第3章 基因工程第4节 蛋白质工程的原理和应用学习目标 1.运用结构与功能观，说明蛋白质工程设计的原理。（生命观念）2.基于实例，采用模型与
建模、归纳与概括等方法，表示蛋白质工程的基本思路。（科学思维）自主预习·悟新知合作探究·提素养深化拓展·育技能一、蛋白质工程的概念
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①________________，来改造现有蛋白质，或②_______
_____________，以满足人类生产和生活的需求。改造或合成基因制造一种新的蛋白质二、蛋白质工程崛起的缘由基因工程可将一种生
物的基因转移到另一种生物的体内，可产生它本不能产生的蛋白质，表现出新的性状。基因工程原则上只能生产③_______________
_的蛋白质，它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。自然界中已存在自主预习·悟新知三、蛋白质工程的基本原理
1.目标：根据人们对蛋白质④______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⑤
____________→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或⑥______________→获得所需要的蛋白
质。功能蛋白质结构合成新的基因四、蛋白质工程的应用1.主要应用速效胰岛素赖氨酸农药2.面临困难：蛋白质发挥功能必须依赖于正确的⑩_
_________，而这种高级结构往往十分复杂，科学家要设计出更加符合人类需要的蛋白质很困难。高级结构任务 探讨蛋白质工程的原理和
应用活动1 探讨蛋白质工程的原理1.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。合作探究·提素养2.如果知道一段蛋白质的氨基酸序列，如何推出其基因中的脱
氧核苷酸序列？不同人得出的序列完全相同吗？为什么？提示 蛋白质的氨基酸序列→推测mRNA的密码子排序→推测双链DNA中脱氧核苷酸
序列。不完全相同，因为密码子的简并，一种氨基酸可能对应一种或几种密码子。3.假如某科学家设计出某种蛋白质的空间结构，你能否设计出利
用大肠杆菌生产该蛋白质的流程？提示 蛋白质的空间结构→氨基酸序列→合成目的基因→构建基因表达载体→导入大肠杆菌→产生相应蛋白质。
4.基因工程遵循中心法则，蛋白质工程遵循中心法则吗？提示 蛋白质工程中修饰或合成的基因在复制和表达时仍然遵循中心法则。5.为什么
要通过基因修饰或基因合成来完成蛋白质工程，而不是直接对蛋白质进行改造?提示 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，而且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去。如果直接对蛋白质进行改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子仍无
法遗传；②对基因进行改造比直接对蛋白质进行改造更容易操作，难度要小得多。认知生成蛋白质工程和基因工程的比较续表例1 [2022·徐
州期中] 下图表示蛋白质工程的操作过程，相关叙述错误的是( )。A.蛋白质工程是以基因工程为基础的生
物工程技术B.蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列C.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D.蛋白质工程可以
改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质B[解析] 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，即以基因工程为基础的生物工程技术，A正确；蛋白质工程是通过改造基因或创造合成新基因来改变生物的遗传和表达
性状，合成新的蛋白质，不是直接改变氨基酸序列，B错误；蛋白质工程需要预期蛋白质功能进而设计预期的蛋白质结构，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，C正确；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，或者制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求，D正确。 1.对天然蛋白质进行改造，不是直接对蛋白质分子进行
改造，而是通过对基因进行操作来实现的，使得改造过的蛋白质可以遗传。 对蛋白质的改造可分为三类：第一类为“大改”，即制造出自然
界中不存在的全新蛋白质；第二类为“中改”，即在蛋白质分子中替代一个肽段或一个特定的结构域；第三类为“小改”，即改造蛋白质分子中的几
个氨基酸残基。知识拓展 2.基因工程与蛋白质工程的判断方法 （1） （2）蛋白质工程中经过处理得到的新基因与基因
突变得到的新基因有较大差别，基因突变的新基因中含有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程中的新基因则没有。对点练1 [2022·合肥期中
] 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.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作的C.蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的新型蛋白质分子D.蛋白质工程需
要从预期的蛋白质功能出发，从而设计出相应的基因B[解析] 蛋白质工程能按照人们的意愿定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类需要
，A正确；基因的结构决定蛋白质的结构，因此，要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造基因来完成，而不是直接对蛋白质分子进行
操作，B错误；蛋白质工程能产生自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子，C正确；蛋白质工程的流程为从预期蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质
结构→推测应有氨基酸序列→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，即蛋白质工程需要从预期的蛋白
质功能出发，从而设计出相应的基因，D正确。活动2 探讨蛋白质工程的应用1.速效胰岛素类似物是蛋白质工程最典型的成功实例，其产品已在
临床上得以广泛应用。科学家通过改造胰岛素基因实现了对胰岛素B链第28位脯氨酸的替换或将它与B链第29位的氨基酸交换位置。那么，B链
第28位的脯氨酸被哪种氨基酸替换了呢？原来B链第29位的氨基酸是什么呢？与天然胰岛素相比，速效胰岛素类似物有什么优点？提示 天冬
氨酸；原来B链第29位的氨基酸是赖氨酸；与天然胰岛素相比，速效胰岛素类似物的优点是有效降低了胰岛素的聚合作用。2.若要利用工程菌生
产速效胰岛素，需用到哪些生物工程技术？提示 用到的生物工程技术有蛋白质工程、基因工程和发酵工程。3.科学家将改造后的胰岛素基因导
入大肠杆菌中，发现获得的胰岛素注入糖尿病患者体内后并没有达到令人满意的效果。请分析可能的原因。提示 大肠杆菌为原核细胞，没有内质
网和高尔基体，不能对胰岛素的肽链进行加工，导致胰岛素分子结构异常，功能下降。4.蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要原因是什么？提
示 主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂，科学家目前对大多数蛋白质的高级结构了解还不够。
例2 [2022·河池联考] 下列关于蛋白质工程应用的叙述，不正确的是( )。A.蛋白质工程实施中最
大的难题是对大多数蛋白质的高级结构不清楚B.将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内，使大肠杆菌产生人的胰岛素的技术属于蛋白质工程C.蛋
白质工程可以改变蛋白质的活性，实质是通过基因改造或基因合成来实现的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B
[解析] 蛋白质发挥功能依赖于其高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂，目前科学家对大多数蛋白质高级结构的了解还不够，这是蛋白质工程
在实施中的最大难题，A正确；将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内，使大肠杆菌产生人的胰岛素的技术属于转基因技术，B不正确；蛋白质工程
的实质是通过基因改造或基因合成来改变蛋白质的活性，C正确；蛋白质工程可以通过改造胰岛素基因来对胰岛素进行改造和修饰，从而合成速效型
胰岛素制剂，D正确。对点练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
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 不但保留了 的
功能，而且具有了酶的催化活性。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）[解析] 由题干信息可知，要改变蛋白质的功能可通过改变蛋白质的氨基酸序列（结构）
来实现。（2）以 基因序列为基础，获得 基因的途径有改造___基因或合成___基因，所获得的基因表
达时遵循中心法则，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__________
_______________________________________________________。 >DNA和RNA 、 、 蛋白质（或转录、逆转录、翻译）[解析] 依据蛋白质
工程的定义及题中信息可知，获得 基因的途径有改造现有 基因或合成新的 基因，中心法
则的全部内容包括DNA和RNA的复制、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的蛋白质功能出
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。设计蛋白质结构推测氨基酸序列功能[解析] 蛋白质工程的基本途径：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。通过蛋白质工程合成的蛋白质还需要进行
生物功能的鉴定，看是否达到人们的需求。 [2022·海口诊断] 胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体中后，会堆积
在皮下，要经过较长的时间才能进入血液，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。下图表示用蛋白质工程设计速效胰岛素的
生产过程，据图回答下列问题：深化拓展·育技能（1）蛋白质工程的目标是根据人们对____________的特定需求，对蛋白质的___
___进行设计改造。蛋白质功能结构[解析] 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设计改造。（2）人
工合成的新的胰岛素基因在导入受体细胞前要先构建______________，其目的是使目的基因在__________中稳定存在，并
且可以遗传给下一代，同时使目的基因能够________________。在这个过程中需要__________________酶的参
与。成熟的基因表达载体除了含有新的胰岛素基因外，还必须有启动子、终止子以及__________等。基因表达载体受体细胞
表达和发挥作用限制酶和DNA连接标记基因[解析] 基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建，然后导入受体细胞，可以使目的基因
在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用，在这个过程中需要DNA连接酶和限制性内切核酸酶的参与
；基因表达载体由启动子、终止子、标记基因和目的基因等组成。（3）在将基因表达载体导入大肠杆菌时，一般要用_____________
_____处理该菌，使之成为感受态细胞，以便吸收周围环境中的DNA分子。 （或氯化钙）[解析] 用 （或氯化钙）处理大肠杆菌，使之处于一种能吸收环境中DNA的生理状态即感受态。（4）在大肠杆菌中直接生产的胰岛素还不具有生物活性，原因是____________________________________________________________________。 大肠杆菌是原核生物，没有内质网和高尔基体，不能加工出有活性的胰岛素[解析] 大肠杆菌是原核生物，没有内质网和高尔基体，不能对胰岛素原进行加工，因此不能产生具有活性的胰岛素。 |
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