第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用.docx

第4节 蛋白质工程的原理和应用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。学习目标素养要求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。I"梳理教材知识-夯实基础.蛋白质工程基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。手段：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。目的：获得满足人类生产和生活需求的蛋白质。（4）困难：蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构,而蛋白质的高级结构十分复杂。1 .蛋白质工程崛起的缘由（1）崛起缘由基因工程的实质：将一种生物的薨因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生 的蛋白质,进而表现出新的性状。基因工程的缺乏：基因工程在原那么上只能生产自然界中旦血在的蛋白质。天然蛋白质的缺乏：天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要,却不一定完全符 合人类生产和生活的需要。实例：提高玉米赖氨酸含量天冬氨酸激酶（第352位的苏氨酸）|甘起4天冬氨酸激酶（异亮氨酸）二氢川咤二竣酸合成酶（第104位的天冬酰胺）|江|二氢川咤二竣酸合成酶（异亮氨酸）改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。2 .蛋白质工程的基本原理表示天然蛋白质合成过程一表示蛋白质工程流程表示天然蛋白质合成过程一表示蛋白质工程流程蛋白质工程的基本思路：预期的蛋白质功能f设计预期的蛋白质结构一推测应有的氨基酸序 列一找到并改变相对应的脱氧核苴酸序列（基因）或合成新的基因一获得所需要的蛋白质。3 .蛋白质工程的应用（1）医药工业方面科学家通过对胰岛素基因的改造,研发出速效胰岛素类似物产品。|干扰素（半胱氨酸）|凹工|干扰素（丝氨酸）答案c解析 根据题干信息分析，将目的基因（控制某药物蛋白合成的基因）导入了来亨鸡胚胎细胞 的DNA中，发育成的鸡产生了含有该药物蛋白的鸡蛋，说明目的基因在这些鸡中进行了表 达，A正确；这些含该药物蛋白的鸡蛋孵出的鸡，仍能产出含该药物蛋白的鸡蛋，说明这种 变异属于可遗传的变异，B正确；该技术为基因工程技术，并没有利用蛋白质工程对控制蛋 白质合成的基因的结构进行改造，C错误；基因工程的原理是基因重组，且是对生物性状的 定向改造，即这种变异是定向的，D正确。15 .蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主要包括（不定项X）A.进行少数氨基酸的替换B.对不同来源的蛋白质进行拼接C.从氨基酸的排列顺序出发设计全新的蛋白质D.直接改变蛋白质的空间结构答案ABC解析蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，不能直接改变蛋白质的空间结构，但是能进 行少数氨基酸的替换，能对不同来源的蛋白质进行拼接，能够从氨基酸的排列顺序出发设计 全新的蛋白质。16 .干扰素是动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存相当 困难。以下图是利用蛋白质工程设计保存干扰素的生产流程图，据图分析以下表达错误的选项是（不 定项X ）A.图中构建新的干扰素模型的主要依据是蛋白质的预期功能B.图中新的干扰素基因必须加上启动子和终止子才能表达C.图中改造干扰素结构的实质是改造干扰素mRNA的结构D.图中各项技术并没有涉及基因工程技术答案CD17 .糖尿病是近年来高发的“富贵病”，常见类型有I型糖尿病即遗传性糖尿病和n型糖尿 病。遗传性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，然后做细胞培养，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。目前临床使用胰岛素制剂注射 后120 min才出现高峰，与人体生理状态不符。科研人员通过一定的工程技术手段，将胰岛 素B链的28号和29号氨基酸互换，获得了速效胰岛素，己在临床上广泛应用。请回答以下 问题：对遗传性糖尿病进行基因治疗的方案中，胰岛素基因为，实验室中要先对该基 因利用 技术进行扩增。将该基因导入人体细胞所用的方法是。对遗传性糖尿病患者进行治疗的基因工程步骤中的核心步骤是 O科研人员利用蛋白质工程合成速效胰岛素，该技术的实验流程为：囚蛋白质三福同-1遁相应的脱氧核昔酸序列I 一 I生产出速效丽素其中,流程A是,流程B是 o答案（1）目的基因PCR显微注射技术（2）基因表达载体的构建（3）预期的蛋白质功能 应有的氨基酸序列.科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的人一鼠嵌合抗体，用于癌症治疗。 以下图表示形成人一鼠嵌合抗体的过程，据图回答以下问题：改造鼠源杂交瘤抗体，生产人一鼠嵌合抗体，属于（填生物工程）的范畴。（2）图示过程是根据预期的 出发，设计,最终必须对 进行操作，此操作中改变的是 O经过改造的人一鼠嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比拟，突出的优点是 （从免疫角度考虑）O （4）上述过程中对科学家来说难度最大的是。答案（1）蛋白质工程（2）嵌合抗体功能嵌合抗体的结构基因脱氧核昔酸序列（3）对 人体的不良反响减少（4）设计预期的嵌合抗体的空间结构解析（1）通过图示可知人一鼠嵌合抗体是通过人工设计而形成的特定功能蛋白质，其生产过 程应属于蛋白质工程的范畴。（2）蛋白质工程的流程：预期蛋白质的功能一设计预期的蛋白质 结构一推测应有的氨基酸序列一找到相对应的脱氧核甘酸序列（基因）一通过基因工程操作生 产预期的蛋白质。（3）从免疫的角度考虑，对人体来说鼠源抗体为抗原，假设利用人的抗体与之 嵌合，那么排斥作用会减轻，对人体的副作用会减少。（4）由于蛋白质空间结构比拟复杂，不易 确定，所以成为蛋白质工程中最大的障碍。体外很难保存体外一70 下可以保存半年人一鼠嵌合抗体：降低免疫反响强度。(2)其他工业方面利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体,筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高 该酶的使用价值。农业方面科学家尝试改造某些参与调控光合作用的酶,以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产 量。科学家利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药,通过改造微生物蛋白质的结构，增强 微生物防治病虫害的效果。辨析易错易混练前清障蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质()(2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的()由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大 ()蛋白质工程不能改变蛋白质的活性()(5)蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变蛋白质分子的结构 ()答案(1)V (2)X (3)J (4)X (5)Xr思考延伸拓展强化素养1 .蛋白质工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白质的原因有：(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的。对基因进行改造比对蛋白质直 接改造更容易操作，难度要小得多。2 .基因工程和蛋白质工程的区别通过基因判断：假设基因的编码蛋白序列未经改造，那么为基因工程，反之，那么为蛋白质工程。 通过蛋白质判断：假设生产出的蛋白质是天然蛋白质，那么为基因工程,反之，那么为蛋白质工 程。3 .基因工程和蛋白质工程的联系：两种工程都是在分子水平上对基因进行操作,目的都是合 成相应的蛋白质，蛋包质工程是以基因工程为基础的。梳理网络要语必备目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计操作对象：蛋白质分子（设计改造）和基因（直接操作对象） 蛋白质工程基本思路：预期的蛋白质功能一设计预期的蛋白质结 构一推测应有的氨基酸序列一找到并改变相对应的脱氧核甘酸序列（基因）或合成新的基因一获得所需要的蛋白质.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。1 .蛋白质工程直接操作的对象是基因，而不是蛋白质。2 .基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质。3 .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。随堂演练知识落实1 .以下不是蛋白质工程的研究内容的一项为哪一项（）A.分析蛋白质分子的精细结构B.对蛋白质进行有目的的改造C.分析氨基酸的化学组成D.按照人的意愿将天然蛋白质改造成新的蛋白质答案C解析蛋白质工程是根据预期蛋白质功能设计预期的蛋白质分子的精细结构，A项正确；蛋 白质工程通过改造或合成基因来对蛋白质进行有目的的改造，B项正确；蛋白质工程分析、 设计蛋白质分子，不分析氨基酸的化学组成，C项错误。2 .葡萄糖异构酶（GI）在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，科学家对GI基因进行体外定 点诱变，以脯氨酸（Prol38）替代甘氨酸（Glyl38）,含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结 果最适反响温度提高10-12 o这属于生物工程中的（ ）A.基因工程B.蛋白质工程C.发酵工程D.酶工程答案B解析 题中是对基因进行改造，以实现对现有蛋白质的改造，属于蛋白质工程。3 .中华婚是地球上最古老的脊椎动物，被称为“活化石”。研究者试图通过蛋白质工程改造 中华鲸体内的某些蛋白质，使其更加适应现在的水域环境，以下说法错误的选项是（）A.该工程可以定向改变蛋白质分子的结构B.改造蛋白质是通过改造基因结构来实现的C.改造后的中华鲍和现有中华酶仍是同一物种D.改造后的中华鲍的后代不具有改造的蛋白质答案D解析 改造后的中华鳄具有新的性状，但其和现有中华鳄仍是同一物种，C正确；蛋白质工 程改造的是基因，可以遗传给子代，因此改造后的中华绮的后代也具有改造的蛋白质，D错 .口 7天o.猪胰岛素用于降低人体血糖浓度的效果并不明显，原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与 人的不同。为了使猪胰岛素能够用于临床治疗糖尿病，蛋白质工程中蛋白质分子设计的最正确 方案是（）A.对猪胰岛素进行一个不同氨基酸的替换B.将猪胰岛素和人胰岛素进行拼接组成新的胰岛素C.将猪和人的胰岛素混合在一起治疗糖尿病D.根据人的胰岛素设计制造一种全新的胰岛素答案A解析 由于猪胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同，所以只需替换这一个不同的 氨基酸即可。虽然根据人胰岛素分子设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗，但是在分 子设计和胰岛素的生产方面都存在很多的困难，所以并不是最正确方案。4 .蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过改造或合成基因来完成，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.改造基因易于操作且改造后能够遗传C.人类对大多数蛋白质高级结构知之甚少D.蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大答案B解析 由于基因控制蛋白质的合成，所以对蛋白质设计改造可通过对基因进行改造或合成来 完成，且改造后的基因能够遗传给子代。5 .生物体内有一种蛋白质（P）,该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。如果 将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质 （P。不但保存P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答以下问题：从上述资料可知，假设要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的 进行改造。以P的基因序列为基础，获得Pl的基因的途径有改造基因或合成基因,所获得的基因表达时是遵循中心法那么的，中心法那么的全部内容包括 的复制，以及遗传信息在不同分子之间的流动，即：O 蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过 和, 进而确定相对应的脱氧核苜酸序列，据此获得基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需 要对蛋白质的生物 进行鉴定。答案（1）氨基酸序歹U（或结构）（其他答案合理也可）（2）P Pi DNA和RNA DNA-RNA、RNA-DNA、RNA-蛋白质（或转录、反转录、翻译） 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 功能解析 对蛋白质的氨基酸序列（或结构）进行改造，可到达改变蛋白质的功能的目的。（2）以 P的基因序列为基础，获得Pi的基因，可以对P的基因进行改造，也可以用人工方法合成Pi 复制复制C 转录.厂' 翻译 （ DNA - - -A ! RNA ,翻坪蛋白质的基因；中心法那么的全部内容包括反转录'、一,即DNA、RNA的复制、DNA-RNA、RNA-DNA、RNA -蛋白质（或转录、反转录、翻译）。（3）蛋白质工程的 基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过设计预期的蛋白质结构和推测应有的氨基酸序列， 找到相对应的脱氧核甘酸序列，并获取基因。经表达的蛋白质，要对其进行生物功能鉴定。课时对点练IA组基础对点练】题组一 蛋白质工程1 .以下关于蛋白质工程的说法，错误的选项是（）A.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类需要B.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C.蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的新型蛋白质分子D.蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发，设计出相应的基因，并借助基因工 程实现答案B解析 基因的结构决定蛋白质的结构，对蛋白质的结构进行设计改造是通过改造或合成基因 来完成的，而不是直接对蛋白质分子进行操作。2 .科学家将供干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素分子上的半胱氨酸变 成丝氨酸，结果大大提高了。-干扰素的抗病毒活性，并且提高了储存稳定性。该生物技术为A.蛋白质工程B.基因工程C.基因突变D.细胞工程答案A解析 题干中的操作涉及的基因不再是原来的基因，其合成的供干扰素也不是天然供干扰素, 而是经过改造的，是具有人类所需优点的蛋白质，因而整个过程利用的生物技术为蛋白质工 程。3 .从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。目前 在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是（）A.合成编码目的肽的DNA片段B.构建含目的肽DNA片段的表达载体C.依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽D.筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽答案C解析 由题可知，多肽P1为抗菌性和溶血性均较强的多肽，要设计出抗菌性强但溶血性弱 的多肽，即在P1的基础上设计出自然界原本不存在的蛋白质，用蛋白质工程技术可以实现。 蛋白质工程的基本途径是从预期的蛋白质功能出发一设计预期的蛋白质结构一推测应有的氮 基酸序列一找到相对应的脱氧核甘酸序列。故要想在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱 的多肽药物，首先要做的是依据P1的氨基酸序列设计出多条模拟肽，然后进行改造，从而 确定抗菌性强但溶血性弱的多肽的氨基酸序列。4 .蛋白质工程在实施过程中最大的难题是（）A.生产的蛋白质无法应用B.开展前景太窄C.对大多数蛋白质的高级结构了解不清楚D.无法人工合成目的基因答案c解析 蛋白质工程实施的最大难题是对于大多数蛋白质的高级结构了解不清楚，所以很难改 造其基因。5 .以下关于蛋白质工程应用的表达，不正确的选项是（）A.蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳定性B.通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性C.利用蛋白质工程可以从大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素D.蛋白质工程可以对胰岛素进行改造，合成速效胰岛素类似物答案C解析 从大肠杆菌中得到人的胰岛素利用的是基因工程技术，C项错误。题组二 蛋白质工程与基因工程的比拟.基因工程与蛋白质工程的区别是（）A.基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不需对基因进行操作B.基因工程中基因的编码蛋白序列未经改造，而蛋白质工程中基因的编码蛋白序列经过改 造C.基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平（或性状水平）操作D.基因工程完全不同于蛋白质工程答案B解析 蛋白质工程是从分子水平上对蛋白质进行改造设计，通过对相应的基因进行改造，甚 至人工进行基因合成，从而对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生 产和生活需求；而基因工程只是将外源基因导入另一生物体内，并使之表达，产生人类所需 的性状，或者获取所需的产品。7.以下关于蛋白质工程和基因工程的比拟，不合理的是（）A.基因工程原那么上只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行 改造，或制造一种新的蛋白质B.蛋白质工程是在基因工程的基础上开展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因改造或 基因合成来完成C.当得到可以在一70 条件下保存半年的干扰素后，在相关酶、氨基酸和适宜的温度、pH 条件下，干扰素可以大量自我合成D.基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的答案C解析 干扰素是动物体内的一种蛋白质，不能自我合成。8.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蛋白一样坚韧的丝。此过程运用的技术及流 程分别是（）A.基因突变：DNA-RNA-蛋白质8 .基因工程：RNA-RNA蛋白质C.基因工程；DNAfRNA蛋白质D.蛋白质工程：蛋白质一氨基酸序列/DNA-RNA-多肽链一蛋白质答案D解析 该过程运用的是蛋白质工程。从预期蛋白质功能出发，对蛋白质控制的基因进行改造 以到达改造蛋白质的目的。9 .当前医学上，蛋白质工程药物正逐步取代第一代基因工程多肽或蛋白质类替代治疗剂，那么基因工程药物与蛋白质工程药物的区别是（）A,都与天然产物完全相同B,都与天然产物不相同C.基因工程药物与天然产物完全相同，蛋白质工程药物与天然产物不相同D.基因工程药物与天然产物不相同，蛋白质工程药物与天然产物完全相同答案C解析 基因工程合成的是自然界已存在的蛋白质，与相应天然产物完全相同；蛋白质工程可 以合成自然界不存在的蛋白质，与天然产物不相同。10 .如图是某种动物蛋白质工程的示意图，请分析回答： I预期的蛋白质功篦目前，蛋白质工程中难度最大的是图中编号 所示的过程，实现过程的依据有假设相关蛋白质的核酸片段是从细胞质中获取的，那么过程表示 O过程中对核甘酸序列有严格要求的工具酶是，进行过程的目的是O答案（1） 氨基酸对应的密码子、mRNA与DNA间的碱基互补配对原那么（2）逆转录限制酶 使目的基因在受体细胞中稳定存在并遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和 发挥作用解析 过程根据蛋白质应有的氨基酸序列推断mRNA上密码子的排列顺序，再根据逆转录 原理推断DNA的碱基排列顺序。从细胞质中提取的核酸片段应为mRNA,因此，过程为 逆转录法合成目的基因。【B组综合强化练】11 .以下关于蛋白质工程的表达，正确的选项是（）A.将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使生物表现出新的性状B.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C.运用蛋白质工程，改变天冬氨酸激酶、二氢毗咤二竣酸合成酶中的某个氨基酸，可使玉 米叶片和种子中的游离赖氨酸的含量提高D.蛋白质工程只能产生自然界已有的蛋白质答案C解析 蛋白质工程崛起的缘由是为了得到符合人类生产和生活需要的特定的蛋白质。如玉米 生产过程中将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢毗唉二期酸合成酶中 第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸的含量分别提 高5倍和2倍。12 . T4溶菌酶的稳定性大大提高的根本原因是（）A.控制T4溶菌酶合成的基因的一个位点发生突变B.控制T4溶菌酶合成的mRNA上的密码子发生变化T4溶菌酶中一个氨基酸发生了替换C. T4溶菌酶中的第3位氨基酸由异亮氨酸变为半胱氨酸答案A解析 T4溶菌酶是一种蛋白质，其稳定性提高的原因是其分子结构的改变。蛋白质的合成受 基因控制，所以蛋白质改变的根本原因是基因的改变。选项B、C、D的内容虽都是T4溶菌 酶改变的原因，但都不是根本原因。13 .以下不属于蛋白质工程成果的是（）A.改造酶的结构，提高酶的热稳定性B.生产出鼠一人嵌合抗体C.将tPA分子中的天门冬酰胺替换为谷氨酰胺D.将牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌中，批量生产凝乳酶答案D解析D项所述内容属于基因工程的成果，D错误。14 .科学家将控制某药物蛋白合成的基因转移到白色来亨鸡胚胎细胞的DNA中，发育成的 雌鸡就能产出含该药物蛋白的鸡蛋，在每一只鸡蛋的蛋清中都含有大量的药物蛋白；而且这 些含该药物蛋白的鸡蛋孵出的鸡，仍能产出含该药物蛋白的鸡蛋。据此分析不正确的一项为哪一项 （）A.这些鸡是基因工程的产物B.这种变异属于可遗传的变异C.该过程属于蛋白质工程技术D.该种变异属于定向变异