第3章 7 第4节 蛋白质工程的原理和应用（Word教参）-【学霸笔记·同步精讲】2025-2026学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程（人教版）

本高中生物学讲义聚焦蛋白质工程的原理和应用，从基因工程只能生产天然蛋白质的不足切入，系统阐述蛋白质工程的概念、崛起缘由及逆中心法则的基本思路，进而介绍其在医药、工业和农业领域的应用，构建完整知识脉络。 资料通过探究活动引导学生分析从氨基酸序列推测基因序列，培养科学思维，结合胰岛素改造、T4溶菌酶耐热性提升等实例渗透结构与功能观（生命观念），知识框架和练习题助力课中教学与课后查漏补缺，提升学习效果。

第4节　蛋白质工程的原理和应用 [课标要求] 1．概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。2.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。 考点一　蛋白质工程的基本原理 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实质：将一种生物的基因转移到________________，后者可以产生它本不能产生的__________，进而表现出____________。 ②不足：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天然蛋白质存在不足：天然蛋白质的______________符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合________________的需要。 ③实例 蛋白质缺陷 改造措施 改造后效果 玉米中赖氨 酸含量低 将赖氨酸合成过程中两种关键酶中的个别氨基酸替换 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 3.蛋白质工程的基本原理 (1)目标：根据人们对____________功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。 (2)基本思路逆用“中心法则” [答案自填] 蛋白质　生物功能　改造或合成 蛋白质　蛋白质　基因工程　另一种生物体内　蛋白质　新的性状　已存在　分子生物学　结构和功能　人类生产和生活　蛋白质　设计　改造或合成 (1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。(　　) (2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的。(　　) (3)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性。(　　) (4)蛋白质工程的基本思路是按照与中心法则相反的过程进行的。(　　) 答案：(1)√ (2)×　对蛋白质的改造是通过直接改造相应的基因来实现的。 (3)×　蛋白质工程可以改变蛋白质的活性。 (4)√ [探究] 下图为蛋白质工程的基本思路，回答下列问题： (1)由蛋白质氨基酸序列推测出相对应的脱氧核苷酸序列的操作是___________________________________________________________________________________________________________________________________________。 (2)对天然蛋白质进行改造，不应该直接对蛋白质分子进行操作，应通过对基因的操作来实现，原因是___________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________。 (3)蛋白质工程和基因工程的操作对象______(填“相同”或“不相同”)，理由是__________________________________________________________________________________________________________________________________________， 得到的蛋白质__________(填“相同”或“不相同”)，理由是__________________________________________________________________________________________________________________________________________。 提示：(1)先根据氨基酸与密码子的对应关系推测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推出相对应的脱氧核苷酸序列 (2)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；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)相同　蛋白质工程和基因工程的操作对象都为基因　不相同　蛋白质工程可以得到自然界没有的蛋白质，基因工程得到的是自然界中已存在的蛋白质 蛋白质工程与基因工程的区别和联系 1．(2025·河北石家庄高二期中) 天然胰岛素易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往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。科研人员发现，将胰岛素B28位的脯氨酸替换为天冬氨酸或与B29位的赖氨酸交换位置，可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。下列叙述正确的是(　　) A．该工程属于蛋白质工程，其生产的蛋白质是自然界已有的蛋白质 B．胰岛素改造的基本思路与天然蛋白质的合成过程相同 C．替换氨基酸时需要用特定的蛋白酶将特定部位的肽键水解 D．胰岛素类似物蛋白想要达到预设的疗效，还需检测其高级结构是否正确 解析：选D。该工程通过对天然胰岛素的氨基酸序列进行改造，属于蛋白质工程，改造后生产的蛋白质是自然界不存在的蛋白质，A错误；天然蛋白质的合成过程是按照中心法则进行的，蛋白质工程的基本思路与中心法则相反，B错误；蛋白质工程的实质是对基因进行改造，需要用限制酶和DNA连接酶等工具，不需要蛋白酶，C错误；蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，D正确。 2．下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述，错误的是(　　) A．将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法 B．设计扩增目的基因的引物时，不必考虑表达载体的序列 C．蛋白质工程是通过改造或合成基因，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新蛋白质的技术 D．蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程有所差别 解析：选B。将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法，A正确；设计的引物应能与表达载体两端的序列互补配对，B错误；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，C正确；蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程不完全相同，D正确。 考点二　蛋白质工程的应用 1．医药工业方面 2．其他工业方面：改进酶的性能或开发新的工业用酶。 提高酶的使用价值 3．农业方面 (1)增加粮食的产量：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)研发新型农药：通过改造__________________________________的结构，设计优良微生物农药。增强其防治病虫害的效果 [答案自填] 天冬氨酸　丝氨酸　结合抗原　微生物蛋白质 (1)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。(　　) (2)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。(　　) (3)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。(　　) 答案：(1)×　密码子具有简并性，根据某多肽链的一段氨基酸序列，得到的脱氧核苷酸序列往往不是唯一的，不能确定基因的脱氧核苷酸序列。 (2)√　(3)√ 1．科学家为提高玉米中赖氨酸含量，计划将天冬氨酸激酶中第352位的氨基酸由苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的氨基酸由天冬酰胺变成异亮氨酸，这样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。下列对蛋白质的改造，操作正确的是(　　) A．直接改造上述两种蛋白质的空间结构 B．对指导上述两种酶蛋白合成的mRNA进行改造 C．利用诱变育种促进上述两种酶蛋白的基因突变 D．利用基因工程对控制上述两种酶蛋白的基因进行改造 解析：选D。蛋白质的功能与其高级结构密切相关，蛋白质的高级结构非常复杂，直接对蛋白质进行改造非常困难，且即使改造成功也不能遗传。由于基因控制蛋白质的合成，要对蛋白质的结构进行设计改造，必须通过改造或合成基因来完成。 2．(2025·河北沧州高二期中) 水蛭唾液腺分泌的水蛭素(蛋白质)是一种优良的凝血酶抑制剂，有着重要的医学价值，但天然的水蛭素的临床活性较低，如果将水蛭素分子中第47位的天冬酰胺替换成赖氨酸，其分子活性会提高。下列相关叙述正确的是(　　) A．水蛭素分子活性提高的原因是组成它的氨基酸种类和数量发生了改变 B．可以通过对天然水蛭素基因进行改造或人工合成获得改造水蛭素基因 C．该项生物工程技术属于蛋白质工程，该工程不涉及碱基互补配对原则 D．利用该种生物工程生产出的蛋白质都是现有蛋白质改造而来的 解析：选B。根据题意可知，该操作是将水蛭素分子中第47位的天冬酰胺替换成赖氨酸，说明水蛭素分子中的氨基酸数量没有变化，A错误；可以通过对天然水蛭素基因进行改造或人工合成获得改造水蛭素基因，使其合成自然界不存在的蛋白质，B正确；该蛋白质工程是针对目的基因进行改造，主要通过改变相应碱基的种类使其指导形成的蛋白质中相应氨基酸发生替换，涉及碱基互补配对原则，C错误；蛋白质工程也可以合成新的基因，将来表达形成自然界中没有的全新蛋白质，D错误。 【知识框架】 1．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(　　) A．分析蛋白质分子的结构是蛋白质工程的研究内容之一 B．蛋白质工程只能生产自然界中已经存在的蛋白质 C．蛋白质工程崛起的原因是天然蛋白质不能够满足人类生产、生活的需要 D．蛋白质工程可以制造一种新的蛋白质，也可以对现有的蛋白质进行改造 解析：选B。蛋白质工程能生产自然界中不存在的蛋白质，B错误。 2．(2025·江苏苏州高二期中) 利用蛋白质工程对干扰素进行改造，可在一定条件下延长其保存时间。下列叙述错误的是(　　) A．蛋白质工程与中心法则的信息流动方向是一致的 B．可用PCR检测改造后的干扰素基因是否转录出了相应的mRNA C．经改造后的干扰素基因能通过工程菌的繁殖实现遗传 D．蛋白质工程对干扰素的改造遇到的最大难题是按人类需求对高级结构进行设计 解析：选A。蛋白质工程与中心法则的方向不完全一致，A错误；如果在PCR扩增产物中能检测到预期大小的目的条带，说明改造后的干扰素基因转录出了相应的mRNA，B正确；经改造后的干扰素基因整合到工程菌的基因组中，随着工程菌的繁殖，基因会进行复制并传递给子代细胞，从而实现遗传，C正确；蛋白质的高级结构非常复杂，目前人类对蛋白质高级结构的了解还很有限，很难按人类需求对高级结构进行设计，这是蛋白质工程对干扰素改造遇到的最大难题，D正确。 3．T4溶菌酶来源于T4噬菌体，是重要的工业用酶。科学家通过一定技术使T4溶菌酶中第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸(异亮氨酸的密码子是AUU、AUC、AUA，半胱氨酸的密码子是UGU、UGC)，于是在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键，从而使T4溶菌酶的耐热性得到了提高。下列相关叙述错误的是(　　) A．对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴 B．上述过程通过直接改造T4溶菌酶mRNA上的2个碱基实现 C．参与新的T4溶菌酶合成的tRNA种类可能不变 D．改造后的T4溶菌酶肽键数不变，二硫键的作用类似于DNA中的氢键 解析：选B。对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程实现的，故对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴，A正确。蛋白质工程直接改造的对象为基因，B错误。题述过程是将T4溶菌酶中第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，改造前组成T4溶菌酶的氨基酸中就含有半胱氨酸，因此参与其合成的tRNA种类可能不变，C正确。改造后的T4溶菌酶替换了一个氨基酸，氨基酸总数不变，且发生替换的两个氨基酸R基上都不含羧基或氨基，所以肽键数不变；二硫键使T4溶菌酶的耐热性提高，DNA分子中氢键越多，热稳定性越强，二者作用类似，D正确。 4．下图是利用蛋白质工程生产保存时间更久的干扰素(一种糖蛋白)的核心流程，下列叙述正确的是(　　) A．该过程得到的干扰素与自然界中的干扰素相同 B．图中过程③得到的脱氧核苷酸序列往往是唯一的 C．蛋白质工程的基础是蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 D．蛋白质工程是通过对蛋白质的结构进行修饰或合成来操作的 解析：选C。由题图可知，该过程得到的干扰素是经过改造的，与自然界中的干扰素不完全相同，A错误；由于密码子的简并性，题图中过程③得到的脱氧核苷酸序列往往不是唯一的，B错误；结构与功能相适应，蛋白质工程的基础是蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系，C正确；蛋白质工程是通过对基因进行修饰或合成来操作的，D错误。 5．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．设计蛋白质LIMK1利用的技术是蛋白质工程，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 解析：选A。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。 学科网（北京）股份有限公司 $