2019-2020学年人教版生物选修三课时分层作业4蛋白质工程的崛起

2019-2020学年人教版生物选修三课时分层作业4蛋白质工程的崛起

课时分层作业(四) (建议用时：35 分钟) [基础达标练] 1．下列哪项不是蛋白质工程的研究内容( ) A．分析蛋白质分子的精细结构 B．对蛋白质进行有目的的改造 C．分析氨基酸的化学组成 D．按照人的意愿将天然蛋白质改造成新的蛋白质 C [本题考查蛋白质工程的原理。蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构和 生物活性之间的关系，按照人的意愿改造蛋白质分子，形成自然界不存在的蛋白 质分子。为了改造某种蛋白质分子，必须对其精细结构进行分析，但不包括对组 成蛋白质的氨基酸的化学组成的分析。] 2．以下蛋白质工程中目前已成功的是( ) A．对胰岛素进行改造，生产速效型药品 B．蛋白质工程应用于微电子方面 C．用蛋白质工程生产高产赖氨酸玉米 D．生产生物体外耐保存的干扰素 A [蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多，A 项所述已 经成功。] 3．下列关于蛋白质工程应用的叙述不正确的是 ( ) A．蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳定性 B．通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性 C．利用蛋白质工程可以在大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素 D．蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰，合成速效型胰岛素制剂 C [蛋白质工程是依据人们设计的蛋白质分子的结构，来改造基因，进而控 制合成新的蛋白质或改变自然界中的蛋白质，而在大肠杆菌中生产人胰岛素利用 基因工程技术便可达到。] 4．下列操作中采用的技术或方法依次是 ( ) a．美国科学家将生长激素基因注入小白鼠的受精卵中，得到了体型巨大的 “超级小鼠” b．对胰岛素的改造 c．荷兰科学家将人乳高铁蛋白基因移植到牛体内，牛产出含高铁蛋白的牛奶 d．遨游过太空的青椒种子培育的“太空椒”比正常青椒大一倍 ①基因工程 ②蛋白质工程 ③诱变育种 ④杂交育种 A．②③②④ B．①①②③ C．①②①③ D．①②①④ C [a、c 均是将目的基因导入受体细胞中使其表达，均属于基因工程；b 对 胰岛素的改造是通过对控制胰岛素合成的基因进行改造，从而生产出新的胰岛素， 属于蛋白质工程；d 青椒种子在太空的微重力、空间辐射等条件下发生基因突变， 产生“太空椒”，属于诱变育种。] 5．科研人员利用相关技术改变了胰岛素 B 链的第 9 位氨基酸，从而避免了胰 岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述中，不正确的是( ) A．胰岛素的本质是蛋白质，不宜口服使用 B．可通过测定 DNA 的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．该过程的操作对象是胰岛素分子 D [胰岛素的本质是蛋白质，只能注射，不宜口服使用，A 正确；可通过测 定 DNA 的序列确定突变是否成功，B 正确；对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程， C 正确；蛋白质工程从属于基因工程，蛋白质工程的操作对象是基因，D 错误。] 6．合成自然界中不存在的蛋白质应首先设计 ( ) A．基因的结构 B．蛋白质的结构 C．氨基酸序列 D．mRNA 的结构 B [合成自然界中不存在的蛋白质应该采用蛋白质工程，而蛋白质工程的基 本途径为：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，找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。因此，合成自然界中不存在的蛋白 质应首先设计蛋白质的结构。] 7．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 C [紧扣蛋白质工程的流程(基本途径)进行分析。由题可知，多肽 P1 为抗菌 性和溶血性均较强的多肽，要设计出抗菌性强但溶血性弱的多肽，即在 P1 的基础 上设计出自然界原本不存在的蛋白质，用蛋白质工程技术可以实现。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。故要想在 P1 的基础上研发抗菌性强 但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是依据 P1 的氨基酸序列设计出多条模拟肽， 然后进行改造，从而确定抗菌性强但溶血性弱的多肽的氨基酸序列。] 8．下列有关蛋白质工程的进展和应用前景的叙述中，不正确的是( ) A．通过对基因结构的定点突变实现玉米赖氨酸合成的关键酶结构的改造属于 蛋白质工程 B．将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内，使大肠杆菌生产人的胰岛素的技 术属于蛋白质工程 C．对蛋白质进行分子设计必须从蛋白质的功能特点入手 D．通过对基因结构的改造生产出自然界中从未存在的蛋白质种类目前还很少 B [通过对基因结构的改变实现对赖氨酸合成关键酶结构的改造属于蛋白质 工程，A 正确；将人的基因导入大肠杆菌体内，使其生产大量胰岛素属于基因工 程，B 错误；对蛋白质进行分子设计必须从蛋白质的功能特点入手，设计预期的 蛋白质结构，C 正确；通过对基因结构的改造生产出新型蛋白质的种类不多，原 则上只能生产自然界已存在的蛋白质，D 正确。] 9．猪的胰岛素用于降低人体血糖浓度效果不明显，原因是猪胰岛素分子中有 一个氨基酸与人的不同。为了使猪胰岛素用于临床治疗糖尿病，用蛋白质工程的 蛋白质分子设计的最佳方案是( ) A．对猪胰岛素中不同于人的那个氨基酸进行替换 B．将猪胰岛素和人胰岛素进行拼接组成新的胰岛素 C．将猪和人的胰岛素混合在一起治疗糖尿病 D．根据人的胰岛素设计制造一种全新的胰岛素 A [由于猪胰岛素分子中只有一个氨基酸与人胰岛素不同，所以蛋白质工程 中蛋白质的分子设计，只需替换这一个不同的氨基酸即可。虽然根据人胰岛素分 子的结构设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗，但分子设计和胰岛素的生 产方面都存在很多困难，所以不是最佳方案。] 10．胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射入人体后，会堆积在皮 下，要经过较长时间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易分解，因此治疗 效果受到影响。下图是用蛋白质工程设计的速效胰岛素的生产过程，请据图回答 有关问题。 (1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主 要依据是_________________________________。 (2)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是：根据新的胰岛 素的__________推测出其基因中的______________，然后利用______________来 合成新的基因。 (3)新的胰岛素基因与运载体(质粒)结合过程中需要_______酶和____________ 酶。 (4)若将含有新的胰岛素基因的表达载体导入植物细胞中，最常用的有效做法 是________________________。 (5) 若 要 利 用 大 肠 杆 菌 生 产 速 效 胰 岛 素 ， 需 用 到 的 生 物 工 程 有 ________________、________________和发酵工程。 [解析] (1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白 质结构进行分子设计，因此，题图中构建新的胰岛素模型的依据是预期胰岛素的 功能。 (2)由新的蛋白质模型到构建新的基因，其基本设计思路是根据新的蛋白质中 氨基酸的序列，推测出基因中的脱氧核苷酸序列，然后用 DNA 合成仪直接合成出 新的基因。利用蛋白质工程生产自然界原本不存在的蛋白质，需对原有的胰岛素 进行改造，根据新的胰岛素中氨基酸的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列， 人工合成新的胰岛素基因，形成目的基因。 (3)合成的目的基因应与载体构建基因表达载体，需要用限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶，然后将基因表达载体导入受体细胞中才能得以表达。 (4)把基因表达载体导入植物细胞的常用方法是农杆菌转化法。 (5)改造好的目的基因需通过基因工程来生产基因产物，并且在生产过程中要 借助工程菌，所以还需要进行发酵。因此该过程涉及蛋白质工程、基因工程和发 酵工程。 [答案] (1)蛋白质的预期功能 (2)氨基酸的序列 脱氧核苷酸序列 DNA 合 成仪 (3)限制性核酸内切 DNA 连接 (4)农杆菌转化法 (5)蛋白质工程 基因 工程 [能力提升练] 11．下列关于蛋白质工程说法不正确的是( ) A．蛋白质工程能将人抗体某些区段替代鼠单克隆抗体的区段，降低鼠单克隆 抗体免疫原性 B．蛋白质工程可对酶的催化活性、底物专一性、抗氧化性、热变性、碱变性 等加以改变 C．理论上通过对关键氨基酸的置换与增删是进行蛋白质工程的唯一方法 D．蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要 C [蛋白质工程的类型主要有两种：一是从头设计，即完全按照人的意愿设 计合成蛋白质；二是定点突变与局部修饰，即在已有的蛋白质基础上，只进行局 部的修饰，通过一个或几个碱基定点突变，以达到修饰蛋白质分子结构的目的，A 正确；蛋白质工程可对酶的催化活性、底物专一性、抗氧化性、热变性、碱变性 等加以改变，B 正确；蛋白质工程是指以蛋白质的结构规律及其与生物功能的关 系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行基因改造，或制造一 种新的蛋白质，C 错误；蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需 要，D 正确。] 12．1983 年，美国某基因公司的一名科学家提出了蛋白质工程这一名词。随 着分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展，蛋白质工程已取得了很大的 进展，下列有关蛋白质工程的叙述，不正确的是( ) A．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， 在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程 B．用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点 C．对天然蛋白质进行改造，是直接对该蛋白质分子进行操作 D．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 C [蛋白质工程被称为第二代基因工程，A 正确；用蛋白质工程方法制成的 电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点，B 正确；对天然蛋白质进行改 造，直接作用的对象是基因，C 错误；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，D 正确。] 13．2007 年诺贝尔生理学或医学奖授予在“基因靶向”技术方面作出突出贡 献的三位科学家。“基因靶向”技术指的是应用 DNA 同源重组原理，通过一定的 载体，用设计好的目的基因替代靶基因，从而达到使靶基因功能丧失的目的。借 助这一技术，科学家可以用小鼠进行实验，使其体内的某项特定基因丧失功能， 以帮助人们找到治疗疾病的有效方法。下面是该实验的基本过程，请回答有关问 题。 (1)获取目的基因。 ①目的基因是靶基因的同源片段。经过修饰使靶基因的功能改变或丧失，就 可获得目的基因。如果要获得活性降低了的 X 酶蛋白的目的基因，可以采用蛋白 质工程技术，请简述其过程。 _______________________________________________________ _____________________________________________________。 ②为了提高实验成功率，需要通过 PCR 技术获得目的基因的大量拷贝。与体 内 DNA 复 制 相 比 ， PCR 反 应 体 系 需 加 入 哪 两 种 特 别 的 物 质 ？ ____________________________________________________ _____________________________________________________。 (2)构建基因表达载体。质粒是具有自我复制能力的双链环状 DNA，它所具有 的一至多个________位点，使目的基因插入其中成为可能，因此常被选作载体。 (3)将基因表达载体导入胚胎干细胞，从中筛选出成功发生了同源重组的胚胎 干细胞，然后培育出小鼠。 (4)通过检测目的基因是否表达出蛋白质产品，可以确定该小鼠体内是否成功 发生了基因的同源重组。请简述这种检测方法。 _____________________________________________________。 [解析] 本题重点考查了蛋白质工程的基本原理及其应用。基因工程遵循中心 法则，中心法则告诉我们遗传信息的流动方向如图所示： 间结构的蛋白质―→表达生物特有的功能或性状 基因工程基本上是生产出自然界已有的蛋白质。而蛋白质工程是基因工程的 延伸和发展，其原理基本上是中心法则的逆推：确定蛋白质的功能→蛋白质应有 的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列， 所以蛋白质工程可以创造出自然界不存在的蛋白质。 [答案] (1)①X 酶蛋白的功能分析→X 酶蛋白的三维结构预测和设计→X 酶 多肽的氨基酸序列设计→X 酶基因的改造 ②两种引物、耐热的 DNA 聚合酶(Taq 酶) (2)限制酶切割 (4)提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原—抗体杂交 14．从牛胃液中分离到的凝乳酶以催化能力强而被广泛应用，研究人员运用 基因工程技术，将编码该酶的基因转移到了微生物细胞中。请回答下列问题。 (1)从牛胃细胞中提取________，再反转录形成 cDNA。以此 cDNA 为模板通 过 PCR 扩 增 目 的 基 因 ， 有 时 需 要 在 引 物 的 5′ 端 设 计________( 填 “ 限 制 酶”“DNA 连接酶”或“RNA 聚合酶”)的识别序列，以便构建重组 DNA 分子。 (2)构建重组 DNA 分子(如图所示)最好选用________(填限制酶种类)，理由是 __________________________________________。 (3)工业化生产过程中，最初多采用重组大肠杆菌或芽孢杆菌生产凝乳酶，现 多采用重组毛霉生产，毛霉作为受体细胞的优势是 _______________________________________________________ _______________________________________________________ _____________________________________________________。 (4)研究发现，如果将该凝乳酶第 20 位和 24 位氨基酸变为半胱氨酸，其催化 能力将提高 2 倍。通过蛋白质工程生产高效凝乳酶，所需步骤有________(按步骤 的先后顺序填写字母)。 a．蛋白质的结构设计 b．蛋白质的结构和功能分析 c．蛋白质结构的定向改造 d．凝乳酶基因的定向改造 e．将改造后的凝乳酶基因导入受体细胞 f．将定向改造的凝乳酶导入受体细胞 [解析] (1)制备 cDNA，需以 mRNA 为模板。构建重组 DNA 分子，需用相 同的限制酶切割质粒和目的基因，因此需在引物的 5′端设计限制酶识别序列。(2) 分析题图，目的基因内部存在 EcoR Ⅰ切割位点，将目的基因从 DNA 上切下并保 持其完整性需用 BamH Ⅰ和 Pst Ⅰ这两种限制酶，这样可以防止自身的黏性末端 连接和目的基因与载体反向连接。(3)凝乳酶为分泌蛋白，其合成需要内质网和高 尔基体加工和修饰，而大肠杆菌或芽孢杆菌为细菌，不具有这两种细胞器，毛霉 为真菌，具有这两种细胞器。(4)蛋白质工程的过程为根据蛋白质的结构和功能， 设计蛋白质的结构，再对目的基因进行定向改造，然后将目的基因导入受体细胞。 [答案] (1)mRNA 限制酶 (2)BamH Ⅰ和 Pst Ⅰ 不破坏目的基因，并能提 高重组 DNA 分子的比例(防止自身的黏性末端连接，防止目的基因与载体反向连 接) (3)含有内质网和高尔基体，可对蛋白质进行加工和修饰 (4)b、a、d、e 15．干扰素是动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体 外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在－70 ℃条 件下保存半年，给广大患者带来福音。 (1)蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成“可以保存的干扰 素”的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产“可 以保存的干扰素”：(填写在方框内) ――→设计 ――→推测 ――→找到 (2) 基 因 工 程 和 蛋 白 质 工 程 相 比 较 ， 基 因 工 程 在 原 则 上 只 能 生 产 ________________的蛋白质，不一定符合________________的需要。而蛋白质工 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 ________________或________________，对现有蛋白质进行________________或 制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。 (3)蛋白质工程实施的难度很大，主要原因是蛋白质具有十分复杂的________ 结构。 (4)对天然蛋白质进行改造，应该直接对蛋白质分子进行操作，还是对基因进 行操作来实现？________。其原因是_____(答出 1 点即可)。 [解析] (1)蛋白质工程的前期操作流程是：预期蛋白质的功能→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。(2)基因工 程只能生产自然界已存在的蛋白质，这种蛋白质可能不符合人类生产和生活的需 要，而蛋白质工程既可以通过基因修饰(改造)生产出改造后的符合需要的蛋白质， 也可以通过基因合成生产出自然界不存在的符合需要的蛋白质。(3)蛋白质的空间 结构十分复杂，根据预期功能来推测蛋白质结构相当困难。(4)蛋白质工程直接操 作的对象是基因，应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。①任何一 种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因也就是对蛋白质进行了改造，而且 改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去；如果对蛋白质直接改造，即使 改造成功，被改造过的蛋白质分子也无法遗传。②对基因进行改造比对蛋白质直 接进行改造要容易操作，难度要小得多。 [答案] (1)预期蛋白质的功能 预期的蛋白质结构 应有的氨基酸序列 相 对应的脱氧核苷酸序列(基因) (2)自然界已存在 人类生产和生活 基因修饰 基因合成 改造 (3)空间(或高级) (4)对基因进行操作 改造基因才会遗传，改 造蛋白质不遗传(或基因改造比蛋白质改造容易操作)