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3.3蛋白质工程——2024—2025学年高二生物学苏教版（2019）选择性必修三随堂练习
一、单选题
1．近年来，人工智能（AI）算法在蛋白质工程领域的应用已经被开发，下列关于AI算法在蛋白质工程领域应用的设想中，实现难度最大的是( )
A.根据人类对蛋白质的功能需求设计蛋白质的高级结构
B.根据蛋白质的空间结构推测其氨基酸序列
C.按照设定的氨基酸序列推测mRNA的碱基序列
D.按照设定的mRNA的碱基序列设计新基因
2．关于蛋白质工程的基本流程，下列叙述正确的是 ( )
①设计预期蛋白质分子结构
②推测氨基酸序列
③预期蛋白质功能
④找出相应脱氧核苷酸序列
A.③→①→②→④ B.④→②→①→③
C.①→②→③→④ D.③→④→①→②
3．以下有关蛋白质工程的叙述，不正确的是( )
A.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
B.蛋白质工程的原理是从预期的蛋白质结构出发最终找到脱氧核苷酸序列的过程
C.干扰素结构中改变某个氨基酸提高了它的保存时间是蛋白质工程应用的体现
D.蛋白质工程不是对蛋白质结构的直接改造，蛋白质工程产生的变异可以遗传
4．蛋白质工程又称第二代基因工程，人工智能（AI）算法在蛋白质工程领域的应用已经被开发，下图为蛋白质工程的流程，下列相关叙述错误的是( )
A.蛋白质工程是基因工程的延伸，不需要对基因进行操作，直接对蛋白质进行加工改造
B.蛋白质工程可根据人类生产和生活的需要，设计并制造出自然界不存在的新的蛋白质
C.蛋白质工程可对药用蛋白进行改造，使其更好地用于人类疾病的治疗
D.AI算法在蛋白质工程领域应用的设想中，实现难度最大的是过程④
5．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
6．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。下列叙述错误的是( )
A.改造纤维素酶也需要构建基因表达载体
B.对纤维素酶的改造是通过直接改造mRNA实现的
C.经改造后的纤维素酶热稳定性提高这一性状可遗传
D.蛋白质工程可以改造现有蛋白质或者制造新的蛋白质
7．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。下列叙述正确的是( )
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
D.蛋白质工程与中心法则的信息流动方向一致，即DNA→mRNA→蛋白质
8．为提高玉米中赖氨酸含量，科学家计划将玉米细胞中天冬氨酸激酶的第352位苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶的第104位天冬酰胺变成异亮氨酸。下列操作思路中最合理的是( )
A.直接改造上述两种蛋白质的空间结构
B.对指导上述两种酶合成的mRNA进行改造
C.对上述两种酶的基因进行定向改造
D.诱变处理促使上述两种酶的基因突变
9．T4溶菌酶是一种工业用酶，但在温度较高时容易失活。科学家利用蛋白质工程，将T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸，获得了耐高温的T4溶菌酶。下列叙述正确的是( )
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.自然界中所有的酶都可通过蛋白质工程进行改造
C.根据设计的T4溶菌酶的氨基酸序列只能推测出一种脱氧核苷酸序列
D.改造后的T4溶菌酶还需进一步测定酶活力等才能应用到生产实践中
10．科研人员以β-甘露葡萄糖酶为核心研究材料，在其N端找到了两个关键的氨基酸位点，将这两个位点的组氨酸和脯氨酸分别替换为酪氨酸后，其热稳定性得到了显著提高。下列说法正确的是( )
A.细胞内合成改造后的高热稳定性蛋白质的过程不遵循中心法则
B.替换蛋白质中的氨基酸实际可通过改造基因中的碱基序列实现
C.在分子水平上，可利用PCR等技术检测细胞内是否合成新的目的蛋白质
D.制备过程中应先获得目标蛋白质的三维结构，再预期其生物学功能
11．科学家通过蛋白质工程改造水蛭素（一种蛋白质），将其第47位的天冬酰胺替换为赖氨酸，从而显著提高了其抗凝血活性，操作流程图如下。下列有关叙述正确的是( )
A.被改造后的水蛭素是自然界没有的蛋白质
B.蛋白质工程可以直接从目的基因开始操作
C.改造过程的遗传信息传递方向是：氨基酸序列→mRNA碱基序列→目的基因碱基序列
D.通过蛋白质工程获得的蛋白质功能一定与预期的功能相同
12．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
13．科研人员借助蛋白质工程定向设计改变了胰岛素中的某些氨基酸，提高了胰岛素在患者体内的稳定性，延长了其作用时间。下列有关叙述错误的是( )
A.蛋白质工程的实质是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
B.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
C.改造胰岛素应首先从设计胰岛素基因中的脱氧核苷酸序列出发
D.蛋白质工程难度很大，因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构
14．下列关于蛋白质工程的叙述，不正确的是( )
A.可以根据人类的需要，设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质
B.可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域
C.可以通过基因工程间接地改造蛋白质中特定的一个或几个氨基酸
D.可以通过人工化学合成的方法直接对蛋白质的氨基酸进行改造
15．T4溶菌酶在高温时易失去活性。研究人员对编码T4溶菌酶的基因进行改造，使T4溶菌酶第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键，提高了酶的耐热性。下列叙述正确的是( )
A.该方法得到的T4溶菌酶不需要进行结构和催化功能的鉴定
B.若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响
C.T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸种类和数量发生了改变
D.T4溶菌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
二、多选题
16．水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究发现，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。下列叙述正确的是( )
A.水蛭素的改造属于蛋白质工程，自然界中的酶也都可通过该工程进行改造
B.水蛭素疗效提高的根本原因是水蛭素氨基酸的排列顺序发生了改变
C.用基因定点突变技术进行碱基的替换可实现水蛭素第47位氨基酸的替换
D.蛋白质工程可通过合成新基因进而制造出自然界中不存在的蛋白质
17．如图为蛋白质工程的基本操作过程。下列相关叙述正确的是( )
A.I表示预期蛋白质的功能，是蛋白质工程的起始步骤
B.步骤①②表示基因的表达，步骤⑤需要用逆转录酶
C.蛋白质复杂的高级结构导致蛋白质工程的难度较大
D.通过图示过程研发生产的速效胰岛素类似物产品已在临床上应用
三、读图填空题
18．转基因动物生物反应器是利用动物细胞、组织或器官制备各种外源基因表达产物的装置系统。有些天然蛋白质不符合人类生产和生活的需要，需要运用蛋白质工程技术，如图6是利用蛋白质工程等技术获得转基因动物生物反应器的流程图。回答下列问题:
(1)图中蛋白质工程基本思路中X是_________________; 基因表达载体除目的基因和标记基因外，还必须有_________等，构建成功后需要利用_________技术将其导入羊受精卵细胞。
(2)乳腺生物反应器的目的基因在乳腺中特异性表达，产物只存在乳汁中，但获得乳腺生物反应器需要在进行早期胚胎移植前进行_________鉴定等，而膀胱生物反应器指导目的基因表达产物分泌在尿液中，与乳腺生物反应器相比，优点有_________(答出2点)。
19．枯草杆菌蛋白酶广泛用于洗涤、制革、食品以及医疗等行业中。某研究小组利用蛋白质工程技术提高了枯草杆菌蛋白酶的催化活性。回答下列问题。
（1）蛋白质工程是指通过________或________，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。
（2）目的基因的获得是利用基因工程改造蛋白质的第一步，目前常用的获取目的基因的方法有________、________和________。
（3）为使目的基因与质粒连接，通常会用两种不同的________对质粒和目的基因两侧进行切割，其目的是________________。再用________处理形成重组质粒。
（4）研究小组将该蛋白酶中第188位丙氨酸替换为脯氨酸、第239位谷氨酰胺替换为精氨酸、第262位缬氨酸替换为亮氨酸，结果发现该酶的催化活性大幅度提高。其原因可能是________________________。
20．1965年中国科学家人工合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素，摘取了人工合成蛋白质的桂冠。此后科学家又提出了利用基因工程改造大肠杆菌生产人胰岛素的两种方法：AB法是根据胰岛素A、B两条肽链的氨基酸序列人工合成两种 DNA片段，利用工程菌分别合成两条肽链后将其混合自然形成胰岛素；BCA法是利用胰岛B细胞中的mRNA得到胰岛素基因，导入工程菌获得胰岛素。这两种方法使用同一种质粒作为载体。回答下列问题。
(1)AB 法中人工合成的两种 DNA片段均有多种可能的序列的原因是_________ (填“AB”、“BCA”或“AB和BCA”)法获取的目的基因中不含人胰岛素基因启动子。
(2)图中是利用基因工程生产人胰岛素过程中使用的质粒及目的基因的部分结构。为使目的基因与载体正确连接，在设计PCR 引物时可添加限制酶_____的识别序列。通过上述方法获得人的胰岛素基因后，需要通过PCR 技术进行扩增，已知胰岛素基因左端
①处的碱基序列为-CCTTTCAGCTCA-，则其中一种引物设计的序列是5’=3’
(3)科学家利用蛋白质工程技术，研制出了赖脯胰岛素，与天然胰岛素相比，其皮下注射后易吸收、起效快。写出获取赖脯胰岛素基因的流程：从预期的蛋白质功能出发→_________→__________→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列。
参考答案
1．答案：A
解析：根据中心法则逆推以确定目的基因的碱基序列：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）。其中根据人类对蛋白质的功能需求设计蛋白质的高级结构是最难实现的。A正确，BCD错误。故选A。
2．答案：A
解析：蛋白质工程的基本流程是：从③预期的蛋白质功能出发→①设计预期的蛋白质结构→②推测应有的氨基酸序列→④找到相对应的脱氧核苷酸序列，A正确，
故选A。
3．答案：B
解析：A、由分析可知，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，A正确；
B、蛋白质工程的原理是从预期的蛋白质功能出发，最终找到脱氧核苷酸序列的过程，B错误；
C、蛋白质工程可改变原有蛋白质的结构，故干扰素结构中改变某个氨基酸提高了它的保存时间是蛋白质工程应用的体现，C正确；
D、蛋白质工程不是对蛋白质结构的直接改造，而是对基因进行改造，蛋白质工程产生的变异可以遗传，D正确。
故选B。
4．答案：A
解析：A、蛋白质工程并不是直接对蛋白质进行加工修饰的，是通过基因修饰或基因合成等方法，对现有蛋白质进行改造，A错误;B、基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，蛋白质工程要改造现有的蛋白质产生自然界不存在的新蛋白质，或制造一种新的蛋白质，B正确;C、蛋白质工程可对药用蛋白如干扰素、抗体等进行改造，使其更好地用于人类疾病的治疗，C正确;D、蛋白质工程中难度最大的是根据人类对蛋白质的功能需求设计蛋白质的高级结构，即④是难度最大的过程，D正确。
5．答案：D
解析：蛋白质工程的基本途径是：①从预期蛋白质的功能出发→②设计预期蛋白质的结构→③推测应有的氨基酸序列→④找到相对应的脱氧核苷酸序列→⑤获得所需要的蛋白质，D正确。
故选D。
6．答案：B
解析：AB、蛋白质工程是对基因进行修饰改造或创造合成新基因（而不是直接改造mRNA实现的），然后进行表达，故必须构建基因表达载体，A正确，B错误； C、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，改造后的蛋白质的性状能遗传给子代，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； D、蛋白质工程获得的是自然界没有的蛋白质，蛋白质工程可以改造现有蛋白质或者制造新的蛋白质，D正确。
故选：B。
7．答案：B
解析：A、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，A错误；
B、蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，因此可以通过对Y蛋白基因改造或人工合成获得Y1蛋白基因，B正确；
C、蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是人类的意愿，C错误；
D、蛋白质工程与中心法则的信息流动方向相反，D错误。
故选B。
8．答案：C
解析：蛋白质的功能与其高级结构密切相关，而蛋白质的高级结构又非常复杂，直接对蛋白质进行改造非常困难，且即使改造成功，新的蛋白质也不能遗传，A不符合题意；直接改造相应的mRNA可以获得所需要的蛋白质，但改造后的mRNA不能遗传，B不符合题意；基因决定蛋白质的结构，要对蛋白质的结构进行定向改造，可通过定向改造基因来完成，故可对题述两种酶的基因进行定向改造，且改造后的基因可遗传，C符合题意；诱变处理会使基因发生不定向突变，不易获得符合要求的基因，D不符合题意。
9．答案：D
解析：
10．答案：B解析：细胞内蛋白质的合成过程都遵循中心法则,A项错误;PCR等技术能检测目的基因是否导人细胞或是否转录,检测细胞内是否合成新的蛋白质可使用抗原一抗体杂交法,C项错误;蛋白质工程的制备过程中要先预期目标蛋白质的生物学功能,再设计获得该蛋白质的三维结构,D项错误。
11．答案：A
解析：A、被改造后的水蛭素是通过蛋白质工程完成的，是自然界没有的蛋白质，A正确;B、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，B错误;C、改造过程的遗传信息传递方向是:DNA转录生成mRNA，再经过翻译生成蛋白质，C错误;D、通过蛋白质工程获得的蛋白质功能不一定符合预期的功能，D错误。故选A。
12．答案：B
解析：A、制造改良TPA的过程属于蛋白质工程，蛋白质工程修饰或合成的基因在复制和表达时仍然遵循中心法则，A错误；
B、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；
C、该实例中TPA基因不是增添碱基，而是替换碱基，C错误；
D、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。
故选B。
13．答案：C
解析：蛋白质工程又称为第二代基因工程，其实质是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，A正确；B正确；胰岛素属于蛋白质，改造胰岛素应首先从设计预期的蛋白质结构出发，C错误；多数蛋白质除具有一级结构（即氨基酸顺序）外，还具有复杂的高级结构，即空间结构，而很多蛋白质的空间结构是人们目前还不清楚的，因此实施蛋白质工程的难度很大，D正确。
14．答案：D
解析：蛋白质工程是根据人们的需求对蛋白质的结构进行设计改造，可以设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质，A正确；蛋白质工程可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域，B正确；蛋白质工程是通过直接改造基因实现的，从而可间接地改造蛋白质中特定的一个或几个氨基酸，C正确，D错误。
15．答案：B
解析：A、该方法得到的T4溶菌酶需要进行结构和催化功能的鉴定，A错误；B、结构决定功能，若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响，B正确；C、由题意可知，T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸种类及空间结构均发生了改变，C错误；D、T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程，酶大多是蛋白质，少数是RNA，蛋白质工程只能用于改造蛋白质类，D错误。故选B。
16．答案：CD
解析：A、自然界中的酶不能通过蛋白质工程进行改造，A错误； B、水蛭素疗效提高的根本原因是脱氧核苷酸的排列顺序发生了改变，B错误； C、用基因定点突变技术进行碱基的替换，则可实现水蛭素第47位氨基酸的替换，C正确； D、蛋白质工程可通过合成新基因进而制造出自然界中不存在的蛋白质，D正确。
故选：CD。
17．答案：ACD
解析：A、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，Ⅰ表示预期蛋白质的功能，是蛋白质工程的起始步骤，A正确；B、步骤①②表示基因的表达，步骤⑤是直接通过相应的脱氧核苷酸序列改造或合成基因，不需要逆转录酶，B错误； C、多数蛋白质除具有一级结构（即氨基酸顺序）外，还具有复杂的高级结构，即空间结构，而很多蛋白质的空间结构是人们目前还不清楚的，因此实施蛋白质工程的难度很大，C正确； D、通过图示过程（蛋白质工程）研发生产的速效胰岛素类似物产品已在临床上广泛应用， D正确。
故选：ACD。
18．答案：(1)推测对应的脱氧核苷酸序列(基因)；启动子、终止子；显微注射
(2)性别；没有性别上的要求、提取时间长、提取方便和产量高
解析：(1)蛋白质工程基本思路:从预期的蛋白质功能出发→设计预期蛋白质结构→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，因此图中蛋白质工程基本思路中X是推测对应的脱氧核苷酸序列(基因);基因表达载体除目的基因和标记基因外，还必须有启动子、终止子等，构建成功后需要利用显微注射法将其导入羊受精卵细胞。
(2)由于产物只存在乳汁中，因此获得乳腺生物反应器需要在进行早期胚胎移植前进行性别鉴定，而膀胱生物反应器指导目的基因表达产物分泌在尿液中，与乳腺生物反应器相比，优点有没有性别上的要求、提取时间长、提取方便和产量高。
19．答案：（1）基因修饰；基因合成
（2）从基因文库中获取；利用PCR技术扩增；人工合成
（3）限制性核酸内切酶；避免质粒的自我连接、目的基因的自我连接，确保目的基因的插入方向；DNA连接酶
（4）改变了蛋白酶的空间结构，提高了酶与底物的亲和力
解析：（1）蛋白质工程是指通过基因修饰或基因合成,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。
（2）获取目的基因的常用方法有从基因文库中获取、利用PCR技术扩增和人工合成。
（3）为使目的基因与质粒连接,通常会用两种不同的限制性核酸内切酶对质粒和目的基因两侧进行切割,其目的是避免质粒的自我连接、目的基因的自我连接,确保目的基因的插入方向。再用 DNA连接酶处理形成重组质粒。
（4）研究小组将该蛋白酶中第188位丙氨酸替换为脯氨酸、第239位谷氨酰胺替换为精氨酸、第262位缬氨酸替换为亮氨酸,结果发现该酶的催化活性大幅度提高,其原因可能是改变了蛋白酶的空间结构,提高了酶与底物的亲和力。
20．答案：(1)密码子的简并性;AB和BCA
(2)XhoⅠ和MunⅠ;-CTCGAGCCTTTCAGCTCA-
(3)设计预期的蛋白质结构;推测应有的氨基酸序列
解析：（1）由于密码子的简并性，一种氨基酸可能对应多种密码子，所以AB法中人工合成的两种DNA片段均有多种可能的序列。结合题干BCA法是通过从人体胰岛B细胞中的mRNA得到胰岛素基因，以及题干“AB法是根据胰岛素A、 B两条肽链的氨基酸序列人工合成两种DNA片段”，而在基因的结构中，启动子在非编码区，是不会被转录和翻译的，故AB和BCA法获取的目的基因中不含人胰岛素基因启动子。
（2）根据题图，对于目的基因，SalI和NheI的作用位点在目的基因中间，会破坏目的基因，则在引物设计时不能选择这两种限制酶，那么只能在hoI和MunI和EcoR I中选择，同时质粒上EcoR I的其中一个作用位点在标记基因上，所以只能选择XhoI和MunI两种限制酶，则需要在设计PCR引物时可添加限制酶XhoI和MunI的识别序列。已知胰岛素基因左端①处的碱基序列为-TTTAAAGGG-，其互补链的碱基序列为-AAATTTCCC-，在设计引物时需要添加限制酶XhoI和MunI的识别序列，根据两种酶在质粒上的位置上可知，XhoI识别序列需要添加在目的基因的左侧， MunI的识别序列需要添加在目的基因的右侧，由于DNA合成时，新链的延伸方向为5'→3'，即对应引物与模板链3'（①处互补的位置）碱基互补配对，所以对应引物设计的序列为5'-CTCGAGAAATTTCCC-3'。
（3）蛋白质工程的流程为：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→获得所需要的蛋白质。

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