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3.4蛋白质工程的原理和应用学案
【预习新知】
（一）蛋白质工程崛起的缘由
1．蛋白质工程
（1）基础：蛋白质分子的 及其与 的关系。
（2）手段：通过 或 ，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质。
（3）目的：获得满足人类的生产和生活需求的 。
2.蛋白质工程崛起的缘由
（1）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 。
（2）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
（3）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。
（4）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
1.目标:根据人们对蛋白质 的特定需求,对蛋白质的 行设计改造。
2.方法:改造或合成 。
3.基本思路:
填一填:基于蛋白质的合成过程和蛋白质工程的基本思路,完成下列填空。
① ② ③ ④
A推测应有的
B找到并改变 或合成新的
C D
（三）蛋白质工程的应用
1.医药工业方面
（1）研发速效胰岛素类似物
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体→预期功能：______胰岛素的聚合作用→设计结构：改变B链第20～29位氨基酸组成→推测序列：B28位脯氨酸替换为____________或将它与B29位的____________交换位置→改造形成新胰岛素基因→转录形成mRNA→翻译形成多肽链→折叠形成____________→行使功能：有效______胰岛素的聚合。
（2）延长干扰素体外保存时间
天然干扰素不易保存→预期功能：______保存时间→设计结构：氨基酸替换→推测序列：一个半胱氨酸变成____________→改造形成新干扰素基因→转录形成mRNA→翻译形成多肽链→折叠形成____________→行使功能：在______下可以保存半年。
（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
通过____________，将小鼠抗体上结合______的区域（即可变区）“嫁接”到人的______（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会______很多。
2.其他工业方面
蛋白质工程被广泛用于__________________或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。
3.农业方面
（1）______某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。
（2）利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的______，使它防治病虫害的效果______。
蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的____________，而这种____________往往十分复杂。要设计出更加符合____________的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
【巩固训练】
1.基于AI（人工智能）的蛋白质设计方法可以利用现有蛋白质数据库以及机器深度“学习算法”来预测新型蛋白质的结构及功能。下列说法错误的是( )
A. AI可帮助人们更深入了解蛋白质的结构与功能关系
B. AI预测新型蛋白质的结构和功能依据原理是中心法则
C. 可通过改造或合成基因来获得AI设计的蛋白质
D. AI可帮助人们高效地设计出自然界没有的蛋白质
2.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。1987年福什特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
3.随着蛋白质工程技术的发展，科研工作者对荧光蛋白的结构进行设计、改造和模拟，赋予其新的性质和功能，拓宽其在生物传感、生物成像等生命领域的应用。下列叙述错误的是( )
A.蛋白质工程可合成天然不存在的荧光蛋白
B.合成新荧光蛋白的过程中涉及到中心法则
C.蛋白质工程的实质是通过改变氨基酸的结构来改变荧光蛋白的功能
D.蛋白质工程能定向改造荧光蛋白分子结构，使之更加符合人类需要
4.枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化蛋白质分解的特性，但极易被氧化而失效。1985年，科学家埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替换后，其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有效除去血渍、奶渍等蛋白质污渍。下列相关叙述中错误的是( )
A.蛋白酶的改造属于蛋白质工程，自然界中的酶都可通过蛋白质工程进行改造
B.改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因至少有1个碱基对发生了变化
C.蛋白质工程的操作流程与中心法则的流动方向相反，即蛋白质→mRNA→DNA
D.该技术可通过基因修饰或合成构建出一种自然界中原先不存在的全新的基因
5.新冠病毒是一种RNA病毒，极易产生变异，其通过表面刺突蛋白（S蛋白）的受体结合域（RBD）与人体细胞表面的ACE2受体相互作用而感染细胞。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RBD紧密结合，以干扰新冠病毒的感染。下列有关说法错误的是( )
A.LCB1的作用效应与抗S蛋白抗体类似
B.LCB1可以通过细胞中原有的基因表达产生
C.LCB1的设计和合成遵循中心法则
D.LCB1的设计和合成是通过蛋白质工程实现的
6.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一样坚韧的丝。此过程运用的技术及流程分别是( )
A.基因突变；DNA→RNA→蛋白质
B.基因工程；RNA→RNA→蛋白质
C.基因工程；DNA→RNA→蛋白质
D.蛋白质工程；蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质
7.如何更快速、准确地确定蛋白质的三维空间结构，这一直是生命科学领域的研究热点和难点。人工智能程序AlphaFold2对大部分蛋白质结构的预测极为精准，接近真实的蛋白质结构，达到了人类利用冷冻电镜等复杂仪器观察预测的水平。下列相关叙述不正确的是( )
A.蛋白质的氨基酸序列是预测其空间结构的重要基础
B.预测、设计并制造新蛋白质的技术属于蛋白质工程
C.结构预测有助于人们揭示蛋白质分子间相互作用的机制
D.依据新蛋白质的氨基酸序列能推出唯一的基因序列
8.将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞，可以提高玉米中的赖氨酸含量；更换赖氨酸形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中的个别氨基酸，使两种酶的活性提高，也可以提高玉米中的赖氨酸含量。以上两种技术分别属于( )
A.基因工程、基因工程 B.蛋白质工程、蛋白质工程
C.基因工程、蛋白质工程 D.蛋白质工程、基因工程
9.下列有关蛋白质工程的叙述错误的是( )
A.通过蛋白质工程能生产出自然界没有的蛋白质
B.可以直接对蛋白质的部分氨基酸进行替换
C.蛋白质工程与天然合成蛋白质的遗传信息流向有所不同
D.改造时可对相关蛋白质的基因的碱基对进行替换
10.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺，可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是( )
A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D.蛋白质
参考答案
1.答案：B
解析：A、AI确实可以帮助人们深入了解蛋白质分子结构和功能的关系。通过预测蛋白质的结构，科学家可以更好地理解其功能，以及如何与其他分子相互作用，A正确； B、A预测新型蛋白质的结构和功能并不是依据中心法则。中心法则指的是DNA转录成RNA，然后RNA翻译成蛋白质的过程。而AI预测蛋白质结构的原理是基于大量的生物信息数据和复杂的算法，根据氨基酸序列预测蛋白质的三维结构。这个过程与中心法则无关，而是Al技术的应用，B错误； C、AI设计的蛋白质序列可以通过基因工程方法表达出来，C正确；D、利用A的计算能力，可帮助人们高效地设计出自然界没有的蛋白质，D正确。
故选：B。
2.答案：A
解析：A、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；B、该成果培育了新品种，而不是新物种，B错误；C、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；D、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，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。故选:A。
3.答案：C
解析：A、蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造，所以蛋白质工程可合成天然不存在的荧光蛋白，A正确；
B、合成新荧光蛋白的过程中涉及转录和翻译等过程，涉及到中心法则，B正确；
C、蛋白质工程的实质是通过改变蛋白质的结构来改变荧光蛋白的功能，C错误；
D、蛋白质工程能按照人们的意愿定向改造蛋白质分子结构，使之更加符合人类需要，D正确。故选C。
4.答案：A
解析：蛋白酶的改造属于蛋白质工程，酶的化学本质大多数是蛋白质，少数是 RNA， 蛋白质工程只能用于改造蛋白质类酶，A 项错误；枯草杆菌蛋白酶分子中的第 222 位氨基酸 替换，则碱基序列发生了改变，所以改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因至少有 1 个碱基对发生了变化，B 项正确；蛋白质工程基本途径：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，推测 mRNA 序列，找到相对应的脱氧核苷酸序列（基 因），即蛋白质工程的操作流程与中心法则的流动方向相反，即蛋白质→mRNA→DNA，C 项正 确；获得新型的枯草杆菌蛋白酶的基本思路是从预期的蛋白质功能出发，设计预期蛋白质的 结构，推测应有的氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后对现有的基因进 行改造或利用 DNA 合成仪合成出基因，D 项正确。
5.答案：B
解析：A、LCB1能S蛋白结合,干扰新冠病毒对人体细胞的感染,说明其作用与抗体类似,A正确;B、LCB1是人工设计并合成的一种自然界不存在的蛋白质,故LCB1并不是通过细胞中原有的基因表达产生的,B错误;C、LCB1的设计和合成属于蛋白质工程,遵循中心法则,C正确;D、基因工程只能合成自然界已经存在的蛋白质,而LCB1蛋白药物是自然界不存在的,是通过蛋白质工程设计和合成的,D正确。故选:B。
6.答案：D
解析：根据题干信息“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”可知，该过程运用的技术是蛋白质工程，操作的流程是蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质，D正确。
7.答案：D
解析：天然蛋白质合成过程中要先形成具有特定氨基酸序列的多肽链，再形成具有高级结构的蛋白质，蛋白质的氨基酸序列是预测其空间结构的重要基础，A正确；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作为基础，通过改造或合成基因来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求，预测、设计并制造新蛋白质的技术属于蛋白质工程，B正确；结构决定功能，结构预测有助于人们了解蛋白质如何行使其功能，揭示蛋白质分子间相互作用的机制，C正确；一个氨基酸对应的密码子可能有多个，因此依据新蛋白质的氨基酸序列可能推出多个基因序列，D错误。
8.答案：C
解析：富含赖氨酸的蛋白质是自然界中已有的蛋白质，基因工程可以把该蛋白质编码基因转入玉米细胞，并使之合成该蛋白质；更换赖氨酸合成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，是对自然界中已有的蛋白质进行改造，属于蛋白质工程。
9.答案：B
解析：A、蛋白质工程能生产出自然界没有的新型蛋白质，A正确；
B、蛋白质工程为第二代基因工程，操作对象依然是基因，故不可以直接对蛋白质的部分氨基酸进行替换，B错误；
C、天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的，而蛋白质工程却与之相反，C正确；
D、蛋白质工程操作的对象为基因，故改造时可对相关蛋白质的基因的碱基对进行替换，D正确。
故选B。
10.答案：A
解析：蛋白质工程的直接操作对象是基因。

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