3.4 蛋白质工程的原理和应用-2024-2025学年高二下学期生物人教版2019选择性必修3(含解析）

第3章　第4节 蛋白质工程的原理和应用
[基础达标]
题组一　蛋白质工程的概念
1．下列关于蛋白质工程的说法，错误的是(　　)
A．蛋白质工程以基因工程为基础，属于第二代基因工程
B．蛋白质工程是根据蛋白质功能的特定需求，利用酶的专一性对蛋白质的氨基酸序列直接改造
C．蛋白质工程常用到基因的定点突变技术从分子水平进行碱基的替换
D．蛋白质工程难度很大的主要原因是蛋白质的功能必须依赖复杂的空间结构
2．蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是(　　)
A．分析蛋白质的三维结构
B．对基因的结构进行分子设计
C．获取编码蛋白质的基因序列信息
D．获得满足人类生产和生活需求的蛋白质
3．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(　　)
A．通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性
B．蛋白质工程可以改造酶的结构从而提高酶的热稳定性
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．蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
题组二　蛋白质工程的原理
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色荧光蛋白的过程的正确顺序是(　　)
①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列　 ②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构　③合成蓝色荧光蛋白基因　④表达出蓝色荧光蛋白
A．①②③④　　　　 B．②①③④
C．②③①④　　　　 D．④②①③
5．(2024·四川眉山期末)蛋白质工程又称第二代基因工程，人工智能(AI)算法在蛋白质工程领域的应用已经被开发，下图为蛋白质工程的流程，下列相关叙述错误的是(　　)
A．蛋白质工程是基因工程的延伸，不需要对基因进行操作，直接对蛋白质进行加工改造
B．蛋白质工程可根据人类生产和生活的需要，设计并制造出自然界不存在的新的蛋白质
C．蛋白质工程可对药用蛋白进行改造，使其更好地用于人类疾病的治疗
D．AI算法在蛋白质工程领域应用的设想中，实现难度最大的是过程④
6．蛋白质工程中对蛋白质分子的设计，主要包括(　　)
①进行少数氨基酸的替换
②对不同来源的蛋白质的拼接
③从预期蛋白质的功能出发去推测氨基酸排列顺序
④直接改变蛋白质的空间结构
A．①②　　　　 B．①②③
C．②③④　　　 D．①②④
7．干扰素是动物或人体细胞受到病毒侵染后产生的一种糖蛋白，可以用于对抗病毒的感染和癌症，但体外保存相当困难。下图是利用蛋白质工程设计生产干扰素的流程图，据图分析不正确的是(　　)
A．图中构建新的干扰素模型的主要依据是蛋白质的预期功能
B．图中新的干扰素基因必须插入质粒上的启动子和终止子之间才能表达
C．图中改造干扰素结构的实质是改造干扰素基因的结构
D．图中各项技术并没有涉及基因工程技术
题组三　蛋白质工程的应用
8．(2024·广西柳州阶段练习)白细胞介素-2(IL-2)是一种细胞因子，含有3个半胱氨酸，分别位于58、105、125位，现用大肠杆菌生产IL-2，为保证产物活性，将其基因中编码125位半胱氨酸的序列突变为丝氨酸序列。下列叙述错误的是(　　)
A．突变的IL-2基因的序列发生了碱基对的增添
B．完成氨基酸的替换需要通过改造基因实现
C．蛋白质工程的操作流程与中心法则的流动方向相反，即：蛋白质→mRNA→DNA
D．该技术可通过基因修饰或合成构建出了一种自然界中原先不存在的全新的基因
9．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，但干扰素在体外保存很困难。若将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，则其在－70 ℃的条件下可保存半年，给广大患者带来福音。下列叙述正确的是(　　)
A．题干所述对干扰素进行改造的过程属于蛋白质工程的范畴
B．改造后的干扰素保存时间延长与该干扰素中氨基酸的种类和数量发生改变有关
C．通过该过程制造的蛋白质都是自然界中已经存在的蛋白质
D．该过程能够实现对蛋白质的结构进行设计和改造，不需要依赖基因
[能力提升]
10．(2024·黑龙江哈尔滨期末)HAMA效应是指人体针对鼠源单克隆抗体所产生的反应，该反应可使鼠源抗体被加速清除，有时可引起过敏性反应，科学家通过基因改造完成了下图的改造，下列有关说法错误的是(　　)
A．生产鼠—人嵌合抗体的过程属于蛋白质工程
B．改造过程涉及鼠的基因和人的基因的拼接
C．把来自不同抗体的可变区和恒定区直接拼接
D．嵌合抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多
11．(2024·黑龙江牡丹江阶段练习)胰岛素可用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后易在皮下堆积，需较长时间才能进入血液，进入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影响。下图是新的速效胰岛素的生产过程，回答下列问题。
(1)新的胰岛素生产过程属于________工程，该工程的操作对象为________________________________________________________________________。
(2)获取新的胰岛素基因除图示方法外，还可以通过__________获得；在体外利用PCR技术对人工合成的新的胰岛素基因进行扩增时，需加入耐高温的DNA聚合酶，该酶发挥作用的温度为________℃左右。此过程还需要在反应体系中加入两种引物，引物的作用是________________________________________________________________________。
(3)在大肠杆菌细胞中合成的新的胰岛素，需通过生化制备与重折叠才具备预期的功能，原因是________________________________________________________________________。
(4)若想建立乳腺生物反应器大量生产胰岛素，需借助基因工程的方法，常以哺乳动物的________为受体细胞。为了保证干扰素基因只在乳腺细胞内表达，构建表达载体时必须在目的基因的前端加上________。
参考答案
【基础达标】
1.【答案】B　【解析】蛋白质工程是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，它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代基因工程，A正确；蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因改造或基因合成，对现有蛋白质进行改造，B错误；蛋白质工程常用到基因的定点突变技术从分子水平进行碱基的替换，进行基因改造或基因合成，C正确；蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的空间结构，而且蛋白质的功能也具有多样性，D正确。
2.【答案】D　【解析】分析蛋白质的三维结构是蛋白质工程的准备工作，与题意不符，A错误；对基因的结构进行分子设计是便于人工合成目的基因，这不是蛋白质工程的最终目的，B错误；获取编码蛋白质的基因序列信息实现了对基因的改造或合成过程，但不是蛋白质工程的最终目的，C错误；改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，从而获得满足人类生产和生活需求的蛋白质，这是蛋白质工程的最终目标，D正确。
3.【答案】C　【解析】通过蛋白质工程可以改变蛋白质的结构，进而改变蛋白质的活性，A正确；绝大多数酶的本质是蛋白质，蛋白质工程可以改造化学本质为蛋白质的酶的结构，从而提高酶的热稳定性，B正确；利用基因工程可以在细菌细胞中得到人的胰岛素，C错误；蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程，D正确。
4.【答案】B　【解析】蛋白质工程的基本途径：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→获得所需的蛋白质。因此，采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白过程的正确顺序是②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构→①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列→③合成蓝色荧光蛋白基因→④表达出蓝色荧光蛋白，B正确。
5.【答案】A　【解析】蛋白质工程并不是直接对蛋白质进行加工修饰，是通过基因修饰或基因合成等方法，对现有蛋白质进行改造，A错误；基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，蛋白质工程要改造现有的蛋白质，生产自然界不存在的新蛋白质，或制造一种新的蛋白质，B正确；蛋白质工程可对药用蛋白如干扰素、抗体等进行改造，使其更好地用于人类疾病的治疗，C正确；蛋白质工程中难度最大的是根据人类对蛋白质的功能需求设计蛋白质的高级结构，即过程④实现难度最大，D正确。
6.【答案】B　【解析】蛋白质工程中对蛋白质分子的设计主要包括：制造出自然界中不存在的全新蛋白质；在蛋白质分子中替代一个肽段或一个特定的结构域；改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。由于蛋白质分子通常都较大，而直接改变蛋白质的空间结构不易于操作，因此蛋白质工程是在基因的水平上进行操作的，故①②③正确，④错误，B正确。
7.【答案】D　【解析】由题干可知，题图是利用蛋白质工程设计生产干扰素的流程图，而蛋白质工程的主要依据是蛋白质的预期功能，因此图中构建新的干扰素模型的主要依据是蛋白质的预期功能，A正确；启动子是RNA聚合酶识别和结合的位点，从而驱动转录，而终止子提供转录终止的信号，因此图中新的干扰素基因必须插入质粒上的启动子和终止子之间才能表达，B正确；蛋白质工程的实质是对基因进行操作，操作简单，且能遗传给后代，即图中改造干扰素结构的实质是改造干扰素基因的结构，C正确；利用蛋白质工程设计保存干扰素的生产流程图中，合成新的干扰素基因后，要构建基因表达载体在受体细胞中表达，这属于基因工程技术，D错误。
8.【答案】A　【解析】由题意可知，为保证产物活性，将IL-2基因中编码125位半胱氨酸的序列突变为丝氨酸序列，只是一个氨基酸发生了改变，应该是发生了碱基对的替换，而不是碱基对的增添，A错误；氨基酸的排列顺序是由基因决定的，因此完成氨基酸的替换需要通过改造基因实现，B正确；蛋白质工程的操作流程与中心法则的流动方向相反，即：蛋白质→mRNA→DNA，C正确；该技术为蛋白质工程，可通过基因修饰或基因合成构建出了一种自然界中原先不存在的全新的基因，D正确。
9.【答案】A　【解析】题干所述为对现有蛋白质(干扰素)进行改造，属于蛋白质工程的范畴，A 正确；由题干信息可知，改造后的干扰素与原干扰素相比，半胱氨酸变成了丝氨酸，氨基酸的数目没有改变，B 错误；蛋白质工程中，通过基因改造或基因合成，可以对现有蛋白质进行改造，也可以制造一种新的蛋白质，C错误；蛋白质工程是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，最终通过改造基因来完成，D错误。
【能力提升】
10.【答案】C　【解析】生产鼠—人嵌合抗体的过程属于对现有蛋白质分子进行改造，属于蛋白质工程，A正确；蛋白质工程操作的对象是基因，因此改造过程涉及鼠的基因和人的基因的拼接，B正确；蛋白质工程操作的对象是基因，因此应将鼠抗体可变区基因与人抗体恒定区基因拼接，C错误；根据题意，由于HAMA 效应是可使鼠源抗体被加速清除，有时可引起过敏性反应，故对鼠源杂交瘤抗体进行改造的目的是降低过敏反应等，因此，嵌合抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多，D正确。
11.【答案】(1)蛋白质　新的胰岛素基因
(2)基因改造　72　使DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸
(3)大肠杆菌是原核生物，没有内质网和高尔基体，不能对蛋白质进行加工
(4)受精卵　乳腺蛋白基因启动子
【解析】(1)新的胰岛素生产过程属于蛋白质工程，蛋白质工程的目标是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。由于基因决定蛋白质，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或合成基因来完成。 因此，要通过蛋白质工程获得新的胰岛素，操作对象为新的胰岛素基因。(2)获取新的胰岛素基因除图示的人工合成方法外，还可以通过基因改造获得；在体外利用PCR技术对人工合成的新的胰岛素基因进行扩增时，需向反应体系中加入耐高温的DNA聚合酶，该酶作用的温度为72 ℃左右，其作用是以DNA为模板，根据碱基互补配对原则，将dNTP逐个加到引物DNA分子上，从而形成双链DNA分子。反应体系中引物的作用是使DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸。(3)因为大肠杆菌是原核生物，没有内质网和高尔基体，不能对蛋白质进行加工，故在大肠杆菌细胞中合成的新的胰岛素，需通过生化制备与重折叠才具备预期的功能。(4)若想建立乳腺生物反应器，可以借助基因工程，用显微注射的方法将新胰岛素基因导入到受精卵中。启动子是RNA聚合酶识别和结合的位点，用于驱动基因的转录，为保证新胰岛素基因只在乳腺细胞内表达，在构建表达载体时，需在新胰岛素基因前端加上在乳腺中特异性表达的乳腺蛋白基因的启动子。