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.通过分析基因工程的不足，理解蛋白质工程崛起的缘由。2.学习并理解蛋白质工程的基本
原理。3.结合实例了解蛋白质工程应用及前景。知识自主梳理结构规律生物功能改造合成满足人类生产和生活需求基因蛋白质新的性状已存在结构
和功能特定物种蛋白质结构氨基酸序列脱氧核苷酸序列(基因)胰岛素干扰素小鼠单克隆抗体5．蛋白质工程难度很大的原因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。 为什么要通过基因改造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。
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？提示：基因工程中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。 基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？提示：都遵循中心法则。课堂小结笔记空间 ______________
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______________________________________学习目标检测1．(目标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．分析氨基酸的化学组成C．对蛋白质进行有目的的改造D．按照人的意愿将天然蛋白质改造成新的
蛋白质解析 蛋白质工程需要根据预期蛋白质功能设计预期的蛋白质分子的精细结构，A不符合题意；蛋白质工程分析、设计蛋白质分子，不分析氨
基酸的化学组成，B符合题意；蛋白质工程通过改造或合成基因，来对蛋白质进行有目的的改造，或合成新的蛋白质，C、D不符合题意。2．(目
标2)蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是( )A．基因结构B．肽链结构C．蛋白质空间结构D．脱氧核苷酸结构3．(目标2)猪的胰
岛素用于人体降低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。为了使猪胰岛素临床用于治疗人糖尿病，用蛋白质工程进
行操作的最佳方案是( )A．将猪胰岛素中与人不同的氨基酸进行替换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解析 基因定点诱变技术是蛋白质工程常用的技术，根据题干信息“猪胰岛
素分子中有一个氨基酸与人的不同”可知，用蛋白质工程进行操作的最佳方案是将猪胰岛素中与人不同的氨基酸进行替换。4．(目标3)下列不属
于蛋白质工程成果的是( )A．生产出鼠—人嵌合抗体B．改造酶的结构，提高酶的热稳定性C．将天冬氨酸激酶的一个苏氨酸替换为异亮氨酸
D．将人的胰岛基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素解析 生产出鼠—人嵌合抗体，属于蛋白质工程的成果，A正确；改造酶的结构，提高酶的热稳
定性，属于蛋白质工程的成果，B正确；将天冬氨酸激酶的一个苏氨酸替换为异亮氨酸，属于蛋白质工程的成果，C正确；将人的胰岛素基因整合到
大肠杆菌体内生产胰岛素，属于基因工程的成果，D错误。5．(多选)(目标1)下列关于蛋白质工程的说法正确的是( )A．蛋白质工程能
定向改造蛋白质的结构，使之更加符合人类的需要B．蛋白质工程是在分子水平上对基因直接进行操作，进而改变蛋白质的分子结构C．蛋白质工程
能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子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 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；蛋白质工程是在分子水平上对基因直接进行操作，进而改变蛋白质的分子结构，B正确；蛋白
质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子，C正确；蛋白质工程是在基因工程基础上形成的，与基因工程密不可分，又被称为第二代基
因工程，D正确。重点题型突破题型一 蛋白质工程的原理[例1] (多选)下列关于蛋白质工程的叙述正确的是( )A．蛋白质工程的原理
是从预期的蛋白质功能出发找到相对应的脱氧核苷酸序列B．蛋白质工程的目的是获得满足人类生产和生活需求的蛋白质C．蛋白质工程的流程和天
然蛋白质合成的过程是相同的D．蛋白质工程是对基因工程的补充和发展解题分析 蛋白质工程的流程是：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，天然蛋白质的合成过程：基因→表达→形成具有一定氨基酸序列的肽链→形成具
有高级结构的蛋白质，A正确，C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，是为了满足人类生产和生活的需求，B、D
正确。题型二 蛋白质工程的应用[例2] 下列关于蛋白质工程应用的叙述错误的是( )A．蛋白质工程可以改造蛋白质类酶的结构，提高其
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解题分析 蛋白质工程是依据人们设计的蛋白质分子结构来改造基因，进而控制合成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，C错误；通过蛋白质工程可以改变蛋白质的结构、理化性质、功能活性等，A、B、D正确
。题型三 蛋白质工程和基因工程的比较[例3] 下列有关蛋白质工程与基因工程的叙述，错误的是( )A．蛋白质工程也要通过转录和翻译
来实现B．蛋白质工程与基因工程没有任何关系C．蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质D．蛋白质工程比基因工程难度
大得多解题分析 蛋白质工程的操作对象是基因，也要通过转录和翻译来实现特定蛋白质的合成，A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，B错误。基因工程与蛋白质工程的比较课后课时作业[单项选择题]1．下列关于蛋白质工程的叙述中，错误的是( )
A．蛋白质工程的实质是改造基因B．利用蛋白质工程设计蛋白质结构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解析 蛋白质工程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，然后根据设计的蛋白质结
构，最终得到特定的脱氧核苷酸序列，B错误。2．科学家将β－干扰素基因进行定点诱变导入大肠杆菌表达，使干扰素第17位的半胱氨酸改变成
丝氨酸，结果大大提高β－干扰素的抗病毒活性，并且提高了储存稳定性。该生物技术为( )A．基因工程 B．蛋白质工程C．基因突
变 D．细胞工程解析 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，使其高效表达，从中提取所需的基因
控制合成的蛋白质，或表现某种性状，蛋白质产品仍然为天然存在的蛋白质；而蛋白质工程却是对控制蛋白质合成的基因进行改造，从而实现对其编
码的蛋白质的改造，所得到的已不是天然的蛋白质。题目中的操作中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β－干扰素
，而是经过改造的，是人类所需的蛋白质，因而整个过程利用的生物技术应为蛋白质工程，B正确。3．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解析 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，因此蛋白质工程中对蛋白质
分子结构的了解是非常关键的工作，B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；蛋白质工程中，可能根据已
经明确的蛋白质的结构构建出一种全新的基因，D正确。4．下列有关蛋白质工程的叙述，不正确的是( )A．蛋白质工程需要用到限制酶和D
NA连接酶B．蛋白质工程只能改造现有的蛋白质而不能制造新的蛋白质C．T4溶菌酶中引入二硫键提高了它的热稳定性是蛋白质工程应用的体现
D．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解析 蛋白质工程是对基因进行修饰改造或重新合成，然后进行表达，故蛋白
质工程需要用到限制酶和DNA连接酶，A正确；通过蛋白质工程，可产生自然界没有的蛋白质，B错误；T4溶菌酶中引入二硫键提高了它的热稳
定性属于对现有蛋白质进行改造，是蛋白质工程应用的体现，C正确；蛋白质工程能通过基因修饰或基因合成，定向对现有蛋白质分子的结构进行改
造，使之更加符合人类需要，D正确。5．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，临床治疗消化不良，最佳方案是将控制此酶合成的基因进行改造，进而使其中的少数氨基酸被替换，而不是
直接改造这种酶，原因是( )A．蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大B．改造基因易于操作且改造后能够遗传C．蛋白质高级结
构十分复杂D．缺乏改造蛋白质所必需的工具酶解析 要获得大量所需的蛋白质，最好是让细胞(或生物体)能不断地合成该种所需蛋白质。基因控
制蛋白质的合成，并能稳定遗传，所以要通过改造基因并让其随细胞(或生物体)遗传，B正确。6．在设计合成自然界中不存在的蛋白质时，首先
应该设计( )A．基因结构 B．mRNA结构C．氨基酸序列 D．蛋白质结构解析 合成自然界不存在的蛋白质属于蛋白质工
程，应根据蛋白质功能，从设计蛋白质结构入手，依次推测相应的氨基酸和脱氧核苷酸序列，然后通过基因修饰或基因合成，获得相应的蛋白质，D
正确。7．蛋白质工程的研究，将对生命科学产生重大影响。下列关于蛋白质工程的叙述，不正确的是( )A．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B．基因工程是蛋白质工程的关键技术C．蛋白质工程是对蛋白质分子的直接改造D．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解析 蛋白质工程通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，是在基因水平上改造蛋白质，C错误。8．新冠
病毒是一种RNA病毒，极易产生变异，其表面刺突蛋白(S蛋白)的受体结合域(RBD)可与人体细胞表面的ACE2受体相互作用而感染细胞
。科学家设计了一种自然界中不存在的蛋白质LCB1，可与S蛋白的RBD紧密结合，以干扰新冠病毒的感染。下列有关说法错误的是( )A
．LCB1可以依据S蛋白的RBD进行设计B．LCB1可能与ACE2受体的某些区域结构类似C．LCB1可以通过细胞中原有的基因表达产
生D．易感人群即使注射疫苗也仍然具有被感染的可能解析 由题干信息分析可知，人工合成的LCB1可以与S蛋白的RBD结合，故LCB1可
以依据S蛋白的RBD结构进行设计，A正确；由题干信息分析可知，新冠病毒是通过其表面的S蛋白的RBD与人体细胞表面的ACE2受体相互
作用，而人工合成的LCB1可识别并紧密结合S蛋白的RBD，阻止S蛋白的RBD与ACE2受体结合，这说明LCB1可能与ACE2受体的
某些区域结构类似，B正确；LCB1是人工设计并合成的一种自然界不存在的蛋白质，故LCB1并不是通过细胞中原有的基因表达产生的，C错
误；新冠病毒是一种RNA病毒，极易产生变异，易感人群注射疫苗也具有被变异的新冠病毒感染的可能，D正确。9．下列关于蛋白质工程的说法
不正确的是( )A．蛋白质工程能将人抗体的某些区段替代鼠单克隆抗体的区段，降低鼠单克隆抗体的免疫原性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解析 蛋白质工程能产生自然界没有的人—鼠抗体，可降低其诱发人体免疫反应的强度，A正确；蛋白质工程能通
过改造基因对现有蛋白质进行改造，如改变酶的催化活性、底物专一性、抗氧化性、热变性等，B正确；蛋白质工程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，C错误；人类生产和生活中的需求，以及理论研究的需要，造成了蛋白质工程的崛起，D正确。10．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，错误的是( )A．该
过程的操作对象是胰岛素分子B．可通过测定DNA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．胰岛素的本质是蛋白质不宜
口服使用解析 蛋白质工程的操作对象是基因，A错误；胰岛素的本质是蛋白质，只能注射，不宜口服使用，D正确。11．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过程的正确顺序是( )①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸
序列和基因的核苷酸序列 ②蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计序列 ③蓝色荧光蛋白基因的合成 ④表达出蓝色荧光蛋白A．①②③④
B．②①③④C．②③①④ D．④②①③解析 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(基因)→表达出相应的蛋白质，故正确顺序应该是②①③④。12．蛋白质工程在实施中遇到的最大的
难题是( )A．生产的蛋白质无法应用B．发展前景太窄C．对大多数蛋白质的高级结构不清楚D．无法人工合成目的基因解析 多数蛋白质具
有复杂的高级结构，即空间结构，而很多蛋白质的空间结构是人们目前还不清楚的，所以蛋白质工程仍需要经历艰辛的探索，C正确。[多项选择题
]13．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，2
40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。下列叙述正确的是( )A．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氨基酸序列进行改造B．直接对蛋白质的氨基酸序列进行修饰改造，是蛋白质工程的范畴C．
改变后的蛋白质(P1)与蛋白质(P)的结构不同，功能不同D．蛋白质工程的崛起是因为基因工程只停留在理论层面上，难以实现解析 从题干
信息可知，该蛋白质功能的改变是通过改变蛋白质的氨基酸序列实现的，A正确；蛋白质工程直接改造的是基因，B错误；改变后的蛋白质(P1)
与蛋白质(P)的结构不同，功能也不同，C正确；基因工程已经取得了众多的成果，D错误。14．下列有关基因工程与蛋白质工程的说法错误的
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
以不是天然存在的蛋白质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．蛋白质工程完全不同于基因工程解析 基因
工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程也是通过对基因进行分子水平操作，实现对现有蛋白质进行改造或合成新的蛋白质，A符合题意；基因
工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状，但只能生产自然界已存在的蛋白质，蛋白质工
程合成的可以不是天然存在的蛋白质，B不符合题意；基因工程和蛋白质工程都是分子水平操作，C符合题意；基因工程是蛋白质工程的基础，故蛋
白质工程又被称为第二代基因工程，D符合题意。[非选择题]15．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)图中代表中
心法则内容的是________。(填图中序号)(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：①__________，②____
______，③__________，④__________，⑤__________。①②转录翻译折叠推测改造或合成(3)蛋白质工
程的目的是_____________________________________，通过____________________
实现。(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是________的。获得满足人类生产和生活需求的蛋白质 基因改造或合成基
因 相反解析 (3)蛋白质工程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，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的需要。可见，蛋白质工程的目的是获得满足人类生产和生活需求的蛋白质，通过基因修饰或基因合成
实现。(4)蛋白质工程是根据具有相应功能的蛋白质结构推测氨基酸序列，进而推测出脱氧核苷酸序列，因此蛋白质工程的基本途径与中心法则相
反。16．镰状细胞贫血是人类的一种单基因遗传病，患者的血红蛋白分子β－肽链第6位的谷氨酸被缬氨酸代替，导致功能异常。回答下列问题：
(1)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中，可以合成正常的血红蛋白，达到治疗目的。此操作________(填“属于”或“
不属于”)蛋白质工程，理由是该操作____________________________________ ___________
_____。(2)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，通过设计蛋白质的结构和___________
_________，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因。(3)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：___________________
________________________________________。不属于 没有对现有的蛋白质进行改造，也没有形成新
蛋白质推测氨基酸序列 DNA和RNA(或遗传物质) DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转录、翻译) 解析
(1)该过程属于基因治疗，不属于蛋白质工程，原因是没有对现有的蛋白质进行改造。(2)蛋白质工程基本途径为从预期蛋白质功能出发，通过
设计蛋白质的结构和推测其氨基酸序列，确定相对应的脱氧核苷酸序列，获得基因。(3)中心法则内容包括DNA和RNA的复制，以及转录、逆
转录、翻译。17．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，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，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)通过人工合成DNA形成的新基
因应与___________结合后转移到____________________中才能得到准确表达。(3)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。(4)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？________________________________________________________________________________________________新胰岛素的预期功能 载体大肠杆菌等受体细胞 蛋白质工程基因工程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，然后人工合成出新的胰岛素基因。 解析 (1)蛋白质工程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，图中构建新的胰岛素模型的依据是新胰岛素的预期功能，即速效胰岛素。(2)合成的目的基因应与载体形成重组DNA分子后导入受体细胞中才能得以表达。(3)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，根据新的胰岛素的功能，设计新的胰岛素的结构，推测其氨基酸序列，并推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后人工合成新的胰岛素基因，形成目的基因，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。本课结束 |
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