人教版高中生物 专题1 基因工程 14 蛋白质工程的崛起学案 新人教版选修3.docx

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人教版高中生物专题1基因工程14蛋白质工程的崛起学案新人教版选修3

1．4　蛋白质工程的崛起

[学习目标]　1.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及蛋白质工程的进展和前景。

方式一　人类可以创造出自然界不存在的蛋白质吗？

答案是肯定的。

例如：

科学家已生产出一种以前必须从南极鱼类身体中提取的抗冻蛋白质。

这一技术可用于储存大量新鲜的动植物和人类的组织细胞，防止形成冰晶，破坏脆弱的细胞膜和细胞的内部结构。

你想了解这方面的知识吗？

请跟着我一起学习：

蛋白质工程的崛起。

方式二　基因工程的诞生，为克服远缘杂交的障碍问题，带来了新的希望，并取得了丰硕成果：

大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，牛的乳腺生物反应器为人类制造出了蛋白质类药物，烟草植物体内含有了某种药物蛋白……至此，人们也只是实现了自然界现有基因在转基因生物中的表达。

但一个新问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它的结构、性能不能完全满足人类生产和生活的需要。

于是要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。

这样人们又开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。

一、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产生自然界已存在的蛋白质。

（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

（1）

　体外很难保存　　　体外－70℃下可以保存半年

（2）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含量分别提高5倍和2倍。

）

例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，使干扰素分子上的半胱氨酸变成丝氨酸，结果大大提高了β-干扰素的抗病毒活性，并且提高了储存稳定性。

该生物技术为（　　）

A．蛋白质工程B．基因工程

C．基因突变D．细胞工程

答案　A

解析　题干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β-干扰素，而是经过改造的，是具有人类所需优点的蛋白质，因而整个过程利用的生物技术为蛋白质工程。

例2

　将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞，可以提高玉米中的赖氨酸含量；更换赖氨酸形成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，使两种酶的活性提高，也可以提高玉米中的赖氨酸含量。

以上两种技术分别属于（　　）

A．基因工程、基因工程

B．蛋白质工程、蛋白质工程

C．基因工程、蛋白质工程

D．蛋白质工程、基因工程

答案　C

解析　富含赖氨酸的蛋白质是自然界中已有的蛋白质，基因工程只是把该蛋白质基因转入玉米细胞，并使之合成该蛋白质，属于基因工程；更换赖氨酸合成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，是对自然界中已有的蛋白质进行改造，属于蛋白质工程。

二、蛋白质工程的基本原理、进展和前景

1．蛋白质工程的基本原理

（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。

（3）目的：

获得满足人类的生产和生活需求的蛋白质。

2．蛋白质工程的基本流程

预期的蛋白质功能→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（基因）。

3．蛋白质工程的进展和前景

（1）进展

①医药方面：

科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。

②电子方面：

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）前景和存在的问题：

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。

归纳总结

1．对蛋白质工程的两点理解

（1）改造对象：

通过改造控制蛋白质合成的基因的结构来改造某种蛋白质的结构。

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。

（2）蛋白质工程中经过处理得到的新基因与基因突变得到的新基因有较大差别：

基因突变的新基因中含有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程中的新基因则没有。

2．基因工程和蛋白质工程的对比

比较项目

基因工程

蛋白质工程

操作对象

基因

操作水平

DNA分子水平

基本过程

目的基因的获取→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

预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测蛋白质应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质

结果

生产人类需要的基因产物（自然界已有的蛋白质）

可以生产自然界没有的、不存在的新蛋白质

联系

蛋白质工程是以基因工程为基础的

例3

　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分子水平操作，蛋白质工程不需对基因进行操作

B．基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程合成的可以是天然不存在的蛋白质

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　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。

蛋白质工程是从分子水平上对蛋白质进行改造设计，通过对相应的基因进行修饰、加工，甚至人工进行基因合成，从而对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活需求；而基因工程只是将外源基因导入另一生物体内，并使之表达，产生人类所需的性状，或者获取所需的产品，基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。

例4

　蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是（　　）

A．蛋白质工程能生产人类需要的基因产物

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．蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第三代基因工程

答案　B

解析　蛋白质工程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，是延伸出来的第二代基因工程。

方法链接

　“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反转录合成目的基因，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mRNA、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。

1．葡萄糖异构酶（GI）在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，科学家对GI基因进行体外定点诱变，以脯氨酸（Pro138）替代甘氨酸（Gly138），含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结果最适反应温度提高10～12℃。

这属于生物工程中的（　　）

A．基因工程B．蛋白质工程

C．发酵工程D．酶工程

答案　B

解析　题中是对基因进行修饰改造，以实现对现有蛋白质的改造，属于蛋白质工程。

2．添加在洗衣粉中的某种酶在低温下活性较低，影响了洗衣粉的洗涤效果。

若让你用生物工程的方法改变此酶的特性，首先考虑的是（　　）

A．基因工程B．蛋白质工程

C．诱变D．细胞工程

答案　B

解析　可通过蛋白质工程可实现对蛋白质改造的目的。

3．下列说法错误的是（　　）

A．科学家通过对胰岛素的改造已经使其成为速效型药品

B．我们可以将蛋白质工程应用于微电子方面

C．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

D．蛋白质工程成功的例子不多，主要是因为蛋白质种类太少，原料不足

答案　D

解析　蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，这种结构十分复杂，而目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还不够。

4．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，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，而不是直接对蛋白质分子进行操作。

5．（2015·全国Ⅱ，40）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，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物________进行鉴定。

答案　

（1）氨基酸序列（或结构）（其他答案合理也可）

（2）P　P1　DNA和RNA（或遗传物质）　DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质（或转录、反转录、翻译）

（3）设计预期蛋白质的结构　推测应有的氨基酸序列　功能

解析　

（1）对蛋白质的氨基酸序列（或结构）进行改造，可达到改变蛋白质的功能的目的。

（2）以P基因序列为基础，获得P1基因，可以对P基因进行修饰改造，也可以用人工方法合成P1基因；中心法则的全部内容包括

，即DNA、RNA的复制、DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质（或转录、反转录、翻译）。

（3）蛋白质工程的基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过设计预期蛋白质结构和推测应有的氨基酸序列，推测相对应的脱氧核苷酸序列，并获取基因。

经表达的蛋白质，要对其进行生物功能鉴定。

[对点训练]

题组一　蛋白质工程崛起的缘由

1．蛋白质工程制造的蛋白质是（　　）

A．天然蛋白质

B．稀有蛋白质

C．自然界中不存在的蛋白质

D．尚没有制造出来

答案　C

解析　蛋白质工程是对基因进行改造进而产生符合人们需要的蛋白质，因此不再是天然的蛋白质。

2．合成天然不存在的蛋白质应首先设计（　　）

A．基因结构B．RNA结构

C．氨基酸序列D．蛋白质结构

答案　D

解析　合成天然不存在的蛋白质属于蛋白质工程。

实施蛋白质工程的前提是了解蛋白质的结构与功能的关系，首先要从设计蛋白质的结构入手，然后再根据基因工程的方法通过基因修饰或基因合成，合成相应的蛋白质，从而实现对蛋白质的改造。

3．猪胰岛素用于降低人体血糖浓度的效果并不明显，原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。

为了使猪胰岛素能够用于临床治疗糖尿病，蛋白质工程中蛋白质分子设计的最佳方案是（　　）

A．对猪胰岛素进行一个不同氨基酸的替换

B．将猪胰岛素和人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糖尿病

D．根据人的胰岛素设计制造一种全新的胰岛素

答案　A

解析　由于猪胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同，所以只需替换这一个不同的氨基酸即可。

虽然根据人胰岛素分子设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗，但是在分子设计和胰岛素的生产方面都存在很多的困难，所以并不是最佳方案。

4．科学家将控制某药物蛋白合成的基因转移到白色来亨鸡胚胎细胞的DNA中，发育成的雌鸡就能产出含该药物蛋白的鸡蛋，在每一只鸡蛋的蛋清中都含有大量的药物蛋白；而且这些含该药物蛋白的鸡蛋孵出的鸡，仍能产出含该药物蛋白的鸡蛋。

据此分析不正确的一项是（　　）

A．这些鸡是基因工程的产物

B．这种变异属于可遗传的变异

C．该过程属于蛋白质工程技术

D．该种变异属于定向变异

答案　C

解析　根据题干信息分析，将目的基因（控制某药物蛋白合成的基因）导入了来亨鸡胚胎细胞的DNA中，发育成的鸡产生了该药物蛋白的鸡蛋，说明目的基因在这些鸡中表达了，A正确；这些含该药物蛋白的鸡蛋孵出的鸡，仍能产出含该药物蛋白的鸡蛋，说明这种变异属于可遗传的变异，B正确；该技术为第一代基因工程技术，并没有利用蛋白质工程对控制蛋白质合成的基因的结构进行改造，C错误；基因工程的原理是基因重组，且是对生物性状的定向改造，即这种变异是定向的，D正确。

题组二　蛋白质工程的基本原理

5．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

答案　D

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。

因此蛋白质工程最终还是要对基因进行改造。

6．蛋白质工程在实施过程中最大的难题是（　　）

A．生产的蛋白质无法应用

B．发展前景太窄

C．对大多数蛋白质的高级结构了解不清楚

D．无法人工合成目的基因

答案　C

解析　蛋白质工程实施的最大难题是对于大多数蛋白质的高级结构了解不清楚，所以很难改造其基因。

7．蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主要包括（　　）

①进行少数氨基酸的替换　②对不同来源的蛋白质进行拼接　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

答案　B

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。

题组三　蛋白质工程和基因工程的比较

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

答案　C

解析　干扰素是动物体内的一种蛋白质，不能自我合成。

9．蛛丝的强度和柔韧度得益于蛛丝蛋白的特殊布局，使它产生了一个由坚硬的结晶区和非结晶区构成的混合区域。

有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因结构，以指导对蚕丝蛋白的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝蛋白一样坚韧的丝。

此过程运用的技术及流程分别是（　　）

A．基因突变：

DNA→RNA→蛋白质

B．基因工程：

RNA→RNA→蛋白质

C．基因工程：

DNA→RNA→蛋白质

D．蛋白质工程：

蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质

答案　D

解析　该过程采用的是蛋白质工程。

从预期蛋白质功能入手，对蛋白质控制的基因进行改造以达到改造蛋白质的目的。

[综合强化]

10．下列关于蛋白质工程应用的叙述，不正确的是（　　）

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．利用蛋白质工程可以从大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素

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

答案　C

解析　从大肠杆菌中得到人的胰岛素利用的是基因工程技术。

11．蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，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修饰或合成来完成，且改造后的基因能够遗传给子代。

12．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是（　　）

A．蛋白质工程的实质是改造基因

B．蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列

C．蛋白质工程的基础是基因工程

D．蛋白质工程遵循的原理包括中心法则

答案　B

解析　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，然后根据设计的蛋白质结构，合成特定的脱氧核苷酸序列；蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是蛋白质的功能。

13．2008年诺贝尔化学奖授予了三位在研究绿色荧光蛋白（GFP）方面作出突出贡献的科学家。

绿色荧光蛋白能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发出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。

GFP基因可作为目的基因用于培育绿色荧光小鼠，下图表示培育绿色荧光小鼠的基本流程：

请根据上述材料回答下列问题：

（1）用于培育绿色荧光小鼠的基因表达载体的组成必须有启动子、标记基因、____________和________________________________________________________________________等。

图中过程②常用的方法是_______________________________________。

（2）GFP基因与目的基因一起构建到载体上不影响目的基因的表达，也不影响由目的基因控制合成的蛋白质的结构与功能，且对细胞无毒害作用，因此GFP基因可以作为基因表达载体上的________________。

（3）目前科学家们通过____________工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等，该工程是直接改造GFP分子，还是改造GFP基因？

_________________________________。

答案　

（1）GFP基因　终止子　显微注射技术　

（2）标记基因　（3）蛋白质　改造GFP基因（绿色荧光蛋白基因）

14．如图是某种动物蛋白质工程的示意图，请分析回答：

（1）目前，蛋白质工程中难度最大的是图中编号________所示的过程，实现③过程的依据有________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）若相关蛋白质的核酸片段是从细胞质获取的，则④过程包括________、________。

（3）⑤过程中对核苷酸序列有严格要求的工具酶是________，进行⑤过程的目的是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）①　氨基酸对应的密码子、mRNA与DNA间的碱基互补配对原则　

（2）反转录　诱导突变　（3）限制酶　使目的基因在受体细胞中稳定存在并遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用

解析　在蛋白质工程中，根据预期蛋白质的功能设计预期蛋白质的结构是蛋白质工程的首要任务，也是难度较大的任务。

过程③根据蛋白质应有的氨基酸序列推断mRNA上密码子的排列顺序，再根据反转录原理推断DNA的碱基排列顺序。

从细胞质中提取的核酸片段应为mRNA，因此，过程④为反转录法合成目的基因。

由于经过①②③过程人工合成的目的基因与生物体内的基因不同，所以，该过程需要诱导基因发生突变。

15．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，用于癌症治疗。

下图表示形成鼠－人嵌合抗体的过程，据图回答下面的问题：

（1）改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠－人嵌合抗体，属于______________（生物工程）的范畴。

（2）图示过程是根据预期的____________________出发，设计__________________，最终必须对______________进行操作，此操作中改变的是_______________________________。

（3）经过改造的鼠－人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是____________________________________________________________（从免疫角度考虑）。

（4）上述过程中对科学家来说难度最大的是______________________________________。

答案　

（1）蛋白质工程　

（2）嵌合抗体功能　嵌合抗体的结构　基因　碱基序列　（3）对人体的不良反应减少

（4）设计嵌合抗体的空间结构

解析　

（1）通过图示可知鼠－人嵌合抗体是通过人工设计而形成的特定功能蛋白质，其生产过程应属于蛋白质工程的范畴。

（2）蛋白质工程的流程：

预期蛋白质的功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）→通过基因工程操作生产预期的蛋白质。

（3）从免疫的角度考虑，对人体来说鼠源抗体为抗原，若利用人的抗体与之嵌合，则排斥作用会减轻，对人体的副作用会减少。

（4）由于蛋白质空间结构比较复杂，不易确定，所以成为蛋白质工程中最大的障碍。