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第3章 基因工程\n第4节 蛋白质工程的原理和应用\n课标要求核心素养1．理解蛋白质工程的原理。(生命观念)2．用列表法比较蛋白质工程和基因工程。(科学思维)1．说出蛋白质工程崛起的缘由。2．概述蛋白质工程的基本原理。3．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。\n知识导图\n学霸记忆•素养积累训练巩固•课堂达标新知预习•双基夯实课内探究•名师点睛指点迷津•拨云见日\n新知预习•双基夯实\n一、蛋白质工程1．概念(1)基础：蛋白质分子的__________及其与__________的关系。(2)手段：通过__________或__________，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________。2．理论和技术条件：____________、________以及________技术的迅猛发展。结构规律生物功能基因改造基因合成蛋白质分子生物学晶体学计算机\n二、蛋白质工程崛起的缘由1．基因工程的实质：将一种生物的______转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的________，进而表现出__________。2．基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界中________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__________生存的需要，却不一定完全符合________________的需要。4．实例：玉米中赖氨酸的含量比较低，赖氨酸合成中两种酶的________被替换，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。基因蛋白质新的性状已存在特定物种人类生产和生活氨基酸\n三、蛋白质工程的基本原理1．目标：根据人们对________功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。2．方法：__________或__________。3．流程：预期蛋白质功能→设计预期的____________→推测应有的________序列→找到相对应的____________序列(基因)或合成新的______→获得所需要的蛋白质。蛋白质改造基因合成基因蛋白质结构氨基酸脱氧核苷酸基因\n四、蛋白质工程的应用1．在医药工业方面的应用(1)研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造____________使B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了______________，研发出速效胰岛素类似物。(2)提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个__________变成________，提高了干扰素的保存时间。(3)改造抗体：将小鼠单克隆抗体上________________“嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。胰岛素基因胰岛素的聚合半胱氨酸丝氨酸结合抗原的区域\n2．在其他工业和农业方面的应用(1)改进酶的性能或开发新的工业用酶：利用蛋白质工程获得蛋白酶的多种________。(2)改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造参与______________的酶，以提高植物光合作用的效率。突变体调控光合作用\n1．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．蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子。()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。()活学巧练×√√\n4．基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。()5．根据某多肽链的一段氨基酸序列，可以很容易地确定控制该肽链合成的基因的脱氧核苷酸序列。()6．蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为人们对蛋白质复杂的高级结构没有完全认识。()××√\n思考：1．为什么蛋白质工程不是直接改造蛋白质而是通过基因改造和基因合成来完成？提示：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，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。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下去的。②对基因进行改造比对蛋白质进行直接改造容易操作，难度小得多。\n2．蛋白质工程的操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？提示：基因工程操作程序的基本思路遵循中心法则，从DNA→mRNA→多肽→折叠产生蛋白质，基本上是生产出自然界中已有的蛋白质。蛋白质工程是按照相反的思路进行的，确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→基因中的碱基序列，可以创造自然界不存在的蛋白质。\n学霸记忆•素养积累\n1．基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。2．蛋白质工程并不是直接改造蛋白质分子的结构，而是通过基因操作来实现对天然蛋白质的改造。3．蛋白质工程的基本途径：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。\n4．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，通过基因改造或基因合成，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需要。\n课内探究•名师点睛\n知识点1．蛋白质工程流程图蛋白质工程的原理及应用\n2．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→获得需要的蛋白质获取目的基因→构建基因表达载体→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，以获得人类所需的生物类型或生物产品结果生产非天然的蛋白质生产自然界已有的蛋白质联系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\n知识贴士“二看法”判断基因工程和蛋白质工程\n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，利用蛋白质工程对猪胰岛素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典例1典例剖析A\n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。\n1．下列关于蛋白质工程的叙述，正确的是()A．通过对基因结构的定点改造实现对玉米中赖氨酸合成过程中的关键酶结构的改造属于蛋白质工程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的技术属于蛋白质工程C．蛋白质工程不需要构建基因表达载体D．通过蛋白质工程改造后的蛋白质的特性不能遗传给子代变式训练A\n解析：通过对基因结构的定点改造实现对玉米中赖氨酸合成过程中的关键酶结构的改造属于蛋白质工程，A项正确；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的技术属于基因工程，B项错误；在蛋白质工程中，改造后的基因需要导入受体细胞内才能表达出相应的蛋白质，故需要构建基因表达载体，C项错误；蛋白质工程的实质是对基因进行改造，从而实现对蛋白质的改造，改造后的蛋白质的特性可遗传给子代，D项错误。\n指点迷津•拨云见日\n区分蛋白质组计划、蛋白质工程与酶工程人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域另一项重大的科学命题，是研究细胞中基因编码的全部蛋白质的组成、结构、修饰及其功能的国际合作计划。目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够，要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需要经过艰辛的探索。人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持。\n酶工程就是指酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。如固定化酶技术、加酶洗衣粉、嫩肉粉等。\n通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，酶工程的重点在于对已存在酶的合理、充分利用，而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子进行改造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。\n胰岛素可用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后易在皮下堆积，需较长时间才能进入血液，进入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影响。下图是新的速效胰岛素的生产过程，有关叙述错误的是()典例2典例剖析\nA．新的胰岛素的预期功能是构建新胰岛素模型的主要依据B．新的胰岛素生产过程中不涉及中心法则C．若用大肠杆菌生产新的胰岛素，常用Ca2＋处理大肠杆菌D．新的胰岛素功能的发挥必须依赖于蛋白质正确的高级结构答案：B\n解析：新的胰岛素的预期功能是构建新胰岛素模型的主要依据，A项正确；新的胰岛素生产过程中，涉及转录、翻译等过程，B项错误；Ca2＋处理大肠杆菌，可将目的基因导入大肠杆菌生产新的胰岛素，C项正确；根据结构与功能相适应的原理分析，新的胰岛素功能的发挥必须依赖于蛋白质正确的高级结构，D项正确。\n解疑答惑从社会中来⇨P93提示：科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。\n旁栏思考⇨P93提示：人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。\n它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据。2010年，该计划“两谱、两图、三库”的目标初步实现。我国科学家完成了人类肝脏蛋白质组表达谱和修饰谱，绘制了蛋白质相互作用连锁图和定位图。“三库”则是建立符合国际标准的肝脏标本库、发展规模化抗体制备技术并建立肝脏蛋白质抗体库和建立完整的肝脏蛋白质组数据库。人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。\n思考·讨论⇨P941．提示：每种氨基酸都有对应的密码子，只要查一下遗传密码子表，就可以将教材中氨基酸序列的编码序列查出来。但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多种密码子编码的，因此相应的碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列出32种，可以根据学过的排列组合知识自己排列一下。首先应该根据密码子推出mRNA序列[GCU(或C或A或G)UGGAAA(或G)GAA(或G)UUU或(C)]，再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列[CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)CTT(或C)AAA(或G)]。\n2．提示：确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。\n异想天开⇨P95提示：理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。\n到社会中去⇨P96提示：酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现在以下几个方面。由于酶促反应能在常温、常压和中性pH条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生产成本低。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。近年来，通过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在不断提升。\n2016年，我国工业酶制剂年产量达120万吨，年增长率保持在10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了30%左右，我国进入酶制剂生产大国的行列。在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。\n练习与应用⇨P96一、概念检测1．(1)×提示：基因决定蛋白质，蛋白质工程也需要对基因进行操作。(2)×(3)√2．D提示：蛋白质工程的最终目的是改造现有的蛋白质，或者制造一种全新的蛋白质，以满足人类的需求。3．A提示：蛋白质工程目前可操作的直接对象为基因。\n二、拓展应用提示：这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践，还有很多工作需要做。例如，由于改造后酶的空间结构发生了变化，因此它的一些基本特性需要重新明确，包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等；需要建立规模化生产该酶的技术体系，评估生产成本等。\n训练巩固•课堂达标\n1．蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，以下方案合理的是()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．①②B．①②③C．②③④D．①②④B\n解析：蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，可以设计自然界中不存在的全新蛋白质；可以在蛋白质分子中替换一个肽段或一个特定的结构域；也可以替换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操作，因此蛋白质工程是在基因的水平上进行操作的，综上所述，B项符合题意。\n2．下列有关基因工程与蛋白质工程的叙述，正确的是()A．蛋白质工程与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的B\n解析：基因工程原则上只能生产自然界中已有的蛋白质，而蛋白质工程可以生产自然界中没有的新的蛋白质，两者存在区别，A项错误；蛋白质工程本质上是通过基因修饰或基因合成来完成对蛋白质分子的改造，是在基因工程的基础上发展出的第二代基因工程，B项正确；蛋白质工程改造后的蛋白质可能是自然界中没有的新的蛋白质，C项错误；蛋白质工程本质上是改造基因，不是直接改造蛋白质分子，D项错误。\n3．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位的苏氨酸变为异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的氨基酸由天冬氨酸变为异亮氨酸。为此，下列操作正确的是()A．直接改造上述两种蛋白质的空间结构B．对指导上述两种酶合成的mRNA进行改造C．利用诱变育种技术促使上述两种酶的基因突变D．利用基因工程技术，对控制上述两种酶的基因进行改造D\n解析：蛋白质的功能与其高级结构密切相关，而蛋白质的高级结构又非常复杂，所以直接对蛋白质改造非常困难，且即使改造成功也不能遗传，A项错误；直接改造相应的mRNA，不一定能够表达产生所需要的蛋白质，且即使成功也不能遗传，B项错误；由于基因突变具有不定向性和低频性，所以使用诱变育种的方法不易获得符合要求的基因，C项错误；基因工程可定向改造生物的遗传性状，所以可利用基因工程技术，对控制这两种酶的基因进行改造，D项正确。\n4．(不定项)蛋白质工程就是通过对蛋白质化学、蛋白质晶体学和蛋白质动力学的研究，获得有关蛋白质理化特性和分子特性的信息，在此基础上对编码蛋白质的基因进行有目的的设计和改造，通过基因工程技术获得可以表达目标蛋白质的转基因生物。中华鲟是一种濒危野生动物。研究者试图通过蛋白质工程改造中华鲟体内的某些蛋白质，使其更加适应现在的水域环境。下列有关说法正确的是()A．蛋白质工程可定向改变蛋白质分子的结构B．改造蛋白质可通过改变基因结构实现C．改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种D．改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质ABC\n解析：蛋白质工程能按照人们的意愿定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要，A项正确；蛋白质工程的实质是通过改造或合成基因实现对蛋白质的改造，B项正确；改造后的中华鲟和现有中华鲟之间没有产生生殖隔离，仍然属于同一物种，C项正确；蛋白质工程操作的直接对象是基因，可以遗传给后代，因此改造后的中华鲟的后代可能具有改造的蛋白质，D项错误。\n5．如图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题。(1)蛋白质工程操作思路的特有过程是______，代表中心法则内容的过程是______。(填图中序号)(2)写出图中数字代表的生物学过程的名称或内容。①______；②______；③______。(3)从图中可以看出蛋白质工程的基本思路与中心法则方向______。④⑤①②转录翻译折叠相反\n(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的碱基序列是否唯一？____，为什么？______________________________。(6)将氨基酸合成为多肽链的场所是________。真核细胞中将多肽链转变为具有一定空间结构的蛋白质的场所是________。(7)蛋白质工程中的目的基因一般通过__________获得。氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构基因(DNA)否一种氨基酸可能具有多种密码子核糖体内质网人工合成\n解析：图中①②③分别表示转录、翻译、折叠，①②过程与中心法则方向一致。④⑤过程与中心法则方向相反，属于蛋白质工程基本思路。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的碱基序列可能有多种。蛋白质的合成场所为核糖体，在内质网中将多肽链折叠成具有一定空间结构的蛋白质。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。
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