资源简介

3.4蛋白质工程的原理和应用
学习目标
1、举例说出基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。
2、认同基因工程的应用价值。
3、关注基因工程的进展。
基础梳理
是指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_________或基因合成对现有蛋白质进行改造，或制造一种______________，以满足人类的生产和生活的需求。
理论和技术条件：_________________、__________________以及____________________技术的迅猛发展。
（一）蛋白质工程崛起的缘由
基因工程的实质：将一种生物的_______________转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的___________________，进而表现出______________________。
基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界中____________________的蛋白质。
天然蛋白质的不足：天然蛋白质的结构和功能符合____________生存的需要，却不一定完全符合_____________________的需要。
实例：玉米中赖氨酸的含量比较低，赖氨酸合成中两种酶的____________________被替换，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。
（二）蛋白质工程的基本原理
天然蛋白质合成的过程是按照_______________进行的：基因→表达（________________）→形成具有特定__________________的多肽链→形成具有高级结构的_________________→行使生物功能。
预期蛋白质功能→设计预期的____________________→推测应有的__________________序列→找到相对应的____________________序列（基因）或合成新的_________________→获得所需要的蛋白质。
（三）蛋白质工程的应用
研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造________________使B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了_________________________，研发出速效胰岛素类似物。
提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个_____________变成__________________，提高了干扰素的保存时间。
随堂训练
1.下列有关蛋白质工程的叙述，错误的是( )
A.是对蛋白质进行直接改造，无需构建基因表达载体
B.可制造出新的蛋白质，满足人类的生产和生活的需求
C.制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点
D.可提高干扰素的稳定性和赖氨酸合成酶的专一活性
2.β葡聚糖酶是一种在酒类、饲料等行业中具有重要用途的工业用酶。为提高β葡聚糖酶的催化活性，科学家将其第 20位、117 位和165位赖氨酸突变为丝氨酸。下列有关叙述错误的是( )
A.对 β葡聚糖酶结构的改造属于蛋白质工程
B.蛋白质工程是在蛋白质分子水平上进行氨基酸的增减、替换等操作
C.改造后的β葡聚糖酶空间结构发生了改变
D.可通过 DNA分子测序法检测突变是否成功
3.蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代,为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。下列有关蛋白质工程的叙述错误的是( )
A.蛋白质工程的崛起源于天然蛋白质不一定符合人类需求
B.蛋白质工程目标的实现必须通过改造或合成基因来完成
C.蛋白质工程难度大主要是由于多数氨基酸由多种密码子决定
D.蛋白质工程能生产出自然界中不存在的新型蛋白质分子
4.科学家将葡萄糖异构酶中的第138位甘氨酸用脯氨酸替代，结果它的最适温度提高了10~12℃。据分析，脯氨酸替代甘氨酸后，由于引入了一个吡咯环侧链，刚好填充了在第138位甘氨酸附近的空洞，使蛋白质空间结构更具刚性，从而提高了酶的热稳定性。下列说法正确的是( )
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.对葡萄糖异构酶的改造需要进行蛋白质结构的设计
C.蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具
D.经蛋白质工程改造后的葡萄糖异构酶热稳定性提高这一性状不可遗传
5.玉米中赖氨酸含量比较低，形成机理如图所示，将天冬氨酸激酶（AK）第352位的苏氨酸变成异亮氨酸和将二氢吡啶二羧酸合成酶（DHDPS）第104位的天冬氨酸变成异亮氨酸，可以使玉米叶片和种子中游离的赖氨酸含量分别增加5倍和2倍。已知改造后的AK和DHDPS的活性均未发生明显变化，下列有关分析错误的是( )
A.玉米中赖氨酸含量比较低是负反馈调节的结果
B.分析上述材料可知，赖氨酸的高产可借助蛋白质工程实现
C.改造后的AK和DHDPS的空间结构发生改变
D.改造后的AK和DHDPS与赖氨酸的结合能力增强
6.新冠病毒是一种RNA病毒，极易产生变异。其表面刺突蛋白（S蛋白）的受体结合域（RBD）可与人体细胞表面的ACE2受体结合而感染细胞。科学家设计了一种自然界中不存在的蛋白质LCB1，可与S蛋白的RBD更为紧密的结合，以干扰新冠病毒感染。下列有关说法错误的是( )
A.LCB1结构的设计可参考S蛋白的RBD和人体细胞ACE2受体的结构进行
B.LCB1的生产可通过直接改造人体细胞内的某些基因来实现
C.LCB1的基本组成单位中可能含有自然界不存在的氨基酸
D.LCB1的设计和合成也遵循中心法则
答案
1.答案：A
解析：A、蛋白质工程实质是对相关基因进行直接改造,然后利用基因工程将目的基因导入受体细胞,并在受体细胞内表达,目的基因
导入受体细胞之前需先构建基因表达载体，A错误;
B、蛋白质工程可制造出新的蛋白质,满足人类的生产和生活的需求, B正确;
C、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正确;
D、蛋白质工程中通过改造相关基因可提高干扰素的稳定性和赖氨酸合成酶的专- 活性, D正确。
故选A。
2.答案：B
解析： A.若要改变蛋白质的功能，对蛋白质的氨基酸序列进行改造，这属于蛋白质工程，因此对β葡聚糖酶结构的改造属于蛋白质工程，A正确:
B、蛋白质工程是在基因分子水平上进行基因修饰或基因合成等操作，B错误;
C、根据题干“为提高葡聚糖酶的催化活性,科学家将其第20位、117位和165位赖氨酸突变为丝 氨酸”可知，氨基酸的列发生改变,因此改造后的葡聚糖酶空间结构也发生了改变, C正确;
D、蛋白质工程被称为第二代基因工程，因此可通过DNA分子测序法检测突变是否成功, D正确。
故选B。
3.答案：C
解析：天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，符合特定物种生存的需要，但不一定完全符合人类生产、生活的需求，A正确;基因指导蛋白质的合成，蛋白质工程实现改造蛋白质这一目标必须通过改造或合成基因来完成，B正确；蛋白质工程难度大主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂，C错误；蛋白质工程通过改造基因能生产出自然界中不曾存在的新型蛋白质分子，D正确。
4.答案：B
解析：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，A错误；对葡萄糖异构酶的改造属于蛋白质工程，需要以基因工程为基础，B正确；蛋白质工程要通过基因工程实施，需要酶和载体作为工具，C错误；蛋白质工程由于是对基因进行的改造，遗传物质已经改变，属于可以遗传的变异，D错误。
5.答案：D
解析：本题主要考查蛋白质工程的应用。分析题意和题图可知，由于存在负反馈调节，玉米中赖氨酸含量比较低，A正确；由题干“将天冬氨酸激酶（AK）第352位的苏氨酸变成异亮氨酸和将二氢吡啶二羧酸合成酶（DHDPS）第104位的天冬氨酸变成异亮氨酸，可以使玉米叶片和种子中游离的赖氨酸含量分别增加5倍和2倍”可知，赖氨酸的高产可借助蛋白质工程实现，而且改造后的AK和DHDPS的空间结构发生改变，但是改造后的AK和DHDPS与赖氨酸的结合能力减弱，负反馈调节减弱，故B、C正确，D错误。
6.答案：C
解析：分析题干可知，人工合成的LCB1可以与S蛋白的RBD结合，故LCB1可以依据S蛋白的RBD结构进行设计，同时S蛋白的RBD也可与人体细胞ACE2受体结合，所以LCB1结构的设计也可参考人体细胞ACE2受体的结构，A正确；LCB1的生产属于蛋白质工程，可通过直接改造人体细胞内的某些基因来实现，B正确；LCB1是人工设计并合成的一种自然界不存在的蛋白质，但合成蛋白质的氨基酸都是自然界存在的氨基酸，C错误；LCB1的设计和合成属于蛋白质工程，此过程遵循中心法则，D正确。

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