3.4 基因工程的延伸——蛋白质工程（学生版）-高二生物同步精品讲义（人教版2019选择性必修3）

3.4 基因工程的延伸——蛋白质工程

教学目标

教学重点 

1. 蛋白质工程的基本原理。
2. 依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。

教学难点 

1.   蛋白质工程的基本原理。
2.   依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。

知识点01  蛋白质工程

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，以满足人类的生产和生活的需求。

基础：了解蛋白质的结构和功能

途径：改造或合成基因

目的：改造或制造新蛋白质，满足人类的生产或生活的需要

直接操作对象：基因

结果：产生自然界原本不存在的蛋白质

知识点02  蛋白质工程崛起的缘由

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。

基因工程的不足：原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。

天然蛋白质的不足：天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们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。

如：玉米中赖氨酸含量较低，原因在于天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性受细胞内赖氨酸浓度的影响很大。通过基因修饰或合成，经人工设计改造，可使其叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。

提出了蛋白质工程：

改造或制造一种新的蛋白质来满足需求。

直接操作对象：基因（基因修饰或基因合成）

是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。

知识点03  蛋白质工程的基本原理

1.蛋白质工程的目标：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.蛋白质工程的实质：通过改造或合成基因，来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。

3.天然蛋白质合成的过程：

天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的。基因→表达（转录和翻译）→形成具有特定氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能。

4.蛋白质工程的基本思路：

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。

知识点04  蛋白质工程的应用

1．在医药方面

（1）研发速效胰岛素类似物

（2）延长干扰素体外保存时间

（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应

通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。

2.其他工业方面

蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。

3.农业方面

改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。

利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。

考点01   蛋白质工程的基本原理

天然蛋白质，有的往往不尽人意，需要进行改造。由于蛋白质是由许多氨基酸按一定顺序连接而成的，每一种蛋白质有自己独特的氨基酸顺序，所以改变其中关键的氨基酸就能改变蛋白质的性质。而氨基酸是由三联体密码决定的，只要改变构成遗传密码的一个或两个碱基就能达到改造蛋白质的目的。蛋白质工程的一个重要途径就是根据人们的需要，对负责编码某种蛋白质的基因重新进行设计，使合成的蛋白质变得更符合人类的需要。

所以，蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础之上，融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。其内容主要有两个方面：根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。在此基础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质。

在蛋白质工程中最常采用的技术是定点诱变技术，即在特定的位点改变基因上核苷酸的种类，从而达到改变蛋白质性状的目的。

三维空间结构的测定是验证蛋白质设计的假设，即证明是新结构改变了原有生物功能的必需手段。

当前，蛋白质工程是发展较好、较快的分子工程。这是因为在进行蛋白质分子设计后，已可应用高效的基因工程来进行蛋白的合成。

在医药方面，许多蛋白质工程的目标是设法提高蛋白质的稳定性。在农业方面，蛋白质工程成为改造农业、大幅提高粮食产量的新途径。美国以蛋白质工程作为设计优良微生物农药的新思路，对微生物蛋白质结构进行修改，提高了微生物农药的杀虫率。在工业方面，通过改变酶的动力学特性研制出高效除污酶。另外，利用蛋白质工程研制生物元件来取代“硅芯片”、研制生物计算机开发生物传感器的蛋白质都有重大进展。

【典例1】合成天然不存在的蛋白质应首先设计（　　）

A. 基因结构 B. RNA结构 C. 氨基酸序列 D. 蛋白质结构

【典例2】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

题组A  基础过关练

单项选择题

1.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一种全新的胰岛素

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，使干扰素第十七位的半胱氨酸，改变成丝氨酸，结果大大提高了β-干扰素的抗病活性，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

3.蛋白质工程是新崛起的一项生物工程，如图示意蛋白质工程流程，图中A、B在遗传学上的过程及有关蛋白质工程的说法，正确的是（　　）

A. 转录和翻译蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造
B. 翻译和转录蛋白质工程只能生产天然的蛋白质
C. 翻译和转录蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造
D. 转录和翻译蛋白质工程可以生产自然界原本不存在的蛋白质

4.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

5.蛋白质工程的基本流程是（　　）
①蛋白质分子结构设计  ②DNA合成
③预期蛋白质功能  ④据核苷酸序列推出脱氧核苷酸序列．

A. ①②③④ B. ④②①③ C. ③①④② D. ③④①②

6.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

题组B  能力提升练

一、单项选择题

1.下列关于蛋白质工程及其应用的说法，正确的是（）

A. 蛋白质工程能定向改造蛋白质分子结构，使之更加符合人类需要
B. 蛋白质工程的实质是通过改变氨基酸的结构改变蛋白质的功能
C. 当前限制蛋白质工程发展的关键因素是基因工程技术还不成熟
D. 蛋白质工程技术中的操作对象是蛋白质或控制蛋白质合成的基因

2.作物脱毒、改善畜产品的品质、抗除草剂作物、可保存的干扰素、检测有毒物质、性别鉴定依次是下列哪项生物技术的应用（　　）
①基因工程    ②细胞工程    ③蛋白质工程    ④胚胎工程

A. ①②②③④④ B. ②①①③②④ C. ②①②③②④ D. ②①②④③②

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

4.新冠病毒通过其表面刺突蛋白（S蛋白）的受体结合域(RBD)与人体细胞表面的ACE2受体相互作用，侵入人体细胞。研究人员设计并合成了一种自然界不存在的LCB1蛋白药物，可识别并紧密结合S蛋白的RBD，以干扰新冠病毒的感染。下列叙述错误的是（）

A. LCB1可能与ACE2受体的某些区域结构类似
B. LCB1可以依据S蛋白的RBD结构进行设计
C. LCB1是通过细胞中原有的基因表达产生的
D. LCB1设计和合成是通过蛋白质工程实现的

5.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和功能很相似，只是其热稳定性较差，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. 替换此酶中的少数氨基酸，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蛋白酶
D. 减少此酶在片剂中的含量

6.下列案例是通过实施蛋白质工程获得的是（）

A. 在山羊乳腺生物反应器中表达出人α-抗胰蛋白酶
B. 对胰岛素进行改造，使其成为速效性药品
C. 室温下可保存半年的干扰素的生产
D. 含外源生长激素基因的超级小鼠的培育

7.下列关于蛋白质工程应用的叙述正确的是( )

A. 基因工程药物与天然产物一般相同，蛋白质工程药物与天然产物可能不相同
B. 蛋白质工程和基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质，所以二者没有区别
C. 只有利用蛋白质工程才可以在大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素
D. 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

8.葡萄糖异构酶（GI）在工业上应用广泛，科学工作者确定其肽链上第138位的甘氨酸为目标氨基酸，用脯氨酸替代后提高了酶的热稳定性。下列有关该生物工程技术的叙述错误的是（　　）

A. 该项生物工程技术称为蛋白质工程
B. 确定目的基因的碱基序列后改造目的基因
C. 该过程需用到碱基互补配对原则
D. 在培养基中添加原料，促进新GI基因片段合成GI

9.下图是科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造,生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体的过程。下列说法正确的是 ( )​​​​

A. 生产鼠—人嵌合抗体的过程属于基因工程
B. 对鼠源杂交瘤抗体进行改造的难点是设计嵌合抗体的空间结构
C. 对鼠源杂交瘤抗体进行改造,是通过基因定点诱变技术改造基因实现
D. 鼠—人嵌合抗体的使用对人体不会产生任何不良反应

二、填空题

10.科学家利用单克隆抗体技术，分别获得鼠抗体与人抗体，再将抗体进行改造，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。请据图回答：
 

（1）动物细胞培养过程中应定期更换培养液，其目的是____________________________________（合理即可）。

（2）制备单克隆抗体时，先用特定的选择性培养基进行筛选，获得______________________；然后对上述细胞进行抗体检测，选取____________________________________的细胞进行克隆化培养；最终获得单克隆抗体，其优点是______________________________________________________________。

（3）改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠—人嵌合抗体，属于蛋白质工程的范畴。该过程要根据________________________，设计嵌合抗体的结构，最终对基因进行操作。

题组C  培优拔尖练

一、单项选择题

1.腈水合酶（N0）广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域，但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶（N1）。下列有关叙述错误的是（　　）

A. N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一
B. 加入连接肽需要通过改造基因实现
C. 获得N1的过程需要进行转录和翻译
D. 检测N1的活性时先将N1与底物充分混合，再置于高温环境

2.关于现代生物技术应用的叙述，错误的是( )

A. 蛋白质工程可合成自然界中不存在的蛋白质
B. 体细胞杂交技术可用于克隆动物和制备单克隆抗体
C. 植物组织培养技术可用于植物茎尖脱毒
D. 动物细胞培养技术可用于转基因动物的培育

3.在无氧条件下，酿酒酵母可将木糖转化为乙醇。大致过程如图，科学家利用蛋白质工程对相关酶进行改造，乙醇产量显著提高。下列说法正确的是（　　）

A. 上述过程中利用NAD+的部位主要在细胞质基质和线粒体基质
B. 产生木酮糖时，NAD+变为NADH，NADH进一步与O2结合生成水
C. 科学家利用蛋白质工程对酶改造通过直接改变蛋白质结构来完成
D. 木糖转化为乙醇过程中释放能量，其中有少部分用于合成ATP

4.下列有关蛋白质工程的叙述，错误的是（　　）

A. 蛋白质工程是在分子水平上通过基因修饰或基因合成来完成的
B. 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
C. 蛋白质工程的途径是从预期'蛋白质结构开始，进行氨基酸的增减或替换
D. 蛋白质工程的最终目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，以满足人类的需求

5.酿酒酵母（一种酵母菌）在无氧条件下可以将木糖转化为乙醇。首先，木糖还原酶利用NADPH（还原性辅酶Ⅱ）转化木糖为木糖醇，然后木糖醇脱氢酶利用NAD+（辅酶Ⅰ）转化木糖醇为木酮糖，后者进一步在其它条件下转化为乙醇。科学家利用蛋白质工程对相关酶进行改造，显著提高了乙醇的产量。下列相关说法错误的是（　　）

A. NADPH供氢给木糖后不会转化为NAD+
B. 若两种酶的比例不平衡，可能会造成木糖醇积累
C. 酿酒酵母的线粒体在无氧条件下基本不发挥作用
D. 科学家对相关酶改造的过程中，需要合成全新的基因

6.下列有关蛋白质工程的说法正确的是（　　）

A. 蛋白质工程无需构建基因表达载体
B. 通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍是天然的蛋白质
C. 蛋白质工程需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶
D. 蛋白质工程是在蛋白质分子水平上改造蛋白质的

7.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. 基因工程合成自然界已存在的蛋白质，蛋白质工程可以合成自然界不存在的蛋白质
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

8.科学家为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中的第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叶的游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。下列对蛋白质改造的叙述，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

9.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,就可以在-70℃条件下保存半年,这属于蛋白质工程的范畴。下列相关说法错误的是（）

A. 蛋白质工程可以生产自然界不存在的蛋白质
B. 蛋白质工程生产干扰素的过程不遵循中心法则
C. 对天然干扰素的改造须通过对基因的操作来实现
D. 蛋白质空间结构复杂是蛋白质工程实施难度大的重要原因

二、填空题

10.在体内，人胰岛素基因表达可合成出一条称为前胰岛素原的肽链，此肽链在内质网中经酶甲切割掉氨基端一段短肽后成为胰岛素原，进入高尔基体的胰岛素原经酶乙切割去除中间片段C后，产生A、B两条肽链．再经酶丙作用生成由51个氨基酸残基组成的胰岛素．目前，利用基因工程技术可大量生产胰岛素、回答下列问题：
（1）人体内合成前胰岛素原的细胞是______，合成胰高血糖素的细胞是______；
（2）可根据胰岛素原的氨基酸序列，设计并合成编码胰岛素原的______序列，用该序列与质粒表达载体构建胰岛素原基因重组表达载体．再经过细菌转化、筛选及鉴定，即可建立能稳定合成______的基因工程菌；
（3）用胰岛素原抗体检测该工程菌的培养物时，培养液无抗原抗体反应，菌体有抗原抗体反应，则用该工程菌进行工业发酵时，应从______中分离、纯化胰岛素原，胰岛素原经酶处理便可转变为胰岛素．

11.阅读如下材料：
材料甲：科学家将牛生长激素基因导入小鼠受精卵内，得到了体型巨大的“超级小鼠”：科学家采用农杆菌转化法培育出转基因烟草。
材料乙：T4溶菌酶在温度较高时易失去活性，科学家对编码T4溶菌酶的基因进行改造，使其表达的T4溶菌酶的第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，提高了T4溶菌酶的耐热性。
材料丙：兔甲和兔乙是同一物种的两个雌性个体，科学家将兔甲受精卵发育成的胚胎移植到兔乙的体内，成功产出兔甲的后代，证实了同一物种的胚胎可在不同个体的体内发育。
回答下列问题：
（1）材料甲属于基因工程的范畴。将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用 ______ 法。在培育转基因植物时，常用农杆菌转化法，农杆菌的作用是感染植物，将 ______ 转移到受体细胞中。
（2）材料乙属于 ______ 工程范畴。该工程是指以分子生物学相关理论为基础，通过基因修饰或基因合成，对 ______ 进行改造，或制造一种 ______ 的技术。在该实例中，引起T4溶菌酶空间结构改变的原因是组成该酶肽链的 ______ 序列发生了改变。
（3）材料丙属于胚胎工程的范畴。胚胎移植是指将获得的早期胚胎移植到 ______ 种的、生理状况相同的另一个雌性动物体内，使之继续发育成新个体的技术。在材料丙的实例中，兔甲称为 ______ 体．