高中生物人教版 (2019)选择性必修3第4节 蛋白质工程的原理和应用教学设计及反思

第4节　蛋白质工程的原理和应用

一、蛋白质工程

1．概念

(1)基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。

(2)手段：通过基因改造或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质。

(3)目的：获得满足人类的生产和生活需求的蛋白质。

2．理论和技术条件：分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。

二、蛋白质工程崛起的缘由

1．基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。

2．基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界中已存在的蛋白质。

3．天然蛋白质的不足：天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。

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氨基酸被替换，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。

三、蛋白质工程的基本原理

1．目标：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改造。

2．方法：改造基因或合成基因。

3．流程：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(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。

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：科学家通过改造胰岛素基因使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，从而有效抑制了胰岛素的聚合，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半胱氨酸变成丝氨酸，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结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。

2．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突变体。

(2)改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．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。  (×)

提示：蛋白质工程中直接改造的是基因，不是蛋白质。

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。 (√)

4．基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。 (×)

提示：蛋白质工程的基本思路是按照中心法则相反的过程进行的。

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。               (×)

提示：由于密码子的简并性，根据某多肽链的一段氨基酸序列，不能确定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。               (√)

　蛋白质工程与基因工程的比较

合作探究：(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。

(2)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守中心法则，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→蛋白质应用的高级结构→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。

1．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)操作

D．基因工程完全不同于蛋白质工程

B　[基因工程和蛋白质工程均是对基因进行操作，A错误。基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程可以合成非天然存在的蛋白质，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。基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状，但只能生产自然界已存在的蛋白质；蛋白质工程是通过修改基因或创造合成新基因来合成新的蛋白质，改变生物的遗传性状，蛋白质工程不完全同于基因工程，蛋白质工程被称为第二代基因工程，D错误。]

2．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。

[解析]　(1)根据题意可知，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DNA和RNA的复制、DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质。(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，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，并获取基因。经表达的蛋白质，要对其进行生物功能鉴定。

[答案]　(1)氨基酸序列(或结构)　(2)P　P1　DNA和RNA(或遗传物质)

DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转录、翻译)

(3)设计蛋白质的结构　推测氨基酸序列　功能

“三看法”判断基因工程和蛋白质工程

(1)一看对基因的操作方法

如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。

(2)二看目的基因的合成方式

基因工程和蛋白质工程中都可以通过反转录合成目的基因，或根据蛋白质的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。如果合成时mRNA或氨基酸序列没有经过改造，则为基因工程技术；如果mRNA或氨基酸序列经过了改造，或mRNA或氨基酸序列是根据蛋白质预期的功能人工设计的，则为蛋白质工程技术。

(3)三看合成的蛋白质种类

如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。

[课堂小结]

1．蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是(　　)

A．氨基酸结构

B．蛋白质空间结构

C．肽链结构

D．基因结构

D　[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需求。因此蛋白质工程最终还是要对基因进行改造。]

2．蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是(　　)

A．基因功能

B．蛋白质功能

C．氨基酸序列

D．mRNA密码子序列

B　[蛋白质工程依据蛋白质功能，设计蛋白质结构，再推测并合成相应的基因。]

3．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

C　[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苷酸序列(即基因)→修改或合成的基因表达出相应的蛋白质。]

4．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，结果最适反应温度提高10～12 ℃。这属于生物工程中的(　　)

A．基因工程    　　 B．蛋白质工程

C．发酵工程     D．酶工程

B　[酶工程的重点在于对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则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。]

5．糖尿病是近年来高发的“富贵病”，常见类型有遗传型糖尿病和Ⅱ型糖尿病。遗传型糖尿病的主要病因之一是胰岛受损。科研机构作出如下设计：取糖尿病患者的细胞，将人的正常胰岛素基因导入其中，然后进行细胞培养，诱导产生胰岛组织，重新植入患者的胰岛，使胰岛恢复功能。Ⅱ型糖尿病需要注射胰岛素治疗。目前临床使用的胰岛素制剂注射120 min后才出现高峰，与人体生理状态不符。科研人员通过一定的工程技术手段，将胰岛素B链的28号和29号氨基酸互换，获得了速效胰岛素，速效胰岛素已通过临床试验。

(1)对遗传型糖尿病进行基因治疗的方案中，胰岛素基因称为________，实验室中要先对该基因利用________技术进行扩增。将该基因导入正常细胞所用的方法是________。

(2)科研人员利用蛋白质工程合成速效胰岛素，该技术的实验流程为：

其中，流程A是________________，流程B是________________。

(3)与基因工程相比，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__________或基因________，对现有蛋白质进行________，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产生活需要。

[解析]　(1)根据题意，在进行基因治疗时，胰岛素基因是目的基因，在体外条件下可利用PCR技术对其进行扩增，在基因工程中将目的基因导入动物细胞的常用方法是显微注射法。(2)根据蛋白质工程的流程示意图，可知整个流程是根据预期蛋白质的功能设计蛋白质的三维结构，然后推测相应的氨基酸序列，并找到相应的脱氧核苷酸序列，最后合成相应的蛋白质。(3)与基因工程相比，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，以满足人类的生产生活需要。

[答案]　(1)目的基因　PCR　显微注射法　(2)预期蛋白质的功能　相应的氨基酸序列　(3)修饰　合成　改造