資源簡介

人教版（2019）高二生物選擇性必修三導學案
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．簡述蛋白質工程的基本原理。
學科素養：1.科學思維：嘗試通過蛋白質工程技術，根據人類需要的蛋白質功能，設計或改造某一蛋白質。
2．社會責任：認同蛋白質工程的重要意義。
知識點一 蛋白質工程的崛起緣由和基本原理
自主梳理
1．蛋白質工程的概念
(1)基礎：蛋白質分子的結構規律及其與________的關系。
(2)手段：________或________基因。
(3)目的：改造現有蛋白質，或制造一種____________，以滿足人類生產和生活的需求。
2．蛋白質工程的崛起
(1)理論和技術條件：________、晶體學以及計算機技術的迅猛發展。
(2)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________。基因工程原則上只能生產自然界中________的蛋白質。
②天然蛋白質的____________符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合________________的需要。
3．蛋白質工程的基本原理
(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________→獲得所需要的蛋白質。
答案：
1．(1)生物功能
(2)改造　合成
(3)新的蛋白質
2．(1)分子生物學
(2)①基因　蛋白質　新的性狀　已存在　②結構和功能　人類生產和生活
3．(1)蛋白質
(2)改造基因　合成基因
(3)蛋白質結構　氨基酸　脫氧核苷酸　基因
[互動探究]
1．(生命觀念)蛋白質工程中為什么通過對基因操作來實現對天然蛋白質的改造？
提示：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；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。
2．(社會責任)蛋白質工程的實例
(1)結合基因與性狀的關系探討提高玉米中的賴氨酸含量的途徑是什么？(從直接控制法和間接控制法的角度回答)
(2)為什么改變一個氨基酸就可以改變蛋白質的穩定性甚至某種蛋白酶的活性？
(1)提示：直接控制法：可以將富含賴氨酸的蛋白質編碼基因導入玉米。間接控制法：可以改變賴氨酸合成途徑中關鍵酶的活性。
(2)提示：蛋白質的結構是由其氨基酸組成決定的，個別氨基酸的改變就會導致其結構的改變，從而影響到其性質和功能。
3．(科學思維)如何判斷基因工程和蛋白質工程？
提示：“三看法”判斷基因工程和蛋白質工程，一看對基因的操作方法，二看目的基因的合成方式，三看合成的蛋白質種類。
歸納提升
1．蛋白質工程不是直接改造蛋白質而是通過基因改造和基因合成來完成
(1)任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過的蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白質也是無法遺傳下去的。
(2)對基因進行改造比對蛋白質進行直接改造容易操作，難度小得多。
2．蛋白質工程操作程序的基本思路與基因工程不同
(1)基因工程操作程序的基本思路遵循中心法則，從DNA→mRNA→多肽→折疊產生蛋白質，原則上只能生產出自然界中已有的蛋白質。
(2)蛋白質工程是按照相反的思路進行的，確定蛋白質的功能→蛋白質應有的高級結構→蛋白質具備的折疊狀態→應有的氨基酸序列→基因中的堿基序列，可以創造自然界不存在的蛋白質。
3．蛋白質工程流程圖
4．基因工程和蛋白質工程的比較
項目 蛋白質工程 基因工程
區別 起點 預期蛋白質功能 目的基因
過程 預期蛋白質功能→設計蛋白質結構→推測氨基酸序列→推測脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達出蛋白質 獲取目的基因→構建基因表達載體→導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定
實質 通過改造相應的基因達到對蛋白質進行改造的目的 基因重組
結果 可以創造出自然界不存在的蛋白質 生產自然界已存在的蛋白質
應用及 現狀 ①主要集中在對現有蛋白質進行改造，如干擾素、天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶等 ②對創造新的蛋白質還有許多技術難題未突破，因為蛋白質高級結構非常復雜，人們對此知之甚少 ①已被廣泛應用，如轉基因植物、動物、藥品生產等已商業化 ②基因治療僅處于初期的臨床試驗階段
聯系 ①蛋白質工程獲得目的基因后，需要通過基因工程獲得預期蛋白質 ②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
5.“三看法”判斷基因工程和蛋白質工程
(1)一看對基因的操作方法
如果僅將基因用限制酶從DNA片段中切割下來，沒有經過對編碼蛋白序列進行修飾、加工，或僅對其調控序列進行加工，則屬于基因工程；如果將目的基因經過了一些實質性的改造，如對編碼蛋白序列進行了堿基替換、增添或缺失某幾個堿基，則屬于蛋白質工程。
(2)二看目的基因的合成方式
基因工程和蛋白質工程中都可以通過逆轉錄合成目的基因，或根據蛋白質的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。如果合成時mRNA或氨基酸序列沒有經過改造，則為基因工程技術；如果mRNA或氨基酸序列經過了改造，或mRNA或氨基酸序列是根據蛋白質預期的功能人工設計的，則為蛋白質工程技術。
(3)三看合成的蛋白質種類
如果合成的蛋白質是天然蛋白質，則是基因工程；如果合成的蛋白質和天然蛋白質有差異，甚至是自然界中所沒有的，則為蛋白質工程。
針對訓練
1．關于蛋白質工程的基本流程，下列敘述正確的是 (　　)
①設計預期蛋白質分子結構　②推測氨基酸序列　③預期蛋白質功能　④找出相應脫氧核苷酸序列
A．③→①→②→④
B．④→②→①→③
C．①→②→③→④
D．③→④→①→②
答案：A　
解析：蛋白質工程的基本流程是：從③預期的蛋白質功能出發→①設計預期的蛋白質結構→②推測應有的氨基酸序列→④找到相對應的脫氧核苷酸序列，A正確。
2．蛋白質工程的目標是( )
A．通過對基因進行誘變，產生新的蛋白質
B．通過基因重組，合成生物體本來沒有的蛋白質
C．根據人們對蛋白質功能的特定需求，改造或制造蛋白質
D．生產大量的蛋白質
答案：C
解析：蛋白質工程的目標是以蛋白質分子的結構規律及其生物功能的關系作為基礎，通過化學、物理和分子生物學的手段進行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，以滿足人類對生產和生活的需求，C正確。
3．蛋白質工程與基因工程相比，其突出的特點是(　　)
A．基因工程原則上能生產任何蛋白質
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．蛋白質工程是在基因工程的基礎上延伸出來的第三代基因工程
答案：B　
解析：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，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活的要求。也就是說，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。
知識點二　蛋白質工程的應用
自主梳理
1．在醫藥工業方面的應用
(1)研發速效胰島素類似物：科學家通過改造__________使B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與B29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”到人的抗體上，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。
答案：
1．(1)胰島素基因　胰島素的聚合
(2)半胱氨酸　絲氨酸
(3)結合抗原的區域
2．(1)突變體
(2)調控光合作用
[互動探究]
1．(科學思維)科學家對胰島素進行改造是否要獲得相應的目的基因？如何獲得？
提示：是。應該以現有的胰島素結構為基礎，設計滿足新功能需要的新結構，推測出相關的氨基酸序列，然后根據密碼子找出相應的DNA序列，再進行人工合成或改造得到目的基因。
2．(社會責任)經改造的干擾素基因合成的干擾素和原來的相比，在結構和功能上的改變有哪些？
提示：在結構方面：其分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸。在功能方面：大大提高了該干擾素在體外保存的穩定性。
歸納提升
1．干擾素
干擾素是一種抗病毒、抗腫瘤的藥物。將人的干擾素基因導入大腸桿菌中并進行表達，產生的干擾素的抗病毒活性為106 U/mg，只相當于天然產品的十分之一，雖然在大腸桿菌中合成的干擾素量很多，但多數是以無活性的二聚體形式存在。干擾素蛋白質中有3個半胱氨酸(第17位、31位和141位), 研究人員推測可能是有一個或幾個半胱氨酸形成了不正確的二硫鍵。研究人員將第17位的半胱氨酸，通過基因定點突變改變成絲氨酸，結果使大腸桿菌中生產的干擾素的抗病毒活性提高到108 U/mg，并且比天然干擾素的貯存穩定性高了很多。
2．蛋白質工程與糖尿病
糖尿病是近年來高發的“富貴病”，常見類型有遺傳型糖尿病和Ⅱ型糖尿病。遺傳型糖尿病的主要病因之一是胰島受損。科研機構作出如下設計：取糖尿病患者的細胞，將人的正常胰島素基因導入其中，然后進行細胞培養，誘導產生胰島組織，重新植入患者的胰島，使胰島恢復功能。Ⅱ型糖尿病需要注射胰島素治療。目前臨床使用的胰島素制劑注射120 min后才出現高峰。科研人員通過一定的工程技術手段，將胰島素B鏈的第28位和第29位氨基酸更換，獲得了速效胰島素，速效胰島素已經在臨床上廣泛應用。
針對訓練
1．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．單個胰島素分子
B．胰島素mRNA
C．胰島素基因的堿基序列
D．胰島B細胞
答案：C
解析：采用蛋白質工程技術將胰島素的第28和29位氨基酸調換順序后可獲得速效胰島素，而蛋白質工程是通過基因修飾或基因合成，對現有蛋白質進行改造的，因此要生產速效胰島素，需要對胰島素基因進行定向改造，C正確。
2．科學家為提高玉米中賴氨酸含量，計劃將天冬氨酸激酶的第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位的氨基酸由天冬氨酸變為異亮氨酸。為此，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．對指導上述兩種酶合成的mRNA進行改造
C．利用誘變育種技術促使上述兩種酶的基因突變
D．利用基因工程技術，對控制上述兩種酶的基因進行改造
答案：D
解析：蛋白質的功能與其高級結構密切相關，而蛋白質的高級結構又非常復雜，所以直接對蛋白質改造非常困難，且即使改造成功也不能遺傳，A錯誤；直接改造相應的mRNA，不一定能夠表達產生所需要的蛋白質，且即使成功也不能遺傳，B錯誤；由于基因突變具有不定向性和低頻性，所以使用誘變育種的方法不易獲得符合要求的基因，C錯誤；基因工程可定向改造生物的遺傳性狀，所以可利用基因工程技術，對控制這兩種酶的基因進行改造，D正確。
3．干擾素是動物體內合成的一種蛋白質，可以用于治療病毒感染和癌癥，但體外保存相當困難，如果將其分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，就可以在－70℃條件下保存半年，這屬于蛋白質工程的范疇。下列相關說法錯誤的是( )
A．蛋白質工程可以生產自然界不存在的蛋白質
B．蛋白質工程生產干擾素的過程不遵循中心法則
C．對天然干擾素的改造需通過對基因的操作來實現
D．蛋白質空間結構復雜是蛋白質工程實施難度大的重要原因
答案：B
解析：蛋白質工程可以生產自然界不存在的蛋白質，A正確；蛋白質工程生產干擾素的過程仍然遵循中心法則，B錯誤；由于基因指導蛋白質的合成，因此對天然干擾素的改造需通過對基因的操作來實現，C正確；蛋白質空間結構復雜是蛋白質工程實施難度大的重要原因，D正確。
[要語必背]
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．蛋白質工程直接操作的對象是基因，而不是蛋白質。
3．基因工程只能生產自然界已存在的蛋白質。
4．基因工程和蛋白質工程都是在分子水平上操作，目的都是合成相應的蛋白質。
鞏固練習
1．下列關于蛋白質工程的說法，正確的是(　　)
A．蛋白質工程是基因工程的基礎
B．蛋白質工程通常是對蛋白質結構進行直接改造
C．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
D．蛋白質工程的流程和天然蛋白質合成的過程是相同的
答案：C　
解析：基因工程是蛋白質工程的基礎，蛋白質工程最終通過改造基因來完成，A錯誤；蛋白質工程是指以蛋白質的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過基因修飾或基因合成，對現有蛋白質進行基因改造，而不是對蛋白質的結構進行直接改造，B錯誤；蛋白質工程可以生產出自然界沒有的蛋白質，C正確；蛋白質工程的流程和天然蛋白質合成的過程是不完全相同的，D錯誤。
2．蛋白質工程中，要對蛋白質結構進行設計改造，必須通過基因修飾或基因合成來完成，而不直接改造蛋白質的原因是(　　)
A．缺乏改造蛋白質所必需的工具酶
B．蛋白質中氨基酸的排列順序千變萬化，操作難度大
C．人類對大多數蛋白質高級結構知之甚少
D．改造基因易于操作且改造后能夠遺傳
答案：D　
解析：蛋白質工程應該通過對基因的操作來實現對天然蛋白質的改造，任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過后蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接進行改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質分子還是無法遺傳的。對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容易操作，難度要小。
3．下列有關基因工程與蛋白質工程的敘述，正確的是(　　)
A．蛋白質工程與基因工程的目的都是獲得人類需要的蛋白質，所以二者沒有區別
B．基因工程是蛋白質工程的關鍵技術
C．通過蛋白質工程改造后的蛋白質仍然是天然的蛋白質
D．蛋白質工程是在蛋白質分子水平上直接改造蛋白質的
答案：B　
解析：基因工程原則上只能生產自然界中已有的蛋白質，而蛋白質工程可以生產自然界中沒有的新的蛋白質，兩者存在區別，A錯誤；蛋白質工程本質上是通過基因修飾或基因合成來完成對蛋白質分子的改造，是在基因工程的基礎上發展出的第二代基因工程，B正確；蛋白質工程改造后的蛋白質可能是自然界中沒有的新的蛋白質，C錯誤；蛋白質工程本質上是改造基因，不是直接改造蛋白質分子，D錯誤。
4．蛋白質工程就是通過對蛋白質化學、蛋白質晶體學和蛋白質動力學的研究，獲得有關蛋白質理化特性和分子特性的信息，在此基礎上對編碼蛋白質的基因進行有目的的設計和改造，通過基因工程技術獲得可以表達目標蛋白質的轉基因生物。中華鱘是一種瀕危野生動物。研究者試圖通過蛋白質工程改造中華鱘體內的某些蛋白質，使其更加適應現在的水域環境。下列有關說法不正確的是(　　)
A．蛋白質工程可定向改變蛋白質分子的結構
B．改造蛋白質可通過改變基因結構實現
C．改造后的中華鱘和現有中華鱘仍是同一物種
D．改造后的中華鱘的后代不具有改造的蛋白質
答案：D　
解析：蛋白質工程能按照人們的意愿定向改造蛋白質分子的結構，使之更加符合人類的需要，A項正確；蛋白質工程的實質是通過改造或合成基因實現對蛋白質的改造，B項正確；改造后的中華鱘和現有中華鱘之間沒有產生生殖隔離，仍然屬于同一物種，C項正確；蛋白質工程操作的直接對象是基因，可以遺傳給后代，因此改造后的中華鱘的后代可能具有改造的蛋白質，D項錯誤。
5．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。1985年，美國的埃斯特爾將枯草桿菌蛋白酶分子中的少數氨基酸替換后，雖然其水解活性有所下降，但抗氧化的能力大大提高。用這種水解酶作為洗滌劑的添加劑，可以有效地去除血漬、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的控制合成蛋白酶的基因與原來相比， ______________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，埃斯特爾所做的工作是對已知蛋白質進行____________________。
(4)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。
答案：(1)蛋白質工程
(2)堿基對(或脫氧核苷酸序列)
(3)少數氨基酸的替換
(4)基因工程
解析：(1)題中改造枯草桿菌蛋白酶的生物技術是蛋白質工程。(2)將枯草桿菌蛋白酶分子中的少數氨基酸替換，改造后的枯草桿菌中的控制合成蛋白酶的基因與原來相比，堿基對或脫氧核苷酸序列發生變化。(3)利用生物技術改造蛋白質，提高了蛋白質的穩定性，埃斯特爾所做的工作是對已知蛋白質進行少數氨基酸的替換。(4)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。

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