《创新课堂》第3章第4节 蛋白质工程的原理和应用 讲义（教师版）-高中生物学选择性必修3（人教版）同步讲练测
文档属性
| 名称 | 《创新课堂》第3章第4节 蛋白质工程的原理和应用 讲义（教师版）-高中生物学选择性必修3（人教版）同步讲练测 |
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| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 652.0KB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2026-02-07 00:00:00 | ||
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文档简介
第4节 蛋白质工程的原理和应用
[课标内容]
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、生产目标蛋白质的过程。
一、蛋白质工程的概念
二、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)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 将赖氨酸合成过程中两种关键酶中的个别氨基酸替换 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
三、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．基本思路逆用“中心法则”
四、蛋白质工程的应用
1．医药工业方面
2．其他工业方面：改进酶的性能或开发新的工业用酶。
提高酶的使用价值
3．农业方面
(1)增加粮食的产量：改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
(2)研发新型农药：通过改造__________________________________的结构，设计优良微生物农药。增强其防治病虫害的效果
[答案自填] 蛋白质 生物功能 改造或合成
蛋白质 蛋白质 基因工程 另一种生物体内 蛋白质 新的性状 已存在 分子生物学 结构和功能 人类生产和生活
蛋白质 设计 改造或合成 mRNA
多肽链 天冬氨酸 丝氨酸 结合抗原 微生物蛋白质
(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)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。( )
(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。( )
提示：(1)× 蛋白质工程中直接改造或合成的是基因，不是蛋白质。
(2)× 蛋白质工程可只改变蛋白质分子中特定的氨基酸序列。
(3)√
(4)× 蛋白质工程的基本思路是按照与中心法则相反的过程进行的。
(5)× 由于密码子的简并性，不能根据某多肽链的一段氨基酸序列确定控制该肽链合成的基因的脱氧核苷酸序列。
(6)√
【知识框架】
核心点 蛋白质工程的原理和应用
基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。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。结合下图回答有关问题：
(1)写出流程图中字母代表的含义：
A．________；B．________；C．________；D．________；E.________。
(2)上图字母中属于中心法则的过程有________，属于蛋白质工程的过程有___________________________________________________________________。
(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？
(4)蛋白质工程被称为“第二代基因工程”，请概述二者的根本区别及联系。
提示：(1)预期功能 氨基酸序列 改造或合成 转录 翻译
(2)D、E A、C、D、E
(3)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)二者的根本区别是基因工程只能控制合成自然界中已存在的蛋白质，蛋白质工程可以制造出符合人类需要的但自然界中没有的蛋白质。二者的联系表现在蛋白质工程离不开基因工程，蛋白质工程在改造基因时需要用到与基因工程有关的工具酶，需要构建基因表达载体；改造后的基因要表达出相应的蛋白质，同样需要将改造或合成的基因导入受体细胞。
基因工程和蛋白质工程的比较
项目 基因工程 蛋白质工程
区别 起点 目的基因 预期蛋白质功能
过程 筛选和获取目的基因→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 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→获得所需要的蛋白质
实质 基因重组 通过改造相应的基因或合成新的基因达到对蛋白质进行改造的目的
结果 生产自然界中已存在的蛋白质 可以创造出自然界中不存在的蛋白质
应用及现状 已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化，但基因治疗仅处于试验阶段，未实践应用 主要集中在对现有蛋白质进行改造，如天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等。对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质的高级结构非常复杂，人们对此知之甚少
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，因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质必须通过改造或合成基因实现
1．(2024·安徽合肥高二期末)枯草杆菌蛋白酶广泛应用于洗涤剂、食品等行业。某研究小组利用蛋白质工程将该蛋白酶中第188位丙氨酸替换为脯氨酸、第239位谷氨酰胺替换为精氨酸、第262位缬氨酸替换为亮氨酸，结果发现枯草杆菌蛋白酶的催化活性大幅度提高。下列叙述错误的是( )
A．蛋白质工程最终要达到的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息
B．对枯草杆菌蛋白酶进行分子设计必须从预期蛋白酶的功能出发
C．通过基因工程和蛋白质工程生产的枯草杆菌蛋白酶的氨基酸序列不同
D．改造后的枯草杆菌蛋白酶可能是空间结构发生改变导致其催化活性提高
解析：选A。通过获取编码蛋白质的基因序列信息，进而合成或改造相关的基因，并最终获得符合人们需求的蛋白质，这是蛋白质工程的最终目的，A项错误。
2．下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述，错误的是( )
A．将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法
B．设计扩增目的基因的引物时，不必考虑表达载体的序列
C．蛋白质工程是通过改造或合成基因，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新蛋白质的技术
D．蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程有所差别
解析：选B。将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法，A正确；设计的引物应能与表达载体两端的序列互补配对，B错误；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，C正确；蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是不完全相同的，D正确。
1．(教材P96“概念检测”T1改编)下列关于蛋白质工程的说法，错误的是( )
A．蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类需要
B．蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的蛋白质分子
C．通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍是天然的蛋白质
D．蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程
解析：选C。蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要，A项正确；蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的蛋白质分子，B项正确；通过蛋白质工程改造后的蛋白质不是天然的蛋白质，C项错误；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，D项正确。
2．干扰素在体外保存非常困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么可以延长保存时间。若利用蛋白质工程的原理和方法生产新型干扰素，下列思路最可行的是( )
A．用DNA合成仪合成新的干扰素基因
B．利用基因定点突变技术改造干扰素基因
C．直接改造mRNA，进行密码子的替换
D．生产正常干扰素，再进行氨基酸的替换
解析：选B。由题意可知，干扰素分子的改造只需要替换一个氨基酸，不必合成新基因，所以改造基因比较容易，A不符合题意，B符合题意；若直接改造mRNA，可获得改造后的蛋白质，但不能遗传下去，C不符合题意；干扰素属于糖蛋白，若直接对其进行氨基酸的替换，可能会导致干扰素的结构和功能丧失，且改造后的性状不能遗传，D不符合题意。
3．(教材P94图3－17改编)下图所示是利用蛋白质工程生产保存时间更久的干扰素(一种糖蛋白)的核心流程，下列叙述正确的是( )
A．该过程得到的干扰素与自然界中的干扰素相同
B．图中③过程得到的脱氧核苷酸序列往往是唯一的
C．蛋白质工程的基础是蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
D．蛋白质工程是通过对蛋白质的结构进行修饰来操作的
解析：选C。题图所示是利用蛋白质工程生产保存时间更久的干扰素，该过程得到的干扰素是经过改造的，与自然界中的干扰素不同，A项错误；由于密码子的简并性，图中③过程得到的脱氧核苷酸序列往往不是唯一的，B项错误；结构决定功能，因此，蛋白质工程的基础是蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系，C项正确；蛋白质工程是通过改造或合成基因来操作的，D项错误。
4．(教材P96“拓展应用”改编)T4溶菌酶在高温时易失去活性。研究人员对编码T4溶菌酶的基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸，该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键，提高了酶的耐热性。下列相关叙述正确的是( )
A．T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸数量发生了改变
B．T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程，自然界中的酶都可通过蛋白质工程进行改造
C．蛋白质工程与中心法则的流动方向一致，即DNA→mRNA→蛋白质
D．若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响
解析：选D。由题意可知，T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸种类及空间结构发生了改变，A项错误；T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程，大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA，蛋白质工程只能用于改造蛋白质，B项错误；蛋白质工程与中心法则的流动方向不同，C项错误；结构决定功能，若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响，D项正确。
5．(2024·河北衡水高二检测)科学家选取纤维素酶分子中若干个氨基酸位点作为改造点，结合中心法则原理，构建了“小而精”的突变体文库，最终获得催化效率更高的纤维素酶分子。下列说法错误的是( )
A．改造纤维素酶分子的前提是已知纤维素酶的氨基酸序列及其空间结构
B．该过程设计出的高效纤维素酶分子可能是自然界中不存在的蛋白质
C．该过程的实质是对纤维素酶基因在分子水平上进行改造
D．纤维素酶和高效纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向不同
解析：选D。纤维素酶和高效纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向相同，D项错误。
[课标内容]
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、生产目标蛋白质的过程。
一、蛋白质工程的概念
二、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)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 将赖氨酸合成过程中两种关键酶中的个别氨基酸替换 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
三、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．基本思路逆用“中心法则”
四、蛋白质工程的应用
1．医药工业方面
2．其他工业方面：改进酶的性能或开发新的工业用酶。
提高酶的使用价值
3．农业方面
(1)增加粮食的产量：改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
(2)研发新型农药：通过改造__________________________________的结构，设计优良微生物农药。增强其防治病虫害的效果
[答案自填] 蛋白质 生物功能 改造或合成
蛋白质 蛋白质 基因工程 另一种生物体内 蛋白质 新的性状 已存在 分子生物学 结构和功能 人类生产和生活
蛋白质 设计 改造或合成 mRNA
多肽链 天冬氨酸 丝氨酸 结合抗原 微生物蛋白质
(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)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。( )
(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。( )
提示：(1)× 蛋白质工程中直接改造或合成的是基因，不是蛋白质。
(2)× 蛋白质工程可只改变蛋白质分子中特定的氨基酸序列。
(3)√
(4)× 蛋白质工程的基本思路是按照与中心法则相反的过程进行的。
(5)× 由于密码子的简并性，不能根据某多肽链的一段氨基酸序列确定控制该肽链合成的基因的脱氧核苷酸序列。
(6)√
【知识框架】
核心点 蛋白质工程的原理和应用
基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。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。结合下图回答有关问题：
(1)写出流程图中字母代表的含义：
A．________；B．________；C．________；D．________；E.________。
(2)上图字母中属于中心法则的过程有________，属于蛋白质工程的过程有___________________________________________________________________。
(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？
(4)蛋白质工程被称为“第二代基因工程”，请概述二者的根本区别及联系。
提示：(1)预期功能 氨基酸序列 改造或合成 转录 翻译
(2)D、E A、C、D、E
(3)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)二者的根本区别是基因工程只能控制合成自然界中已存在的蛋白质，蛋白质工程可以制造出符合人类需要的但自然界中没有的蛋白质。二者的联系表现在蛋白质工程离不开基因工程，蛋白质工程在改造基因时需要用到与基因工程有关的工具酶，需要构建基因表达载体；改造后的基因要表达出相应的蛋白质，同样需要将改造或合成的基因导入受体细胞。
基因工程和蛋白质工程的比较
项目 基因工程 蛋白质工程
区别 起点 目的基因 预期蛋白质功能
过程 筛选和获取目的基因→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 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→获得所需要的蛋白质
实质 基因重组 通过改造相应的基因或合成新的基因达到对蛋白质进行改造的目的
结果 生产自然界中已存在的蛋白质 可以创造出自然界中不存在的蛋白质
应用及现状 已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化，但基因治疗仅处于试验阶段，未实践应用 主要集中在对现有蛋白质进行改造，如天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等。对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质的高级结构非常复杂，人们对此知之甚少
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，因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质必须通过改造或合成基因实现
1．(2024·安徽合肥高二期末)枯草杆菌蛋白酶广泛应用于洗涤剂、食品等行业。某研究小组利用蛋白质工程将该蛋白酶中第188位丙氨酸替换为脯氨酸、第239位谷氨酰胺替换为精氨酸、第262位缬氨酸替换为亮氨酸，结果发现枯草杆菌蛋白酶的催化活性大幅度提高。下列叙述错误的是( )
A．蛋白质工程最终要达到的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息
B．对枯草杆菌蛋白酶进行分子设计必须从预期蛋白酶的功能出发
C．通过基因工程和蛋白质工程生产的枯草杆菌蛋白酶的氨基酸序列不同
D．改造后的枯草杆菌蛋白酶可能是空间结构发生改变导致其催化活性提高
解析：选A。通过获取编码蛋白质的基因序列信息，进而合成或改造相关的基因，并最终获得符合人们需求的蛋白质，这是蛋白质工程的最终目的，A项错误。
2．下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述，错误的是( )
A．将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法
B．设计扩增目的基因的引物时，不必考虑表达载体的序列
C．蛋白质工程是通过改造或合成基因，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新蛋白质的技术
D．蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程有所差别
解析：选B。将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法，A正确；设计的引物应能与表达载体两端的序列互补配对，B错误；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，C正确；蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是不完全相同的，D正确。
1．(教材P96“概念检测”T1改编)下列关于蛋白质工程的说法，错误的是( )
A．蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类需要
B．蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的蛋白质分子
C．通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍是天然的蛋白质
D．蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程
解析：选C。蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要，A项正确；蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的蛋白质分子，B项正确；通过蛋白质工程改造后的蛋白质不是天然的蛋白质，C项错误；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，D项正确。
2．干扰素在体外保存非常困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么可以延长保存时间。若利用蛋白质工程的原理和方法生产新型干扰素，下列思路最可行的是( )
A．用DNA合成仪合成新的干扰素基因
B．利用基因定点突变技术改造干扰素基因
C．直接改造mRNA，进行密码子的替换
D．生产正常干扰素，再进行氨基酸的替换
解析：选B。由题意可知，干扰素分子的改造只需要替换一个氨基酸，不必合成新基因，所以改造基因比较容易，A不符合题意，B符合题意；若直接改造mRNA，可获得改造后的蛋白质，但不能遗传下去，C不符合题意；干扰素属于糖蛋白，若直接对其进行氨基酸的替换，可能会导致干扰素的结构和功能丧失，且改造后的性状不能遗传，D不符合题意。
3．(教材P94图3－17改编)下图所示是利用蛋白质工程生产保存时间更久的干扰素(一种糖蛋白)的核心流程，下列叙述正确的是( )
A．该过程得到的干扰素与自然界中的干扰素相同
B．图中③过程得到的脱氧核苷酸序列往往是唯一的
C．蛋白质工程的基础是蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
D．蛋白质工程是通过对蛋白质的结构进行修饰来操作的
解析：选C。题图所示是利用蛋白质工程生产保存时间更久的干扰素，该过程得到的干扰素是经过改造的，与自然界中的干扰素不同，A项错误；由于密码子的简并性，图中③过程得到的脱氧核苷酸序列往往不是唯一的，B项错误；结构决定功能，因此，蛋白质工程的基础是蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系，C项正确；蛋白质工程是通过改造或合成基因来操作的，D项错误。
4．(教材P96“拓展应用”改编)T4溶菌酶在高温时易失去活性。研究人员对编码T4溶菌酶的基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸，该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键，提高了酶的耐热性。下列相关叙述正确的是( )
A．T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸数量发生了改变
B．T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程，自然界中的酶都可通过蛋白质工程进行改造
C．蛋白质工程与中心法则的流动方向一致，即DNA→mRNA→蛋白质
D．若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响
解析：选D。由题意可知，T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸种类及空间结构发生了改变，A项错误；T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程，大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA，蛋白质工程只能用于改造蛋白质，B项错误；蛋白质工程与中心法则的流动方向不同，C项错误；结构决定功能，若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响，D项正确。
5．(2024·河北衡水高二检测)科学家选取纤维素酶分子中若干个氨基酸位点作为改造点，结合中心法则原理，构建了“小而精”的突变体文库，最终获得催化效率更高的纤维素酶分子。下列说法错误的是( )
A．改造纤维素酶分子的前提是已知纤维素酶的氨基酸序列及其空间结构
B．该过程设计出的高效纤维素酶分子可能是自然界中不存在的蛋白质
C．该过程的实质是对纤维素酶基因在分子水平上进行改造
D．纤维素酶和高效纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向不同
解析：选D。纤维素酶和高效纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向相同，D项错误。