第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用-【新课程学案】2025-2026学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程教师用书word（人教版 单选版）

本讲义聚焦高中生物学“蛋白质工程的原理和应用”核心知识点，从基因工程的实质与不足切入，系统梳理蛋白质工程的崛起缘由、基本原理（目标、方法、思路）及应用，配套概念图、流程图及对比表格（与基因工程区别联系）作为学习支架。 该资料以科学思维为引领，通过水蛭素改造典例分析、“二看法”思维建模培养逻辑推理能力，结合抗凝血活性比较实验设计提升探究实践素养。医药（速效胰岛素）、农业（提高光合作用效率）应用实例渗透社会责任，课中学案辅助教师系统授课，课后迁移训练与综合检测助力学生查漏补缺。

第4节　蛋白质工程的原理和应用 　【学习目标】 1.说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.概述蛋白质工程的基本原理。 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。 聚焦·学案一　蛋白质工程的基本原理 [学案设计] 1.蛋白质工程的概念解读 2.蛋白质工程崛起的缘由 (1)崛起缘由 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 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 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:提高玉米赖氨酸含量 改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。 3.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)改造方法及原因 基因决定蛋白质,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。 (3)蛋白质工程的基本思路 　　[典例]　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1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,基因工程中获取目的基因的常用方法有__________________　　、　　　　 　　　　　　和利用PCR技术扩增。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2所示。推测两种处理后的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)据题图1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,原因是密码子的简并性,即一种氨基酸可能有几种密码子。 (2)蛋白质工程是基因工程的延伸,基因工程中获取目的基因的常用方法有通过构建基因文库获取、人工合成和利用PCR技术扩增。PCR技术遵循的基本原理是DNA半保留复制。 (3)据图2可知,两种酶处理后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;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,且差异明显,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)实验设计思路见答案。 [答案]　(1)多肽链　mRNA　密码子的简并性　(2)通过构建基因文库获取　人工合成　DNA半保留复制　(3)种类　提取的水蛭蛋白的酶解时间和处理的酶的种类不同,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;取同一只动物(如家兔)的血液,立即将等量的血液加入三支试管中,静置相同时间,观察统计三支试管中血液凝固情况 　　[归纳拓展]　蛋白质工程与基因工程的区别与联系 项目 蛋白质工程 基因工程 区 别 过 程 预期蛋白质功能→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或合成新基因→获得所需要的蛋白质 获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 实 质 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需的类型或生物产品 结 果 可生产自然界没有的蛋白质 只能生产自然界已有的蛋白质 联系 ①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程。 ②基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造 [迁移训练] 1.(2025·郑州模拟)下图表示蛋白质工程的操作过程,相关说法不正确的是 (　　) A.a、b过程分别是转录、翻译 B.蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作 C.蛋白质工程是完全摆脱基因工程技术的一项全新的生物工程技术 D.蛋白质工程中可能构建出一种全新的基因 解析:选C　a过程是以DNA的一条链为模板合成mRNA的转录过程,b过程是以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的多肽链的翻译过程,A正确;蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作,B正确;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,C错误;蛋白质工程中,可能根据已经明确的蛋白质的结构构建出一种全新的基因,D正确。 2.(2025·济宁高二检测)纤维素酶广泛应用于医药、食品发酵、造纸、废水处理等领域。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,纤维素酶的热稳定性得到了提高。下列有关该技术的说法错误的是 (　　) A.经改造后的纤维素酶热稳定性提高这一性状可遗传 B.对纤维素酶的改造是通过直接改造mRNA实现的 C.改造纤维素酶也需要构建基因表达载体 D.改造后的纤维素酶和原纤维素酶不是同一种酶 解析:选B　蛋白质工程是对基因进行修饰改造或重新合成,然后使改造或合成的基因进行表达,改造后的性状是可遗传的,A正确,B错误;改造纤维素酶也需要构建基因表达载体,C正确;原纤维素酶的第137、179、194位氨基酸被替换,改造后的纤维素酶的热稳定性得到了提高,所以改造后的纤维素酶和原纤维素酶不是同一种酶,D正确。 3.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。在经表达、纯化获得蛋白质之后,还需要对蛋白质的　　　　进行鉴定。  答案:(1)氨基酸序列(或结构)　(2)P　P1　DNA和RNA　DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转录、翻译)　(3)设计蛋白质结构　推测氨基酸序列　功能 聚焦·学案二　蛋白质工程的应用 [学案设计] 1.在医药工业方面的应用 (1)研发速效胰岛素类似物:科学家通过改造胰岛素基因使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置,从而有效抑制了胰岛素的聚合,由此研发出速效胰岛素类似物。 (2)提高干扰素的保存期: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)改造抗体:将小鼠单克隆抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上,降低了诱发人体免疫反应的强度。 2.在其他工业和农业方面的应用 (1)改进酶的性能或开发新的工业用酶:利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的多种突变体,提高这种酶的使用价值。 (2)改造某些重要的酶:科学家尝试利用蛋白质工程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。 (3)设计优良微生物农药:通过改造微生物蛋白质的结构,来增强其防治病虫害的效果。 [迁移训练] 1.葡萄糖异构酶(GI)在工业上应用广泛,为提高其热稳定性,科学家对GI基因进行体外定点诱变,以脯氨酸(Pro138)替代甘氨酸(Gly138),含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达,结果GI的最适反应温度提高10~12 ℃。这属于生物工程中的 (　　) A.基因工程 B.蛋白质工程 C.发酵工程 D.酶工程 解析:选B　根据题意可知,葡萄糖异构酶热稳定性得到了提高,是根据人们的需要通过对基因进行修饰改造,以实现对现有蛋白质的改造,获得了人们预期的产品,属于蛋白质工程,B正确。 2.科研人员利用相关技术改变了胰岛素B链的某区域氨基酸的组成,从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述不正确的是 (　　) A.该过程的操作对象是胰岛素分子 B.可通过测定DNA序列确定改造是否成功 C.对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程 D.胰岛素的本质是蛋白质,不宜口服使用 解析:选A　蛋白质工程的直接操作对象是基因,而不是蛋白质,A不正确。 3.人的T细胞可以产生某种具有临床价值的蛋白质(Y),该蛋白质由一条多肽链组成。目前可以利用现代生物技术生产Y。回答下列问题: (1)若要获得Y的基因,可从人的T细胞中提取　　　　　作为模板,在　　　　　　　催化下合成cDNA,再利用　　　　　技术在体外扩增获得大量Y的基因。  (2)将目的基因导入植物细胞常用的方法是农杆菌转化法。若将上述所得Y的基因插入农杆菌Ti质粒上的 ____________中,得到含目的基因的重组Ti质粒,则可用农杆菌转化法将该基因导入某种植物的叶肉细胞中。若该叶肉细胞经培养、筛选等得到了能稳定表达Y的愈伤组织,则说明Y的基因已经_____________。 (3)天然的Y通常需要在低温条件下保存。假设将Y的第6位氨基酸甲改变为氨基酸乙可提高其热稳定性,若要根据蛋白质工程的原理对Y进行改造以提高其热稳定性,具体思路是____________________________ __________________________________________________________________________________________。 解析:(1)若要获得Y的基因,可从人的T细胞中提取mRNA作为模板,在逆转录酶催化下合成cDNA,再利用PCR技术在体外扩增获得大量Y的基因。 (2)将目的基因导入植物细胞常用的方法是农杆菌转化法。将上述所得Y的基因插入农杆菌Ti质粒上的T⁃DNA中,得到含目的基因的重组Ti质粒,则可用农杆菌转化法将该基因导入某种植物的叶肉细胞中。若该叶肉细胞经培养、筛选等得到了能稳定表达Y的愈伤组织,则说明Y的基因已经整合到叶肉细胞的染色体DNA上。 (3)若要根据蛋白质工程的原理对Y进行改造以提高其热稳定性,具体思路是先找到第6位氨基酸对应的碱基在基因中的位置,参照密码子表,将第6位氨基酸甲对应的碱基替换为氨基酸乙对应的碱基,从而完成对Y的改造。 答案:(1)mRNA　逆转录酶　PCR　(2)T⁃DNA　整合到叶肉细胞的染色体DNA上　(3)找到第6位氨基酸对应的碱基在基因中的位置,参照密码子表,将第6位氨基酸甲对应的碱基替换为氨基酸乙对应的碱基 　　[思维建模]　“二看法”判断基因工程和蛋白质工程 一、建构概念体系 二、融通科学思维 1.蛋白质工程为什么要通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造? 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。 2.若要获得抗盐能力更强的抗盐基因,可以对基因H进行改造,最终得到相应的蛋白质,该过程可以通过蛋白质工程完成,该过程的基本思路是①预期耐盐蛋白质的功能;②设计耐盐蛋白质的结构;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序列(基因)。 3.通过对Bt蛋白质三维结构图及氨基酸序列进行分析,发现若将该蛋白质结构中一段由14个氨基酸组成的螺旋结构缺失,结构变化后的Bt蛋白质能使棉铃虫具有更高的致死率。若要根据蛋白质工程的原理设计实验对Bt蛋白质进行改造,以提高其致死率,写出其实验设计思路。 参照密码子表,找到合成该14个氨基酸的碱基序列所在的基因位置,将这些碱基序列进行缺失处理。 三、综合检测反馈 1.下列关于蛋白质工程和基因工程的比较,不合理的是 (　　) A.蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发,设计出相应的基因,并借助基因工程实现 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基因修饰或基因合成来完成 C.当得到保存时间延长的干扰素后,在相关酶、氨基酸和适宜的温度、pH条件下,干扰素可以大量自我合成 D.基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的 解析:选C　蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发,设计预期的蛋白质结构,推测出相应的基因序列,进而设计出相应的基因,需借助基因工程实现,A合理;基因工程生产的自然界中已存在的蛋白质不能完全符合人类需要,因此催生了蛋白质工程,但由于基因决定蛋白质,因此蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成,B合理;干扰素作为一种表达产物,其化学本质为蛋白质,蛋白质不具有自我合成的能力,C不合理;基因工程产生的变异即为基因重组,目的基因转入后便可以随宿主的基因一同表达并遗传给后代,而蛋白质工程最终也要通过基因改造来实现,因此蛋白质工程产生的变异也可以遗传,D合理。 2.T4溶菌酶(A0)在温度较高时易失去活性。研究人员通过蛋白质工程将T4溶菌酶第3位上的异亮氨酸改成半胱氨酸,该处半胱氨酸可与第97位半胱氨酸之间形成一个二硫键,获得了热稳定性高的T4溶菌酶(A1)。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.得到的热稳定性高的T4溶菌酶(A1)可直接用于生产实践 C.检测A1活性时可先将A1与底物混合,再置于高温环境中 D.A0和A1空间结构的差异是二者热稳定性不同的直接原因 解析:选D　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错误;热稳定性高的T4溶菌酶(A1)是一种新蛋白质,需要进行功能鉴定后才能用于生产实践,B错误;检测A1活性时应先将A1与底物分别置于高温环境,保温一段时间再混合,C错误;分析题意可知,和A0相比,A1不仅仅是氨基酸的序列不同,同时还增加了一个二硫键,导致空间结构也有差异,是二者热稳定性不同的直接原因,D正确。 3.干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白,可以用于治疗病毒的感染和癌症,但体外保存相当困难。如图是利用蛋白质工程设计生产干扰素的流程图,据图分析下列叙述错误的是 (　　) A.图中构建新的干扰素模型的主要依据是新的干扰素的预期功能 B.图中新的干扰素基因必须插入到质粒上的启动子和终止子之间才能表达 C.图中改造干扰素结构的实质是改造干扰素基因的结构 D.图中各过程并没有涉及基因工程技术 解析:选D　蛋白质工程的主要依据是蛋白质的预期功能,因此图中构建新的干扰素模型的主要依据是新的干扰素的预期功能,A正确;启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位,有了它才能驱动基因转录,而终止子提供转录终止的信号,故新的干扰素基因必须插入质粒上的启动子和终止子之间才能表达,B正确;蛋白质工程的实质是对基因进行操作,因此图中改造干扰素结构的实质是改造干扰素基因的结构,C正确;人工合成新的干扰素基因后使其在受体细胞中表达的过程运用了基因工程技术,D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $