高中生物人教版 (2019)选择性必修3第4节 蛋白质工程的原理和应用学案及答案

这是一份高中生物人教版 (2019)选择性必修3第4节 蛋白质工程的原理和应用学案及答案，共13页。学案主要包含了师问导学，智涂笔记，师说核心，检测反馈，网络建构，主干落实等内容，欢迎下载使用。

课程标准
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符合人类要求的蛋白质。
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。
素养达成
1.说明基因的碱基排列顺序—蛋白质的结构—蛋白质功能的关系。(生命观念)
2．尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计改造某一蛋白质的设计流程。(科学思维)
由血栓引起的心脑血管疾病给人类健康造成极大危害，溶栓疗法是治疗血栓的重要措施。组织型纤溶酶原激活物(t－PA)能激活纤溶酶原转化为纤溶酶，将沉积在血管内外的纤维蛋白溶解，而保持血管畅通。但t－PA用于溶栓治疗时具有一定的局限性，它进入血浆后大部分与纤溶酶原激活剂抑制物形成复合物，并迅速失去活性。利用蛋白质工程技术对t－PA进行改造，就可以消除上述缺点，增加溶栓效能、减少药用剂量和降低副作用等(如图)。人类是怎样实现对蛋白质的定点改造的？这种改造对蛋白质的结构和功能有什么影响？
探究点一 蛋白质工程的原理、操作及应用
【师问导学】
1．蛋白质工程的实例分析
材料：酵母菌的丙糖磷酸异构酶上有两个天冬酰胺，在分别转变为苏氨酸和异亮氨酸后，酶的热稳定性提高了近50%。此外，在蛋白质分子中引入二硫键也可以显著提高蛋白质的热稳定性。
通过改造酶的结构，有目的地提高酶的热稳定性。
通过替换酶的某种________，或者在蛋白质分子中引入________可以显著提高蛋白质的热稳定性。
2．蛋白质工程的操作流程
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。如图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图分析探究：
(1)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__________。
(2)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。
【智涂笔记】
[易错警示]
有关蛋白质工程的两点提醒
(1)改造对象是基因：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。
(2)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。
【师说核心】
1．蛋白质结构和功能的决定因素
(1)氨基酸的种类、数目和排列顺序，每一种蛋白质都有独特的氨基酸序列，所以改变其中关键氨基酸就能改变蛋白质。氨基酸是由三联体密码子决定的，只要改变密码子的一个或两个碱基，氨基酸的种类就可能会发生变化。
(2)蛋白质的空间结构。
2．蛋白质工程的操作流程
蛋白质工程的原理是中心法则的逆推。天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的：基因→表达(转录和翻译)→形成氨基酸序列多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能；而蛋白质工程却与之相反。
3．蛋白质工程的内容
(1)根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质。
(2)确定蛋白质的化学组成及空间结构与生物功能之间的关系。
教材延伸
根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类：
(1)“大改”：设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质。
(2)“中改”：在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。
(3)“小改”：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。
【检测反馈】
1．下列有关蛋白质工程的说法错误的有几项( )
①蛋白质工程无须构建基因表达载体 ②通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍是天然的蛋白质 ③蛋白质工程需要用到限制酶和DNA连接酶 ④蛋白质工程是在蛋白质分子水平上改造蛋白质的
A．1 B．2
C．3 D．4
2．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
探究点二 基因工程与蛋白质工程的比较
【师问导学】
1．蛋白质工程包括哪两步？
2．为什么说蛋白质工程是第二代基因工程？
3．由蛋白质工程所得到的基因与基因突变所产生的基因相比，有何不同？
4．基因工程中的目的基因与蛋白质工程中的目的基因有何区别？
5．基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？
6．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？
【智涂笔记】
[方法技巧]
“三看法”判断基因工程和蛋白质工程
(1)一看对基因的操作方法：如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。
(2)二看目的基因的合成方式：基因工程和蛋白质工程中都可以通过反转录合成目的基因，或根据蛋白质的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。如果合成时mRNA或氨基酸序列没有经过改造，则为基因工程技术；如果mRNA或氨基酸序列经过了改造，或mRNA、氨基酸序列是根据蛋白质预期的功能人工设计的，则为蛋白质工程技术。
(3)三看合成的蛋白质种类：如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则为基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。
[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。
[易错必明]
蛋白质工程与基因工程的关系
(1)蛋白质工程是通过基因重组技术改变或设计合成具有特定生物功能的蛋白质，基因工程技术是蛋白质工程技术的基础，因此蛋白质工程也叫第二代基因工程。
(2)蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶，需要构建基因表达载体；改造后的基因需要表达出相应的蛋白质，同样需将改造或合成的基因导入受体细胞。
【师说核心】
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．蛋白质工程和基因工程的比较
【检测反馈】
1．基因工程与蛋白质工程的区别是( )
A．基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不对基因进行操作
B．基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程合成的可以是天然不存在的蛋白质
C．基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平(或性状水平)操作
D．基因工程完全不同于蛋白质工程
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。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。
【网络建构】
【主干落实】
1．基因工程在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。
4．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，通过基因改造或基因合成，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需要。
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．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
4．葡萄糖异构酶(GI)在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，科学家对GI基因进行体外定点诱变，以脯氨酸(Pr138)替代Gly138，含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结果最适反应温度提高10～12 ℃。这属于生物工程中的( )
A．基因工程 B．蛋白质工程
C．发酵工程 D．酶工程
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Ⅱ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。Ⅱ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。
(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________或基因________，对现有蛋白质进行________，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产生活需要。
(一)从社会中来
提示：科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。
(二)旁栏思考题
提示：人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域一项重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。
“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据。2010年，该计划“两谱、两图、三库”的目标初步实现。我国科学家完成了人类肝脏蛋白质组表达谱和修饰谱，绘制了蛋白质相互作用连锁图和定位图。“三库”则是建立符合国际标准的肝脏标本库、发展规模化抗体制备技术并建立肝脏蛋白质抗体库和建立完整的肝脏蛋白质组数据库。人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。
(三)思考·讨论
1．每种氨基酸都有对应的密码子，只要查一下密码子表，就可以将题中的氨基酸序列的编码序列查出来。但是由于题中的氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个密码子编码的，因此其碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列出32种，可以让学生根据学过的排列组合的知识自己排列一下。首先应该根据密码子推出mRNA序列为GCU(或C，或A，或G)UGGAAA(或G)GAA(或G)UUU(或C)，再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列为CGA(或G，或T，或C)ACCTTT(或C)CTT(或C)AAA(或G)。
2．确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
(四)异想天开
提示：理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。
(五)到社会中去
提示：酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现在以下几个方面。由于酶促反应能在常温、常压和中性pH条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生产成本低。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。
近年来，通过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在不断提升。2016年，我国工业酶制剂年产量达120万吨，年增长率保持在10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了30%左右，我国进入酶制剂生产大国的行列。
在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。
(六)练习与应用
概念检测
1．(1)× (2)× (3)√
2．D
3．A
拓展应用
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践，还有很多工作需要做。例如，由于改造后酶的空间结构发生了变化，因此它的一些基本特性需要重新明确，包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等；需要建立规模化生产该酶的技术体系，评估生产成本等。
第4节 蛋白质工程的原理和应用
互动·探究·智涂
探究点一
【师问导学】
1．氨基酸 二硫键
2．(1)嵌合抗体功能 嵌合抗体的结构 基因 碱基对 (2)蛋白质工程
【检测反馈】
1．解析：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，以满足人类的生产和生活的需要，蛋白质工程需构建基因表达载体，①错误；利用蛋白质工程产生的是自然界没有的蛋白质，②错误；蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的，故蛋白质工程需要用到限制酶和DNA连接酶，③正确；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的，④错误。
答案：C
2．解析：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。
答案：C
探究点二
【师问导学】
1．提示：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。
2．提示：蛋白质工程离不开基因工程，改造基因后，要通过基因工程生产人类需要的蛋白质。
3．提示：蛋白质工程所得到的基因是人工合成的或对原基因进行修饰的产物，因此具有定向性；基因突变所产生的基因具有不定向性。
4．提示：基因工程中的目的基因一般是自然存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是天然存在的。
5．提示：都遵循中心法则。
6．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。如果对蛋白质直接改造，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。
【检测反馈】
1．解析：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。蛋白质工程从分子水平对蛋白质进行改造设计，通过对相应的基因进行修饰加工甚至人工进行基因合成，从而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需求。而基因工程只是将外源基因导入另一生物体内，并使之表达，体现人类所需的性状或者获取所需的产品，因此，基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
答案：B
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，通过设计蛋白质结构和推测氨基酸序列，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，并获取基因，再经表达、纯化获得的蛋白质，之后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)设计蛋白质的结构
推测氨基酸序列 功能
随堂·巩固·达标
1．解析：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，以满足人类的生产和生活需求。因此蛋白质工程最终还是要对基因进行改造。
答案：D
2．解析：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。
答案：B
3．解析：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。
答案：B
4．解析：酶工程的重点在于对已存在的酶合理充分利用(如：加酶洗衣粉、嫩肉粉等)，而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。
答案：B
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，然后推测相应的氨基酸序列，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，以满足人类的生产生活需要。
答案：(1)目的基因 PCR 显微注射法 (2)预期蛋白质的功能 相应的氨基酸序列 (3)修饰 合成 改造项目
蛋白质工程
基因工程
区
别
操作对象
基因
基因
操作水平
DNA分子
水平
DNA分子
水平
操作流程
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测应有氨基酸序列→合成(修饰)基因→基因表达→目的蛋白质
目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
结果
可生产自然界没有的蛋白质
可生产自然界已有的蛋白质
区别
实质
通过改造基因定向改造或生产人类所需蛋白质
基因重组，定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或产品
应用及现状
主要集中在对现有蛋白质的改造，尚有难题未克服
在转基因动植物、药品生产等领域已有广泛应用
联系
①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