資源簡介

3.4蛋白質工程的原理和應用
學習目標
1、舉例說出基因工程在農牧業、醫藥衛生和食品工業等方面的應用。
2、認同基因工程的應用價值。
3、關注基因工程的進展。
基礎梳理
是指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過_________或基因合成對現有蛋白質進行改造，或制造一種______________，以滿足人類的生產和生活的需求。
理論和技術條件：_________________、__________________以及____________________技術的迅猛發展。
（一）蛋白質工程崛起的緣由
基因工程的實質：將一種生物的_______________轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的___________________，進而表現出______________________。
基因工程的不足：基因工程在原則上只能產生自然界中____________________的蛋白質。
天然蛋白質的不足：天然蛋白質的結構和功能符合____________生存的需要，卻不一定完全符合_____________________的需要。
實例：玉米中賴氨酸的含量比較低，賴氨酸合成中兩種酶的____________________被替換，就可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸分別提高5倍和2倍。
（二）蛋白質工程的基本原理
天然蛋白質合成的過程是按照_______________進行的：基因→表達（________________）→形成具有特定__________________的多肽鏈→形成具有高級結構的_________________→行使生物功能。
預期蛋白質功能→設計預期的____________________→推測應有的__________________序列→找到相對應的____________________序列（基因）或合成新的_________________→獲得所需要的蛋白質。
（三）蛋白質工程的應用
研發速效胰島素類似物：科學家通過改造________________使B鏈28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了_________________________，研發出速效胰島素類似物。
提高干擾素的保存期：將干擾素分子上的一個_____________變成__________________，提高了干擾素的保存時間。
隨堂訓練
1.下列有關蛋白質工程的敘述，錯誤的是( )
A.是對蛋白質進行直接改造，無需構建基因表達載體
B.可制造出新的蛋白質，滿足人類的生產和生活的需求
C.制成的電子元件，具有體積小、耗電少和效率高的特點
D.可提高干擾素的穩定性和賴氨酸合成酶的專一活性
2.β葡聚糖酶是一種在酒類、飼料等行業中具有重要用途的工業用酶。為提高β葡聚糖酶的催化活性，科學家將其第 20位、117 位和165位賴氨酸突變為絲氨酸。下列有關敘述錯誤的是( )
A.對 β葡聚糖酶結構的改造屬于蛋白質工程
B.蛋白質工程是在蛋白質分子水平上進行氨基酸的增減、替換等操作
C.改造后的β葡聚糖酶空間結構發生了改變
D.可通過 DNA分子測序法檢測突變是否成功
3.蛋白質工程將蛋白質與酶的研究推進到嶄新的時代,為蛋白質和酶在工業、農業和醫藥方面的應用開拓了誘人的前景。下列有關蛋白質工程的敘述錯誤的是( )
A.蛋白質工程的崛起源于天然蛋白質不一定符合人類需求
B.蛋白質工程目標的實現必須通過改造或合成基因來完成
C.蛋白質工程難度大主要是由于多數氨基酸由多種密碼子決定
D.蛋白質工程能生產出自然界中不存在的新型蛋白質分子
4.科學家將葡萄糖異構酶中的第138位甘氨酸用脯氨酸替代，結果它的最適溫度提高了10~12℃。據分析，脯氨酸替代甘氨酸后，由于引入了一個吡咯環側鏈，剛好填充了在第138位甘氨酸附近的空洞，使蛋白質空間結構更具剛性，從而提高了酶的熱穩定性。下列說法正確的是( )
A.蛋白質工程和基因工程的根本區別是操作對象的差異
B.對葡萄糖異構酶的改造需要進行蛋白質結構的設計
C.蛋白質工程操作過程中，不需要酶和載體作為工具
D.經蛋白質工程改造后的葡萄糖異構酶熱穩定性提高這一性狀不可遺傳
5.玉米中賴氨酸含量比較低，形成機理如圖所示，將天冬氨酸激酶（AK）第352位的蘇氨酸變成異亮氨酸和將二氫吡啶二羧酸合成酶（DHDPS）第104位的天冬氨酸變成異亮氨酸，可以使玉米葉片和種子中游離的賴氨酸含量分別增加5倍和2倍。已知改造后的AK和DHDPS的活性均未發生明顯變化，下列有關分析錯誤的是( )
A.玉米中賴氨酸含量比較低是負反饋調節的結果
B.分析上述材料可知，賴氨酸的高產可借助蛋白質工程實現
C.改造后的AK和DHDPS的空間結構發生改變
D.改造后的AK和DHDPS與賴氨酸的結合能力增強
6.新冠病毒是一種RNA病毒，極易產生變異。其表面刺突蛋白（S蛋白）的受體結合域（RBD）可與人體細胞表面的ACE2受體結合而感染細胞。科學家設計了一種自然界中不存在的蛋白質LCB1，可與S蛋白的RBD更為緊密的結合，以干擾新冠病毒感染。下列有關說法錯誤的是( )
A.LCB1結構的設計可參考S蛋白的RBD和人體細胞ACE2受體的結構進行
B.LCB1的生產可通過直接改造人體細胞內的某些基因來實現
C.LCB1的基本組成單位中可能含有自然界不存在的氨基酸
D.LCB1的設計和合成也遵循中心法則
答案
1.答案：A
解析：A、蛋白質工程實質是對相關基因進行直接改造,然后利用基因工程將目的基因導入受體細胞,并在受體細胞內表達,目的基因
導入受體細胞之前需先構建基因表達載體，A錯誤;
B、蛋白質工程可制造出新的蛋白質,滿足人類的生產和生活的需求, B正確;
C、用蛋白質工程方法制成的電子元件,具有體積小,耗電少和效率高的特點, C正確;
D、蛋白質工程中通過改造相關基因可提高干擾素的穩定性和賴氨酸合成酶的專- 活性, D正確。
故選A。
2.答案：B
解析： A.若要改變蛋白質的功能，對蛋白質的氨基酸序列進行改造，這屬于蛋白質工程，因此對β葡聚糖酶結構的改造屬于蛋白質工程，A正確:
B、蛋白質工程是在基因分子水平上進行基因修飾或基因合成等操作，B錯誤;
C、根據題干“為提高葡聚糖酶的催化活性,科學家將其第20位、117位和165位賴氨酸突變為絲 氨酸”可知，氨基酸的列發生改變,因此改造后的葡聚糖酶空間結構也發生了改變, C正確;
D、蛋白質工程被稱為第二代基因工程，因此可通過DNA分子測序法檢測突變是否成功, D正確。
故選B。
3.答案：C
解析：天然蛋白質是生物在長期進化過程中形成的，符合特定物種生存的需要，但不一定完全符合人類生產、生活的需求，A正確;基因指導蛋白質的合成，蛋白質工程實現改造蛋白質這一目標必須通過改造或合成基因來完成，B正確；蛋白質工程難度大主要是因為蛋白質發揮功能必須依賴于正確的高級結構，而這種高級結構往往十分復雜，C錯誤；蛋白質工程通過改造基因能生產出自然界中不曾存在的新型蛋白質分子，D正確。
4.答案：B
解析：蛋白質工程和基因工程都要對基因進行操作，其操作對象相同，A錯誤；對葡萄糖異構酶的改造屬于蛋白質工程，需要以基因工程為基礎，B正確；蛋白質工程要通過基因工程實施，需要酶和載體作為工具，C錯誤；蛋白質工程由于是對基因進行的改造，遺傳物質已經改變，屬于可以遺傳的變異，D錯誤。
5.答案：D
解析：本題主要考查蛋白質工程的應用。分析題意和題圖可知，由于存在負反饋調節，玉米中賴氨酸含量比較低，A正確；由題干“將天冬氨酸激酶（AK）第352位的蘇氨酸變成異亮氨酸和將二氫吡啶二羧酸合成酶（DHDPS）第104位的天冬氨酸變成異亮氨酸，可以使玉米葉片和種子中游離的賴氨酸含量分別增加5倍和2倍”可知，賴氨酸的高產可借助蛋白質工程實現，而且改造后的AK和DHDPS的空間結構發生改變，但是改造后的AK和DHDPS與賴氨酸的結合能力減弱，負反饋調節減弱，故B、C正確，D錯誤。
6.答案：C
解析：分析題干可知，人工合成的LCB1可以與S蛋白的RBD結合，故LCB1可以依據S蛋白的RBD結構進行設計，同時S蛋白的RBD也可與人體細胞ACE2受體結合，所以LCB1結構的設計也可參考人體細胞ACE2受體的結構，A正確；LCB1的生產屬于蛋白質工程，可通過直接改造人體細胞內的某些基因來實現，B正確；LCB1是人工設計并合成的一種自然界不存在的蛋白質，但合成蛋白質的氨基酸都是自然界存在的氨基酸，C錯誤；LCB1的設計和合成屬于蛋白質工程，此過程遵循中心法則，D正確。

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