2024-2025學(xué)年高二生物人教版選擇性必修3同步練習(xí) 第3章 第4節(jié) 蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用課標內(nèi)容(1)說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。(2)概述蛋白質(zhì)工程的基本原理。(3)舉例說明依據(jù)人類需要對原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行基因改造、生產(chǎn)目標蛋白的過程。知識點1蛋白質(zhì)工程的概念及基本原理1.概念2.蛋白質(zhì)工程崛起的緣由(1)基因工程的實質(zhì)：將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進而表現(xiàn)出新的性狀。(2)基因工程的不足：基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。(3)天然蛋白質(zhì)的不足：天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。3.蛋白質(zhì)工程的基本原理知識點2蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.在醫(yī)藥工業(yè)方面的應(yīng)用(1)研發(fā)速效胰島素類似物：科學(xué)家已通過改造胰島素基因使B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與B29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了胰島素的聚合，由此研發(fā)出速效胰島素類似物。(2)提高干擾素的保存期：將干擾素分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，在一定條件下，可以延長保存時間。(3)改造抗體：將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域“嫁接”到人的抗體上，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強度就會降低很多。2.在其他工業(yè)和農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用(1)改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶：利用蛋白質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的突變體已有上百種。(2)改造某些重要的酶：利用蛋白質(zhì)工程嘗試改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產(chǎn)量。(1)蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進行操作，定向改變分子的結(jié)構(gòu)。(×)提示：蛋白質(zhì)工程中直接改造的是基因，不是蛋白質(zhì)。(2)蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生自然界中不存在的新型蛋白質(zhì)分子。(√)(3)實施蛋白質(zhì)工程的前提條件是了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。(√)(4)基因工程遵循中心法則，而蛋白質(zhì)工程不遵循。(×)提示：蛋白質(zhì)工程的基本思路是按照中心法則相反的過程進行的。(5)根據(jù)某多肽鏈的一段氨基酸序列，可以很容易地確定控制該肽鏈合成的基因的脫氧核苷酸序列。(×)提示：由于密碼子的簡并，根據(jù)某多肽鏈的一段氨基酸序列，不能確定基因的脫氧核苷酸序列。(6)蛋白質(zhì)工程是一項難度很大的工程，主要是因為人們對蛋白質(zhì)復(fù)雜的高級結(jié)構(gòu)沒有完全認識。(√)蛋白質(zhì)工程【情境探疑】1.閱讀教材蛋白質(zhì)工程的基本思路，回答下列問題：(1)如何由蛋白質(zhì)氨基酸序列找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列？提示：先根據(jù)氨基酸與密碼子的對應(yīng)關(guān)系找到mRNA中相對應(yīng)的核糖核苷酸序列，再根據(jù)mRNA與DNA的堿基互補配對關(guān)系找到基因中相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列。(2)對天然蛋白質(zhì)進行改造，你認為應(yīng)該直接對蛋白質(zhì)分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？原因是什么？提示：應(yīng)該通過對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)的改造。主要原因是①蛋白質(zhì)具有十分復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，基因的結(jié)構(gòu)相對簡單，容易改造；②改造后的基因可以遺傳給下一代，被改造的蛋白質(zhì)無法遺傳。(3)蛋白質(zhì)工程和基因工程的操作對象以及得到的蛋白質(zhì)相同嗎？提示：①操作對象相同：蛋白質(zhì)工程和基因工程的操作對象都為基因。②得到的蛋白質(zhì)不同：蛋白質(zhì)工程可以得到自然界沒有的新的蛋白質(zhì)；基因工程得到的是自然界原有的蛋白質(zhì)。2.利用蛋白質(zhì)工程可以提高玉米賴氨酸含量，改造途徑如下：結(jié)果：改造后玉米葉片和種子中游離賴氨酸含量分別提高5倍和2倍。(1)結(jié)合上述資料，可以通過何種途徑提高玉米中的賴氨酸含量？提示：改變賴氨酸合成途徑中關(guān)鍵酶的活性，來提高賴氨酸的含量。(2)為什么改變一個氨基酸就可以改變蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性甚至某種蛋白酶的活性？提示：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與其氨基酸組成有關(guān)，個別氨基酸的改變就可能會導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的改變，從而影響到其性質(zhì)和功能。1.蛋白質(zhì)工程與基因工程的區(qū)別和聯(lián)系2.“二看法”判斷基因工程和蛋白質(zhì)工程【典例應(yīng)用】例1干擾素在體外保存非常困難。如果將其分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，那么可以延長保存時間。若利用蛋白質(zhì)工程的原理和方法生產(chǎn)新型干擾素，下列思路最可行的是()A.用DNA合成儀合成新的干擾素基因B.利用基因定點突變技術(shù)改造干擾素基因C.直接改造mRNA，進行密碼子的替換D.生產(chǎn)正常干擾素，再進行氨基酸的替換答案B解析由題意可知，干擾素分子的改造只需要一個氨基酸的替換，不必合成新基因，所以改造基因比較容易，A不符合題意，B符合題意；若直接改造mRNA，可獲得改造后的蛋白質(zhì)，但不能遺傳下去，C不符合題意；干擾素屬于糖蛋白，若直接對其進行氨基酸的替換，可能會導(dǎo)致干擾素的結(jié)構(gòu)和功能喪失，且改造后的性狀不能遺傳，D不符合題意。例2(2023·山東濟寧高二檢測)纖維素酶廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品發(fā)酵、造紙、廢水處理等領(lǐng)域。研究人員利用蛋白質(zhì)工程將細菌纖維素酶的第137、179、194位相應(yīng)氨基酸替換為賴氨酸后，纖維素酶的熱穩(wěn)定性得到了提高。下列有關(guān)該技術(shù)的說法錯誤的是()A.經(jīng)改造后的纖維素酶熱穩(wěn)定性提高這一性狀可遺傳B.對纖維素酶的改造是通過直接改造mRNA實現(xiàn)的C.改造纖維素酶也需要構(gòu)建基因表達載體D.改造后的纖維素酶和原纖維素酶不是同一種酶答案B解析蛋白質(zhì)工程是對基因進行修飾改造或重新合成，然后使改造或合成的基因進行表達，改造后的性狀是可遺傳的，A正確，B錯誤；修飾改造或重新合成的基因的表達需要構(gòu)建基因表達載體，C正確；蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)的是自然界中不存在的蛋白質(zhì)，所以改造后的纖維素酶和原纖維素酶不是同一種酶，D正確。例3下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請據(jù)圖回答下列問題。(1)代表蛋白質(zhì)工程操作思路的過程是____________________________________，代表中心法則內(nèi)容的是____________。(填圖中序號)(2)寫出圖中各序號代表的生物學(xué)過程的名稱或內(nèi)容：①__________，②__________，③__________，④________，⑤________。(3)蛋白質(zhì)工程的目的是____________________________________________________________________________________________________________________，通過________________實現(xiàn)。(4)從圖中可以看出蛋白質(zhì)工程的基本途徑與中心法則是________的。答案(1)④⑤①②(2)轉(zhuǎn)錄翻譯(多肽鏈的)折疊(蛋白質(zhì)的)分子設(shè)計DNA合成(3)獲得滿足人類生產(chǎn)和生活需求的蛋白質(zhì)基因改造或基因合成(4)相反解析(1)題圖中④⑤過程代表蛋白質(zhì)工程的操作思路；①②過程代表中心法則內(nèi)容。(2)題圖中①代表轉(zhuǎn)錄過程，②代表翻譯過程，③代表多肽鏈的折疊過程，④代表蛋白質(zhì)的分子設(shè)計過程，⑤代表DNA合成過程。(3)蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。可見，蛋白質(zhì)工程的目的是獲得滿足人類生產(chǎn)和生活需求的蛋白質(zhì)。(4)蛋白質(zhì)工程是根據(jù)具有相應(yīng)功能的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測應(yīng)有的氨基酸序列，進而推測出脫氧核苷酸序列，因此其與中心法則的基本途徑相反。思維導(dǎo)圖晨讀必背1.基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。2.蛋白質(zhì)工程并不是直接改造蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，而是通過基因操作來實現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)的改造。3.蛋白質(zhì)工程的基本思路：從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)。4.蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。隨堂檢測1.(2023·貴州畢節(jié)階段練習(xí))合成天然不存在的蛋白質(zhì)最終需要改造的核心是()A.基因結(jié)構(gòu) B.RNA結(jié)構(gòu)C.氨基酸序列 D.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)答案A解析合成自然界不存在的蛋白質(zhì)屬于蛋白質(zhì)工程，應(yīng)根據(jù)蛋白質(zhì)功能，從設(shè)計蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)入手，然后通過改造或合成基因，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進行改造，或制造出一種新的蛋白質(zhì)，因此合成天然不存在的蛋白質(zhì)最終需要改造的核心是基因結(jié)構(gòu)，A正確。2.(2023·北京豐臺期中)蛋白質(zhì)工程是在深入了解蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上進行的，它最終要達到的目的是()A.分析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)B.研究蛋白質(zhì)的氨基酸組成C.獲取編碼蛋白質(zhì)的基因序列信息D.改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)答案D解析分析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)工程的準備工作，與題意不符，A錯誤；研究蛋白質(zhì)的氨基酸組成是為了設(shè)計或改造相關(guān)基因，這不是蛋白質(zhì)工程的最終目的，B錯誤；獲取編碼蛋白質(zhì)的基因序列信息可以實現(xiàn)對基因的修飾或合成，但不是蛋白質(zhì)工程要達到的最終目的，C錯誤；改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)，從而滿足人類的需求，這是蛋白質(zhì)工程的最終目的，D正確。3.(2023·安徽淮南高二檢測)下圖所示是利用蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)保存時間更久的干擾素(一種糖蛋白)的核心流程，下列敘述正確的是()eq\x(\a\al(預(yù)期干擾,素功能))eq\o(→,\s\up7(①))eq\x(\a\al(設(shè)計預(yù)期的干,擾素的結(jié)構(gòu)))eq\o(→,\s\up7(②))eq\x(\a\al(推測應(yīng)有的,氨基酸序列))eq\o(→,\s\up7(③))eq\x(\a\al(找到對應(yīng)的脫,氧核苷酸序列))A.該過程得到的干擾素與自然界中的干擾素相同B.圖中③過程得到的脫氧核苷酸序列往往是唯一的C.蛋白質(zhì)工程的基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系D.蛋白質(zhì)工程是通過對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行修飾或合成來操作的答案C解析題圖所示是利用蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)保存時間更久的干擾素，該過程得到的干擾素是經(jīng)過改造的，與自然界中的干擾素不相同，A錯誤；由于密碼子的簡并，圖中③過程得到的脫氧核苷酸序列往往不是唯一的，B錯誤；結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，因此，蛋白質(zhì)工程的基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系，C正確；蛋白質(zhì)工程是通過對基因進行修飾或合成來操作的，D錯誤。4.(多選)已知生物體內(nèi)有一種X蛋白，如果將X蛋白的某一個氨基酸替換，改變后的蛋白質(zhì)(X1蛋白)不但保留了X蛋白的功能，而且具有了酶的催化活性。下列說法錯誤的是()A.蛋白質(zhì)工程和基因工程的根本區(qū)別是操作對象的差異B.可以通過對X蛋白基因進行改造或人工合成獲得X1蛋白基因C.蛋白質(zhì)工程操作過程中，不需要酶和載體作為工具D.細胞內(nèi)合成X1蛋白與X蛋白的過程中，遺傳信息的流向是相反的答案ACD解析蛋白質(zhì)工程和基因工程的操作對象都是基因，兩者的根本區(qū)別是蛋白質(zhì)工程可制造出自然界沒有的蛋白質(zhì)，A錯誤；可以通過對X蛋白基因進行改造或人工合成獲得X1蛋白基因，B正確；蛋白質(zhì)工程操作過程中，需要酶和載體作為工具，C錯誤；細胞內(nèi)合成X1蛋白與X蛋白的過程中，遺傳信息的流向是相同的，D錯誤。eq\a\vs4\al(課時精練)(時間：30分鐘)【基礎(chǔ)對點】知識點1蛋白質(zhì)工程的概念及基本原理1.蛋白質(zhì)工程中，要對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造，必須通過改造或合成基因來完成，而不直接改造蛋白質(zhì)的原因是()A.缺乏改造蛋白質(zhì)所必需的工具酶B.改造基因易于操作且改造后能夠遺傳C.人類對大多數(shù)蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)知之甚少D.蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序千變?nèi)f化，操作難度大答案B解析由于基因控制蛋白質(zhì)的合成，所以對蛋白質(zhì)設(shè)計改造可通過對基因進行改造或合成來完成，且改造后的基因能夠遺傳給子代。2.下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法，錯誤的是()A.蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，使之更加符合人類需要B.蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進行操作，定向改變分子的結(jié)構(gòu)C.蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生自然界中不曾存在的新型蛋白質(zhì)分子D.蛋白質(zhì)工程的操作起點是從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)，設(shè)計出相應(yīng)的基因，并借助基因工程實現(xiàn)答案B解析基因的結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造是通過改造或合成基因來完成的，而不是直接對蛋白質(zhì)分子進行操作，B錯誤。知識點2蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用3.已知生物體內(nèi)有一種蛋白質(zhì)(P)，該蛋白質(zhì)是一種轉(zhuǎn)運蛋白，由305個氨基酸組成。如果將P分子中158位的絲氨酸變成亮氨酸，240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸，改變后的蛋白質(zhì)(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。下列相關(guān)敘述錯誤的是()A.上述對蛋白質(zhì)P的改造屬于蛋白質(zhì)工程B.可以通過修飾P基因或合成P1基因來獲得P1基因C.P1基因通過轉(zhuǎn)錄和翻譯獲得具有專一性的蛋白質(zhì)P1D.直接對蛋白質(zhì)P的氨基酸序列進行改造來獲得蛋白質(zhì)P1答案D解析蛋白質(zhì)工程不能直接對蛋白質(zhì)P的氨基酸序列進行改造來獲得蛋白質(zhì)P1。蛋白質(zhì)工程屬于第二代基因工程，通過基因修飾或基因合成來完成，D錯誤。4.T4溶菌酶在高溫時易失去活性。研究人員對編碼T4溶菌酶的基因進行改造，使T4溶菌酶第3位的異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼?，該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成一個二硫鍵，提高了酶的耐熱性。下列相關(guān)敘述正確的是()A.T4溶菌酶耐熱性提高的原因是組成該酶的氨基酸數(shù)量發(fā)生了改變B.T4溶菌酶的改造屬于蛋白質(zhì)工程，自然界中的酶都可通過蛋白質(zhì)工程進行改造C.蛋白質(zhì)工程與中心法則的流動方向一致，即DNA→mRNA→蛋白質(zhì)D.若高溫使蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，蛋白質(zhì)的功能也會受到影響答案D解析由題意可知，T4溶菌酶耐熱性提高的原因是組成該酶的氨基酸種類及空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，A錯誤；T4溶菌酶的改造屬于蛋白質(zhì)工程，大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，少數(shù)酶是RNA，蛋白質(zhì)工程只能用于改造蛋白質(zhì)，B錯誤；蛋白質(zhì)工程與中心法則的流動方向相反，C錯誤；結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，若高溫使蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，蛋白質(zhì)的功能也會受到影響，D正確。5.L-天冬酰胺酶對于治療小兒白血病特別有效，但在臨床應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)過敏反應(yīng)?？蒲腥藛T預(yù)期在L-天冬酰胺酶的基礎(chǔ)上研發(fā)藥效強但免疫性弱的蛋白質(zhì)藥物，下一步要做的是()A.合成編碼L-天冬酰胺酶的DNA片段B.構(gòu)建含L-天冬酰胺酶基因片段的表達載體C.設(shè)計出藥效強但免疫性弱的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)D.利用抗原—抗體雜交等方法對表達產(chǎn)物進行檢測答案C解析合成編碼L-天冬酰胺酶的DNA片段的上一步驟應(yīng)該是根據(jù)L-天冬酰胺酶氨基酸序列推斷編碼L-天冬酰胺酶的DNA序列，A錯誤；構(gòu)建含L-天冬酰胺酶基因片段的表達載體的上一步驟應(yīng)該是合成編碼L-天冬酰胺酶的DNA片段，B錯誤；設(shè)計出藥效強但免疫性弱的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的上一步驟是確定預(yù)期蛋白質(zhì)功能，C正確；利用抗原—抗體雜交等方法對表達產(chǎn)物進行檢測是已經(jīng)表達出相應(yīng)產(chǎn)物以后的操作，D錯誤?！揪C合提升】6.(多選)下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法，正確的是()A.蛋白質(zhì)工程能使人抗體的某些區(qū)段替代鼠單克隆抗體的某些區(qū)段，降低人對鼠單克隆抗體的免疫反應(yīng)B.蛋白質(zhì)工程可對酶的催化活性、底物專一性、抗氧化性、熱變性等加以改變C.理論上對關(guān)鍵氨基酸進行置換與增刪是進行蛋白質(zhì)工程的唯一方法D.蛋白質(zhì)工程崛起的原因主要是工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)理論研究的需要答案ABD解析蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生自然界中沒有的人鼠嵌合抗體，減少異常免疫反應(yīng)的發(fā)生，A正確；蛋白質(zhì)工程能通過改造基因?qū)ΜF(xiàn)有蛋白質(zhì)進行改造，如改變酶的催化活性、底物專一性、抗氧化性、熱變性等，B正確；蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求，C錯誤；人類生產(chǎn)和生活中的需求，以及基礎(chǔ)理論研究的需要等，造成了蛋白質(zhì)工程的崛起，D正確。7.(多選)枯草桿菌蛋白酶廣泛應(yīng)用于洗滌劑、食品等行業(yè)。某研究小組利用蛋白質(zhì)工程將該蛋白酶中第188位丙氨酸替換為脯氨酸、第239位谷氨酰胺替換為精氨酸、第262位纈氨酸替換為亮氨酸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)枯草桿菌蛋白酶的催化活性大幅度提高。下列敘述正確的是()A.蛋白質(zhì)工程最終要達到的目的是獲取編碼