新人教版生物选修3专题1 14 蛋白质工程的崛起.docx

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新人教版生物选修3专题114蛋白质工程的崛起

1.4　蛋白质工程的崛起

学习目标：

1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。

2.理解蛋白质工程的原理。

（重、难点）　3.了解蛋白质工程的应用。

4.掌握蛋白质工程的操作过程。

（难点）

一、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．蛋白质工程的崛起

（1）理论和技术条件：

分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。

（2）基因工程存在不足：

原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。

（3）天然蛋白质存在不足：

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。

（4）实例

①延长干扰素保存时间：

体外很难保存

体外可以保存半年

②提高玉米赖氨酸含量：

改造后玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。

二、蛋白质工程的基本原理以及进展和前景

1．蛋白质工程的基本原理

概念

基础

蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系

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

目的

获得满足人类生产和生活需求的蛋白质

原理

由预期的蛋白质找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）

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（基因）

2.蛋白质工程的进展和前景

（1）前景诱人。

如用此技术制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。

（2）难度很大。

主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还不够。

1．判断对错（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）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。

（　　）

（2）通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍然是天然蛋白质。

（　　）

（3）实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系。

（　　）

（4）蛋白质工程是通过基因的修饰和合成来实现对蛋白质的改造。

（　　）

提示：

（1）×　蛋白质工程中直接改造的是基因，不是蛋白质。

（2）×　蛋白质工程实现了对现有蛋白质的改造，或制造一种新的蛋白质，不再是天然蛋白质。

（3）√　（4）√

2．蛋白质工程中，对蛋白质的结构进行分子设计的根据是（　　）

A．人们对蛋白质功能的特定需求

B．蛋白质中氨基酸序列

C．信使RNA中核糖核苷酸序列

D．基因中脱氧核苷酸序列

A　[在蛋白质工程中，人们先根据蛋白质功能与结构的关系，以特定的功能为依据设计蛋白质的结构。

]

3．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

A　[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。

]

蛋白质工程

背景材料　

1．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．对蛋白质工程内容的理解

（1）原理：

中心法则的逆推

（2）操作对象：

基因。

即通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改变。

因为对基因改造比对蛋白质直接进行改造要容易，且改造过的基因可以遗传给后代。

（3）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）。

（4）改造方法：

根据改造蛋白质的部位多少，对蛋白质的改造可分为三类：

“大改”：

制造出自然界中不存在的全新蛋白质。

“中改”：

在蛋白质分子中替换某一个肽段或一个特定的结构域。

“小改”：

改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。

（5）实例：

蛋白质工程设计速效型胰岛素的生产过程

①构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，主要依据是蛋白质的预期功能。

②图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成新的胰岛素基因。

③通过人工合成DNA形成的新基因应与载体结合后转移到大肠杆菌等受体细胞中才能得到准确表达。

[思考交流]

　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过程是________。

（填数字）

（2）写出图中数字代表的生物学过程的名称或内容：

①________；②________；③________；④________。

（3）从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则________。

（4）功能是由其结构决定的，直接决定蛋白质多样性的因素有_____________。

从根本上说，蛋白质的结构是由________决定的。

（5）根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA中的碱基序列是否是唯一的？

________，为什么？

______________________________

____________________________________________________。

（6）将氨基酸合成多肽链的场所是

____________________________________________________。

（7）蛋白质工程中的目的基因一般通过________获得。

【技巧点拨】　

[解析]　蛋白质结构的多样性由组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构四个因素共同决定；从根本上说，蛋白质的结构是由基因（DNA）决定的；一种氨基酸可能具有多种密码子，根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA中的碱基序列可能有多种；蛋白质的合成场所为核糖体；蛋白质工程的目的基因的碱基序列已知，可以通过DNA合成仪进行人工合成。

[答案]　

（1）④⑤　①②③　

（2）转录　翻译　折叠　分子设计　（3）相反　（4）氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构　基因（DNA）　（5）不唯一　一种氨基酸可能具有多种密码子　（6）核糖体　（7）人工合成

特别提醒：

蛋白质工程包括两步：

第一步是根据蛋白质的预期功能对蛋白质的结构进行分子设计；第二步是根据设计好的蛋白质的氨基酸序列合成相应的DNA。

1．科学家将β干扰素基因进行定点诱变并导入大肠杆菌体内使其表达，得到的干扰素第17位的半胱氨酸变成了丝氨酸，结果大大提高了其储存稳定性，该生物技术为（　　）

A．基因工程　　　　B．蛋白质工程

C．诱变育种D．细胞工程

B　[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，原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，蛋白质工程是指以蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系为基础，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，以满足人类的生产或生活需要。

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干扰素也不是天然的β干扰素，而是经过人工改造的、符合人类需要的蛋白质，因而该生物技术为蛋白质工程。

]

2．科学家为提高玉米中赖氨酸含量，计划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第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的含量分别提高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

C　[蛋白质工程的目的是对蛋白质进行改造，从而使蛋白质功能可以满足人们的需求。

蛋白质行使功能与其高级结构密切相关，而蛋白质高级结构又非常复杂，所以直接对蛋白质进行改造非常困难，而蛋白质是由基因控制合成的，对基因进行操作却容易得多。

另外，通过改造基因而改造蛋白质可以遗传，而对蛋白质直接改造，即使成功也不能遗传。

]

基因工程与蛋白质工程的比较

1.基因工程和蛋白质工程在操作上的基本思路比较

（1）基因工程遵循中心法则，从DNA→mRNA→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。

（2）蛋白质工程是按照以下思路进行的：

确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→多肽链应有的氨基酸序列→基因应有的碱基序列，可以创造出自然界不存在的蛋白质。

2．二者的区别与联系

项目

蛋白质工程

基因工程

区别

过程

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→推测相对应的脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质

获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定

实质

定向改造或生产人类所需要的蛋白质

定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需要的生物类型或生物产品

结果

生产自然界没有的蛋白质

生产自然界中已有的蛋白质

联系

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，因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因修饰或基因合成实现

特别提醒：

（1）蛋白质工程最终还是回到基因工程上来，因为蛋白质的合成由基因控制，所以说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。

（2）基因工程中的目的基因一般为自然界存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是自然界存在的。

1．下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述中，不正确的是（　　）

A．将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法

B．设计扩增目的基因的引物时，不必考虑表达载体的序列

C．蛋白质工程是通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新蛋白质的技术

D．蛋白质工程可合成自然界中不存在的蛋白质

B　[将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法，A项正确；设计的引物应能与表达载体两端的序列互补配对，B项不正确；蛋白质工程是指以分子生物学相关理论为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质的技术，C项正确；通过蛋白质工程可合成自然界不存在的蛋白质，D项正确。

]

2．下列不属于蛋白质工程成果的是（　　）

A．改造酶的结构，提高酶的热稳定性

B．生产出鼠—人嵌合抗体

C．将t－PA分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺

D．乳腺生物反应器

D　[A、B、C三项所述都是对现存的蛋白质分子进行改造，属于蛋白质工程的成果。

乳腺生物反应器属于基因工程的成果。

]

[课堂小结]

知识网络构建

核心语句归纳

1.蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其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生产和生活的需要。

2．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。

3．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，而且这种改造可以遗传下去。

4．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”。

1．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

C　[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（即基因）→修改或合成的基因表达出相应的蛋白质。

]

2．下列有关蛋白质工程的说法正确的是（　　）

A．蛋白质工程无需构建基因表达载体

B．通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍是天然的蛋白质

C．蛋白质工程需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶

D．蛋白质工程是在蛋白质分子水平上改造蛋白质

C　[蛋白质工程的基本流程：

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，找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）。

这是蛋白质工程特有的途径，接下来是按照基因工程的一般步骤进行。

因此，基因工程技术利用的工具（限制酶、DNA连接酶、载体）以及操作流程也适用于蛋白质工程技术中，A项错误，C项正确；蛋白质工程生产的蛋白质是改造后的蛋白质或者是新的蛋白质，B项错误；蛋白质工程的操作对象是基因，属于分子水平，D项错误。

]

3．下列关于基因工程和蛋白质工程的说法中正确的是（　　）

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．蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质

B　[本题考查基因工程与蛋白质工程的区别与联系。

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，基因工程是蛋白质工程的关键技术，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。

]

4．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

D　[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。

]

5．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__________，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_____________。

[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具有特定功能蛋白质，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。

[答案]　

（1）蛋白质工程　

（2）嵌合抗体的功能　嵌合抗体的结构　基因　脱氧核苷酸的排列顺序

（3）对人体的不良反应减少　（4）设计嵌合抗体的空间结构