第4節蛋白質工程的原理和應用[學習目標]1.舉例說出蛋白質工程崛起的緣由。2.簡述蛋白質工程的基本原理。1．蛋白質工程(1)基礎：蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系。(2)手段：通過改造或合成基因，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質。(3)目的：獲得滿足人類生產和生活需求的蛋白質。(4)困難：蛋白質發揮功能必須依賴正確的高級結構，而蛋白質的高級結構十分復雜。2．蛋白質工程崛起的緣由(1)崛起緣由①基因工程的實質：將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀。②基因工程的不足：基因工程在原則上只能生產自然界中已存在的蛋白質。③天然蛋白質的不足：天然蛋白質的結構和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產和生活的需要。(2)實例：提高玉米賴氨酸含量改造后玉米葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。3．蛋白質工程的基本原理(1)目標：根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行設計改造。(2)方法：改造或合成基因。(3)基本思路：從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質。4．蛋白質工程的應用(1)醫藥工業方面①科學家通過對胰島素基因的改造，研發出速效胰島素類似物產品。②③人－鼠嵌合抗體：降低免疫反應強度。(2)其他工業方面用于改進酶的性能或開發新的工業用酶，如利用蛋白質工程獲得枯草桿菌蛋白酶的突變體，篩選出符合工業化生產需求的突變體，提高該酶的使用價值。(3)農業方面①科學家嘗試改造某些參與調控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產量。②科學家利用蛋白質工程的思路來設計優良微生物農藥，通過改造微生物蛋白質的結構，增強微生物防治病蟲害的效果。判斷正誤(1)蛋白質工程的目的是改造或合成人類需要的蛋白質()(2)對蛋白質的改造是通過直接改造相應的mRNA來實現的()(4)蛋白質工程不能改變蛋白質的活性()答案(1)√(2)×(3)√(4)×提示(2)對蛋白質的改造是通過直接改造相應的基因來實現的。(4)通過蛋白質工程可以改變蛋白質的活性。任務：基因工程和蛋白質工程1．研究人員試圖將人胰島素的B鏈的第28位氨基酸由脯氨酸替換為天冬氨酸，從而有效抑制胰島素的聚合，獲得速效胰島素類似物產品，應進行的操作是將基因相應位置上的堿基進行替換，從而使其指導合成的胰島素相應位置上的氨基酸發生改變。2．如果已經推測出多肽中的氨基酸序列，那么推測出的基因中的堿基序列不唯一(填“唯一”或“不唯一”)，理由是一個氨基酸是由一個或多個密碼子決定的，因此獲得的基因中的堿基序列有多種。3．確定目的基因的堿基序列后，可以人工合成目的基因，或應用基因的定點突變技術來進行堿基的替換等進而改造基因。4．蛋白質工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白質的原因：(1)任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白質也是無法遺傳的。(2)對基因進行改造比對蛋白質直接改造更容易操作，難度要小得多。“三看法”判斷基因工程和蛋白質工程(1)一看對基因的操作方法如果僅將基因用限制酶從DNA片段中切割下來，沒有經過對編碼蛋白序列進行修飾、加工，或僅對其調控序列進行加工，則屬于基因工程；如果將目的基因經過了一些實質性的改造，如對編碼蛋白序列進行了堿基替換或增添或缺失某幾個堿基，則屬于蛋白質工程。(2)二看目的基因的合成方式基因工程和蛋白質工程中都可以通過逆轉錄合成目的基因，或根據蛋白質的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。如果合成時mRNA或氨基酸序列沒有經過改造，則為基因工程技術；如果mRNA或氨基酸序列經過了改造，或者mRNA或氨基酸序列是根據蛋白質預期的功能人工設計的，則為蛋白質工程技術。(3)三看合成的蛋白質種類如果合成的蛋白質是天然蛋白質，則是基因工程；如果合成的蛋白質和天然蛋白質有差異，甚至是自然界中所沒有的，則為蛋白質工程。[拓展延伸]PCR定點突變技術在基因改造中的應用蛋白質工程通過改造基因實現對蛋白質的定向改造。PCR定點突變技術是最常用的基因定點突變技術，通過設計含有非特異性配對堿基的引物，再通過PCR將突變位點引入產物中，它又可以分為重疊延伸PCR、大引物PCR等。(1)重疊延伸PCR是發展最早的PCR定點突變技術。該技術的流程如圖1所示。該技術要使用四條引物。其中引物2和3的突起處代表與模板鏈不能互補的突變位點，而這兩條引物有部分堿基(包括突變位點)是可以互補的。因此，分別利用引物1和2、引物3和4進行PCR后，得到的DNA片段可以通過引物2和3互補的堿基雜交在一起，再在DNA聚合酶的作用下延伸，就能成為一個完整的DNA。最后，用引物1和4進行擴增得到含有突變位點的DNA片段。通過測序可以檢驗定點突變是否成功。(2)大引物PCR的流程如圖2所示。該技術需要用到三條引物進行兩輪PCR，這三條引物分別是突變上游引物、常規上游引物和常規下游引物。第一輪PCR利用突變上游引物和常規下游引物進行擴增，得到不完整的含有突變位點的DNA片段；第二輪PCR利用第一輪擴增產物中的一條DNA鏈作為下游大引物，它與常規上游引物一起擴增得到完整的含有突變位點的DNA片段。1．(2023·連云港高二期中)下列各項與蛋白質工程沒有直接關系的是()A．利用各種高科技手段分析蛋白質的分子結構B．研究并改變某種蛋白質相關基因的堿基序列C．設計和制造自然界中沒有的人工蛋白質D．將編碼牛凝乳酶的基因導入酵母菌的基因組中獲得凝乳酶答案D解析將編碼牛凝乳酶的基因導入酵母菌的基因組中獲得凝乳酶是基因工程的成果，與蛋白質工程沒有直接關系，D符合題意。2．(2021·遼寧，14)腈水合酶(N0)廣泛應用于環境保護和醫藥原料生產等領域，但不耐高溫。利用蛋白質工程技術在N0的α和β亞基之間加入一段連接肽，可獲得熱穩定的融合型腈水合酶(N1)。下列有關敘述錯誤的是()A．N1與N0氨基酸序列的差異是影響其熱穩定性的原因之一B．加入連接肽需要通過改造基因實現C．獲得N1的過程需要進行轉錄和翻譯D．檢測N1的活性時先將N1與底物充分混合，再置于高溫環境答案D解析在N0的α和β亞基之間加入一段連接肽，可獲得熱穩定的融合型腈水合酶(N1)，則N1與N0氨基酸序列有所不同，這可能是影響其熱穩定性的原因之一，A正確；蛋白質工程的作用對象是基因，即加入連接肽需要通過改造基因實現，B正確；N1為蛋白質，蛋白質的合成需要經過轉錄和翻譯兩個過程，C正確；酶具有高效性，檢測N1的活性需先將其置于高溫環境，再與底物充分混合，D錯誤。課時對點練[分值：100分]第1～6題，每題5分；第7～12題，每題6分，共66分。題組一蛋白質工程1．下列關于蛋白質工程的說法，錯誤的是()A．蛋白質工程能定向改造蛋白質分子的結構，使之更加符合人類需要B．蛋白質工程是在分子水平上對蛋白質分子直接進行操作，定向改變分子的結構C．蛋白質工程能產生自然界中不曾存在的新型蛋白質分子D．蛋白質工程的操作起點是從預期的蛋白質功能出發，設計出相應的基因，并借助基因工程實現答案B解析基因的結構決定蛋白質的結構，對蛋白質的結構進行設計改造是通過改造或合成基因來完成的，而不是直接對蛋白質分子進行操作，B錯誤。2．(2023·南通高二期末)某生物中發現一種基因的表達產物是具有較強抗菌性和溶血性的多肽A．構建含目的肽DNA片段的表達載體B．合成編碼多肽P1的DNA片段C．設計抗菌性強但溶血性弱的蛋白質結構D．利用抗原—抗體雜交的方法對表達產物進行檢測答案C解析蛋白質工程的過程：從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質。因此，預期在P1的基礎上研發抗菌性強但溶血性弱的蛋白質藥物，下一步要做的是設計預期的蛋白質結構，即設計抗菌性強但溶血性弱的蛋白質結構，C符合題意。3．(2023·唐山高二期末)科學家將胰島素的第28和29位的氨基酸調換順序，成功獲得了速效胰島素，生產速效胰島素時需要定向改造的對象是()A．胰島素 B．胰島素mRNAC．胰島素基因 D．胰島B細胞答案C解析對天然蛋白質進行改造，是通過對基因的操作來實現的。4．蛋白質工程是在深入了解蛋白質分子的結構與功能關系的基礎上進行的，它最終要達到的目的是()A．分析蛋白質的三維結構B．研究蛋白質的氨基酸組成C．獲取編碼蛋白質的基因序列信息D．改造現有蛋白質或制造新的蛋白質答案D解析分析蛋白質的三維結構是蛋白質工程的準備工作，A不符合題意；研究蛋白質的氨基酸組成是為了設計或改造相關基因，這不是蛋白質工程的最終目的，B不符合題意；獲取編碼蛋白質的基因序列信息實現了對基因的修飾或合成過程，但不是蛋白質工程要達到的最終目的，C不符合題意；改造現有蛋白質或制造新的蛋白質，從而滿足人類的需求，實現對蛋白質的定向改造，這是蛋白質工程的最終目的，D符合題意。5．近年來，人工智能(AI)算法在蛋白質工程領域的應用已經被開發，下列關于AI算法在蛋白質工程領域應用的設想中，實現難度最大的是()A．根據人類對蛋白質的功能需求設計蛋白質的高級結構B．根據蛋白質的空間結構推測其氨基酸序列C．按照設定的氨基酸序列推測mRNA的堿基序列D．按照設定的mRNA的堿基序列設計新基因答案A解析蛋白質工程的基本思路是：從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質，其中根據人類對蛋白質的功能需求設計蛋白質的高級結構是最難實現的，A符合題意。6．(2023·宿遷高二質檢)下列不屬于蛋白質工程的成果的是()A．改造蛋白質類酶的結構，提高其熱穩定性B．生產鼠—人嵌合抗體C．將干擾素分子中的半胱氨酸替換為絲氨酸D．將人的胰島素基因整合到大腸桿菌體內生產胰島素答案D解析將人的胰島素基因整合到大腸桿菌體內生產胰島素是基因工程的成果。題組二蛋白質工程與基因工程的比較7．下列有關基因工程和蛋白質工程的敘述，錯誤的是()A．基因工程是一種在體外進行的重組DNA技術B．通過蛋白質工程可以獲得功能更符合人類需求的蛋白質C．基因工程可以改造出更符合人類需求的新的生物類型和生物產品D．基因工程和蛋白質工程分別在DNA分子水平和蛋白質分子水平上進行設計和施工答案D解析基因工程需要通過體外重組DNA技術和轉基因等技術實現，A正確；蛋白質工程能定向改造蛋白質的分子結構，使之更加符合人類需求，B正確；通過基因工程能創造出更符合人們需求的新的生物類型和生物產品，C正確；蛋白質工程并不是直接改造蛋白質，而是通過改造某種基因，間接對這種基因控制合成的蛋白質進行改造，故基因工程和蛋白質工程都是在DNA分子水平上進行設計和施工的，D錯誤。8．(2024·鄭州高二期中)下列關于蛋白質工程的敘述，錯誤的是()A．蛋白質工程技術是基因工程技術的延伸B．蛋白質工程只能生產自然界中已存在的蛋白質C．蛋白質工程的設計是按中心法則相反的途徑進行的D．蛋白質工程可對基因進行改造或合成新基因答案B解析蛋白質工程可以生產自然界中不存在的蛋白質，B錯誤。9．已知生物體內有一種轉運蛋白Y，由300個氨基酸組成。如果將Y中157位的L-異亮氨酸變成亮氨酸，261位的酪氨酸變成絲氨酸，改變后的蛋白質Y1不但保留了原有Y的功能，且具備了催化活性。下列說法正確的是()A．蛋白質工程和基因工程的根本區別是操作對象的差異B．可以通過對Y蛋白基因進行修飾或人工合成獲得Y1蛋白基因C．蛋白質工程操作過程中，不需要酶和載體作為工具D．細胞內合成Y1蛋白與Y蛋白的過程中，遺傳信息的流向是相反的答案B解析蛋白質工程和基因工程的根本區別是蛋白質工程可產生自然界中沒有的蛋白質，A錯誤；蛋白質工程操作過程中，需要酶和載體作為工具，C錯誤；細胞內合成Y1蛋白與Y蛋白的過程中，遺傳信息的流向是相同的，D錯誤。10．(多選)干擾素是動物體內的一種蛋白質，可以用于治療病毒的感染和癌癥，但在體外保存相當困難。如圖是利用蛋白質工程設計保存干擾素的生產流程圖，據圖分析，下列敘述正確的是()A．圖中構建新的干擾素模型的主要依據是蛋白質的預期功能B．圖中新的干擾素基因必須加上啟動子和終止子才能表達C．圖中改造干擾素結構的實質是改造干擾素基因的結構D．圖中各項技術并沒有涉及基因工程技術答案ABC解析題圖中新的干擾素基因導入受體細胞中表達新干擾素的過程涉及基因工程技術。11．(多選)人白細胞介素-2(IL-2)是一種細胞因子，含有3個半胱氨酸，分別位于第58、105、125位，其中58位與105位半胱氨酸之間形成的二硫鍵對保持IL-2活性起重要作用。用大腸桿菌生產IL-2，為保證產物活性，將IL-2基因中編碼125位半胱氨酸的序列突變為編碼絲氨酸的序列。下列敘述錯誤的是()A．突變的IL-2基因的序列發生了堿基的增添B．天然的IL-2是由白細胞分泌的具有免疫能力的抗體C．突變的IL-2基因的表達降低了二硫鍵錯配的可能D．大腸桿菌中IL-2基因的復制和表達遵循中心法則答案AB解析由題意可知，對IL-2的改造，只是一個氨基酸發生了改變，應該是發生了堿基的替換，A錯誤；IL-2是細胞因子，屬于免疫活性物質，但不是抗體，B錯誤。12．(多選)如圖是科學家對鼠源雜交瘤抗體進行改造，生產出效果更好的鼠—人嵌合抗體的過程。下列有關說法錯誤的是()A．生產鼠—人嵌合抗體的過程屬于基因工程B．對鼠源雜交瘤抗體進行改造的難點是設計嵌合抗體的空間結構C．對鼠源雜交瘤抗體進行改造，是通過基因定點誘變技術改造基因實現的D．鼠—人嵌合抗體的使用對人體的副作用減少答案AC解析生產鼠—人嵌合抗體的過程屬于蛋白質工程，A錯誤；對鼠源雜交瘤抗體進行改造，首先要根據預期嵌合抗體功能(或蛋白質功能)，設計嵌合抗體結構，然后通過基因拼接，將鼠源抗體基因改造成鼠—人嵌合抗體基因，最后導入鼠淋巴細胞中表達，而不是通過基因定點誘變技術改造基因實現的，C錯誤。13．(16分)賴氨酸是人體必需氨基酸之一，能促進人體發育、增強免疫功能，并有提高中樞神經組織功能的作用。某農科所科技人員欲通過將玉米某種蛋白酶改造成“M酶”，從而大大提高玉米種子中賴氨酸的含量，以期待培育出高賴氨酸玉米新品種。請回答下列問題：(1)科技人員先從“提高玉米種子中賴氨酸的含量”這一功能出發，預期構建出________的結構，再推測出相對應目的基因的____________序列，最終合成“M酶”基因。(2)科技人員獲得“M酶”基因后，常利用__________技術在體外將其大量擴增，此過程需要一種特殊的酶是________________________________。(3)“M酶”基因只有插入______________________________，才能確保“M酶”基因在玉米細胞中穩定遺傳。科技人員將“M酶”基因導入玉米細胞中需要借助________的運輸。(4)依據________________________的原理，可將含有“M酶”基因的玉米細胞培育成轉“M酶”基因的玉米植株。為了確保育種成功，科技人員需要通過________________________，從個體水平加以鑒定。米細胞的染色體DNA中載體(4)植物細胞具有全能性測定玉米種子中賴氨酸的含量14．(18分)(2022·湖南，22節選)水蛭是我國的傳統中藥材，主要藥理成分水蛭素為水蛭蛋白中重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。擬通過蛋白質工程改造水蛭素結構，提高其抗凝血活性。