1、第第 4 4 节节 蛋白质工程的原理和应用蛋白质工程的原理和应用 蛋白质工程的概念及崛起的缘由 自主梳理 1.蛋白质工程的概念 2.蛋白质工程崛起的缘由 (1)蛋白质工程是指通过直接改造现有蛋白质而产生出符合人类需求的新的蛋白质的工程技术。() 提示：蛋白质工程直接改造的是基因，而非蛋白质。 (2)基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而这种蛋白质不一定完全符合人们生产和生活的需要。() (3)通过改造相关基因，使天冬氨酸激酶上 352 位的苏氨酸变为异亮氨酸，可以大幅度提高玉米种赖氨酸的含量。() 典型例题 (2020 黑龙江哈尔滨市第六中学校高二期末)科学家将 干扰素基因进行定点突
2、变导入大肠杆菌表达， 使干扰素第 17 位的半胱氨酸改变成丝氨酸， 结果大大提高 干扰素的抗病性活性，并且提高了储存稳定性，该生物技术为( ) A.基因工程 B.蛋白质工程 C.基因突变 D.细胞工程 解析 基因工程是将符合人们要求的目的基因导入适宜的生物体内，使其高效表达，从中提取人们所需的蛋白质，或表现出某种性状，得到的蛋白质产品仍然是天然存在的蛋白质，A 与题意不相符；蛋白质工程是对控制蛋白质合成的基因进行改造，从而实现对相应蛋白质的改变，所得到的蛋白质已不是天然存在的蛋白质。B 与题意相符；基因突变是指 DNA 分子中发生碱基对的替换、增添和缺失，而引起的基因结构的改变，C 与题意不相
3、符；细胞工程是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程，D 不符合题意。 答案 B 变式训练 (2020 黑龙江哈尔滨三中高二期末)蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是( ) A.氨基酸结构 B.基因结构 C.蛋白质空间结构 D.肽链结构 解析 蛋白质工程的一般操作程序是：根据预期蛋白质的功能预测蛋白质的空间结构，进而推测多肽链中的氨基酸序列，在此基础上，对已有的基因进行基因修饰或基因合成，对现有的蛋白质进行改造，B 正确。 答案 B 联想质疑 蛋白质工程可以通过对基
4、因进行修饰、加工、对现有蛋白质进行改造，或制造新的蛋白质。 蛋白质工程为什么不直接改造蛋白质？ 提示：改造基因易于操作，且改造后可遗传。 蛋白质工程的基本原理 自主梳理 1.蛋白质工程的目标和基本思路 2.蛋白质工程与基因工程的比较 (1)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设计和改造。() (2)蛋白质工程只能生产自然界已有的蛋白质。() 提示：基因工程只能生产自然界已有的蛋白质，蛋白质工程可以生产自然界没有的蛋白质。 (3)由于基因决定蛋白质，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或合成基因来完成。() 典型例题 (2020 四川邻水实验学校高
5、三月考)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。下列有关说法错误的是( ) 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 解析 蛋白质工程可以通过改造基因来定向改变蛋白质分子的结构， A、 B 正确；改造后
6、的中华鲟具有新的性状，但其和现有中华鲟仍是同一物种，C 正确；蛋白质工程改造的是基因，可以遗传给子代，因此改造后的中华鲟的后代也具有改造的蛋白质，D 错误。 答案 D 变式训练 (2020 江苏高二期末)下列关于基因工程与蛋白质工程的叙述，错误的是( ) A.通过基因工程育种可以定向改变生物的性状 B.常用 PCR 等技术检测目的基因是否插入受体细胞的 DNA 分子中 C.蛋白质工程通过直接改造蛋白质的结构来创造新的蛋白质 D.蛋白质工程中，蛋白质的合成仍然遵循中心法则 解析 基因工程育种可以定向地改变生物的性状，A 正确；常用 PCR 等技术检测目的基因是否成功地插入受体细胞的 DNA 分子
7、中，B 正确；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，是在分子水平上对基因分子直接进行操作，C 错误；蛋白质工程中，蛋白质的合成仍然是通过转录和翻译完成的，所以蛋白质的合成仍遵循中心法则，D 正确。 答案 C 联想质疑 由计算机建立的血红蛋白三维结构模型 基因工程和蛋白质工程的操作水平是分子水平，细胞工程的操作水平是细胞或细胞器水平。 蛋白质工程的应用 自主梳理 (1)改造某些参与调控光合作用的酶， 可以提高光合作用效率， 进而增加粮食产量。() (2)将人抗体上结合抗原的区域“嫁接”到小鼠抗体上，可降低小鼠单克隆抗体诱发人体免疫反应的强度，从而提升治疗效果。() 提示：将小鼠抗
8、体上结合抗原的区域“嫁接”到人抗体上，可降低小鼠单克隆抗体诱发人体免疫反应的强度，从而提升治疗效果。 (3)将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸， 使其在70 的条件下可保存半年，解决了干扰素在体外难以保存的困难。() 典型例题 (2020 天津等级考，16)型糖尿病是因免疫系统将自身胰岛素作为抗原识别而引起的自身免疫病。小肠黏膜长期少量吸收胰岛素抗原，能诱导免疫系统识别该抗原后应答减弱，从而缓解症状。科研人员利用型糖尿病模型小鼠进行动物实验，使乳酸菌在小鼠肠道内持续产生人胰岛素抗原，为此构建重组表达载体，技术路线如下。 据图回答： (1)为使人胰岛素在乳酸菌中高效表达，需改造其编码序列。下
9、图是改造前后人胰岛素 B 链编码序列的起始 30 个核苷酸序列。据图分析，转录形成的 mRNA 中，该段序列所对应的片段内存在碱基替换的密码子数有_个。 (2)在人胰岛素 A、 B 肽链编码序列间引入一段短肽编码序列， 确保等比例表达 A、B 肽链。下列有关分析正确的是_(多选)。 A.引入短肽编码序列不能含终止子序列 B.引入短肽编码序列不能含终止密码子编码序列 C.引入短肽不能改变 A 链氨基酸序列 D.引入短肽不能改变原人胰岛素抗原性 (3)在重组表达载体中，Sac 和 Xba 限制酶仅有图示的酶切位点。用这两种酶充分酶切重组表达载体，可形成_种 DNA 片段。 (4)检测转化的乳酸菌发
10、现，信号肽重组人胰岛素分布在细胞壁上。由此推测，信号肽的合成和运输所经历的细胞结构依次是_ _。 (5)用转化的乳酸菌饲喂型糖尿病模型小鼠一段时间后，小鼠体内出现人胰岛素抗原，能够特异性识别它的免疫细胞有_(多选)。 A.B 细胞 B.T 细胞 C.吞噬细胞 D.浆细胞 解析 (1)密码子为 mRNA 上三个相邻的碱基， 对应 DNA 编码序列上三个相邻的碱基；由图可以看出，与改造前的单链相比，改造后的单链第 6、15、16、18、21、24、30 位(从左往右数)碱基发生了改变，相应发生碱基替换的密码子分别为第 2、5、6、7、8、10 位(从左往右数，其中第 6 位密码子改变了两个碱基)，
11、共 6个。(2)要确保等比例表达 A、B 肽链，控制合成两条肽链的 DNA 只有一个终止子序列，且转录形成的 mRNA 只能有一个终止密码子。为了保证生成的人胰岛素的正常功能， 引入的短肽不能改变A链氨基酸序列， 不能改变原人胰岛素抗原性。(3)由图可以看出， 重组表达载体中有两个Sac 识别序列、 一个Xba 识别序列；Sac 和 Xba 在该环状 DNA 上有三个酶切位点， 用这两种酶充分酶切后可得到3 种 DNA 片段。(4)乳酸菌为原核生物，细胞内无内质网和高尔基体；结合题意推测，信号肽在核糖体上合成后，经过细胞质基质到达细胞膜，出细胞膜后分布在细胞壁上。(5)B 细胞和 T 细胞可以
12、特异性识别抗原；吞噬细胞可以识别抗原，但不具有特异性；浆细胞不能识别抗原。 答案 (1)6 (2)ABCD (3)3 (4)核糖体、细胞质基质、细胞膜、细胞壁 (5)AB 变式训练 (2020 河南省实验中学高二期中)T4 溶菌酶在高温时易失去活性。研究人员对编码 T4 溶菌酶的基因进行改造， 使 T4 溶菌酶第 3 位的异亮氨酸变为半胱氨酸， 该半胱氨酸与第 97 位的半胱氨酸之间形成一个二硫键， 提高了酶的耐热性。下列相关叙述正确的是( ) A.T4 溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸种类和数量发生了改变 B.T4 溶菌酶的改造属于蛋白质工程， 自然界中的酶都可通过蛋白质工程进行改造
13、 C.蛋白质工程与中心法则的流动方向一致，即 DNAmRNA蛋白质 D.若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响 解析 由题意可知， T4 溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸种类及空间结构均发生了改变，但是氨基酸的数量没有改变，A 错误；T4 溶菌酶的改造属于蛋白质工程， 酶大多是蛋白质， 少数是 RNA， 蛋白质工程只能用于改造蛋白质类，B 错误；蛋白质工程与中心法则的流动方向相反，C 错误；若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响，D 正确。 答案 D 联想质疑 利用蛋白质工程改造干扰素 利用蛋白质工程产生的人鼠嵌合体抗体 蛋白质工程在应用
14、中的最大难点在哪里？ 提示：复杂的蛋白质结构与功能之间的关系。 思维导图 晨读必背 1.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，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。 2.基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 3.蛋白质工程的基本思路是：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并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因获得所需要的蛋白质。 4.科学家将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人抗体上，降低了小鼠单克隆抗体诱发人体免疫反应的强度，提升了其治疗效果。 随堂检测 1.(20
15、20 河北高二期末)科学家将胰岛素的第 28 和 29 位的氨基酸调换顺序，成功获得了速效胰岛素，生产速效胰岛素时需要定向改造的对象是( ) A.胰岛素 B.胰岛素 mRNA C.胰岛素基因 D.胰岛 B 细胞 答案 C 2.(2020 大名县第一中学高二期末)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功能相似，只是热稳定性较差，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.对此酶中的少数氨基酸替换，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全新的蛋白酶 D.减少此酶在片剂中的含量 解析 要提高该酶的热
16、稳定性，可以采用蛋白质工程技术替换此酶中的少数氨基酸，以改善其功能，A 正确；蛋白质之间不能进行简单的拼接，B 错误；只需将此酶进行改造即可，不需重新设计与创造一种蛋白酶，C 错误；减少此酶的含量会减少疗效，且剩余的酶仍然容易失效，D 错误。 答案 A 3.(2020 大名县第一中学高二期末)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(性状水平) D.基因工程完全不同于蛋白质工程 解析 基因工程和蛋白质工程都
17、是对基因进行分子水平的操作，A 错误；基因工程合成的是天然存在的蛋白质，而蛋白质工程可以合成自然界不存在的蛋白质，B 正确；基因工程和蛋白质工程都是分子水平的操作，C 错误；蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，又称为第二代基因工程，D 错误。 答案 B 4.(2020 梅河口市第五中学高二月考)科研人员利用相关技术改变了胰岛素 链的第 9 位氨基酸， 从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式， 下列相关叙述中，不正确的是( ) A.胰岛素的本质是蛋白质不宜口服使用 B.可通过测定 DNA 的序列确定突变是否成功 C.该过程的操作对象是胰岛素分子 D.对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程 解析
18、 胰岛素的化学本质是蛋白质，在人体的消化道内会被分解而失效，不宜口服使用， A 正确； 基因突变的本质就是碱基对的增添、 缺失或替换， 通过测定 DNA的序列可确定突变是否成功，B 正确；蛋白质工程的操作对象是基因(DNA)，C错误；对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程，D 正确。 答案 C 5.(2020 安徽合肥高二月考)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 下保存半年，给广大患者带来福音。 (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
19、原理，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”(请填写)。 预期蛋白质的功能设计_推测_找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因获得_。 (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，不一定符合人类生产和生活的需要。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_ _ _。 解析 (1)蛋
20、白质工程的基本思路是：预期蛋白质的功能设计预期蛋白质的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)或合成新的基因获得所需要的蛋白质。(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自然界中存在的蛋白质，不一定符合人类生产生活需要。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，通过基因的改造或合成，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空间结构。(4)对天然蛋白质进行改造，应该通过对基因的操作来实现，原因是基因控制蛋白质的合成，并且基因能遗传给下一代。 答案 (1)预期的蛋白质结构 应有的氨基酸序列 所需要的蛋白质 (2)自然界已存在 基因改造 基因合成 改造 (3)空间(或高级) (4)对基因的操作 基因控制蛋白质的合成，并且基因能遗传给下一代
