2017-2018学年高中生物 专题1 细胞工程 1.4 蛋白质工程的崛起学案 新人教版选修3

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1、1.4蛋白质工程的崛起目标导航1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.结合教材图129，简述蛋白质工程的基本原理及蛋白质工程的进展和前景。重难点击蛋白质工程的基本原理。课堂导入方式一：人类可以创造出自然界不存在的蛋白质吗？答案是肯定的。例如：科学家已生产出一种以前必须从南极鱼类身体中提取的抗冻蛋白质。这一技术可用于储存大量新鲜的动植物和人类的组织细胞，防止形成冰晶，破坏脆弱的细胞膜和细胞的内部结构。你想了解这方面的知识吗？请跟着我一起学习：蛋白质工程的崛起。方式二：基因工程的诞生，为克服远缘杂交的障碍问题，带来了新的希望，并取得了丰硕成果：大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，牛的乳腺生物反应器为人类制

2、造出了蛋白质类药物，烟草植物体内含有了某种药物蛋白，至此，人们也只是实现了自然界现有基因在转基因生物中的表达。但一个新问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它的结构、性能不能完全满足人类生产和生活的需要。于是要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们又开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。一、蛋白质工程崛起的缘由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.蛋白质工程(1)崛起缘由基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却

3、不一定完全符合人类生产和生活的需要。(2)实例体外很难保存体外70 下可以保存半年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含量分别提高5倍和2倍)合作探究1.基因工程的优势与不足分别是什么？答案(1)优势：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，进而表现出新性状。这是基因工程的实质。(2)不足：原则上基因工程只能生产自然界中已存在的蛋白质。2.蛋白质工程的实例：(1)经改造的干扰素基因合成的干扰素和原来的相比，在结构和功能上有什么改变？答案经改造的干扰素，其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，结果大大提高该干扰素在体外储存的稳定性。(2)可以通过哪些途径

4、提高玉米中的赖氨酸含量？答案可以将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米，可以改变赖氨酸合成途径中关键酶的活性。(3)为什么改变一个氨基酸就可以改变蛋白质的稳定性甚至某种蛋白质的活性？答案蛋白质的结构是由其氨基酸组成决定的，个别氨基酸的改变就会导致其结构的改变，从而影响到其性质和功能。1.判断正误(1)基因工程能生产自然界中不存在的蛋白质()(2)蛋白质工程的主要目的是对现有蛋白质进行改造或生产新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需要()(3)蛋白质工程可以直接改造蛋白质，也可以制造出新的蛋白质()(4)为延长干扰素保存时间，需要替换氨基酸；为提高玉米中赖氨酸含量，需要在蛋白质中加入赖氨酸()答案(

5、1)(2)(3)(4)2.将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞，可以提高玉米中的赖氨酸含量；更换赖氨酸形成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，使两种酶的活性提高，也可以提高玉米中的赖氨酸含量。以上两种技术分别属于()A.基因工程、基因工程B.蛋白质工程、蛋白质工程C.基因工程、蛋白质工程D.蛋白质工程、基因工程答案C解析富含赖氨酸的蛋白质是自然界中已有的蛋白质，基因工程只是把该蛋白质基因转入玉米细胞，并使之合成该蛋白质；更换赖氨酸合成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，是对自然界中已有的蛋白质进行改造，属于蛋白质工程。一题多变上述两种提高玉米中赖氨酸

6、含量的技术的实质相同吗？为什么？_。答案不相同。蛋白质工程的实质是定向改造或生产人类所需蛋白质，基因工程的实质是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品二、蛋白质工程的基本原理、进展和前景1.蛋白质工程的基本原理概念基础蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系手段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目的获得满足人类生产和生活需求的蛋白质原理由预期的蛋白质功能找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)目标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基本流程预期蛋白质的功能设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序

7、列找到相对应的脱氧核苷酸序列2.蛋白质工程的进展和前景(1)进展医药方面：科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。电子方面：生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面，用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。(2)前景和存在的问题：蛋白质工程前景是诱人的，但难度却很大，尤其是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。合作探究1.蛋白质工程为什么需直接改造基因，而不直接改造蛋白质？答案(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。(

8、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。2.基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？为什么？答案都遵循中心法则。基因工程指导合成天然蛋白质的过程是遵循中心法则的；蛋白质工程操作时，经改造的基因表达所需要的蛋白质仍需遵循中心法则。3.蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质相同吗？分别体现在哪些方面？答案不同。(1)操作对象不同：蛋白质工程的操作对象是天然基因改造后的基因；基因工程的操作对象是天然基因。(2)得到的蛋白质不同：蛋白质工程可以得到自然界没有的新的蛋白质；基因工程得到的是自然界原有的蛋白质。4.科学家对胰岛素进行改造是否要获得相应的目的基因？如何获得？答案

9、要获得。应该以现有的胰岛素结构为基础，设计满足新功能需要的新结构，推测出相关的氨基酸序列，然后根据密码子找出相应的DNA序列，再进行人工合成得到目的基因。3.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)代表蛋白质工程操作思路的过程是_；代表中心法则内容的是_(填写数字)。(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：_；_；_；_；_。(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。问题导析(1)天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的。(2)蛋白质工程的基本途径与上述过程相反，即从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测

10、应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。答案(1)(2)转录翻译折叠分子设计DNA合成(3)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基因合成或改造(4)相反4.科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品，阅读教材，结合资料完成下述分析。如图是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

11、胰岛素基因的基本思路是_。答案(1)蛋白质的预期功能(2)载体大肠杆菌等受体细胞(3)蛋白质工程基因工程(4)根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因基因工程和蛋白质工程的对比比较项目基因工程蛋白质工程操作对象天然基因改造基因操作水平DNA分子水平DNA分子水平基本过程目的基因的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预期的蛋白质功能设计预期的蛋白质结构推测蛋白质应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列合成DNA表达出蛋白质结果生产人类需要的基因产物(自然界已有的蛋白质)可以生产自然界没有的、不存在的

12、新蛋白质联系蛋白质工程是以基因工程为基础的1.蛋白质工程的基本流程正确的是()蛋白质分子结构设计DNA合成预期蛋白质功能据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A.B.C.D.答案C解析蛋白质工程是根据人们的需要首先要预期相应功能，然后对其空间结构进行设计，目前这一步是科学家们仍未完全掌握的，根据相应的氨基酸序列推导出基因中的碱基序列，再利用人工合成法合成相应的目的基因。2.蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是()A.蛋白质工程能生产人类需要的基因产物B.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C.蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现D.蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第三代

13、基因工程答案B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，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求，是延伸出来的第二代基因工程。3.以下蛋白质工程中，目前已成功的是()A.对胰岛素进行改造，生产速效型药品B.蛋白质工程应用于微电子方面C.生产体外耐储存的干扰素D.用蛋白质工程生产血红蛋白答案A解析A已经实现，B、C、D三项目前尚未实现，只是蛋白质工程的发展前景，有待于进一步研究和设计。4.蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质的原因是()A.缺乏改造蛋白质所必需的工具酶B.改造基因易于操作且改造后能够遗传C.人类

14、对大多数蛋白质高级结构知之甚少D.蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大答案B解析由于基因控制蛋白质的合成，所以对蛋白质设计改造可通过对基因进行修饰或合成来完成，且改造后的基因能够遗传给子代。5.2008年诺贝尔化学奖授予了三位在研究绿色荧光蛋白(GFP)方面作出突出贡献的科学家。绿色荧光蛋白能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发出的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。GFP基因可作为目的基因用于培育绿色荧光小鼠，下图表示培育绿色荧光小鼠的基本流程：请根据上述材料回答下列问题：(1)用于培育绿色荧光小鼠的基因表达载体的组成必须有启动子、标记基因、_

15、和_等。图中过程常用的方法是_。(2)GFP基因与目的基因一起构建到载体上不影响目的基因的表达，也不影响由目的基因控制合成的蛋白质的结构与功能，且对细胞无毒害作用，因此GFP基因可以作为基因表达载体上的_。(3)目前科学家们通过_工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等，该工程是直接改造GFP分子，还是改造GFP基因？_。答案(1)GFP基因终止子显微注射技术(2)标记基因(3)蛋白质改造GFP基因(绿色荧光蛋白基因)基础过关1.蛋白质工程制造的蛋白质是()A.天然蛋白质B.稀有蛋白质C.自然界中不存在的蛋白质D.尚没有制造出来答案C解析蛋白质工程是对基因进行改造进而产生符合人们需要的蛋白质，

16、因此不再是天然的蛋白质。2.下列说法不正确的是()A.天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的B.天然蛋白质都能符合人类生产和生活的需要C.天然干扰素在体外保存相当困难D.许多工业用酶是由天然酶改造出来的答案B3.添加在洗衣粉中的某种酶在低温下活性较低，影响了洗衣粉的洗衣效果。若让你用生物工程的方法改变此酶的特性，首先考虑的是()A.基因工程B.蛋白质工程C.诱变D.细胞工程答案B解析蛋白质工程可通过基因工程这一手段实现对蛋白质改造的目的。4.蛋白质工程的实质是()A.改造蛋白质B.改造mRNAC.改造基因D.改造氨基酸答案C解析蛋白质工程的目的是获取人类需要的蛋白质，由于蛋白质的合成是受基因控

17、制的，所以要从根本上对基因进行改造。5.下列关于蛋白质工程的说法，错误的是()A.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B.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构C.蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的新型蛋白质分子D.蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发，设计出相应的基因，并借助基因工程实现答案B解析基因的结构决定蛋白质的结构，因此，要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造基因来完成，而不是直接对蛋白质分子进行操作。6.蛋白质工程是新崛起的一项生物工程，又称第二代基因工程。下图为蛋白质工程流程图，图中A、B在遗传学上依次表示()

18、A.转录和翻译B.翻译和转录C.复制和转录D.传递和表达答案A7.下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，不合理的是()A.基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造，从而制造一种新的蛋白质B.蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成C.当得到可以在70 条件下保存半年的干扰素后，在相关酶、氨基酸和适宜的温度、pH条件下，干扰素可以大量自我合成D.基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的答案C8.猪的胰岛素用于人体降低血糖浓度效果不明显，原因是猪的胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪的胰岛素用于临床治

19、疗人的糖尿病，用蛋白质工程对蛋白质分子进行设计的最佳方案是()A.对猪的胰岛素进行一个不同氨基酸的替换B.将猪的胰岛素和人的胰岛素进行拼接，组成新的胰岛素C.将猪的胰岛素和人的胰岛素混合在一起治疗人的糖尿病D.根据人的胰岛素设计制造一种新的胰岛素答案A解析由于猪的胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同，所以可通过蛋白质工程中蛋白质的分子设计，只需替换这一个不同的氨基酸即可。虽然根据人胰岛素分子的结构设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗，但在分子设计和胰岛素的生产方面都存在着很多困难，所以不是最佳方案。能力提升9.下列关于蛋白质工程的叙述，正确的是()A.将一种生物的基因转移到另一种生物体

20、内，使生物表现出新的性状B.干扰素是动物体内的一种蛋白质，可用于治疗病毒的感染和癌症C.由于赖氨酸抑制天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，所以赖氨酸产量难以提高D.蛋白质工程能产生自然界已有的蛋白质答案C解析蛋白质工程崛起的缘由是为了得到符合人类生产和生活需要的特定的蛋白质。如玉米生产过程中将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。10.下列关于蛋白质工程应用的叙述，不正确的是()A.蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳定性B.通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性C.

21、利用蛋白质工程可以从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答案C解析从大肠杆菌中得到人的胰岛素利用的是基因工程技术。11.蛋白质工程是指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、生产的过程。下图是蛋白质工程的基本途径，试回答下列有关问题：(1)图中过程的主要依据是每种氨基酸都有其对应的_，后者位于_分子上，其上的核苷酸序列与基因中的脱氧核苷酸序列之间存在着_关系。(2)通过过程获得的脱氧核苷酸序列不是完整的基因，要使这一序列能够表达、发挥作用，还必须在序列的上、下游加上_和_，在这个过程中需要_酶的参与。(3)完成过程需要涉

22、及_技术。答案(1)密码子mRNA碱基互补配对(2)启动子终止子DNA连接(3)基因工程解析(1)由氨基酸可推知mRNA中碱基序列，进而能推知相应基因中的核苷酸序列。(2)经过程获得的脱氧核苷酸序列并非完整的基因，它还必须加入启动子、终止子等，在这个过程中需要DNA连接酶参与。(3)完成过程需基因工程技术，从而实现改造的目的基因的表达。12.绿色荧光蛋白(GFP)能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发出的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。下图为我国首例绿色荧光蛋白(GFP)转基因克隆猪的培育过程示意图，据图回答下列问题：(1)图中通过过程、形成重组质粒

23、，需要限制酶切取目的基因、切割质粒。限制酶的识别序列和切点是GGATCC，限制酶的识别序列和切点是GATC 。在质粒上有酶的一个切点，在目的基因的两侧各有1 个酶的切点。请画出质粒被限制酶切割后形成黏性末端的过程。_。在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接起来_，理由是_。(2)过程将重组质粒导入猪胎儿成纤维细胞时，采用最多也最有效的方法是_。(3)如果将切取的GFP基因与抑制小猪抗原表达的基因一起构建到载体上，GFP基因可以作为基因表达载体上的标记基因，其作用是_。(4)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

24、色荧光蛋白过程的正确顺序是：_(用序号表示)。推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计蓝色荧光蛋白基因的修饰(合成)表达出蓝色荧光蛋白答案(1)(只写出切割后形成的部分即可)可以连接因为由两种不同限制酶切割后形成的黏性末端是相同的(或是可以互补的)(2)显微注射技术(3)鉴定受体细胞中是否含有目的基因(4)解析(1)中问相对比较简单，书写要关注DNA序列与限制酶识别序列的区别，不要遗漏了酶和黏性末端的正确表达。问中由于两种限制酶切割形成的黏性末端是相同的，可以互补配对，因此可用DNA连接酶进行相互“缝合”。(2)基因工程中目的基因导入动物细胞的方法是显微注

25、射技术。(3)基因表达载体上标记基因的作用是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因。(4)考查蛋白质工程的操作流程，正确的操作过程是。13.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，据图回答下面的问题：(1)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。(2)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_。(3)经过改造的鼠人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是_(从免疫角度考虑)。(4)上述过程中对科学家来说难度最大的是_。答案(1)蛋白质工程(2)嵌合抗体功能嵌合抗体的结构基

26、因碱基序列(3)对人体的不良反应减少(4)设计嵌合抗体的空间结构解析(1)通过图示可知鼠人嵌合抗体是通过人工设计而形成的特定功能蛋白质，其生产过程应属于蛋白质工程的范畴。(2)蛋白质工程的流程：预期蛋白质的功能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)通过基因工程操作生产预期的蛋白质。(3)从免疫的角度考虑，对人体来说鼠源抗体为抗原，若利用人的抗体与之嵌合，则排斥作用会减轻，对人体的副作用会减少。(4)由于蛋白质空间结构比较复杂，不易确定，所以成为蛋白质工程中最大的障碍。走进高考14.(2015全国卷，40)已知生物体内有一种蛋白质(P)，该蛋白质是一种转运蛋白

27、，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

28、蛋白质的生物_进行鉴定。答案(1)氨基酸序列(或结构)(其他答案合理也可)(2)PP1DNA和RNA(或遗传物质)DNARNA、RNADNA、RNA蛋白质(或转录、反转录、翻译)(3)设计蛋白质的结构推测氨基酸序列功能解析(1)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，即：DNA、RNA的复制、DNARNA、RNADNA、RNA蛋白质(或转录、逆转录、翻译)。(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，推测

29、相对应的脱氧核苷酸序列，并获取基因。经表达的蛋白质，要对其进行生物功能鉴定。15.(2013新课标卷，40节选)材料甲科学家将牛生长激素基因导入小鼠受精卵中，得到了体型巨大的“超级小鼠”；科学家采用农杆菌转化法培育出转基因烟草。材料乙T4溶菌酶在温度较高时易失去活性，科学家对编码T4溶菌酶的基因进行改造，使其表达的T4溶菌酶的第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，提高了T4溶菌酶的耐热性。回答下列问题：(1)材料甲属于基因工程的范畴。将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用_法。构建基因表达载体常用的工具酶有_和_。在培育转基因植物时，常用农杆菌转化法，农杆菌的作用是_。(2)材料乙属于_工程范畴。该工程是指以分子生物学相关理论为基础，通过基因修饰或基因合成，对_进行改造，或制造一种_的技术。在该实例中，引起T4溶菌酶空间结构改变的原因是组成该酶肽链的_序列发生了改变。答案(1)显微注射限制酶DNA连接酶农杆菌可感染植物，将目的基因转移到受体细胞中(2)蛋白质现有的蛋白质新蛋白质氨基酸13