2019-2020年高中生物第一单元生物技术与生物工程第一章基因工程和蛋白质工程第3节蛋白质工程学案中图版选修

第三节蛋白质工程
1．简述蛋白质工程。

2．蛋白质的分子设计。

(难点)
3．蛋白质工程的应用。

(重点)
1．蛋白质工程
(1)依据：蛋白质的精细结构和生物活性之间的关系。

(2)改造对象：利用生物技术手段对蛋白质的DNA编码序列或直接对蛋白质进行有目的的改造。

(3)产物：创造出自然界本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子，也就是产生新的蛋白质。

(4)本质：改造控制该蛋白质合成的基因结构。

2．蛋白质的分子设计
(1)小范围改造
对已知结构的蛋白质进行少数氨基酸的替换。

(2)蛋白质拼接组装
对不同来源的蛋白质进行拼接组装。

(3)蛋白质从头设计
从氨基酸的排列顺序出发，设计制造出自然界不存在的全新蛋白质。

3．蛋白质工程的基础
蛋白质工程的基础是基因工程。

所以蛋白质工程又叫第二代基因工程。

[合作探讨]
蛋白质分子的设计是一项复杂而艰巨的工程，其基本流程可以用下图表示：
探讨1：构建新的蛋白质模型是分子设计的关键环节，你认为构建蛋白质模型的依据是什么？提示：构建蛋白质模型的依据是控制这种蛋白质合成的基因以及蛋白质的空间结构。

探讨2：通过DNA合成形成的新基因怎样才能得到准确的表达？
提示：通过基因工程技术，将新基因导入大肠杆菌等受体细胞中，新基因在受体细胞中指导合成新的蛋白质。

探讨3：有的学者认为，蛋白质工程本身也是研究蛋白质结构和功能的一种有力工具。

你是怎么看待的？
提示：这些学者认识恰当，蛋白质结构直接影响其功能活性，要想研究蛋白质结构与功能的关系，蛋白质工程就是有力工具，利用这种工具可以改变蛋白质的空间结构，探究功能的改变而做出相应的科学结论。

[思维升华]
1．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，以满足人类的生产和生活的需求。

2．蛋白质工程的目标
是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。

由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造基因来完成。

3．蛋白质工程的基本途径
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→找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。

1．下列关于蛋白质工程的基本流程中正确的是( )
①蛋白质分子结构设计②DNA合成③预期蛋白质功能④根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列
A．①→②→③→④B．④→②→①→③
C．③→①→④→②D．③→④→①→②
【解析】蛋白质工程根据人们的需要首先要预期相应功能，然后对其空间结构进行设计，目前这一步是科学家们仍未完全掌握的，根据相应的氨基酸推导出基因中碱基序列，再利用人工合成法合成相应的目的基因。

【答案】 C
2．胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，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。

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，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是_________________________________________________________。

(2)通过DNA合成形成的新基因应与________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合成的基本思路是什么？
________________________________________________________________
________________________________________________________________
【解析】(1)蛋白质工程首先要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，因此，题图中构建新的胰岛素模型的主要依据是预期胰岛素的功能，即速效胰岛素。

(2)合成的目的基因应与载体结合，构建基因表达载体后导入受体细胞中才能表达。

(3)利用蛋白质工程生产速效胰岛素，需合成新的胰岛素基因，改造好的目的基因需要通过基因工程来生产基因产物，并在生产中要借助工程菌，所以还需要发酵过程，因此，此过程涉及蛋白质工程、基因工程、发酵工程。

(4)由新的胰岛素模型到构建新的胰岛素基因，其基本思路是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。

【答案】(1)胰岛素的预期功能
(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合成仪合成出新的胰岛素基因。

蛋白质工程的应用
1．提高蛋白质的稳定性
实例：将T4溶菌酶第3位上的异亮氨酸改成半胱氨酸，使其获得了较强的耐热特征。

2．改变蛋白质的活性
实例：利用蛋白质工程技术对组织纤溶酶原激活物(t­PA)进行改造，可增加其溶栓效能。

3．合成嵌合抗体
嵌合抗体是指保留鼠单克隆抗体的可变区，用人抗体的恒定区替换鼠单克隆抗体的恒定区，特点是嵌合抗体的抗原性显著下降，而抗体的特异识别功能没有丧失。

[合作探讨]
探讨1：猪的胰岛素用于降低人体血糖浓度效果不明显，原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。

为了使猪胰岛素用于临床治疗糖尿病，用蛋白质工程中蛋白质分子设计的最佳方案是什么？
提示：对猪胰岛素进行一个不同氨基酸的替换。

探讨2：对天然蛋白质进行改造，是直接对蛋白质分子进行操作来实现的吗？
提示：不是，由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终必须通过基因改造来完成。

探讨3：
蛋白质工程是新崛起的一项生物工程，又称第二代基因工程。

上图为蛋白质工程流程图，图中A、B 在遗传学上依次表示了什么过程？
提示：转录和翻译。

[思维升华]
蛋白质工程与基因工程的比较
1．科学家将β­干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素第17位的半胱氨酸改变成丝
氨酸，结果大大提高了β­干扰素的抗病活性，并且提高了储存稳定性。

该生物技术为( ) A．基因工程B．蛋白质工程
C．基因突变D．细胞工程
【解析】由于对蛋白质工程和基因工程之间关系的不明确，可能导致误选A。

基因工程是通过对基因的操作，将符合人们需要的目的基因导入适宜的生物体，使其高效表达，从中提取所需蛋白质，或表现出某种性状，蛋白质产品仍然为天然存在的蛋白质。

而蛋白质工程却是对控制蛋白质合成的基因进行改造，从而实现对其编码的蛋白质的改变，所得到的已不是天然蛋白质。

题目中的操作涉及的基因显然不再是原来的基因，其合成的β­干扰素也不是天然的β­干扰素，而是经过改造的人类所需要的蛋白质，因而整个过程利用的生物技术为蛋白质工程。

【答案】 B
2.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，就可在－70 ℃条件下保存半年，给广大患者带来福音。

(1)蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”：
(2)基因工程和蛋白质工程相比较，基因工程在原则上只能生产______________的蛋白质，不一定符合________________需要。

而蛋白质工程是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________或________，对现有蛋白质进行________或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。

(3)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。

(4)对天然蛋白质进行改造，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？其原因是什么？____________________________________
________________________________________________________________
【解析】蛋白质工程的操作流程是：预期蛋白质的功能→设计预期的蛋白质结构→推测氨基酸序列→确定相对应的脱氧核苷酸序列。

基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程却可以生产自然界不存在的蛋白质。

蛋白质工程直接操作的对象是基因。

【答案】(1)预期蛋白质的功能预期的蛋白质结构应有的氨基酸序列相对应的脱氧核苷酸序列(基因)
(2)自然界已存在人类生产和生活基因修饰基因合成改造
(3)空间(或高级)
(4)应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。

首先，任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因也就是对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去；如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子也无法遗传。

其次，对基因进行改造比对蛋白
质直接进行改造要容易操作，难度要小得多。

1．下列哪项不是蛋白质工程的研究内容( )
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
【解析】蛋白质工程就是指根据蛋白质的精细结构和功能之间的关系，按照人的意愿改造蛋白质分子，形成自然界中不存在的蛋白质分子，对蛋白质的改造包括氨基酸的种类、数量和排列顺序，但不包括氨基酸的化学组成。

【答案】 C
2．蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主要包括哪几种( )
①进行少数氨基酸的替换
②对不同来源的蛋白质的拼接
③从氨基酸的排列顺序出发设计全新的蛋白质
④直接改变蛋白质的空间结构
A．①②B．①②③
C．②③④D．①②④
【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。

【答案】 B
3．蛋白质工程被称为第二代基因工程，目前已成为研究蛋白质结构和功能的重要手段。

如图为蛋白质工程的流程图(自右向左)，请据图回答以下问题：
(1)与基因工程相比较，蛋白质工程产物具备的特点是：__________________________________________________________________。

(2)图中的步骤①和②分别为________、分子设计。

(3)如果已知mRNA的碱基序列是—A—U—C—C—A—G—G—U—C—，要合成对应的DNA，需要的原料是四种________，所用的酶是________；合成DNA的对应碱基对序列是_________________________________________________。

(4)由图可知，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)从以上流程图可以看出，蛋白质工程是以________为基础并延伸出来的包含多学科的综合科技工
程领域。

【解析】(1)蛋白质工程可以生产出原来自然界不存在的新的蛋白质。

(2)步骤①是由氨基酸序列推测出脱氧核苷酸序列进行的DNA合成过程。

(3)DNA合成的原料是4种游离的脱氧核苷酸，由mRNA合成DNA是逆转录需要逆转录酶。

合成的DNA 是双链的，根据碱基互补配对原则，应该是
—A—T—C—C—A—G—G—T—C—
—T—A—G—G—T—C—C—A—G—
(4)改造基因的操作比直接改造蛋白质要容易，且改造基因后这种性状是可以遗传的，而改造蛋白质后还需要对新合成的再改造。

(5)蛋白质工程是在基因工程的基础上的延伸，又被称为第二代基因工程。

【答案】(1)可生产出自然界不存在的蛋白质
(2)DNA合成
(3)脱氧(核糖)核苷酸反(逆)转录酶
—A—T—C—C—A—G—G—T—C—
—T—A—G—G—T—C—C—A—G—
(4)改造基因的操作更容易，且改造后可以遗传
(5)基因工程
4．已知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(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。

回答下列问题：
(1)从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的________进行改造。

(2)以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰________基因或合成________基因，所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括________的复制；以及遗传信息在不同分子之间的流动，即：____________。

(3)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苷酸序列，据此获得基因，在经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物________进行鉴定。

【解析】(1)从题述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的氨基酸序列进行改造。

(2)以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有二：①修饰P基因，②合成P1基因；所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括DNA和RNA的复制，以及遗传信息在不同分子之间的流动，即DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质。

(3)蛋白质工程的过程为：预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列(基因)。

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功能进行鉴定。

【答案】(1)氨基酸序列(或结构)
(2)P P1DNA和RNA DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转录、翻译)
(3)设计蛋白质结构推测氨基酸序列功能课堂小结：。