2024-2025学年高二生物人教版选择性必修3 第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用.docx

第4节蛋白质工程的原理和应用

[学习目标]1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.简述蛋白质工程的基本原理。

1．蛋白质工程

(1)基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。

(2)手段：通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质。

(3)目的：获得满足人类生产和生活需求的蛋白质。

(4)困难：蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。

2．蛋白质工程崛起的缘由

(1)崛起缘由

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基因工程的不足：基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。

③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)实例：提高玉米赖氨酸含量

改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。

3．蛋白质工程的基本原理

(1)目标：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)方法：改造或合成基因。

(3)基本思路：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．蛋白质工程的应用

(1)医药工业方面

①科学家通过对胰岛素基因的改造，研发出速效胰岛素类似物产品。

②

③人－鼠嵌合抗体：降低免疫反应强度。

(2)其他工业方面

用于改进酶的性能或开发新的工业用酶，如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。

(3)农业方面

①科学家尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。

②科学家利用蛋白质工程的思路来设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，增强微生物防治病虫害的效果。

判断正误

(1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质()

(2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的()

(3)由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大()

(4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性()

答案(1)√(2)×(3)√(4)×

提示(2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的基因来实现的。(4)通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性。

任务：基因工程和蛋白质工程

1．研究人员试图将人胰岛素的B链的第28位氨基酸由脯氨酸替换为天冬氨酸，从而有效抑制胰岛素的聚合，获得速效胰岛素类似物产品，应进行的操作是将基因相应位置上的碱基进行替换，从而使其指导合成的胰岛素相应位置上的氨基酸发生改变。

2．如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列不唯一(填“唯一”或“不唯一”)，理由是一个氨基酸是由一个或多个密码子决定的，因此获得的基因中的碱基序列有多种。

3．确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因，或应用基因的定点突变技术来进行碱基的替换等进而改造基因。

4．蛋白质工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白质的原因：(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的。(2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。

“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逆转录合成目的基因，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，或者mRNA或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，则是基因工程；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。

[拓展延伸]PCR定点突变技术在基因改造中的应用

蛋白质工程通过改造基因实现对蛋白质的定向改造。PCR定点突变技术是最常用的基因定点突变技术，通过设计含有非特异性配对碱基的引物，再通过PCR将突变位点引入产物中，它又可以分为重叠延伸PCR、大引物PCR等。

(1)重叠延伸PCR是发展最早的PCR定点突变技术。该技术的流程如图1所示。该技术要使用四条引物。其中引物2和3的突