1、第第 4 节节 蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起 目标导读 1.阅读教材 P9192 内容，了解蛋白质工程的诞生。2.分析教材 P92 内容，阐 述蛋白质工程的研究与应用。 重难点击 1.蛋白质工程的诞生。2.蛋白质工程的研究与应用。 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
2、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、性能符合特定物种生存的需要，却不一定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、蛋白质工程的诞生 1.概念：蛋白质工程是根据蛋白质的精细结构与生物活性以及结构与功能之间的相互关系， 利用基因工程的手段，按照人类自身的需要
3、，定向地改造天然的蛋白质，甚至创造新的、自 然界不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。 2.方法 (1)多肽合成法：利用多肽合成仪，直接合成一种全新的蛋白质。 (2)基因改造法：利用基因工程手段对负责编码某种蛋白质的基因进行设计，合成出更符合人 们要求的蛋白质。 天然的干扰素很难在体外保存，如果能把其中的一个半胱氨酸替换成丝氨酸，在体外70 下可以保存半年，据此分析： 干扰素(半胱氨酸) 改造 干扰素(丝氨酸) 1.对天然蛋白质进行改造，你认为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？ 答案 通过对基因的操作来实现，主要原因如下： (1)天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即
4、对蛋白质进行了改造。如果对蛋白质直接改 造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。 (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.为什么改变一个氨基酸就可以改变蛋白质的稳定性甚至某种蛋白酶的活性？ 答案 蛋白质的结构是由其氨基酸组成决定的，个别氨基酸的改变就会导致其结构的改变， 从而影响到其性质和功能。 3.蛋白质工程是否需要限制性内切酶和 DNA 连接酶等工具？ 答案 需要。蛋白质工程要改造 DNA、构建基因表达载体，即按照基因工程的操作，最后获 得所需要的目的蛋白质，因此该过程中需要限制性内切酶和 DNA 连接酶等工具。 1.蛋白质工程中直接需要进行操作
5、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 2.下列说法不正确的是( ) A.天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的 B.天然蛋白质都能符合人类生产和生活的需要 C.天然干扰素在体外保存相当困难 D.许多工业用酶是由天然酶改造出来的 答案 B 解析 天然蛋白质都符合特定物种生存的需要，但不一定符合人类生产和生活的需要。 二、蛋白质工程的研究与应用 1.研究内容 通过基因工程技术分析蛋白质的 DNA 编码序列，对蛋白质进行分离纯化，测定蛋白质的序 列并对其结构与功能进行分析，通过计算机辅助设计突变区，对编码蛋白质的 DNA 进行定 点突变改造等。 2
6、.应用举例 (1)工业 改造天然生物酶或者设计制造出全新的人工酶或人工蛋白，使其适应特殊的工业过程。 (2)农业 改造 RuBP 羧化酶，使固定 CO2能力提高，光呼吸作用减弱，就能提高光合作用的效率。 (3)环保 改造金属硫蛋白，转移到微生物或植物中，加强吸附重金属的能力，保护生态环境。 知识拓展 基因的定点诱变技术 基因定点诱变技术的具体操作方法较多，其中 PCR 法是目前常用的方法之一。PCR 法利用 人工合成带有突变位点的诱变引物，通过 PCR 扩增而获得定点突变的基因， 再通过基因工程 的方法将突变基因导入受体细胞，经过转录和翻译就可以合成所需的蛋白质。 下图为蛋白质工程操作的基本思
7、路，请据图回答下列问题： 1.基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？为什么？ 答案 是。基因工程指导合成天然蛋白质的过程遵循中心法则；蛋白质工程操作时，经改造 的基因表达所需要的蛋白质也遵循中心法则。 2.蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质相同吗？分别体现在哪些方面？ 答案 (1)操作对象不同：蛋白质工程的操作对象是天然基因改造后的基因；基因工程的操作 对象是天然基因。(2)得到的蛋白质不同：蛋白质工程可以得到自然界没有的新的蛋白质；基 因工程得到的是自然界原有的蛋白质。 3.有人把蛋白质工程称为第二代基因工程，你如何理解？ 答案 蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基
8、因工程。因为对现有蛋白质进 行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。 3.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，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
9、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。 4.某多肽链的一段氨基酸序列是： 甲硫氨酸色氨酸苯丙氨酸色氨酸 (部分氨基酸的密码子为：甲硫氨酸AUG；色氨酸UGG；苯丙氨酸UUU、UUC) (1)怎样得出决定这一段肽链的脱氧核糖核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。 (2)确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因(DNA)? _ _ _。 答案 (1)根据氨基酸序列反推 mRNA 密码子序列，再反推 DNA 上脱氧核糖核苷酸序列。 其 DNA 碱基序列为：或 (2)根据 DNA 的碱基对序列或改造后的 DNA 碱基对序列， 利用四种脱氧核糖核苷酸进行人工 合成 易
10、混辨析 蛋白质工程与基因工程比较 项目 蛋白质工程 基因工程 区别 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 找到对应的脱氧核糖核苷酸序列 目的基因的获得基因表达载体的 构建目的基因的导入目的基因 的检测与表达产物的测定 实质 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 区别 结果 生产自然界没有的蛋白质 生产自然界已有的蛋白质 联系 蛋白质工程是第二代基因工程。 蛋白质工 程的崛起 蛋白质工程的诞生 定义 局限 蛋白质工程的研究与应用 蛋白质改造 合成新的蛋白质 第二代基因工程 1.蛋白质工程制造的蛋白质是( ) A.天
11、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，因此是自然界中不存 在的蛋白质。 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 可通过蛋白质工程实现对蛋白质改造的目的。 3.科学家将 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 干扰素的抗病毒活性，并且提高了贮存稳定性。该生物技术 为( ) A.蛋白
12、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 干扰素也不是天然 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。 4.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不是天然存在的蛋白质 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)的操作 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基础上延伸出来的第二代基因工程，是从分
13、子水平对蛋白质 进行改造设计，直接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，体现人类所需的性状，或者获取所需的产品，因此，基 因工程只能生产自然界中已存在的蛋白质。 5.蛋白质工程是指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、生产 的过程。下图是蛋白质工程的基本途径，试回答下列有关问题： 预期蛋白质功能 设计预期 蛋白质结构 推测应有的 氨基酸序列 推测相应基因中 脱氧核苷酸序列 生产相应蛋白质 (1)图中过程的主要依据是每种氨基酸都有其对应
14、的_，其位于_分子上，其 上的核苷酸序列与基因中的脱氧核苷酸序列之间存在着_关系。 (2)通过过程获得的脱氧核苷酸序列不是完整的基因，要使这一序列能够表达、发挥作用， 还必须在序列的上、下游加上_和_，在这个过程中需要_ 酶的参与。 (3)完成过程需要涉及_技术。 答案 (1)密码子 mRNA 碱基互补配对 (2)启动子 终止子 DNA 连接 (3)基因工程 解析 (1)由氨基酸可推知 mRNA 中碱基序列， 进而能推知相应基因中的脱氧核苷酸序列。 (2) 经过程获得的脱氧核苷酸序列并非完整的基因，它还必须加入启动子、终止子等，在这个 过程中需要 DNA 连接酶参与。(3)完成过程需基因工程技术，从而实现改造的目的基因的 表达。