高中生物第4章基因工程第4节蛋白质工程的崛起同步备课教学案北师大选修3.docx
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高中生物第4章基因工程第4节蛋白质工程的崛起同步备课教学案北师大选修3
第4节 蛋白质工程的崛起
[目标导读] 1.阅读教材P91～92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，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改造设计，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：
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 应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，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．按照人的意愿将天然蛋白质改造成新的蛋白质
答案 C
解析 蛋白质工程就是指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关系，利用基因工程的手段，按照人的意愿改造蛋白质分子，形成自然界中不存在的蛋白质分子，对蛋白质的改造包括氨基酸的种类、数量和排列顺序，但不包括氨基酸的化学组成。
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．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，使其固定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路，请据图回答下列问题：
1．⑤过程和①②过程有何不同？
答案 ⑤过程和①②过程基本相反。
2．基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？
为什么？
答案 都遵循中心法则。
基因工程指导合成天然蛋白质的过程是遵循中心法则的；蛋白质工程操作时，经改造的基因表达所需要的蛋白质仍需遵循中心法则。
3．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 不同。
（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。
4．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，基因工程只是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
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
蛋白质工程的崛起
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．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，因此不再是天然的蛋白质。
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，并且提高了贮存稳定性。
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显然不再是原来的基因，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。
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．如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题：
（1）构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是____________________________________________________________________。
（2）通过人工合成DNA形成的新基因应与________结合后转移到____________________中才能得到准确表达。
（3）若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有________________、________________和发酵工程。
（4）图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是_______________________。
答案
（1）蛋白质的预期功能
（2）运载体 大肠杆菌等受体细胞 （3）蛋白质工程 基因工程 （4）根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核糖核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因
课时作业
[基础过关]
1．科学家想提高玉米中赖氨酸的含量，计划将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶的第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，这样就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。
下列关于蛋白质的改造的操作中，正确的是（ ）
A．直接通过分子水平改造蛋白质
B．直接改造相应的mRNA
C．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，从而使蛋白质功能可以满足人们的需求。
蛋白质功能与其高级结构密切相关，因蛋白质高级结构非常复杂，所以直接对蛋白质改造非常困难。
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，通过改造基因对蛋白质的改造可以遗传，如对蛋白质直接改造，即使成功也不能遗传。
2．下列关于蛋白质工程的说法，正确的是（ ）
A．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作
B．蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子
C．对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的
D．蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的
答案 B
解析 蛋白质工程是在分子水平上对基因直接进行操作，即通过直接改造基因实现的。
蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程相反，其原理是中心法则的逆推。
3．下列关于蛋白质工程的基本操作程序，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糖核苷酸的序列
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
答案 C
解析 蛋白质工程的操作流程为：
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糖核苷酸序列。
4．下列属于蛋白质工程应用的是（ ）
A．抗虫棉B．巨型鼠
C．鼠—人嵌合抗体D．超级细菌
答案 C
解析 抗虫棉、巨型鼠、超级细菌都是利用基因工程培养出的生物，而鼠—人嵌合抗体是科学家对抗体进行改造产生的。
5．猪的胰岛素用于降低人体血糖浓度效果不明显，原因是猪的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，用蛋白质工程的蛋白质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出一种全新的胰岛素
答案 A
6．下列关于蛋白质工程应用的叙述，不正确的是（ ）
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从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 从大肠杆菌中得到人的胰岛素利用的是基因工程技术。
[能力提升]
7．蛋白质工程是新崛起的一项生物工程，又称第二代基因工程。
下图是蛋白质工程流程图，图中A、B在遗传学上依次表示（ ）
A．转录和翻译B．翻译和转录
C．复制和转录D．传递和表达
答案 A
8．既然蛋白质工程可以改造生物的蛋白质，当然这里所说的生物也包括大熊猫。
因此我们可以通过改造大熊猫体内的某些蛋白质，使大熊猫的生命活动更加适应环境。
推测以下关于改造大熊猫体内某蛋白质的说法中，错误的是（ ）
A．改造后的蛋白质有可能成为一种新抗原，使大熊猫产生免疫反应，从而将其排除或产生过敏反应，因此应慎重施行
B．改造蛋白质是从根本上通过改造基因来实现的
C．改造蛋白质后的大熊猫和现在的大熊猫仍是一个物种
D．改造蛋白质后的大熊猫的后代不具有改造的蛋白质
答案 D
解析 改造蛋白质通过改造基因进行，若在受精卵时期进行改造，则可遗传给后代；而若要像基因治疗一样，在成体进行改造，则不能遗传，其后代无改造的蛋白质。
9．下列关于蛋白质工程技术过程的叙述中，正确的是（ ）
①通过对蛋白质进行结构分析主要是获取蛋白质的结构信息 ②蛋白质的结构预测主要指根据蛋白质分子的氨基酸序列，来对其高级结构进行预测 ③结构预测的目的是构建蛋白质的立体结构模型，从而进行结构和功能的研究以及蛋白质分子设计 ④可利用基因工程的方法对蛋白质进行改造 ⑤所有蛋白质结构的改造都可以通过基因定点诱变技术来实现
A．①③④⑤B．②③④⑤C．①②③④D．①②④⑤
答案 C
10．蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是（ ）
A．基因工程原则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，或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基础上延伸出来的第三代基因工程
答案 B
解析 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，也需要通过转录和翻译来实现，原则上能生产符合人们需要的蛋白质，但和基因工程相比，突出特点是可以改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，而基因工程往往是生产现有的蛋白质。
11．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，据图回答：
（1）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。
（2）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________________。
（3）经过改造的鼠—人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是____________（从免疫角度考虑）。
（4）上述过程中对科学家来说难度最大的是______________________。
答案
（1）蛋白质工程
（2）嵌合抗体功能 嵌合抗体的结构 基因 碱基对 （3）减少对人体的不良反应 （4）设计嵌合抗体的空间结构
解析
（1）通过图示可知鼠—人嵌合抗体是通过人工设计而形成的特定功能蛋白质，其生产过程应属于蛋白质工程的范畴。
（2）蛋白质工程的流程：
预期蛋白质的功能→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糖核苷酸序列（基因）→通过基因工程操作生产预期的蛋白质。
（3）从免疫的角度考虑，对人体来说鼠源抗体为抗原，若利用人的抗体与之嵌合，则排斥反应会减轻，对人体的副作用会减少。
（4）由于蛋白质空间结构比较复杂，不易确定，所以成为蛋白质工程中最大的障碍。
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，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”（请填写）。
（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____________________________________________。
答案
（1）预期蛋白质的功能 蛋白质三维结构 应有的氨基酸序列 相应的脱氧核糖核苷酸序列（基因）
（2）自然界已存在 基因修饰 基因合成 改造
（3）空间（或高级） （4）基因 基因控制蛋白质的合成，并且基因能遗传给下一代
解析 蛋白质工程是研究多种蛋白质的结构和功能、蛋白质折叠、蛋白质分子设计等一系列分子生物学基本问题的一种新型的、强有力的手段。
通过对蛋白质工程的研究，可以深入地揭示生命现象的本质和生命活动的规律。
基因工程遵循中心法则，从DNA→mRNA→蛋白质折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。
蛋白质工程是按照以下思路进行的：
确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列→创造出自然界不存在的蛋白质。
13．科学家将动物体内的能够合成胰岛素的基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌体内表达成功。
请据图回答问题：
（1）图中①DNA是以______________为模板，________________形成单链DNA，在酶的作用下合成双链DNA，从而获得了所需要的基因。
（2）图中②代表的是______________，在它的作用下将质粒（____________DNA）切出______________末端。
（3）图中④表示将______________________________。
⑤表示____________________随大肠杆菌的繁殖而进行______________。
（4）采用蛋白质工程可以对胰岛素进行改造，使之起效时间缩短，保证餐后血糖高峰和血液中胰岛素高峰一致。
如果你是科研工作者，请写出研制速效胰岛素的思路。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（5）下列关于蛋白质工程的说法中，不正确的是（ ）
A．蛋白质工程能将人抗体某些区段替代鼠单克隆抗体的区段，降低鼠单克隆抗体免疫活性
B．蛋白质工程可对酶的催化活性、底物专一性、抗氧化性、热变性、碱变性等加以改变
C．理论上通过对关键氨基酸的转换与增删是进行蛋白质工程的唯一方法
D．蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要
答案
（1）原胰岛素mRNA 反转录
（2）特定的限制性内切酶 环状 黏性
（3）目的基因导入受体细胞 重组DNA 扩增
（4）确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基序列 （5）C
[真题体验]
14．（2015·全国Ⅱ，40）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糖核苷酸序列，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。
答案
（1）氨基酸序列（或结构）（其他答案合理也可）
（2）P P1 DNA和RNA（或遗传物质） DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质（或转录、反转录、翻译）
（3）设计蛋白质的结构 推测氨基酸序列 功能
解析
（1）对蛋白质的氨基酸序列（或结构）进行改造，可达到改变蛋白质的功能的目的。
（2）以P基因序列为基础，获得P1基因，可以对P基因进行修饰改造，也可以用人工方法合成P1基因；中心法则的全部内容包括
，即DNA、RNA的复制、DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质（或转录、反转录、翻译）。
（3）蛋白质工程的基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过设计蛋白质结构和推测氨基酸序列，推测相对应的脱氧核糖核苷酸序列，并获取基因。
经表达的蛋白质，要
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