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第4节 蛋白质工程的原理和应用
学习目标
1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。
2理解蛋白质工程的原理。
3.了解蛋白质工程的应用。
一、蛋白质工程的崛起
基础梳理
1．蛋白质工程
（1）基础：蛋白质分子的 及其与 的关系。
（2）手段：通过 或 ，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质。
（3）目的：获得满足人类的生产和生活需求的 。
2.蛋白质工程崛起的缘由
（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：基因工程在原则上只能产生自然界中 的蛋白质
（3）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。
（4）实例：玉米中赖氨酸的含量比较低，赖氨酸合成中两种酶的 被替换，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。
易错提示
1.蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子。（ ）
2.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。（ ）
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.基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。（ ）
二、蛋白质工程的基本原理
基础梳理
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.方法： 或 。
3.流程：预期蛋白质功能→设计预期的 →推测应有的 序列→找到相对应的 序列（基因）或合成新的 →获得所需要的 。
易错提示
1.基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。（ ）
2.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。（ ）
3.蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。（ ）
二、蛋白质工程的基本原理
基础知识
1.在医药工业方面的应用
（1）研发速效胰岛素类似物：和科学家通过改造 使B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了 ，研发出速效胰岛素类似物。
（2）提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个 变成 ，提高了干扰素的保存时间。
（3）改造抗体：将小鼠单克隆抗体上 “嫁接”人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。
2.在其他工业和农业方面的应用
（1）改进酶的性能或开发新的工业用酶：利用蛋白质工程获得蛋白酶的多种 。
（2）改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造参与 的酶，以提高植物光合作用的效率。
易错提示
1.蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。（ ）
随堂训练
1.蛋白质工程崛起的缘由是( )
A.天然蛋白质使生物适应环境
B.天然蛋白质均为自然界已经存在的种类
C.天然蛋白质不能够完全符合人类生产、生活的需要
D.天然蛋白质的结构和种类是长期自然选择的结果
2.有关蛋白质工程的说法，正确的是( )
A.必须从预期蛋白质的功能出发 B.在分子水平上直接改造蛋白质
C.可以不涉及转录和翻译过程 D.不需要借助基因工程的相关技术
3.蛛丝的强度和柔韧度得益于蛛丝蛋白的特殊布局，使它产生了一个由坚硬的结晶区和非结晶区构成的混合区域。有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因结构，以指导对蚕丝蛋白的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝一样坚韧的丝。此过程运用的技术及流程分别是( )
A.基因突变；DNA→RNA→蛋白质
B.基因工程；RNA→RNA→蛋白质
C.基因工程；DNA→RNA→蛋白质
D.蛋白质工程；蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质
4.天然干扰素在体外难以保存,若将其分子上一个半胱氨酸变成丝氨酸,就可以在-70℃下保存半年。上述实现对天然干扰素结构的改造使用的技术是( )
A.基因工程 B.细胞工程 C.蛋白质工程 D.胚胎工程
5.蛋白质工程中直接进行操作的对象是( )
A.氨基酸结构 B.蛋白质空间结构 C.肽链结构 D.基因结构
6.以下蛋白质工程中,目前已成功的是( )
A.对胰岛素进行改造,生产速效型药品
B.蛋白质工程应用于微电子方面
C.体外耐保存的干扰素
D.用蛋白质工程生产高赖氨酸玉米
7.干扰素是动物体内的一种蛋白质，可用于治疗病毒的感染和癌症，但很难在体外保存。科学家通过改变其分子上的一个氨基酸来延长它的保存期限。科学家是如何改变的(　　)
A.半胱氨酸变成丝氨酸 B.丝氨酸变成半胱氨酸
C.半胱氨酸变成苏氨酸 D.苏氨酸变成半胱氨酸
8.蛋白质工程在实施中遇到的最大的难题是( )
A.生产的蛋白质无法应用 B.发展前景太窄
C.对大多数蛋白质的高级结构不清楚 D.无法人工合成目的基因
9.蛋白质工程是新崛起的一项生物工程 。如图示意蛋白质工程流程。下列有关叙述错误的是( )
A.蛋白质工程就是根据人们需要，直接对蛋白质进行加工修饰
B.蛋白质工程是通过基因修饰或基因合成等方法，对现有蛋白质进行改造
C.①②过程为转录和翻译
D.蛋白质工程是从④开始的
10.胰岛素可以用于治疗糖尿病,但是胰岛素被注射入人体后,会堆积在皮下,要经过较长的时间才能进入血液,而进入血液的胰岛素又容易分解,因此治疗效果受到影响。下面是用蛋白质工程设计的速效胰岛素的生产过程,请据图回答下面有关问题:
（1）构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键,图中构建新的胰岛素模型的主要依据是:__________。
（2）通过人工合成DNA形成的新基因应与__________结合后转移到__________中才能得到准确表达。
（3）若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素,需用到的生物工程有__________、__________和发酵工程。
（4）图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是什么 __________。
答案以及解析
1.答案：C
解析：天然蛋白质均为自然界已经存在的种类，虽然能够满足特定物种的生存需要，但不能完全符合人类生产和生活的需要，这是蛋白质工程崛起的缘由。
2.答案：A
解析：蛋白质工程必须从预期蛋白质的功能出发，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，而不是直接改造蛋白质，A正确，B错误；基因修饰或基因合成后要通过转录和翻译合成蛋白质，C错误；蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，D错误。
3.答案：D
解析：根据题干信息“通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因结构，以指导对蚕丝蛋白的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝一样坚韧的丝”可知，该过程运用的技术是蛋白质工程，操作的流程是蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质，D正确。
4.答案：C
解析：
5.答案：D
解析：蛋白质工程是对控制蛋白质合成的基因进行改造，从而实现对相应蛋白质的改变，ABC错误，D正确．
故选：D．
6.答案：A
解析：B、C、D目前尚未实现,只是蛋白质工程的发展前景,有待于进一步研究和设计。
7.答案：A
解析：
8.答案：C
解析：多数蛋白质具有复杂的高级结构，即空间结构，而很多蛋白质的空间结构是人们目前还不清楚的，所以蛋白质工程仍需要经历艰辛的探索。
9.答案：A
解析：
10.答案：（1）蛋白质的预期功能（2）载体；大肠杆菌等受体细胞（3）蛋白质工程；基因工程；（4）根据新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因
解析：（1）蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计，因此，图中构建新的胰岛素模型的依据是预期胰岛素，即速效胰岛素的功能。（2）人工合成的目的基因与载体结合后，被导入受体细胞中才能得以表达。
（3）利用蛋白质工程生产自然界中原本不存在的蛋白质，需对原有的胰岛素进行改造，根据新的胰岛素中氨基酸的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，人工合成新的胰岛素基因，得到目的基因，改造好的目的基因需通过基因工程导入受体细胞获得工程菌，再利用工程菌进行发酵，从而获取大量产品，因此该过程涉及蛋白质工程、基因工程和发酵工程。（4）由新的蛋白质模型到构建新的基因，其基本设计思路是根据新的蛋白质中的氨基酸序列，推测出基因中的脱氧核苷酸序列，然后用DNA合成仪直接合成新的基因。
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