高中生物选择性必修三 第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用

第4节蛋白质工程的原理和应用
课后篇巩固提升
基础巩固
1.(2020·辽宁营口二中高二期末)下列有关基因工程与蛋白质工程的叙述,正确的是()
A.蛋白质工程与基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质,所以二者没有区别
B.基因工程是蛋白质工程的关键技术
C.通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍然是天然的蛋白质
D.蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的
答案B
解析基因工程原则上只能生产自然界中已有的蛋白质,而蛋白质工程可以生产自然界中没有的新的蛋白质,两者存在区别,A项错误;蛋白质工程本质上是通过基因修饰或基因合成来完成对蛋白质分子的改造,是在基因工程的基础上发展出的第二代基因工程,B项正确;蛋白质工程改造后的蛋白质可能是自然界中没有的新的蛋白质,C项错误;蛋白质工程本质上是改造基因,不是直接改造蛋白质分子,D 项错误。

2.(2020·山东省实验中学高二期中)凝乳酶是奶酪生产中的关键酶。

通过蛋白质工程生产高效凝乳酶,不需要的步骤是()
A.蛋白质的结构设计
B.蛋白质的结构和功能分析
C.凝乳酶基因的定向改造
D.将定向改造的凝乳酶导入受体细胞
答案D
解析蛋白质的结构设计属于蛋白质工程的步骤,A项正确;蛋白质的结构和功能分析属于蛋白质工程的步骤,B项正确;蛋白质工程通过改造或合成基因来实现对蛋白质的改造,C项正确;需要将定向改造的凝乳酶基因导入受体细胞,而不是将定向改造的凝乳酶导入受体细胞,D项错误。

3.(2020·山东济南外国语学校高二期中)下图为蛋白质工程的流程图,下列说法正确的是()
A.利用蛋白质工程制造出的蛋白质都是自然界本来就有的
B.蛋白质工程是一项完全摆脱基因工程技术的全新的生物工程技术
C.过程a、b分别是转录、翻译
D.蛋白质工程不可能构建出一种新的基因
答案C
解析基因工程原则上只能生产自然界已经存在的蛋白质,蛋白质工程可以生产自然界中不存在的蛋白质,A项错误;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,B项错误;据图可知,
过程a、b分别是转录、翻译,C项正确;蛋白质工程中可根据预期蛋白质的结构构建出一种全新的基因,D项错误。

4.(2020·陕西西安中学高二期末)科学家为提高玉米中赖氨酸含量,计划将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变为异亮氨酸,将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的氨基酸由天冬氨酸变为异亮氨酸。

为此,下列操作正确的是()
A.直接改造上述两种蛋白质的空间结构
B.对指导上述两种酶合成的mRNA进行改造
C.利用诱变育种技术促使上述两种酶的基因突变
D.利用基因工程技术,对控制上述两种酶的基因进行改造
答案D
解析蛋白质的功能与其高级结构密切相关,而蛋白质的高级结构又非常复杂,所以直接对蛋白质改造非常困难,且即使改造成功也不能遗传,A项错误;直接改造相应的mRNA,不一定能够表达产生所需要的蛋白质,且即使成功也不能遗传,B项错误;由于基因突变具有不定向性和低频性,所以使用诱变育种的方法不易获得符合要求的基因,C项错误;基因工程可定向改造生物的遗传性状,所以可利用基因工程技术,对控制这两种酶的基因进行改造,D项正确。

5.(2020·江苏扬州中学高二期末)蛋白质工程就是通过对蛋白质化学、蛋白质晶体学和蛋白质动力学的研究,获得有关蛋白质理化特性和分子特性的信息,在此基础上对编码蛋白质的基因进行有目的的设计和改造,通过基因工程技术获得可以表达目标蛋白质的转基因生物。

中华鲟是一种濒危野生动物。

研究者试图通过蛋白质工程改造中华鲟体内的某些蛋白质,使其更加适应现在的水域环境。

下列有关说法不正确的是()
A.蛋白质工程可定向改变蛋白质分子的结构
B.改造蛋白质可通过改变基因结构实现
C.改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种
D.改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质
答案D
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,使之更加符合人类的需要,A项正确;蛋白质工程的实质是通过改造或合成基因实现对蛋白质的改造,B项正确;改造后的中华鲟和现有中华鲟之间没有产生生殖隔离,仍然属于同一物种,C项正确;蛋白质工程操作的直接对象是基因,可以遗传给后代,因此改造后的中华鲟的后代可能具有改造的蛋白质,D项错误。

6.(2020·山东山师大附中高二期中)赖氨酸是人体必需氨基酸,具有促进人体发育、增强免疫的功能,并能起到提高中枢神经组织功能的作用。

某农科所的科技人员欲将玉米种子的某种蛋白酶改造成“M酶”,从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量,以培育出高赖氨酸的玉米新品种。

请回答下列问题。

(1)科技人员先从“提升玉米种子中赖氨酸的含量”这一功能出发,设计预期的“M酶”的,再推测出相对应的目的基因的序列,最终合成出“M酶”基因。

(2)科技人员获得“M酶”基因后,常利用PCR技术在体外将其大量扩增,此过程需要一种特殊的酶是,原料是。

(3)“M酶”基因只有插入,才能确保“M酶”基因在玉米细胞中得以稳定遗传。

(4)依据植物细胞具有的原理,可将含有“M酶”基因的玉米细胞培育成转“M酶”基因的玉米植株。

为了确保育种成功,科技人员需要测定玉米种子中的含量。

答案(1)结构脱氧核苷酸(2)耐高温的DNA聚合酶4种脱氧核苷酸(3)玉米细胞中染色体的DNA上(4)全能性赖氨酸
解析(1)根据题干信息可知,某农科所科技人员欲将玉米某种蛋白酶改造成“M酶”,则应该利用蛋白质工程,先根据预期构建出“M酶”(蛋白质)的结构,再推测出相对应目的基因的脱氧核苷酸序列,最终合成出“M酶”基因。

(2)基因工程中,获取的目的基因一般利用PCR技术进行扩增,过程中需要耐高温的DNA聚合酶的催化,原料是4种脱氧核苷酸。

(3)要想确保“M酶”基因在玉米细胞中得以稳定遗传,必须将“M酶”基因插入玉米细胞的染色体DNA中。

(4)利用植物组织培养技术,依据植物细胞的全能性原理,可将含有“M酶”基因的玉米细胞培育成转“M酶”基因的玉米植株。

科技人员需要测定玉米种子中赖氨酸含量,从个体水平加以鉴定,以确保育种成功。

7.(2020·四川双流棠湖中学高二期末)如图为蛋白质工程操作的基本思路,请据图回答下列问题。

(1)蛋白质工程操作思路的特有过程是,代表中心法则内容的过程是。

(填图中序号)
(2)写出图中数字代表的生物学过程的名称或内容。

①;②;③。

(3)从图中可以看出蛋白质工程的基本思路与中心法则方向。

(4)功能是由其结构决定的,直接决定蛋白质多样性的因素
有,从根本上说,蛋白质的结构是由决定的。

(5)根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA的碱基序列是否唯一?,为什
么?。

(6)将氨基酸合成为多肽链的场所是。

真核细胞中将多肽链转变为具有一定空间结构的蛋白质的场所是。

(7)蛋白质工程中的目的基因一般通过获得。

答案(1)④⑤①②(2)转录翻译折叠(3)相反(4)氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构基因(DNA)(5)否一种氨基酸可能具有多种密码子(6)核糖体内质网(7)人工合成
解析图中①②③分别表示转录、翻译、折叠,①②过程与中心法则方向一致。

④⑤过程与中心法则方向相反,属于蛋白质工程基本思路。

蛋白质结构的多样性由组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构共同决定;从根本上说,蛋白质的结构是由基因(DNA)决定的。

一种氨基酸可能具有多种密码子,根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA的碱基序列可能有多种。

蛋白质
的合成场所为核糖体,在内质网中将多肽链折叠成具有一定空间结构的蛋白质。

蛋白质工程的目的基因的碱基序列已知,可以通过DNA合成仪进行人工合成。

8.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分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸,第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。

所获得的基因在表达时是遵循中心法则的,中心法则的全部内容包括(以图表
示)。

(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,据此获得目的基因,再经表达、纯化获得目标蛋白质,之后还需要对该蛋白质的生物进行鉴定。

答案(1)氨基酸序列(或结构)(其他合理答案也可)(2)P P1
(3)设计蛋白质的结构推测相应氨基酸序列功能
解析(1)从题中所述资料可知,将P分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸,第240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸后,该蛋白质的功能发生了改变,此过程是通过对蛋白质的氨基酸的序列进行改造,进而改变了蛋白质的结构,从而改变了蛋白质的功能。

(2)在蛋白质工程中,目的基因可以以P基因序列为基础,对生物体内原有P基因进行修饰,也可以通过人工合成法合成新的P1基因。

中心法则的内容如下图所示:
(3)蛋白质工程的基本途径是:预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测相应的氨基酸序列→确定相应脱氧核苷酸序列→目的基因→表达出蛋白质,经过该过程得到的蛋白质,需要对该蛋白质的生物功能进行鉴定,以保证其发挥正常作用。

能力提升
9.(2020·河北衡水中学高二期末)科研人员将葡萄糖异构酶的第138位的甘氨酸替换为脯氨酸,使葡萄糖异构酶的热稳定性提高,最适反应温度提高10~12 ℃。

下列有关对葡萄糖异构酶进行改造的叙述,错误的是()
A.该技术为蛋白质工程,又称为第二代基因工程
B.直接在蛋白质分子水平上对葡萄糖异构酶进行改造
C.改造前可以先预期功能,再对蛋白质进行分子设计
D.改造时需对葡萄糖异构酶基因的碱基对进行替换
答案B
解析该技术通过对葡萄糖异构酶的基因修饰,定向改造葡萄糖异构酶,属于蛋白质工程,又称为第二代基因工程,A项正确;该技术是通过对葡萄糖异构酶基因的修饰来改造蛋白质,不是直接在蛋白质分子水平上进行改造,B项错误;蛋白质工程的基本步骤是从预期蛋白质功能出发→设计预期蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列,进而获得目的基因,通过基因工程表达目标蛋白质,C项正确;改造后的葡萄糖异构酶上氨基酸发生了替换,因此改造时要对葡萄糖异构酶基因的相应碱基对进行替换,D项正确。

10.(2020·山东青岛二中高二期末)某团队用化学法人工合成了脑啡肽 N端五肽(能与细胞膜上某种受体特异性结合)的编码区,使其与人干扰素基因连接,在大肠杆菌中成功表达出一种融合蛋白,该融合蛋白抑制肿瘤细胞生长的活性显著高于单纯的干扰素。

下列叙述错误的是()
A.该过程中利用了基因重组技术
B.该过程并没有创造出新的蛋白质
C.要实现蛋白质的拼接,需先进行基因的拼接
D.脑啡肽 N端五肽使干扰素作用更具有靶向性
答案B
解析由题干知,把人工合成的脑啡肽N端五肽的编码区和人干扰素基因进行DNA拼接,该过程利用了基因重组技术,A项正确;该过程创造出了融合蛋白,是自然界不存在的蛋白质,属于新的蛋白质,B 项错误;要实现蛋白质的拼接,需先进行基因的拼接,通过基因的表达产生蛋白质,C项正确;脑啡肽N 端五肽能与细胞膜上某种受体特异性结合,从而使干扰素作用更具有靶向性,D项正确。

11.(多选)(2020·浙江杭州学军中学高二期末)下列关于蛋白质工程及其应用的说法,错误的是()
A.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子结构,使之更加符合人类需要
B.蛋白质工程的实质是通过改变氨基酸的结构改变蛋白质的功能
C.当前限制蛋白质工程发展的关键因素是基因工程技术还不成熟
D.蛋白质工程技术中的操作对象是蛋白质或控制蛋白质合成的基因
答案BCD
解析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,A项正确;蛋白质工程的实质是通过改变基因的结构达到改变蛋白质功能的目的,B项错误;当前限制蛋白质工程发展的关键因素是对蛋白质的高级结构了解不够,C项错误;蛋白质工程技术中的操作对象是控制蛋白质合成的基因,D项错误。

12.(多选)(2020·江苏南京实验中学高二期末)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。

下面是蛋白质工程的基本途径,据图分析下列叙述正确的是()
A B C D生产相应蛋白
A.过程A所需原料是脱氧核苷酸,过程B所需原料是氨基酸
B.参与C过程的细胞器有核糖体、内质网、高尔基体、线粒体等
C.D过程主要依据每种氨基酸都有其对应的密码子
D.通过蛋白质工程可以获得人类需要的蛋白质
答案CD
解析识图分析可知,过程A是预期蛋白质的功能,过程B是设计预期蛋白质的结构,因此A、B过程均不需要原料,A项错误;图中C过程只是推测应有的氨基酸序列,因此不需要核糖体、内质网、高尔基体、线粒体等参与,B项错误;D过程是推测相应基因中脱氧核苷酸序列,然后改造或合成目的基因,根据氨基酸与mRNA中密码子的对应关系,先推测出mRNA中的碱基序列,再根据碱基互补配对的原则推测出相应基因中的核苷酸序列,C项正确;蛋白质工程的目的就是通过对基因的改造或者合成新的基因,从而获得人类需要的蛋白质,D项正确。

13.枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性,但极易被氧化而失效。

1985年,美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的少数氨基酸替换后,虽然其水解活性有所下降,但抗氧化的能力大大提高。

用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂,可以有效地去除血渍、奶渍等蛋白质污渍。

请回答下列问题。

(1)改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是。

(2)改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比,发生变化。

(3)利用生物技术改造蛋白质,提高了蛋白质的稳定性,埃斯特尔所做的工作是对已知蛋白质进
行。

(4)若要获得新型蛋白质,需用到的生物工程有蛋白质工程、和发酵工程。

答案(1)蛋白质工程(2)碱基对(或脱氧核苷酸序列)(3)少数氨基酸的替换(4)基因工程
解析(1)题中改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是蛋白质工程。

(2)将枯草杆菌蛋白酶分子中的少数氨基酸替换,改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比,碱基对或脱氧核苷酸序列发生变化。

(3)利用生物技术改造蛋白质,提高了蛋白质的稳定性,埃斯特尔所做的工作是对已知蛋白质进行少数氨基酸的替换。

(4)若要获得新型蛋白质,需用到的生物工程有蛋白质工程、基因工程和发酵工程。

14.科学家通过利用PCR定点突变技术改造Rubisco酶基因,提髙了光合作用过程中Rubisco酶对CO2的亲和力,从而显著提高了植物的光合作用速率。

请回答下列问题。

(1)PCR过程所依据的原理是,该过程需要加入的酶
是。

利用PCR技术扩增目的基因的前提是要有目的基因的一段已知核苷酸序列,以便根据这一序列合成。

(2)该技术不直接改造Rubisco酶,而通过对Rubisco酶基因进行改造,从而实现对Rubisco酶的改造,其原因是。

和传统基因工程技术相比较,PCR定点突变技术在应用方面最突出的优点
是,PCR定点突变技术属于
(填“基因工程”“细胞工程”或“蛋白质工程”)的范畴。

(3)可利用定点突变的DNA构建基因表达载体,常用将基因表达载体导入植物细胞,将该细胞经植物组织培养技术培育成幼苗,从细胞水平分析所依据的原理
是。

答案(1)DNA半保留复制耐高温的DNA聚合酶(或Taq酶)引物(2)蛋白质空间结构较为复杂,对其直接改造难以操作培育的转基因生物能生产出自然界不存在的蛋白质蛋白质工程(3)农杆菌转化法植物细胞的全能性
解析(1)PCR技术是DNA扩增的技术,所以其原理是DNA半保留复制,但该过程需要耐高温的DNA 聚合酶(或Taq酶)的催化。

利用PCR技术扩增目的基因的前提是要有目的基因的一段已知核苷酸序列,以便根据这一序列合成引物。

(2)由于蛋白质空间结构较为复杂,对其直接改造难以操作,所以该技术不直接改造Rubisco酶,而通过对Rubisco酶的基因进行改造,从而实现对Rubisco酶的改造。

和传统基因工程技术相比,定点突变技术在应用方面最突出的优点是培育的转基因生物能生产出自然界不存在的蛋白质,PCR定点突变技术属于蛋白质工程的范畴。

(3)将基因表达载体导入植物细胞常用农杆菌转化法;植物组织培养技术的原理是植物细胞的全能性。