学年人教版生物选修三江苏专用学案14 蛋白质工程的崛起 Word版含答案.docx

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学年人教版生物选修三江苏专用学案14蛋白质工程的崛起Word版含答案

1．4　蛋白质工程的崛起

1．概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。

2．举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。

知识点一　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）缘由

①基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。

②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。

（3）实例

①延长干扰素的保存时间

　体外很难保存　　　体外可以保存半年

②提高玉米的赖氨酸含量

（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）

1．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．按照人们的意愿将天然蛋白质改造成新的蛋白质

答案：

C

2．下列不属于蛋白质工程的成果的是（　　）

A．改造酶的结构，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

解析：

选D。

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。

知识点二　蛋白质工程的基本原理、进展及前景

.蛋白质工程的目标

根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。

.对概念的理解

（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：

基因修饰或基因合成。

（3）目的：

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。

.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．蛋白质工程的进展和前景

（1）前景诱人：

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）难度很大：

主要是因为目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。

1．蛋白质工程的操作流程

2．基因工程和蛋白质工程的比较

项目

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

区别

过程

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

预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质

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

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

[提醒]　

（1）基因工程与蛋白质工程的判断方法

（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。

交汇点1　蛋白质

蛋白质多样性的原因：

（1）组成蛋白质的氨基酸的____________、数量和____________不同。

（2）肽链的盘曲、折叠方式及其形成的____________千差万别。

交汇点2　中心法则

结构图示：

（1）写出图示遗传信息传递过程名称：

①________；②________；③________；④________；⑤________。

（2）图①～⑤过程需要的模板分别是______________、____________、____________、____________、____________。

答案：

交汇点1

（1）种类　排列顺序　

（2）空间结构

交汇点2

（1）DNA复制　转录　翻译　RNA复制　逆转录

（2）DNA的两条链　DNA的一条单链　mRNA　RNA　RNA　

1．（2019·南通高二检测）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

解析：

选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，找出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，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。

2．下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述，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

解析：

选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正确；设计的引物应能与表达载体两端的序列互补配对，B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正确；通过蛋白质工程可合成自然界中不存在的蛋白质，D正确。

核心知识小结

[要点回眸]

[答题必备]

基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质。

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。

蛋白质工程直接操作的对象是基因，而不是蛋白质。

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。

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。

[拓宽教材]

1．（选修3P27“异想天开”改编）蛋白质工程在实施中最大的难题是（　　）

A．生产的蛋白质无法应用

B．发展前景太窄

C．对于大多数蛋白质的高级结构不清楚

D．无法人工合成目的基因

解析：

选C。

多数蛋白质除具有一级结构即氨基酸序列外，还具有复杂的高级结构，即空间结构，而很多蛋白质的空间结构人们目前还不清楚。

空间结构不清楚也就无法合成制造出具有生物活性的蛋白质。

2．（选修3P28“思考与探究”改编）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，据图分析探究下列问题：

（1）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________。

（2）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。

答案：

（1）嵌合抗体功能　嵌合抗体的结构　基因　碱基对　

（2）蛋白质工程

[精练好题]

3．（2019·新疆四中高二期末）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：

选A。

要想使某种微生物合成的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。

4．下列关于蛋白质工程的进展和应用前景的叙述，不正确的是（多选）（　　）

A．通过对基因结构的定点突变实现控制玉米赖氨酸合成的关键酶结构的改变属于蛋白质工程

B．将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内，使大肠杆菌生产人的胰岛素属于蛋白质工程

C．对蛋白质进行分子设计必须从蛋白质的功能特点入手

D．蛋白质工程具有广阔的发展前景，且目前成功的例子很多

解析：

选BD。

通过对基因结构的改变实现对玉米赖氨酸合成关键酶的改造属于蛋白质工程，A正确；将人的基因导入大肠杆菌体内，使其生产大量胰岛素属于基因工程，B错误；对蛋白质进行分子设计必须从蛋白质的功能特点入手，设计预期的蛋白质结构，C正确；蛋白质工程具有广阔的发展前景，但其难度较大，目前成功的例子还不多，D错误。

5．（2019·河南平顶山高二期末）糖尿病是近年来高发的“富贵病”，常见类型有遗传性糖尿病和Ⅱ型糖尿病。

遗传性糖尿病的主要病因之一是胰岛受损。

科研机构作出如下设计：

取糖尿病患者的细胞，将人的正常胰岛素基因导入其中，然后做细胞培养，诱导产生胰岛组织，重新植入患者的胰岛，使胰岛恢复功能。

Ⅱ型糖尿病需要注射胰岛素治疗。

目前临床使用胰岛素制剂注射后120min后才出现高峰，与人体生理状态不符。

科研人员通过一定的工程技术手段，将胰岛素B链的28号和29号氨基酸互换，获得了速效胰岛素，已通过临床试验。

请回答下列问题：

（1）对遗传性糖尿病进行基因治疗的方案中，胰岛素基因为______________，实验室中要先对该基因利用______________技术进行扩增。

将该基因导入人体细胞所用的方法是__________________。

该科研机构采用的基因治疗方法是________________。

（2）对遗传性糖尿病患者进行治疗的基因工程步骤中的核心步骤是____________。

（3）科研人员利用蛋白质工程合成速效胰岛素，该技术的实验流程为

―→

其中，流程A是____________________________，流程B是______________________。

（4）基因工程技术还可以用于基因诊断，其基本原理是________________________。

解析：

（1）对遗传性糖尿病进行基因治疗的方案中，胰岛素基因为目的基因。

可采用PCR技术扩增目的基因。

将该基因导入人体细胞所用的方法是显微注射法。

科研机构在治疗遗传性糖尿病时，取糖尿病患者的细胞，将人的正常胰岛素基因导入其中，然后做细胞培养，诱导产生胰岛组织，重新植入患者的胰岛，使胰岛恢复功能，因此该科研机构采用的基因治疗方法是体外基因治疗。

（2）基因工程步骤中的核心步骤是基因表达载体的构建。

（3）分析题图可知：

流程A是从预期的蛋白质功能出发，

流程B是推测应有的氨基酸序列。

（4）基因工程技术还可以用于基因诊断，其基本原理是DNA分子杂交。

答案：

（1）目的基因　PCR　显微注射法　体外基因治疗

（2）基因表达载体的构建　（3）从预期的蛋白质功能出发　推测应有的氨基酸序列　（4）DNA分子杂交

6．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。

解析：

（1）从题中所述资料可知，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后，该蛋白质的功能发生了改变，此过程是通过对构成蛋白质的氨基酸的排列顺序进行改造，进而改变了蛋白质的结构，从而改变了蛋白质的功能。

（2）在蛋白质工程中，目的基因可以以P基因序列为基础，对生物体内原有P基因进行修饰，也可以通过人工合成法合成新的P1基因。

中心法则的内容如下图所示：

由图可知，中心法则的全部内容包括：

DNA以自身为模板进行的复制，DNA通过转录将遗传信息传递给RNA，最后RNA通过翻译将遗传信息表达成蛋白质；在某些病毒中RNA可自我复制（如烟草花叶病毒等），在某些病毒中能以RNA为模板逆转录合成DNA（如HIV），这是对中心法则的补充。

（3）蛋白质工程的基本途径是预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→合成DNA→表达出蛋白质，经过该过程得到的蛋白质，需要对其生物功能进行鉴定，以保证其发挥正常作用。

答案：

（1）氨基酸序列（或结构）（其他合理答案也可）

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

（3）设计蛋白质的结构　推测氨基酸序列　功能

一、单项选择题

1．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，发育后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

解析：

选C。

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。

2．（2019·泰州高二检测）下面对蛋白质工程的基本操作程序的叙述，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：

选C。

蛋白质工程的操作流程：

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（即基因）→修改或合成的基因表达出相应的蛋白质。

3．（2019·郑州高二检测）蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主要包括哪几种（　　）

①进行少数氨基酸的替换

②对不同来源的蛋白质的拼接

③从预期蛋白质的功能出发去推测氨基酸排列顺序

④直接改变蛋白质的空间结构

A．①②　　　　　　　　B．①②③

C．②③④D．①②④

解析：

选B。

蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主要包括：

制造出自然界中不存在的全新蛋白质；在蛋白质分子中替代一个肽段或一个特定的结构域；改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。

由于蛋白质分子通常都较大，而直接改变蛋白质的空间结构不易于操作，因此蛋白质工程是在基因的水平上进行操作的。

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

为了使猪胰岛素用于临床治疗糖尿病，用蛋白质工程对蛋白质分子设计的最佳方案是（　　）

A．对猪胰岛素中与人胰岛素不同的氨基酸进行替换

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

解析：

选A。

根据题干信息可知，猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同导致其在人体中降血糖的效果不明显，所以可利用蛋白质工程对该氨基酸进行替换。

5．T4溶菌酶的稳定性大大提高的根本原因是（　　）

A．控制T4溶菌酶合成的基因的一个位点发生突变

B．控制T4溶菌酶合成的mRNA上的密码子发生变化

C．T4溶菌酶中一个氨基酸发生了替换

D．T4溶菌酶中的第3位氨基酸由异亮氨酸变为半胱氨酸

解析：

选A。

T4溶菌酶是一种蛋白质，其稳定性提高的原因是其分子结构的改变。

蛋白质的合成受基因控制，所以蛋白质改变的根本原因是基因的改变。

选项B、C、D的内容都是T4溶菌酶改变的原因，但都不是根本原因。

6．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．根据人们的需要，直接对氨基酸的分子结构进行设计

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．蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程

解析：

选B。

由于基因的结构决定蛋白质的结构，所以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。

7．（2019·河北涿鹿中学高二期中）下面各项中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．用基因替换的方法治疗人的某种遗传病

解析：

选D。

用基因替换的方法治疗人的某种遗传病属于基因工程。

8．当前医学上，蛋白质工程药物正逐步取代第一代基因工程多肽或蛋白质类替代治疗剂，则基因工程药物与蛋白质工程药物的区别是（　　）

A．都与天然产物完全相同

B．都与天然产物不相同

C．基因工程药物与天然产物完全相同，蛋白质工程药物与天然产物不相同

D．基因工程药物与天然产物不相同，蛋白质工程药物与天然产物完全相同

解析：

选C。

基因工程合成的是自然界已存在的蛋白质，与相应天然产物完全相同；蛋白质工程可以合成自然界不存在的蛋白质，与天然产物不相同。

二、多项选择题

9．下列关于蛋白质工程的设计思路，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．从氨基酸的顺序推测基因的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：

选ABC。

蛋白质工程需要以基因工程为指导，蛋白质工程中也有基因的表达过程，遵循中心法则。

10．（2019·常熟高二检测）下列有关蛋白质工程的叙述，错误的是（　　）

A．收集大量的蛋白质分子结构的信息，以便分析结构与功能之间的关系

B．蛋白质工程的原理是从预期的蛋白质功能出发最终推测出脱氧核苷酸序列的过程

C．T4溶菌酶中引入二硫键提高了它的热稳定性是基因工程的体现

D．蛋白质工程只能改造现有的蛋白质而不能制造新的蛋白质

解析：

选CD。

蛋白质结构的多样性决定蛋白质功能的多样性，在实施蛋白质工程的准备阶段，只有收集到大量的蛋白质结构的信息，才能从其中寻求到某一结构跟预期的蛋白质功能之间的关系，从而据其构建出某一段氨基酸序列，此氨基酸序列成为构建脱氧核苷酸序列（即基因）的依据，A、B项正确。

T4溶菌酶是蛋白质，对其改造属于蛋白质工程，C项错误。

在蛋白质工程中，基因修饰后可以表达出改造的蛋白质，基因合成后可以制造出新的蛋白质，D项错误。

三、非选择题

11．（2019·广东高明一中高二月考）枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性，但极易被氧化而失效。

1985年，美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替换后，虽然其水解活性有所下降，但抗氧化的能力大大提高。

用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有效地除去血渍、奶渍等蛋白质污渍。

请回答下列问题：

（1）改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是____________。

（2）改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比，至少有________个碱基对发生变化。

（3）利用生物技术改造蛋白质，提高了蛋白质的稳定性，埃斯特尔所做的工作是对已知蛋白质进行____________________。

（4）若要获得新型蛋白质，需用到的生物工程有蛋白质工程、__________和发酵工程。

（5）埃斯特尔获得新型的枯草杆菌蛋白酶的基本思路是什么？

__________________

_____________________________________________________________________

____________________________________________________________________。

解析：

（1）改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是蛋白质工程。

（2）由于将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替换，改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比，至少有1个碱基对发生变化。

（3）利用生物技术改造蛋白质，提高了蛋白质的稳定性，埃斯特尔所做的工作是对已知蛋白质进行少数氨基酸的替换。

（4）若要获得新型蛋白质，需用到的生物工程有蛋白质工程、基因工程和发酵工程。

（5）获得新型的枯草杆菌蛋白酶的基本思路是从预期的蛋白质功能出发，设计预期蛋白质的结构，推测应有的氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后对现有的基因进行改造或利用DNA合成仪合成基因。

答案：

（1）蛋白质工程　

（2）1　（3）少数氨基酸的替换　（4）基因工程　（5）从预期的蛋白质功能出发，设计预期蛋白质的结构，推测应有的氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后对现有的基因进行改造或利用DNA合成仪合成基因

12．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，但在体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在－70℃保存半年，给广大患者带来福音。

请回答下列问题：

（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，让动物生产出“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______________的需要。

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？

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________，

原因是___________________________________________________________________

___________