第三章 第三节 蛋白质工程-【优化探究】2025-2026学年新教材高中生物学选择性必修3同步导学案配套PPT课件（苏教版）

细胞工程 第三章　 第三节　蛋白质工程 [目标导学]　1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.简述蛋白质工程的基本原理。 内容索引 NEIRONGSUOYIN 学习任务　蛋白质工程 课时作业 素养达标 备选题库 教师独具 蛋白质工程 学习任务 梳理 归纳教材知识 1.蛋白质工程的一般过程 (1)概念:蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物 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。 功能 (2)蛋白质工程的一般过程 新蛋白 质预期 功能 (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需要。 (4)蛋白质工程的优势 ①能更充分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再设计和改造,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→抗凝血效率可提高4倍。 存在 不存在 2.蛋白质工程首先要获取基因和蛋白质的结构数据 (1)GenBank生物大分子数据库 ①序列文件的基本单位是序列条目,包括核苷酸 和注释两部分。 ②GenPept是由GenBank中的核酸序列翻译而得到的 序列数据库。 (2)Entrez数据库查询系统是一个将核酸、蛋白质序列和 、蛋白质结构数据库整合在一起的综合数据库查询系统。 排列顺序 蛋白质 基因图谱 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。 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 DNA聚合酶 DNA连接酶 受体细胞 (2)非定点诱变技术 ①适用对象:不能预先确定 的蛋白质。 ②缺点:目的性和针对性不够强。 ③优点:突变位点多,有时会产生意想不到的改造效果。 诱变位点 4.蛋白质工程的设计思路与应用 目的 思路 原理 实例 提高蛋白质(酶)的稳定性 引入________ 二硫键是稳定蛋白质分子 最关键的一种共价键,在蛋白质分子中引入二硫键能显著提高其稳定性 向T4溶菌酶引入二硫键能提高T4溶菌酶的热稳定性 二硫键 空间结构 目的 思路 原理 实例 提高蛋白质(酶)的稳定性 转换氨基酸残基 在高温下,蛋白质分子中天冬酰胺和谷氨酰胺的侧链上的酰胺基会发生 ,进而损害其结构和功能;将天冬酰胺和谷氨酰胺残基转换为其他合适的氨基酸残基,可以提高蛋白质的热稳定性 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 和异亮氨酸残基替代,大幅度提高了酶的热稳定性 脱氨反应 苏氨酸 目的 思路 原理 实例 改善酶的催化活性 转换氨基酸残基 大量酶蛋白的X射线晶体衍射结果显示,酶的催化活性中心附近有少数关键性氨基酸残基,在很大程度上决定了酶的催化活性 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 目的 思路 原理 实例 消除酶的被抑制特性 转换氨基酸残基 转换氨基酸残基可以消除酶的被抑制特性 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 [正误辨析] (1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。( ) (2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的。 ( ) (3)定点诱变技术可用于各种蛋白质的改造。 ( ) (4)热稳定的蛋白质一般都具有抗有机溶剂和极端pH的能力。 ( ) √ √ × × 探究 要点合作突破 1.阅读教材蛋白质工程的基本思路,请回答下列问题。 (1)如何由蛋白质氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列? 提示:先根据氨基酸与密码子的对应关系找到RNA中相对应的核糖核苷酸序列,再根据RNA与DNA的碱基互补配对关系找到基因中相对应的脱氧核苷酸序列。 (2)蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质相同吗?分别体现在哪些方面? 提示:①操作对象相同:蛋白质工程和基因工程的操作对象都为基因。②得到的蛋白质不同:蛋白质工程可以得到自然界没有的新的蛋白质;基因工程得到的是自然界原有的蛋白质。 2.利用蛋白质工程可以提高玉米赖氨酸含量,改造途径如图所示。 结果:改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。 (1)结合上述资料,可以通过何种途径提高玉米中的赖氨酸含量? 提示:通过改变赖氨酸合成途径中关键酶的活性提高赖氨酸的含量。 (2)为什么改变一个氨基酸就可以改变蛋白质的稳定性甚至某种蛋白质酶的活性? 提示:蛋白质的结构与其氨基酸组成有关,个别氨基酸的改变就会导致其结构的改变,从而影响到其性质和功能。 [核心知识] 1.蛋白质工程与基因工程的区别与联系 比较项目 蛋白质工程 基因工程 区 别 起点 预期的蛋白质功能 目的基因 过程 新蛋白质预期功能→设计蛋白质结构→设计对应的氨基酸序列→改造或合成可以产生新蛋白质的相关DNA序列→合成新的蛋白质 目的基因的获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因及其表达产物的检测与鉴定 比较项目 蛋白质工程 基因工程 区 别 目标 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的新的生物类型和生物产品 结果 生产非天然的蛋白质 生产自然界已经存在的蛋白质 联系 ①都在生物体外对基因进行操作;②蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 2.定点诱变技术 项目 内容 条 件 原料 脱氧核苷酸 酶 DNA聚合酶和DNA连接酶 引物 含突变位点的DNA分子片段 操作方法 PCR技术 结果 后代中半数为诱变的DNA分子 适用范围 掌握了蛋白质的基本结构信息 特点 有目的性和针对性 强化 题点对应训练 1.(多选)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,其最适温度提高了10 ℃左右。下列相关叙述正确的是(　　) A.蛋白质工程首先要获取基因和蛋白质的结构数据 B.可用定点诱变技术直接将蛋白质中的甘氨酸替换为脯氨酸 C.利用蛋白质工程技术可以定向改变蛋白质的结构 D.改造后的葡萄糖异构酶的最适保存温度也提高了10 ℃左右 AC 解析:蛋白质工程首先要获得和分析目标蛋白质的相关信息,包括基因以及蛋白质的结构数据,A正确;为提高葡萄糖异构酶的热稳定性,将其第138号的甘氨酸替换为脯氨酸,应对葡萄糖异构酶的基因进行改造,B错误;蛋白质工程通过设计和改造编码蛋白质的基因获得特定功能的蛋白质,因此可以定向改变蛋白质的结构,C正确;将葡萄糖异构酶第138位甘氨酸替换为脯氨酸后,其作用的最适温度提高了10 ℃左右,而酶一般在低温下保存,D错误。 2.水蛭素可用于预防和治疗血栓。研究发现,将水蛭素第47位的天冬酰胺替换为赖氨酸,其抗凝血活性显著提高,可通过奶牛乳腺生物反应器批量生产活性高的水蛭素。下列相关叙述错误的是 (　　) A.对水蛭素进行改造的直接操作对象为水蛭素基因 B.改造后的水蛭素为自然界不存在的蛋白质 C.需要将乳腺蛋白基因的启动子与目的基因重组在一起 D.水蛭素基因及其mRNA只能从转基因奶牛的乳腺细胞中提取并检测 D 解析:对水蛭素的改造是通过基因改造,对现有蛋白质进行改造,属于蛋白质工程的范畴,A正确;改造水蛭素的过程涉及蛋白质工程,这是一种能够生产自然界不存在的蛋白质的技术,改造后的水蛭素为自然界不存在的蛋白质,B正确;通过奶牛乳腺生物反应器批量生产活性高的水蛭素需要将乳腺蛋白基因的启动子与目的基因重组在一起,C正确;转基因奶牛的所有细胞中都含有水蛭素基因,只是在乳腺细胞中进行选择性表达,D错误。 3.(多选)胰岛素可用于治疗糖尿病,天然胰岛素制剂容易形成二聚体或多聚体,皮下注射往往要经历一个逐渐解离为单体的过程,这在一定程度上延缓了疗效。科研工作者希望对胰岛素进行改造,如图是新的速效胰岛素的生产过程示意图,下列有关叙述错误的是(　　) A.该过程属于蛋白质工程,最终还要通过改造或合成基因来完成 B.构建新的速效胰岛素首先要从预期新的胰岛素蛋白质结构开始 C.新的速效胰岛素生产过程可以不必遵循中心法则 D.新的速效胰岛素基因的脱氧核苷酸序列只有特定的一种 答案:BCD 解析:生产新的速效胰岛素属于蛋白质工程,根据蛋白质工程的流程可知,最终还必须通过改造或合成基因来完成,因此蛋白质工程被称为第二代基因工程,A正确;构建新的速效胰岛素首先要从预期新的胰岛素功能开始,进而推测相应的蛋白质结构,分析相应的基因结构,然后合成相应的基因,B错误;蛋白质的合成受基因的调控,因此,新的速效胰岛素生产过程依然遵循中心法则,C错误;由于密码子的简并性,所以据此推测新的速效胰岛素基因的脱氧核苷酸序列可能有多种,D错误。 备选题库 教师独具 1.科研人员利用相关技术改变了胰岛素β链的第9位氨基酸,从而避免了胰岛素容易结合形成无活性的二聚体形式。相关叙述错误的是(　　) A.已改造的胰岛素可以口服使用 B.可通过测定DNA序列确定突变是否成功 C.对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程 D.该过程的直接操作对象是胰岛素基因 A 解析:胰岛素的本质是蛋白质,不宜口服使用,否则会被消化酶分解,A错误;基因突变会导致基因中碱基序列发生改变,因此可通过测定DNA序列确定突变是否成功,B正确;新的胰岛素是自然界没有的蛋白质,因此对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程,C正确;蛋白质工程的基本途径: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问题,因此该过程的直接操作对象是胰岛素基因,D正确。 2.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。下列有关该技术的叙述正确的是(　　) A.对纤维素酶的改造是通过直接改造mRNA实现的 B.改造后的纤维素酶和原纤维素酶是同一种酶 C.经改造后的纤维素酶热稳定性提高这一性状可遗传 D.改造纤维素酶不需要构建基因表达载体 C 解析:对纤维素酶的改造需要以基因工程为基础,是通过改造或合成新基因来实现的,A错误;对纤维素酶的改造是通过直接改造纤维素酶的基因实现的,改造后的纤维素酶和原纤维素酶不是同一种酶,B错误;蛋白质工程是对基因进行修饰改造或创造合成新基因,然后进行表达,改变了遗传物质,因此经蛋白质工程改造后的纤维素酶热稳定性提高这一性状可遗传,C正确;蛋白质工程被称为第二代基因工程,须构建基因表达载体,D错误。 3.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(　　) 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 C 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,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。 4.(多选)已知生物体内有一种转运蛋白Y,如果将蛋白Y中某一个氨基酸替换,改变后的蛋白质Y1不但保留了蛋白Y原有的功能,而且具备了酶的催化功能。下列说法不正确的是(　 　) A.蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异 B.可以通过对Y蛋白基因改造或人工合成获得Y1蛋白基因 C.蛋白质工程操作过程中,不需要酶和载体 D.细胞内合成Y1蛋白与Y蛋白的过程中,遗传信息的流向是相反的 ACD 解析:蛋白质工程和基因工程的根本区别是蛋白质工程可制造出自然界没有的蛋白质,二者操作的对象都是基因,A错误;蛋白质工程可以通过对Y蛋白基因改造或人工合成获得Y1蛋白基因,B正确;蛋白质工程的操作对象是基因,属于第二代基因工程,操作过程中也需要酶和载体等工具,C错误;细胞内合成Y1蛋白与Y蛋白的过程都需要经过转录和翻译,遗传信息的流向是相同的,D错误。 5.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。  氨基酸序列(或结构) (2)以P基因序列为基础,获得P1基因的途径有改造　 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:____________________________________________________ 　 。  P P1 DNA和RNA(或遗传物质) DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转 录、翻译) 解析:(1)从题中所述资料可知,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后,该蛋白质的功能发生了改变,此过程是通过对构成蛋白质的氨基酸的排列顺序进行改造,进而改变了蛋白质的结构,从而改变了蛋白质的功能。 (2)在蛋白质工程中,目的基因可以以P基因序列为基础,对生物体内原有P基因进行改造,也可以通过人工合成法合成新的P1基因。中心法则的内容如图所示: 由图可知,中心法则的全部内容包括:DNA以自身为模板进行的复制,DNA通过转录将遗传信息传递给RNA,最后RNA通过翻译将遗传信息表达成蛋白质;在某些病毒中RNA可自我复制(如烟草花叶病毒等),在某些病毒中能以RNA为模板逆转录合成DNA(如HIV),这是对中心法则的补充。 课时作业 素养达标 [基础巩固练] 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.蛋白质工程成功的例子不多,主要是因为蛋白质种类太少,原料不足 D.蛋白质工程的一般过程是从预期的蛋白质结构出发最终推测出脱氧核苷酸序列 B 解析:蛋白质工程中的目的基因往往是通过人工合成或人工改造得来的,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;蛋白质工程成功的例子不多,主要是因为人们对大多数蛋白质的高级结构还不够了解,C错误;蛋白质工程的一般过程是从预期的蛋白质功能出发→设计蛋白质结构→设计对应的氨基酸序列→产生新蛋白质的相关DNA序列→合成新的蛋白质,D错误。 2.科学家运用蛋白质工程对绿色荧光蛋白进行改造获得黄色荧光蛋白,荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究领域有着重要的作用。下列关于蛋白质工程的叙述,错误的是 (　　) A.蛋白质工程能够生产自然界中不存在的蛋白质 B.蛋白质工程遵循的原理包括中心法则 C.蛋白质工程生产蛋白质的基本思路是从基因开始 D.基因定点突变技术可帮助改造生产新的蛋白质 C 解析:蛋白质工程能对现有蛋白质进行基因改造,或制造一种新的蛋白质,生产自然界中不存在的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需要,A正确;蛋白质工程合成所需蛋白质的过程需遵循中心法则,B正确;蛋白质工程生产蛋白质的基本思路是从蛋白质的功能开始,C错误;基因定点突变技术可改变基因的结构,可帮助改造生产新的蛋白质,D正确。 3.科学家利用蛋白质工程技术将水蛭素(一种可用于预防和治疗血栓的蛋白质)第47位的天冬酰胺替换为赖氨酸,显著提高了它的抗凝血活性,流程如图所示。下列叙述错误的是(　　) A.上图的操作流程是从预期的水蛭素功能出发的 B.在这项替换研究中目前可行的直接操作对象是基因 C.上图中大分子物质a和b的序列均是唯一的 D.用蛋白质工程可生产基因工程所不能生产的蛋白质 C 解析:据图分析,通过分析预期的水蛭素功能推导出蛋白质的结构,进而明确氨基酸序列,最终确定基因中碱基对的排列顺序,A正确;蛋白质的改造工程直接改变的是控制蛋白质合成的基因,B正确;由于密码子存在简并性,所以氨基酸序列推出的mRNA和基因序列并不是唯一的,C错误;基因工程是利用已有的基因生产蛋白质,而蛋白质工程师通过改造基因从而获得自然界中原本没有的蛋白质,因此用蛋白质工程可生产基因工程所不能生产的蛋白质,D正确。 4.利用蛋白质工程改造源于溶珊瑚弧菌的几丁质酶的过程:保留该酶N端,在C端增加陆生真菌几丁质结合保守域,从而增加酶与底物的结合能力。改造后的酶活性显著高于市售几丁质酶。下列相关叙述正确的是(　　) A.几丁质是海洋中含量丰富的蛋白质之一 B.改造几丁质酶也需要构建基因表达载体 C.直接操作对象是溶珊瑚弧菌的几丁质酶 D.改造后的几丁质酶和原几丁质酶是同一种酶 B 解析:几丁质是一种多糖,又称为壳多糖,广泛存在于甲壳类动物和昆虫的外骨骼中,A错误;利用蛋白质工程改造几丁质酶改造的为几丁质酶基因,改造后的基因需要表达,因此也需要构建基因表达载体,B正确;蛋白质工程操作的对象为基因,结合题干可知直接操作对象是溶珊瑚弧菌的几丁质酶基因,C错误;改造前后的几丁质酶空间结构不同,因此改造后的几丁质酶和原几丁质酶不是同一种酶,D错误。 5.人体内的蛋白TPA能降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓,但为心肌梗死患者注射大剂量的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的过程不遵循中心法则 B.可利用X射线衍射技术分析TPA的晶体结构 C.该例中TPA蛋白的基因增添碱基时可使用基因定点诱变技术 D.需要在分子水平上直接对TPA进行定向改造 B 解析:制造改良TPA的过程属于蛋白质工程,蛋白质工程改造或合成的基因在复制和表达时仍然遵循中心法则,A错误;X射线衍射分析是利用晶体形成的X射线衍射对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法,X射线衍射技术可分析蛋白质的晶体结构,B正确;该实例中TPA的基因不是增添碱基,而是替换碱基,C错误;该技术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。 6.蛋白质工程为改造蛋白质的结构和功能提供了新的途径。下列有关蛋白质工程及其应用的叙述,错误的是 (　　) A.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 B.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为基础 C.蛋白质工程可以对药用蛋白进行改造,使其更好地用于人类疾病的治疗 D.当前限制蛋白质工程发展的关键因素是对蛋白质高级结构的认知不足 A 解析: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,A错误;蛋白质工程的基础是蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系,B正确;蛋白质工程可对药用蛋白进行改造,使其更适合人类医疗需要,更好地用于人类疾病的治疗,C正确;蛋白质功能的发挥依赖于其复杂的空间结构,当前限制蛋白质工程发展的关键因素是人们对蛋白质的高级结构了解太少,D正确。 7.乙醇是一种绿色、可再生能 源。高粱等植物的秸秆主要 水解产物是木糖,可以用作乙 醇生产的原材料。酿酒酵母 不能直接利用木糖进行乙醇 发酵。研究人员通过生物工 程手段使酵母细胞提高木糖转运效率,并将木糖代谢相关的XR酶和XDH酶的基因导入野生型的酿酒酵母中,在酵母细胞内建立起了某木糖代谢的通路。 (1)XR酶和XDH酶的基因导入野生型的酿酒酵母中,新建立起的木糖代谢通路是图1中的　 　　(填“途径Ⅰ”或“途径Ⅱ”)。研究人员采用PCR技术扩增时随机改变反应条件,创建一系列木糖转运体蛋白新基因序列,导入受体细胞后筛选得到了高亲和性的木糖转运体,发现其第4个氨基酸由甘氨酸替换为丙氨酸,此改造过程属于　 　　工程,涉及的可遗传变异来源有　 　　。  途径Ⅰ 蛋白质 基因突变和基因重组 (2)为进一步提高乙醇的产量,研究人员利 用基因工程技术将XK基因与强启动子相 连,导入受体细胞中,观察工程菌的乙醇发 酵情况,技术路线如图2所示,其中①~④ 代表PCR扩增引物编号,LEU2基因是亮 氨酸合成基因,URA3基因是尿嘧啶合成 基因。 PCR扩增XK基因时选择的引物是图2中的　　　(用编号选填),为了使XK基因与载体质粒有效连接,可以通过PCR技术在XK基因的上下游引入限制性内切核酸酶　　　的识别序列。  ②③ Bcl Ⅱ (3)为比较不同工程菌的乙醇发酵情况,研究人员制备工程菌a和工程菌b,根据图2完成表格及填空。   制备工程菌a 制备工程菌b 导入质粒 重组质粒①　　  重组质粒b 受体细胞 ②　 　　缺陷型酿酒酵母  尿嘧啶缺陷型酿酒酵母 筛选用培养基 木糖为唯一碳源、缺少亮氨酸、缺少尿嘧啶 ③__________________ _______________ a和b 亮氨酸和尿嘧啶 木糖为唯一碳源、 缺少尿嘧啶 在同等适宜条件下分别将工程菌a和工程菌b进行发酵实验,发现工程菌a的乙醇产量是工程菌b的1.5倍,结合图1、2,工程菌a提高了乙醇产量的原因是_________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 　 　　。  工程菌a与工程菌b相比,导入了与强启动子相连的XK基因,使 得细胞超表达XK酶,提高了木糖代谢的中间产物木酮糖转变为X5P 的效率,有利于产物向乙醇发酵转化 (4)研究人员还在嗜热细菌中发现了XⅠ酶,将XⅠ酶的相关基因导入野生型的酿酒酵母,建立了图1中途径Ⅱ所示的木糖代谢通路。但并没有表现出比野生型酿酒酵母更优良的木糖利用率和乙醇产率。其原因可能是______________________________________________________________________ 　 　　。  导入XⅠ酶基因的酿酒酵母转运木糖的效率并没有提高;XⅠ酶最适反 应温度偏高 解析:(1)研究人员将木糖代谢相关的XR酶和XDH酶的基因导入野生型的酿酒酵母中,在酵母细胞内建立起了木糖代谢的新通路。据此分析图1可知新建立起的木糖代谢通路是图1中的途径Ⅰ。基因突变是新基因产生的途径。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,基因工程的原理是基因重组。研究人员采用PCR技术扩增时随机改变反应条件,创建一系列木糖转运体蛋白新基因序列,导入受体细胞后,筛选得到的高亲和性的木糖转运体的第4个氨基酸由甘氨酸替换为丙氨酸,说明此改造过程属于蛋白质工程,涉及的可遗传变异来源有基因突变和基因重组。 (2)由于引物的作用是使DNA聚合酶能够从引物的3'端延伸DNA链,且引物应接在模板链的3'端,因此,设计的扩增引物位置是图2中的②③。为了使XK基因与载体质粒有效连接,可以通过PCR技术在XK基因的上、下游引入限制酶Bcl Ⅱ的识别序列,之所以这样设计是因为在质粒的强启动子和终止子之间只有该限制酶的识别序列,因此为了实现目的基因和载体的连接,需要在引物的5'端添加上该限制酶的识别序列,再用对应酶切后通过DNA连接酶连接。 (3)制备工程菌a导入的是质粒a和质粒b,其中含有亮氨酸合成基因(LEU2基因)和尿嘧啶合成基因(URA3基因),因此所用的受体细胞是亮氨酸和尿嘧啶缺陷型酿酒酵母。制备工程菌b导入的是质粒b,质粒b中含有尿嘧啶合成酶基因,因此,所用的受体细胞是尿嘧啶缺陷型酿酒酵母。工程菌a中导入了重组质粒a和b,因而成功导入的工程菌应该具有合成亮氨酸和尿嘧啶的能力,同时也可利用木糖,因此可在培养基中加入木糖为唯一碳源、缺少亮氨酸、缺少尿嘧啶,从而将工程菌a筛选出来。工程菌b中导入了重组质粒b,具有利用木糖的能力和合成尿嘧啶的能力,因此用作筛选的培养基中需要加入木糖为唯一碳源、缺少尿嘧啶。工程菌a与工程菌b相比,导入了与强启动子相连的XK基因,使得细胞超表达XK酶,提高了木糖代谢的中间产物木酮糖转变为X5P的效率,有利于产物向乙醇发酵转化,因此,在同等适宜条件下分别将工程菌a和工程菌b进行发酵实验,工程菌a的乙醇产量高于工程菌b的乙醇产量。 (4)将从嗜热细菌中提取的XⅠ酶的相关基因导入野生型的酿酒酵母,建立了图1中途径Ⅱ所示的木糖代谢通路。但该酿酒酵母并没有表现出比野生型酿酒酵母更优良的木糖利用率和乙醇产率。其原因可能是:导入XⅠ酶基因的酿酒酵母转运木糖的效率并没有提高;XⅠ酶最适反应温度偏高,该酿酒酵母并不能为木糖转运过程和XⅠ酶活性提供最适的反应温度。 [素能培优练] 8.凝乳酶是奶酪生产中的关键性酶。科学家采用蛋白质工程技术对凝乳酶进行改造,将其第20位和第24位氨基酸改变为半胱氨酸,催化能力提高了2倍。下列叙述不正确的是(　　) A.该技术需要先预期蛋白质的功能 B.该技术直接操作对象是凝乳酶基因 C.该技术可直接在体外合成凝乳酶 D.改造后的凝乳酶需进行生物功能检测 C 解析:采用蛋白质工程技术对凝乳酶进行改造之前需要先预期蛋白质的功能,A正确;该技术的直接操作对象是凝乳酶基因,B正确;该技术不能直接在体外合成凝乳酶,而是对凝乳酶基因进行改造,实现对凝乳酶的改造,C错误;改造后的凝乳酶需进行生物功能检测,以确保获得预期的凝乳酶,D正确。 9.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。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 A 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,虽然合成了改造的基因,但它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。 10.干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白,在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸(密码子:UGU、UGC)变成丝氨酸(密码子:UCU、UCC、UCA、UCG),就可以延长干扰素的体外保存时间。现采用如图方法对干扰素进行改造。下列相关叙述错误的是 (　　) A.预期新的干扰素的功能以干扰素基因的结构和功能的关系为基础 B.对干扰素基因进行定点突变(C→G)来实现碱基的替换 C.新的干扰素基因必须插入到载体的启动子和终止子之间才能表达 D.以上过程属于蛋白质工程,实质是改造干扰素基因的结构 答案:A 解析:蛋白质工程的目的是根据人们对蛋白质的功能需求改造或制造蛋白质,理论基础是蛋白质的结构与功能相适应,A错误;比较半胱氨酸和丝氨酸的密码子,若第二个碱基由G替换为C,就可引起氨基酸的替换,所以基因上发生定点突变(C→G),可实现基因的改造,B正确;基因的表达需要启动子和终止子,新的干扰素基因必须插入到载体的启动子和终止子之间才能表达,C正确;蛋白质工程的实质是对基因进行操作,操作简单,且能遗传给后代,即图中改造干扰素结构的实质是改造干扰素基因的结构,D正确。 11.(多选)地球上纤维素含量丰富,其酶解产物利用广泛,但由于纤维素酶催化活性低下、持续催化能力较弱等,导致生产成本过高以至于影响了其实际应用,采用蛋白质工程技术对纤维素酶进行分子改造是避免上述问题的一种有效方式。下列相关叙述正确的是(　 　) A.通过蛋白质工程技术改造纤维素酶不需要对基因进行操作 B.与基因工程相比,通过蛋白质工程可以生产自然界没有的纤维素酶 C.设计预期蛋白质结构和推测应有的氨基酸序列是蛋白质工程的重要步骤 D.改变DNA序列可以改变纤维素酶的氨基酸序列,实现纤维素酶功能的改变 BCD 解析:蛋白质工程是通过基因改造或基因合成对现有蛋白质进行改造或合成新蛋白,需要对基因进行操作,A错误;与基因工程相比,蛋白质工程对基因进行了改造,可以生产自然界没有的蛋白质(纤维素酶的本质是蛋白质),B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,通过基因改造或基因合成,对现有蛋白质进行改造,制造一种新的蛋白质,设计预期蛋白质结构和推测应有的氨基酸序列是蛋白质工程的重要步骤,C正确;结构决定功能,改变DNA序列可以改变纤维素酶的氨基酸序列,实现纤维素酶功能的改变,D正确。 12.(多选)重叠延伸PCR技术是设计含突 变点的互补核苷酸片段作为引物,在PCR 过程中,互补的核苷酸片段形成重叠,重 叠的部分互为模板,通过多次PCR扩增, 从而获得突变基因的方法。科研人员将 枯草芽孢杆菌的甘油激酶的第270位氨 基酸M突变为I,构建出了对甘油高效利用的枯草芽孢杆菌。下列说法正确的是 (　　) A.通过PCR1获得产物AB需要进行2轮PCR扩增 B.无法通过AB下链和CD上链获得突变产物AD C.在同一反应体系中加入四种引物可以同时获得大量产物AB和CD D.通过重叠延伸PCR技术对甘油激酶的改造属于蛋白质工程 答案:BD 解析:通过PCR1获得产物AB需要进行3轮PCR扩增,A错误;AB下链的延伸方向向左,CD上链的延伸方向向右,所以无法通过AB下链和CD上链获得突变产物AD,B正确;需要分别在不同的反应体系中通过PCR获得AB和CD,C错误;通过重叠延伸PCR技术对甘油激酶的改造,创造了自然界不存在的蛋白质,属于蛋白质工程,D正确。 13.人体内的t⁃PA蛋白能高效降解血栓,是心肌梗死和脑血栓的急救药。然而,为心肌梗死患者注射大剂量的t⁃PA蛋白会诱发颅内出血。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基因进行序列改造,然后再采取传统的基因工程方法表达该改良基因,可以制造出性能优异的t⁃PA改良蛋白。如图是通过两次PCR操作,运用大引物进行定点突变获取t⁃PA改良基因和利用质粒pCLYⅡ构建含t⁃PA改良基因的重组质粒示意图。(注:一次PCR操作可进行多次循环) (1)科学家将t⁃PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸,生产出性能优良的t⁃PA突变蛋白属于　　　　工程。t⁃PA改良基因形成是t⁃PA基因发生了碱基的　　　　。  蛋白质 替换 (2)已知t⁃PA蛋白第84位是半胱氨酸,相应的基因模板链(图中t⁃PA基因的上链)上的碱基序列是ACA,丝氨酸的密码子是UCU。获取t⁃PA突变改良基因过程中需要以下三种引物: 引物Ⅰ:5'⁃CGCGAAA?AGACGGTTCA⁃3'(下划线?为突变基因位点) 引物Ⅱ:5'⁃ACCCGGGCGAACATCGTA⁃3'(下划线字母为XmaⅠ酶切序列) 引物Ⅲ:5'⁃GTAGATCTGGCCTCGAGTA⁃3'(下划线字母BglⅡ为酶切序列) 在上述引物中,引物Ⅰ中突变基因位点是　　碱基,第一次PCR操作中使用的引物有　　　。第二次PCR操作中使用的引物有　　,另外一种引物是大引物的　　　(填“①”或“②”)链。  G Ⅰ和Ⅱ Ⅲ ② (3)PCR操作中退火的目的是　 　　　　　　　　　。第二次PCR过程中至少需要　　次循环才能获得双链等长t⁃PA改良基因。  (4)研究人员将重组质粒导入到大肠杆菌常用的方法是　　　　　　,转化后的大肠杆菌需接种在含有　　　　的培养基上进行筛选。对于该基因的检测,通常需进一步通过　 　　　　　鉴定,而不用PCR产物凝胶电泳的结果,原因是___________________________________________ 　　　　　　 　　　　　　　　　 　　。  使引物与单链DNA结合 2 Ca2+处理法 新霉素 (DNA)分子杂交 PCR产物凝胶电泳技术仅用于分析待测 DNA分子的大小,无法确定待测DNA分子的碱基序列 解析:(1)科学家将t⁃PA蛋白的第84位的半胱氨酸换成丝氨酸,生产出性能优良的t⁃PA改良蛋白属于蛋白质工程,t⁃PA改良基因形成是t⁃PA基因发生了碱基的替换。 (2)由图可知,突变上游引物(引物Ⅰ)是为引入突变碱基,已知图中t⁃PA基因的上链作为转录模板链,意味着目的基因片段的右侧要靠近启动子序列(图中质粒没有标明,设SmaⅠ左侧小箭头为启动子),第一次PCR右侧引物应该添加XmaⅠ限制酶识别序列,选择引物Ⅱ,后来成为大引物②,也就是第二次PCR右侧的引物。目的基因片段的左侧要靠近终止子序列,第二次PCR左侧的引物添加BglⅡ限制酶识别序列(引物Ⅲ)。只有这样才能确保转录的时候是以t⁃PA基因的上链作为转录模板链。 (3)PCR操作中退火的目的是使引物与单链DNA结合。因本次目的基因使用的是t⁃PA基因,第二次PCR过程中至少需要2次循环才能获得双链等长t⁃PA改良基因。 (4)研究人员将重组质粒导入到大肠杆菌常用的方法是Ca2+处理法,质粒上的标记基因是新霉素抗性基因,转化后的大肠杆菌需接种在含新霉素的培养基上进行筛选。对于该基因的检测,通常需进一步通过(DNA)分子杂交鉴定,而不用PCR产物凝胶电泳的结果,原因是PCR产物凝胶电泳技术仅用于分析待测DNA分子的大小,无法确定待测DNA分子的碱基序列。 $$