2024-2025学年高二生物人教版选择性必修3 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改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高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。②③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①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。②科学家利用蛋白质工程的思路来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()(4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性()答案(1)√(2)×(3)√(4)×提示(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产品，应进行的操作是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不唯一(填“唯一”或“不唯一”)，理由是一个氨基酸是由一个或多个密码子决定的，因此获得的基因中的碱基序列有多种。3．确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因，或应用基因的定点突变技术来进行碱基的替换等进而改造基因。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。“三看法”判断基因工程和蛋白质工程(1)一看对基因的操作方法如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。(2)二看目的基因的合成方式基因工程和蛋白质工程中都可以通过逆转录合成目的基因，或根据蛋白质的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。如果合成时mRNA或氨基酸序列没有经过改造，则为基因工程技术；如果mRNA或氨基酸序列经过了改造，或者mRNA或氨基酸序列是根据蛋白质预期的功能人工设计的，则为蛋白质工程技术。(3)三看合成的蛋白质种类如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。[拓展延伸]PCR定点突变技术在基因改造中的应用蛋白质工程通过改造基因实现对蛋白质的定向改造。PCR定点突变技术是最常用的基因定点突变技术，通过设计含有非特异性配对碱基的引物，再通过PCR将突变位点引入产物中，它又可以分为重叠延伸PCR、大引物PCR等。(1)重叠延伸PCR是发展最早的PCR定点突变技术。该技术的流程如图1所示。该技术要使用四条引物。其中引物2和3的突起处代表与模板链不能互补的突变位点，而这两条引物有部分碱基(包括突变位点)是可以互补的。因此，分别利用引物1和2、引物3和4进行PCR后，得到的DNA片段可以通过引物2和3互补的碱基杂交在一起，再在DNA聚合酶的作用下延伸，就能成为一个完整的DNA。最后，用引物1和4进行扩增得到含有突变位点的DNA片段。通过测序可以检验定点突变是否成功。(2)大引物PCR的流程如图2所示。该技术需要用到三条引物进行两轮PCR，这三条引物分别是突变上游引物、常规上游引物和常规下游引物。第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增，得到不完整的含有突变位点的DNA片段；第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条DNA链作为下游大引物，它与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段。1．(2023·连云港高二期中)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．(2021·辽宁，14)腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域，但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是()A．N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一B．加入连接肽需要通过改造基因实现C．获得N1的过程需要进行转录和翻译D．检测N1的活性时先将N1与底物充分混合，再置于高温环境答案D解析在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)，则N1与N0氨基酸序列有所不同，这可能是影响其热稳定性的原因之一，A正确；蛋白质工程的作用对象是基因，即加入连接肽需要通过改造基因实现，B正确；N1为蛋白质，蛋白质的合成需要经过转录和翻译两个过程，C正确；酶具有高效性，检测N1的活性需先将其置于高温环境，再与底物充分混合，D错误。课时对点练[分值：100分]第1～6题，每题5分；第7～12题，每题6分，共66分。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·南通高二期末)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：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。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符合题意。3．(2023·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．近年来，人工智能(AI)算法在蛋白质工程领域的应用已经被开发，下列关于AI算法在蛋白质工程领域应用的设想中，实现难度最大的是()A．根据人类对蛋白质的功能需求设计蛋白质的高级结构B．根据蛋白质的空间结构推测其氨基酸序列C．按照设定的氨基酸序列推测mRNA的碱基序列D．按照设定的mRNA的碱基序列设计新基因答案A解析蛋白质工程的基本思路是：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，其中根据人类对蛋白质的功能需求设计蛋白质的高级结构是最难实现的，A符合题意。6．(2023·宿迁高二质检)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．(2024·郑州高二期中)下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是()A．蛋白质工程技术是基因工程技术的延伸B．蛋白质工程只能生产自然界中已存在的蛋白质C．蛋白质工程的设计是按中心法则相反的途径进行的D．蛋白质工程可对基因进行改造或合成新基因答案B解析蛋白质工程可以生产自然界中不存在的蛋白质，B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中没有的蛋白质，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．(多选)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ABC解析题图中新的干扰素基因导入受体细胞中表达新干扰素的过程涉及基因工程技术。11．(多选)人白细胞介素-2(IL-2)是一种细胞因子，含有3个半胱氨酸，分别位于第58、105、125位，其中58位与105位半胱氨酸之间形成的二硫键对保持IL-2活性起重要作用。用大肠杆菌生产IL-2，为保证产物活性，将IL-2基因中编码125位半胱氨酸的序列突变为编码丝氨酸的序列。下列叙述错误的是()A．突变的IL-2基因的序列发生了碱基的增添B．天然的IL-2是由白细胞分泌的具有免疫能力的抗体C．突变的IL-2基因的表达降低了二硫键错配的可能D．大肠杆菌中IL-2基因的复制和表达遵循中心法则答案AB解析由题意可知，对IL-2的改造，只是一个氨基酸发生了改变，应该是发生了碱基的替换，A错误；IL-2是细胞因子，属于免疫活性物质，但不是抗体，B错误。12．(多选)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基因工程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AC解析生产鼠—人嵌合抗体的过程属于蛋白质工程，A错误；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．(16分)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。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．(18分)(2022·湖南，22节选)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。