資源簡介

基因工程：
第4節　蛋白質工程的原理和應用
學有目標——新課程標準必明 記在平時——核心語句必背
1.概述人們根據基因工程原理，進行蛋白質分子的設計和改造，可以獲得性狀和功能更符合人類需求的蛋白質。 2．舉例說明依據人類需要對原有蛋白質結構進行基因改造、生產目標蛋白質的過程。 1.蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。 2．蛋白質工程并不是直接對蛋白質的結構進行設計改造，而是通過改造或合成基因來實現。 3．蛋白質工程的基本思路：從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質。
一、理清主干知識
一、蛋白質工程的概念
蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。
二、蛋白質工程崛起的緣由
1．基因工程的實質：將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀。
2．基因工程的不足：原則上只能生產自然界中已存在的蛋白質，但這些蛋白質不一定符合人類生產和生活的需要。
三、蛋白質工程的基本原理
1．目標：根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行設計改造。
2．基本思路：從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質。
四、蛋白質工程的應用
1．進展
(1)通過對胰島素的改造，研發速效胰島素類似物。
(2)延長干擾素的保存時間。
(3)降低小鼠單克隆抗體誘發免疫反應的強度。
(4)改進酶的性能或開發新的工業用酶。
2．面臨困難：蛋白質發揮功能必須依賴于正確的高級結構，而這種高級結構十分復雜。
二、診斷自學效果
1．判斷下列敘述的正誤
(1)蛋白質工程可以合成自然界中不存在的蛋白質(√)
(2)蛋白質工程是在分子水平上對蛋白質分子直接進行操作，定向改變分子的結構(×)
(3)蛋白質工程在設計蛋白質結構時依據的是現有基因的脫氧核苷酸序列(×)
(4)蛋白質工程在實施中遇到的最大難題是對大多數蛋白質的高級結構不清楚(√)
2．科學家將胰島素的第28和29位的氨基酸調換順序，成功獲得了速效胰島素，生產速效胰島素時需要定向改造的對象是(　　)
A．胰島素　　　　　　　 B．胰島素mRNA
C．胰島素基因 D．胰島B細胞
解析：選C　科學家將胰島素的第28和29位的氨基酸調換順序，成功獲得了速效胰島素，這屬于蛋白質工程；而蛋白質工程直接操作對象是基因，因此生產速效胰島素時需要定向改造的對象是胰島素基因。
3．2008年諾貝爾化學獎授予了三位在研究綠色熒光蛋白(GFP)方面做出突出貢獻的科學家。目前科學家們通過蛋白質工程制造出了藍色熒光蛋白、黃色熒光蛋白等，采用蛋白質工程技術制造出藍色熒光蛋白過程的正確順序是(　　)
①推測藍色熒光蛋白的氨基酸序列和基因的脫氧核苷酸序列　②藍色熒光蛋白的功能分析和結構設計　③藍色熒光蛋白基因的合成　④表達出藍色熒光蛋白
A．①②③④ B．②①③④
C．②③①④ D．④②①③
解析：選B　根據蛋白質工程的基本途徑可知，采用蛋白質工程技術制造出藍色熒光蛋白過程的正確順序是②藍色熒光蛋白的功能分析和結構設計→①推測藍色熒光蛋白的氨基酸序列和基因的脫氧核苷酸序列→③藍色熒光蛋白基因的合成→④表達出藍色熒光蛋白。
4．下列關于蛋白質工程應用的敘述，錯誤的是(　　)
A．蛋白質工程可以改造酶的結構，提高酶的熱穩定性
B．通過蛋白質工程可以改變蛋白質的活性
C．利用蛋白質工程將干擾素分子上的一個半胱氨酸變成賴氨酸就可得到能長期保存的干擾素
D．蛋白質工程可以對胰島素進行改造和修飾，合成速效型胰島素制劑
解析：選C　蛋白質工程可以改造酶的結構，提高酶的熱穩定性，A正確；通過蛋白質工程可以改變蛋白質的活性，B正確；利用蛋白質工程將干擾素分子上的一個半胱氨酸變為絲氨酸就可以生產出能在低溫下長期保存的干擾素，C錯誤；蛋白質工程可以對胰島素進行改造和修飾，合成速效型胰島素制劑，D正確。
[在探究中學明]
基因工程在原則上只能生產自然界已存在的蛋白質，這些天然蛋白質是生物在長期進化過程中形成的，它們的結構和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產和生活的需要。蛋白質工程的目標是生產出符合人類生產和生活需要的蛋白質，甚至是自然界不存在的蛋白質。結合圖示回答有關問題：
1．寫出流程圖中字母代表的含義：
A．預期功能；B._氨基酸序列；C.改造或合成；D._轉錄；E._翻譯。
2．上圖字母中屬于中心法則的過程有_D、E_，屬于蛋白質工程的過程有_A、C。
3．對天然蛋白質進行改造，你認為應該直接對蛋白質分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現？原因是什么？
提示：應該通過對基因的操作來實現對天然蛋白質的改造。主要原因是①蛋白質具有十分復雜的空間結構，基
因的結構相對簡單，容易改造；②改造后的基因可以遺傳給下一代，被改造的蛋白質無法遺傳。
4．蛋白質工程和基因工程的操作對象以及得到的蛋白質相同嗎？分別體現在哪些方面？
提示：不同。體現：①操作對象不同：蛋白質工程的操作對象是天然基因改造后的基因；基因工程的操作對象是天然基因。②得到的蛋白質不同：蛋白質工程可以得到自然界沒有的新的蛋白質；基因工程得到的是自然界原有的蛋白質。
[在深化中提能]
1．基因工程和蛋白質工程的基本思路
(1)基因工程遵循中心法則，即其基本思路為：DNA→mRNA→多肽鏈→形成具有高級結構的蛋白質→行使生物功能。因此基因工程基本上是生產出自然界已有的蛋白質。
(2)蛋白質工程是按照以下思路進行的：預期的蛋白質的功能→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變基因應有的堿基序列或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質。
2.蛋白質工程與基因工程的區別和聯系
項目 蛋白質工程 基因工程
區別 過程 預期蛋白質功能→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→獲得所需蛋白質 獲取目的基因→構建基因表達載體→將目的基因導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定
實質 定向改造或生產人類所需的蛋白質 定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類所需的生物類型或生物產品
結果 可生產自然界沒有的蛋白質 只能生產自然界已有的蛋白質
聯系 ①蛋白質工程是在基因工程基礎上延伸出來的第二代基因工程 ②基因工程中所利用的某些酶需要通過蛋白質工程進行修飾、改造
[在應用中落實]
1．蛋白質工程與基因工程相比，其突出特點是(　　)
A．基因工程生產的天然蛋白質完全符合人類生產和生活的需要
B．蛋白質工程能對現有的蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質
C．蛋白質工程可以不通過轉錄和翻譯來實現
D．蛋白質工程是通過直接的蛋白質修飾或蛋白質合成來完成的
解析：選B　基因工程生產的天然蛋白質有一些不符合人類生產和生活的需要；蛋白質工程能對現有的蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質；蛋白質工程中合成的蛋白質需要經過轉錄和翻譯；蛋白質工程是在基因工程的基礎上，通過改造或合成基因，來改造蛋白質，或合成自然界不存在的新的蛋白質。
2．蛋白質工程是指根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行分子設計、生產的過程。如圖是蛋白質工程的基本途徑，請回答下列有關問題：
(1)圖中③過程的主要依據是每種氨基酸都有其對應的________，后者位于________分子上，其上的核苷酸序列與基因中的脫氧核苷酸序列之間存在著______________關系。
(2)通過③過程獲得的脫氧核苷酸序列不是完整的基因，要使這一序列能夠表達、發揮作用，還必須在序列的上、下游加上__________和__________，在這個過程中需要________酶的參與。
(3)完成④過程需要涉及________技術。
(4)蛋白質工程實施的難度很大，原因是蛋白質具有十分復雜的________結構。
解析：(1)③過程是由氨基酸序列推出相對應的脫氧核苷酸序列，氨基酸與脫氧核苷酸之間的聯系樞紐是信使RNA，信使RNA由脫氧核糖核酸轉錄形成，而密碼子是信使RNA上特定的能決定一個氨基酸的三個相鄰的堿基。(2)由人工合成的基因只是基因的編碼序列，完整的基因還包括啟動子、終止子等結構，把啟動子、終止子等DNA片段連接到基因的編碼區需要DNA連接酶。(3)由基因合成蛋白質的過程涉及重組DNA(基因工程)技術。(4)人們對蛋白質復雜的高級結構及其形成原理和過程尚不清楚，因此，蛋白質工程實施的難度很大。
答案：(1)密碼子　信使RNA　堿基互補配對　(2)啟動子　終止子　DNA連接　(3)重組DNA(基因工程)　(4)高級
[在探究中學明]
如圖是用蛋白質工程設計速效胰島素的生產過程，請據圖回答有關問題：
1．構建新的蛋白質模型是蛋白質工程的關鍵，主要依據是蛋白質的預期功能。
2．通過人工合成DNA形成的新基因應與載體結合后轉移到大腸桿菌等受體細胞中才能得到準確表達。
3．若要利用大腸桿菌生產速效胰島素，需用到的生物工程有蛋白質工程、基因工程和發酵工程。
4．根據圖解，從新的胰島素模型到新的胰島素基因的基本思路是根據新的胰島素模型中氨基酸的序列，推測出其基因中的脫氧核苷酸序列，然后利用DNA合成儀來合成出新的胰島素基因。
[在應用中落實]
1．下列關于蛋白質工程應用的敘述，正確的是(　　)
A．基因工程和蛋白質工程產生的變異都是可遺傳的
B．蛋白質工程和基因工程的目的是獲得人類需要的蛋白質，所以二者沒有區別
C．只有通過蛋白質工程才可以利用大腸桿菌表達重組人胰島素
D．當得到可以在－70 ℃條件下保存半年的干擾素后，在相關酶、氨基酸和適宜的溫度、pH條件下，干擾素可以大量自我合成
解析：選A　基因工程和蛋白質工程產生的變異都導致遺傳物質發生了改變，因此都是可遺傳的，A正確；蛋白質工程和基因工程的目的是獲得人類需要的蛋白質，但前者可以產生自然界中沒有的蛋白質，而后者所得蛋白質是自然界中已有的，B錯誤；可通過基因工程利用大腸桿菌生產人的胰島素，C錯誤；干擾素不能進行自我合成，D錯誤。
2．枯草桿菌產生的蛋白酶具有催化分解蛋白質的特性，但極易被氧化而失效。科學家將枯草桿菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替換后，雖然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用這種水解酶作為洗滌劑的添加劑，可以有效地除去血漬、奶漬等蛋白質污漬。請回答下列問題：
(1)改造枯草桿菌蛋白酶的生物技術是_______________________________________。
(2)改造后的枯草桿菌中控制合成蛋白酶的基因與原來相比，至少有________個堿基對發生變化。
(3)利用生物技術改造蛋白質，提高了蛋白質的穩定性，科學家所做的工作是對已知蛋白質進行______________________________。
(4)要改造蛋白質結構，最終是通過改造基因來實現的。請說明原因：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)若要獲得新型蛋白質，需用到的生物工程有蛋白質工程、______________和發酵工程。
解析：(1)由題意可知，改造枯草桿菌蛋白酶的生物技術是蛋白質工程。(2)由題意，該改造過程是將枯草桿菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替換，因此改造后的枯草桿菌中控制合成蛋白酶的基因與原來相比，至少有1個堿基對發生變化。(3)利用生物技術改造蛋白質，提高了蛋白質的穩定性，科學家所做的工作是對已知蛋白質進行少數氨基酸的替換。(4)因為改造基因操作更容易，且改造后可以遺傳，所以要改造蛋白質結構，最終是通過改造基因來實現的。(5)若要獲得新型蛋白質，需用到的生物工程有蛋白質工程、基因工程和發酵工程。
答案：(1)蛋白質工程　(2)1　(3)少數氨基酸的替換　(4)改造基因的操作更容易，且改造后可以遺傳
(5)基因工程
　　　　[課堂鞏固落實]
1．下列關于蛋白質工程的敘述，錯誤的是(　　)
A．實質是通過改造基因來改造蛋白質
B．能生產出自然界不曾存在過的蛋白質分子
C．蛋白質工程的流程和天然蛋白質合成的過程是相同的
D．蛋白質工程遵循的原理包括中心法則
解析：選C　蛋白質工程的實質是通過改造基因來改造蛋白質，A正確；蛋白質工程能生產出自然界中不曾存在過的新型蛋白質分子，B正確；蛋白質工程的流程中需要從預期的蛋白質功能出發，設計預期的蛋白質結構并推測應有的氨基酸序列，從而找到相對應的脫氧核苷酸序列，(基因)或合成新的基因，獲得所需要的蛋白質，天然蛋白質合成中并沒有上述過程，C錯誤；蛋白質工程遵循的原理包括中心法則，D正確。
2．凝乳酶是奶酪生產中的關鍵性酶。通過蛋白質工程生產高效凝乳酶，不需要的步驟是(　　)
A．蛋白質的結構設計
B．蛋白質的結構和功能分析
C．凝乳酶基因的定向改造
D．將定向改造的凝乳酶導入受體細胞
解析：選D　蛋白質的結構設計、蛋白質的結構和功能分析均屬于蛋白質工程的步驟；蛋白質工程通過改造基因來實現對蛋白質的改造；應將定向改造的凝乳酶基因導入受體細胞，而不是將定向改造的凝乳酶導入受體細胞。
3．科學家為提高玉米中賴氨酸含量，計劃將天冬氨酸激酶中第352位的蘇氨酸變為異亮氨酸，將二氫吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺變為異亮氨酸。下列操作正確的是(　　)
A．直接改造上述兩種蛋白質的空間結構
B．對指導上述兩種酶蛋白合成的mRNA進行改造
C．利用誘變育種技術促使上述兩種酶蛋白的基因突變
D．利用基因工程技術，對控制上述兩種酶蛋白的基因進行改造
解析：選D　蛋白質工程的直接操作對象是基因，A、B錯誤；利用基因工程技術，對控制上述兩種酶蛋白的基因進行改造，C錯誤，D正確。
4．人的T細胞可以產生某種具有臨床價值的蛋白質(Y)。該蛋白質由一條多肽鏈組成。目前可以利用現代生物技術生產Y。回答下列問題。
(1)若要獲得Y的基因，可從人的T細胞中提取______作為模板，在____________催化下合成cDNA。再利用________技術在體外擴增獲得大量Y的基因。
(2)將目的基因導入植物細胞常用的方法是農桿菌轉化法。若將上述所得Y的基因插入農桿菌Ti質粒上的________中，得到含目的基因的重組Ti質粒，則可用農桿菌轉化法將該基因導入某種植物的葉肉細胞中。若該葉肉細胞經培養、篩選等得到了能穩定表達Y的愈傷組織，則說明Y的基因已經_________________________。
(3)天然的Y通常需要在低溫條件下保存。假設將Y的第6位氨基酸甲改變為氨基酸乙可提高其熱穩定性，若要根據蛋白質工程的原理對Y進行改造以提高其熱穩定性，具體思路是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)cDNA是以mRNA為模板，在逆轉錄酶的催化下，通過逆轉錄過程合成的。若要獲得大量目的基因可利用PCR在體外擴增獲得。(2)若用農桿菌轉化法將該基因導入某種植物的葉肉細胞中，需將目的基因插入農桿菌Ti質粒上的TDNA中。若該葉肉細胞經培養、篩選等得到了能穩定表達Y的愈傷組織，則說明Y的基因已經整合到葉肉細胞染色體DNA上。(3)若要根據蛋白質工程的原理對Y進行改造以提高其熱穩定性，應該通過對基因的操作來實現。
答案：(1)mRNA　逆轉錄酶　PCR　(2)TDNA　整合到葉肉細胞染色體DNA上　(3)找到第6位氨基酸中的堿基所在的基因位置，參照密碼子表，將第6位氨基酸甲的堿基替換為氨基酸乙的堿基

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