高中生物人教版选修三同步导学：1.4 蛋白质工程的崛起(理解+掌握+应用)

1.4蛋白质工程的崛起
1．基因工程只能生产自然界中已存在的蛋白
质。

2．蛋白质工程的主要目的是对现有蛋白质进
行改造或生产新的蛋白质，以满足人类生产和生活
的需要。

3．蛋白质工程直接操作的对象是基因，而不
是蛋白质。

4．蛋白质工程的基本途径是：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→找到相应的脱氧核苷酸序列。

5．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要。

6．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。

蛋白质工程崛起的缘由和基本原理
[自读教材·夯基础]
1．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：在原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。

2．蛋白质工程的基本原理
(2)基本流程：
预期蛋白质的功能→设计蛋白质的结构→
推测氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列
1．蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？
提示：基因工程是按照中心法则进行的：基因→表达(转录和翻译)→形成氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。

蛋白质工程是按照以下思路进行的：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→找出相对应的脱氧核苷酸序列(基因)，可以创造出自然界不存在的蛋白质。

2．假如某科学家设计出某种蛋白质的空间结构，你能否设计出利用大肠杆菌生产该蛋白质的流程？
提示：蛋白质的空间结构→氨基酸序列→合成目的基因→构建基因表达载体→导入大肠杆菌→产生相应蛋白质。

[跟随名师·解疑难]
基因工程和蛋白质工程的比较
基因工程蛋白质工程
操作环境
(场所)
生物体外生物体外
操作核心基因基因
操作起点目的基因预期的蛋白质功能
基本过程剪切→拼接→导入→表达
确定蛋白质功能→应有的高级结构→
应具备的折叠状态→应有氨基酸序列
→应有的碱基序列→改造的蛋白质
实质
定向改造或生产人类所需的
蛋白质
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(基因的异体表达) 结果生产自然界已存在的蛋白质可以创造出自然界不存在的蛋白质[特别提醒]蛋白质工程中通过对基因操作来实现对天然蛋白质改造的理由：
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，被改造的蛋白质还是无法遗传的。

②对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。

蛋白质工程的进展和前景
1.
(1)科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。

(2)生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面，用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。

2．蛋白质工程的前景
蛋白质工程前景是诱人的，但难度却很大，尤其是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。

查阅资料了解人类肝脏蛋白质组计划，思考该计划的科学目标是什么。

提示：解释并确认肝脏的蛋白质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。

蛋白质工程的基本原理
[例1]
A．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作
B．蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子
C．对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的
D．蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的
[思路点拨]
[精讲精析]所谓蛋白质工程，应是利用基因工程手段，包括基因的定点突变和基因表达对蛋白质进行改造，以期获得性质和功能更加完善的蛋白质分子。

蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子。

[答案] B
易错提醒
蛋白质工程的目的是实现对蛋白质分子的改造，但却是通过改造基因来实现的，不要误认为蛋白质工程的直接操作对象是蛋白质分子。

蛋白质工程与基因工程
[例2]
A．蛋白质工程和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有的仍然是天然的蛋白质
D．利用蛋白质工程可以在大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素
[思路点拨]
[精讲精析]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。

其中，基因工程是关键技术，是蛋白质工程的基础，因为对蛋白质结构的改造是通过改造基因来实现的，所以蛋白质工程是在基因水平上改造蛋白质，改造后的蛋白质不再是天然的蛋白质。

利用大肠杆菌生产人胰岛素属于基因工程。

[答案] B
归纳拓展
(1)基因工程中目的基因一般是自然存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是天然存在的。

(2)只能生产出自然界中已存在的蛋白质种类是基因工程的“缺点”，能够生产出自然界中不存在的蛋白质种类则是蛋白质工程的“优点”。

[随堂基础巩固]
1．蛋白质工程中需要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
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需求。

因此，归根到底，还是要对基因进行改造。

答案：D
2．蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是()
A．基因功能B．蛋白质功能
C．氨基酸序列D．mRNA密码子序列
解析：蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据蛋白质功能，设计了蛋白质结构后再推测并合成相应的基因。

答案：B
3．蛋白质工程的基本操作程序正确的是()
①蛋白质分子结构合成②DNA合成③mRNA合成
④蛋白质的预期功能⑤根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列
A．①→②→③→④→⑤→①
B．⑤→④→③→②→①→②
C．④→①→⑤→②→③→①
D．②→③→⑤→①→②→④
解析：蛋白质工程的操作流程为：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。

答案：C
4．下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是________；代表中心法则内容的是________。

(填写数字)
(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：
①________；②________；③________；④________；⑤________。

(3)蛋白质工程的目的是__________________________________________________，
通过__________________________实现。

(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是________的。

解析：天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的，而蛋白质工程的基本途径与之相反，即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→找到相应的脱氧核苷酸序列(基因)。

答案：(1)④⑤①②③(2)转录翻译折叠(加工)分子设计DNA合成(3)对蛋白质的结构进行分子设计基因合成或改造(4)相反
[课时跟踪训练]
(满分50分时间25分钟)
一、选择题(每小题2分，共20分)
1．下列说法不．正确的是()
A．天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的
B．天然蛋白质都能符合人类生产和生活的需要
C．天然干扰素在体外保存相当困难
D．许多工业用酶是由天然酶改造而来的
解析：天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，但不一定完全符合人类生产和生活的需要。

答案：B
2．下列关于蛋白质工程的设计思路中，说法不．正确的是()
A．从蛋白质的功能推测蛋白质应有的结构
B．从蛋白质的结构推测氨基酸的排列顺序
C．从氨基酸的排列顺序推测基因中脱氧核苷酸的排列顺序
D．蛋白质工程完全不遵循中心法则
解析：蛋白质工程的基本途径是根据中心法则反推出来的。

答案：D
3．科学家将β­干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌中表达，使干扰素第十七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．组织培养
解析：题目中的操作中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β­干扰素，而是经过改造的、具人类所需优点的蛋白质，因而整个过程利用的生物技术应为蛋白质工程。

答案：B
4．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
5．下列关于蛋白质工程的叙述中，不．正确的是()
A．蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要
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过的新型蛋白质分子
D．蛋白质工程的操作起点是从预期蛋白质功能出发，设计出相应的基因，并借助基因工程实现的
解析：蛋白质工程实际操作还是对基因进行操作，而不是对蛋白质进行操作。

答案：B
6．科学家为提高玉米中赖氨酸含量，将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的氨基酸由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含量分别提高5倍和2倍，下列对蛋白质的改造，操作正确的是()
A．直接通过分子水平改造蛋白质
B．直接改造相应的mRNA
C．对相应的基因进行操作
D．重新合成新的基因
解析：蛋白质工程的直接操作对象是基因。

答案：C
7．猪的胰岛素用于人体降低血糖浓度效果不明显，原因是猪的胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。

为了使猪的胰岛素用于临床治疗人的糖尿病，用蛋白质工程对蛋白质分子进行设计的最佳方案是()
A．对猪的胰岛素进行一个不同氨基酸的替换
B．将猪的胰岛素和人的胰岛素进行拼接，组成新的胰岛素
C．将猪和人的胰岛素混合在一起治疗人的糖尿病
D．根据人的胰岛素设计制造一种新的胰岛素
解析：要使猪的胰岛素临床用于治疗人的糖尿病，需要对猪的胰岛素进行蛋白质改造，
制造一种新的胰岛素。

蛋白质工程实质是对基因的改造。

答案：D
8．下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，不合理的是()
A．基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造，从而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发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成
C．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
D．基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的
解析：利用蛋白质工程生产蛋白质产品应通过改造相应基因后，再经基因表达大量产生。

答案：C
9．某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构和功能很相似，只是其热稳定性较差，进入人体后容易失效。

现要将此酶开发成一种片剂，临床治疗食物消化不良，最佳方案是()
A．替换此酶中的少数氨基酸，以改善其功能
B．将此酶与人蛋白酶进行拼接，形成新的蛋白酶
C．重新设计与创造一种蛋白酶
D．减少此酶在片剂中的含量
解析：蛋白质的结构包括一级结构和空间结构，一级结构是指组成蛋白质的氨基酸的种类、数量、排列顺序，蛋白质的功能是由一级结构和空间结构共同决定的，特别是空间结构与蛋白质的功能关系更密切。

要想使蛋白酶热稳定性有所提高，就要改变蛋白质的结构，此类问题一般是对蛋白质中的个别氨基酸进行替换。

答案：A
10．蛋白质工程中最早成功实现的是()
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产赖氨酸玉米
解析：1981年，用基因工程菌生产出胰岛素产品，随后进入商品化生产，结束了完全依赖动物脏器生产胰岛素的历史。

答案：A
二、非选择题(共30分)
11．(14分)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→预期蛋白质结构→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12．(16分)绿色荧光蛋白(GFP)能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发生的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。

下图为我国首例绿色荧光蛋白(GFP)转基因克隆猪的培育过程示意图，据图回答：
(1)图中通过过程①、②形成重组质粒，需要限制酶切取目的基因、切割质粒。

限制酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GA TCC—，限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。

在质粒
上有酶Ⅰ的1个切点，在目的基因的两侧各有1个酶Ⅱ的切点。

①请画出质粒被限制酶Ⅰ切割后形成黏性末端的过程。

________________________________________________________________________。

②在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接起来？________，理由是______________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(2)过程③将重组质粒导入猪胎儿成纤维细胞时，采用最多也最有效的方法是________。

(3)如果将切取的GFP基因与抑制小猪抗原表达的基因一起构建到载体上，GFP基因可以作为基因表达载体上的标记基因，其作用是________。

获得的转基因克隆猪，可以解决的医学难题是_________________________________________________________________。

(4)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：______________(用序号表示)。

①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列
②蓝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修饰(合成)
④表达出蓝色荧光蛋白
解析：(1)中①问相对比较简单，书写要关注DNA序列与限制酶识别序列的区别，不要遗漏了酶和黏性末端的正确表达。

②问中由于两种限制酶切割形成的黏性末端是相同的，可以互补配对，因此可用DNA连接酶进行相互“缝合”。

(2)基因工程中目的基因导入动物细胞的方法是显微注射法。

(3)基因表达载体上标记基因的作用是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因；获得转基因猪，可以解决医学上供体器官不足和免疫排斥问题。

(4)蛋白质工程正确的操作过程是②①③④。

答案：(1)①(只写出切割后形成的部分即可)
②可以连接因为由两种不同限制酶切割后形成的黏性末端是相同的(或是可以互补的)
(2)显微注射技术
(3)鉴定受体细胞中是否含有目的基因供体器官不足和免疫排斥
(4)②①③④。