。 针对练4.(2025·四川绵阳期末)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种类和数量发生了改变 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程方向一致，即DNA→mRNA→蛋白质 D.若高温等使蛋白质分子的空间结构发生改变，则蛋白质的功能也会受到影响 答案：D 解析：根据题意可知，T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸种类发生了改变，但数量没有改变，A错误；T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程，自然界中的酶不一定都能通过蛋白质工程进行改造，如化学本质是RNA的酶，B错误；蛋白质工程与中心法则的流程方向不同，C错误；结构决定功能，若高温等使蛋白质分子的空间结构发生改变，则蛋白质的功能也会受到影响，D正确。 学生用书⬇第120页 思维导图 要语必背 1.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。 2.基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。 3.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.科学家将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，降低了小鼠单克隆抗体诱发人体免疫反应的强度，提升了其治疗效果。 1.(2025·黑龙江哈尔滨三中高二期末)蛋白质工程中需要进行直接操作的对象是(　　) A.氨基酸结构 B.基因结构 C.蛋白质空间结构 D.肽链结构 答案：B 解析：蛋白质工程的一般操作程序是：根据预期蛋白质的功能预测蛋白质的空间结构，进而推测多肽链中的氨基酸序列，在此基础上，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，B正确。 2.(2025·河南洛阳高二期末)关于蛋白质工程及应用的说法，正确的是(　　) A.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子结构，使之更加符合人类需要 B.蛋白质工程的实质是通过改变氨基酸的结构来改变蛋白质的功能 C.当前限制蛋白质工程发展的关键因素是基因工程技术还不成熟 D.蛋白质工程技术中的操作对象是蛋白质或控制蛋白质合成的基因 答案：A 解析：蛋白质工程能按照人们的意愿定向改造蛋白质分子结构，使之更加符合人类需要，A正确；蛋白质工程的实质是通过改变基因来改变蛋白质的结构和功能，B错误；当前限制蛋白质工程发展的关键因素是人们对蛋白质复杂的高级结构了解较少，C错误；蛋白质工程技术中的操作对象是基因，D错误。 3.(2025·山东济宁高二期末)如图是科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体的过程。下列说法正确的是(　　) A.生产鼠—人嵌合抗体的过程属于基因工程 B.对鼠源杂交瘤抗体进行改造的难点是设计嵌合抗体的空间结构 C.对鼠源杂交瘤抗体进行改造，是通过基因定点诱变技术改造基因实现的 D.鼠—人嵌合抗体的使用对人体不会产生任何不良反应 答案：B 解析：生产鼠—人嵌合抗体的过程需要首先根据预期嵌合抗体功能，设计嵌合抗体结构，属于蛋白质工程，A错误；对鼠源杂交瘤抗体进行改造的难点是设计嵌合抗体的空间结构，B正确；对鼠源杂交瘤抗体进行改造，首先要根据预期嵌合抗体功能(或蛋白质功能)，设计嵌合抗体结构，然后通过基因拼接，将鼠源杂交瘤抗体基因改造成鼠—人嵌合抗体基因，最后导入鼠淋巴细胞中表达，而不是通过基因定点诱变技术改造基因实现，C错误；从免疫的角度考虑，对人体来说鼠源杂交瘤抗体为抗原，若利用人的抗体与之嵌合，则抗体诱发人免疫反应的强度会降低很多，对人体的副作用会减少，而不是不会产生任何不良反应，D错误。 4.(2024·陕西咸阳高二期末)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，纤维素酶热稳定性得到了提高。下列有关该技术的说法正确的是(　　) 学生用书⬇第121页 A.对纤维素酶的改造需要以基因工程为基础 B.对纤维素酶的改造是通过直接改造mRNA实现的 C.改造后的纤维素酶和原纤维素酶是同一种酶 D.改造前后纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向不同 答案：A 解析：对纤维素酶的改造属于蛋白质工程，需要以基因工程为基础，蛋白质工程是在基因水平上改造基因，A正确；对纤维素酶的改造是通过直接改造纤维素酶的基因实现的，B错误；改造后的纤维素酶氨基酸序列发生了改变，和原纤维素酶不是同一种酶，C错误；改造前后纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向相同，都是DNA→RNA→蛋白质，D错误。 5.(2024·江西南昌模拟)萤火虫的荧光素酶能催化ATP激活的荧光素氧化发光，这一现象在生物检测和成像方面有重要的应用价值。为了解决天然荧光素酶不能高效催化人工合成的荧光素DTZ发光的问题，研究人员采用蛋白质工程(又称为第二代基因工程)对它进行了改造。下列关于蛋白质工程改造天然荧光素酶的叙述，正确的是(　　) A.通过化学诱变剂可定向改造天然荧光素酶的基因序列 B.改造天然荧光素酶所用的基因表达载体不需要启动子和终止子 C.可用PCR方法检测突变的荧光素酶基因是否翻译成蛋白质 D.改造后的荧光素酶在一定条件下催化DTZ发光是将化学能转化为光能 答案：D 解析：通过化学诱变剂可以让天然荧光素酶的基因序列进行随机突变，但化学诱变通常是不定向的，A错误；改造天然荧光素酶所用的基因表达载体必须包含启动子和终止子，启动子是驱动基因转录的元件，而终止子是指示转录终止的元件，B错误；PCR方法主要用于检测染色体DNA上是否插入目的基因或者目的基因是否转录出mRNA，检测目的基因是否翻译为蛋白质的方法为抗原—抗体杂交，C错误；改造后的荧光素酶在一定条件下催化DTZ发光是将化学能转化为光能，D正确。 6.(创新情境)(2025·安徽合肥高二月考)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。回答下列问题： (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”。该过程的基本思路是：从预期的蛋白质功能出发→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　　　　，来　　　　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，主要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　　　　　　　　　　　　　　。 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　合成基因　改造　(3)空间(或高级)　(4)对基因的操作　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存在的蛋白质，不一定符合人类生产生活需要。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，主要原因是蛋白质具有十分复杂的空间结构。(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 $