資源簡介

第4節 蛋白質工程的原理和應用
學習目標
1.舉例說出蛋白質工程崛起的緣由。
2理解蛋白質工程的原理。
3.了解蛋白質工程的應用。
一、蛋白質工程的崛起
基礎梳理
1．蛋白質工程
（1）基礎：蛋白質分子的 及其與 的關系。
（2）手段：通過 或 ，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質。
（3）目的：獲得滿足人類的生產和生活需求的 。
2.蛋白質工程崛起的緣由
（1）基因工程的實質：將一種生物的 轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的 ，進而表現出 。
（2）基因工程的不足：基因工程在原則上只能產生自然界中 的蛋白質
（3）天然蛋白質的不足：天然蛋白質的結構和功能符合 生存的需要，卻不一定完全符合 的需要。
（4）實例：玉米中賴氨酸的含量比較低，賴氨酸合成中兩種酶的 被替換，就可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸分別提高5倍和2倍。
易錯提示
1.蛋白質工程能產生自然界中不存在的新型蛋白質分子。（ ）
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.實施蛋白質工程的前提條件是了解蛋白質結構和功能的關系。（ ）
4.基因工程需要在分子水平對基因進行操作，蛋白質工程不需要對基因進行操作。（ ）
二、蛋白質工程的基本原理
基礎梳理
1.目標：根據人們對 功能的特定需求，對蛋白質的結構進行設計改造。
2.方法： 或 。
3.流程：預期蛋白質功能→設計預期的 →推測應有的 序列→找到相對應的 序列（基因）或合成新的 →獲得所需要的 。
易錯提示
1.基因工程遵循中心法則，而蛋白質工程不遵循。（ ）
2.根據某多肽鏈的一段氨基酸序列，可以很容易地確定控制該肽鏈合成的基因的脫氧核苷酸序列。（ ）
3.蛋白質工程需要改變蛋白質分子的所有氨基酸序列。（ ）
二、蛋白質工程的基本原理
基礎知識
1.在醫藥工業方面的應用
（1）研發速效胰島素類似物：和科學家通過改造 使B鏈28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了 ，研發出速效胰島素類似物。
（2）提高干擾素的保存期：將干擾素分子上的一個 變成 ，提高了干擾素的保存時間。
（3）改造抗體：將小鼠單克隆抗體上 “嫁接”人的抗體上，降低了誘發人體免疫反應的強度。
2.在其他工業和農業方面的應用
（1）改進酶的性能或開發新的工業用酶：利用蛋白質工程獲得蛋白酶的多種 。
（2）改造某些重要的酶：利用蛋白質工程改造參與 的酶，以提高植物光合作用的效率。
易錯提示
1.蛋白質工程可以改造酶，提高酶的熱穩定性。（ ）
隨堂訓練
1.蛋白質工程崛起的緣由是( )
A.天然蛋白質使生物適應環境
B.天然蛋白質均為自然界已經存在的種類
C.天然蛋白質不能夠完全符合人類生產、生活的需要
D.天然蛋白質的結構和種類是長期自然選擇的結果
2.有關蛋白質工程的說法，正確的是( )
A.必須從預期蛋白質的功能出發 B.在分子水平上直接改造蛋白質
C.可以不涉及轉錄和翻譯過程 D.不需要借助基因工程的相關技術
3.蛛絲的強度和柔韌度得益于蛛絲蛋白的特殊布局，使它產生了一個由堅硬的結晶區和非結晶區構成的混合區域。有人試圖通過破解蛛絲蛋白的結構從而推測出其相應的基因結構，以指導對蠶絲蛋白的修改，從而讓蠶也吐出像蛛絲一樣堅韌的絲。此過程運用的技術及流程分別是( )
A.基因突變；DNA→RNA→蛋白質
B.基因工程；RNA→RNA→蛋白質
C.基因工程；DNA→RNA→蛋白質
D.蛋白質工程；蛋白質→RNA→DNA→RNA→蛋白質
4.天然干擾素在體外難以保存,若將其分子上一個半胱氨酸變成絲氨酸,就可以在-70℃下保存半年。上述實現對天然干擾素結構的改造使用的技術是( )
A.基因工程 B.細胞工程 C.蛋白質工程 D.胚胎工程
5.蛋白質工程中直接進行操作的對象是( )
A.氨基酸結構 B.蛋白質空間結構 C.肽鏈結構 D.基因結構
6.以下蛋白質工程中,目前已成功的是( )
A.對胰島素進行改造,生產速效型藥品
B.蛋白質工程應用于微電子方面
C.體外耐保存的干擾素
D.用蛋白質工程生產高賴氨酸玉米
7.干擾素是動物體內的一種蛋白質，可用于治療病毒的感染和癌癥，但很難在體外保存。科學家通過改變其分子上的一個氨基酸來延長它的保存期限。科學家是如何改變的(　　)
A.半胱氨酸變成絲氨酸 B.絲氨酸變成半胱氨酸
C.半胱氨酸變成蘇氨酸 D.蘇氨酸變成半胱氨酸
8.蛋白質工程在實施中遇到的最大的難題是( )
A.生產的蛋白質無法應用 B.發展前景太窄
C.對大多數蛋白質的高級結構不清楚 D.無法人工合成目的基因
9.蛋白質工程是新崛起的一項生物工程 。如圖示意蛋白質工程流程。下列有關敘述錯誤的是( )
A.蛋白質工程就是根據人們需要，直接對蛋白質進行加工修飾
B.蛋白質工程是通過基因修飾或基因合成等方法，對現有蛋白質進行改造
C.①②過程為轉錄和翻譯
D.蛋白質工程是從④開始的
10.胰島素可以用于治療糖尿病,但是胰島素被注射入人體后,會堆積在皮下,要經過較長的時間才能進入血液,而進入血液的胰島素又容易分解,因此治療效果受到影響。下面是用蛋白質工程設計的速效胰島素的生產過程,請據圖回答下面有關問題:
（1）構建新的蛋白質模型是蛋白質工程的關鍵,圖中構建新的胰島素模型的主要依據是:__________。
（2）通過人工合成DNA形成的新基因應與__________結合后轉移到__________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__________、__________和發酵工程。
（4）圖解中從新的胰島素模型到新的胰島素基因的基本思路是什么 __________。
答案以及解析
1.答案：C
解析：天然蛋白質均為自然界已經存在的種類，雖然能夠滿足特定物種的生存需要，但不能完全符合人類生產和生活的需要，這是蛋白質工程崛起的緣由。
2.答案：A
解析：蛋白質工程必須從預期蛋白質的功能出發，通過基因修飾或基因合成，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，而不是直接改造蛋白質，A正確，B錯誤；基因修飾或基因合成后要通過轉錄和翻譯合成蛋白質，C錯誤；蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程，D錯誤。
3.答案：D
解析：根據題干信息“通過破解蛛絲蛋白的結構從而推測出其相應的基因結構，以指導對蠶絲蛋白的修改，從而讓蠶也吐出像蛛絲一樣堅韌的絲”可知，該過程運用的技術是蛋白質工程，操作的流程是蛋白質→RNA→DNA→RNA→蛋白質，D正確。
4.答案：C
解析：
5.答案：D
解析：蛋白質工程是對控制蛋白質合成的基因進行改造，從而實現對相應蛋白質的改變，ABC錯誤，D正確．
故選：D．
6.答案：A
解析：B、C、D目前尚未實現,只是蛋白質工程的發展前景,有待于進一步研究和設計。
7.答案：A
解析：
8.答案：C
解析：多數蛋白質具有復雜的高級結構，即空間結構，而很多蛋白質的空間結構是人們目前還不清楚的，所以蛋白質工程仍需要經歷艱辛的探索。
9.答案：A
解析：
10.答案：（1）蛋白質的預期功能（2）載體；大腸桿菌等受體細胞（3）蛋白質工程；基因工程；（4）根據新的胰島素中氨基酸的序列，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
解析：（1）蛋白質工程的目標是根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質結構進行分子設計，因此，圖中構建新的胰島素模型的依據是預期胰島素，即速效胰島素的功能。（2）人工合成的目的基因與載體結合后，被導入受體細胞中才能得以表達。
（3）利用蛋白質工程生產自然界中原本不存在的蛋白質，需對原有的胰島素進行改造，根據新的胰島素中氨基酸的序列推測出其基因中的脫氧核苷酸序列，人工合成新的胰島素基因，得到目的基因，改造好的目的基因需通過基因工程導入受體細胞獲得工程菌，再利用工程菌進行發酵，從而獲取大量產品，因此該過程涉及蛋白質工程、基因工程和發酵工程。（4）由新的蛋白質模型到構建新的基因，其基本設計思路是根據新的蛋白質中的氨基酸序列，推測出基因中的脫氧核苷酸序列，然后用DNA合成儀直接合成新的基因。
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