第4节 蛋白质工程的原理和应用
必备知识·素养奠基
一、蛋白质工程的概念
1.基础:蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
2.操作方法:改造或合成基因。
3.结果:改造现有的蛋白质或制造一种新的蛋白质。
4.目的:满足人类生产和生活的需求。
5.与基因工程的关系:在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基因工程。
二、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质和不足:
(1)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)基因工程存在的不足:原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
2.蛋白质工程的崛起:
(1)理论和技术条件:分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
(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,却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
(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
赖氨酸合成中两种酶的氨基酸被替换
玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高5倍和2倍
三、蛋白质工程的基本原理
1.目标:根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的结构进行设计改造。
2.方法:改造或合成基因。
3.基本思路:
填一填:基于蛋白质的合成过程和蛋白质工程的基本思路,完成下列填空。
①蛋白质 ②多肽链 ③mRNA ④目的基因
A推测应有的氨基酸序列
B找到并改变基因或合成新的基因
C转录 D翻译
如果已经推测出多肽中的氨基酸序列,那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢?说明你的理由。
提示:不唯一,因为一个氨基酸是由一个或多个密码子决定,因此获得的基因总的碱基序列有多种。
四、蛋白质工程的应用
1.医药工业方面:
(1)速效胰岛素类似物:改变氨基酸序列,抑制胰岛素的聚合。
(2)干扰素:一个半胱氨酸替换为丝氨酸,延长保存时间。
(3)单克隆抗体:将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上,降低诱发免疫反应的强度。
2.其他工业方面:广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶。
3.农业方面:
(1)改造某些参与调控光合作用的酶,提高植物光合作用的效率。
(2)改造微生物蛋白质的结构,增强防治病虫害的效果。
关键能力·素养形成
知识点 基因工程与蛋白质工程的比较
比较项目
基因工程
蛋白质工程
原理
基因重组
中心法则的逆转
区别
过程
获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→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
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或生物产品
改造或制造人类所需要的蛋白质
结果
生产自然界中已经有的蛋白质
生产自然界中没有的蛋白质
联系
①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,对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质必须通过基因修饰或基因合成来实现,蛋白质工程离不开基因工程②基因工程中所用的某些酶也需要通过蛋白质工程进行修饰或改造,以提高其功能
【特别提醒】
有关蛋白质工程的两点提醒
(1)改造对象是基因: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,而且改造过的蛋白质可以遗传下去。
(2)基因突变的新基因中含有不编码蛋白质的序列,而蛋白质工程中的新基因则没有。
下列关于蛋白质工程和基因工程的比较,不合理的是
( )
A.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
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
【解题导引】解答本题思维流程如下:
【解析】选C。蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发,设计预期的蛋白质结构,进而设计出相应的基因,并借助基因工程实现,选项A正确。基因工程生产的自然界中已存在的蛋白质不能完全符合人类需要,因此催生了蛋白质工程,但由于基因决定蛋白质,因此蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成,选项B正确。干扰素作为一种表达产物,其化学本质为蛋白质,蛋白质不具有自我合成的能力,选项C错误。基因工程产生的变异即为基因重组,目的基因转入后便可以随宿主的基因一同表达并遗传给后代,蛋白质工程最终也要通过基因来改造,因此蛋白质工程产生的变异也可以遗传,选项D正确。
【素养·探究——母题追问】
(1)科学思维——演绎与推理
利用蛋白质工程将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,如何对现有的基因进行改造?
提示:改变决定干扰素分子上半胱氨酸的碱基序列,改变其碱基的种类使其控制合成的氨基酸为丝氨酸。
(2)科学思维——批判性思维
某同学认为只要知道了氨基酸的序列就可以利用蛋白质工程制造出各种特定功能的蛋白质,你认为他的说法科学吗?说明你的理由。
提示:不科学,蛋白质的功能除了与氨基酸的序列有关以外,蛋白质的功能还与其特定的空间结构有关。
【素养·迁移】
目前科学家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序列
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】选B。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→找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)→表达出相应的蛋白质,故正确顺序应该是②①③④。
【补偿训练】
蛋白质工程的实质是
( )
A.改造蛋白质
B.改造mRNA
C.改造或合成基因
D.改造氨基酸
【解析】选C。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制的,因此对蛋白质结构进行设计改造,最终通过改造或合成基因来实现。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
【概念·诊断】
1.随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的发展,蛋白质工程广泛应用于医药和其他工农业生产中,下列有关描述正确的是____________。?
①蛋白质工程对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的
②基因工程遵循中心法则,而蛋白质工程不遵循
③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,也需要利用基因工程的基本工具,需要经历基因工程的操作流程
④由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化,空间结构千差万别,蛋白质工程操作难度很大
⑤蛋白质工程不能改变蛋白质的活性
【解析】选③④。蛋白质工程对蛋白质的改造是通过直接改造相应的基因来实现的,①错误;基因工程和蛋白质工程都遵循中心法则,②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,也需要利用基因工程的基本工具,需要经历基因工程的操作流程,③正确;由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化,空间结构千差万别,蛋白质工程操作难度很大,④正确;蛋白质工程能改变蛋白质的活性,⑤错误。
2.蛋白质工程的基本流程是
( )
A.基因→表达→形成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
B.对蛋白质进行分子设计→改造蛋白质分子→行使功能
C.预期的蛋白质功能→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)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质
D.预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→合成相应mRNA
【解析】选C。蛋白质工程的基本流程: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。
3.科学家将β-干扰素基因进行定点突变后导入大肠杆菌表达,使β-干扰素第17位的半胱氨酸改变成丝氨酸,结果大大提高了β-干扰素的抗病性,并且提高了储存稳定性,该生物技术为
( )
A.基因工程
B.蛋白质工程
C.基因突变
D.细胞工程
【解析】选B。基因工程是通过对基因的操作,将符合人们需要的目的基因导入适宜的生物体,原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,蛋白质工程是指以蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有的蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产或生活需要。本题中合成的β-干扰素是基因定点突变后的表达产物,不是天然的,因此属于蛋白质工程。
4.下列关于基因工程药物与蛋白质工程药物的说法正确的是
( )
A.都与天然产物完全相同
B.都与天然产物完全不相同
C.基因工程药物与天然产物一般相同,蛋白质工程药物与天然产物可不相同
D.基因工程药物与天然产物不相同,蛋白质工程药物与天然产物完全相同
【解析】选C。基因工程合成的药物与天然产物一般相同,而蛋白质工程可以合成出自然界不存在的蛋白质,即与天然产物可不相同。
【思维·跃迁】
5.人体内的t-PA蛋白能高效降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓,然而,为心梗患者注射大剂量的基因工程t-PA会诱发颅内出血,其原因在于t-PA与血纤维蛋白结合的特异性不高。研究证实,通过某技术,将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸,可制造出性能优异的改良t-PA蛋白,进而显著降低出血副作用。下列相关叙述中错误的是
( )
A.该技术的关键工作是了解t-PA蛋白质分子结构
B.该技术生产改良t-PA蛋白的过程遵循中心法则
C.该技术是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的
D.该技术构建出了一种自然界中原先不存在的全新的基因
【解析】选C。将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸需要采用蛋白质工程技术,该技术的关键工作是了解t-PA蛋白质分子结构,A正确;该技术生产改良t-PA蛋白的过程遵循中心法则,B正确;该技术是在基因分子水平上通过改造基因来实现对蛋白质改造的,C错误;该技术中进行了基因修饰或基因合成,可以构建出一种自然界中原先不存在的全新的基因,D正确。
【拓展·探究】
6.阅读下列资料,结合所学知识回答问题:
资料一 多巴胺是一种重要的单胺类神经递质。大脑中多巴胺失调会导致精神疾病或神经性疾病,如多动症、精神分裂症、帕金森病等。
资料二 研究发现,随着年龄的增长,器质多巴胺能神经元(含有并释放多巴胺作为神经递质的神经元)呈现退行性改变,当80%的此类神经元死亡时,就可能出现帕金森病症状。
资料三 北京大学李龙团队开发出新型可遗传编码的乙酰胆碱和多巴胺荧光探针,该探针表达后形成荧光蛋白与神经递质受体的融合体,当相应的神经递质与上述融合体结合后发出荧光。
(1)在神经系统中,多巴胺通常以__________方式由__________________释放后与相应的受体结合。?
(2)有人提出一种治疗帕金森病的思路:利用从囊胚中____________(部位)获得的细胞,对其进行诱导分化后,?
用以补充死亡的黑质多巴胺能神经元,这属于一种__________工程的应用。?
(3)对资料三中所用的技术,最准确的说法是________________。?
A.基因工程
B.蛋白质工程
C.细胞工程
D.胚胎工程
该技术的基本途径是____________________________________。?
【解析】(1)多巴胺作为神经递质发挥作用的结构是突触(间隙),通常以胞吐方式由突触前膜释放后与突触后膜上相应的受体结合。
(2)聚集在胚胎一端,个体较大的细胞,称为内细胞团,将来发育成胎儿的各种组织,故可利用从囊胚中内细胞团获得的细胞,对其进行诱导分化后,用以补充死亡的黑质多巴胺能神经元,根据题意,这里应该是利用了胚胎工程。
(3)题中荧光蛋白与神经递质受体的融合体,是对蛋白质结构进行设计得到的,这属于蛋白质工程,故选B。其流程为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,最后采用一般基因工程手段使目的基因导入受体细胞并表达→获得所需的蛋白质。
答案:(1)胞吐 突触前膜
(2)内细胞团 胚胎
(3)B 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
十五 蛋白质工程的原理和应用
(20分钟·70分)
一、选择题(共7小题,每小题5分,共35分)
1.下列关于蛋白质工程的说法正确的是
( )
A.蛋白质工程以基因工程为基础
B.蛋白质工程就是酶工程的延伸
C.蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造
D.蛋白质工程只能生产天然的蛋白质
【解析】选A。基因指导蛋白质的合成,蛋白质工程以基因工程为基础,A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;而酶工程是利用酶的催化功能,在一定条件下催化化学反应,生产人类需要的产品或服务于其他目的的一门应用技术,B错误;蛋白质工程的实质是改造基因,C错误;蛋白质工程可以通过基因合成、制造自然界不曾存在过的新型蛋白质分子,D错误。
2.下列哪项不是蛋白质工程的研究内容
( )
A.分析蛋白质分子的三维结构
B.分析氨基酸的分子结构
C.对现有蛋白质进行有目的的改造
D.按照人的意愿生产自然界没有的新的蛋白质
【解析】选B。蛋白质工程是根据预期蛋白质功能设计预期的蛋白质分子的三维结构,A不符合题意;蛋白质工程分析、设计蛋白质分子,不分析氨基酸的分子结构,B符合题意;蛋白质工程通过修改基因或创造合成新基因来改变对蛋白质进行有目的改造,C不符合题意;按照人的意愿生产自然界没有的新的蛋白质属于蛋白质工程,D不符合题意。
3.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.改造蛋白质是通过改造基因结构而实现的
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
【解析】选D。蛋白质工程可以定向改变蛋白质分子的结构,A正确;改造蛋白质是通过改造基因结构而实现的,B正确;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,C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,D错误。
4.从某海洋动物中获得一基因,其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1
。目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物,首先要做的是
( )
A.合成编码目的肽的DNA片段
B.构建含目的肽DNA片段的表达载体
C.依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽
D.筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽
【解析】选C。该工程属于蛋白质工程,已经获得该目的基因片段,不需要合成编码目的肽的DNA片段;需要构建含目的肽的DNA片段的表达载体,但这不是第一步;蛋白质工程的第一步是根据蛋白质的功能,设计P1氨基酸序列,从而推出其基因序列;该基因表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1,目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物,而目的多肽是抗菌性强但溶血性弱,所以必须对其改造,保持其抗菌性强,抑制其溶血性。
5.下列有关蛋白质工程的叙述,错误的是
( )
A.收集大量的蛋白质分子结构的信息,以便分析结构与功能之间的关系
B.蛋白质工程的原理是从预期的蛋白质功能出发最终通过改造基因或合成基因获得所需蛋白质
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的体现
D.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
【解析】选D。蛋白质结构的多样性决定蛋白质功能的多样性,在实施蛋白质工程的准备阶段,只有收集到大量的蛋白质结构的信息,才能从其中寻求到某一结构跟预期的蛋白质功能之间的关系,从而据其构建出某一段氨基酸序列,此氨基酸序列成为构建脱氧核苷酸序列(即基因)的依据,通过改造基因或合成基因获得所需蛋白质,A、B项正确。T4溶菌酶是蛋白质,对其改造属于蛋白质工程,C项正确。在蛋白质工程中,基因修饰后可以表达出改造的蛋白质,基因合成后可以制造出新的蛋白质,D错误。
6.下列关于蛋白质工程实施的叙述,不正确的是
( )
A.可以根据人类的需要,设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质
B.可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域
C.可以通过基因工程间接地改造蛋白质中特定的一个或几个氨基酸
D.可以通过人工化学合成的方法直接对蛋白质的氨基酸进行改造
【解析】选D。蛋白质工程是在原有蛋白质的基础上,根据人们的需求对蛋白质分子作出的定向的改造,可以设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质,A正确;蛋白质工程可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域,B正确;蛋白质工程较小的改造是改造蛋白质分子中某些活性部位的1个或几个氨基酸残基通过定点诱变技术,以获得人类所需要的目的蛋白质,C正确;蛋白质工程不能通过人工化学合成的方法直接对蛋白质的氨基酸进行改造,D错误。
7.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④⑤
B.代表中心法则内容的是①②③
C.①代表转录,②③代表翻译,④代表分子设计,⑤代表DNA合成
D.蛋白质工程的目的是对基因的结构进行分子设计,通过基因合成或改造而实现
【解析】选D。蛋白质工程操作思路是中心法则的逆过程,即图中的④⑤,A正确;中心法则是指遗传信息的表达过程,即图中①代表转录,②③代表翻译,B正确;①代表转录,④代表分子设计,⑤代表DNA合成,C正确;蛋白质工程的目的是对蛋白质的结构进行分子设计,通过基因合成或基因修饰实现,D错误。
二、非选择题(共2小题,共35分)
8.(17分)赖氨酸是人体八大必需氨基酸之一,能促进人体发育、增强免疫功能,并有提高中枢神经组织功能的作用。某农科所科技人员欲通过将玉米某种蛋白酶改造成“M酶”,从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量,以期待培育出高赖氨酸玉米新品种。请回答下列问题:
(1)科技人员先从“提升玉米种子中赖氨酸含量”这一功能出发,预期构建出____________的结构,再推测出相对应目的基因的______________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______________技术在体外将其大量扩增,此过程需要一种特殊的酶是____________________________。?
(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。科技人员将“M酶”基因导入玉米细胞中需要借助______________
____________________的运输。?
(4)依据__________________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,科技人员需要通过____________,从个体水平加以鉴定。?
【解析】(1)根据题干信息已知,某农科所科技人员欲通过将玉米某种蛋白酶改造成“M酶”,则应该利用蛋白质工程,先预期构建出“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,过程中需要耐高温聚合酶的催化。
(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;将“M酶”基因(目的基因)导入玉米细胞中需要借助(基因表达)载体的运输。
(4)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。科技人员需要通过测定玉米种子中赖氨酸的含量,从个体水平加以鉴定,以确保育种成功。
答案:(1)“M酶” 脱氧核苷酸
(2)PCR 热稳定DNA聚合酶
(3)玉米细胞的染色体DNA中 (基因表达)载体
(4)植物细胞具有全能性 测定玉米种子中赖氨酸的含量
9.(18分)人体内的t-PA蛋白能高效降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓,是心梗和脑血栓的急救药。
(1)为心梗患者注射大剂量的基因工程t-PA会诱发颅内出血。研究证实,将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸,能显著降低出血副作用。据此,先对天然的t-PA基因进行改造,再采取传统的基因工程方法表达该突变基因,可制造出性能优异的t-PA突变蛋白,该工程技术称为______________。?
(2)若获得的t-PA突变基因如图所示,那么质粒pCLY11需用限制酶____________和____________切开,才能与t-PA突变基因高效连接。?
(3)将连接好的DNA分子导入大肠杆菌中,对大肠杆菌接种培养。在培养基中除了加入水、碳源、氮源等营养物质外,还应加入______________进行选择培养,以筛选成功导入pCLY11的细菌。配制好的培养基通常采用______________法进行灭菌。?
(4)对培养得到的菌落进行筛选,其中菌落为______________色的即为含t-PA突变基因重组DNA分子的大肠杆菌。得到的大肠杆菌能否分泌t-PA突变蛋白,可通过该细胞产物能否与______________特异性结合进行判定。?
【解析】(1)对天然的t-PA基因进行改造,以制造出性能优异的t-PA突变蛋白的技术称为蛋白质工程。
(2)如图所示,由于目的基因的两端的碱基序列分别是CCGG、CTAG
,所以应用XmaⅠ和BglⅡ两种限制酶切割,以便于把目的基因连接到质粒pCLY11上。
(3)由题图可知,将连接好的DNA分子导入大肠杆菌中,含t-PA突变基因重组DNA分子的细胞具有新霉素抗性,在培养基中应加入新霉素进行选择培养,以筛选成功导入pCLY11的细菌。配制好的培养基通常采用高压蒸汽灭菌法进行灭菌。
(4)由于限制酶切割质粒破坏了mlacZ基因,所以含t-PA突变基因重组DNA分子的细胞所长成的菌落呈白色。检查t-PA突变蛋白可用t-PA蛋白抗体,观察能否发生特异性结合进行判定。
答案:(1)蛋白质工程 (2)XmaⅠ BglⅡ
(3)新霉素 高压蒸汽灭菌
(4)白 t-PA蛋白抗体
(10分钟·30分)
1.(6分)在研究溶菌酶时,科研人员通过蛋白质工程来设计改变酶的构象,得到了多种突变酶,并测得50%的酶发生变性时的温度(Tm),部分结果见下表。有关叙述正确的是
( )
酶
半胱氨酸(Cys)的位置和数目
二硫键数目
Tm/℃
野生型T4溶菌酶
Cys51,Cys97
无
41.9
突变酶C
Cys21,Cys143
1
52.9
突变酶F
Cys3,Cys9,Cys21,Cys142,Cys164
2
65.5
注:Cys上角的数字表示半胱氨酸在肽链的位置。
A.突变酶的出现是基因突变的结果
B.突变酶F的最适温度为65.5
℃
C.溶菌酶热稳定性的提高可能与空间结构的改变有关
D.溶菌酶热稳定性的提高,是通过改变半胱氨酸的位置实现的
【解析】选C。由题意知,突变酶是通过蛋白质工程合成的,与基因突变无关,A错误;突变酶F
50%的酶发生变性时的温度是65.5
℃,B错误;改变溶菌酶的构象,酶变性的温度发生改变,即酶的稳定性改变,因此溶菌酶热稳定性的提高可能与空间结构的改变有关,C正确;溶菌酶热稳定性的提高,是通过增加二硫键的数量实现的,D错误。
2.(6分)(不定项)抗体酶又称催化抗体,是一类免疫球蛋白,其结构如图所示,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。下列有关叙述正确的是
( )
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】选A、B、C。抗体酶具有典型的酶的特性,即也具有高效性、专一性,A正确;以肿瘤细胞表面抗原的单克隆抗体与酶的交联物以及该酶可以催化的前体药物所组成的这一系统,可以在肿瘤组织局部催化无活性的前体药物,使之成为对肿瘤细胞具有高度杀伤活性的分子,从而在体内对肿瘤细胞发挥选择性杀伤作用,B正确;抗体酶还可有选择地使病毒外壳蛋白的肽键裂解,从而防止病毒与靶细胞结合,C正确;借助基因工程和蛋白质工程将催化基因引入特异抗体的抗原结合位点上,使其获得催化功能,D错误。
【实验·探究】
3.(18分)Hedgehog基因(H)广泛存在于无脊椎动物和脊椎动物中,在胚胎发育中起重要作用。我国科研工作者利用基因敲除和核酸分子杂交技术,研究了H基因在文昌鱼胚胎发育中的作用。
(1)研究者使用了两种TALE蛋白对文昌鱼的H基因进行敲除。TALE蛋白的结构是人工设计的,蛋白质的中央区能够结合H基因上特定的序列,F区则能在该序列处将DNA双链切开如图1所示。
①根据____________设计出其氨基酸序列,再根据氨基酸序列对应的密码子序列推测岀编码
TALE蛋白的DNA序列,人工合成DNA序列之后,再以其为模板进行转录生成
mRNA。?
②将两种mRNA用__________法导入文昌鱼的卵细胞中,然后滴加精液使卵受精,此受精卵发育成的个体为F0。?
③F0个体细胞内被两种TALE蛋白处理过的DNA,经____________催化重新连接后,H
基因很可能因发生碱基对的____________而丧失功能,基因丧失功能则被称为“敲除”。?
(2)提取F0胚胎细胞DNA,通过____________体外扩增H基因,用______________进行切割,电泳后用____________为探针进行DNA分子杂交,实验结果如图2所示。图中样品______________代表的F0个体中部分H基因已被敲除。研究者发现,在F0个体产生的所有配子中,通常只有部分配子的H基因被敲除,可能的原因是______________。?
【解题关键】准确分析图示并获取图示信息:
图1:被两种TALE蛋白处理过的DNA重新连接后,缺失了BsrGⅠ识别位点。图2:H基因中含有一个BsrGⅠ识别位点,能被BsrGⅠ切割形成两种不同长度的DNA片段,而H基因被敲除后会缺失BsrGⅠ识别位点,不能被BsrGⅠ识别和切割。样品1中有两种长度不同的DNA,说明其代表的个体中H基因没有被敲除,样品2中含有3种长度不同的DNA片段,说明其代表的F0个体中部分H基因已被敲除。
【解析】(1)①蛋白质工程的基本程序: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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因。因此人工设计TALE蛋白时,应该先根据TALE蛋白的功能设计出其氨基酸序列,再根据氨基酸序列对应的密码子(mRNA)序列推测出编码TALE蛋白的DNA序列,人工合成DNA序列之后,再以其为模板进行转录生成mRNA。
②将两种mRNA导入动物细胞(文昌鱼的卵细胞)最有效的方法是显微注射法。
③由图1可知,被两种TALE蛋白处理过的DNA经过DNA连接酶重新连接后,缺失了BsrGⅠ识别位点,即发生碱基对的缺失,H基因很有可能因此而丧失功能,基因丧失功能则被称为“敲除”。
(2)体外扩增目的基因可采用PCR技术;H基因中含有一个BsrGⅠ识别位点,因此可用BsrGⅠ酶切割H基因;探针是指放射性同位素(或荧光)标记的目的基因片段;样品1中有两种长度不同的DNA,说明其代表的个体中H基因没有被敲除,样品2中含有3种长度不同的DNA片段,说明其代表的F0个体中部分H基因已被敲除。在F0个体产生的所有配子中,通常只有部分配子的H基因被敲除,可能的原因是F0受精卵中成对的H基因中仅一个被敲除(F0胚胎中仅部分细胞的H基因被敲除、细胞中H基因未被敲除)。
答案:(1)①TALE蛋白的功能 ②显微注射
③DNA连接酶 缺失
(2)PCR技术 BsrGⅠ酶 放射性同位素(或荧光)标记的目的基因片段
2 F0受精卵中成对的H基因中仅一个被敲除(F0胚胎中仅部分细胞的H基因被敲除、细胞中H基因未被敲除)(共75张PPT)
第4节 蛋白质工程的原理和应用
必备知识·素养奠基
一、蛋白质工程的概念
1.基础:_______分子的结构规律及其与_________的关系。
2.操作方法:改造或合成_____。
3.结果:改造现有的_______或制造一种新的_______。
4.目的:满足人类生产和生活的需求。
5.与基因工程的关系:在_________的基础上,延伸出来的第二代基因工程。
蛋白质
生物功能
基因
蛋白质
蛋白质
基因工程
二、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质和不足:
(1)实质:将一种生物的基因转移到_______________,后者可以产生它本不能产
生的_______,进而表现出_________。
(2)基因工程存在的不足:原则上只能生产自然界_______的蛋白质。
2.蛋白质工程的崛起:
(1)理论和技术条件:___________、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
(2)天然蛋白质存在不足:天然蛋白质的___________符合特定物种生存的需要,
却不一定完全符合_______________的需要。
另一种生物体内
蛋白质
新的性状
已存在
分子生物学
结构和功能
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
赖氨酸合成中两种酶的氨基酸被替换
玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高5倍和2倍
三、蛋白质工程的基本原理
1.目标:根据人们对蛋白质_____的特定需求,对蛋白质的_____进行设计改造。
2.方法:改造或合成_____。
功能
结构
基因
3.基本思路:
填一填:基于蛋白质的合成过程和蛋白质工程的基本思路,完成下列填空。
①_______ ②_______ ③_____ ④_________
A推测应有的___________
B找到并改变_____或合成新的_____
C_____ D_____
蛋白质
多肽链
mRNA
目的基因
氨基酸序列
基因
基因
转录
翻译
【激疑】如果已经推测出多肽中的氨基酸序列,那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢?说明你的理由。
提示:不唯一,因为一个氨基酸是由一个或多个密码子决定,因此获得的基因总的碱基序列有多种。
四、蛋白质工程的应用
1.医药工业方面:
(1)速效胰岛素类似物:改变氨基酸序列,_____胰岛素的聚合。
(2)干扰素:一个半胱氨酸替换为丝氨酸,_____保存时间。
(3)单克隆抗体:将小鼠抗体上_________的区域“嫁接”到人的抗体上,降低诱
发免疫反应的强度。
2.其他工业方面:广泛用于_____________或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋
白酶。
抑制
延长
结合抗原
改进酶的性能
3.农业方面:
(1)改造某些_________________的酶,提高植物光合作用的效率。
(2)改造_____________的结构,增强防治病虫害的效果。
参与调控光合作用
微生物蛋白质
关键能力·素养形成
知识点 基因工程与蛋白质工程的比较
比较
项目
基因工程
蛋白质工程
原理
基因重组
中心法则的逆转
区
别
过
程
获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→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
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或生物产品
改造或制造人类所需要的蛋白质
比较
项目
基因工程
蛋白质工程
区
别
结
果
生产自然界中已经有的蛋白质
生产自然界中没有的蛋白质
联系
①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,对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质必须通过基因修饰或基因合成来实现,蛋白质工程离不开基因工程
②基因工程中所用的某些酶也需要通过蛋白质工程进行修饰或改造,以提高其功能
【特别提醒】
有关蛋白质工程的两点提醒
(1)改造对象是基因: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,而且改造过的蛋白质可以遗传下去。
(2)基因突变的新基因中含有不编码蛋白质的序列,而蛋白质工程中的新基因则没有。
【素养案例】
下列关于蛋白质工程和基因工程的比较,不合理的是
( )
A.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
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
【解题导引】解答本题思维流程如下:
【解析】选C。蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发,设计预期的蛋白质结构,进而设计出相应的基因,并借助基因工程实现,选项A正确。基因工程生产的自然界中已存在的蛋白质不能完全符合人类需要,因此催生了蛋白质工程,但由于基因决定蛋白质,因此蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成,选项B正确。干扰素作为一种表达产物,其化学本质为蛋白质,蛋白质不具有自我合成的能力,选项C错误。基因工程产生的变异即为基因重组,目的基因转入后便可以随宿主的基因一同表达并遗传给后代,蛋白质工程最终也要通过基因来改造,因此蛋白质工程产生的变异也可以遗传,选项D正确。
【素养·探究——母题追问】
(1)科学思维——演绎与推理
利用蛋白质工程将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,如何对现有的基因进行改造?
提示:改变决定干扰素分子上半胱氨酸的碱基序列,改变其碱基的种类使其控制合成的氨基酸为丝氨酸。
(2)科学思维——批判性思维
某同学认为只要知道了氨基酸的序列就可以利用蛋白质工程制造出各种特定功能的蛋白质,你认为他的说法科学吗?说明你的理由。
提示:不科学,蛋白质的功能除了与氨基酸的序列有关以外,蛋白质的功能还与其特定的空间结构有关。
【素养·迁移】
目前科学家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序列
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】选B。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→找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)→表达出相应的蛋白质,故正确顺序应该是②①③④。
【补偿训练】
蛋白质工程的实质是
( )
A.改造蛋白质
B.改造mRNA
C.改造或合成基因
D.改造氨基酸
【解析】选C。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制的,因此对蛋白质结构进行设计改造,最终通过改造或合成基因来实现。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
【概念·诊断】
1.随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的发展,蛋白质工程广泛应用于医药和其他工农业生产中,下列有关描述正确的是____________。?
①蛋白质工程对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的
②基因工程遵循中心法则,而蛋白质工程不遵循
③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,也需要利用基因工程的基本工具,需要经历基因工程的操作流程
④由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化,空间结构千差万别,蛋白质工程操作难度很大
⑤蛋白质工程不能改变蛋白质的活性
【解析】选③④。蛋白质工程对蛋白质的改造是通过直接改造相应的基因来实现的,①错误;基因工程和蛋白质工程都遵循中心法则,②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,也需要利用基因工程的基本工具,需要经历基因工程的操作流程,③正确;由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化,空间结构千差万别,蛋白质工程操作难度很大,④正确;蛋白质工程能改变蛋白质的活性,⑤错误。
2.蛋白质工程的基本流程是
( )
A.基因→表达→形成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
B.对蛋白质进行分子设计→改造蛋白质分子→行使功能
C.预期的蛋白质功能→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)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质
D.预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→合成相应mRNA
【解析】选C。蛋白质工程的基本流程: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。
3.科学家将β-干扰素基因进行定点突变后导入大肠杆菌表达,使β-干扰素第17位的半胱氨酸改变成丝氨酸,结果大大提高了β-干扰素的抗病性,并且提高了储存稳定性,该生物技术为
( )
A.基因工程
B.蛋白质工程
C.基因突变
D.细胞工程
【解析】选B。基因工程是通过对基因的操作,将符合人们需要的目的基因导入适宜的生物体,原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,蛋白质工程是指以蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有的蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产或生活需要。本题中合成的β-干扰素是基因定点突变后的表达产物,不是天然的,因此属于蛋白质工程。
4.下列关于基因工程药物与蛋白质工程药物的说法正确的是
( )
A.都与天然产物完全相同
B.都与天然产物完全不相同
C.基因工程药物与天然产物一般相同,蛋白质工程药物与天然产物可不相同
D.基因工程药物与天然产物不相同,蛋白质工程药物与天然产物完全相同
【解析】选C。基因工程合成的药物与天然产物一般相同,而蛋白质工程可以合成出自然界不存在的蛋白质,即与天然产物可不相同。
【思维·跃迁】
5.人体内的t-PA蛋白能高效降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓,然而,为心梗患者注射大剂量的基因工程t-PA会诱发颅内出血,其原因在于t-PA与血纤维蛋白结合的特异性不高。研究证实,通过某技术,将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸,可制造出性能优异的改良t-PA蛋白,进而显著降低出血副作用。下列相关叙述中错误的是
( )
A.该技术的关键工作是了解t-PA蛋白质分子结构
B.该技术生产改良t-PA蛋白的过程遵循中心法则
C.该技术是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的
D.该技术构建出了一种自然界中原先不存在的全新的基因
【解析】选C。将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸需要采用蛋白质工程技术,该技术的关键工作是了解t-PA蛋白质分子结构,A正确;该技术生产改良t-PA蛋白的过程遵循中心法则,B正确;该技术是在基因分子水平上通过改造基因来实现对蛋白质改造的,C错误;该技术中进行了基因修饰或基因合成,可以构建出一种自然界中原先不存在的全新的基因,D正确。
【拓展·探究】
6.阅读下列资料,结合所学知识回答问题:
资料一 多巴胺是一种重要的单胺类神经递质。大脑中多巴胺失调会导致精神疾病或神经性疾病,如多动症、精神分裂症、帕金森病等。
资料二 研究发现,随着年龄的增长,器质多巴胺能神经元(含有并释放多巴胺作为神经递质的神经元)呈现退行性改变,当80%的此类神经元死亡时,就可能出现帕金森病症状。
资料三 北京大学李龙团队开发出新型可遗传编码的乙酰胆碱和多巴胺荧光探针,该探针表达后形成荧光蛋白与神经递质受体的融合体,当相应的神经递质与上述融合体结合后发出荧光。
(1)在神经系统中,多巴胺通常以__________方式由__________________释放后与相应的受体结合。?
(2)有人提出一种治疗帕金森病的思路:利用从囊胚中____________(部位)获得的细胞,对其进行诱导分化后,?
用以补充死亡的黑质多巴胺能神经元,这属于一种__________工程的应用。?
(3)对资料三中所用的技术,最准确的说法是________________。?
A.基因工程
B.蛋白质工程
C.细胞工程
D.胚胎工程
该技术的基本途径是____________________________________。?
【解析】(1)多巴胺作为神经递质发挥作用的结构是突触(间隙),通常以胞吐方式由突触前膜释放后与突触后膜上相应的受体结合。
(2)聚集在胚胎一端,个体较大的细胞,称为内细胞团,将来发育成胎儿的各种组织,故可利用从囊胚中内细胞团获得的细胞,对其进行诱导分化后,用以补充死亡的黑质多巴胺能神经元,根据题意,这里应该是利用了胚胎工程。
(3)题中荧光蛋白与神经递质受体的融合体,是对蛋白质结构进行设计得到的,这属于蛋白质工程,故选B。其流程为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,最后采用一般基因工程手段使目的基因导入受体细胞并表达→获得所需的蛋白质。
答案:(1)胞吐 突触前膜
(2)内细胞团 胚胎
(3)B 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
课时素养评价
十五 蛋白质工程的原理和应用
【基础达标】
(20分钟·70分)
一、选择题(共7小题,每小题5分,共35分)
1.下列关于蛋白质工程的说法正确的是
( )
A.蛋白质工程以基因工程为基础
B.蛋白质工程就是酶工程的延伸
C.蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造
D.蛋白质工程只能生产天然的蛋白质
【解析】选A。基因指导蛋白质的合成,蛋白质工程以基因工程为基础,A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;而酶工程是利用酶的催化功能,在一定条件下催化化学反应,生产人类需要的产品或服务于其他目的的一门应用技术,B错误;蛋白质工程的实质是改造基因,C错误;蛋白质工程可以通过基因合成、制造自然界不曾存在过的新型蛋白质分子,D错误。
2.下列哪项不是蛋白质工程的研究内容
( )
A.分析蛋白质分子的三维结构
B.分析氨基酸的分子结构
C.对现有蛋白质进行有目的的改造
D.按照人的意愿生产自然界没有的新的蛋白质
【解析】选B。蛋白质工程是根据预期蛋白质功能设计预期的蛋白质分子的三维结构,A不符合题意;蛋白质工程分析、设计蛋白质分子,不分析氨基酸的分子结构,B符合题意;蛋白质工程通过修改基因或创造合成新基因来改变对蛋白质进行有目的改造,C不符合题意;按照人的意愿生产自然界没有的新的蛋白质属于蛋白质工程,D不符合题意。?
3.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.改造蛋白质是通过改造基因结构而实现的
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
【解析】选D。蛋白质工程可以定向改变蛋白质分子的结构,A正确;改造蛋白质是通过改造基因结构而实现的,B正确;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,C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,D错误。
4.从某海洋动物中获得一基因,其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1
。目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物,首先要做的是( )
A.合成编码目的肽的DNA片段
B.构建含目的肽DNA片段的表达载体
C.依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽
D.筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽
【解析】选C。该工程属于蛋白质工程,已经获得该目的基因片段,不需要合成编码目的肽的DNA片段;需要构建含目的肽的DNA片段的表达载体,但这不是第一步;蛋白质工程的第一步是根据蛋白质的功能,设计P1氨基酸序列,从而推出其基因序列;该基因表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1,目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物,而目的多肽是抗菌性强但溶血性弱,所以必须对其改造,保持其抗菌性强,抑制其溶血性。
5.下列有关蛋白质工程的叙述,错误的是
( )
A.收集大量的蛋白质分子结构的信息,以便分析结构与功能之间的关系
B.蛋白质工程的原理是从预期的蛋白质功能出发最终通过改造基因或合成基因获得所需蛋白质
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的体现
D.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
【解析】选D。蛋白质结构的多样性决定蛋白质功能的多样性,在实施蛋白质工程的准备阶段,只有收集到大量的蛋白质结构的信息,才能从其中寻求到某一结构跟预期的蛋白质功能之间的关系,从而据其构建出某一段氨基酸序列,此氨基酸序列成为构建脱氧核苷酸序列(即基因)的依据,通过改造基因或合成基因获得所需蛋白质,A、B项正确。T4溶菌酶是蛋白质,对其改造属于蛋白质工程,C项正确。在蛋白质工程中,基因修饰后可以表达出改造的蛋白质,基因合成后可以制造出新的蛋白质,D错误。
6.下列关于蛋白质工程实施的叙述,不正确的是
( )
A.可以根据人类的需要,设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质
B.可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域
C.可以通过基因工程间接地改造蛋白质中特定的一个或几个氨基酸
D.可以通过人工化学合成的方法直接对蛋白质的氨基酸进行改造
【解析】选D。蛋白质工程是在原有蛋白质的基础上,根据人们的需求对蛋白质分子作出的定向的改造,可以设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质,A正确;蛋白质工程可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域,B正确;蛋白质工程较小的改造是改造蛋白质分子中某些活性部位的1个或几个氨基酸残基通过定点诱变技术,以获得人类所需要的目的蛋白质,C正确;蛋白质工程不能通过人工化学合成的方法直接对蛋白质的氨基酸进行改造,D错误。
7.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④⑤
B.代表中心法则内容的是①②③
C.①代表转录,②③代表翻译,④代表分子设计,⑤代表DNA合成
D.蛋白质工程的目的是对基因的结构进行分子设计,通过基因合成或改造而实现
【解析】选D。蛋白质工程操作思路是中心法则的逆过程,即图中的④⑤,A正确;中心法则是指遗传信息的表达过程,即图中①代表转录,②③代表翻译,B正确;①代表转录,④代表分子设计,⑤代表DNA合成,C正确;蛋白质工程的目的是对蛋白质的结构进行分子设计,通过基因合成或基因修饰实现,D错误。
二、非选择题(共2小题,共35分)
8.(17分)赖氨酸是人体八大必需氨基酸之一,能促进人体发育、增强免疫功能,并有提高中枢神经组织功能的作用。某农科所科技人员欲通过将玉米某种蛋白酶改造成“M酶”,从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量,以期待培育出高赖氨酸玉米新品种。请回答下列问题:
(1)科技人员先从“提升玉米种子中赖氨酸含量”这一功能出发,预期构建出____________的结构,再推测出相对应目的基因的______________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______________技术在体外将其大量扩增,此过程需要一种特殊的酶是____________________________。?
(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。科技人员将“M酶”基因导入玉米细胞中需要借助___________的运输。?
(4)依据__________________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,科技人员需要通过_______,从个体水平加以鉴定。?
【解析】(1)根据题干信息已知,某农科所科技人员欲通过将玉米某种蛋白酶改造成“M酶”,则应该利用蛋白质工程,先预期构建出“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,过程中需要耐高温聚合酶的催化。
(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;将“M酶”基因(目的基因)导入玉米细胞中需要借助(基因表达)载体的运输。
(4)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。科技人员需要通过测定玉米种子中赖氨酸的含量,从个体水平加以鉴定,以确保育种成功。
答案:(1)“M酶” 脱氧核苷酸
(2)PCR 热稳定DNA聚合酶
(3)玉米细胞的染色体DNA中 (基因表达)载体
(4)植物细胞具有全能性 测定玉米种子中赖氨酸的含量
9.(18分)人体内的t-PA蛋白能高效降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓,是心梗和脑血栓的急救药。
(1)为心梗患者注射大剂量的基因工程t-PA会诱发颅内出血。研究证实,将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸,能显著降低出血副作用。据此,先对天然的t-PA基因进行改造,再采取传统的基因工程方法表达该突变基因,可制造出性能优异的t-PA突变蛋白,该工程技术称为______________。?
(2)若获得的t-PA突变基因如图所示,那么质粒pCLY11需用限制酶____________和____________切开,才能与t-PA突变基因高效连接。
?
(3)将连接好的DNA分子导入大肠杆菌中,对大肠杆菌接种培养。在培养基中除了加入水、碳源、氮源等营养物质外,还应加入______________进行选择培养,以筛选成功导入pCLY11的细菌。配制好的培养基通常采用______________法进行灭菌。?
(4)对培养得到的菌落进行筛选,其中菌落为______________色的即为含t-PA突变基因重组DNA分子的大肠杆菌。得到的大肠杆菌能否分泌t-PA突变蛋白,可通过该细胞产物能否与______________特异性结合进行判定。?
【解析】(1)对天然的t-PA基因进行改造,以制造出性能优异的t-PA突变蛋白的技术称为蛋白质工程。
(2)如图所示,由于目的基因的两端的碱基序列分别是CCGG、CTAG
,所以应用XmaⅠ和BglⅡ两种限制酶切割,以便于把目的基因连接到质粒pCLY11上。
(3)由题图可知,将连接好的DNA分子导入大肠杆菌中,含t-PA突变基因重组DNA分子的细胞具有新霉素抗性,在培养基中应加入新霉素进行选择培养,以筛选成功导入pCLY11的细菌。配制好的培养基通常采用高压蒸汽灭菌法进行灭菌。
(4)由于限制酶切割质粒破坏了mlacZ基因,所以含t-PA突变基因重组DNA分子的细胞所长成的菌落呈白色。检查t-PA突变蛋白可用t-PA蛋白抗体,观察能否发生特异性结合进行判定。
答案:(1)蛋白质工程 (2)XmaⅠ BglⅡ
(3)新霉素 高压蒸汽灭菌
(4)白 t-PA蛋白抗体
【能力提升】(10分钟·30分)
1.(6分)在研究溶菌酶时,科研人员通过蛋白质工程来设计改变酶的构象,得到了多种突变酶,并测得50%的酶发生变性时的温度(Tm),部分结果见下表。有关叙述正确的是
( )
酶
半胱氨酸
(Cys)的位置和数目
二硫键
数目
Tm/℃
野生型T4
溶菌酶
Cys51,Cys97
无
41.9
突变酶C
Cys21,Cys143
1
52.9
突变酶F
Cys3,Cys9,
Cys21,Cys142,
Cys164
2
65.5
注:Cys上角的数字表示半胱氨酸在肽链的位置。
A.突变酶的出现是基因突变的结果
B.突变酶F的最适温度为65.5
℃
C.溶菌酶热稳定性的提高可能与空间结构的改变有关
D.溶菌酶热稳定性的提高,是通过改变半胱氨酸的位置实现的
【解析】选C。由题意知,突变酶是通过蛋白质工程合成的,与基因突变无关,A错误;突变酶F
50%的酶发生变性时的温度是65.5
℃,B错误;改变溶菌酶的构象,酶变性的温度发生改变,即酶的稳定性改变,因此溶菌酶热稳定性的提高可能与空间结构的改变有关,C正确;溶菌酶热稳定性的提高,是通过增加二硫键的数量实现的,D错误。
2.(6分)(不定项)抗体酶又称催化抗体,是一类免疫球蛋白,其结构如图所示,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。下列有关叙述正确的是
( )
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】选A、B、C。抗体酶具有典型的酶的特性,即也具有高效性、专一性,A正确;以肿瘤细胞表面抗原的单克隆抗体与酶的交联物以及该酶可以催化的前体药物所组成的这一系统,可以在肿瘤组织局部催化无活性的前体药物,使之成为对肿瘤细胞具有高度杀伤活性的分子,从而在体内对肿瘤细胞发挥选择性杀伤作用,B正确;抗体酶还可有选择地使病毒外壳蛋白的肽键裂解,从而防止病毒与靶细胞结合,C正确;借助基因工程和蛋白质工程将催化基因引入特异抗体的抗原结合位点上,使其获得催化功能,D错误。
【实验·探究】
3.(18分)Hedgehog基因(H)广泛存在于无脊椎动物和脊椎动物中,在胚胎发育中起重要作用。我国科研工作者利用基因敲除和核酸分子杂交技术,研究了H基因在文昌鱼胚胎发育中的作用。
(1)研究者使用了两种TALE蛋白对文昌鱼的H基因进行敲除。TALE蛋白的结构是人工设计的,蛋白质的中央区能够结合H基因上特定的序列,F区则能在该序列处将DNA双链切开如图1所示。
①根据____________设计出其氨基酸序列,再根据氨基酸序列对应的密码子序列推测岀编码
TALE蛋白的DNA序列,人工合成DNA序列之后,再以其为模板进行转录生成
mRNA。?
②将两种mRNA用__________法导入文昌鱼的卵细胞中,然后滴加精液使卵受精,此受精卵发育成的个体为F0。?
③F0个体细胞内被两种TALE蛋白处理过的DNA,经____________催化重新连接后,H
基因很可能因发生碱基对的____________而丧失功能,基因丧失功能则被称为“敲除”。?
?
(2)提取F0胚胎细胞DNA,通过____________体外扩增H基因,用______________进行切割,电泳后用____________为探针进行DNA分子杂交,实验结果如图2所示。图中样品______________代表的F0个体中部分H基因已被敲除。研究者发现,在F0个体产生的所有配子中,通常只有部分配子的H基因被敲除,可能的原因是______________。
【解题关键】准确分析图示并获取图示信息:
图1:被两种TALE蛋白处理过的DNA重新连接后,缺失了BsrGⅠ识别位点。图2:H基因中含有一个BsrGⅠ识别位点,能被BsrGⅠ切割形成两种不同长度的DNA片段,而H基因被敲除后会缺失BsrGⅠ识别位点,不能被BsrGⅠ识别和切割。样品1中有两种长度不同的DNA,说明其代表的个体中H基因没有被敲除,样品2中含有3种长度不同的DNA片段,说明其代表的F0个体中部分H基因已被敲除。
【解析】(1)①蛋白质工程的基本程序: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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因。因此人工设计TALE蛋白时,应该先根据TALE蛋白的功能设计出其氨基酸序列,再根据氨基酸序列对应的密码子(mRNA)序列推测出编码TALE蛋白的DNA序列,人工合成DNA序列之后,再以其为模板进行转录生成mRNA。
②将两种mRNA导入动物细胞(文昌鱼的卵细胞)最有效的方法是显微注射法。
③由图1可知,被两种TALE蛋白处理过的DNA经过DNA连接酶重新连接后,缺失了BsrGⅠ识别位点,即发生碱基对的缺失,H基因很有可能因此而丧失功能,基因丧失功能则被称为“敲除”。
(2)体外扩增目的基因可采用PCR技术;H基因中含有一个BsrGⅠ识别位点,因此可用BsrGⅠ酶切割H基因;探针是指放射性同位素(或荧光)标记的目的基因片段;样品1中有两种长度不同的DNA,说明其代表的个体中H基因没有被敲除,样品2中含有3种长度不同的DNA片段,说明其代表的F0个体中部分H基因已被敲除。在F0个体产生的所有配子中,通常只有部分配子的H基因被敲除,可能的原因是F0受精卵中成对的H基因中仅一个被敲除(F0胚胎中仅部分细胞的H基因被敲除、细胞中H基因未被敲除)。
答案:(1)①TALE蛋白的功能 ②显微注射
③DNA连接酶 缺失
(2)PCR技术 BsrGⅠ酶 放射性同位素(或荧光)标记的目的基因片段
2 F0受精卵中成对的H基因中仅一个被敲除(F0胚胎中仅部分细胞的H基因被敲除、细胞中H基因未被敲除)
