第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用

2.蛋白质工程与基因工程的区别和联系
项目
蛋白质工程
基因工程
区
过程
预期蛋白质功能→设计预期的 蛋白质结构→推测应有的氨基 酸序列→找到并改变相对应的 脱氧核苷酸序列(基因)或合成 新的基因→获得所需蛋白质
获取目的基因→构建基因表 达载体→将目的基因导入受 体细胞→目的基因的检测与 鉴定
别
实质
定向改造或生产人类所需的蛋 白质
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_蛋__白__ _质__工__程_____、 基因工程 和发酵工程。
4．根据图解，从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是 根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，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。
标蛋白质的过程。
酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的
蛋白质。
[理清主干知识] 一、蛋白质工程的概念 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。 二、蛋白质工程崛起的缘由 1．基因工程的实质：将一种生物的 基因 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。 2．基因工程的不足：原则上只能生产自然界中 已存在 的蛋白质， 但这些蛋白质不一定符合人类生产和生活的需要。
新知探究二 蛋白质工程的应用 [在探究中学明]
如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关 问题：
1．构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，主要依据是蛋__白__质__ _的__预__期__功__能____。
2．通过人工合成 DNA 形成的新基因应与 载体 结合后转移到_大__肠_ __杆__菌__等__受__体__细__胞___中才能得到准确表达。
1．写出流程图中字母代表的含义： A． 预期功能 ；B. 氨基酸序列 ；C.改造或合成 ；D. 转录 ；E. 翻译。 2．上图字母中属于中心法则的过程有 D、E，属于蛋白质工程的过程 有 A、C 。 3．对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作， 还是通过对基因的操作来实现？原因是什么？ 提示：应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。主要原 因是①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；②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．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。科学家将枯草杆菌蛋白酶分子中的第 222 位氨基酸替换后， 虽然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用这种水解酶 作为洗涤剂的添加剂，可以有效地除去血渍、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控制合成蛋白酶的基因与原来相比，至少有 ________个碱基对发生变化。 (3)利用生物技术改造蛋白质，提高了蛋白质的稳定性，科学家所做 的工作是对已知蛋白质进行______________________________。
4．下列关于蛋白质工程应用的叙述，错误的是
()
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．利用蛋白质工程将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成赖氨酸就
可得到能长期保存的干扰素
D．蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰，合成速效型胰岛素
制剂
解析：蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳定性，A 正确；通 过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性，B 正确；利用蛋白质工程将干扰 素分子上的一个半胱氨酸变为丝氨酸就可以生产出能在低温下长期保 存的干扰素，C 错误；蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰，合成 速效型胰岛素制剂，D 正确。 答案：C
(4)要改造蛋白质结构，最终是通过改造基因来实现的。请说明原因： _____________________________________________________。 (5) 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。
新知探究一 蛋白质工程崛起的缘由及基本原理 [在探究中学明]
基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，这些天然蛋白 质是生物在长期进化过程中形成的，它们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。蛋白质工程的目 标是生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的 蛋白质。结合图示回答有关问题：
[诊断自学效果]
1．判断下列叙述的正误
(1)蛋白质工程可以合成自然界中不存在的蛋白质
(√)
(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)蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是现有基因的脱氧核苷酸
序列
(× )
(4)蛋白质工程在实施中遇到的最大难题是对大多数蛋白质的高级结
解析：基因工程和蛋白质工程产生的变异都导致遗传物质发生了改变， 因此都是可遗传的，A 正确；蛋白质工程和基因工程的目的是获得人类 需要的蛋白质，但前者可以产生自然界中没有的蛋白质，而后者所得蛋 白质是自然界中已有的，B 错误；可通过基因工程利用大肠杆菌生产人 的胰岛素，C 错误；干扰素不能进行自我合成，D 错误。 答案：A
第 4 节 蛋白质工程的原理和应用
学 有 目 标 —— 新 课 程 标 准必明
记在平时——核心语句必背
1.蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其
1. 概 述 人 们 根 据 基 因 工 与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成
程原理，进行蛋白质分 基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋
子的设计和改造，可以 白质，以满足人类生产和生活的需求。
因此生产速效胰岛素时需要定向改造的对象是胰岛素基因。
答案：C
3．2008 年诺贝尔化学奖授予了三位在研究绿色荧光蛋白(GFP)方面做出
突出贡献的科学家。目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光
蛋白、黄色荧光蛋白等，采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白过
程的正确顺序是
()
①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的脱氧核苷酸序列 ②蓝
三、蛋白质工程的基本原理 1．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 行设计改造。 2．基本思路：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的 蛋白质结构 →推测应有的氨基酸 序列→找到并改变相对应的 脱氧核苷酸序列(基因) 或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
四、蛋白质工程的应用
1．进展 (1)通过对胰岛素的改造，研发 速效胰岛素类似物 。 (2)延长 干扰素 的保存时间。 (3)降低小鼠单克隆抗体诱发 免疫反应 的强度。 (4)改进酶的性能或开发新的 工业用酶 。 2．面临困难：蛋白质发挥功能必须依赖于正确的 高级结构 ，而 这种高级结构十分复杂。
色荧光蛋白的功能分析和结构设计 ③蓝色荧光蛋白基因的合成
④表达出蓝色荧光蛋白
A．①②③④
B．②①③④
C．②③①④
D．④②①③
解析：根据蛋白质工程的基本途径可知，采用蛋白质工程技术制造出蓝 色荧光蛋白过程的正确顺序是②蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计 →①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的脱氧核苷酸序列→③蓝 色荧光蛋白基因的合成→④表达出蓝色荧光蛋白。 答案：B
解析：(1)③过程是由氨基酸序列推出相对应的脱氧核苷酸序列，氨基酸 与脱氧核苷酸之间的联系枢纽是信使 RNA，信使 RNA 由脱氧核糖核酸 转录形成，而密码子是信使 RNA 上特定的能决定一个氨基酸的三个相 邻的碱基。(2)由人工合成的基因只是基因的编码序列，完整的基因还包 括启动子、终止子等结构，把启动子、终止子等 DNA 片段连接到基因 的编码区需要 DNA 连接酶。(3)由基因合成蛋白质的过程涉及重组 DNA(基因工程)技术。(4)人们对蛋白质复杂的高级结构及其形成原理和 过程尚不清楚，因此，蛋白质工程实施的难度很大。 答案：(1)密码子 信使 RNA 碱基互补配对 (2)启动子 终止子 DNA 连接 (3)重组 DNA(基因工程) (4)高级
构不清楚
(√ )
2．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．胰岛素
B．胰岛素 mRNA
C．胰岛素基因
D．胰岛 B 细胞
解析：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，这属于蛋白质工程；而蛋白质工程直接操作对象是基因，
获得性状 和功能更符 2.蛋白质工程并不是直接对蛋白质的结构进行设
合人类需求的蛋白质。 计改造，而是通过改造或合成基因来实现。
2. 举 例 说 明 依 据 人 类 需 3.蛋白质工程的基本思路：从预期的蛋白质功能
要对原有蛋白质结构 出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的
进行基因改造、生产目 氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷
定向改造生物的遗传特性， 以获得人类所需的生物类型 或生物产品
结果 可生产自然界没有的蛋白质
只能生产自然界已有的蛋白 质
①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因
联系
工程 ②基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修
饰、改造
[在应用中落实]
1．蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是
()
[在应用中落实]
1．下列关于蛋白质工程应用的叙述，正确的是
()
A．基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的
B．蛋质工程和基因工程的目的是获得人类需要的蛋白质，所以
二者没有区别
C．只有通过蛋白质工程才可以利用大肠杆菌表达重组人胰岛素
D．当得到可以在－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
4．蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质相同吗？ 分别体现在哪些方面？
提示：不同。体现：①操作对象不同：蛋白质工程的操作对象是天 然基因改造后的基因；基因工程的操作对象是天然基因。②得到的蛋白 质不同：蛋白质工程可以得到自然界没有的新的蛋白质；基因工程得到 的是自然界原有的蛋白质。
[在深化中提能] 1．基因工程和蛋白质工程的基本思路 (1)基因工程遵循中心法则，即其基本思路为：DNA→mRNA→多肽 链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能。因此基因工程基本上 是生产出自然界已有的蛋白质。 (2)蛋白质工程是按照以下思路进行的：预期的蛋白质的功能→设计 预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变基因应有的 碱基序列或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
答案：B
2．蛋白质工程是指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、生产的过程。如图是蛋白质工程的基本途径，请 回答下列有关问题：
(1)图中③过程的主要依据是每种氨基酸都有其对应的________，后者位 于________分子上，其上的核苷酸序列与基因中的脱氧核苷酸序列之间 存在着______________关系。 (2)通过③过程获得的脱氧核苷酸序列不是完整的基因，要使这一序列能 够 表 达 、 发 挥 作 用 ， 还 必 须 在 序 列 的 上 、 下 游 加 上 __________ 和 __________，在这个过程中需要________酶的参与。 (3)完成④过程需要涉及________技术。 (4)蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的________ 结构。
A．基因工程生产的天然蛋白质完全符合人类生产和生活的需要
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．蛋白质工程是通过直接的蛋白质修饰或蛋白质合成来完成的
解析：基因工程生产的天然蛋白质有一些不符合人类生产和生活的需 要；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； 蛋白质工程中合成的蛋白质需要经过转录和翻译；蛋白质工程是在基因 工程的基础上，通过改造或合成基因，来改造蛋白质，或合成自然界不 存在的新的蛋白质。