第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用(学用Word)-【优学精讲】2025-2026学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程（人教版）

本讲义聚焦蛋白质工程的原理与应用，先从基因工程的不足切入，系统阐述蛋白质工程的概念、崛起缘由及基本思路，通过对比基因工程明确其独特性，再延伸至医药、工业、农业等领域的应用，构建完整知识支架。 该资料以结构与功能观为核心，通过基因工程与蛋白质工程对比分析（科学思维）、玉米赖氨酸含量提高等实例探究（探究实践），培养学生建模与归纳能力。课中辅助教师清晰授课，课后习题与判断题为学生提供巩固途径，有效查漏补缺。

第4节　蛋白质工程的原理和应用 学习目标 1.通过对蛋白质工程设计的原理的分析，形成结构与功能观等观念。 2.基于蛋白质工程的实例，运用模型与建模、归纳与概括等方法，用文字、图示或模型的形式表示蛋白质工程的基本思路。 知识点一　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）基因工程的实质和不足 ①基因工程的实质：将一种生物的　　　　转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的　　　　　，进而表现出　　　　　　。 ②基因工程的不足：基因工程原则上只能生产自然界中　　　　的蛋白质。 （2）蛋白质工程的崛起 ①理论和技术条件：　　　　　　、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。 ②天然蛋白质的不足：天然蛋白质的结构和功能符合　　　　　　生存的需要，却不一定完全符合　　　　　　　　　　　的需要。 （3）实例：提高玉米赖氨酸含量 结果：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　　　　　　的特定需求，对　　　　　　　　进行分子设计。 （2）手段：通过　　　　　　　　　　　，进而指导合成所需蛋白质。 （3）途径：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 （4）原理：从预期的蛋白质功能出发，到找到相对应的基因，即　　　　　　的逆推。 （5）最终结果：生产出自然界从来没有过的蛋白质。 （教材P94“学科交叉”）学科交叉中涉及到的改造基因的方法是什么？ （1）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。（　　） （2）蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子。（　　） （3）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。（　　） （4）基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。（　　） （5）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。（　　） 探究｜基因工程和蛋白质工程的比较 　基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。蛋白质工程的目标是生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质。回答有关问题： （1）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？ （2）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？分别体现在哪些方面？ 1.蛋白质工程的基本思路 2.基因工程和蛋白质工程的联系：两种工程都是在分子水平上对基因进行操作，目的都是合成相应的蛋白质，蛋白质工程是以基因工程为基础的。 3.蛋白质的改造方法 ①“大改”：制造出自然界中不存在的全新蛋白质。 ②“中改”：在蛋白质分子中替代一个肽段或一个特定的结构域。 ③“小改”：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。 1.下图为蛋白质工程操作的基本思路，下列相关叙述正确的是（　　 ） A.图中⑤⑥过程分别是转录、翻译 B.蛋白质工程的直接操作对象是蛋白质，不需要对基因进行操作 C.根据蛋白质的氨基酸序列推测出的mRNA的碱基序列是唯一的 D.蛋白质工程的目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求 2.下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述中，正确的是（　　） A.蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够 B.基因工程和蛋白质工程都可以生产自然界不存在的蛋白质 C.不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是所有生物共用一套遗传密码 D.基因工程的直接操作对象是基因，蛋白质工程的直接操作对象是蛋白质 方法技巧 “二看法”判断基因工程和蛋白质工程 知识点二　蛋白质工程的应用 1.在医药工业方面的应用 2.其他工业方面 蛋白质工程被广泛用于　　　　　　　　或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。 3.农业方面 （1）　　　　某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。 （2）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　　　　，使它防治病虫害的效果　　　　。 4.蛋白质工程的前景 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　　　　　　，而这种　　　　　　往往十分复杂。要设计出更加符合　　　　　　的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。 （教材P95“异想天开”）理论上讲可以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来产生人类所需要的蛋白质。但目前还没有真正成功的例子，为什么？ （1）蛋白质工程不能改变蛋白质的活性。（　　） （2）可以通过人工化学合成的方法直接对蛋白质的氨基酸进行改造。（　　） （3）蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为人们对蛋白质复杂的高级结构没有完全认识。（　　） （4）科学家利用蛋白质工程的思路来设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治害虫的效果增强。（　　） 1.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.改造蛋白质是通过改造基因结构而实现的 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 2.（教材P96“拓展应用”改编）T4溶菌酶耐热性差，若将该酶的第3位氨基酸进行改造（如图所示），并使第3位氨基酸和第97位氨基酸之间形成1个二硫键，可以大大提高其耐热性。下列叙述错误的是（　　） A.根据设计的T4溶菌酶的氨基酸序列可推测出多种脱氧核苷酸序列 B.T4溶菌酶耐热性提高的原因是其氨基酸的种类和数量均发生改变 C.改造T4溶菌酶可利用基因定点突变技术，对相关基因进行改造 D.改造后的T4溶菌酶需要进行功能鉴定才能应用于生产实践 课堂小结 1.下列不属于蛋白质工程的是（　　） A.对胰岛素进行改造，生产速效型药品 B.改造酶的结构，提高酶的热稳定性 C.将天冬氨酸激酶中的一个苏氨酸替换为异亮氨酸 D.将控制人的胰岛素合成的基因导入大肠杆菌体内生产胰岛素 2.（2024·江苏连云港高二期中）下列各项与蛋白质工程没有直接关系的是（　　） A.利用各种高科技手段分析蛋白质的分子结构 B.研究并改变某种蛋白质相关基因的碱基序列 C.设计和制造自然界中没有的人工蛋白质 D.将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶 3.为心梗患者注射大剂量的t-PA（一种能高效降解血栓的单链糖蛋白，主要由血管内皮细胞合成、分泌并释放进血液）会诱发颅内出血。研究证实，将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，能显著降低出血等副作用，据此分析错误的是（　　） A.若利用大肠杆菌来生产t-PA，需要对其合成的t-PA进行后期改造 B.改造t-PA的技术属于蛋白质工程 C.欲将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，应直接对蛋白质（t-PA）进行改造 D.可利用抗原—抗体杂交技术来检测转基因的大肠杆菌是否分泌了t-PA 4.（2024·北京丰台期中）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（　　） A.分析蛋白质的三维结构 B.研究蛋白质的氨基酸组成 C.获取编码蛋白质的基因序列信息 D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质 5.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序列确定突变是否成功 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 提示：完成课后作业　第3章　第4节 5 / 5 学科网（北京）股份有限公司 $ 第4节　蛋白质工程的原理和应用 知识点一 1.生物功能　蛋白质　基因合成 2.（1）①基因　蛋白质　新的性状　②已存在　（2）①分子生物学　②特定物种　人类生产和生活　（3）苏氨酸　天冬酰胺 3.（1）蛋白质功能　蛋白质的结构　（2）基因修饰或基因合成 （3）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）中心法则 教材挖掘 提示：基因定点突变技术。 概念辨析 　（1）×　提示：蛋白质工程中直接改造的是基因，不是蛋白质。 （2）√　（3）√　 （4）×　提示：蛋白质工程的基本思路是按照中心法则相反的过程进行的，即中心法则的逆推。 （5）×　提示：由于密码子的简并，根据某多肽链的一段氨基酸序列，不能确定基因的脱氧核苷酸序列。 知识点二 1.天冬氨酸　丝氨酸　结合抗原 2.改进酶的性能 3.（1）改造　（2）结构　增强 4.高级结构　高级结构　人类需要 教材挖掘 提示：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。 概念辨析 　（1）×　提示：通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性。 （2）×　提示：蛋白质工程直接改造基因，而非对蛋白质直接改造。 （3）√　（4）√ 第4节　蛋白质工程的原理和应用 知识点一 重难探究 （1）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。 （2）提示：不同。体现：①操作对象不同：蛋白质工程的操作对象是天然基因改造后的基因；基因工程的操作对象是天然基因。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原有的蛋白质。 即学即练 1.D　图中⑤⑥过程分别是翻译、折叠，④过程是转录，A错误；蛋白质工程是通过合成或改造基因来实现的，可见蛋白质工程是通过对基因进行操作实现的，B错误；一种氨基酸可能对应多种密码子，所以根据蛋白质的氨基酸序列推测出的mRNA的碱基序列不一定是唯一的，C错误。 2.A　蛋白质的空间结构复杂，蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够，A正确；基因工程生产自然界已有的蛋白质，蛋白质工程生产自然界中不存在的蛋白质，B错误；不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是不同来源的DNA分子具有相同的结构及遵循碱基互补配对原则，C错误；蛋白质工程需要进行基因修饰或合成，蛋白质工程的直接操作对象仍然是基因，D错误。 知识点二 即学即练 1.D　蛋白质工程改造的是基因，可以遗传给后代，D错误。 2.B　由于一种氨基酸可能对应多种密码子，因此根据设计的T4溶菌酶的氨基酸序列可推测出多种脱氧核苷酸序列，A正确；根据题意“科学家通过相关研究，最终使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸”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和排列顺序发生了改变，而氨基酸的数量没变，B错误；根据题意，改造T4溶菌酶可以从合成蛋白质的基因进行改造，因此可利用基因定点突变技术，对相关基因进行改造，C正确；该实例将蛋白质进行了改造，属于蛋白质工程的范畴，T4溶菌酶本质为蛋白质，可利用抗原—抗体特异性结合的特点对该酶进行检测，D正确。 【随堂热练】 1.D　将控制人的胰岛素合成的基因导入大肠杆菌体内生产胰岛素，属于基因工程，D符合题意。 2.D　将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶是基因工程的成果，与蛋白质工程没有直接关系，D符合题意。 3.C　由于大肠杆菌只有核糖体一种细胞器，不含内质网和高尔基体，无法对t-PA进行加工，故若利用大肠杆菌来生产t-PA，需要对其合成的t-PA进行后期改造，A正确；分析题意，本技术是将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，属于蛋白质工程，B正确；欲将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，应对相应的基因进行改造，C错误；t-PA是一种能高效降解血栓的单链糖蛋白，由于抗原与抗体的结合具有特异性，故可利用抗原—抗体杂交技术来检测转基因的大肠杆菌是否分泌了t-PA，D正确。 4.D　分析蛋白质的三维结构是蛋白质工程的准备工作，A不符合题意；研究蛋白质的氨基酸组成是为了设计或改造相关基因，这不是蛋白质工程的最终目的，B不符合题意；获取编码蛋白质的基因序列信息可以实现对基因的修饰或合成，但不是蛋白质工程要达到的最终目的，C不符合题意；改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，从而满足人类的需求，这是蛋白质工程的最终目的，D符合题意。 5.A　蛋白质工程的直接操作对象是基因，而不是蛋白质，A错误；可通过测定DNA序列确定突变是否成功，B正确；胰岛素是蛋白质，对蛋白质结构的改造属于蛋白质工程，C正确；胰岛素为蛋白质，若口服会被消化酶分解，因此胰岛素不宜口服使用，D正确。 5 / 5 学科网（北京）股份有限公司 $