【学案】第3章 基因工程：第4节蛋白质工程的原理和应用（word版含解析）
文档属性
| 名称 | 【学案】第3章 基因工程：第4节蛋白质工程的原理和应用（word版含解析） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 163.0KB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2022-03-14 09:34:45 | ||
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文档简介
基因工程：
第4节 蛋白质工程的原理和应用
学有目标——新课程标准必明 记在平时——核心语句必背
1.概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质分子的设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。 2．举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。 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．蛋白质工程并不是直接对蛋白质的结构进行设计改造，而是通过改造或合成基因来实现。 3．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。
一、理清主干知识
一、蛋白质工程的概念
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。
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：原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，但这些蛋白质不一定符合人类生产和生活的需要。
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．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。
四、蛋白质工程的应用
1．进展
(1)通过对胰岛素的改造，研发速效胰岛素类似物。
(2)延长干扰素的保存时间。
(3)降低小鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度。
(4)改进酶的性能或开发新的工业用酶。
2．面临困难：蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构十分复杂。
二、诊断自学效果
1．判断下列叙述的正误
(1)蛋白质工程可以合成自然界中不存在的蛋白质(√)
(2)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(×)
(3)蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是现有基因的脱氧核苷酸序列(×)
(4)蛋白质工程在实施中遇到的最大难题是对大多数蛋白质的高级结构不清楚(√)
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
解析：选C 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，这属于蛋白质工程；而蛋白质工程直接操作对象是基因，因此生产速效胰岛素时需要定向改造的对象是胰岛素基因。
3．2008年诺贝尔化学奖授予了三位在研究绿色荧光蛋白(GFP)方面做出突出贡献的科学家。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( )
①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的脱氧核苷酸序列 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合成 ④表达出蓝色荧光蛋白
A．①②③④ B．②①③④
C．②③①④ D．④②①③
解析：选B 根据蛋白质工程的基本途径可知，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②蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计→①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的脱氧核苷酸序列→③蓝色荧光蛋白基因的合成→④表达出蓝色荧光蛋白。
4．下列关于蛋白质工程应用的叙述，错误的是( )
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．利用蛋白质工程将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成赖氨酸就可得到能长期保存的干扰素
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
解析：选C 蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳定性，A正确；通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性，B正确；利用蛋白质工程将干扰素分子上的一个半胱氨酸变为丝氨酸就可以生产出能在低温下长期保存的干扰素，C错误；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，D正确。
[在探究中学明]
基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，这些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。蛋白质工程的目标是生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质。结合图示回答有关问题：
1．写出流程图中字母代表的含义：
A．预期功能；B._氨基酸序列；C.改造或合成；D._转录；E._翻译。
2．上图字母中属于中心法则的过程有_D、E_，属于蛋白质工程的过程有_A、C。
3．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？原因是什么？
提示：应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。主要原因是①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基
因的结构相对简单，容易改造；②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。
4．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？
提示：不同。体现：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。
[在深化中提能]
1．基因工程和蛋白质工程的基本思路
(1)基因工程遵循中心法则，即其基本思路为：DNA→mRNA→多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能。因此基因工程基本上是生产出自然界已有的蛋白质。
(2)蛋白质工程是按照以下思路进行的：预期的蛋白质的功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变基因应有的碱基序列或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
2.蛋白质工程与基因工程的区别和联系
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→获得所需蛋白质 获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
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 可生产自然界没有的蛋白质 只能生产自然界已有的蛋白质
联系 ①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 ②基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造
[在应用中落实]
1．蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是( )
A．基因工程生产的天然蛋白质完全符合人类生产和生活的需要
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．蛋白质工程是通过直接的蛋白质修饰或蛋白质合成来完成的
解析：选B 基因工程生产的天然蛋白质有一些不符合人类生产和生活的需要；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；蛋白质工程中合成的蛋白质需要经过转录和翻译；蛋白质工程是在基因工程的基础上，通过改造或合成基因，来改造蛋白质，或合成自然界不存在的新的蛋白质。
2．蛋白质工程是指根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计、生产的过程。如图是蛋白质工程的基本途径，请回答下列有关问题：
(1)图中③过程的主要依据是每种氨基酸都有其对应的________，后者位于________分子上，其上的核苷酸序列与基因中的脱氧核苷酸序列之间存在着______________关系。
(2)通过③过程获得的脱氧核苷酸序列不是完整的基因，要使这一序列能够表达、发挥作用，还必须在序列的上、下游加上__________和__________，在这个过程中需要________酶的参与。
(3)完成④过程需要涉及________技术。
(4)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。
解析：(1)③过程是由氨基酸序列推出相对应的脱氧核苷酸序列，氨基酸与脱氧核苷酸之间的联系枢纽是信使RNA，信使RNA由脱氧核糖核酸转录形成，而密码子是信使RNA上特定的能决定一个氨基酸的三个相邻的碱基。(2)由人工合成的基因只是基因的编码序列，完整的基因还包括启动子、终止子等结构，把启动子、终止子等DNA片段连接到基因的编码区需要DNA连接酶。(3)由基因合成蛋白质的过程涉及重组DNA(基因工程)技术。(4)人们对蛋白质复杂的高级结构及其形成原理和过程尚不清楚，因此，蛋白质工程实施的难度很大。
答案：(1)密码子 信使RNA 碱基互补配对 (2)启动子 终止子 DNA连接 (3)重组DNA(基因工程) (4)高级
[在探究中学明]
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，主要依据是蛋白质的预期功能。
2．通过人工合成DNA形成的新基因应与载体结合后转移到大肠杆菌等受体细胞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蛋白质工程、基因工程和发酵工程。
4．根据图解，从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是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苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因。
[在应用中落实]
1．下列关于蛋白质工程应用的叙述，正确的是( )
A．基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的
B．蛋白质工程和基因工程的目的是获得人类需要的蛋白质，所以二者没有区别
C．只有通过蛋白质工程才可以利用大肠杆菌表达重组人胰岛素
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
解析：选A 基因工程和蛋白质工程产生的变异都导致遗传物质发生了改变，因此都是可遗传的，A正确；蛋白质工程和基因工程的目的是获得人类需要的蛋白质，但前者可以产生自然界中没有的蛋白质，而后者所得蛋白质是自然界中已有的，B错误；可通过基因工程利用大肠杆菌生产人的胰岛素，C错误；干扰素不能进行自我合成，D错误。
2．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。科学家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。请回答下列问题：
(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，提高了蛋白质的稳定性，科学家所做的工作是对已知蛋白质进行______________________________。
(4)要改造蛋白质结构，最终是通过改造基因来实现的。请说明原因：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)若要获得新型蛋白质，需用到的生物工程有蛋白质工程、______________和发酵工程。
解析：(1)由题意可知，改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是蛋白质工程。(2)由题意，该改造过程是将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替换，因此改造后的枯草杆菌中控制合成蛋白酶的基因与原来相比，至少有1个碱基对发生变化。(3)利用生物技术改造蛋白质，提高了蛋白质的稳定性，科学家所做的工作是对已知蛋白质进行少数氨基酸的替换。(4)因为改造基因操作更容易，且改造后可以遗传，所以要改造蛋白质结构，最终是通过改造基因来实现的。(5)若要获得新型蛋白质，需用到的生物工程有蛋白质工程、基因工程和发酵工程。
答案：(1)蛋白质工程 (2)1 (3)少数氨基酸的替换 (4)改造基因的操作更容易，且改造后可以遗传
(5)基因工程
[课堂巩固落实]
1．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是( )
A．实质是通过改造基因来改造蛋白质
B．能生产出自然界不曾存在过的蛋白质分子
C．蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的
D．蛋白质工程遵循的原理包括中心法则
解析：选C 蛋白质工程的实质是通过改造基因来改造蛋白质，A正确；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，B正确；蛋白质工程的流程中需要从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构并推测应有的氨基酸序列，从而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，天然蛋白质合成中并没有上述过程，C错误；蛋白质工程遵循的原理包括中心法则，D正确。
2．凝乳酶是奶酪生产中的关键性酶。通过蛋白质工程生产高效凝乳酶，不需要的步骤是( )
A．蛋白质的结构设计
B．蛋白质的结构和功能分析
C．凝乳酶基因的定向改造
D．将定向改造的凝乳酶导入受体细胞
解析：选D 蛋白质的结构设计、蛋白质的结构和功能分析均属于蛋白质工程的步骤；蛋白质工程通过改造基因来实现对蛋白质的改造；应将定向改造的凝乳酶基因导入受体细胞，而不是将定向改造的凝乳酶导入受体细胞。
3．科学家为提高玉米中赖氨酸含量，计划将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变为异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变为异亮氨酸。下列操作正确的是( )
A．直接改造上述两种蛋白质的空间结构
B．对指导上述两种酶蛋白合成的mRNA进行改造
C．利用诱变育种技术促使上述两种酶蛋白的基因突变
D．利用基因工程技术，对控制上述两种酶蛋白的基因进行改造
解析：选D 蛋白质工程的直接操作对象是基因，A、B错误；利用基因工程技术，对控制上述两种酶蛋白的基因进行改造，C错误，D正确。
4．人的T细胞可以产生某种具有临床价值的蛋白质(Y)。该蛋白质由一条多肽链组成。目前可以利用现代生物技术生产Y。回答下列问题。
(1)若要获得Y的基因，可从人的T细胞中提取______作为模板，在____________催化下合成cDNA。再利用________技术在体外扩增获得大量Y的基因。
(2)将目的基因导入植物细胞常用的方法是农杆菌转化法。若将上述所得Y的基因插入农杆菌Ti质粒上的________中，得到含目的基因的重组Ti质粒，则可用农杆菌转化法将该基因导入某种植物的叶肉细胞中。若该叶肉细胞经培养、筛选等得到了能稳定表达Y的愈伤组织，则说明Y的基因已经_________________________。
(3)天然的Y通常需要在低温条件下保存。假设将Y的第6位氨基酸甲改变为氨基酸乙可提高其热稳定性，若要根据蛋白质工程的原理对Y进行改造以提高其热稳定性，具体思路是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)cDNA是以mRNA为模板，在逆转录酶的催化下，通过逆转录过程合成的。若要获得大量目的基因可利用PCR在体外扩增获得。(2)若用农杆菌转化法将该基因导入某种植物的叶肉细胞中，需将目的基因插入农杆菌Ti质粒上的TDNA中。若该叶肉细胞经培养、筛选等得到了能稳定表达Y的愈伤组织，则说明Y的基因已经整合到叶肉细胞染色体DNA上。(3)若要根据蛋白质工程的原理对Y进行改造以提高其热稳定性，应该通过对基因的操作来实现。
答案：(1)mRNA 逆转录酶 PCR (2)TDNA 整合到叶肉细胞染色体DNA上 (3)找到第6位氨基酸中的碱基所在的基因位置，参照密码子表，将第6位氨基酸甲的碱基替换为氨基酸乙的碱基
第4节 蛋白质工程的原理和应用
学有目标——新课程标准必明 记在平时——核心语句必背
1.概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质分子的设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。 2．举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。 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．蛋白质工程并不是直接对蛋白质的结构进行设计改造，而是通过改造或合成基因来实现。 3．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。
一、理清主干知识
一、蛋白质工程的概念
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。
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：原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，但这些蛋白质不一定符合人类生产和生活的需要。
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．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。
四、蛋白质工程的应用
1．进展
(1)通过对胰岛素的改造，研发速效胰岛素类似物。
(2)延长干扰素的保存时间。
(3)降低小鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度。
(4)改进酶的性能或开发新的工业用酶。
2．面临困难：蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构十分复杂。
二、诊断自学效果
1．判断下列叙述的正误
(1)蛋白质工程可以合成自然界中不存在的蛋白质(√)
(2)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(×)
(3)蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是现有基因的脱氧核苷酸序列(×)
(4)蛋白质工程在实施中遇到的最大难题是对大多数蛋白质的高级结构不清楚(√)
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
解析：选C 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，这属于蛋白质工程；而蛋白质工程直接操作对象是基因，因此生产速效胰岛素时需要定向改造的对象是胰岛素基因。
3．2008年诺贝尔化学奖授予了三位在研究绿色荧光蛋白(GFP)方面做出突出贡献的科学家。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( )
①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的脱氧核苷酸序列 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合成 ④表达出蓝色荧光蛋白
A．①②③④ B．②①③④
C．②③①④ D．④②①③
解析：选B 根据蛋白质工程的基本途径可知，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②蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计→①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的脱氧核苷酸序列→③蓝色荧光蛋白基因的合成→④表达出蓝色荧光蛋白。
4．下列关于蛋白质工程应用的叙述，错误的是( )
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．利用蛋白质工程将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成赖氨酸就可得到能长期保存的干扰素
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
解析：选C 蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳定性，A正确；通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性，B正确；利用蛋白质工程将干扰素分子上的一个半胱氨酸变为丝氨酸就可以生产出能在低温下长期保存的干扰素，C错误；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，D正确。
[在探究中学明]
基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，这些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。蛋白质工程的目标是生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质。结合图示回答有关问题：
1．写出流程图中字母代表的含义：
A．预期功能；B._氨基酸序列；C.改造或合成；D._转录；E._翻译。
2．上图字母中属于中心法则的过程有_D、E_，属于蛋白质工程的过程有_A、C。
3．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？原因是什么？
提示：应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。主要原因是①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基
因的结构相对简单，容易改造；②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。
4．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？
提示：不同。体现：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。
[在深化中提能]
1．基因工程和蛋白质工程的基本思路
(1)基因工程遵循中心法则，即其基本思路为：DNA→mRNA→多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能。因此基因工程基本上是生产出自然界已有的蛋白质。
(2)蛋白质工程是按照以下思路进行的：预期的蛋白质的功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变基因应有的碱基序列或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
2.蛋白质工程与基因工程的区别和联系
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→获得所需蛋白质 获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
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 可生产自然界没有的蛋白质 只能生产自然界已有的蛋白质
联系 ①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 ②基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造
[在应用中落实]
1．蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是( )
A．基因工程生产的天然蛋白质完全符合人类生产和生活的需要
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．蛋白质工程是通过直接的蛋白质修饰或蛋白质合成来完成的
解析：选B 基因工程生产的天然蛋白质有一些不符合人类生产和生活的需要；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；蛋白质工程中合成的蛋白质需要经过转录和翻译；蛋白质工程是在基因工程的基础上，通过改造或合成基因，来改造蛋白质，或合成自然界不存在的新的蛋白质。
2．蛋白质工程是指根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计、生产的过程。如图是蛋白质工程的基本途径，请回答下列有关问题：
(1)图中③过程的主要依据是每种氨基酸都有其对应的________，后者位于________分子上，其上的核苷酸序列与基因中的脱氧核苷酸序列之间存在着______________关系。
(2)通过③过程获得的脱氧核苷酸序列不是完整的基因，要使这一序列能够表达、发挥作用，还必须在序列的上、下游加上__________和__________，在这个过程中需要________酶的参与。
(3)完成④过程需要涉及________技术。
(4)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。
解析：(1)③过程是由氨基酸序列推出相对应的脱氧核苷酸序列，氨基酸与脱氧核苷酸之间的联系枢纽是信使RNA，信使RNA由脱氧核糖核酸转录形成，而密码子是信使RNA上特定的能决定一个氨基酸的三个相邻的碱基。(2)由人工合成的基因只是基因的编码序列，完整的基因还包括启动子、终止子等结构，把启动子、终止子等DNA片段连接到基因的编码区需要DNA连接酶。(3)由基因合成蛋白质的过程涉及重组DNA(基因工程)技术。(4)人们对蛋白质复杂的高级结构及其形成原理和过程尚不清楚，因此，蛋白质工程实施的难度很大。
答案：(1)密码子 信使RNA 碱基互补配对 (2)启动子 终止子 DNA连接 (3)重组DNA(基因工程) (4)高级
[在探究中学明]
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，主要依据是蛋白质的预期功能。
2．通过人工合成DNA形成的新基因应与载体结合后转移到大肠杆菌等受体细胞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蛋白质工程、基因工程和发酵工程。
4．根据图解，从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是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苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因。
[在应用中落实]
1．下列关于蛋白质工程应用的叙述，正确的是( )
A．基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的
B．蛋白质工程和基因工程的目的是获得人类需要的蛋白质，所以二者没有区别
C．只有通过蛋白质工程才可以利用大肠杆菌表达重组人胰岛素
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
解析：选A 基因工程和蛋白质工程产生的变异都导致遗传物质发生了改变，因此都是可遗传的，A正确；蛋白质工程和基因工程的目的是获得人类需要的蛋白质，但前者可以产生自然界中没有的蛋白质，而后者所得蛋白质是自然界中已有的，B错误；可通过基因工程利用大肠杆菌生产人的胰岛素，C错误；干扰素不能进行自我合成，D错误。
2．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。科学家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。请回答下列问题：
(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，提高了蛋白质的稳定性，科学家所做的工作是对已知蛋白质进行______________________________。
(4)要改造蛋白质结构，最终是通过改造基因来实现的。请说明原因：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)若要获得新型蛋白质，需用到的生物工程有蛋白质工程、______________和发酵工程。
解析：(1)由题意可知，改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是蛋白质工程。(2)由题意，该改造过程是将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替换，因此改造后的枯草杆菌中控制合成蛋白酶的基因与原来相比，至少有1个碱基对发生变化。(3)利用生物技术改造蛋白质，提高了蛋白质的稳定性，科学家所做的工作是对已知蛋白质进行少数氨基酸的替换。(4)因为改造基因操作更容易，且改造后可以遗传，所以要改造蛋白质结构，最终是通过改造基因来实现的。(5)若要获得新型蛋白质，需用到的生物工程有蛋白质工程、基因工程和发酵工程。
答案：(1)蛋白质工程 (2)1 (3)少数氨基酸的替换 (4)改造基因的操作更容易，且改造后可以遗传
(5)基因工程
[课堂巩固落实]
1．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是( )
A．实质是通过改造基因来改造蛋白质
B．能生产出自然界不曾存在过的蛋白质分子
C．蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的
D．蛋白质工程遵循的原理包括中心法则
解析：选C 蛋白质工程的实质是通过改造基因来改造蛋白质，A正确；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，B正确；蛋白质工程的流程中需要从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构并推测应有的氨基酸序列，从而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，天然蛋白质合成中并没有上述过程，C错误；蛋白质工程遵循的原理包括中心法则，D正确。
2．凝乳酶是奶酪生产中的关键性酶。通过蛋白质工程生产高效凝乳酶，不需要的步骤是( )
A．蛋白质的结构设计
B．蛋白质的结构和功能分析
C．凝乳酶基因的定向改造
D．将定向改造的凝乳酶导入受体细胞
解析：选D 蛋白质的结构设计、蛋白质的结构和功能分析均属于蛋白质工程的步骤；蛋白质工程通过改造基因来实现对蛋白质的改造；应将定向改造的凝乳酶基因导入受体细胞，而不是将定向改造的凝乳酶导入受体细胞。
3．科学家为提高玉米中赖氨酸含量，计划将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变为异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变为异亮氨酸。下列操作正确的是( )
A．直接改造上述两种蛋白质的空间结构
B．对指导上述两种酶蛋白合成的mRNA进行改造
C．利用诱变育种技术促使上述两种酶蛋白的基因突变
D．利用基因工程技术，对控制上述两种酶蛋白的基因进行改造
解析：选D 蛋白质工程的直接操作对象是基因，A、B错误；利用基因工程技术，对控制上述两种酶蛋白的基因进行改造，C错误，D正确。
4．人的T细胞可以产生某种具有临床价值的蛋白质(Y)。该蛋白质由一条多肽链组成。目前可以利用现代生物技术生产Y。回答下列问题。
(1)若要获得Y的基因，可从人的T细胞中提取______作为模板，在____________催化下合成cDNA。再利用________技术在体外扩增获得大量Y的基因。
(2)将目的基因导入植物细胞常用的方法是农杆菌转化法。若将上述所得Y的基因插入农杆菌Ti质粒上的________中，得到含目的基因的重组Ti质粒，则可用农杆菌转化法将该基因导入某种植物的叶肉细胞中。若该叶肉细胞经培养、筛选等得到了能稳定表达Y的愈伤组织，则说明Y的基因已经_________________________。
(3)天然的Y通常需要在低温条件下保存。假设将Y的第6位氨基酸甲改变为氨基酸乙可提高其热稳定性，若要根据蛋白质工程的原理对Y进行改造以提高其热稳定性，具体思路是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)cDNA是以mRNA为模板，在逆转录酶的催化下，通过逆转录过程合成的。若要获得大量目的基因可利用PCR在体外扩增获得。(2)若用农杆菌转化法将该基因导入某种植物的叶肉细胞中，需将目的基因插入农杆菌Ti质粒上的TDNA中。若该叶肉细胞经培养、筛选等得到了能稳定表达Y的愈伤组织，则说明Y的基因已经整合到叶肉细胞染色体DNA上。(3)若要根据蛋白质工程的原理对Y进行改造以提高其热稳定性，应该通过对基因的操作来实现。
答案：(1)mRNA 逆转录酶 PCR (2)TDNA 整合到叶肉细胞染色体DNA上 (3)找到第6位氨基酸中的碱基所在的基因位置，参照密码子表，将第6位氨基酸甲的碱基替换为氨基酸乙的碱基