1、蛋白质工程的原理和应用 (20分钟70分)一、选择题(共7小题,每小题5分,共35分)1.下列关于蛋白质工程的说法正确的是()A.蛋白质工程以基因工程为基础 B.蛋白质工程就是酶工程的延伸C.蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造 D.蛋白质工程只能生产天然的蛋白质【解析】选A。基因指导蛋白质的合成,蛋白质工程以基因工程为基础,A正确;蛋白质工程能通过基因修饰或基因合成,定向对现有蛋白质分子的结构进行改造;而酶工程是利用酶的催化功能,在一定条件下催化化学反应,生产人类需要的产品或服务于其他目的的一门应用技术,B错误;蛋白质工程的实质是改造基因,C错误;蛋白质工程可以通过基因合成、制造自然界不曾
2、存在过的新型蛋白质分子,D错误。2.下列哪项不是蛋白质工程的研究内容()A.分析蛋白质分子的三维结构B.分析氨基酸的分子结构C.对现有蛋白质进行有目的的改造D.按照人的意愿生产自然界没有的新的蛋白质【解析】选B。蛋白质工程是根据预期蛋白质功能设计预期的蛋白质分子的三维结构,A不符合题意;蛋白质工程分析、设计蛋白质分子,不分析氨基酸的分子结构,B符合题意;蛋白质工程通过修改基因或创造合成新基因来改变对蛋白质进行有目的改造,C不符合题意;按照人的意愿生产自然界没有的新的蛋白质属于蛋白质工程,D不符合题意。3.中华鲟是地球上最古老的脊椎动物,被称为“活化石”。研究者试图通过蛋白质工程改造中华鲟体内的
3、某些蛋白质,使其更加适应现在的水域环境,以下说法错误的是()A.该工程可以定向改变蛋白质分子的结构B.改造蛋白质是通过改造基因结构而实现的C.改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种D.改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质【解析】选D。蛋白质工程可以定向改变蛋白质分子的结构,A正确;改造蛋白质是通过改造基因结构而实现的,B正确;改造后的中华鲟具有新的性状,但其和现有中华鲟仍是同一物种,C正确;蛋白质工程改造的是基因,可以遗传给子代,因此改造后的中华鲟的后代也具有改造的蛋白质,D错误。4.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
4、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【解析】选C。该工程属于蛋白质工程,已经获得该目的基因片段,不需要合成编码目的肽的DNA片段;需要构建含目的肽的DNA片段的表达载体,但这不是第一步;蛋白质工程的第一步是根据蛋白质的功能,设计P1氨基酸序列,从而推出其基因序列;该基因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,而目的多肽是抗菌性强但溶血性弱,所以必须对其改造,保持其抗菌性强,抑制其溶血性。5.下
5、列有关蛋白质工程的叙述,错误的是()A.收集大量的蛋白质分子结构的信息,以便分析结构与功能之间的关系B.蛋白质工程的原理是从预期的蛋白质功能出发最终通过改造基因或合成基因获得所需蛋白质C.T4溶菌酶中引入二硫键提高了它的热稳定性是蛋白质工程的体现D.蛋白质工程只能改造现有的蛋白质而不能制造新的蛋白质【解析】选D。蛋白质结构的多样性决定蛋白质功能的多样性,在实施蛋白质工程的准备阶段,只有收集到大量的蛋白质结构的信息,才能从其中寻求到某一结构跟预期的蛋白质功能之间的关系,从而据其构建出某一段氨基酸序列,此氨基酸序列成为构建脱氧核苷酸序列(即基因)的依据,通过改造基因或合成基因获得所需蛋白质,A、B
6、项正确。T4溶菌酶是蛋白质,对其改造属于蛋白质工程,C项正确。在蛋白质工程中,基因修饰后可以表达出改造的蛋白质,基因合成后可以制造出新的蛋白质,D错误。6.下列关于蛋白质工程实施的叙述,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【解析】选D。蛋白质工程是在原有蛋白质的基础上,根据人们的需求对蛋白质分子作出的定向的改造,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
7、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;蛋白质工程较小的改造是改造蛋白质分子中某些活性部位的1个或几个氨基酸残基通过定点诱变技术,以获得人类所需要的目的蛋白质,C正确;蛋白质工程不能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,D错误。7.如图为蛋白质工程操作的基本思路,下列叙述不正确的是() A.代表蛋白质工程操作思路的过程是B.代表中心法则内容的是C.代表转录,代表翻译,代表分子设计,代表DNA合成D.蛋白质工程的目的是对基因的结构进行分子设计,通过基因合成或改造而实现【解析】选D。蛋白质工程操作思路是中心法则的逆过程,即图中的,A正确;中心法则是指遗传信
8、息的表达过程,即图中代表转录,代表翻译,B正确;代表转录,代表分子设计,代表DNA合成,C正确;蛋白质工程的目的是对蛋白质的结构进行分子设计,通过基因合成或基因修饰实现,D错误。二、非选择题(共2小题,共35分)8.(17分)赖氨酸是人体八大必需氨基酸之一,能促进人体发育、增强免疫功能,并有提高中枢神经组织功能的作用。某农科所科技人员欲通过将玉米某种蛋白酶改造成“M酶”,从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量,以期待培育出高赖氨酸玉米新品种。请回答下列问题:(1)科技人员先从“提升玉米种子中赖氨酸含量”这一功能出发,预期构建出_的结构,再推测出相对应目的基因的_序列,最终合成出“M酶”基因。(2)
9、科技人员获得“M酶”基因后,常利用_技术在体外将其大量扩增,此过程需要一种特殊的酶是_。(3)“M酶”基因只有插入_,才能确保“M酶”基因在玉米细胞中得以稳定遗传。科技人员将“M酶”基因导入玉米细胞中需要借助_的运输。(4)依据_的原理,可将含有“M酶”基因的玉米细胞培育成转“M酶”基因的玉米植株。为了确保育种成功,科技人员需要通过_,从个体水平加以鉴定。【解析】(1)根据题干信息已知,某农科所科技人员欲通过将玉米某种蛋白酶改造成“M酶”,则应该利用蛋白质工程,先预期构建出“M酶”(蛋白质)的结构,再推测出相对应目的基因的脱氧核苷酸序列,最终合成出“M酶”基因。(2)基因工程中,获取的目的基因
10、一般利用PCR技术进行扩增,过程中需要耐高温聚合酶的催化。(3)要想确保“M酶”基因在玉米细胞中得以稳定遗传,必须将“M酶”基因插入玉米细胞的染色体DNA中;将“M酶”基因(目的基因)导入玉米细胞中需要借助(基因表达)载体的运输。(4)依据植物细胞的全能性原理,可将含有“M酶”基因的玉米细胞培育成转“M酶”基因的玉米植株。科技人员需要通过测定玉米种子中赖氨酸的含量,从个体水平加以鉴定,以确保育种成功。答案:(1)“M酶”脱氧核苷酸(2)PCR热稳定DNA聚合酶(3)玉米细胞的染色体DNA中(基因表达)载体(4)植物细胞具有全能性测定玉米种子中赖氨酸的含量9.(18分)人体内的t-PA蛋白能高效
11、降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓,是心梗和脑血栓的急救药。(1)为心梗患者注射大剂量的基因工程t-PA会诱发颅内出血。研究证实,将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸,能显著降低出血副作用。据此,先对天然的t-PA基因进行改造,再采取传统的基因工程方法表达该突变基因,可制造出性能优异的t-PA突变蛋白,该工程技术称为_。(2)若获得的t-PA突变基因如图所示,那么质粒pCLY11需用限制酶_和_切开,才能与t-PA突变基因高效连接。 (3)将连接好的DNA分子导入大肠杆菌中,对大肠杆菌接种培养。在培养基中除了加入水、碳源、氮源等营养物质外,还应加入_进行选择培养,以筛选成功导入pCLY11的细菌
12、。配制好的培养基通常采用_法进行灭菌。(4)对培养得到的菌落进行筛选,其中菌落为_色的即为含t-PA突变基因重组DNA分子的大肠杆菌。得到的大肠杆菌能否分泌t-PA突变蛋白,可通过该细胞产物能否与_特异性结合进行判定。【解析】(1)对天然的t-PA基因进行改造,以制造出性能优异的t-PA突变蛋白的技术称为蛋白质工程。(2)如图所示,由于目的基因的两端的碱基序列分别是CCGG、CTAG ,所以应用Xma和Bgl两种限制酶切割,以便于把目的基因连接到质粒pCLY11上。(3)由题图可知,将连接好的DNA分子导入大肠杆菌中,含t-PA突变基因重组DNA分子的细胞具有新霉素抗性,在培养基中应加入新霉素
13、进行选择培养,以筛选成功导入pCLY11的细菌。配制好的培养基通常采用高压蒸汽灭菌法进行灭菌。(4)由于限制酶切割质粒破坏了mlacZ基因,所以含t-PA突变基因重组DNA分子的细胞所长成的菌落呈白色。检查t-PA突变蛋白可用t-PA蛋白抗体,观察能否发生特异性结合进行判定。答案:(1)蛋白质工程(2)XmaBgl(3)新霉素高压蒸汽灭菌(4)白t-PA蛋白抗体 (10分钟30分)1.(6分)在研究溶菌酶时,科研人员通过蛋白质工程来设计改变酶的构象,得到了多种突变酶,并测得50%的酶发生变性时的温度(Tm),部分结果见下表。有关叙述正确的是()酶半胱氨酸(Cys)的位置和数目二硫键数目Tm/野
14、生型T4溶菌酶Cys51,Cys97无41.9突变酶CCys21,Cys143152.9突变酶FCys3,Cys9,Cys21,Cys142,Cys164265.5注:Cys上角的数字表示半胱氨酸在肽链的位置。A.突变酶的出现是基因突变的结果B.突变酶F的最适温度为65.5 C.溶菌酶热稳定性的提高可能与空间结构的改变有关D.溶菌酶热稳定性的提高,是通过改变半胱氨酸的位置实现的【解析】选C。由题意知,突变酶是通过蛋白质工程合成的,与基因突变无关,A错误;突变酶F 50%的酶发生变性时的温度是65.5 ,B错误;改变溶菌酶的构象,酶变性的温度发生改变,即酶的稳定性改变,因此溶菌酶热稳定性的提高可
15、能与空间结构的改变有关,C正确;溶菌酶热稳定性的提高,是通过增加二硫键的数量实现的,D错误。2.(6分)(不定项)抗体酶又称催化抗体,是一类免疫球蛋白,其结构如图所示,它既具有相应的免疫活性,又能像酶那样催化某种化学反应。下列有关叙述正确的是() A.抗体酶与抗原、底物的结合均具有专一性的特点B.抗体酶可使药物的前体物质在肿瘤组织中水解为活性分子,从而起杀伤作用C.抗体酶能阻止病毒与靶细胞结合的机理可能是选择性地使病毒外壳蛋白发生水解D.可通过蛋白质工程对特异抗体的抗原结合位点进行空间改造,使其获得催化功能【解析】选A、B、C。抗体酶具有典型的酶的特性,即也具有高效性、专一性,A正确;以肿瘤细
16、胞表面抗原的单克隆抗体与酶的交联物以及该酶可以催化的前体药物所组成的这一系统,可以在肿瘤组织局部催化无活性的前体药物,使之成为对肿瘤细胞具有高度杀伤活性的分子,从而在体内对肿瘤细胞发挥选择性杀伤作用,B正确;抗体酶还可有选择地使病毒外壳蛋白的肽键裂解,从而防止病毒与靶细胞结合,C正确;借助基因工程和蛋白质工程将催化基因引入特异抗体的抗原结合位点上,使其获得催化功能,D错误。【实验探究】3.(18分)Hedgehog基因(H)广泛存在于无脊椎动物和脊椎动物中,在胚胎发育中起重要作用。我国科研工作者利用基因敲除和核酸分子杂交技术,研究了H基因在文昌鱼胚胎发育中的作用。(1)研究者使用了两种TALE
17、蛋白对文昌鱼的H基因进行敲除。TALE蛋白的结构是人工设计的,蛋白质的中央区能够结合H基因上特定的序列,F区则能在该序列处将DNA双链切开如图1所示。 根据_设计出其氨基酸序列,再根据氨基酸序列对应的密码子序列推测岀编码 TALE蛋白的DNA序列,人工合成DNA序列之后,再以其为模板进行转录生成 mRNA。将两种mRNA用_法导入文昌鱼的卵细胞中,然后滴加精液使卵受精,此受精卵发育成的个体为F0。F0个体细胞内被两种TALE蛋白处理过的DNA,经_催化重新连接后,H 基因很可能因发生碱基对的_而丧失功能,基因丧失功能则被称为“敲除”。(2)提取F0胚胎细胞DNA,通过_体外扩增H基因,用_进行
18、切割,电泳后用_为探针进行DNA分子杂交,实验结果如图2所示。图中样品_代表的F0个体中部分H基因已被敲除。研究者发现,在F0个体产生的所有配子中,通常只有部分配子的H基因被敲除,可能的原因是_。【解题关键】准确分析图示并获取图示信息:图1:被两种TALE蛋白处理过的DNA重新连接后,缺失了BsrG识别位点。图2:H基因中含有一个BsrG识别位点,能被BsrG切割形成两种不同长度的DNA片段,而H基因被敲除后会缺失BsrG识别位点,不能被BsrG识别和切割。样品1中有两种长度不同的DNA,说明其代表的个体中H基因没有被敲除,样品2中含有3种长度不同的DNA片段,说明其代表的F0个体中部分H基因
19、已被敲除。【解析】(1)蛋白质工程的基本程序: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并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因。因此人工设计TALE蛋白时,应该先根据TALE蛋白的功能设计出其氨基酸序列,再根据氨基酸序列对应的密码子(mRNA)序列推测出编码TALE蛋白的DNA序列,人工合成DNA序列之后,再以其为模板进行转录生成mRNA。 将两种mRNA导入动物细胞(文昌鱼的卵细胞)最有效的方法是显微注射法。 由图1可知,被两种TALE蛋白处理过的DNA经过DNA连接酶重新连接后,缺失了BsrG识别位点,即发生碱基对的缺失,H基因很有可能因此而丧失功能,基因丧失功能
20、则被称为“敲除”。 (2)体外扩增目的基因可采用PCR技术;H基因中含有一个BsrG识别位点,因此可用BsrG酶切割H基因;探针是指放射性同位素(或荧光)标记的目的基因片段;样品1中有两种长度不同的DNA,说明其代表的个体中H基因没有被敲除,样品2中含有3种长度不同的DNA片段,说明其代表的F0个体中部分H基因已被敲除。在F0个体产生的所有配子中,通常只有部分配子的H基因被敲除,可能的原因是F0受精卵中成对的H基因中仅一个被敲除(F0胚胎中仅部分细胞的H基因被敲除、细胞中H基因未被敲除)。答案:(1)TALE蛋白的功能显微注射 DNA连接酶缺失(2)PCR技术BsrG酶放射性同位素(或荧光)标记的目的基因片段 2F0受精卵中成对的H基因中仅一个被敲除(F0胚胎中仅部分细胞的H基因被敲除、细胞中H基因未被敲除)
