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第4节 蛋白质工程的原理和应用
任务 蛋白质工程
一、蛋白质工程的概念
1.基础：____________的结构规律及其与__________的关系。
2.操作：____________基因。
3.目的：______现有蛋白质，或制造________________，以满足人类
生产和生活的需求。
蛋白质分子
生物功能
改造或合成
改造
一种新的蛋白质
二、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程存在不足:原则上只能生产________________的蛋白质。
2.天然蛋白质存在不足:天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存
的需要，却不一定完全符合________________的需要。
自然界中已存在
人类生产和生活
3.实例
蛋白质缺陷 改造措施 改造后效果
玉米中赖氨酸 含量低 赖氨酸合成过程中两 种关键酶的氨基酸被 替换 玉米叶片和种子中游离赖氨
酸的含量分别提高5倍和2倍
三、蛋白质工程的基本原理
1.目标:根据人们对____________的特定需求,对蛋白质的______进行
设计改造。
2.直接操作对象:______。
蛋白质功能
结构
基因
3.基本思路：________________________ 设计预期的蛋白质结构
推测应有的____________ 找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列
(基因)或______________ 获得所需要的蛋白质。
从预期的蛋白质功能出发
氨基酸序列
合成新的基因
四、蛋白质工程的应用
1.应用及前景
(1)在医药工业方面
①科学家通过对________的改造,已使其成为速效型药品。
②通过对________的改造,已延长其体外保存时间。
③将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，降低单克隆
抗体诱发免疫反应的强度。
(2)在其他工业方面：蛋白质工程被广泛用于改进_________________
____________。
胰岛素
干扰素
酶的性能或开发新的工业用酶
(3)在农业方面
①科学家正在尝试改造__________________________，以提高植物
光合作用的效率。
②设计优良微生物农药，通过改造______________的结构，使它防
治病虫害的效果增强。
某些参与调控光合作用的酶
微生物蛋白质
2.面临的困难:对蛋白质发挥功能必须依赖的__________了解不够。
高级结构
任务 蛋白质工程
【情境】 阅读教材P94图3-17蛋白质工程的基本思路。
(1)补充完整下列环节的名称：
①__________；②____________；③__________；④______；
⑤______；⑥__________。
预期功能
改造或合成
目的基因
转录
翻译
生物功能
(2)由蛋白质的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列的基本思路：
先根据氨基酸与________的对应关系找到 中相对应的_________
___序列，再根据与 的______________关系找到基因中相对
应的脱氧核苷酸序列。
密码子
核糖核苷酸
碱基互补配对
(3)对天然蛋白质进行改造，需要通过对基因的操作来实现，试分析
其原因。
[答案] ①蛋白质都是由基因编码的，改造后的基因可以遗传，对蛋
白质直接改造即使改造成功也无法遗传。②对基因进行改造比对蛋
白质直接改造容易操作，难度要小得多。
基因工程与蛋白质工程的比较
基因工程 蛋白质工程
操作环 境(场所) 生物体外 生物体外
操作对 象 基因 基因
操作起 点 目的基因 预期的蛋白质功能
基因工程 蛋白质工程
实质 定向改造生物的遗传特性， 以获得人类所需要的生物类 型和生物产品 定向改造或生产人类所需
的蛋白质
结果 生产自然界已存在的蛋白质 可以创造出自然界不存在
的蛋白质
联系 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，因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质， 必须通过改造或合成基因实现 （续表）
例1 如图所示为蛋白质工程操作的基本思路，下列叙述不正确的是
( )
A.图中①代表转录，②代表翻译，④代表推测，⑤代表改造或合成
B.代表中心法则内容的是①②
C.蛋白质工程的目标是对基因的结构进行分子设计
D.从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是相反的
√
[解析] ①代表转录，②代表翻译，④代表推测，⑤代表改造或合成，
A正确；代表中心法则内容的是①②，B正确；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，
通过改造或合成基因实现，C错误；蛋白质工程是根据具有相应功能
的蛋白质结构推测氨基酸序列，进而推测出脱氧核苷酸序列，因此
蛋白质工程的基本途径与中心法则是相反的，D正确。
例2 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中已存在的蛋白质，而蛋白质工
程可以对现有蛋白质进行改造或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
还是要通过改造或合成基因来完成
C.基因工程遵循中心法则，蛋白质工程完全不遵循中心法则
D.基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的
[解析] 蛋白质工程的基本途径是根据中心法则反推出来的，而且最
后还要根据中心法则生产出蛋白质，C项符合题意。
√
例3 [2024·北京丰台区模拟] 人白细胞介素 是一种细胞因
子，含有3个半胱氨酸，分别位于第58、105、125位，其中58位与
105位半胱氨酸之间形成的二硫键对保持 活性起重要作用。用
大肠杆菌生产，为保证产物活性，将 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 基因的序列发生了碱基的增添
B.天然的和基因工程生产的 均在核糖体上合成
C.突变的 基因的表达降低了二硫键错配的可能
D.大肠杆菌中 基因的复制和表达遵循中心法则
√
[解析] 由题意可知，突变的 只是一个氨基酸发生了改变，应
该是突变的 基因的序列发生了碱基的替换，而不是碱基的增添，
A错误；天然的和基因工程生产的 的本质都是蛋白质，都是在
核糖体上合成的，B正确；58位与105位半胱氨酸之间形成的二硫键
对保持活性起重要作用，突变的 基因的表达降低了二硫
键错配的可能，C正确；大肠杆菌遗传物质是 ，基因的复制和表
达都遵循中心法则，D正确。
1.正误辨析
(1)蛋白质工程制造的是天然蛋白质。( )
×
[解析] 蛋白质工程可以改造现有的蛋白质，也可以生产自然界中不
存在的蛋白质。
(2)蛋白质工程设计出的 分子只有一种固定的碱基序列。 ( )
×
[解析] 决定氨基酸的密码子具有简并性，故蛋白质工程设计出的
分子可能存在多种碱基序列。
(3)人类主要通过直接改造蛋白质的结构来生产新的蛋白质。 ( )
×
[解析] 对蛋白质的改造通过改造或合成基因来完成。
(4)要合成自然界中不存在的蛋白质首先应设计基因结构。 ( )
×
[解析] 要合成自然界中不存在的蛋白质，应从预期的蛋白质功能出发
设计预期的蛋白质结构，然后再推测出氨基酸序列并合成相关基因。
(5)蛋白质工程实施过程中可对关键氨基酸直接置换或增删。 ( )
×
[解析] 蛋白质工程中真正的操作对象仍然是基因，即改造或合成基
因，而不是对蛋白质的结构或者氨基酸进行直接改造。
2.[2024·湖南长郡中学月考]下列针对蛋白质工程的相关叙述,说法错
误的是( )
A.蛋白质工程可以定向改变蛋白质分子的结构
B.利用蛋白质工程生产干扰素的过程遵循了中心法则
C.蛋白质工程是完全脱离基因工程技术的一项全新的生物工程技术
D.对纤维素酶的改造通过改造基因结构而实现
√
[解析] 蛋白质工程是以蛋白质的结构规律及其与生物功能的关系作
为基础的，蛋白质工程可以定向改变蛋白质分子的结构,A正确;蛋白
质工程是通过改造基因的结构实现的，该过程中，干扰素的合成依
然需要经过转录和翻译过程实现，即遵循了中心法则，B正确;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技术,因此
其没有完全脱离基因工程技术,C错误;蛋白质工程通过改造或合成基
因，对现有蛋白质进行改造，或制造出一种新的蛋白质，对纤维素
酶的改造可通过改造基因结构而实现，D正确。
3.近年来，人工智能 算法在蛋白质工程领域的应用已经被开发，
下列关于 算法在蛋白质工程领域应用的设想中，实现难度最大的
是( )
A.根据人类对蛋白质的功能需求设计蛋白质的高级结构
B.根据蛋白质的空间结构推测其氨基酸序列
C.按照设定的氨基酸序列推测 的碱基序列
D.按照设定的 的碱基序列设计新基因
√
[解析] 根据中心法则逆推以确定目的基因的碱基序列：预期蛋白质
功能 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)。其中根据人类对蛋白质的功能
需求设计蛋白质的高级结构是最难实现的。A符合题意。
4.[2024·江苏金沙中学期中]葡萄糖异构酶在工业上应用广泛,科学家
将其第138位甘氨酸替换为脯氨酸后,最适温度提高了 左右。相
关叙述正确的是( )
A.蛋白质功能由氨基酸的种类和数量决定
B.改造蛋白质结构可通过改造基因结构实现
C.蛋白质工程不可以定向改变蛋白质的结构
D.该种酶最适温度提高是因为脯氨酸比甘氨酸更耐热
√
[解析] 蛋白质的功能是由蛋白质的结构决定的，从根本上来说，是
由基因决定的，A错误;改造蛋白质结构可通过改造编码蛋白质的基
因结构实现，B正确;蛋白质工程可以获得特定功能的蛋白质，可以
定向改变蛋白质的结构,C错误;酶最适温度提高是因为酶的空间结构
发生了改变，D错误。
1.下列关于蛋白质工程的说法，正确的是( )
A.蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子
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
C.对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA实现的
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] 蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造，也可以制造一种新
的蛋白质，A正确。蛋白质工程的基本思路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，所以该工程并不是直接对蛋白质分子进行操作，B错误。蛋白质
工程是通过改造或合成基因来改造或制造蛋白质的，而不是通过直接
改造相应的mRNA来改造蛋白质，C错误。蛋白质工程的流程与天然
蛋白质合成的过程不同，D错误。
2.已知生物体内有一种蛋白质（P），该蛋白质是一种载体蛋白，由
305个氨基酸组成。科学家将P分子中第158 位的丝氨酸替换成亮氨酸，
第240位的谷氨酰胺替换成苯丙氨酸，从而得到了新的蛋白质，将其
命名为P ，P 不但保留P的功能，而且还具有了酶的催化活性。下列
说法正确的是( )
A．P 蛋白与P蛋白相比，可以提高相关化学反应的活化能
B．P 蛋白与P蛋白一样，分子或离子通过时不需要与之结合
C．P 蛋白与P蛋白相比，肽键数目相等但是必需氨基酸含量降低
D．P蛋白改造成 P 蛋白可用基因定点突变技术来进行碱基的替换
√
[解析] P1蛋白与P蛋白相比，具有了酶的催化活性，降低化学反应的
活化能，A错误；P蛋白是一种载体蛋白，P1蛋白与P蛋白一样，分子
或离子通过时需要与之结合，B错误；P1蛋白与P蛋白相比，氨基酸的
数目不变，肽键数目相等，但是必需氨基酸（亮氨酸、苯丙氨酸）含
量升高，C错误；P蛋白改造成P1蛋白可用基因定点突变技术来进行碱
基的替换，D正确。
3.科学家为研究脂肪酶突变体对底物专一性的影响，将其蛋白质第356
位的丝氨酸替换为缬氨酸，发现其活性降低了12倍，下列叙述错误的
是( )
A.上述过程属于蛋白质工程
B.蛋白质工程需要构建重组DNA分子
C.该过程的实质是对脂肪酶在分子水平上进行改造
D.常用化学方法直接将脂肪酶第356位的丝氨酸替换为缬氨酸
√
[解析] 将蛋白质第356位的丝氨酸替换为缬氨酸，是以蛋白质分子的
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，属于蛋白质工程，A正确；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，须构建重组DNA分子， B正
确；蛋白质工程是在分子水平上对现有蛋白质的基因分子进行操作，
对蛋白质在分子水平上进行改造，C正确；蛋白质工程不是直接对氨
基酸进行替换，而是从预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推
测应有氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列(基因)→最终还是回
到基因工程上来解决蛋白质的合成，D错误。
4.有些膀胱上皮细胞可以产生一种称为尿血小板溶素的膜蛋白。科学
家将人的生长激素基因插入小鼠基因组内制成膀胱生物反应器，使小
鼠膀胱可以合成人的生长激素，并分泌到尿液中。下列说法正确的是
( )
A.利用膀胱生物反应器生产人的生长激素属于蛋白质工程的应用
B.需要将尿血小板溶素基因与生长激素基因的启动子重组在一起
C.用显微注射法将基因表达载体导入膀胱上皮细胞
D.只在小鼠细胞中检测到人的生长激素基因，不能说明该技术已获得
成功
√
[解析] 结合分析可知，利用膀胱生物反应器生产人的生长激素，属于
基因工程的应用， A错误；在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因
在小鼠的膀胱上皮细胞中特异表达，故应将尿血小板溶素基因的启动
子与生长激素基因等调控组件重组在一起，B错误；需用显微注射法
将基因表达载体导入小鼠的受精卵中，C错误；只在小鼠细胞中检测
到人的生长激素基因，不能说明该技术已获得成功，若证明该技术成
功，则需要检测到成功表达的人的生长激素，可通过抗原—抗体杂交
技术进行检测，D正确。
5.抗体酶又称催化抗体，是一类免疫球蛋白，其结构如下图所示，它
既具有相应的免疫活性，又能像酶那样催化某种化学反应。下列有关
叙述错误的是( )
A．抗体酶与抗原、底物的结合
均具有专一性的特点
B．抗体酶可使药物的前体物质
在肿瘤组织中水解为活性分子，
从而起杀伤作用
C．抗体酶能阻止病毒与靶细胞
结合的机理可能是选择性地使病毒外壳蛋白发生水解
D．可通过蛋白质工程对特异抗体的抗原结合位点进行空间改造，
使其获得催化功能
√
[解析] 抗体酶具有抗体和酶的特性，所以与抗原、底物的结合均具有
专一性，A正确；由图可知，抗体酶的底物结合部位可与药物的前体
物质结合，并将其在肿瘤组织中水解为有活性药物分子，从而起杀伤
作用，B正确；抗体酶可能选择性的使病毒外壳蛋白发生水解，从而
阻止病毒与靶细胞结合，C正确；借助蛋白质工程无法直接改造蛋白
质的空间结构，借助基因工程和蛋白质工程将催化基因的表达产物
引入到特异抗体的抗原结合位点上，使其获得催化功能，D错误。
练习册
知识点一 蛋白质工程的原理
1.[2024·辽宁葫芦岛期末]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.研究蛋白质的氨基酸组成
C.获取编码蛋白质的基因序列信息
D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
√
[解析] 分析蛋白质的三维结构是蛋白质工程的准备工作，A与题意
不符；研究蛋白质的氨基酸组成是为了设计或改造相关基因，这不
是蛋白质工程的最终目的，B与题意不符；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，但不是蛋白质工程要达到
的最终目的，C与题意不符；改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，从
而满足人类的需求，这是蛋白质工程的最终目的，D符合题意。
2.蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是( )
A.基因工程原则上能生产任何蛋白质
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.蛋白质工程是通过直接对蛋白质分子进行操作来实现的
[解析] 基因工程原则上能生产自然界中已存在的蛋白质，A错误；
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，B
正确；蛋白质工程中合成蛋白质需要经过转录和翻译，C错误；蛋白
质工程是在基因工程的基础上，通过改造或合成基因来实现对蛋白
质的改造的，D错误。
√
3.[2024·陕西咸阳期中]中华鲟是地球上最古老的脊椎动物,被称为“活
化石”。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,以下说法错误的是( )
A.该工程可以定向改变蛋白质分子的结构
B.改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质
C.改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种
D.中华鲟的相关蛋白质改造同样遵循中心法则
√
[解析] 蛋白质工程是通过设计蛋白质进而改造或合成相关的基因来
实现的，显然该工程可以定向改变蛋白质分子的结构，A正确;蛋白
质工程改造的是基因,可以遗传给子代，因此改造后的中华鲟的后代
也具有改造的蛋白质，B错误;改造后的中华鲟具有新的性状，但其
和现有中华鲟仍是同一物种,它们之间没有产生生殖隔离，C正确;因
为基因能指导蛋白质的合成，改造蛋白质是通过改造基因结构而实
现的，蛋白质改造同样遵循中心法则，D正确。
4.[2024·山东德州期中]磷脂酰丝氨酸 由磷脂酶D催化合成，能够
调控细胞膜关键蛋白的功能状态。天然 含量极少，难以满足人们
的需要，科研人员通过蛋白质工程改造磷脂酶D以提高 的产量。
下列叙述正确的是( )
A.改造磷脂酶D应从设计磷脂酶D的结构出发
B.改造磷脂酶D的过程需要以基因工程为基础
C.通过氨基酸的增添、替换来实现对磷脂酶D的改造
D.改造后的磷脂酶D提高 产量这一性状不能够遗传
√
[解析] 改造磷脂酶D应从预期磷脂酶D的功能出发，A错误；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，所以蛋白质工程是以基因工程为基础的，B正确；对磷脂
酶D进行改造是通过对磷脂酶D基因进行改造而实现的，改造后的磷
脂酶D提高 产量这一性状能够遗传，C、D错误。
5.如图为蛋白质工程操作的基本思路，下列叙述不正确的是( )
A.代表蛋白质工程操作思路的过程是④⑤①②③
B.代表中心法则内容的是①②
C.①代表转录,②代表翻译，③代表折叠，④代表推测,⑤代表改造或
合成
D.蛋白质工程的目的是对基因的结构进行分子设计,通过合成或改造
基因而实现
√
[解析] 蛋白质工程是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，其操作思路为图中的④⑤①②③,A正确;中心法则是指
遗传信息的传递规律，包括转录、翻译、复制、 复制和逆
转录过程，图中①代表转录,②代表翻译,因此代表中心法则内容的有
①②，B正确;据图可知，①代表转录，②代表翻译，③代表折叠，
④代表推测,⑤代表改造或合成，C正确；蛋白质工程的目的是对蛋
白质的结构进行设计改造，通过改造或合成基因实现，D错误。
知识点二 蛋白质工程的应用
6.[2024·江苏苏州期中]下列有关蛋白质工程及其应用的叙述，正确
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进而改变蛋白质的功能
C.蛋白质工程技术中的操作对象可以是蛋白质或控制蛋白质合成的
基因
D.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
√
[解析] 蛋白质工程能通过改造或合成基因，对现有蛋白质分子的结
构进行定向改造，使之更加符合人类的需要，A正确；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改造
或合成基因来完成，不能直接改造蛋白质，B、C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，D错误。
7.科研人员利用相关技术改变了胰岛素B链的第9位氨基酸，从而避
免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述中，不正确
的是( )
A.对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程
B.可通过测定 的序列确定突变是否成功
C.该过程的操作对象是胰岛素相关基因
D.胰岛素适合口服使用
√
[解析] 胰岛素是蛋白质，对蛋白质结构的改造属于蛋白质工程，A
正确；中碱基的排列顺序代表遗传信息，因而可通过测定
的序列确定突变是否成功，B正确；蛋白质工程的直接操作对象是基
因，C正确；胰岛素为蛋白质，若口服会被消化酶分解，因此胰岛素
不适合口服，D错误。
8.[2024·河南南阳月考]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，对现有蛋白
质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类生产和生活的需求。
下列关于蛋白质工程的进展和应用前景的说法，不正确的是( )
A.通过对基因结构的定点突变实现玉米赖氨酸合成的关键酶结构的
改变属于蛋白质工程
B.用导入外源基因的方法治疗半乳糖血症属于蛋白质工程
C.对蛋白质进行分子设计需要从蛋白质的功能特点入手
D.目前，科学家通过对基因结构的改造,生产出自然界中从来不存在
的蛋白质的种类还很少
√
[解析] 蛋白质工程可通过改造基因来实现对蛋白质分子结构的定向
改造，使之更加符合人类需要，故通过对基因结构的定点突变实现
玉米赖氨酸合成的关键酶结构的改变属于蛋白质工程，A正确;用导
入外源基因的方法治疗半乳糖血症属于基因工程，B错误;蛋白质工
程需从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，C正确;目
前，蛋白质工程成功的例子不多，主要是人们对蛋白质的高级结构
了解还不够,所以通过对基因结构的改造生产出自然界中从来不存在
的蛋白质的种类目前还很少，D正确。
9.[2024·湖南长郡中学月考]溶菌酶来源于 噬菌体,是重要的工业
用酶。科学家通过一定技术使 溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨
酸，于是在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键，
从而使 溶菌酶的耐热性得到了提高。关于上述过程的叙述错误的
是( )
A.对 溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴
B.上述过程通过直接改造溶菌酶 上的2个碱基实现
C.参与新的溶菌酶合成的 种类可能不变
D.改造后形成的二硫键的作用类似于 中的氢键
√
[解析] 对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的，故
对 溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴，A正确;蛋白质工程直接
改造的对象为基因，B错误;改造前后组成 溶菌酶的氨基酸中都含
有半胱氨酸，改造后组成 溶菌酶的氨基酸中可能仍含有异亮氨酸，
因此参与其合成的 种类可能不变，C正确;改造后形成的二硫键
使溶菌酶的耐热性提高， 分子中氢键越多,热稳定性越高，改
造后形成的二硫键与氢键的作用类似，D正确。
10.[2024·山东邹城月考]纤维素酶广泛应用于医药、食品发酵、造纸、
废水处理等领域。研究人员利用蛋白质工程将细菌纤维素酶的第137、
179、194位相应氨基酸替换为赖氨酸后，纤维素酶热稳定性得到了
提高。下列有关该技术的说法错误的是( )
A.经改造后的纤维素酶热稳定性提高这一性状可遗传
B.对纤维素酶的改造是通过直接改造 实现的
C.改造纤维素酶也需要构建基因表达载体
D.改造后的纤维素酶和原纤维素酶的结构存在差异
√
[解析] 蛋白质工程通过改造或合成基因,然后进行表达,改造后的性状能
遗传给子代,A正确;对纤维素酶的改造需要以基因工程为基础,是通过改
造或合成基因实现的,B错误;蛋白质工程通过改造或合成基因,然后导入
相应生物体内进行表达,需要构建基因表达载体,C正确;改造后的纤维素
酶和原纤维素酶的氨基酸序列不同，二者结构存在差异,D正确。
11.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。如图是利用蛋
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
√
[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，A正确;启动子是 聚合酶识别和结
合的位点，驱动转录的开始，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，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生产
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，使新
的干扰素基因在受体细胞中表达，这属于基因工程技术，D错误。
12.神经科学家设计了一种合成蛋白质(结合 并磷酸化其靶
标的蛋白质)，能改善老年认知退化人群的记忆功能。下列叙述不正
确的是( )
A.设计蛋白质 时，先设计其基因的碱基序列再推测其功能
B.通过基因定点突变技术可对 蛋白基因进行碱基的替换
C.设计蛋白质 利用的技术是蛋白质工程，其可制造新的蛋白质
D.蛋白质的高级结构十分复杂，故蛋白质工程是一项难度很大的工程
√
[解析] 蛋白质工程的基本思路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，A错误；
通过基因定点突变技术可对 蛋白基因进行碱基的替换，B正确；
设计蛋白质 利用的技术是蛋白质工程，其可改造现有蛋白质
或制造一种新的蛋白质，C正确；蛋白质发挥功能必须依赖于正确的
高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂，故蛋白质工程是一项难
度很大的工程，D正确。
13.[2024·河南光山月考]萤火虫的荧光素酶能催化 激活的荧光素氧化发光，
这一现象在生物检测和成像方面有重要的应用价值。为了解决天然荧光素酶不
能高效催化人工合成的荧光素 发光的问题，研究人员采用蛋白质工程(又称
为第二代基因工程)对它进行了改造。下列关于利用蛋白质工程改造天然荧光素
酶的叙述，正确的是( )
A.通过化学诱变剂可定向改造天然荧光素酶的基因序列
B.改造天然荧光素酶所用的基因表达载体不需要启动子和终止子
C.可用 方法检测突变的荧光素酶基因是否翻译成蛋白质
D.改造后的荧光素酶在一定条件下催化 发光是将化学能转化为光能
√
[解析] 化学诱变剂导致的突变通常是不定向的，A错误；改造天然
荧光素酶所用的基因表达载体必须包含启动子和终止子，B错误；检
测目的基因是否翻译为蛋白质的方法为抗原—抗体杂交，C错误；改
造后的荧光素酶在一定条件下催化 发光是将化学能转化为光能，
D正确。
14.[2024·河南洛阳月考] 人胰岛素由A链和B链构成，其中B链的第
位氨基酸是胰岛素分子间相互作用形成多聚体的关键区域。
丹麦科学家将 位脯氨酸替换为天冬氨酸，从而有效抑制了胰岛素
分子间的聚合，由此研发出速效胰岛素类似物，并已经在临床上广
泛应用。回答下列相关问题：
(1)蛋白质工程是指以_________________________________________
__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，以满足人类生产和生活的需求。
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
[解析] 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，以满足人类生产和生活的需求，它是在基因工程
的基础上延伸出来的第二代基因工程。
(2)蛋白质工程的基本思路如图所示，物质 是___________________；
在制备速效胰岛素类似物时可能出现物质 不同但合成的速效胰岛素
类似物空间构象相同的现象，原因是___________________________
______________________________。
多肽链(氢基酸序列)
密码子具有简并性，使不同翻译出来的氨基酸序列相同
[解析] 蛋白质工程的基本思路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，据此
推测，图中的 是多肽链(氨基酸序列)；由于密码子的简并性，即一
种氨基酸可能由一个或多个密码子决定，在制备速效胰岛素类似物
时可能出现物质即 不同但合成的速效胰岛素类似物空间构象
相同的现象。
(3)在对胰岛素基因进行改造时，常采用重叠延伸 技术引入特定
位点突变，过程如图所示：
除模板、引物外， 反应还需要__________________________
__________等物质条件才能顺利进行。 过程分别至少需要经
过___轮反应才可得到特定位点已突变的等长的片段。
耐高温的聚合酶、四种脱氧核苷酸
2
过程不能在同一反应容器内同时进行，原因是___________
_____________________________________________________________。
经⑤过程形成的改造后的胰岛素基因在 扩增时，需要添加的引物是
______________。
引物2和3中存在互补配对片段，置于同一反应系统时它们会发生结合而失去作用
引物4和引物1
[解析] 过程中，除模板、引物外，还需要耐高温的 聚
合酶、四种脱氧核苷酸等物质条件才能顺利进行。 过程第1
次复制形成的特定位点突变的 分子两条链不等长，第2次复制才
能形成特定位点突变的两条链等长的 片段。
该阶段必须将引物1、2和引物3、4置于不同反应系统中，这是因为引
物2和3中存在互补配对片段，置于同一反应系统时它们会发生结合而
失去作用。由于 体系中引物需要与模
板的 端结合，结合题图可知，经⑤过程
形成的改造后的胰岛素基因在 扩增时，
需要添加的引物是引物4和引物1。
(4)若要比较蛋白质工程改造后的速效胰岛素和天然胰岛素的降血糖
能力的差异，简要写出实验设计思路： ________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
__________________ 。
将生理状况相同的糖尿病
小鼠随机均分为三组，编号为A、B、C，分别加入等量的蛋白质工
程改造后的速效胰岛素、天然胰岛素和生理盐水，一段时间后检测
三组小鼠的血糖情况
[解析] 若要比较蛋白质工程改造后的速效胰岛素和天然胰岛素的降
血糖能力的差异，可以以两种物质作为自变量，增加一个对照组，
分别检测它们的降血糖能力，故实验设计思路为将生理状况相同的
糖尿病小鼠随机均分为三组，编号
为A、B、C，分别加入等量的蛋白
质工程改造后的速效胰岛素、天然
胰岛素和生理盐水，一段时间
后检测三组小鼠的血糖情况。
15.[2024·福建福州期末] 是一种癌细胞膜上的受体蛋白，与癌
细胞的转移和增殖有关。研发针对 的抗体类药物能提高癌症的
治愈率。
(1)单克隆抗体制备过程如图甲所示，其中 培养基用于筛选杂交
瘤细胞。
甲
细胞①表示小鼠的________________细胞，获取杂交瘤细胞后，需
在全营养培养基中培养一段时间，目的是_______________________
_______。经过筛选的杂交瘤细胞可通过注入小鼠腹腔或在培养液中
进行扩大培养并不断产生单克隆抗体。
(已免疫的)B淋巴
(扩大培养)增加杂交瘤细胞数量
甲
[解析] B淋巴细胞和骨髓瘤细胞融合可以形成杂交瘤细胞，故细胞
①表示经过免疫的小鼠B淋巴细胞；获取杂交瘤细胞后，需在全营养
培养基中培养一段时间，目的是扩大培养，增加杂交瘤细胞数量；
经过筛选的杂交瘤细胞可通过注入小鼠腹腔或在培养液中进行扩大
培养并不断产生单克隆抗体。
甲
(2)双特异性抗体是指同时具有两种抗原结合位点的人造抗体，研究
人员利用基因工程等技术制备具有和 结合位点的双特异性
抗体(见图乙)。备注：是细胞表面特异性抗原，在所有 细胞膜
上均有表达，该抗原被激活后，能极大促进 细胞的免疫效力。
乙
①设计目的基因序列：通过查阅基因数据库，获得和 蛋白
对应的碱基序列和氨基酸序列，为使两种抗体蛋白能结合形成有功
能的抗体，利用计算机辅助设计技术，设计改造蛋白质的______，
推测其可能的氨基酸序列和碱基序列。
结构
乙
②获取目的基因：利用____________获取目的基因后，通过 扩增，
采用的引物如图丙所示。
人工合成法
丙
丁
③构建重组质粒：选用含位点的质粒作为载体。 位点常与
阻遏蛋白Ⅰ基因表达产物结合，阻止 聚合酶的移动，环境中
的乳糖能解除阻遏蛋白的作用。将目的基因与质粒连接，形成图丁
所示的重组质粒。 位点的作用是____________________。
调控目的基因的转录
丁
④重组质粒的导入和检测：将重组质粒与经 处理的大肠杆菌共
同培养一段时间后，将菌种接种在含四环素的培养基中培养，获得
的大肠杆菌需鉴定是否含有重组质粒，原因是___________________
___________________________________________________。提取大
肠杆菌总 后，根据表中4种限制酶的识别序列，采用__________
_____酶进行酶切，电泳后若存在 左右长度的条带，则说明
导入了重组质粒。
含有空质粒和质粒与质粒连接产物的大肠杆菌也能在含四环素的培养基中存活
Ⅰ和Ⅰ
酶 识别序列
备注：“^”表示酶切位点 ⑤双特异性抗体的生产：将筛选出的大肠杆菌扩大培养后，接种在
发酵罐中进行大规模发酵。
[解析] ①设计目的基因序列：根据蛋白质的预期功能，设计预期蛋
白质的结构，推测其可能的氨基酸序列和碱基序列。②获取目的基
因：根据目的基因的碱基序列利用人工合成法获取目的基因后，通
过扩增。位点常与阻遏蛋白结合，阻止 聚合酶的移
动，而环境中的乳糖能解除阻遏蛋白的作用。由此可见 位点的
作用是调控目的基因的转录。④因含有空质粒和质粒与质粒连接产
物的大肠杆菌都含有四环素抗性基因，都能在含四环素的培养基中
存活，故在含四环素的培养基中培养一段时间获得的大肠杆菌需鉴
定是否含有重组质粒。对比引物1和引物2虚线框序列和4种限制酶识
别序列可知，采用Ⅰ和 Ⅰ酶进行酶切，由题图可知，目的基
因长度为，电泳后若存在 左右长度的条带，则说明其
含有目的基因，即导入了重组质粒。
(3)相对于单克隆抗体，图示双特异性抗体在治疗癌症时的效果更好，
推测原因是 ________________________________________________
___________________________________________________________
______________________________________________________ 。
[解析] 相对于单克隆抗体，图示双特异性抗体既能结合癌细胞表面
的受体蛋白，又能结合细胞表面的特异性抗原， 抗原
被激活后，能极大促进 细胞的免疫效力，从而实现定向杀伤癌细胞
作用，在治疗癌症时取得更好的效果。
该双特异性抗体既能结合癌细胞表面的受体蛋白
，又能结合细胞表面的特异性抗原，且 抗原被激活后，
能极大促进 细胞的免疫效力，从而实现定向杀伤癌细胞作用第4节 蛋白质工程的原理和应用
【预习梳理】
一、1.蛋白质分子 生物功能
2.改造或合成
3.改造 一种新的蛋白质
二、1.自然界中已存在
2.人类生产和生活
三、1.蛋白质功能 结构
2.基因
3.从预期的蛋白质功能出发 氨基酸序列 合成新的基因
四、1.(1)胰岛素 干扰素
(2)酶的性能或开发新的工业用酶
(3)某些参与调控光合作用的酶 微生物蛋白质
2.高级结构
【任务活动】
任务
[情境]
(1)预期功能 改造或合成 目的基因 转录 翻译 生物功能
(2)密码子 核糖核苷酸 碱基互补配对
(3)①蛋白质都是由基因编码的,改造后的基因可以遗传,对蛋白质直接改造即使改造成功也无法遗传。②对基因进行改造比对蛋白质直接改造容易操作,难度要小得多。
反馈评价
例1 C [解析] ①代表转录,②代表翻译,④代表推测,⑤代表改造或合成,A正确;代表中心法则内容的是①②,B正确;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,通过改造或合成基因实现,C错误;蛋白质工程是根据具有相应功能的蛋白质结构推测氨基酸序列,进而推测出脱氧核苷酸序列,因此蛋白质工程的基本途径与中心法则是相反的,D正确。
例2 C [解析] 蛋白质工程的基本途径是根据中心法则反推出来的,而且最后还要根据中心法则生产出蛋白质,C项符合题意。
例3 A [解析] 由题意可知,突变的IL-2只是一个氨基酸发生了改变,应该是突变的IL-2基因的序列发生了碱基的替换,而不是碱基的增添,A错误;天然的和基因工程生产的IL-2的本质都是蛋白质,都是在核糖体上合成的,B正确;58位与105位半胱氨酸之间形成的二硫键对保持IL-2活性起重要作用,突变的IL-2基因的表达降低了二硫键错配的可能,C正确;大肠杆菌遗传物质是DNA,基因的复制和表达都遵循中心法则,D正确。
【当堂自测】
1.(1)× (2)× (3)× (4)× (5)×
[解析] (1)蛋白质工程可以改造现有的蛋白质,也可以生产自然界中不存在的蛋白质。
(2)决定氨基酸的密码子具有简并性,故蛋白质工程设计出的DNA分子可能存在多种碱基序列。
(3)对蛋白质的改造通过改造或合成基因来完成。
(4)要合成自然界中不存在的蛋白质,应从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构,然后再推测出氨基酸序列并合成相关基因。
(5)蛋白质工程中真正的操作对象仍然是基因,即改造或合成基因,而不是对蛋白质的结构或者氨基酸进行直接改造。
2.C [解析] 蛋白质工程是以蛋白质的结构规律及其与生物功能的关系作为基础的,蛋白质工程可以定向改变蛋白质分子的结构, A正确;蛋白质工程是通过改造基因的结构实现的,该过程中,干扰素的合成依然需要经过转录和翻译过程实现,即遵循了中心法则,B正确;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技术,因此其没有完全脱离基因工程技术, C错误;蛋白质工程通过改造或合成基因,对现有蛋白质进行改造,或制造出一种新的蛋白质,对纤维素酶的改造可通过改造基因结构而实现,D正确。
3.A [解析] 根据中心法则逆推以确定目的基因的碱基序列:预期蛋白质功能→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)。其中根据人类对蛋白质的功能需求设计蛋白质的高级结构是最难实现的。A符合题意。
4.B [解析] 蛋白质的功能是由蛋白质的结构决定的,从根本上来说,是由基因决定的,A错误;改造蛋白质结构可通过改造编码蛋白质的基因结构实现,B正确;蛋白质工程可以获得特定功能的蛋白质,可以定向改变蛋白质的结构, C错误;酶最适温度提高是因为酶的空间结构发生了改变,D错误。第4节 蛋白质工程的原理和应用
一、蛋白质工程的概念
1.基础: 的结构规律及其与 的关系。
2.操作: 基因。
3.目的: 现有蛋白质,或制造 ,以满足人类生产和生活的需求。
二、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程存在不足:原则上只能生产 的蛋白质。
2.天然蛋白质存在不足:天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合 的需要。
3.实例
蛋白质缺陷 改造措施 改造后效果
玉米中赖氨酸含量低 赖氨酸合成过程中两种关键酶的氨基酸被替换 玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍
三、蛋白质工程的基本原理
1.目标:根据人们对 的特定需求,对蛋白质的 进行设计改造。
2.直接操作对象: 。
3.基本思路: →设计预期的蛋白质结构→推测应有的 →找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或 →获得所需要的蛋白质。
四、蛋白质工程的应用
1.应用及前景
(1)在医药工业方面
①科学家通过对 的改造,已使其成为速效型药品。
②通过对 的改造,已延长其体外保存时间。
③将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上,降低单克隆抗体诱发免疫反应的强度。
(2)在其他工业方面:蛋白质工程被广泛用于改进 。
(3)在农业方面
①科学家正在尝试改造 ,以提高植物光合作用的效率。
②设计优良微生物农药,通过改造 的结构,使它防治病虫害的效果增强。
2.面临的困难:对蛋白质发挥功能必须依赖的 了解不够。
任务蛋白质工程
【情境】阅读教材P94图3-17蛋白质工程的基本思路。
(1)补充完整下列环节的名称:
① ;② ;③ ;④ ;⑤ ;⑥ 。
(2)由蛋白质的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列的基本思路:先根据氨基酸与 的对应关系找到RNA中相对应的 序列,再根据RNA与DNA的 关系找到基因中相对应的脱氧核苷酸序列。
(3)对天然蛋白质进行改造,需要通过对基因的操作来实现,试分析其原因。
基因工程与蛋白质工程的比较
基因工程 蛋白质工程
操作环境 (场所) 生物体外 生物体外
操作对象 基因 基因
操作起点 目的基因 预期的蛋白质功能
实质 定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的生物类型和生物产品 定向改造或生产人类所需的蛋白质
结果 生产自然界已存在的蛋白质 可以创造出自然界不存在的蛋白质
联系 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,因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质,必须通过改造或合成基因实现
例1如图所示为蛋白质工程操作的基本思路,下列叙述不正确的是()
A.图中①代表转录,②代表翻译,④代表推测,⑤代表改造或合成
B.代表中心法则内容的是①②
C.蛋白质工程的目标是对基因的结构进行分子设计
D.从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是相反的
例2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中已存在的蛋白质,而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造或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改造或合成基因来完成
C.基因工程遵循中心法则,蛋白质工程完全不遵循中心法则
D.基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的
例3[2024·北京丰台区模拟]人白细胞介素-2(IL-2)是一种细胞因子,含有3个半胱氨酸,分别位于第58、105、125位,其中58位与105位半胱氨酸之间形成的二硫键对保持IL-2活性起重要作用。用大肠杆菌生产IL-2,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。下列叙述错误的是()
A.突变的IL-2基因的序列发生了碱基的增添
B.天然的和基因工程生产的IL-2均在核糖体上合成
C.突变的IL-2基因的表达降低了二硫键错配的可能
D.大肠杆菌中IL-2基因的复制和表达遵循中心法则
1.正误辨析
(1)蛋白质工程制造的是天然蛋白质。()
(2)蛋白质工程设计出的DNA分子只有一种固定的碱基序列。()
(3)人类主要通过直接改造蛋白质的结构来生产新的蛋白质。()
(4)要合成自然界中不存在的蛋白质首先应设计基因结构。()
(5)蛋白质工程实施过程中可对关键氨基酸直接置换或增删。()
2.[2024·湖南长郡中学月考]下列针对蛋白质工程的相关叙述,说法错误的是()
A.蛋白质工程可以定向改变蛋白质分子的结构
B.利用蛋白质工程生产干扰素的过程遵循了中心法则
C.蛋白质工程是完全脱离基因工程技术的一项全新的生物工程技术
D.对纤维素酶的改造通过改造基因结构而实现
3.近年来,人工智能(AI)算法在蛋白质工程领域的应用已经被开发,下列关于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()
A.根据人类对蛋白质的功能需求设计蛋白质的高级结构
B.根据蛋白质的空间结构推测其氨基酸序列
C.按照设定的氨基酸序列推测mRNA的碱基序列
D.按照设定的mRNA的碱基序列设计新基因
4.[2024·江苏金沙中学期中]葡萄糖异构酶在工业上应用广泛,科学家将其第138位甘氨酸替换为脯氨酸后,最适温度提高了10℃左右。相关叙述正确的是()
A.蛋白质功能由氨基酸的种类和数量决定
B.改造蛋白质结构可通过改造基因结构实现
C.蛋白质工程不可以定向改变蛋白质的结构
D.该种酶最适温度提高是因为脯氨酸比甘氨酸更耐热第4节 蛋白质工程的原理和应用
1.D [解析] 分析蛋白质的三维结构是蛋白质工程的准备工作,A与题意不符;研究蛋白质的氨基酸组成是为了设计或改造相关基因,这不是蛋白质工程的最终目的,B与题意不符;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,但不是蛋白质工程要达到的最终目的,C与题意不符;改造现有蛋白质或制造新的蛋白质,从而满足人类的需求,这是蛋白质工程的最终目的,D符合题意。
2.B [解析] 基因工程原则上能生产自然界中已存在的蛋白质,A错误;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,B正确;蛋白质工程中合成蛋白质需要经过转录和翻译,C错误;蛋白质工程是在基因工程的基础上,通过改造或合成基因来实现对蛋白质的改造的,D错误。
3.B [解析] 蛋白质工程是通过设计蛋白质进而改造或合成相关的基因来实现的,显然该工程可以定向改变蛋白质分子的结构,A正确;蛋白质工程改造的是基因,可以遗传给子代,因此改造后的中华鲟的后代也具有改造的蛋白质,B错误;改造后的中华鲟具有新的性状,但其和现有中华鲟仍是同一物种,它们之间没有产生生殖隔离,C正确;因为基因能指导蛋白质的合成,改造蛋白质是通过改造基因结构而实现的,蛋白质改造同样遵循中心法则,D正确。
4.B [解析] 改造磷脂酶D应从预期磷脂酶D的功能出发,A错误;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,所以蛋白质工程是以基因工程为基础的,B正确;对磷脂酶D进行改造是通过对磷脂酶D基因进行改造而实现的,改造后的磷脂酶D提高PS产量这一性状能够遗传,C、D错误。
5.D [解析] 蛋白质工程是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,其操作思路为图中的④⑤①②③,A正确;中心法则是指遗传信息的传递规律,包括转录、翻译、DNA复制、RNA复制和逆转录过程,图中①代表转录,②代表翻译,因此代表中心法则内容的有①②,B正确;据图可知,①代表转录,②代表翻译,③代表折叠,④代表推测,⑤代表改造或合成,C正确;蛋白质工程的目的是对蛋白质的结构进行设计改造,通过改造或合成基因实现,D错误。
6.A [解析] 蛋白质工程能通过改造或合成基因,对现有蛋白质分子的结构进行定向改造,使之更加符合人类的需要,A正确;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改造或合成基因来完成,不能直接改造蛋白质,B、C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,D错误。
7.D [解析] 胰岛素是蛋白质,对蛋白质结构的改造属于蛋白质工程,A正确;DNA中碱基的排列顺序代表遗传信息,因而可通过测定DNA的序列确定突变是否成功,B正确;蛋白质工程的直接操作对象是基因,C正确;胰岛素为蛋白质,若口服会被消化酶分解,因此胰岛素不适合口服,D错误。
8.B [解析] 蛋白质工程可通过改造基因来实现对蛋白质分子结构的定向改造,使之更加符合人类需要,故通过对基因结构的定点突变实现玉米赖氨酸合成的关键酶结构的改变属于蛋白质工程,A正确;用导入外源基因的方法治疗半乳糖血症属于基因工程,B错误;蛋白质工程需从预期的蛋白质功能出发,设计预期的蛋白质结构,C正确;目前,蛋白质工程成功的例子不多,主要是人们对蛋白质的高级结构了解还不够,所以通过对基因结构的改造生产出自然界中从来不存在的蛋白质的种类目前还很少,D正确。
9.B [解析] 对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的,故对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴,A正确;蛋白质工程直接改造的对象为基因,B错误;改造前后组成T4溶菌酶的氨基酸中都含有半胱氨酸,改造后组成T4溶菌酶的氨基酸中可能仍含有异亮氨酸,因此参与其合成的tRNA种类可能不变,C正确;改造后形成的二硫键使T4溶菌酶的耐热性提高,DNA分子中氢键越多,热稳定性越高,改造后形成的二硫键与氢键的作用类似,D正确。
10.B [解析] 蛋白质工程通过改造或合成基因,然后进行表达,改造后的性状能遗传给子代,A正确;对纤维素酶的改造需要以基因工程为基础,是通过改造或合成基因实现的,B错误;蛋白质工程通过改造或合成基因,然后导入相应生物体内进行表达,需要构建基因表达载体,C正确;改造后的纤维素酶和原纤维素酶的氨基酸序列不同,二者结构存在差异,D正确。
11.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,A正确;启动子是RNA聚合酶识别和结合的位点,驱动转录的开始,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,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生产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,使新的干扰素基因在受体细胞中表达,这属于基因工程技术,D错误。
12.A [解析] 蛋白质工程的基本思路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,A错误;通过基因定点突变技术可对LIMK1蛋白基因进行碱基的替换,B正确;设计蛋白质LIMK1利用的技术是蛋白质工程,其可改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质,C正确;蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构,而蛋白质的高级结构十分复杂,故蛋白质工程是一项难度很大的工程,D正确。
13.D [解析] 化学诱变剂导致的突变通常是不定向的,A错误;改造天然荧光素酶所用的基因表达载体必须包含启动子和终止子,B错误;检测目的基因是否翻译为蛋白质的方法为抗原—抗体杂交,C错误;改造后的荧光素酶在一定条件下催化DTZ发光是将化学能转化为光能,D正确。
14.(1)蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
(2)多肽链(氢基酸序列) 密码子具有简并性,使不同mRNA翻译出来的氨基酸序列相同
(3)耐高温的DNA聚合酶、四种脱氧核苷酸 2 引物2和3中存在互补配对片段,置于同一反应系统时它们会发生结合而失去作用 引物4和引物1
(4)将生理状况相同的糖尿病小鼠随机均分为三组,编号为A、B、C,分别加入等量的蛋白质工程改造后的速效胰岛素、天然胰岛素和生理盐水,一段时间后检测三组小鼠的血糖情况
[解析] (1)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,以满足人类生产和生活的需求,它是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程。(2)蛋白质工程的基本思路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,据此推测,图中的a是多肽链(氨基酸序列);由于密码子的简并性,即一种氨基酸可能由一个或多个密码子决定,在制备速效胰岛素类似物时可能出现物质b即mRNA不同但合成的速效胰岛素类似物空间构象相同的现象。(3)PCR过程中,除DNA模板、引物外,还需要耐高温的DNA聚合酶、四种脱氧核苷酸等物质条件才能顺利进行。PCR②③过程第1次复制形成的特定位点突变的DNA分子两条链不等长,第2次复制才能形成特定位点突变的两条链等长的DNA片段。该阶段必须将引物1、2和引物3、4置于不同反应系统中,这是因为引物2和3中存在互补配对片段,置于同一反应系统时它们会发生结合而失去作用。由于PCR体系中引物需要与模板的3'端结合,结合题图可知,经⑤过程形成的改造后的胰岛素基因在PCR扩增时,需要添加的引物是引物4和引物1。(4)若要比较蛋白质工程改造后的速效胰岛素和天然胰岛素的降血糖能力的差异,可以以两种物质作为自变量,增加一个对照组,分别检测它们的降血糖能力,故实验设计思路为将生理状况相同的糖尿病小鼠随机均分为三组,编号为A、B、C,分别加入等量的蛋白质工程改造后的速效胰岛素、天然胰岛素和生理盐水,一段时间后检测三组小鼠的血糖情况。
15.(1)(已免疫的)B淋巴 (扩大培养)增加杂交瘤细胞数量
(2)结构 人工合成法 调控目的基因的转录 含有空质粒和质粒与质粒连接产物的大肠杆菌也能在含四环素的培养基中存活 BamHⅠ和XhoⅠ
(3)该双特异性抗体既能结合癌细胞表面的受体蛋白CD87,又能结合T细胞表面的特异性抗原CD3,且CD3抗原被激活后,能极大促进T细胞的免疫效力,从而实现定向杀伤癌细胞作用
[解析] (1)B淋巴细胞和骨髓瘤细胞融合可以形成杂交瘤细胞,故细胞①表示经过免疫的小鼠B淋巴细胞;获取杂交瘤细胞后,需在全营养培养基中培养一段时间,目的是扩大培养,增加杂交瘤细胞数量;经过筛选的杂交瘤细胞可通过注入小鼠腹腔或在培养液中进行扩大培养并不断产生单克隆抗体。(2)①设计目的基因序列:根据蛋白质的预期功能,设计预期蛋白质的结构,推测其可能的氨基酸序列和碱基序列。②获取目的基因:根据目的基因的碱基序列利用人工合成法获取目的基因后,通过PCR扩增。③LacO位点常与阻遏蛋白结合,阻止RNA聚合酶的移动,而环境中的乳糖能解除阻遏蛋白的作用。由此可见LacO位点的作用是调控目的基因的转录。④因含有空质粒和质粒与质粒连接产物的大肠杆菌都含有四环素抗性基因,都能在含四环素的培养基中存活,故在含四环素的培养基中培养一段时间获得的大肠杆菌需鉴定是否含有重组质粒。对比引物1和引物2虚线框序列和4种限制酶识别序列可知,采用BamHⅠ和XhoⅠ酶进行酶切,由题图可知,目的基因长度为1140bp,电泳后若存在1150bp左右长度的条带,则说明其含有目的基因,即导入了重组质粒。(3)相对于单克隆抗体,图示双特异性抗体既能结合癌细胞表面的受体蛋白CD87,又能结合T细胞表面的特异性抗原CD3,CD3抗原被激活后,能极大促进T细胞的免疫效力,从而实现定向杀伤癌细胞作用,在治疗癌症时取得更好的效果。第4节 蛋白质工程的原理和应用
知识点一蛋白质工程的原理
1.[2024·辽宁葫芦岛期末]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.研究蛋白质的氨基酸组成
C.获取编码蛋白质的基因序列信息
D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
2.蛋白质工程与基因工程相比,其突出特点是()
A.基因工程原则上能生产任何蛋白质
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.蛋白质工程是通过直接对蛋白质分子进行操作来实现的
3.[2024·陕西咸阳期中]中华鲟是地球上最古老的脊椎动物,被称为“活化石”。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,以下说法错误的是()
A.该工程可以定向改变蛋白质分子的结构
B.改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质
C.改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种
D.中华鲟的相关蛋白质改造同样遵循中心法则
4.[2024·山东德州期中]磷脂酰丝氨酸(PS)由磷脂酶D催化合成,能够调控细胞膜关键蛋白的功能状态。天然PS含量极少,难以满足人们的需要,科研人员通过蛋白质工程改造磷脂酶D以提高PS的产量。下列叙述正确的是()
A.改造磷脂酶D应从设计磷脂酶D的结构出发
B.改造磷脂酶D的过程需要以基因工程为基础
C.通过氨基酸的增添、替换来实现对磷脂酶D的改造
D.改造后的磷脂酶D提高PS产量这一性状不能够遗传
5.如图为蛋白质工程操作的基本思路,下列叙述不正确的是()
A.代表蛋白质工程操作思路的过程是④⑤①②③
B.代表中心法则内容的是①②
C.①代表转录,②代表翻译,③代表折叠,④代表推测,⑤代表改造或合成
D.蛋白质工程的目的是对基因的结构进行分子设计,通过合成或改造基因而实现
知识点二蛋白质工程的应用
6.[2024·江苏苏州期中]下列有关蛋白质工程及其应用的叙述,正确的是()
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进而改变蛋白质的功能
C.蛋白质工程技术中的操作对象可以是蛋白质或控制蛋白质合成的基因
D.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
7.科研人员利用相关技术改变了胰岛素B链的第9位氨基酸,从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述中,不正确的是()
A.对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程
B.可通过测定DNA的序列确定突变是否成功
C.该过程的操作对象是胰岛素相关基因
D.胰岛素适合口服使用
8.[2024·河南南阳月考]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,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类生产和生活的需求。下列关于蛋白质工程的进展和应用前景的说法,不正确的是()
A.通过对基因结构的定点突变实现玉米赖氨酸合成的关键酶结构的改变属于蛋白质工程
B.用导入外源基因的方法治疗半乳糖血症属于蛋白质工程
C.对蛋白质进行分子设计需要从蛋白质的功能特点入手
D.目前,科学家通过对基因结构的改造,生产出自然界中从来不存在的蛋白质的种类还很少
9.[2024·湖南长郡中学月考]T4溶菌酶来源于T4噬菌体,是重要的工业用酶。科学家通过一定技术使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸,于是在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键,从而使T4溶菌酶的耐热性得到了提高。关于上述过程的叙述错误的是()
A.对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴
B.上述过程通过直接改造T4溶菌酶mRNA上的2个碱基实现
C.参与新的T4溶菌酶合成的tRNA种类可能不变
D.改造后形成的二硫键的作用类似于DNA中的氢键
10.[2024·山东邹城月考]纤维素酶广泛应用于医药、食品发酵、造纸、废水处理等领域。研究人员利用蛋白质工程将细菌纤维素酶的第137、179、194位相应氨基酸替换为赖氨酸后,纤维素酶热稳定性得到了提高。下列有关该技术的说法错误的是()
A.经改造后的纤维素酶热稳定性提高这一性状可遗传
B.对纤维素酶的改造是通过直接改造mRNA实现的
C.改造纤维素酶也需要构建基因表达载体
D.改造后的纤维素酶和原纤维素酶的结构存在差异
11.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。如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
12.神经科学家设计了一种合成蛋白质LIMK1(结合ATP并磷酸化其靶标的蛋白质),能改善老年认知退化人群的记忆功能。下列叙述不正确的是()
A.设计蛋白质LIMK1时,先设计其基因的碱基序列再推测其功能
B.通过基因定点突变技术可对LIMK1蛋白基因进行碱基的替换
C.设计蛋白质LIMK1利用的技术是蛋白质工程,其可制造新的蛋白质
D.蛋白质的高级结构十分复杂,故蛋白质工程是一项难度很大的工程
13.[2024·河南光山月考]萤火虫的荧光素酶能催化ATP激活的荧光素氧化发光,这一现象在生物检测和成像方面有重要的应用价值。为了解决天然荧光素酶不能高效催化人工合成的荧光素DTZ发光的问题,研究人员采用蛋白质工程(又称为第二代基因工程)对它进行了改造。下列关于利用蛋白质工程改造天然荧光素酶的叙述,正确的是()
A.通过化学诱变剂可定向改造天然荧光素酶的基因序列
B.改造天然荧光素酶所用的基因表达载体不需要启动子和终止子
C.可用PCR方法检测突变的荧光素酶基因是否翻译成蛋白质
D.改造后的荧光素酶在一定条件下催化DTZ发光是将化学能转化为光能
14.[2024·河南洛阳月考]人胰岛素由A链和B链构成,其中B链的第20~29位氨基酸是胰岛素分子间相互作用形成多聚体的关键区域。丹麦科学家将B28位脯氨酸替换为天冬氨酸,从而有效抑制了胰岛素分子间的聚合,由此研发出速效胰岛素类似物,并已经在临床上广泛应用。回答下列相关问题:
(1)蛋白质工程是指以 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,以满足人类生产和生活的需求。
(2)蛋白质工程的基本思路如图所示,物质a是 ;在制备速效胰岛素类似物时可能出现物质b不同但合成的速效胰岛素类似物空间构象相同的现象,原因是 。
(3)在对胰岛素基因进行改造时,常采用重叠延伸PCR技术引入特定位点突变,过程如图所示:
除DNA模板﹑引物外,PCR反应还需要 等物质条件才能顺利进行。PCR②③过程分别至少需要经过 轮反应才可得到特定位点已突变的等长的DNA片段。PCR②③过程不能在同一反应容器内同时进行,原因是 。经⑤过程形成的改造后的胰岛素基因在PCR扩增时,需要添加的引物是 。
(4)若要比较蛋白质工程改造后的速效胰岛素和天然胰岛素的降血糖能力的差异,简要写出实验设计思路: 。
15.[2024·福建福州期末]CD87是一种癌细胞膜上的受体蛋白,与癌细胞的转移和增殖有关。研发针对CD87的抗体类药物能提高癌症的治愈率。
(1)单克隆抗体制备过程如图甲所示,其中HAT培养基用于筛选杂交瘤细胞。
细胞①表示小鼠的 细胞,获取杂交瘤细胞后,需在全营养培养基中培养一段时间,目的是 。
经过筛选的杂交瘤细胞可通过注入小鼠腹腔或在培养液中进行扩大培养并不断产生单克隆抗体。
(2)双特异性抗体是指同时具有两种抗原结合位点的人造抗体,研究人员利用基因工程等技术制备具有CD3和CD87结合位点的双特异性抗体(见图乙)。备注:CD3是T细胞表面特异性抗原,在所有T细胞膜上均有表达,该抗原被激活后,能极大促进T细胞的免疫效力。
①设计目的基因序列:通过查阅基因数据库,获得CD3和CD87蛋白对应的碱基序列和氨基酸序列,为使两种抗体蛋白能结合形成有功能的抗体,利用计算机辅助设计技术,设计改造蛋白质的 ,推测其可能的氨基酸序列和碱基序列。
②获取目的基因:利用 获取目的基因后,通过PCR扩增,采用的引物如图丙所示。
③构建重组质粒:选用含LacO位点的质粒作为载体。LacO位点常与阻遏蛋白(LacⅠ基因表达产物)结合,阻止RNA聚合酶的移动,环境中的乳糖能解除阻遏蛋白的作用。将目的基因与质粒连接,形成图丁所示的重组质粒。LacO位点的作用是 。
④重组质粒的导入和检测:将重组质粒与经Ca2+处理的大肠杆菌共同培养一段时间后,将菌种接种在含四环素的培养基中培养,获得的大肠杆菌需鉴定是否含有重组质粒,原因是 。
提取大肠杆菌总DNA后,根据表中4种限制酶的识别序列,采用 酶进行酶切,电泳后若存在1150bp左右长度的条带,则说明导入了重组质粒。
酶 识别序列
EcoRⅠ 5'—G^AATTC—3'
BgⅢ 5'—A^GATCT—3'
BamHⅠ 5'—G^GATCC—3'
XhoⅠ 5'—C^TCGAG—3'
备注:“^”表示酶切位点
⑤双特异性抗体的生产:将筛选出的大肠杆菌扩大培养后,接种在发酵罐中进行大规模发酵。
(3)相对于单克隆抗体,图示双特异性抗体在治疗癌症时的效果更好,推测原因是 。
