第4节 蛋白质工程的原理和应用
1．概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，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、生产目标蛋白的过程。
知识点 蛋白质工程的原理和应用
1．蛋白质工程的概念
(1)基础
________分子的结构规律及其与__________的关系。
(2)操作方法
改造或合成______。
(3)结果
改造现有________，或制造一种新的________。
(4)目的
获得满足人类生产和生活的需求的蛋白质。
(5)与基因工程的关系
在__________的基础上，延伸出来的第二代基因工程。
2．蛋白质工程崛起的缘由
(1)基因工程的实质和不足
①实质：将一种生物的基因转移到________________，后者可以产生它本不能产生的________，进而表现出__________。
②基因工程存在的不足：原则上只能生产自然界中________的蛋白质。
(2)蛋白质工程的崛起
①理论和技术条件：____________、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
②天然蛋白质存在不足：天然蛋白质的____________符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合________________的需要。
③实例
蛋白质缺陷 改造措施 改造后效果
玉米中赖氨 酸含量低 赖氨酸合成中两种酶的氨基酸被替换 玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍
3．蛋白质工程的基本原理
(1)目标
根据人们对________功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。
(2)方法
______或__________。
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？
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
(3)基本思路
基于蛋白质的合成过程和蛋白质工程的基本思路，完成下列填空：
①________；②________；③______；④__________；A推测应有的____________；B找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(______)或合成新的______；C______；D______。
2．如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？说明你的理由。
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4．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____________使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了______________，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__________变成________，在一定条件下，可以延长保存时间。
③改造抗体：将小鼠抗体上________________“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________。
②改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造某些参与______________的酶，以提高植物光合作用的效率。
基于蛋白质工程的原理及应用的认识，判断下列表述是否正确。
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。 ( )
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。 ( )
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。 ( )
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。 ( )
胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下，并且要经过较长时间才能进入血液中，而进入血液的胰岛素又容易被分解，因此，治疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程。
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什么？
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2．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什么？
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3．若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到哪些生物工程技术？
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
蛋白质工程和基因工程的比较
项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 起点 预期蛋白质功能 目的基因
过 程 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成新的基因→表达出蛋白质 获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
实 质 通过改造或合成相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的 基因重组
结 果 可以创造出自然界不存在的蛋白质 生产自然界已存在的蛋白质
应 用 及 现 状 ①主要集中在对现有蛋白质进行改造，如干扰素、天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等 ②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少 ①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化 ②基因治疗仅处于初期的临床试验阶段
联 系 ①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质 ②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
1．下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述中，正确的是( )
A．蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够
B．基因工程和蛋白质工程都可以生产自然界不存在的蛋白质
C．不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是所有生物共用一套遗传密码
D．基因工程的直接操作对象是基因，蛋白质工程的直接操作对象是蛋白质
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。请回答下列问题：
(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。
“二看法”判断基因工程和蛋白质工程
1．核心概念
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，以满足人类生产和生活的需求。
2．结论语句
(1)基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。
(2)蛋白质工程并不是直接改造蛋白质分子的结构，而是通过基因操作来实现对天然蛋白质的改造。
(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。
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．蛋白质的空间结构
C．肽链结构 D．基因结构
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
3．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的过程的正确顺序是( )
①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列 ②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构 ③合成蓝色荧光蛋白基因 ④表达出蓝色荧光蛋白
A．①②③④ B．②①③④
C．②③①④ D．④②①③
4．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主要原因是( )
A．缺乏改造蛋白质所必需的工具酶
B．蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大
C．人类对大多数蛋白质的高级结构知之甚少
D．改造基因易于操作且改造后能够遗传
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2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。2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。请回答下列问题：
(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，来________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。
第4节 蛋白质工程的原理和应用
知识点
自主梳理
1．(1)蛋白质 生物功能 (2)基因 (3)蛋白质 蛋白质 (5)基因工程 2.(1)另一种生物体内 蛋白质 新的性状 已存在 (2)分子生物学 结构和功能 人类生产和生活 3．(1)蛋白质 (2)改造 合成基因 (3)蛋白质 多肽链 mRNA 目的基因 氨基酸序列 基因 基因 转录 翻译 4．(1)胰岛素基因 胰岛素的聚合 半胱氨酸 丝氨酸 结合抗原的区域 (2)突变体 调控光合作用
微思考
1．提示：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。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．提示：不唯一，因为一种氨基酸有一种或多种密码子，因此获得的基因总的碱基排列顺序有多种。
基础诊断
1．× 提示：蛋白质工程中直接改造的是基因，不是蛋白质。
2．√ 3．√
4．× 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．× 提示：由于密码子的简并，根据某多肽链的一段氨基酸序列，不容易确定基因的脱氧核苷酸序列。
6．√
合作探究
1．提示：新胰岛素模型的氨基酸序列。
2．提示：根据新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成新的胰岛素基因。
3．提示：蛋白质工程、基因工程、发酵工程。
对点练习
1．A [蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够，A正确；基因工程生产自然界已有的蛋白质，蛋白质工程生产自然界中不存在的蛋白质，B错误；不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是不同来源的DNA分子具有相同的结构及遵循碱基互补配对原则，C错误；蛋白质工程需要进行基因修饰或合成，其直接操作对象仍然是基因，D错误。]
2．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，通过设计预期的蛋白质结构和推测应有的氨基酸序列，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)设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 功能
课堂检测素养测评
1．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。因此蛋白质工程最终还是要直接对基因进行改造。]
2．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．B [参照蛋白质工程的基本思路，采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构→①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列→③合成蓝色荧光蛋白基因→④表达出蓝色荧光蛋白。]
4．D [蛋白质工程应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，原因是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，而且改造过后蛋白质可以遗传下去，如果对蛋白质直接进行改造，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。]
5．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，然后推测应有的氨基酸序列，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。
答案：(1)目的基因 PCR 显微注射法 (2)预期蛋白质的功能 应有的氨基酸序列 (3)改造或合成 改造
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第4节 蛋白质工程的原理和应用
第3章 基因工程
1．概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，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、生产目标蛋白的过程。
课标要求
对应学生用书第96页
1．蛋白质工程的概念
(1)基础
________分子的结构规律及其与__________的关系。
(2)操作方法
改造或合成______。
知识点 蛋白质工程的原理和应用
蛋白质
生物功能
基因
(3)结果
改造现有________，或制造一种新的________。
(4)目的
获得满足人类生产和生活的需求的蛋白质。
(5)与基因工程的关系
在__________的基础上，延伸出来的第二代基因工程。
蛋白质
蛋白质
基因工程
2．蛋白质工程崛起的缘由
(1)基因工程的实质和不足
①实质：将一种生物的基因转移到________________，后者可以产生它本不能产生的________，进而表现出__________。
②基因工程存在的不足：原则上只能生产自然界中________的蛋白质。
另一种生物体内
蛋白质
新的性状
已存在
(2)蛋白质工程的崛起
①理论和技术条件：____________、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
②天然蛋白质存在不足：天然蛋白质的____________符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合________________的需要。
分子生物学
结构和功能
人类生产和生活
③实例
蛋白质缺陷 改造措施 改造后效果
玉米中赖氨 酸含量低 赖氨酸合成中两种酶的氨基酸被替换 玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍
3．蛋白质工程的基本原理
(1)目标
根据人们对________功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。
(2)方法
______或__________。
蛋白质
改造
合成基因
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：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。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。
(3)基本思路
基于蛋白质的合成过程和蛋白质工程的基本思路，完成下列填空：
①________；②________；③______；④__________；A推测应有的____________；B找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(______)或合成新的______；C______；D______。
蛋白质
多肽链
mRNA
目的基因
氨基酸序列
基因
基因
转录
翻译
2．如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？说明你的理由。
提示：不唯一，因为一种氨基酸有一种或多种密码子，因此获得的基因总的碱基排列顺序有多种。
4．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____________使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了______________，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__________变成________，在一定条件下，可以延长保存时间。
③改造抗体：将小鼠抗体上________________“嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。
胰岛素基因
胰岛素的聚合
半胱氨酸
丝氨酸
结合抗原的区域
(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________。
②改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造某些参与______________的酶，以提高植物光合作用的效率。
突变体
调控光合作用
基于蛋白质工程的原理及应用的认识，判断下列表述是否正确。
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，根据某多肽链的一段氨基酸序列，不容易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。 ( )
×
×
√
胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下，并且要经过较长时间才能进入血液中，而进入血液的胰岛素又容易被分解，因此，治疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程。
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什么？
提示：新胰岛素模型的氨基酸序列。
2．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什么？
提示：根据新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成新的胰岛素基因。
3．若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到哪些生物工程技术？
提示：蛋白质工程、基因工程、发酵工程。
深化归纳
蛋白质工程和基因工程的比较
项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 起点 预期蛋白质功能 目的基因
过 程 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成新的基因→表达出蛋白质 获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 实质 通过改造或合成相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的 基因重组
结果 可以创造出自然界不存在的蛋白质 生产自然界已存在的蛋白质
应 用 及 现 状 ①主要集中在对现有蛋白质进行改造，如干扰素、天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等 ②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少 ①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化
②基因治疗仅处于初期的临床试验阶段
项目 蛋白质工程 基因工程
联 系 ①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质 ②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 对点练习
1．下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述中，正确的是( )
A．蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够
B．基因工程和蛋白质工程都可以生产自然界不存在的蛋白质
C．不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是所有生物共用一套遗传密码
D．基因工程的直接操作对象是基因，蛋白质工程的直接操作对象是蛋白质
√
A [蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够，A正确；基因工程生产自然界已有的蛋白质，蛋白质工程生产自然界中不存在的蛋白质，B错误；不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是不同来源的DNA分子具有相同的结构及遵循碱基互补配对原则，C错误；蛋白质工程需要进行基因修饰或合成，其直接操作对象仍然是基因，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。请回答下列问题：
(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。
氨基酸序列(或结构)
(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：____________________________ ________________________________________。
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)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。
设计预期的蛋白质结构
推测应有的氨基酸序列
功能
[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，通过设计预期的蛋白质结构和推测应有的氨基酸序列，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。
方法技巧 “二看法”判断基因工程和蛋白质工程
1．核心概念
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，以满足人类生产和生活的需求。
2．结论语句
(1)基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。
(2)蛋白质工程并不是直接改造蛋白质分子的结构，而是通过基因操作来实现对天然蛋白质的改造。
(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。
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．蛋白质的空间结构
C．肽链结构 D．基因结构
课堂检测 素养测评
2
4
3
题号
1
5
√
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。因此蛋白质工程最终还是要直接对基因进行改造。]
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
√
2
4
3
题号
1
5
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．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的过程的正确顺序是( )
①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列 ②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构 ③合成蓝色荧光蛋白基因 ④表达出蓝色荧光蛋白
A．①②③④ B．②①③④
C．②③①④ D．④②①③
√
2
4
3
题号
1
5
B [参照蛋白质工程的基本思路，采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构→①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列→③合成蓝色荧光蛋白基因→④表达出蓝色荧光蛋白。]
2
4
3
题号
1
5
4．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主要原因是
( )
A．缺乏改造蛋白质所必需的工具酶
B．蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大
C．人类对大多数蛋白质的高级结构知之甚少
D．改造基因易于操作且改造后能够遗传
2
4
3
题号
1
5
√
D [蛋白质工程应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，原因是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，而且改造过后蛋白质可以遗传下去，如果对蛋白质直接进行改造，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
4
3
题号
1
5
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2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。2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。请回答下列问题：
2
4
3
题号
1
5
(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________________。
2
4
3
题号
1
5
目的基因
PCR
显微注射法
预期蛋白质的功能
应有的氨基酸序列
(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，来______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
4
3
题号
1
5
改造或合成
改造
[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，然后推测应有的氨基酸序列，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
4
3
题号
1
5
课时分层作业(16)
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蛋白质工程的原理和应用
（WORD版）
巩固课堂所学 · 激发学习思维
夯实基础知识 · 熟悉命题方式
自我检测提能 · 及时矫正不足
本节课掌握了哪些考点？
本节课还有什么疑问点？
课后训练
学习反思
课时小结
THANKS课时分层作业(16) 蛋白质工程的原理和应用
题组一 蛋白质工程的基本原理
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
2．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是( )
A．蛋白质工程的实质是改造基因
B．蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列
C．蛋白质工程的基础是基因工程
D．蛋白质工程遵循的原理包括中心法则
3．下列各项与蛋白质工程没有直接关系的是( )
A．利用各种高科技手段分析蛋白质的分子结构
B．研究并改变某种蛋白质相关基因的碱基序列
C．设计和制造自然界中没有的人工蛋白质
D．将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶
4．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位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。下列对蛋白质的改造，操作正确的是( )
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
5．干扰素是动物体内的一种蛋白质，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，在一定条件下，可以延长保存时间，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”：(填写在方框内)
(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，不一定完全符合________________的需求。
(3)蛋白质工程实施的难度很大，主要原因是蛋白质具有十分复杂的________结构。
题组二 蛋白质工程的应用
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
7．科研人员利用相关技术改变了胰岛素B链的第9位氨基酸，从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述中，不正确的是( )
A．胰岛素的本质是蛋白质，不宜口服使用
B．可通过测定DNA的序列确定突变是否成功
C．对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程
D．该过程的操作对象是胰岛素分子
8．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，有广阔的发展前景。下列关于蛋白质工程的描述，正确的是( )
A．由于需要对蛋白质直接改造，因此操作更难
B．由于蛋白质不能遗传，因此蛋白质工程的产物不能大量生产
C．蛋白质工程需要设计出相应的基因
D．蛋白质工程在各个领域都有广泛应用
9．赖氨酸是人体必需氨基酸之一，能促进人体发育、增强免疫功能，并有提高中枢神经组织功能的作用。某农科所科技人员欲通过将玉米某种蛋白酶改造成M酶，从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量，以期待培育出高赖氨酸玉米新品种。请回答下列问题：
(1)科技人员先从“提高玉米种子中赖氨酸的含量”这一功能出发，预期构建出________的结构，再推测出相对应目的基因的____________序列，最终合成出M酶基因。
(2)科技人员获得M酶基因后，常利用________技术在体外将其大量扩增，此过程需要一种特殊的酶是________________________。
(3)M酶基因只有插入______________________________，才能确保M酶基因在玉米细胞中得以稳定遗传。科技人员将M酶基因导入玉米细胞中需要借助__________的运输。
(4)依据________________的原理，可将含有M酶基因的玉米细胞培育成转M酶基因的玉米植株。为了确保育种成功，科技人员需要通过____________________ __________________________________________________________，从个体生物学水平加以鉴定。
10．下图表示蛋白质工程的操作过程，相关说法不正确的是( )
A．a、b过程分别是转录、翻译
B．蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作
C．蛋白质工程是完全摆脱基因工程技术的一项全新的生物工程技术
D．蛋白质工程中可能构建出一种全新的基因
11．下列关于蛋白质工程的叙述，不正确的是( )
A．可以根据人类的需要，设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质
B．可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域
C．可以通过基因工程间接地改造蛋白质中特定的一个或几个氨基酸
D．可以通过人工化学合成的方法直接对蛋白质的氨基酸进行改造
12．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N0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
13．(2023·辽宁选择性考试)天然β-淀粉酶大多耐热性差，不利于工业化应用。我国学者借助PCR改造β-淀粉酶基因，并将改造的基因与pLN23质粒重组后导入大肠杆菌，最终获得耐高温的β-淀粉酶。回答下列问题：
(1)上述过程属于________工程。
(2)PCR中使用的聚合酶属于________(填写编号)。
①以DNA为模板的RNA聚合酶
②以RNA为模板的RNA聚合酶
③以DNA为模板的DNA聚合酶
④以RNA为模板的DNA聚合酶
(3)某天然β-淀粉酶由484个氨基酸构成，研究发现，将该酶第476位天冬氨酸替换为天冬酰胺，耐热性明显提升。在图1所示的β-淀粉酶基因改造方案中，含已替换碱基的引物是________(填写编号)。
(4)为了使上述改造后的基因能在大肠杆菌中高效表达，由图2所示的pLN23质粒构建得到基因表达载体。除图示信息外，基因表达载体中还应该有目的基因(即改造后的基因)和________。
(5)目的基因(不含EcoRⅠ酶切位点)全长为1.5 kb，将其插入BamHⅠ位点。用EcoRⅠ酶切来自不同大肠杆菌菌落的质粒DNA，经琼脂糖凝胶电泳确定DNA片段长度，这一操作的目的是____________________________。正确连接的基因表达载体被EcoRⅠ酶切后长度为________kb。
(6)采用PCR还能在分子水平上确定目的基因是否转录，根据中心法则，可通过________反应获得PCR的模板。
课时分层作业(16)
1 2 3 4 6 7 8 10 11 12
D B D C C D C C D D
5．(1)预期的蛋白质的功能 预期的蛋白质结构 应有的氨基酸序列 相对应的脱氧核苷酸序列(基因) (2)自然界已存在 人类生产和生活 (3)空间(或高级)
9．(1)M酶 脱氧核苷酸 (2)PCR Taq DNA聚合酶(或耐高温的DNA聚合酶) (3)玉米细胞的染色体DNA上 (基因表达)载体 (4)植物细胞具有全能性 测定玉米种子中赖氨酸含量
13．(1)蛋白质 (2)③ (3)② (4)标记基因 (5)筛选导入目的基因的大肠杆菌 5.7 (6)逆转录
1．D [合成天然不存在的蛋白质属于蛋白质工程。实施蛋白质工程的前提是了解蛋白质的结构与功能的关系，首先要从设计蛋白质的结构入手，然后再根据基因工程的方法通过基因修饰或基因合成，合成相应的蛋白质，从而实现对蛋白质的改造。]
2．B [蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是预期的蛋白质功能，B错误。]
3．D [将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶是基因工程的成果，与蛋白质工程没有直接关系，D符合题意。]
4．C [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。蛋白质行使功能与其高级结构密切相关，而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，通过改造基因而改造蛋白质可以遗传，而对蛋白质直接改造，即使成功也不能遗传。]
5．(1)蛋白质工程的前期操作流程是预期蛋白质的功能→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苷酸序列(基因)。(2)基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质，这种蛋白质可能不符合人类生产和生活的需求。(3)蛋白质的空间(或高级)结构十分复杂，根据预期功能来推测蛋白质结构相当困难。
6．C [蛋白质工程是依据人们设计的蛋白质分子的结构来改造基因，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达到。]
7．D [胰岛素的本质是蛋白质，不宜口服使用，A正确；可通过测定DNA的序列确定突变是否成功，B正确；对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程，C正确；蛋白质工程的操作对象是基因，D错误。]
8．C [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，是在分子水平上对基因直接进行操作的，A错误；分子水平上对基因直接进行操作，使其遗传物质发生改变，可以遗传给下一代，B错误；蛋白质工程对基因直接进行操作，需要推测出应有的氨基酸序列，设计出相应的基因，C正确；蛋白质工程的发展并不成熟，仍需一段时间提升，目前并不能在各个领域广泛应用，D错误。]
9．(1)欲通过将玉米某种蛋白酶改造成M酶，则应该利用蛋白质工程，先预期构建出M酶(蛋白质)的结构，再推测出相对应目的基因的脱氧核苷酸序列，最终合成出M酶基因。(2)基因工程中，获取的目的基因一般利用PCR技术进行扩增，操作过程中需要耐高温的DNA聚合酶(Taq DNA聚合酶)的催化。(3)要想确保M酶基因在玉米细胞中得以稳定遗传，必须将M酶基因插入玉米细胞的染色体DNA上；将M酶基因(目的基因)导入玉米细胞中需要借助(基因表达)载体的运输。(4)将含有M酶基因的玉米细胞培育成转M酶基因的玉米植株可利用植物组织培养技术，依据的原理是植物细胞的全能性。科技人员需要通过测定玉米种子中赖氨酸含量，从个体生物学水平加以鉴定，以确保育种成功。
10．C [a过程是以DNA的一条链为模板合成mRNA的转录过程，b过程是以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的多肽链的翻译过程，A正确；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，因此蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作，B、D正确；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错误。]
11．D [蛋白质工程是在原有蛋白质的基础上，根据人们的需求对蛋白质分子作出的定向的改造，可以设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质，A正确；蛋白质工程可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域，B正确；可以通过基因工程有目的地改造蛋白质中特定的一个或几个氨基酸，以获得人类所需要的目的蛋白质，C正确；蛋白质工程属于第二代基因工程，不能通过人工化学合成的方法直接对蛋白质的氨基酸进行改造，D错误。]
12．D [在N0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)，则N1与N0氨基酸序列有所不同，这可能是影响其热稳定性的原因之一，A正确；蛋白质工程的作用对象是基因，即加入连接肽需要通过改造基因实现，B正确；N1为蛋白质，蛋白质的合成需要经过转录和翻译两个过程，C正确；酶具有高效性，检测N1的活性需先将其和底物分别置于高温环境，再让其与底物充分混合，D错误。]
13．(1)根据蛋白质的功能改变基因的结构，最终获得耐高温的β-淀粉酶，这属于蛋白质工程。(2)PCR的原理是DNA双链复制，利用的酶是耐高温的DNA聚合酶，合成子链时是以DNA为模板。(3)根据β-淀粉酶的编码序列，替换的碱基在编码序列中，则利用的引物应该把编码序列全部扩增在内，则所用的引物是②③，又因为②引导合成转录的模板链，且替换的是第476位氨基酸，所以含已替换碱基的引物是②。(4)作为基因工程载体的质粒应该包含：复制原点、限制酶的切割位点、标记基因、启动子和终止子，根据图示的载体可知基因表达载体中还应包括目的基因和标记基因。(5)目的基因通过基因表达载体导入大肠杆菌中，大肠杆菌菌落的质粒DNA，经琼脂糖凝胶电泳确定DNA片段长度，这一操作的目的是筛选出导入目的基因的大肠杆菌。正确连接的基因表达载体只有一个EcoRⅠ酶切位点，则切割后的长度为4.2＋1.5＝5.7 kb。(6)可以RNA为模板逆转录出DNA作为PCR反应的模板。
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