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3.4蛋白质工程的原理和应用 同步课时作业
一、单项选择题
1.下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是( )
A.蛋白质工程技术是基因工程技术的延伸
B.蛋白质工程只能生产自然界中已存在的蛋白质
C.蛋白质工程的设计是按中心法则相反的途径进行的
D.蛋白质工程可对基因进行改造或合成
2.蛋白质工程是新崛起的一项生物工程，又称第二代基因工程。下列叙述正确的是( )
A.蛋白质工程就是根据人们需要，直接对蛋白质进行加工改造
B.蛋白质工程首先要建立蛋白质功能与结构的联系
C.经蛋白质工程改造后的性状不可以遗传
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.蛋白质工程是研究蛋白质结构和功能的重要手段，下列关于蛋白质工程的叙述，正确的是( )
A.蛋白质工程中可以不用构建基因表达载体
B.通过蛋白质工程改造后获得的性状不能遗传给后代
C.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作
D.蛋白质工程可以通过增加酶内部二硫键数目提高酶的热稳定性
4.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。下列有关说法错误的是( )
A.AI预测新型蛋白质结构和功能的原理是中心法则
B.AI可能帮助人们快速、深入了解蛋白质结构与功能的关系
C.AI有可能帮助人们高效地设计出自然界中原来没有的蛋白质
D.人们可通过基因改造或合成新基因来获得AI所设计的蛋白质
5.人工智能在蛋白质工程中的应用，为蛋白质工程的研究带来了新的方法和思路，加速了蛋白质工程的发展进程。下列相关叙述错误的是( )
A.蛋白质工程原理中应用到的生命观念是结构与功能观
B.蛋白质工程最终需要通过改造或合成基因来实现
C.蛋白质工程可通过改造自然界中已存在的基因来实现
D.通过蛋白质工程是要获得自然界中已存在的蛋白质
6.T4溶菌酶（Ao）在温度较高时易失去活性。研究人员通过蛋白质工程将T4溶菌酶第3位上的异亮氨酸改成半胱氨酸，该处半胱氨酸可与第97位半胱氨酸之间形成一个二硫键，获得热稳定性高的T4溶菌酶（A1）。下列说法正确的是( )
A.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作
B.蛋白质工程与中心法则的流程方向一致，即DNA→mRNA→蛋白质
C.检测A1活性时可先将A1与底物混合，再置于高温环境中
D.A0和A1空间结构的差异是二者热稳定性不同的直接原因
7.枯草杆菌蛋白酶广泛应用于洗涤剂、食品等行业。某研究小组利用蛋白质工程将该蛋白酶中第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位缓氨酸替换为亮氨酸，结果发现枯草杆菌蛋白酶的催化活性大幅度提高。下列叙述错误的是( )
A.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
B.对枯草杆菌蛋白酶进行分子设计必须从预期蛋白酶的功能出发
C.通过基因工程和蛋白质工程生产的枯草杆菌蛋白酶的氨基酸序列不同
D.改造后的枯草杆菌蛋白酶可能是空间结构发生改变导致其催化活性提高
8.蛋白质工程是基因工程的延伸，又称为第二代基因工程。下列关于基因工程和蛋白质工程的叙述正确的是( )
A.基因工程需用到工具酶，而蛋白质工程无需用到工具酶
B.基因工程用的是现有基因，而蛋白质工程用的是新基因
C.蛋白质工程的操作过程中，需要先合成mRNA，后合成基因
D.蛋白质工程的实施，充分体现了功能决定结构的科学思想
9.某研究小组进行课题为“新型B淋巴细胞阻断剂（TACI）的蛋白质工程”的研究，涉及的相关机理如图所示。下列说法正确的是( )
A.该工程的直接操作对象是TACI蛋白
B.正常机体内不存在BAFF
C.该自身免疫病病因是细胞因子过多攻击正常细胞
D.检测改造后的TACI蛋白可用抗原一抗体杂交技术
10.胰岛素用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后易在皮下堆积，需较长时间才能进入血液，进入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影响。科研人员研制了速效胰岛素，其生产过程如图所示。下列说法错误的是( )
A.速效胰岛素的生产需要用到蛋白质工程和发酵工程
B.大肠杆菌合成的新的胰岛素不能正常发挥作用
C.除人工合成DNA外，还可以通过定点突变技术获得目的基因
D.可以用Ca2+处理的方法直接将新的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞中
11.研究发现，胰岛素进入血液循环后容易被降解，糖尿病患者需要反复注射胰岛素才能达到治疗效果。科研人员借助蛋白质工程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在DNA分子水平上进行设计和改造蛋白质
B.氨基酸序列的差异是影响胰岛素在患者体内是否稳定的原因之一
C.蛋白质工程难度很大与蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构有关
D.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
12.水蛭是我国的传统中药材，主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构，提高其抗凝血活性。蛋白质工程流程如图所示。下列关于蛋白质工程叙述正确的是( )
A.蛋白质工程是在分子水平上对DNA分子直接进行操作，定向改变分子的结构
B.图中的b为mRNAa为蛋白质，b和a对应的单体序列都是唯一的
C.通过蛋白质工程改造的水蛭蛋白是自然界已有的蛋白质
D.蛋白质工程改造的水解蛋白过程中不涉及中心法则
13.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。图示为利用大肠杆菌制备工程菌并获取赖脯胰岛素的操作过程，以下相关叙述错误的是( )
A.该技术属于第二代基因工程，需对基因进行改造或合成
B.该技术能改造现有的蛋白质，也能制造一种新的蛋白质
C.图中①发生在细胞核，②发生在细胞质
D.基因表达过程中，物质a变化时，物质b可能不变
二、非选择题
14.如图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题。
（1）蛋白质工程操作思路的特有过程是____________，代表中心法则内容的过程是____________。（填图中序号）
（2）写出图中数字代表的生物学过程的名称或内容。①____________;②____________。
（3）从图中可以看出蛋白质工程的基本思路与中心法则方向____________。
（4）从根本上说，蛋白质的结构是由____________决定的。
（5）根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA的碱基序列是否唯一？____________，为什么？____________。
（6）将氨基酸合成为多肽链的场所是____________。真核细胞中将多肽链转变为具有一定空间结构的蛋白质的场所是____________。
15.胰岛素可用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后易在皮下堆积，需较长时间才能进入血液，进入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影响。下图是新的速效胰岛素的生产过程，回答下列问题。
（1）新的胰岛素生产过程属于____________工程，该工程的操作对象为____________。
（2）获取新的胰岛素基因除图示方法外，还可以通过____________获得；在体外利用PCR技术对人工合成的新的胰岛素基因进行扩增时，需加入耐高温的DNA聚合酶，该酶发挥作用的温度为____________℃左右。此过程还需要在反应体系中加入两种引物，引物的作用是____________。
（3）在大肠杆菌细胞中合成的新的胰岛素，需通过生化制备与重折叠才具备预期的功能，原因是____________。
（4）若想建立乳腺生物反应器大量生产胰岛素，需借助基因工程的方法，常以哺乳动物的____________为受体细胞。为了保证干扰素基因只在乳腺细胞内表达，构建表达载体时必须在目的基因的前端加上____________。
答案以及解析
1.答案：B
解析：A、蛋白质工程是通过改造控制现有蛋白质的基因来改造蛋白质，所以蛋白质工程技术是基因工程技术的延伸，A正确；B、蛋白质工程可以生产自然界中不存在的蛋白质，B错误；C、蛋白质工程过程中先由蛋白质到基因、再由基因控制合成相应的蛋白质，是按中心法则相反的途径进行的，C正确；D、蛋白质工程通过预期蛋白质功能，然后设计结构，最后通过对基因进行改造或合成来完成，D正确。故选B。
2.答案：B
解析：A、由蛋白质工程的概念可知，蛋白质工程改造的是DNA上特定位点的核苷酸序列，不是蛋白质，A错误；B、蛋白质工程首先要建立蛋白质功能与结构的联系，然后依据所需蛋白质的功能，设计改造天然蛋白质的空间结构，B正确；C、蛋白质工程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，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，C错误；D、蛋白质工程最终要获得特定功能的蛋白质，D错误。故选B。
3.答案：D
解析：A、蛋白质工程是基因工程的延伸，需要构建表达载体，A错误；B、由于蛋白质工程是直接对基因进行修饰或合成基因，改造后的性状可以遗传给后代，B错误；C、基因的结构决定蛋白质的结构，因此，要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造基因来完成，而不是直接对蛋白质分子进行操作，C错误；A、蛋白质工程可以通过增加二硫键数目来提高热稳定性，例如为了提高T4溶菌酶的耐热性，将3号位的异亮氨酸换成半胱氨酸，在3号和97号半胱氨酸之间形成一个二硫键，使得T4溶菌酶耐热性得到提高，D正确。故选D。
4.答案：A
解析：A、AI可基于大量的生物信息数据和复杂的算法，并根据氨基酸序列预测蛋白质的三维结构，进而预测新型蛋白质的功能，这个过程与中心法则无关，A错误；B、AI的蛋白质设计方法可用来预测新型蛋白质的结构及功能，可能能帮助人们快速、深入了解蛋白质结构与功能的关系，B正确；C、AI的蛋白质设计方法可用来预测新型蛋白质的结构及功能，AI有可能帮助人们高效地设计出自然界中原来没有的蛋白质，C正确；D、对蛋白质的改造是通过改造或合成基因来完成的，所以人们可通过基因改造或合成新基因来获得AI所设计的蛋白质，D正确。故选A。
5.答案：D
解析：AB、蛋白质工程的基本思路：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，因此，蛋白质工程原理中应用到的生命观念是结构与功能观，设计的蛋白质，可通过改造或合成基因来实现，AB正确；CD、蛋白质工程是指以蛋白质分子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，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需求，蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，C正确、D错误。故选D。
6.答案：D
解析：A、蛋白质工程需要在分子水平上对基因进行操作，A错误；B、蛋白质工程的基本途径：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，找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）以上是蛋白质工程特有的途径，故蛋白质工程与中心法则的流程方向相反，B错误；C、检测A1活性时应先将A1与底物分别置于高温环境，保温一段时间再混合，C错误；D、分析题意可知，和AO相比，A1不仅仅是氨基酸的序列不同，同时还增加了一个二硫键，导致空间结构也有差异，是二者热稳定性不同的直接原因，D正确。故选D。
7.答案：A
解析：A、蛋白质工程通过获取编码蛋白质的基因序列信息进而合成相关的基因并最终获得符合人们需求的蛋白质，这是蛋白质工程的最终目的，A错误；B、对蛋白质进行分子设计应从预期的蛋白质功能出发，从而对蛋白质的结构进行设计，因此对枯草杆菌蛋白酶进行分子设计必须从预期蛋白酶的功能出发，B正确；C、基因工程生产的蛋白质是自然界已有的蛋白质，而蛋白质工程能生产出自然界中不存在的新型蛋白质分子，两者的氨基酸序列不同，C正确；D、改造后的蛋白酶中第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，D正确。故选A。
8.答案：B
解析：AB、蛋白质工程是第二代基因工程，过程中需对现有基因进行改造或合成新的基因，构建基因表达载体时，需用到限制酶和DNA连接酶，A错误、B正确；C、蛋白质工程的操作过程中，只需要推导出mRNA的碱基序列即可，无需合成，C错误；D、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，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需要，故蛋白质工程的实施，充分体现了结构决定功能的科学思想，D错误。故选B。
9.答案：D
解析：蛋白质工程的直接操作对象是基因，不是蛋白质，A错误；结合题图，自身免疫病的机理是BAFF过量，说明正常人体内也存在适量的BAFF,B错误；B淋巴细胞过度增殖分化导致自身免疫病，说明该自身免疫病的病因是抗体攻击了自身正常细胞，不是细胞因子，C错误；检测蛋白质用到的原理是抗原抗体特异性结合，即抗原一抗体杂交技术，D正确。
10.答案：D
解析：A、图示的前半部分是利用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，后半部分是利用发酵工程生产速效胰岛素的过程，A正确；B、大肠杆菌是原核生物，没有内质网和高尔基体对胰岛素原进行加工，因此大肠杆菌合成的新的胰岛素不能正常发挥作用，B正确；C、基因定点突变是指按照特定的要求，使基因的特定序列发生插入、删除、置换、重排等变异，除人工合成DNA外，还可以通过定点突变技术获得目的基因，C正确；D、可以用Ca2+处理的方法可以将含有新的胰岛素基因的基因表达载体导入大肠杆菌细胞中，D错误。故选D。
11.答案：D
解析：A、蛋白质工程的基本流程为：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→据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列（基因）→DNA合成，最终要利用基因工程上来解决蛋白质的合成，因此蛋白质工程的实质是在DNA分子水平上进行设计和改造蛋白质，A正确；B、氨基酸序列差异，导致胰岛素的空间结构有所改变，影响了它的功能，因此氨基酸序列的差异是影响胰岛素在患者体内是否稳定的原因之一，B正确；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、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，D错误。故选D。
12.答案：A
解析：A、蛋白质工程直接的操作对象是水蛭素基因，是在分子水平上对DNA分子直接进行操作，定向改变分子的结构，A正确；B、据图可知，物质a是具有氨基酸序列的多肽链，物质b是mRNA。在生产过程中，物质b可能不同，原因是密码子的简并性，即一种氨基酸可能对应几个密码子，B错误；C、通过蛋白质工程改造的水蛭蛋白是自然界没有的蛋白质，C错误；D、根据中心法则逆推以确定目的基因的碱基序列，涉及到了中心法则，D错误。故选A。
13.答案：C
解析：A、该技术是蛋白质工程，是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，操作对象也是DNA，需对基因进行改造或合成，A正确；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，以满足人类的生产和生活的需求，B正确；C、大肠杆菌是原核生物，没有细胞核，图中①不会发生在细胞核，C错误；D、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。故选C。
14.答案：（1）④⑤；①②
（2）转录；翻译
（3）相反
（4）基因
（5）否；一种氨基酸可能具有多种密码子
（6）核糖体；内质网
解析：（1）结合分析可知，图中④⑤过程代表蛋白质工程操作思路，①②过程代表中心法则。
（2）由以上分析可知，图中①以基因为模板合成mRNA的过程，①为转录，②以mRNA为模板合成多肽链过程，②为翻译过程。
（3）蛋白质工程是根据具有相应功能的蛋白质结构推测氨基酸序列，进而推测出脱氧核苷酸序列，中心法则是遗传信息的传递规律，因此中心法则与蛋白质工程的基本途径相反。
（4）直接决定蛋白质多样性的因素有氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构；从根本上说，蛋白质的结构是由基因决定的。
（5）由于密码子的简并性，即一种氨基酸可能具有多种密码子，故根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA的碱基序列不是唯一的。
（6）将氨基酸合成为多肽链的场所是核糖体。内质网可以对肽链进行粗加工，因此真核细胞中将多肽链转变为具有一定空间结构的蛋白质的场所是内质网。
15.答案：（1）蛋白质；新的胰岛素基因
（2）基因改造；72；使DNA聚合酶能够从引物的3'端开始连接脱氧核苷酸
（3）大肠杆菌是原核生物，没有内质网和高尔基体，不能对蛋白质进行加工
（4）受精卵；乳腺蛋白基因启动子
解析：（1）新的胰岛素生产过程属于蛋白质工程，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。由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。因此，要通过蛋白质工程获得新的胰岛素，操作对象为新的胰岛素基因。
（2）获取新的胰岛素基因除图示的人工合成方法外，还可以通过基因改造获得；在体外利用PCR技术对人工合成的新的胰岛素基因进行扩增时，需向反应体系中加入热稳定的DNA聚合酶，该酶作用的温度为72℃左右，其作用是以DNA为模板，根据碱基互补配对原则，将dNTP逐个加到引物DNA分子上，从而形成双链DNA分子。反应体系中引物的作用是使DNA聚合酶能够从引物的3'端开始连接脱氧核苷酸。
（3）因为大肠杆菌是原核生物，没有内质网和高尔基体，不能对蛋白质进行加工，故在大肠杆菌细胞中合成的新的胰岛素，需通过生化制备与重折叠才具备预期的功能。
（4）若想建立乳腺生物反应器，可以借助基因工程，用显微注射的方法将新胰岛素基因导入到受精卵中。启动子是RNA聚合酶识别和结合的位点，用于驱动基因的转录，为保证新胰岛素基因只在乳腺细胞内表达，在构建表达载体时，需在新胰岛素基因前端加上在乳腺中特异性表达的乳腺蛋白基因的启动子。

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