选修三14蛋白质工程的崛起

第4节 蛋白质工程的原理和应用[学习目标] 1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。

2.简述蛋白质工程的基本原理。

1．蛋白质工程(1)基础：蛋白质分子的________及其与________的关系。

(2)手段：通过________或______________，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质。

(3)目的：获得满足人类生产和生活需求的________。

(4)困难：蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。

2．蛋白质工程崛起的缘由 (1)崛起缘由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生产自然界中________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。

(2)实例：提高玉米赖氨酸含量 天冬氨酸激酶 (第352位为_______)――→改造天冬氨酸激酶 (第352位为异亮氨酸)二氢吡啶二羧酸合成酶(第104位为_______)――→改造二氢吡啶二羧酸合成酶(第104位为异亮氨酸)改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。

3．蛋白质工程的基本原理(1)目标：根据人们对蛋白质________的特定需求，对蛋白质的________进行设计改造。

(2)方法：改造或合成________。

(3)基本思路：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的________→推测应有的________序列→找到并改变相对应的____________序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。

4．蛋白质工程的应用 (1)医药工业方面①科学家通过对________基因的改造，研发出速效胰岛素类似物产品。

②干扰素(半胱氨酸)――改造干扰素( ) ↓在一定条件下，可以延长保存时间③人－鼠嵌合抗体：降低免疫反应强度。

【成才之路】2021高中生物专题1 第4节蛋白质工程的崛起同步练习新人教版选修3一、选择题1．蛋白质工程制造的蛋白质是( )A．天然蛋白质B．稀有蛋白质C．自然界中不存在的蛋白质D．血红蛋白质[答案] C2．蛋白质工程中 ,要对蛋白质结构进行设计改造 ,必须通过基因修饰或基因合成来完成 ,而不是直接改造蛋白质的原因是( )A．缺乏改造蛋白质所必需的工具酶B．改造基因易于操作且改造后能够遗传C．人类对大多数蛋白质高级|结构知之甚少D．蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化 ,操作难度大[答案] B[解析] 蛋白质工程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 ,以满足人类的生产和生活的需求 .蛋白质工程的直接操作对象是基因 ,并且改造后能够遗传；假设直接改造蛋白质 ,其性状不能遗传 .3．蛋白质工程的根本流程是( )①蛋白质分子结构设计②DNA合成③预期蛋白质功能④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A．①→②→③→④B．④→②→①→③C．③→①→④→②D．③→④→①→②[答案] C4．蛋白质工程的根底是( )A．基因工程B．细胞工程C．发酵工程D．酶工程[答案] A[解析] 蛋白质工程是基因工程的延续 ,是在基因工程根底上开展起来的 .进行蛋白质分子设计后 ,需要应用高效的基因工程来进行蛋白质的合成 .5．蛋白质工程与基因工程相比 ,其突出特点是( )A．基因工程原那么上能生产任何蛋白质B．蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造 ,那么制造一种新的蛋白质C．蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现D．蛋白质工程是在基因工程的根底上延伸出来的第三代基因工程[答案] B[解析] 蛋白质工程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 ,以满足人类的生产和生活的需求 ,是延伸出来的第二代基因工程 .6．以下关于蛋白质工程应用的表达不正确的选项是( )A．蛋白质工程可以改造酶的结构 ,提高酶的热稳定性B．通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性C．利用蛋白质工程可以在大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素D．蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰 ,合成速效型胰岛素制剂[答案] C[解析] 蛋白质工程是依据人们设计的蛋白质分子结构 ,来改造基因 ,进而控制合成新的蛋白质或改变自然界中的蛋白质 ,而在大肠杆菌中生产人胰岛素利用基因工程技术便可到达 .二、非选择题7．(2021·德州检测)以下图为蛋白质工程操作的根本思路 ,请据图答复以下问题：(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是__________________ ,代表中|心法那么内容的是__________ .(填写数字)(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：①____________ ,②__________ ,③__________ ,④____________ ,⑤____________ .(3)蛋白质工程的目的是________________ ,通过___________________________实现 .(4)从图中可以看出蛋白质工程的根本途径与中|心法那么是____________的 .[答案] (1)④⑤①②③(2)转录翻译折叠分子设计DNA合成(3)对蛋白质的结构进行分子设计基因合成或改造(4)相反8．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 .(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______性 ,埃斯特尔所做的工作是对蛋白质进行_________________________________________________________________ .[答案] (1)蛋白质工程(2)1(3)稳定少数氨基酸的替换[解析] 此题考查蛋白质工程的有关问题 .基因中的3个碱基对决定mRNA上3个碱基 ,mRNA上3个相邻碱基决定一个氨基酸 .利用生物技术改造蛋白质能够提高蛋白质的稳定性 .一、选择题1．科学家为提高玉米中赖氨酸含量 ,方案将天冬氨酸激酶的第352位苏氨酸变成异亮氨酸 ,将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的氨基酸由天冬氨酸变成异亮氨酸 ,这样就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍 .以下对蛋白质的改造 ,操作正确的选项是( )A．直接通过分子水平改造蛋白质B．直接改造相应的mRNAC．对相应的基因进行操作D．重新合成新的基因[答案] C[解析] 蛋白质工程的目的是对蛋白质进行改造 ,从而使蛋白质的功能满足人们的需要 .而蛋白质功能与其高级|结构密切相关 ,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 ,改造后的基因可以遗传 ,如对蛋白质直接改造 ,即使成功也不能遗传 .2．当前医学上 ,蛋白质工程药物正逐步取代第|一代基因工程多肽蛋白质类替代治疗剂 ,那么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[答案] C3．(2021·潍坊检测)以下关于蛋白质工程和基因工程的比拟 ,不合理的是( )A．基因工程原那么上只能生产自然界已存在的蛋白质 ,而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造 ,从而制造一种新的蛋白质B．蛋白质工程是在基因工程的根底上开展起来的 ,蛋白质工程最|终还是要通过基因修饰或基因合成来完成C．当得到可以在－70℃条件下保存半年的干扰素后 ,在相关酶、氨基酸和适宜的温度、pH条件下 ,干扰素可以大量自我合成D．基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的[答案] C[解析] 基因工程原那么上只能生产自然界已存在的蛋白质 ,而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造 ,从而制造一种新的蛋白质；蛋白质工程是在基因工程的根底上开展起来的 ,蛋白质工程最|终还是要通过基因修饰或基因合成来完成 ,这样产生的改变才能遗传下去；蛋白质不是遗传物质 ,不可能自我合成；由于基因工程和蛋白质工程都是对基因进行操作 ,因此 ,基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的 .4．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从氨基酸的排列顺序出发设计全新的蛋白质④直接改变蛋白质的空间结构A．①②B．①②③C．②③④D．①②④[答案] B[解析] 蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时 ,不能直接改变蛋白质的空间结构 .但是能进行少数和氨基酸的替换 ,能对不同来源的蛋白质进行拼接 ,能够从氨基酸的排列顺序出发设计全新的蛋白质 .故此题的正确的答案为B .5．葡萄糖异构酶(GI)在工业上应用广泛 ,为提高其热稳定性 ,科学家对GI基因进行体外定点诱变 ,以脯氨酸(Pro138)替代Gly138 ,含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达 ,结果最|适反响温度提高10～12℃ .这属于( )A．基因工程B．蛋白质工程C．发酵工程D．酶工程[答案] B[解析] 酶工程的重点在对于已存在的酶合理充分利用(如加酶洗衣粉、嫩肉粉等) ,而蛋白质工程的重点那么在于对已存在的蛋白质分子的改造 .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 ,答案选B .6．猪的胰岛素用于人体降低血糖浓度效果不明显 ,原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的胰岛素不同 .为了使猪胰岛素临床用于人治疗糖尿病 ,用蛋白质工程的蛋白质分子设计的最|正确方案是( )A．将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．将猪胰岛素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[答案] A[解析] 猪胰岛素同人胰岛素只有一个氨基酸不同 ,只要替换掉这个氨基酸就可以了 ,制造一种全新的胰岛素非常困难 ,而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担忧的 .二、非选择题7．绿色荧光蛋白(GFP)能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光 ,这样借助GFP发出的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况 ,帮助推断蛋白质的功能 .如图为我国首|例绿色荧光蛋白(GFP)转基因克隆猪的培育过程示意图 ,据图答复：(1)图中通过过程①、②形成重组质粒 ,需要限制酶切取目的基因、切割质粒 .限制酶Ⅰ的识别序列和切点是 -G↓GATCC - ,限制酶Ⅱ的识别序列和切点是 -↓GATC - .在质粒上有酶I的一个切点 ,在目的基因的两侧各有1个酶Ⅱ的切点 .在DNA连接酶的作用下 ,上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接起来 ?________ ,理由是_________________________________________________________ .(2)过程③将重组质粒导入猪胎儿成纤维细胞时 ,采用最|多也最|有效的方法是________________________________________________________________________ .(3)如果将切取的GFP基因与抑制小猪抗原表达的基因一起构建到载体上 ,GFP基因可以作为基因表达载体上的标记基因,其作用是______________________________________ .获得的转基因克隆猪 ,可以解决的医学难题是________________________________ .(4)目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等 ,采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白过程的正确顺序是：________(用序号表示) .①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列②蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计③蓝色荧光蛋白基因的修饰(合成)④表达出蓝色荧光蛋白[答案] (1)可以连接由两种不同限制酶切割后形成的黏性末端是相同的(或是可以互补的)(2)显微注射技术(3)鉴定受体细胞中是否含有目的基因供体器官缺乏和免疫排斥(4)②①③④[解析] 此题考查基因程和蛋白质工程的相关知识 .(1)由于两种限制酶切割形成的黏性末端是相同的 ,可以互补配对 ,因此可用DNA连接酶进行相互 "缝合〞 .(2)基因工程中目的基因导入动物细胞的方法是显微注射法 .(3)基因表达载体上标记基因的作用是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因；获得转基因猪 ,可以解决医学上供体器官缺乏和免疫排斥问题 .(4)蛋白质下程操作流程的正确顺序是②、①、③、④ .8．以下图表示形成鼠 -人嵌合抗体的过程 .请据图答复：(1)改造鼠源抗体 ,生产鼠 -人嵌合抗体 ,属于________(生物工程)的范畴 .图示该过程中 ,根据预期的嵌合抗体功能 ,设计嵌合抗体的结构 ,最|终必须对________进行操作 .(2)从鼠杂交瘤细胞中获得可变区的特定基因 ,然后与人的抗体恒定区基因连接 ,需要的工具酶是________ .重组基因是否翻译成蛋白质 ,需要从转基因鼠中别离、提取________ ,利用相应的抗体进行抗原 -抗体杂交 .(3)在鼠 -人嵌合抗体进入人体内后 ,识别抗原的区域是________区 ,引起人体免疫反响的主要是________区；经过改造的鼠 -人嵌合抗体 ,与鼠源杂交瘤抗体相比拟 ,突出的优点是________ .[答案] (1)蛋白质工程基因(2)限制性核酸内切酶和DNA连接酶蛋白质(3)可变恒定对人体的不良反响(或过敏反响等副作用)减少[解析] 根据题目的图示 ,可以看到是对蛋白质进行了改造 ,将鼠抗体的可变区与人抗体的恒定区进行了组合 ,这种操作属于蛋白质工程 .蛋白质工程最|终要通过对基因的改造、合成来对蛋白质进行改造 .抗原具有特异性 ,不同的抗原需要不同的抗体来特异性地识别 ,所以识别不同抗原的区域应该是可变的 .。

第4节蛋白质工程的原理和应用A组基础对点练题组一蛋白质工程1．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．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．蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发，设计出相应的基因，并借助基因工程实现〖答案〗 B〖解析〗基因的结构决定蛋白质的结构，对蛋白质的结构进行设计改造是通过改造或合成基因来完成的，而不是直接对蛋白质分子进行操作。

2．科学家将β­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β­干扰素的抗病毒活性，并且提高了储存稳定性。

该生物技术为()A．蛋白质工程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不再是原来的基因，其合成的β­干扰素也不是天然β­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。

3．从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。

目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是()A．合成编码目的肽的DNA片段B．构建含目的肽DNA片段的表达载体C．依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽D．筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽〖答案〗 C〖解析〗由题可知，多肽P1为抗菌性和溶血性均较强的多肽，要设计出抗菌性强但溶血性弱的多肽，即在P1的基础上设计出自然界原本不存在的蛋白质，用蛋白质工程技术可以实现。

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→找到相对应的脱氧核苷酸序列。

故要想在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是依据P1的氨基酸序列设计出多条模拟肽，然后进行改造，从而确定抗菌性强但溶血性弱的多肽的氨基酸序列。

高中生物选修3 教材答案【精心校对、修改版】♫1.1 DNA重组技术的基本工具（一）思考与探究1.限制酶在DNA的任何部位都能将DNA切开吗？以下是四种不同限制酶切割形成的DNA 片段：(1) …CTGCA (2) …AC (3) GC…（4）…G…G …TG CG……CTTAA(5) G… (6) …GC(7) GT…(8)AATTC…ACGTC… …CG C A…G…你是否能用DNA连接酶将它们连接起来？答：2和7能连接形成…ACGT……TGCA…；4和8能连接形成…GAATTC……CTTAAG…；3和6能连接形成…GCGC……CGCG…；1和5能连接形成…CTGCAG……GACGTC…。

2.联系你已有的知识，想一想，为什么细菌中限制酶不剪切细菌本身的DNA？提示：迄今为止，基因工程中使用的限制酶绝大部分都是从细菌或霉菌中提取出来的，它们各自可以识别和切断DNA上特定的碱基序列。

细菌中限制酶之所以不切断自身DNA，是因为微生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，对于外源入侵的DNA可以降解掉。

生物在长期演化过程中，含有某种限制酶的细胞，其DNA分子中或者不具备这种限制酶的识别切割序列，或者通过甲基化酶将甲基转移到所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开。

这样，尽管细菌中含有某种限制酶也不会使自身的DNA被切断，并且可以防止外源DNA的入侵（本题不要求学生回答的完全，教师可参考教师用书中的提示，根据学生的具体情况，给予指导。

上述原则也应适用于其他章节中有关问题的回答）。

3.天然的DNA分子可以直接用做基因工程载体吗？为什么？提示：基因工程中作为载体使用的DNA分子很多都是质粒（plasmid），即独立于细菌拟核DNA之外的一种可以自我复制、双链闭环的裸露的DNA分子。

是否任何质粒都可以作为基因工程载体使用呢？其实不然，作为基因工程使用的载体必需满足以下条件。

（1）载体DNA必需有一个或多个限制酶的切割位点，以便目的基因可以插入到载体上去。

高中生物选修三现代生物技术专题全套教学案含单元检测专题一基因工程本专题包括基因工程的发展过程；DNA重组技术的基本工具；基因工程的基本操作程序；基因工程的应用；蛋白质工程的崛起等部分。

b5E2RGbCAP基因工程是一门20世纪70年代以来新兴的生物科学与工程技术相结合的科学。

也叫DNA重组技术。

它是按照人类的意愿，将某种基因有计划地转移到另一种生物中去的新技术。

现已成为生命科学中发展最快、最前沿的学科，有关生物工程的内容，己成为近几年生物高考的热点内容。

其中基因工程的操作工具和基因工程操作的基本步骤以及基因工程的成果及应用前景将是近年命题的新热点plEanqFDPw基因工程操作的三种基本工具，四项基本操作程序等内容将成为考查学生分析综合问题能力的材料；另外，针对生物工程在医药、食品、农林等高新技术产业中的应用，运用有关的生物知识指导生产和实践，对有关的生产方案、生产过程进行分析、综合评价，这也是高考的另一热点。

有关基因工程的备考，今后高考中可能涉及到本考题的热点问题，有如下几个方面：DXDiTa9E3d1•基因工程的基本步骤：目的基因的获取、基因表达运载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因表达的检测与鉴定几个步骤。

RTCrpUDGiT2•转基因技术的应用：（1）转基因动植物，如抗虫、抗病、抗逆、抗除草剂，抗倒伏的植物；产肉、产蛋量高、生长快、耐粗饲料的动物；此外，转基因动物为人类异体器官移植提供了可能。

（2）基因药物：如人造胰岛素、人造生长激素、溶血栓的尿激酶原等。

（3）基因治疗：美国对复合型免疫缺陷症的治疗；糖尿病的治疗：许多科学家希望利用基因工程手段将正常的合成胰岛素基因导入患者体内，并准确表达，以此来修复或替代失去正常功能的胰岛B细胞，从而维持机体血糖平衡。

（4）利用遗传工程培养转基因固氮绿色植物的展望。

地球上的固氮途径有三条：生物固氮、工业固氮、高能固氮。

其中，生物固氮是植物可利用氮的主要来源。