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第3章 基因工程
探究 蛋白质工程的基本原理
基础
作用对象
目的
医药
概念
蛋白质工程和基
因工程的区别
蛋白质工
蛋白质工程的
蛋白质工程
工业
程的应用
原理和应用
崛起的缘由
如何提高玉米中
农业
赖氨酸的含量
蛋白质工程的基本原理
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第4节 蛋白质工程的原理和应用
[基础检查]
1.下列关于蛋白质工程的叙述,错误的是 ( )
A.蛋白质工程的原理是从预期的蛋白质功能出发获得所需要的蛋白质
B.蛋白质工程的目的是获得满足人类生产和生活需求的蛋白质
C.蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的
D.蛋白质工程是对基因工程的补充和发展
2.下列关于蛋白质工程应用的叙述,错误的是 ( )
A.蛋白质工程可以改造蛋白质类酶的结构,提高其热稳定性
B.通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性
C.利用蛋白质工程可以在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,合成速效胰岛素类似物
3.科学家将β-干扰素基因进行定点诱变导入大肠杆菌表达,使干扰素第17位的半胱氨酸变成丝氨酸,大大提高了β-干扰素的抗病毒活性,并且提高了其储存稳定性。该生物技术为 ( )
A.基因工程 B.细胞工程
C.基因突变 D.蛋白质工程
4.下列有关蛋白质工程与基因工程的叙述,错误的是 ( )
A.蛋白质工程也要通过转录和翻译来实现
B.蛋白质工程与基因工程没有任何关系
C.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
D.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
5.下列关于蛋白质工程的叙述,错误的是 ( )
A.蛋白质工程的实质是改造基因
B.利用蛋白质工程设计蛋白质结构的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列
C.蛋白质工程的基础是基因工程
D.蛋白质工程遵循的原理包括中心法则
6.下列有关蛋白质工程的叙述,错误的是 ( )
A.蛋白质工程需要用到限制酶和DNA连接酶
B.蛋白质工程只能改造现有的蛋白质而不能制造新的蛋白质
C.T4溶菌酶中引入二硫键提高了它的热稳定性是蛋白质工程应用的体现
D.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
7.某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构和功能很相似,只是热稳定性较差,进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂,临床治疗消化不良。最佳方案是将此酶中的少数氨基酸替换,而不是直接改造这种酶,原因是 ( )
A.改造基因易于操作且改造后能够遗传
B.蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化,操作难度大
C.蛋白质高级结构十分复杂
D.缺乏改造蛋白质所必需的工具酶
8.在设计合成自然界中不存在的蛋白质时,首先应该设计 ( )
A.基因结构 B.mRNA结构
C.氨基酸序列 D.蛋白质结构
9.下列不属于蛋白质工程研究内容的是 ( )
A.分析蛋白质分子的精细结构
B.对蛋白质进行有目的的改造
C.分析氨基酸的化学组成
D.按照人的意愿将天然蛋白质改造成新的蛋白质
10.蛋白质工程的研究将对生命科学产生重大影响。下列关于蛋白质工程的叙述,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.基因工程是蛋白质工程的关键技术
C.蛋白质工程是对蛋白质分子的直接改造
D.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
11.下图为蛋白质工程操作的基本思路示意图,请据图回答下列问题。
(1)写出图中各序号代表的生物学过程的名称或内容。
① ,② , ③ ,④ , ⑤ 。
(2)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 。 (均填图中序号)
(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。
[拓展应用]
12.(2023·佛山)为减少鼠源单克隆抗体可能引起的副作用,某研究团队对鼠源单克隆抗体F进行改造,制备了人—鼠嵌合抗体F'。具体流程:提取鼠源杂交瘤细胞RNA,逆转录后通过PCR扩增抗体F的基因序列,将其部分序列用人的相应抗体基因序列进行替换,再构建表达载体,在体外制备人—鼠嵌合抗体F'。为检测抗体性质,测定了F'单独与抗原作用时对抗原的结合能力以及F'和F同时与抗原作用(F'与F初始浓度相同)时F'对抗原的结合能力,结果如下图所示。下列叙述错误的是 ( )
A.向小鼠体内注入抗原后提取B淋巴细胞,与骨髓瘤细胞融合获得杂交瘤细胞
B.可通过将基因表达载体导入小鼠细胞制备嵌合抗体F'
C.据图推测,抗体基因序列被替换后改变了与抗原的结合位点
D.在共同作用实验中,当F'浓度较高时,抗原更多与F'结合
13.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,采用蛋白质工程制造蓝色荧光蛋白过程的正确顺序是 ( )
①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列
②蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计
③蓝色荧光蛋白基因的合成
④表达出蓝色荧光蛋白
A.①②③④ B.②①③④
C.②③①④ D.④②①③
14.(2022·招远)新型冠状病毒通过其表面刺突蛋白(S蛋白)的受体结合域(RBD)与人体细胞表面的ACE2受体相互作用,侵入人体细胞。研究人员设计并合成了一种自然界不存在的LCB1蛋白药物,可识别并紧密结合S蛋白的RBD,以干扰新型冠状病毒的感染。下列叙述错误的是 ( )
A.LCB1可能与ACE2受体的某些区域结构类似
B.LCB1可以依据S蛋白的RBD结构进行设计
C.LCB1是通过细胞中原有的基因表达产生的
D.LCB1设计和合成是通过蛋白质工程实现的
15.(2021·山东)玉米中赖氨酸含量比较低的原因是赖氨酸合成过程中的两种关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性,受细胞内氨基酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度时会抑制这两种酶的活性。为了提高玉米中的赖氨酸含量,兴趣小组提出的下列方法不可行的是 ( )
A.用紫外线处理玉米愈伤组织,筛选有利突变体
B.将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞
C.通过基因定点突变技术修饰天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶基因的个别碱基
D.利用蛋白质工程直接改造天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的空间结构
16.镰状细胞贫血是人类的一种单基因遗传病,患者的血红蛋白分子β-肽链第6位的谷氨酸被缬氨酸代替,导致功能异常。请思考并回答下列问题。
(1)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中,可以合成正常的血红蛋白,达到治疗目的。此操作 (填“属于”或“不属于”)蛋白质工程,理由是该操作 。
(2)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的蛋白质功能出发,通过设计蛋白质的结构和 ,进而找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列或合成新的基因,据此获得所需蛋白质。
(3)获得的基因表达时遵循中心法则,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 。
(4)从实质与结果的角度区分基因工程与蛋白质工程。
第4节 蛋白质工程的原理和应用
[基础检查]
1.下列关于蛋白质工程的叙述,错误的是 ( )
A.蛋白质工程的原理是从预期的蛋白质功能出发获得所需要的蛋白质
B.蛋白质工程的目的是获得满足人类生产和生活需求的蛋白质
C.蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的
D.蛋白质工程是对基因工程的补充和发展
解析:蛋白质工程的流程是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,天然蛋白质的合成过程是基因→表达→形成具有特定氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能,A项正确,C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,是为了满足人类生产和生活的需求,B、D两项正确。
答案:C
2.下列关于蛋白质工程应用的叙述,错误的是 ( )
A.蛋白质工程可以改造蛋白质类酶的结构,提高其热稳定性
B.通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性
C.利用蛋白质工程可以在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,合成速效胰岛素类似物
解析:蛋白质工程是指依据人们设计的蛋白质分子的结构来改造基因,进而对自然界中的蛋白质进行改造,而在大肠杆菌中生产人胰岛素利用基因工程技术便可达到,C项错误;通过蛋白质工程可以改变蛋白质的结构、理化性质、功能活性等,A、B、D三项正确。
答案:C
3.科学家将β-干扰素基因进行定点诱变导入大肠杆菌表达,使干扰素第17位的半胱氨酸变成丝氨酸,大大提高了β-干扰素的抗病毒活性,并且提高了其储存稳定性。该生物技术为 ( )
A.基因工程 B.细胞工程
C.基因突变 D.蛋白质工程
解析:蛋白质工程是对控制蛋白质合成的基因进行改造,从而实现对其编码的蛋白质的改造,所得到的已不是天然的蛋白质。由题干信息可知,整个过程利用的生物技术应为蛋白质工程。
答案:D
4.下列有关蛋白质工程与基因工程的叙述,错误的是 ( )
A.蛋白质工程也要通过转录和翻译来实现
B.蛋白质工程与基因工程没有任何关系
C.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
D.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
解析:蛋白质工程的操作对象是基因,也要通过转录和翻译来实现特定蛋白质的合成,A项正确;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,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,C、D两项正确。
答案:B
5.下列关于蛋白质工程的叙述,错误的是 ( )
A.蛋白质工程的实质是改造基因
B.利用蛋白质工程设计蛋白质结构的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列
C.蛋白质工程的基础是基因工程
D.蛋白质工程遵循的原理包括中心法则
解析: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设计,然后根据设计的蛋白质结构,最终得到所需要的蛋白质。
答案:B
6.下列有关蛋白质工程的叙述,错误的是 ( )
A.蛋白质工程需要用到限制酶和DNA连接酶
B.蛋白质工程只能改造现有的蛋白质而不能制造新的蛋白质
C.T4溶菌酶中引入二硫键提高了它的热稳定性是蛋白质工程应用的体现
D.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
解析:蛋白质工程是对基因进行修饰、改造或重新合成,然后进行表达,故蛋白质工程需要用到限制酶和DNA连接酶,A项正确;通过蛋白质工程,可产生自然界没有的蛋白质,B项错误;T4溶菌酶中引入二硫键提高了它的热稳定性属于对现有蛋白质进行改造,是蛋白质工程应用的体现,C项正确;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,D项正确。
答案:B
7.某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构和功能很相似,只是热稳定性较差,进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂,临床治疗消化不良。最佳方案是将此酶中的少数氨基酸替换,而不是直接改造这种酶,原因是 ( )
A.改造基因易于操作且改造后能够遗传
B.蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化,操作难度大
C.蛋白质高级结构十分复杂
D.缺乏改造蛋白质所必需的工具酶
解析:要获得大量所需的蛋白质,最好是让细胞(或生物体)能不断地产生该种蛋白质。基因控制蛋白质的合成,并能稳定遗传,所以要通过改造基因来改造蛋白质。
答案:A
8.在设计合成自然界中不存在的蛋白质时,首先应该设计 ( )
A.基因结构 B.mRNA结构
C.氨基酸序列 D.蛋白质结构
解析:合成自然界不存在的蛋白质属于蛋白质工程,应根据蛋白质的功能,从设计蛋白质结构入手,推测相应的氨基酸序列,然后通过基因修饰或基因合成,合成相应的蛋白质。
答案:D
9.下列不属于蛋白质工程研究内容的是 ( )
A.分析蛋白质分子的精细结构
B.对蛋白质进行有目的的改造
C.分析氨基酸的化学组成
D.按照人的意愿将天然蛋白质改造成新的蛋白质
解析:蛋白质工程就是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础,按照人的意愿改造蛋白质分子或合成自然界不存在的蛋白质分子。为了改造某种蛋白质分子,必须对其精细结构进行分析,但不包括对组成蛋白质的氨基酸的化学组成进行分析。
答案:C
10.蛋白质工程的研究将对生命科学产生重大影响。下列关于蛋白质工程的叙述,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.基因工程是蛋白质工程的关键技术
C.蛋白质工程是对蛋白质分子的直接改造
D.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
解析:蛋白质工程通过改造或合成基因,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,这是在基因水平上改造蛋白质。
答案:C
11.下图为蛋白质工程操作的基本思路示意图,请据图回答下列问题。
(1)写出图中各序号代表的生物学过程的名称或内容。
① ,② , ③ ,④ , ⑤ 。
(2)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 。 (均填图中序号)
(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。
解析:(1)图中①表示转录,②表示翻译,③表示折叠,④表示推测,⑤表示改造或合成。(2)图中④⑤过程代表蛋白质工程操作思路;①②过程代表中心法则。(3)蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础,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,以满足人类的生产和生活的需要。(4)蛋白质工程是根据具有相应功能的蛋白质的结构推测氨基酸序列,进而推测出脱氧核苷酸序列,因此中心法则与蛋白质工程的基本途径相反。
答案:(1)转录 翻译 折叠 推测 改造或合成(2)④⑤ ①② (3)获得满足人类生产和生活需求的蛋白质 改造或合成基因 (4)相反
[拓展应用]
12.(2023·佛山)为减少鼠源单克隆抗体可能引起的副作用,某研究团队对鼠源单克隆抗体F进行改造,制备了人—鼠嵌合抗体F'。具体流程:提取鼠源杂交瘤细胞RNA,逆转录后通过PCR扩增抗体F的基因序列,将其部分序列用人的相应抗体基因序列进行替换,再构建表达载体,在体外制备人—鼠嵌合抗体F'。为检测抗体性质,测定了F'单独与抗原作用时对抗原的结合能力以及F'和F同时与抗原作用(F'与F初始浓度相同)时F'对抗原的结合能力,结果如下图所示。下列叙述错误的是 ( )
A.向小鼠体内注入抗原后提取B淋巴细胞,与骨髓瘤细胞融合获得杂交瘤细胞
B.可通过将基因表达载体导入小鼠细胞制备嵌合抗体F'
C.据图推测,抗体基因序列被替换后改变了与抗原的结合位点
D.在共同作用实验中,当F'浓度较高时,抗原更多与F'结合
解析:用特定的抗原对小鼠进行免疫,并从小鼠体内提取能产生特定抗体的B淋巴细胞,与骨髓瘤细胞融合获得杂交瘤细胞;基因的表达载体可导入小鼠细胞,可在小鼠细胞内表达,产生嵌合抗体F';抗原抗体的结合具有特异性,据题图推测,抗体基因序列被替换后与抗原的结合能力增强,并没有改变与抗原的结合位点;在共同作用实验中,F'的稀释度小时,F'对抗原的结合能力较强,F'的稀释度增大时,F'对抗原的结合能力减小,即当F'浓度较高时,抗原更多与F'结合。
答案:C
13.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,采用蛋白质工程制造蓝色荧光蛋白过程的正确顺序是 ( )
①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列
②蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计
③蓝色荧光蛋白基因的合成
④表达出蓝色荧光蛋白
A.①②③④ B.②①③④
C.②③①④ D.④②①③
解析:蛋白质工程的基本途径是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,故采用蛋白质工程制造蓝色荧光蛋白过程的正确顺序应该是②①③④。
答案:B
14.(2022·招远)新型冠状病毒通过其表面刺突蛋白(S蛋白)的受体结合域(RBD)与人体细胞表面的ACE2受体相互作用,侵入人体细胞。研究人员设计并合成了一种自然界不存在的LCB1蛋白药物,可识别并紧密结合S蛋白的RBD,以干扰新型冠状病毒的感染。下列叙述错误的是 ( )
A.LCB1可能与ACE2受体的某些区域结构类似
B.LCB1可以依据S蛋白的RBD结构进行设计
C.LCB1是通过细胞中原有的基因表达产生的
D.LCB1设计和合成是通过蛋白质工程实现的
解析:LCB1和ACE2受体都可以与S蛋白的RBD结合,说明LCB1可能与ACE2受体的某些区域结构类似;由于LCB1和ACE2受体都可以与S蛋白的RBD结合,所以可以依据S蛋白的RBD结构设计LCB1;LCB1是研究人员设计的,且是自然界不存在的,因此不可能是通过细胞中原有的基因表达产生的;基因工程只能合成自然界已经存在的蛋白质,而LCB1蛋白药物是自然界不存在的,是通过蛋白质工程设计和合成的。
答案:C
15.(2021·山东)玉米中赖氨酸含量比较低的原因是赖氨酸合成过程中的两种关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性,受细胞内氨基酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度时会抑制这两种酶的活性。为了提高玉米中的赖氨酸含量,兴趣小组提出的下列方法不可行的是 ( )
A.用紫外线处理玉米愈伤组织,筛选有利突变体
B.将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞
C.通过基因定点突变技术修饰天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶基因的个别碱基
D.利用蛋白质工程直接改造天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的空间结构
解析:离体的细胞或组织通过脱分化培养可以形成愈伤组织,愈伤组织分裂能力比较强,用紫外线处理玉米愈伤组织会发生突变,可以筛选有利突变体;赖氨酸达到一定浓度时会抑制天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性,因此将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞,能充分利用细胞内的赖氨酸合成蛋白质,从而降低细胞内赖氨酸对天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的抑制,从而提高玉米中的赖氨酸含量;增加玉米细胞中赖氨酸含量最有效的途径是通过基因定点突变技术修饰天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶基因的个别碱基;蛋白质工程是对基因修饰或基因合成,从而改变蛋白质的结构,而不是直接改造蛋白质的空间结构,此方法不可行。
答案:D
16.镰状细胞贫血是人类的一种单基因遗传病,患者的血红蛋白分子β-肽链第6位的谷氨酸被缬氨酸代替,导致功能异常。请思考并回答下列问题。
(1)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中,可以合成正常的血红蛋白,达到治疗目的。此操作 (填“属于”或“不属于”)蛋白质工程,理由是该操作 。
(2)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的蛋白质功能出发,通过设计蛋白质的结构和 ,进而找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列或合成新的基因,据此获得所需蛋白质。
(3)获得的基因表达时遵循中心法则,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 。
(4)从实质与结果的角度区分基因工程与蛋白质工程。
解析:(1)该操作不属于蛋白质工程,原因是没有对现有的蛋白质进行改造。(2)蛋白质工程基本途径为从预期的蛋白质功能出发,通过设计蛋白质的结构和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或合成新的基因,获得所需蛋白质。(3) 中心法则的全部内容包括DNA和RNA的复制以及遗传信息在不同分子之间的流动,即DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质。(4)从蛋白质工程的定义去归纳比较其与基因工程的区别与联系。
答案:(1)不属于 没有对现有的蛋白质进行改造(或没有改造或合成基因) (2)推测应有的氨基酸序列
(3)DNA和RNA DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转录、翻译) (4)基因工程的实质是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,其结果是生产自然界已存在的蛋白质。蛋白质工程的实质是定向改造或生产人类所需的蛋白质,其结果是创造出自然界不存在的蛋白质。
