解读“蛋白质工程”

　　基因工程虽然能够改造生物的遗传特性，但目的基因表达的产物仍然是天然蛋白质，而天然蛋白质存在结构不稳定或活性较低等缺点，满足不了人类生产和生活的需要。蛋白质工程的诞生有效地解决了上述难题。
　　一、 蛋白质工程
　　1. 概念：以蛋白质分子的结构规律以及生物功能的关系作为基础，通过基因的修饰或基因的合成，对现有的基因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求。
　　例1 关于蛋白质工程的说法，正确的是
　　（ ）
　　A. 蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作
　　B. 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. 蛋白质工程无需构建基因表达载体
　　D. 蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的
　　解析 考查蛋白质工程的操作对象、基本途径以及基因工程和蛋白质工程的关系，同时考查学生的理解能力和比较能力。蛋白质工程是在分子水平上对基因直接进行操作。天然蛋白质合成遵循中心法则，而蛋白质工程是先确定蛋白质的功能与结构，然后推测并合成相应的基因序列，过程与中心法则正好相反。合成的基因必须转移到相应细胞内进行表达，此过程需要构建基因表达载体。
　　答案 B
　　2. 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（基因）。
　　3. 操作对象：基因。
　　原因：
　　① 基因控制蛋白质的合成，改造基因即改造了蛋白质；
　　② 改造的基因可以遗传，直接改造的蛋白质不能遗传；
　　③ 目前对大多数蛋白质复杂的高级结构还不清楚，所以改造基因比直接改造蛋白质容易。
　　4. 成果和困难
　　蛋白质工已经取得一些成果，如科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。但由于蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，这种高级结构十分复杂，而目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够，要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需经过艰辛的探索。
　　例２ 科研人员通过蛋白质工程来设计改变酶的构象。在研究溶菌酶的过程中，得到了多种突变酶，测得酶50%发生变性时的温度（Tm），部分结果见下表：
　　（注：Cys上角的数字表示半胱氨酸在肽链的位置。）
　　（1） 溶菌酶热稳定性的提高，是通过改变
　　 和增加 得以实现的。
　　（2） 从热稳定性高的酶的氨基酸序列出发，利用 方法获得目的基因，通过基因工程的手段，可以生产自然界中不存在的蛋白质。
　　解析 考查蛋白质工程的实际用途，同时考查获取信息的能力。
　　（1） 从表中发现，半胱氨酸的数目和位置：野生型T4溶菌酶2个(第51号和第97号)、突变酶C2个(第21号和第143号)、突变酶F5个(第3号、第9号、第21号、第142号、第164号)；二硫键的数目：野生型T4溶菌酶0，突变酶C、突变酶F分别是1、3。所以溶菌酶热稳定性的提高是通过改变半胱氨酸的位置和数目和增加二硫链的数目得以实现的。
　　（2）从氨基酸序列出发推测mRNA的碱基序列，进一步推测基因的脱氧核苷酸序列，最后人工合成目的基因。
　　答案 （1） 半胱氨酸的位置二硫键的数目
　　（2） 人工合成(化学合成)
　　二、 基因工程与蛋白质工程比较（下表）
　　例3 降钙素是一种多肽类激素，临床上用于治疗骨质疏松症等。人的降钙素活性很低，半衰期较短。某科学机构为了研发一种活性高、半衰期长的新型降钙素，从预期新型降钙素的功能出发，推测相应的脱氧核苷酸序列，并人工合成了两条72个碱基的DNA单链，两条链通过18个碱基对形成部分双链DNA片段，再利用Klenow酶补平，获得双链DNA，过程如下图。在此过程中发现，合成较长的核苷酸单链易产生缺失碱基的现象。分析回答下列问题：
　　（1） Klenow酶是一种 酶，合成的双链DNA有 个碱基对。
　　（2） 获得的双链DNA经EcoRⅠ（识别序列和切割位点—G↓AATTC—）和BamHⅠ（识别序列和切割位点—G↓GATCC—）双酶切后插入到大肠杆菌质粒中，筛选含重组质粒的大肠杆菌并进行DNA测序验证。
　　① 大肠杆菌是理想的受体细胞，这是因为它
　　 。
　　② 设计EcoRⅠ和BamHⅠ双酶切的目的是
　　 。
　　③ 要进行重组质粒的鉴定和选择，需要大肠杆菌质粒中含有。
　　（3） 经DNA测序表明，最初获得的多个重组质粒，均未发现完全正确的基因序列，最可能的原因是 。
　　（4） 上述制备该新型降钙素，运用的现代生物工程技术是 。
　　解析 以蛋白质工程应用的实例为载体考查基因工程的操作工具、操作途径和DNA合成等知识，同时考查学生获取信息能力和分析推理能力。
　　（1） 观察图可以发现通过Klenow酶能够将单链DNA延伸，所以它是一种DNA聚合酶。由于最初合成的是两条72个碱基的DNA单链，且两条链通过18个碱基对形成部分双链DNA片段，所以每条链上还有54个碱基未形成双链。因此最终合成的双链DNA有126（54＋54＋18）个碱基对。
　　（2） 由于大肠杆菌是单细胞生物、繁殖快、遗传物质相对较少，所以在最初的基因工程中常常作受体细胞。由于EcoRⅠ和BamHⅠ的识别序列和切点不同，所以用EcoRⅠ和BamHⅠ同时切割，目的基因两侧形成的黏性末端不同，载体也是，这样可以保证目的基因和载体定向连接，形成重组质粒。基因工程中，重组质粒的鉴定和选择依靠标记基因。
　　（3） 根据材料中“在此过程中发现，合成较长的核苷酸单链易产生缺失碱基的现象”判断未发现完全正确的基因序列最可能的原因是合成的核苷酸单链较长，产生缺失碱基。
　　（4） 根据材料中“从预期新型降钙素的功能出发，推测相应的脱氧核苷酸序列，……获得双链DNA”，可以确定运用的现代生物工程技术是蛋白质工程。
　　答案 （1） DNA聚合酶126
　　（2） ① 繁殖快、单细胞、遗传物质相对较少② 保证目的基因和载体定向连接（或防止目的基因和载体在酶切后产生的末端发生任意连接）③ 标记基因
　　（3） 合成的核苷酸单链较长，产生缺失碱基的现象
　　（4） 蛋白质工程
　　反馈训练
　　1. 科学家将β-干扰素基因进行定点突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-干扰素的抗病能力，并且提高了储存稳定性。此技术属于（）
　　A. 基因工程 B. 基因突变
　　C. 蛋白质工程 D. 细胞工程
　　2. 下列是蛋白质工程的示意图，有关叙述错误的是（）
　　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. 目前蛋白质工程最大的困难是E过程，即设计蛋白质的预期结构
　　C. G过程的完成依赖于基因修饰或基因合成
　　D. 蛋白质工程流程的顺序是A、B、C、D、E、F、G
　　3. 下列有关蛋白质工程的说法正确的是（）
　　A. 蛋白质工程是基因工程的基础
　　B. 通过蛋白质工程改造后的蛋白质可能仍是天然的蛋白质
　　C. 蛋白质工程需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶
　　D. 蛋白质工程是在蛋白质分子水平上改造蛋白质
　　4. 下图是利用定点突变技术获取人们所需蛋白质的过程示意图。请据图分析回答相关问题：
　　（1） 该图示过程体现了
　　（至少写出两项）等现代生物技术的综合运用。
　　（2） 当前基因工程中扩增目的基因常用的方法是 ，图中 （填序号）过程即为此项应用。
　　（3） Ⅳ过程需使用的酶是 ，它具有的重要特性是 ；Ⅴ过程的最终完成必须依赖于 酶的作用。
　　（4） 从理论上分析，经过Ⅶ过程可提供人们所需蛋白质的细胞占总数的，理由是
　　。
　　5. 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。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程。请据图回答：

点击下载：原版全文 .pdf