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人教版（2019）高二生物选择性必修三导学案
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．简述蛋白质工程的基本原理。
学科素养：1.科学思维：尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质功能，设计或改造某一蛋白质。
2．社会责任：认同蛋白质工程的重要意义。
知识点一 蛋白质工程的崛起缘由和基本原理
自主梳理
1．蛋白质工程的概念
(1)基础：蛋白质分子的结构规律及其与________的关系。
(2)手段：________或________基因。
(3)目的：改造现有蛋白质，或制造一种____________，以满足人类生产和生活的需求。
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)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________。基因工程原则上只能生产自然界中________的蛋白质。
②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．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)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________→获得所需要的蛋白质。
答案：
1．(1)生物功能
(2)改造　合成
(3)新的蛋白质
2．(1)分子生物学
(2)①基因　蛋白质　新的性状　已存在　②结构和功能　人类生产和生活
3．(1)蛋白质
(2)改造基因　合成基因
(3)蛋白质结构　氨基酸　脱氧核苷酸　基因
[互动探究]
1．(生命观念)蛋白质工程中为什么通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造？
提示：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。
2．(社会责任)蛋白质工程的实例
(1)结合基因与性状的关系探讨提高玉米中的赖氨酸含量的途径是什么？(从直接控制法和间接控制法的角度回答)
(2)为什么改变一个氨基酸就可以改变蛋白质的稳定性甚至某种蛋白酶的活性？
(1)提示：直接控制法：可以将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米。间接控制法：可以改变赖氨酸合成途径中关键酶的活性。
(2)提示：蛋白质的结构是由其氨基酸组成决定的，个别氨基酸的改变就会导致其结构的改变，从而影响到其性质和功能。
3．(科学思维)如何判断基因工程和蛋白质工程？
提示：“三看法”判断基因工程和蛋白质工程，一看对基因的操作方法，二看目的基因的合成方式，三看合成的蛋白质种类。
归纳提升
1．蛋白质工程不是直接改造蛋白质而是通过基因改造和基因合成来完成
(1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传下去的。
(2)对基因进行改造比对蛋白质进行直接改造容易操作，难度小得多。
2．蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程不同
(1)基因工程操作程序的基本思路遵循中心法则，从DNA→mRNA→多肽→折叠产生蛋白质，原则上只能生产出自然界中已有的蛋白质。
(2)蛋白质工程是按照相反的思路进行的，确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→基因中的碱基序列，可以创造自然界不存在的蛋白质。
3．蛋白质工程流程图
4．基因工程和蛋白质工程的比较
项目 蛋白质工程 基因工程
区别 起点 预期蛋白质功能 目的基因
过程 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质 获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
实质 通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的 基因重组
结果 可以创造出自然界不存在的蛋白质 生产自然界已存在的蛋白质
应用及 现状 ①主要集中在对现有蛋白质进行改造，如干扰素、天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等 ②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少 ①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化 ②基因治疗仅处于初期的临床试验阶段
联系 ①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质 ②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
5.“三看法”判断基因工程和蛋白质工程
(1)一看对基因的操作方法
如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换、增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。
(2)二看目的基因的合成方式
基因工程和蛋白质工程中都可以通过逆转录合成目的基因，或根据蛋白质的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。如果合成时mRNA或氨基酸序列没有经过改造，则为基因工程技术；如果mRNA或氨基酸序列经过了改造，或mRNA或氨基酸序列是根据蛋白质预期的功能人工设计的，则为蛋白质工程技术。
(3)三看合成的蛋白质种类
如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。
针对训练
1．关于蛋白质工程的基本流程，下列叙述正确的是 (　　)
①设计预期蛋白质分子结构　②推测氨基酸序列　③预期蛋白质功能　④找出相应脱氧核苷酸序列
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：蛋白质工程的基本流程是：从③预期的蛋白质功能出发→①设计预期的蛋白质结构→②推测应有的氨基酸序列→④找到相对应的脱氧核苷酸序列，A正确。
2．蛋白质工程的目标是( )
A．通过对基因进行诱变，产生新的蛋白质
B．通过基因重组，合成生物体本来没有的蛋白质
C．根据人们对蛋白质功能的特定需求，改造或制造蛋白质
D．生产大量的蛋白质
答案：C
解析：蛋白质工程的目标是以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过化学、物理和分子生物学的手段进行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，以满足人类对生产和生活的需求，C正确。
3．蛋白质工程与基因工程相比，其突出的特点是(　　)
A．基因工程原则上能生产任何蛋白质
B．蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质
C．蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现
D．蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第三代基因工程
答案：B　
解析：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，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的要求。也就是说，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。
知识点二　蛋白质工程的应用
自主梳理
1．在医药工业方面的应用
(1)研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造__________使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29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”到人的抗体上，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。
答案：
1．(1)胰岛素基因　胰岛素的聚合
(2)半胱氨酸　丝氨酸
(3)结合抗原的区域
2．(1)突变体
(2)调控光合作用
[互动探究]
1．(科学思维)科学家对胰岛素进行改造是否要获得相应的目的基因？如何获得？
提示：是。应该以现有的胰岛素结构为基础，设计满足新功能需要的新结构，推测出相关的氨基酸序列，然后根据密码子找出相应的DNA序列，再进行人工合成或改造得到目的基因。
2．(社会责任)经改造的干扰素基因合成的干扰素和原来的相比，在结构和功能上的改变有哪些？
提示：在结构方面：其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸。在功能方面：大大提高了该干扰素在体外保存的稳定性。
归纳提升
1．干扰素
干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素基因导入大肠杆菌中并进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性为106 U/mg，只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸(第17位、31位和141位), 研究人员推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的干扰素的抗病毒活性提高到108 U/mg，并且比天然干扰素的贮存稳定性高了很多。
2．蛋白质工程与糖尿病
糖尿病是近年来高发的“富贵病”，常见类型有遗传型糖尿病和Ⅱ型糖尿病。遗传型糖尿病的主要病因之一是胰岛受损。科研机构作出如下设计：取糖尿病患者的细胞，将人的正常胰岛素基因导入其中，然后进行细胞培养，诱导产生胰岛组织，重新植入患者的胰岛，使胰岛恢复功能。Ⅱ型糖尿病需要注射胰岛素治疗。目前临床使用的胰岛素制剂注射120 min后才出现高峰。科研人员通过一定的工程技术手段，将胰岛素B链的第28位和第29位氨基酸更换，获得了速效胰岛素，速效胰岛素已经在临床上广泛应用。
针对训练
1．科学家将胰岛素的第28和29位的氨基酸调换顺序，成功获得了速效胰岛素，生产速效胰岛素时需要定向改造的对象是( )
A．单个胰岛素分子
B．胰岛素mRNA
C．胰岛素基因的碱基序列
D．胰岛B细胞
答案：C
解析：采用蛋白质工程技术将胰岛素的第28和29位氨基酸调换顺序后可获得速效胰岛素，而蛋白质工程是通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造的，因此要生产速效胰岛素，需要对胰岛素基因进行定向改造，C正确。
2．科学家为提高玉米中赖氨酸含量，计划将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变为异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的氨基酸由天冬氨酸变为异亮氨酸。为此，下列操作正确的是( )
A．直接改造上述两种蛋白质的空间结构
B．对指导上述两种酶合成的mRNA进行改造
C．利用诱变育种技术促使上述两种酶的基因突变
D．利用基因工程技术，对控制上述两种酶的基因进行改造
答案：D
解析：蛋白质的功能与其高级结构密切相关，而蛋白质的高级结构又非常复杂，所以直接对蛋白质改造非常困难，且即使改造成功也不能遗传，A错误；直接改造相应的mRNA，不一定能够表达产生所需要的蛋白质，且即使成功也不能遗传，B错误；由于基因突变具有不定向性和低频性，所以使用诱变育种的方法不易获得符合要求的基因，C错误；基因工程可定向改造生物的遗传性状，所以可利用基因工程技术，对控制这两种酶的基因进行改造，D正确。
3．干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可以在－70℃条件下保存半年，这属于蛋白质工程的范畴。下列相关说法错误的是( )
A．蛋白质工程可以生产自然界不存在的蛋白质
B．蛋白质工程生产干扰素的过程不遵循中心法则
C．对天然干扰素的改造需通过对基因的操作来实现
D．蛋白质空间结构复杂是蛋白质工程实施难度大的重要原因
答案：B
解析：蛋白质工程可以生产自然界不存在的蛋白质，A正确；蛋白质工程生产干扰素的过程仍然遵循中心法则，B错误；由于基因指导蛋白质的合成，因此对天然干扰素的改造需通过对基因的操作来实现，C正确；蛋白质空间结构复杂是蛋白质工程实施难度大的重要原因，D正确。
[要语必背]
1．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。
2．蛋白质工程直接操作的对象是基因，而不是蛋白质。
3．基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质。
4．基因工程和蛋白质工程都是在分子水平上操作，目的都是合成相应的蛋白质。
巩固练习
1．下列关于蛋白质工程的说法，正确的是(　　)
A．蛋白质工程是基因工程的基础
B．蛋白质工程通常是对蛋白质结构进行直接改造
C．蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子
D．蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的
答案：C　
解析：基因工程是蛋白质工程的基础，蛋白质工程最终通过改造基因来完成，A错误；蛋白质工程是指以蛋白质的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行基因改造，而不是对蛋白质的结构进行直接改造，B错误；蛋白质工程可以生产出自然界没有的蛋白质，C正确；蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是不完全相同的，D错误。
2．蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质的原因是(　　)
A．缺乏改造蛋白质所必需的工具酶
B．蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大
C．人类对大多数蛋白质高级结构知之甚少
D．改造基因易于操作且改造后能够遗传
答案：D　
解析：蛋白质工程应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过后蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接进行改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小。
3．下列有关基因工程与蛋白质工程的叙述，正确的是(　　)
A．蛋白质工程与基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质，所以二者没有区别
B．基因工程是蛋白质工程的关键技术
C．通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍然是天然的蛋白质
D．蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的
答案：B　
解析：基因工程原则上只能生产自然界中已有的蛋白质，而蛋白质工程可以生产自然界中没有的新的蛋白质，两者存在区别，A错误；蛋白质工程本质上是通过基因修饰或基因合成来完成对蛋白质分子的改造，是在基因工程的基础上发展出的第二代基因工程，B正确；蛋白质工程改造后的蛋白质可能是自然界中没有的新的蛋白质，C错误；蛋白质工程本质上是改造基因，不是直接改造蛋白质分子，D错误。
4．蛋白质工程就是通过对蛋白质化学、蛋白质晶体学和蛋白质动力学的研究，获得有关蛋白质理化特性和分子特性的信息，在此基础上对编码蛋白质的基因进行有目的的设计和改造，通过基因工程技术获得可以表达目标蛋白质的转基因生物。中华鲟是一种濒危野生动物。研究者试图通过蛋白质工程改造中华鲟体内的某些蛋白质，使其更加适应现在的水域环境。下列有关说法不正确的是(　　)
A．蛋白质工程可定向改变蛋白质分子的结构
B．改造蛋白质可通过改变基因结构实现
C．改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种
D．改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质
答案：D　
解析：蛋白质工程能按照人们的意愿定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要，A项正确；蛋白质工程的实质是通过改造或合成基因实现对蛋白质的改造，B项正确；改造后的中华鲟和现有中华鲟之间没有产生生殖隔离，仍然属于同一物种，C项正确；蛋白质工程操作的直接对象是基因，可以遗传给后代，因此改造后的中华鲟的后代可能具有改造的蛋白质，D项错误。
5．枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性，但极易被氧化而失效。1985年，美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的少数氨基酸替换后，虽然其水解活性有所下降，但抗氧化的能力大大提高。用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有效地去除血渍、奶渍等蛋白质污渍。请回答下列问题。
(1)改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是____________。
(2)改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比， ______________发生变化。
(3)利用生物技术改造蛋白质，提高了蛋白质的稳定性，埃斯特尔所做的工作是对已知蛋白质进行____________________。
(4)若要获得新型蛋白质，需用到的生物工程有蛋白质工程、________和发酵工程。
答案：(1)蛋白质工程
(2)碱基对(或脱氧核苷酸序列)
(3)少数氨基酸的替换
(4)基因工程
解析：(1)题中改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是蛋白质工程。(2)将枯草杆菌蛋白酶分子中的少数氨基酸替换，改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比，碱基对或脱氧核苷酸序列发生变化。(3)利用生物技术改造蛋白质，提高了蛋白质的稳定性，埃斯特尔所做的工作是对已知蛋白质进行少数氨基酸的替换。(4)若要获得新型蛋白质，需用到的生物工程有蛋白质工程、基因工程和发酵工程。

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