2024年高中生物新教材同步选择性必修第三册 第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用

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。1．蛋白质工程(1)基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。(2)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。(3)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。2．蛋白质工程崛起的缘由(1)崛起缘由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：基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。③天然蛋白质的不足：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。(2)实例：提高玉米赖氨酸含量eq\x(\a\vs4\al\co1(天冬氨酸激酶,第352位为苏氨酸))eq\o(→,\s\up7(改造))eq\x(\a\vs4\al\co1(天冬氨酸激酶,第352位为异亮氨酸))eq\x(\a\vs4\al\co1(二氢吡啶二羧酸合成酶,第104位为天冬酰胺))eq\o(→,\s\up7(改造))eq\x(\a\vs4\al\co1(二氢吡啶二羧酸合成酶,第104位为异亮氨酸))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。3．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)方法：改造或合成基因。(3)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。4．蛋白质工程的应用(1)医药工业方面①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。②eq\x(干扰素半胱氨酸)eq\o(→,\s\up7(改造))eq\x(干扰素丝氨酸)↓eq\x(在一定条件下，可以延长保存时间)③人－鼠嵌合抗体：降低免疫反应强度。(2)其他工业方面用于改进酶的性能或开发新的工业用酶，如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。(3)农业方面①②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。判断正误(1)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()(3)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()(4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性()答案(1)√(2)×(3)√(4)×解析(2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的基因来实现的。(4)通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性。任务：基因工程和蛋白质工程1．研究人员试图将人胰岛素的B链的第28位氨基酸由脯氨酸替换为天冬氨酸，从而有效抑制胰岛素的聚合，获得速效胰岛素类似物，应该如何操作？提示应将基因相应位置上的碱基进行替换，从而使其指导合成的胰岛素相应位置上的氨基酸发生改变。2．如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？并说明理由。提示不唯一；因为一个氨基酸是由一个或多个密码子决定的，因此获得的基因总的碱基序列有多种。3．确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？提示可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。4．蛋白质工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白质的原因：(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。(2)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。蛋白质工程与基因工程的区别与联系比较项目蛋白质工程基因工程区别起点预期的蛋白质功能目的基因过程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目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定目标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，以获得人类所需要的新的生物类型和生物产品结果生产非天然的蛋白质生产自然界已存在的蛋白质联系①都在生物体外对基因进行操作；②蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程1．(2023·河南洛阳高二期中)下列各项与蛋白质工程没有直接关系的是()A．利用各种高科技手段分析蛋白质的分子结构B．研究并改变某种蛋白质相关基因的碱基序列C．设计和制造自然界中没有的人工蛋白质D．将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶答案D解析将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶是基因工程的成果，与蛋白质工程没有直接关系，D符合题意。2．下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述中，正确的是()A．蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够B．基因工程和蛋白质工程都可以生产自然界不存在的蛋白质C．不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是所有生物共用一套遗传密码D．基因工程的直接操作对象是基因，蛋白质工程的直接操作对象是蛋白质答案A解析蛋白质的空间结构复杂，蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够，A正确；基因工程生产自然界已有的蛋白质，蛋白质工程生产自然界中不存在的蛋白质，B错误；不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是不同来源的DNA分子具有相同的结构及遵循碱基互补配对原则，C错误；蛋白质工程需要进行基因修饰或合成，蛋白质工程的直接操作对象仍然是基因，D错误。题组一蛋白质工程1．下列关于蛋白质工程的说法，错误的是()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，B错误。2．(2023·陕西咸阳高二期末)某生物中发现一种基因的表达产物是具有较强抗菌性和溶血性的多肽P1，科研人员预期在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的蛋白质药物，下一步要做的是()A．构建含目的肽DNA片段的表达载体B．合成编码多肽P1的DNA片段C．设计抗菌性强但溶血性弱的蛋白质结构D．利用抗原—抗体杂交的方法对表达产物进行检测答案C解析蛋白质工程的过程：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)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。因此，预期在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的蛋白质药物，下一步要做的是设计预期的蛋白质结构，即设计抗菌性强但溶血性弱的蛋白质结构，C正确。3．(2023·河北唐山高二期末)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mRNAC．胰岛素基因 D．胰岛B细胞答案C解析对天然蛋白质进行改造，是通过对基因的操作来实现的。4．蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是()A．分析蛋白质的三维结构B．研究蛋白质的氨基酸组成C．获取编码蛋白质的基因序列信息D．改造现有蛋白质或制造新的蛋白质答案D解析分析蛋白质的三维结构是蛋白质工程的准备工作，A不符合题意；研究蛋白质的氨基酸组成是为了设计或改造相关基因，这不是蛋白质工程的最终目的，B不符合题意；获取编码蛋白质的基因序列信息实现了对基因的修饰或合成过程，但不是蛋白质工程要达到的最终目的，C不符合题意；改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，从而满足人类的需求，实现对蛋白质的定向改造，这是蛋白质工程的最终目的，D符合题意。5．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，B正确。6．(2023·福建泉州高二质检)下列不属于蛋白质工程的成果的是()A．改造蛋白质类酶的结构，提高其热稳定性B．生产鼠—人嵌合抗体C．将干扰素分子中的半胱氨酸替换为丝氨酸D．将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素答案D解析将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素是基因工程的成果。题组二蛋白质工程与基因工程的比较7．下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述，错误的是()A．基因工程是一种在体外进行的重组DNA技术B．通过蛋白质工程可以获得功能更符合人类需求的蛋白质C．基因工程可以改造出更符合人类需求的新的生物类型和生物产品D．基因工程和蛋白质工程分别在DNA分子水平和蛋白质分子水平上进行设计和施工答案D解析基因工程需要通过体外重组DNA技术和转基因等技术实现，A正确；蛋白质工程能定向改造蛋白质的分子结构，使之更加符合人类需求，B正确；通过基因工程能创造出更符合人们需求的新的生物类型和生物产品，C正确；蛋白质工程并不是直接改造蛋白质，而是通过改造某种基因，间接对这种基因控制合成的蛋白质进行改造，故基因工程和蛋白质工程都是在DNA分子水平上进行设计和施工的，D错误。8．(2023·天津河北区高二诊断)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操作，蛋白质工程不对基因进行操作B．基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程可以合成非天然存在的蛋白质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解析基因工程和蛋白质工程均是对基因进行操作，A错误；基因工程和蛋白质工程都是分子水平的操作，C错误；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，D错误。9．已知生物体内有一种转运蛋白Y，由300个氨基酸组成。如果将Y中157位的L­异亮氨酸变成亮氨酸，261位的酪氨酸变成丝氨酸，改变后的蛋白质Y1不但保留了原有Y的功能，且具备了催化活性。下列说法正确的是()A．蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异B．可以通过对Y蛋白基因进行修饰或人工合成获得Y1蛋白基因C．蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具D．细胞内合成Y1蛋白与Y蛋白的过程中，遗传信息的流向是相反的答案B解析蛋白质工程和基因工程的根本区别是蛋白质工程可产生自然界没有的蛋白质，A错误；蛋白质工程操作过程中，需要酶和载体作为工具，C错误；细胞内合成Y1蛋白与Y蛋白的过程中，遗传信息的流向是相同的，D错误。10．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。如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，下列叙述不正确的是()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基因的结构D．图中各项技术并没有涉及基因工程技术答案D解析11．(2023·安徽黄山高二期中)蛋白质工程取得的进展向人们展示出诱人的前景，下列有关说法正确的是()A．蛋白质工程的基础是蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系B．蛋白质工程与天然蛋白质合成的流程相同C．蛋白质工程在各个领域有广泛应用D．当前限制蛋白质工程发展的关键因素是基因工程技术还不成熟答案A解析蛋白质工程的流程：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→找到相对应的脱氧核苷酸序列→合成或改造基因→表达出蛋白质，这和天然蛋白质合成的流程不完全相同，B错误；蛋白质工程的发展并不成熟，仍需一段时间提升，目前并不能在各个领域广泛应用，C错误；当前限制蛋白质工程发展的关键因素是对蛋白质的高级结构了解不够，D错误。12．如图是科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体的过程。下列有关说法错误的是()A．生产鼠—人嵌合抗体的过程属于蛋白质工程B．对鼠源杂交瘤抗体进行改造的难点是设计嵌合抗体的空间结构C．对鼠源杂交瘤抗体进行改造，是通过基因定点诱变技术改造基因实现的D．鼠—人嵌合抗体的使用对人体的副作用减少答案C解析对鼠源杂交瘤抗体进行改造，首先要根据预期嵌合抗体功能(或蛋白质功能)，设计嵌合抗体结构，然后通过基因拼接，将鼠源抗体基因改造成鼠—人嵌合抗体基因，最后导入鼠淋巴细胞中表达，而不是通过基因定点诱变技术改造基因实现的，C错误。13．赖氨酸是人体必需氨基酸之一，能促进人体发育、增强免疫功能，并有提高中枢神经组织功能的作用。某农科所科技人员欲通过将玉米某种蛋白酶改造成“M酶”，从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量，以期待培育出高赖氨酸玉米新品种。请回答下列问题：(1)科技人员先从“提高玉米种子中赖氨酸的含量”这一功能出发，预期构建出________的结构，再推测出相对应目的基因的____________序列，最终合成“M酶”基因。(2)科技人员获得“M酶”基因后，常利用__________技术在体外将其大量扩增，此过程需要一种特殊的酶是________________________________。(3)“M酶”基因只有插入______________________________，才能确保“M酶”基因在玉米细胞中稳定遗传。科技人员将“M酶”基因导入玉米细胞中需要借助________的运输。(4)依据________________________的原理，可将含有“M酶”基因的玉米细胞培育成转“M酶”基因的玉米植株。为了确保育种成功，科技人员需要通过________________________，从个体水平加以鉴定。答案(1)“M酶”脱氧核苷酸(2)PCR耐高温的DNA聚合酶(或TaqDNA聚合酶)(3)玉米细胞的染色体DNA中载体(4)植物细胞具有全能性测定玉米种子中赖氨酸的含量14．(2022·湖南，22)水蛭是我国的传统中药材，主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构，提高其抗凝血活性。回答下列问题：(1)蛋白质工程流程如图所示，物质a是_________________，物质b是__________。在生产过程中，物质b可能不同，合成的蛋白质空间构象却相同，原因是_______________________。(2)蛋白质工程是基因工程的延伸，基因工程中获取目的基因的常用方法有_______________、______________________________________________________________和利用PCR技术扩增。PCR技术遵循的基本原理是___________________________________。(3)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，分析水解产物中的肽含量及其抗凝血活性，结果如图所示。推测两种处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的______(填“种类”或“含量”)有关，导致其活性不同的原因是___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)若要比较蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素的抗凝血活性差异，简要写出实验设计思路。________________________________________________