第3章 第三节 蛋白质工程（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程（苏教版2019）

第三节 蛋白质工程 学习目标 1.说出蛋白质工程崛起的缘由,概述蛋白质工程的基本原理。 2.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。 课时跟踪检测 CONTENTS 目录 1 课堂小结与随堂训练 2 (一)蛋白质工程是基因工程的延伸 1.蛋白质工程的一般过程 (1)蛋白质工程的概念:是指以蛋白质分子的__________及其与_____ _____的关系为基础,对__________________进行有目的的设计改造,以改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。 教材知识梳理 结构规律 生物 功能 编码该蛋白的基因 (2)蛋白质工程的一般过程示意图 (3)基因工程的不足 ①原则上只能生产自然界中已经______的蛋白质。 ②生产的蛋白质不一定符合人们生产和生活的______。 存在 需要 (4)蛋白质工程的优势 ①能更_______地利用自然界中存在的蛋白质。 ②能在分子水平上对蛋白质进行______________,进而创造出自然界中________的蛋白质。 (5)实例:水蛭素第47位天冬酰胺 赖氨酸或精氨酸→抗凝血效率可_____4倍。 充分 再设计和改造 不存在 提高 2.蛋白质工程首先要获取基因和蛋白质的结构数据 蛋白质工程首先需要获得和分析____________的相关信息,包括基因及蛋白质的结构数据。GenBank是目前全球最为著名的生物大分子数据库。 3.通过基因改造生产目标蛋白质 (1)基因的体外定向突变 ①适用对象:掌握了基本__________的蛋白质。 目标蛋白质 结构信息 ②类型 目的 方法 大面积的定向突变 ________________________________ 单一或少数几个突变位点的基因定向突变 _____________________________________ 基因全合成 引物定点引入法 ③定点诱变法的过程示意图 (2)非定点诱变技术 适用对象 不能预先确定___________的蛋白质 缺点 目的性和_______不够强 优点 由于突变位点___,有时会产生意想不到的改造效果 诱变位点 针对性 多 (二)蛋白质工程的设计思路与应用 1.设计思路:对于已知_________的蛋白质,可以采用__________技术,通过改变其结构便可有目的地改造蛋白质的功能。例如,将人胰岛素B链第28位的脯氨酸残基、第29位的赖氨酸残基分别改为赖氨酸残基和脯氨酸残基,便可获得单体速效胰岛素,这样便能避免胰岛素分子形成聚合体,以保证其效能的及时发挥。 空间结构 定点诱变 2.应用 目的 思路 实例 提高蛋白质(酶)的________ 在蛋白质分子中引入二硫键 向T4溶菌酶引入二硫键能提高T4溶菌酶的热稳定性 转换氨基酸残基 酵母菌的丙糖磷酸异构酶的两个亚基中各含有两个天冬酰胺残基,分别用苏氨酸和异亮氨酸残基替代,大幅度提高了酶的热稳定性 稳定性 改善酶的_____ _____ 转换氨基酸残基、删除末端部分氨基酸序列或某些肽段等 将嗜热芽孢杆菌酪氨酰—tRNA合成酶分子中的一个苏氨酸残基改变为丙氨酸或脯氨酸残基时,酶的活性大幅提高 消除酶的_____ _______ 转换氨基酸残基 将枯草芽孢杆菌蛋白酶分子中第222位的甲硫氨酸残基转换成半胱氨酸残基或丙氨酸残基,酶的活性将不再受漂白剂的抑制 催化 活性 被抑 制特性 续表 [微提醒] 通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造优势 (1)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能会遗传下去。 (2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作,难度要小得多。 蛋白质工程与基因工程的比较 核心要点点拨 项目 蛋白质工程 基因工程 区别 起点 预期新蛋白质功能 获取目的基因 过程 预期新蛋白质的功能→设计蛋白质结构→设计对应的氨基酸序列→改造或合成相关DNA序列→合成出新蛋白质 获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因及其表达产物的检测鉴定 区别 实质 通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的 基因重组 结果 可以创造出自然界中不存在的蛋白质 生产自然界已存在的蛋白质 应用及现状 ①主要集中在对现有蛋白质进行改造,如胰岛素、T4溶菌酶和丙糖磷酸异构酶等;②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破,因为蛋白质高级结构非常复杂,人们对此知之甚少 ①已被广泛应用,如转基因植物、动物、药品生产等已商业化;②基因治疗仅处于初期的临床试验阶段 续 表 联系 ①蛋白质工程获得目的基因后,需要通过基因工程技术合成新的蛋白质,因此基因工程是蛋白质工程的关键技术; ②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 续表 [典例]　(2024·常州高二期末)已知生物体内有一种蛋白质(P),该蛋白质是一种转运蛋白,由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸,240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸,改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能,而且具有了酶的催化活性。回答下列问题: (1)从上述资料可知,若要改变蛋白质的功能,可以考虑对蛋白质的___________________进行改造。  [解析]　根据题意可知,对蛋白质的氨基酸序列(或结构)进行改造,可达到改变蛋白质功能的目的。 氨基酸序列(或结构) (2)以P基因序列为基础,获得P1基因的途径有修饰　　基因或合成　　　　　_____基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的,中心法则的全部内容包括　　　　 　　的复制,以及遗传信息在不同分子之间的流动,即_____________________________________________ _____________________。 [解析]　以P基因序列为基础,获得P1基因,可以对P基因进行修饰改造,也可以用人工方法合成P1基因;中心法则的全部内容包括DNA和RNA的复制、DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质。 　DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转 P P1 DNA和RNA(或遗传物质) 录、逆转录和翻译) (3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程,其基本途径是从预期蛋白质功能出发,通过　　　　　　　　　和　　　　　　　　　,进而确定相对应的脱氧核苷酸序列,据此获得基因,再经表达、纯化获得蛋白质,之后还需要对蛋白质的生物　　　　进行鉴定。  [解析]　蛋白质工程的基本途径是从预期蛋白质功能出发,通过设计蛋白质结构和推测氨基酸序列,进而确定相对应的脱氧核苷酸序列,并获取基因。经表达的蛋白质,要对其进行生物功能鉴定。 设计蛋白质的结构 　推测氨基酸序列 　功能 [方法规律] “三看法”判断基因工程和蛋白质工程 (一)澄清概念 1.判断下列叙述的正误 (1)蛋白质工程可合成自然界中不存在的蛋白质。 ( ) (2)蛋白质工程的实质是通过改变氨基酸的结构改变蛋白质的功能。( ) (3)蛋白质工程与基因工程密不可分,又被称为第二代基因工程。 ( ) (4)科研人员预期在L天冬酰胺酶的基础上研发药效性强但免疫性弱的蛋白质药物,下一步要做的是合成编码L天冬酰胺酶的DNA片段。 ( ) 层级训练评价 √ × √ × (5)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。 ( ) (6)定点诱变技术可用于各种蛋白质的改造。 ( ) (7)热稳定的蛋白质一般都具有抗有机溶剂和极端pH的能力。 ( ) √ × √ (二)落实知能 2.科学家将β-干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达,使干扰素分子上的半胱氨酸变成丝氨酸,结果大大提高了β-干扰素的抗病毒活性,并且提高了储存稳定性。该生物技术为(　　) A.蛋白质工程 B.基因工程 C.基因突变 D.细胞工程 √ 解析:题干中的操作涉及的基因不再是原来的基因,其合成的β-干扰素也不是天然的β-干扰素,而是经过改造的,是具有人类所需优点的蛋白质,因而整个过程利用的生物技术为蛋白质工程。 3.科学家利用蛋白质工程技术将葡萄糖异构酶的第138位甘氨酸用脯氨酸替代,结果它的最适温度提高了10~12 ℃。下列说法正确的是 (　　) A.蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列 B.蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异 C.蛋白质工程的目的是获得满足人类生产和生活需求的蛋白质 D.蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是完全相同的 √ 解析:蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是预期的蛋白质功能,A错误;蛋白质工程和基因工程都要对基因进行操作,其操作对象相同,B错误;蛋白质工程的实质是定向改造或生产人类所需蛋白质,C正确;蛋白质工程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),故蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是不完全相同的,D错误。 4.(2024·揭阳期末)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。下列叙述错误的是 (　　) 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.设计并合成蛋白质LIMK1利用了蛋白质工程,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:设计蛋白质LIMK1时,应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→找到相对应的基因碱基序列,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;设计并合成蛋白质LIMK1利用了蛋白质工程,其可制造新的蛋白质,C正确;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。 (三)迁移应用 5.水蛭是我国的传统中药材,主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一,具有良好的抗凝血作用。拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构,提高其抗凝血活性。回答下列问题: (1)蛋白质工程流程如图所示,物质a是　　　 　　,物质b是　 　　。在生产过程中,物质b可能不同,合成的蛋白质空间构象却相同,原因是　　　　　　　　。  氨基酸序列多肽链　 mRNA　 密码子的简并性 31 解析:据题图分析可知,物质a是氨基酸序列多肽链,物质b是mRNA。在生产过程中,物质b可能不同,合成的蛋白质空间构象却相同,原因是密码子的简并性,即一种氨基酸可能对应几种密码子。 (2)蛋白质工程是基因工程的延伸,基因工程中获取目的基因的常用方法有　　 　　　　　　　　、　 　　　　　　　　　和利用PCR技术扩增。PCR技术遵循的基本原理是　　　　　　　　。  解析:蛋白质工程是基因工程的延伸,基因工程中获取目的基因的常用方法有通过基因文库获取目的基因、通过化学合成法直接人工合成和利用PCR技术扩增。PCR技术遵循的基本原理是DNA半保留复制。 通过基因文库获取目的基因　 通过化学合成法直接人工合成　 DNA半保留复制　 (3)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后,分析水解产物中的肽含量及其抗凝血活性,结果如图所示。推测两种处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的　　　(填“种类”或“含量”)有关,导致其活性不同的原因是______________________________________ ____________________________________________。　　　 种类　 提取的水蛭蛋白的酶解时间和处理的酶的 种类不同,导致水蛭蛋白空间结构有不同程度破坏 解析:将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后,据图可知,水解产物中的肽含量随着酶解时间的延长均上升,且差别不大;而抗凝血活性有差异,经酶甲处理后,随着酶解时间的延长,抗凝血活性先上升后相对稳定,经酶乙处理后,随着酶解时间的延长,抗凝血活性先上升后下降,且酶甲处理后的酶解产物的抗凝血活性最终高于经酶乙处理后的酶解产物的抗凝血活性,差异明显,据此推测两种处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的种类有关,导致其活性不同的原因是提取的水蛭蛋白的酶解时间和酶的种类不同,导致水蛭蛋白空间结构有不同程度破坏。 (4)若要比较蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物 和天然水蛭素的抗凝血活性差异,简要写出实验设计思路:___________ _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 解析:实验设计思路见答案。 取3支试管,分别加入等量的蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素;用酒精消毒,用注射器取同一只动物(如家兔)的血液,立即将等量的血液加入1、2、3号三支试管中,静置相同时间,统计三支试管中血液凝固情况 课堂小结与随堂训练 NO.1 一、知识体系构建 二、关键语句必背 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为基础,对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造,以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的主要区别是利用基因工程原则上只能生产自然界已经存在的蛋白质。蛋白质工程不仅能更充分地利用自然界中存在的蛋白质,而且能在分子水平上对蛋白质进行再设计和改造,进而创造出自然界中不存在的蛋白质。 3.蛋白质工程的设计思路是对于已知空间结构的蛋白质,可以采用定点诱变技术,通过改变其结构便可有目的地改造蛋白质的功能。 三、素养好题训练 1.蛛丝的强度和柔韧度得益于蛛丝蛋白的特殊布局,使它产生了一个由坚硬的结晶区和非结晶区构成的混合区域。有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因结构,以指导对蚕丝蛋白的修改,从而让蚕也吐出像蛛丝蛋白一样坚韧的丝。此过程运用的技术及基本思路分别是(　　) A.基因突变;DNA→RNA→蛋白质 B.基因工程;RNA→RNA→蛋白质 C.蛋白质工程;DNA→RNA→蛋白质 D.蛋白质工程;蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质 √ 解析:题述过程运用的是蛋白质工程技术,其基本思路是推测蛛丝蛋白的氨基酸序列,推出其mRNA的碱基序列,再改造或合成控制蛛丝蛋白合成的DNA(目的基因),然后借助基因工程技术将目的基因导入蚕的体内,在蚕的体内完成由DNA转录形成mRNA,再翻译形成蛋白质(蛛丝蛋白)的过程,即基本思路为蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质,D正确。 2.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目发生改变有关 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 √ 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,一个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,通过基因修饰或基因合成,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;蛋白质工程能够实现对蛋白质的结构进行设计改造,需要通过改造基因来完成,D错误。 3.(2024·南通高二阶段练)胰岛素容易形成二聚体或六聚体,治疗糖尿病的效果会受到影响,科研人员用蛋白质工程设计生产速效胰岛素的过程如下图。下列说法错误的是 (　　) 45 A.蛋白质工程的基本思路与中心法则是相同的 B.蛋白质的高级结构十分复杂,实施蛋白质工程的难度很大 C.能得到速效胰岛素,根本原因是改变了胰岛素基因的碱基序列 D.上述过程以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础 √ 解析:蛋白质工程的基本流程是根据中心法则逆推以确定目的基因的碱基序列,再利用基因工程技术合成新的蛋白质,与中心法则中信息的流向不完全相同,A错误;蛋白质的高级结构(即空间结构)十分复杂,因此实施蛋白质工程的难度很大,B正确;利用蛋白质工程设计生产速效胰岛素,根本上是改变了胰岛素基因的碱基序列,C正确;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的,D正确。 4.利用木聚糖酶进行纸浆漂白,可以大幅度减少氯化物的用量,减轻造纸工业对环境的污染。纸浆漂白需要在高温碱性条件下进行,因此需要耐热耐碱的木聚糖酶。根据生产需要,科学家对已知氨基酸序列的木聚糖酶进行改造,获得了耐高温耐碱的新木聚糖酶,减少了纸浆漂白时木聚糖酶的用量,提高了生产效率。回答下列问题: (1)蛋白质工程的目标是根据人们对　　　　　　的特定需求,对蛋白质的结构进行设计改造。与蛋白质工程相比,基因工程原则上只能生产　　　　　　　 　　,它们的结构和功能符合特定物种生存的需要。  蛋白质功能 自然界中已存在的蛋白质 (2)在蛋白质工程和基因工程中常用大肠杆菌作为受体细胞,原因是大肠杆菌　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　(答出两点)。分离纯化大肠杆菌时,可使用接种环采用　　　　　法将聚集的菌种逐步分离并培养成单菌落;实验室中利用选择培养基筛选微生物的原理是__________________________________________________ ______________。  为单细胞、繁殖快、遗传物质相对较少(答出两点)　 平板划线　 人为提供有利于目的菌生长的条件,同时抑制或阻止其他 微生物的生长　 (3)人工合成的新木聚糖酶的基因在导入受体细胞前要先构建 ______________,以使目的基因能够表达和发挥作用。若要将重组大肠杆菌分泌的耐热耐碱木聚糖酶应用于造纸工业生产,除了需要研究木聚糖酶的产量外,还需要检测木聚糖酶的　　 　　　　。  基因表达载体　 生物活性(或催化效率) (4)有研究表明,在木聚糖酶中特定部位引入精氨酸可以增加木聚糖酶中的离子键数目,从而增加该酶在碱性环境中的稳定性。利用蛋白质工程技术改造木聚糖酶,其基本思路是_______________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。根据新木聚糖酶的氨基酸序列设计新木聚糖酶的基因,会设计出多种脱氧核苷酸序列,原因是______________________________________________ ______________。  根据对木聚糖酶耐碱这一功能特点的需求,设计新木聚糖酶中特定部位引入精氨酸以后的氨基酸序列,推测出其基因中的脱氧核苷酸序列,然后利用DNA合成仪合成新木聚糖酶基因,再利用基因工程技术合成新木聚糖酶　 密码子具有简并现象(或存在多种密码子决定同一种氨基酸的现象) 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A级——基础综合练 1.下列关于蛋白质工程的叙述,正确的是(　　) A.蛋白质工程中的目的基因直接来源于动物、植物或微生物 B.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构,使之更加符合人类需要 C.蛋白质工程是一项难度很大的工程,主要是因为蛋白质种类太少,原料不足 D.蛋白质工程的基本思路是从预期的蛋白质结构出发最终推测出脱氧核苷酸序列 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 解析:蛋白质工程中的目的基因往往是人工合成或人工改造的基因,A错误;蛋白质工程能按照人们的意愿定向改造蛋白质分子的结构,使之更加符合人类需要,B正确;蛋白质工程存在难度主要是因为人们对大多数蛋白质的高级结构还不是很了解,C错误;蛋白质工程的基本思路是从预期的蛋白质功能出发最终改造或合成可以产生新蛋白质的相关DNA序列,再利用基因工程技术合成新的蛋白质,D错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 2.(2023·镇江月考)下列关于基因工程与蛋白质工程的叙述,正确的是 (　　) A.通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍然是天然的蛋白质 B.基因工程需对基因进行操作,蛋白质工程不需对基因进行操作 C.蛋白质工程以基因工程为基础 D.蛋白质工程直接实现了对蛋白质的改造 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 解析:通过蛋白质工程改造后的蛋白质不是天然的蛋白质,A错误;基因工程需对基因进行操作,蛋白质工程也是对基因进行操作,因而蛋白质工程是以基因工程为基础建立起来的第二代基因工程,B错误,C正确;蛋白质工程间接实现了对蛋白质的改造,D错误。 3.蛋白质工程的基本步骤顺序正确的是 (　　) ①从预期的蛋白质功能出发　②设计预期的蛋白质结构　③推测应有的氨基酸序列　④找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列或合成新的基因　⑤获得所需要的蛋白质 A.⑤④③②① B.①④⑤②③ C.①④②③⑤ D.①②③④⑤ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 √ 解析:蛋白质工程的一般过程是先根据新蛋白质的预期功能设计蛋白质结构,进而设计对应的氨基酸序列,在此基础上改造或合成可以产生新蛋白质的相关DNA序列(基因),再利用基因工程技术合成新的蛋白质。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 4.下列关于蛋白质工程的叙述,正确的是 (　　) A.利用蛋白质工程,通过引入二硫键可以提高蛋白质(酶)的稳定性 B.蛋白质工程的操作对象是蛋白质或控制蛋白质合成的基因 C.蛋白质工程的实质是通过改变氨基酸的结构改变蛋白质的功能 D.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 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 √ 解析:利用蛋白质工程,通过引入二硫键可以提高蛋白质(酶)的稳定性,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,使之更加符合人类需要,故蛋白质工程的操作对象为控制蛋白质合成的基因,B错误;蛋白质工程的实质是通过改变基因的结构达到改变蛋白质功能的目的,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。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 5.(2024·淮安检测)科学家利用蛋白质工程研制出了赖脯胰岛素,与天然胰岛素相比,赖脯胰岛素经皮下注射后易吸收、起效快。以下相关叙述错误的是 (　　) 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 A.代表蛋白质工程操作思路获取赖脯胰岛素的过程是④⑤⑥①②③ B.该技术需在DNA分子水平上进行设计和改造 C.物质a和物质b分别代表多肽链和mRNA D.在基因表达过程中,物质a改变时物质b可能不变 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 解析:蛋白质工程的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或合成新的基因→获得所需要的蛋白质,即图中④⑤⑥①②③过程,A正确;该技术是在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基因工程,该技术需在DNA分子水平上进行设计和改造,B正确;物质a和物质b分别代表mRNA和多肽链,C错误;a(mRNA)序列改变,由于密码子的简并性,最终编码的氨基酸序列可能不变,D正确。 6.蛋白质工程是基因工程的延伸,下列关于蛋白质工程的叙述,正确的是 (　　) A.蛋白质工程无需构建基因表达载体 B.通过蛋白质工程改造后的蛋白质的性状不遗传给子代 C.蛋白质工程需要限制酶和DNA连接酶 D.蛋白质工程是在蛋白质分子水平上改造蛋白质的 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 √ 解析: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,需构建基因表达载体,且改造后的蛋白质的性状能遗传给子代,另外还需要限制酶和DNA连接酶,A、B错误,C正确;蛋白质工程是在基因水平上改造蛋白质的,D错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 7.呼吸道合胞病毒(RSV)是引起婴幼儿肺炎和支气管炎的首要致病病毒。F蛋白是RSV囊膜蛋白之一,但其构象不稳定。科研人员通过蛋白质工程构建了构象更加稳定的F蛋白,利用改造后的F蛋白研发的疫苗能引起小鼠和猴体内产生高浓度抗体。下列说法正确的是 (　　) A.改造前需要对F蛋白的氨基酸序列进行分析 B.F蛋白的改造过程不需要限制酶和DNA连接酶 C.将改造的F蛋白基因直接转入适当的微生物可获取大量F蛋白 D.通过蛋白质工程可制造出任何一种人类所需要的蛋白质 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 解析:蛋白质工程的实质是改造基因,因此改造前需要对F蛋白的氨基酸序列进行分析,以便找到对应的脱氧核苷酸序列(基因),A正确;要对蛋白质进行改造,最终需要通过基因工程来实现,而基因工程需要的工具酶包括限制酶和DNA连接酶,B错误;改造的F蛋白基因无法直接转入适当的微生物细胞内,需要通过载体运输,C错误;由于蛋白质的高级结构相当复杂,因此目前并不能制造出人类所需要的所有的蛋白质,D错误。 8.(2024·常州高二阶段测)枯草杆菌蛋白酶能催化蛋白质水解为氨基酸,在有机溶剂中也能催化多肽的合成,被广泛应用于洗涤剂、制革及丝绸工业。某科学家通过将枯草杆菌蛋白酶分子表面的Asp(99)和Glu(156)改成Lys,使其在pH=6时的活力提高了10倍。下列说法正确的是 (　　) A.需要通过改造基因实现对蛋白质中氨基酸的替换 B.该成果体现了蛋白质工程在培育新物种方面具有独特的优势 C.经蛋白质工程改造后的枯草杆菌蛋白酶活性提高这一性状不可遗传 D.蛋白质工程最终要达到的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 解析: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来实现,A正确;该成果培育了新品种,而不是新物种,B错误;经蛋白质工程改造后的枯草杆菌蛋白酶的基因发生了改变,因此经蛋白质工程改造后的枯草杆菌蛋白酶活性提高这一性状可以遗传,C错误;蛋白质工程最终要达到的目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质,满足人类的需求,D错误。 9.人体内的蛋白TPA能降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓,但为心梗患者注射大剂量的TPA会诱发颅内出血。研究证实,通过蛋白质工程,将TPA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸,可制造出性能优异的改良TPA,进而显著降低出血副作用。下列关于该蛋白质工程的叙述正确的是 (　　) A.制造改良TPA无需用到基因工程的操作技术 B.可利用X射线衍射技术分析TPA的晶体结构 C.改良TPA的过程中,TPA基因增添碱基时可使用基因定点突变技术 D.需要在分子水平上直接对TPA进行定向改造 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 解析:蛋白质工程是在基因工程基础上延伸的第二代基因工程,A错误;X射线衍射技术可分析蛋白质的晶体结构,B正确;改良TPA的过程中,TPA基因不是增添碱基,而是替换碱基,C错误;该过程不是在分子水平上直接对TPA进行改造,而是对TPA的基因进行改造,D错误。 10.(2024·南京高二期中)玉米中的赖氨酸含量比较低,原因是赖氨酸合成过程中的两种关键酶(天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶)的活性受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性,所以赖氨酸含量很难提高。如果将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸,将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸,就可以使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。依据上述资料,回答下列问题: 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 (1)基因工程原则上只能生产　　　　中已存在的蛋白质,而蛋白质工程能通过改造或合成　　　,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。  解析:基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。蛋白质工程能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,以满足人类的生产和生活的需要。 自然界　 基因 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 (2)由题干信息可知,天然玉米中赖氨酸的合成过程中存在_________ 调节,在对天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的处理中最可能发生了碱基对的　　　(填“增添”“缺失”或“替换”)。 解析:赖氨酸合成过程中的两种关键酶(天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶)的活性受细胞内赖氨酸浓度的影响较大,赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性,因此天然玉米中赖氨酸的合成过程中存在(负)反馈调节。据题意可知,天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶处理后都只是一个氨基酸的改变,最可能发生了碱基对的替换。 (负)反馈 替换 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 (3)蛋白质工程又被称为第二代　　 　　。  解析:蛋白质工程又被称为第二代基因工程。 基因工程 B级——应用创新练 11.[多选]腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域,但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽,可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述正确的是(　　) A.N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一 B.加入连接肽需要通过改造基因实现 C.获得N1的过程需要进行转录和翻译 D.检测N1的活性时先将N1与底物充分混合,再置于高温环境 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 √ √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 解析:利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽,可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1),N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一,A正确;加入连接肽需要利用蛋白质工程,通过改造基因实现,B正确;获得N1蛋白质的过程需要进行转录和翻译,C正确;检测N1的活性时先将N1与底物分别置于高温环境,再于高温环境中充分混合,D错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 12.[多选]从自然界中的生物体内分离得到的天然酶,在工业生产环境中催化效率往往较低。科研人员对酶的改造包括理性设计方法和非理性设计方法。理性设计方法是通过定点诱变改变蛋白质中的个别氨基酸,以产生更加理想的酶;非理性设计方法主要通过易错PCR技术实现,该技术是利用低保真的Taq酶和改变PCR的反应条件,降低DNA复制的保真度,从而使扩增产物出现较多突变点的一种体外诱导DNA序列变异的方法。下列相关叙述错误的是 (　　) 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 A.通过理性设计以产生更加理想的酶的技术称为蛋白质工程 B.Taq酶的保真性与DNA的突变率没有直接关系 C.利用易错PCR技术扩增产物时在PCR反应缓冲液中一般会添加Mg2+ D.易错PCR技术的扩增过程中55 ℃处理的目的是使DNA分子彻底变性 √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 解析:通过理性设计,产生更加理想的酶,属于蛋白质工程,A正确;低保真的Taq酶会增加新DNA链合成过程中碱基的错配率,产生较多的突变点,使DNA突变率增加,B错误;Mg2+可以使非互补碱基的稳定性提高,从而有利于易错PCR的进行,故利用易错PCR技术扩增产物时在PCR反应缓冲液中一般会添加Mg2+,C正确;易错PCR扩增时,55 ℃处理的目的是使引物与模板结合,D错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 13.据报道,我国科学家建立了蛋白质从头设计新方法。该报道中记述我国科研人员从头设计的9种蛋白质分子的高分辨晶体结构,其中5种蛋白质具有不同于已知天然蛋白的新颖结构。请回答下列相关问题: (1)可以通过蛋白质工程对相关蛋白质进行改造,一般过程是先根据新蛋白质的　　　　　设计蛋白质结构,进而设计对应的　　　　序列,在此基础上改造或合成可以产生新蛋白质的相关　　　序列,再利用基因工程技术合成新的蛋白质。  预期功能　 氨基酸　 DNA 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 (2)利用PCR技术对目的基因扩增的前提是____________________ _______。 (3)构建基因表达载体的目的是______________________________ __________________________________。 构建的基因表达载体除含目的基因外,还必须有____________________ _______________(至少答出三点)等。  目的基因的一段碱基序 列已知 使目的基因进入受体细胞并有效 复制原点、标记基因、 表达,而且要能稳定存在且遗传给后代　 启动子、终止子 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 (4)艾弗里等人的肺炎链球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献,也可以说是基因工程的先导,如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示,那么这一启示是________________________ _______________。  DNA可以从一种生物个体 转移到另一个体 $$