1.4 蛋白质工程的崛起
学习目标：1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.理解蛋白质工程的原理。(重、难点) 3.了解蛋白质工程的应用。4.掌握蛋白质工程的操作过程。(难点)
一、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．蛋白质工程的崛起
(1)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。
(2)基因工程存在不足：原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
(3)天然蛋白质存在不足：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
①延长干扰素保存时间：
体外很难保存体外可以保存半年
②提高玉米赖氨酸含量：改造后玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。
二、蛋白质工程的基本原理以及进展和前景
1．蛋白质工程的基本原理
概念
基础
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
手段
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
目的
获得满足人类生产和生活需求的蛋白质
原理
由预期的蛋白质找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)
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)
2.蛋白质工程的进展和前景
(1)前景诱人。如用此技术制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。
(2)难度很大。主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还不够。
1．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。 ( )
(2)通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍然是天然蛋白质。 ( )
(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)蛋白质工程是通过基因的修饰和合成来实现对蛋白质的改造。 ( )
提示：(1)× 蛋白质工程中直接改造的是基因，不是蛋白质。
(2)× 蛋白质工程实现了对现有蛋白质的改造，或制造一种新的蛋白质，不再是天然蛋白质。
(3)√ (4)√
2．蛋白质工程中，对蛋白质的结构进行分子设计的根据是( )
A．人们对蛋白质功能的特定需求
B．蛋白质中氨基酸序列
C．信使RNA中核糖核苷酸序列
D．基因中脱氧核苷酸序列
A [在蛋白质工程中，人们先根据蛋白质功能与结构的关系，以特定的功能为依据设计蛋白质的结构。]
3．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
A [要想使蛋白酶热稳定性有所提高，就要改变蛋白质的结构，此类问题一般是对蛋白质中的个别氨基酸进行替换。]
蛋白质工程
背景材料
1．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。
2．对蛋白质工程内容的理解
(1)原理：中心法则的逆推
(2)操作对象：基因。即通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改变。因为对基因改造比对蛋白质直接进行改造要容易，且改造过的基因可以遗传给后代。
(3)基本途径：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(基因)。
(4)改造方法：根据改造蛋白质的部位多少，对蛋白质的改造可分为三类：
“大改”：制造出自然界中不存在的全新蛋白质。
“中改”：在蛋白质分子中替换某一个肽段或一个特定的结构域。
“小改”：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。
(5)实例：蛋白质工程设计速效型胰岛素的生产过程
①构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，主要依据是蛋白质的预期功能。
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合成仪来合成新的胰岛素基因。
③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。
[思考交流]
下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是________，代表中心法则内容的过程是________。(填数字)
(2)写出图中数字代表的生物学过程的名称或内容：①________；②________；③________；④________。
(3)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则________。
(4)功能是由其结构决定的，直接决定蛋白质多样性的因素有_____________。从根本上说，蛋白质的结构是由________决定的。
(5)根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA中的碱基序列是否是唯一的？ ________，为什么？______________________________
____________________________________________________。
(6)将氨基酸合成多肽链的场所是
____________________________________________________。
(7)蛋白质工程中的目的基因一般通过________获得。
【技巧点拨】
[解析] 蛋白质结构的多样性由组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构四个因素共同决定；从根本上说，蛋白质的结构是由基因(DNA)决定的；一种氨基酸可能具有多种密码子，根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA中的碱基序列可能有多种；蛋白质的合成场所为核糖体；蛋白质工程的目的基因的碱基序列已知，可以通过DNA合成仪进行人工合成。
[答案] (1)④⑤ ①②③ (2)转录 翻译 折叠 分子设计 (3)相反 (4)氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构 基因(DNA) (5)不唯一 一种氨基酸可能具有多种密码子 (6)核糖体 (7)人工合成
特别提醒：
蛋白质工程包括两步：第一步是根据蛋白质的预期功能对蛋白质的结构进行分子设计；第二步是根据设计好的蛋白质的氨基酸序列合成相应的DNA。
1．科学家将β-干扰素基因进行定点诱变并导入大肠杆菌体内使其表达，得到的干扰素第17位的半胱氨酸变成了丝氨酸，结果大大提高了其储存稳定性，该生物技术为( )
A．基因工程 B．蛋白质工程
C．诱变育种 D．细胞工程
B [基因工程是通过对基因的操作，将符合人们需要的目的基因导入适宜的生物体，原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，蛋白质工程是指以蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系为基础，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，以满足人类的生产或生活需要。题干中的操作涉及的基因显然不再是原来的基因，其合成的β-干扰素也不是天然的β-干扰素，而是经过人工改造的、符合人类需要的蛋白质，因而该生物技术为蛋白质工程。]
2．科学家为提高玉米中赖氨酸含量，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第104位的氨基酸由天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的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
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。]
基因工程与蛋白质工程的比较
1.基因工程和蛋白质工程在操作上的基本思路比较
(1)基因工程遵循中心法则，从DNA→mRNA→多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能，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：确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→多肽链应有的氨基酸序列→基因应有的碱基序列，可以创造出自然界不存在的蛋白质。
2．二者的区别与联系
项目
蛋白质工程
基因工程
区别
过程
预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→推测相对应的脱氧核苷酸序列→合成DNA→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
定向改造或生产人类所需要的蛋白质
定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需要的生物类型或生物产品
结果
生产自然界没有的蛋白质
生产自然界中已有的蛋白质
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，必须通过基因修饰或基因合成实现
特别提醒：?1?蛋白质工程最终还是回到基因工程上来，因为蛋白质的合成由基因控制，所以说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。
?2?基因工程中的目的基因一般为自然界存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是自然界存在的。
1．下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述中，不正确的是( )
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，或制造一种新蛋白质的技术
D．蛋白质工程可合成自然界中不存在的蛋白质
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项正确；设计的引物应能与表达载体两端的序列互补配对，B项不正确；蛋白质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，对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质的技术，C项正确；通过蛋白质工程可合成自然界不存在的蛋白质，D项正确。]
2．下列不属于蛋白质工程成果的是( )
A．改造酶的结构，提高酶的热稳定性
B．生产出鼠—人嵌合抗体
C．将t－PA分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺
D．乳腺生物反应器
D [A、B、C三项所述都是对现存的蛋白质分子进行改造，属于蛋白质工程的成果。乳腺生物反应器属于基因工程的成果。]
[课堂小结]
知 识 网 络 构 建
核 心 语 句 归 纳
1.蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其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生产和生活的需要。
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。
3．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，而且这种改造可以遗传下去。
4．只能生产出自然界中已存在的蛋白质种类是基因工程的“缺点”，能够生产出自然界中不存在的蛋白质种类则是蛋白质工程的“优点”。
1．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。]
2．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
C [蛋白质工程的基本流程：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(基因)。这是蛋白质工程特有的途径，接下来是按照基因工程的一般步骤进行。因此，基因工程技术利用的工具(限制酶、DNA连接酶、载体)以及操作流程也适用于蛋白质工程技术中，A项错误，C项正确；蛋白质工程生产的蛋白质是改造后的蛋白质或者是新的蛋白质，B项错误；蛋白质工程的操作对象是基因，属于分子水平，D项错误。]
3．下列关于基因工程和蛋白质工程的说法中正确的是( )
A．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
B．基因工程是蛋白质工程的关键技术
C．通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍然是天然的蛋白质
D．蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质
B [本题考查基因工程与蛋白质工程的区别与联系。蛋白质工程的目标是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。其中，基因工程是蛋白质工程的关键技术，是蛋白质工程的基础，因为对蛋白质结构的改造是通过改造基因来实现的。所以，蛋白质工程是在基因水平上改造蛋白质，改造后的蛋白质不再是天然的蛋白质。]
4．下列说法错误的是( )
A．科学家通过对胰岛素的改造已经使其成为速效型药品
B．我们可以将蛋白质工程应用于微电子方面
C．用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点
D．蛋白质工程成功的例子不多，主要是因为蛋白质种类太少，原料不足
D [蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，这种结构十分复杂，而目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还不够。]
5．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，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图回答问题。
(1)改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠—人嵌合抗体，属于_____(生物工程)的范畴。
(2)图示过程是根据预期的__________，设计___________，最终必须对________进行操作，此操作中改变的是_____________。
(3)经过改造的鼠—人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是____________________(从免疫角度考虑)。
(4)上述过程中对科学家来说难度最大的是_____________。
[解析] (1)通过图示可知鼠—人嵌合抗体是通过人工设计而形成的具有特定功能蛋白质，其生产过程应属于蛋白质工程的范畴。
(2)蛋白质工程的流程：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)→通过基因工程操作生产预期的蛋白质。
(3)从免疫的角度考虑，对人体来说鼠源抗体为抗原，若利用人的抗体与之嵌合，则排斥作用会减轻，对人体的副作用会减少。
(4)由于蛋白质空间结构比较复杂，不易确定，所以成为蛋白质工程中最大的障碍。
[答案] (1)蛋白质工程 (2)嵌合抗体的功能 嵌合抗体的结构 基因 脱氧核苷酸的排列顺序
(3)对人体的不良反应减少 (4)设计嵌合抗体的空间结构
课件55张PPT。专题1 基因工程1.4 蛋白质工程的崛起新的性状另一种生物体内蛋白质人类生产和生活分子生物学已存在结构和功能5倍和2倍半年脱氧核苷酸序列(基因)基因修饰蛋白质新的蛋白质脱氧核苷酸序列(基因)蛋白质结构氨基酸序列高级结构电子元件体积小效率高蛋白质工程基因工程与蛋白质工程的比较点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(四)
(建议用时：35分钟)
[基础达标练]
1．下列哪项不是蛋白质工程的研究内容( )
A．分析蛋白质分子的精细结构
B．对蛋白质进行有目的的改造
C．分析氨基酸的化学组成
D．按照人的意愿将天然蛋白质改造成新的蛋白质
C [本题考查蛋白质工程的原理。蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构和生物活性之间的关系，按照人的意愿改造蛋白质分子，形成自然界不存在的蛋白质分子。为了改造某种蛋白质分子，必须对其精细结构进行分析，但不包括对组成蛋白质的氨基酸的化学组成的分析。]
2．以下蛋白质工程中目前已成功的是( )
A．对胰岛素进行改造，生产速效型药品
B．蛋白质工程应用于微电子方面
C．用蛋白质工程生产高产赖氨酸玉米
D．生产生物体外耐保存的干扰素
A [蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多，A项所述已经成功。]
3．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
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。]
4．下列操作中采用的技术或方法依次是 ( )
a．美国科学家将生长激素基因注入小白鼠的受精卵中，得到了体型巨大的“超级小鼠”
b．对胰岛素的改造
c．荷兰科学家将人乳高铁蛋白基因移植到牛体内，牛产出含高铁蛋白的牛奶
d．遨游过太空的青椒种子培育的“太空椒”比正常青椒大一倍
①基因工程 ②蛋白质工程 ③诱变育种 ④杂交育种
A．②③②④ B．①①②③
C．①②①③ D．①②①④
C [a、c均是将目的基因导入受体细胞中使其表达，均属于基因工程；b对胰岛素的改造是通过对控制胰岛素合成的基因进行改造，从而生产出新的胰岛素，属于蛋白质工程；d青椒种子在太空的微重力、空间辐射等条件下发生基因突变，产生“太空椒”，属于诱变育种。]
5．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
D [胰岛素的本质是蛋白质，只能注射，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；蛋白质工程从属于基因工程，蛋白质工程的操作对象是基因，D错误。]
6．合成自然界中不存在的蛋白质应首先设计 ( )
A．基因的结构 B．蛋白质的结构
C．氨基酸序列 D．mRNA的结构
B [合成自然界中不存在的蛋白质应该采用蛋白质工程，而蛋白质工程的基本途径为：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(基因)。因此，合成自然界中不存在的蛋白质应首先设计蛋白质的结构。]
7．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
C [紧扣蛋白质工程的流程(基本途径)进行分析。由题可知，多肽P1为抗菌性和溶血性均较强的多肽，要设计出抗菌性强但溶血性弱的多肽，即在P1的基础上设计出自然界原本不存在的蛋白质，用蛋白质工程技术可以实现。蛋白质工程的基本途径是：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。故要想在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是依据P1的氨基酸序列设计出多条模拟肽，然后进行改造，从而确定抗菌性强但溶血性弱的多肽的氨基酸序列。]
8．下列有关蛋白质工程的进展和应用前景的叙述中，不正确的是( )
A．通过对基因结构的定点突变实现玉米赖氨酸合成的关键酶结构的改造属于蛋白质工程
B．将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内，使大肠杆菌生产人的胰岛素的技术属于蛋白质工程
C．对蛋白质进行分子设计必须从蛋白质的功能特点入手
D．通过对基因结构的改造生产出自然界中从未存在的蛋白质种类目前还很少
B [通过对基因结构的改变实现对赖氨酸合成关键酶结构的改造属于蛋白质工程，A正确；将人的基因导入大肠杆菌体内，使其生产大量胰岛素属于基因工程，B错误；对蛋白质进行分子设计必须从蛋白质的功能特点入手，设计预期的蛋白质结构，C正确；通过对基因结构的改造生产出新型蛋白质的种类不多，原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，D正确。]
9．猪的胰岛素用于降低人体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。为了使猪胰岛素用于临床治疗糖尿病，用蛋白质工程的蛋白质分子设计的最佳方案是( )
A．对猪胰岛素中不同于人的那个氨基酸进行替换
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
A [由于猪胰岛素分子中只有一个氨基酸与人胰岛素不同，所以蛋白质工程中蛋白质的分子设计，只需替换这一个不同的氨基酸即可。虽然根据人胰岛素分子的结构设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗，但分子设计和胰岛素的生产方面都存在很多困难，所以不是最佳方案。]
10．胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射入人体后，会堆积在皮下，要经过较长时间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易分解，因此治疗效果受到影响。下图是用蛋白质工程设计的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，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是_________________________________。
(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：根据新的胰岛素的__________推测出其基因中的______________，然后利用______________来合成新的基因。
(3)新的胰岛素基因与运载体(质粒)结合过程中需要_______酶和____________酶。
(4)若将含有新的胰岛素基因的表达载体导入植物细胞中，最常用的有效做法是________________________。
(5)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有________________、________________和发酵工程。
[解析] (1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计，因此，题图中构建新的胰岛素模型的依据是预期胰岛素的功能。
(2)由新的蛋白质模型到构建新的基因，其基本设计思路是根据新的蛋白质中氨基酸的序列，推测出基因中的脱氧核苷酸序列，然后用DNA合成仪直接合成出新的基因。利用蛋白质工程生产自然界原本不存在的蛋白质，需对原有的胰岛素进行改造，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，人工合成新的胰岛素基因，形成目的基因。
(3)合成的目的基因应与载体构建基因表达载体，需要用限制性核酸内切酶和DNA连接酶，然后将基因表达载体导入受体细胞中才能得以表达。
(4)把基因表达载体导入植物细胞的常用方法是农杆菌转化法。
(5)改造好的目的基因需通过基因工程来生产基因产物，并且在生产过程中要借助工程菌，所以还需要进行发酵。因此该过程涉及蛋白质工程、基因工程和发酵工程。
[答案] (1)蛋白质的预期功能 (2)氨基酸的序列 脱氧核苷酸序列 DNA合成仪 (3)限制性核酸内切 DNA连接 (4)农杆菌转化法 (5)蛋白质工程 基因工程
[能力提升练]
11．下列关于蛋白质工程说法不正确的是( )
A．蛋白质工程能将人抗体某些区段替代鼠单克隆抗体的区段，降低鼠单克隆抗体免疫原性
B．蛋白质工程可对酶的催化活性、底物专一性、抗氧化性、热变性、碱变性等加以改变
C．理论上通过对关键氨基酸的置换与增删是进行蛋白质工程的唯一方法
D．蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要
C [蛋白质工程的类型主要有两种：一是从头设计，即完全按照人的意愿设计合成蛋白质；二是定点突变与局部修饰，即在已有的蛋白质基础上，只进行局部的修饰，通过一个或几个碱基定点突变，以达到修饰蛋白质分子结构的目的，A正确；蛋白质工程可对酶的催化活性、底物专一性、抗氧化性、热变性、碱变性等加以改变，B正确；蛋白质工程是指以蛋白质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，对现有蛋白质进行基因改造，或制造一种新的蛋白质，C错误；蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要，D正确。]
12．1983年，美国某基因公司的一名科学家提出了蛋白质工程这一名词。随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展，蛋白质工程已取得了很大的进展，下列有关蛋白质工程的叙述，不正确的是( )
A．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，在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程
B．用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点
C．对天然蛋白质进行改造，是直接对该蛋白质分子进行操作
D．蛋白质工程的基本途径是：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
C [蛋白质工程被称为第二代基因工程，A正确；用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点，B正确；对天然蛋白质进行改造，直接作用的对象是基因，C错误；蛋白质工程的基本途径是：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，D正确。]
13．2007年诺贝尔生理学或医学奖授予在“基因靶向”技术方面作出突出贡献的三位科学家。“基因靶向”技术指的是应用DNA同源重组原理，通过一定的载体，用设计好的目的基因替代靶基因，从而达到使靶基因功能丧失的目的。借助这一技术，科学家可以用小鼠进行实验，使其体内的某项特定基因丧失功能，以帮助人们找到治疗疾病的有效方法。下面是该实验的基本过程，请回答有关问题。
(1)获取目的基因。
①目的基因是靶基因的同源片段。经过修饰使靶基因的功能改变或丧失，就可获得目的基因。如果要获得活性降低了的X酶蛋白的目的基因，可以采用蛋白质工程技术，请简述其过程。
_______________________________________________________
_____________________________________________________。
②为了提高实验成功率，需要通过PCR技术获得目的基因的大量拷贝。与体内DNA复制相比，PCR反应体系需加入哪两种特别的物质？____________________________________________________
_____________________________________________________。
(2)构建基因表达载体。质粒是具有自我复制能力的双链环状DNA，它所具有的一至多个________位点，使目的基因插入其中成为可能，因此常被选作载体。
(3)将基因表达载体导入胚胎干细胞，从中筛选出成功发生了同源重组的胚胎干细胞，然后培育出小鼠。
(4)通过检测目的基因是否表达出蛋白质产品，可以确定该小鼠体内是否成功发生了基因的同源重组。请简述这种检测方法。
_____________________________________________________。
[解析] 本题重点考查了蛋白质工程的基本原理及其应用。基因工程遵循中心法则，中心法则告诉我们遗传信息的流动方向如图所示：
间结构的蛋白质―→表达生物特有的功能或性状
基因工程基本上是生产出自然界已有的蛋白质。而蛋白质工程是基因工程的延伸和发展，其原理基本上是中心法则的逆推：确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列，所以蛋白质工程可以创造出自然界不存在的蛋白质。
[答案] (1)①X酶蛋白的功能分析→X酶蛋白的三维结构预测和设计→X酶多肽的氨基酸序列设计→X酶基因的改造 ②两种引物、耐热的DNA聚合酶(Taq酶) (2)限制酶切割 (4)提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原—抗体杂交
14．从牛胃液中分离到的凝乳酶以催化能力强而被广泛应用，研究人员运用基因工程技术，将编码该酶的基因转移到了微生物细胞中。请回答下列问题。
(1)从牛胃细胞中提取________，再反转录形成cDNA。以此cDNA为模板通过PCR扩增目的基因，有时需要在引物的5′端设计________(填“限制酶”“DNA连接酶”或“RNA聚合酶”)的识别序列，以便构建重组DNA分子。
(2)构建重组DNA分子(如图所示)最好选用________(填限制酶种类)，理由是__________________________________________。
(3)工业化生产过程中，最初多采用重组大肠杆菌或芽孢杆菌生产凝乳酶，现多采用重组毛霉生产，毛霉作为受体细胞的优势是
_______________________________________________________
_______________________________________________________
_____________________________________________________。
(4)研究发现，如果将该凝乳酶第20位和24位氨基酸变为半胱氨酸，其催化能力将提高2倍。通过蛋白质工程生产高效凝乳酶，所需步骤有________(按步骤的先后顺序填写字母)。
a．蛋白质的结构设计
b．蛋白质的结构和功能分析
c．蛋白质结构的定向改造
d．凝乳酶基因的定向改造
e．将改造后的凝乳酶基因导入受体细胞
f．将定向改造的凝乳酶导入受体细胞
[解析] (1)制备cDNA，需以mRNA为模板。构建重组DNA分子，需用相同的限制酶切割质粒和目的基因，因此需在引物的5′端设计限制酶识别序列。(2)分析题图，目的基因内部存在EcoR Ⅰ切割位点，将目的基因从DNA上切下并保持其完整性需用BamH Ⅰ和Pst Ⅰ这两种限制酶，这样可以防止自身的黏性末端连接和目的基因与载体反向连接。(3)凝乳酶为分泌蛋白，其合成需要内质网和高尔基体加工和修饰，而大肠杆菌或芽孢杆菌为细菌，不具有这两种细胞器，毛霉为真菌，具有这两种细胞器。(4)蛋白质工程的过程为根据蛋白质的结构和功能，设计蛋白质的结构，再对目的基因进行定向改造，然后将目的基因导入受体细胞。
[答案] (1)mRNA 限制酶 (2)BamH Ⅰ和Pst Ⅰ 不破坏目的基因，并能提高重组DNA分子的比例(防止自身的黏性末端连接，防止目的基因与载体反向连接) (3)含有内质网和高尔基体，可对蛋白质进行加工和修饰 (4)b、a、d、e
15．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，就可在－70 ℃条件下保存半年，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，不一定符合________________的需要。而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________________或________________，对现有蛋白质进行________________或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。
(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。
(4)对天然蛋白质进行改造，应该直接对蛋白质分子进行操作，还是对基因进行操作来实现？________。其原因是_____(答出1点即可)。
[解析] (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。(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要，而蛋白质工程既可以通过基因修饰(改造)生产出改造后的符合需要的蛋白质，也可以通过基因合成生产出自然界不存在的符合需要的蛋白质。(3)蛋白质的空间结构十分复杂，根据预期功能来推测蛋白质结构相当困难。(4)蛋白质工程直接操作的对象是基因，应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因也就是对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去；如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子也无法遗传。②对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作，难度要小得多。
[答案] (1)预期蛋白质的功能 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 基因修饰 基因合成 改造 (3)空间(或高级) (4)对基因进行操作 改造基因才会遗传，改造蛋白质不遗传(或基因改造比蛋白质改造容易操作)
