1、四 蛋白质工程的崛起(30分钟 100分)一、选择题(共4小题,每小题5分,共20分)1.下列关于蛋白质工程应用的叙述正确的是()A.基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的B.蛋白质工程和基因工程的目的是获得人类需要的蛋白质,所以二者没有区别C.只有利用蛋白质工程才可以在大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素D.在相关酶、氨基酸和适宜的温度、pH条件下,干扰素可以大量自我合成【解析】选A。基因工程和蛋白质工程产生的变异属于基因重组,属于可遗传的变异,A正确;蛋白质工程和基因工程的目的是获得人类需要的蛋白质,基因工程生产的蛋白质是自然界存在的,蛋白质工程可以生产自然界不存在的蛋白质,B错误;人的胰岛素
2、是自然界已经存在的蛋白质,利用基因工程就可以在大肠杆菌细胞中得到,C错误;干扰素属于蛋白质,由基因控制合成,不能自我复制合成,D错误。2.(2020海口高二检测)下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述,正确的是()A.基因工程完全不同于蛋白质工程B.基因工程是分子水平操作,蛋白质工程是细胞水平操作C.基因工程需对基因进行分子水平操作,蛋白质工程不对基因进行操作D.基因工程合成的是天然存在的蛋白质,蛋白质工程合成的可以不是天然存在的蛋白质【解析】选D。蛋白质工程是基因工程的延伸,需要进行基因修饰或基因合成,A项、C项错误;二者都是在分子水平上进行的操作,B项错误;基因工程合成的是天然存在的蛋白质,蛋
3、白质工程合成的可以是自然界中不存在的蛋白质,D项正确。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某些蛋白质,使其更加适应现在的水域环境。下列说法错误的是()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而实现的C.中华鲟的相关蛋白质被改造的过程同样遵循中心法则D.改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质【解析】选D。蛋白质工程可以通过改造基因来定向改变蛋白质分子的结构,A、B正确;蛋白质工程的原理是中心法则的逆推,因此中华鲟的相关蛋白质被改造的过程同样遵循中心法则,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
4、中华鲟的后代也具有改造的蛋白质,D错误。4.(2021南京高二检测)纤维素酶广泛应用于医药、食品发酵、造纸、废水处理等领域。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。下列有关该技术说法错误的是()A.经改造后的纤维素酶热稳定性提高这一性状可遗传B.对纤维素酶的改造是通过直接改造mRNA实现的C.改造纤维素酶也需要构建基因表达载体D.改造后的纤维素酶和原纤维素酶不是同一种酶【解析】选B。蛋白质工程是对基因进行修饰改造或重新合成,然后进行表达,改造后的蛋白质的性状能遗传给子代,A正确;对纤维素酶的改造需要以基因工程为基础,
5、是通过修改基因或创造合成新基因来实现的,B错误;蛋白质工程是对基因进行修饰改造或重新合成,然后进行表达,须构建基因表达载体,C正确;对纤维素酶的改造是通过直接改造纤维素酶的基因实现的,改造后的纤维素酶和原纤维素酶不是同一种酶,D正确。二、非选择题(共5小题,共80分)5.(16分)胰岛素可以用于治疗糖尿病,但是胰岛素被注射到人体后,会堆积在皮下,并且要经过较长时间才能进入血液中,而进入血液的胰岛素又容易被分解,因此,治疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程,请据图回答有关问题:(1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键,图中构建新的胰岛素模型的主要依据是_。(2)人工合成的
6、DNA与_结合后,被导入_中才能得以表达。(3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素,需用到的生物工程有_、_和发酵工程。(4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是什么?_。_。【解析】(1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质结构进行分子设计。因此,图中构建新的胰岛素模型的依据是预期胰岛素,即速效胰岛素的功能。(2)人工合成的目的基因与载体结合后,被导入受体细胞中才能得以表达。(3)利用蛋白质工程生产自然界中原本不存在的蛋白质,需对原有的胰岛素进行改造,根据新的胰岛素中氨基酸的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列,人工合成新的胰岛素基因即目的基因,改造好的目的基因
7、需通过基因工程将其导入受体细胞获得工程菌,再利用工程菌进行发酵,从而获取大量产品,因此该过程涉及蛋白质工程、基因工程和发酵工程。(4)由新的蛋白质模型到构建新的基因,其基本设计思路是根据新的蛋白质中的氨基酸序列,推测出其基因中的脱氧核苷酸序列,然后利用DNA合成仪直接合成新的基因。答案:(1)蛋白质的预期功能(2)载体 大肠杆菌等受体细胞(3)蛋白质工程 基因工程(4)根据新的胰岛素中氨基酸的序列,推测出其脱氧核苷酸序列,然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因6.(16分)基因疗法所涉及的基因工程技术主要有三种,包括病毒载体导入、基因编辑和细胞改造。请回答:(1)第一种是将_通过载体送入目
8、标细胞让其发挥作用。该技术用来传递基因的载体多是病毒类载体,因为它们能_。经过基因改造后,这些作为载体的病毒具有_的特点。(2)第二种是直接通过基因编辑技术修复目标细胞的_。基因编辑技术可以达到添加基因、消除基因或者_的效果。(3)第三种则是从患者体内提取细胞在体外进行修改然后再重新输回患者体内发挥作用。例如,对造血干细胞进行基因工程改造让其制造内源性的凝血因子,从理论上说能持续缓解血友病症状,而不需使用_治疗。基因治疗进入了一个兼具安全性和有效性的时代。但你认为这个领域中的问题是_。【解析】(1)将目的基因通过载体送入目标细胞让其发挥作用是基因工程中最常用的技术手段,该技术常用病毒类载体传递
9、基因,主要是因为某些病毒能将基因整合进宿主细胞的DNA分子,这些作为载体的病毒和转入的目的基因对宿主细胞无毒性。(2)直接通过基因编辑技术修复目标细胞的缺陷基因,可以达到添加基因、消除基因或者矫正缺陷基因的效果,这是我们常用的基因治疗技术。(3)对造血干细胞进行基因工程改造让其制造内源性的凝血因子,从理论上说能持续缓解血友病症状,而不需输凝血酶或输血小板或输凝血因子治疗。在目前阶段,基因治疗这个领域中关键需要考虑的是载体的遗传毒性、基因编辑的脱靶效应、基因递送和编辑的效率低等问题。答案:(1)目的基因 将基因整合进宿主的DNA分子 将目的基因转移到宿主细胞中且无毒性(或载体无法增殖或无感染性)
10、(2)缺陷基因 矫正缺陷基因(3)输凝血酶(或输血小板或输凝血因子)载体的遗传毒性(或者基因编辑的脱靶效应或者基因递送和编辑的效率低)7.(16分)下图是某种动物蛋白质工程的示意图,请分析回答:(1)目前蛋白质工程中难度最大的是图中编号_所示的过程,实现过程的依据有_、_。(2)若相关蛋白质的核酸片段是从细胞质中获取的mRNA,则过程包括_和诱导突变,以获得所需的目的基因。(3)过程对核苷酸序列有严格要求的工具酶是_。【解析】(1)在蛋白质工程中,首先要从预期的蛋白质功能推导确定预期的蛋白质结构,这项工作盲目性强,难度相当大,需要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;过
11、程是从氨基酸序列推知脱氧核苷酸序列,需要利用氨基酸对应的密码子,严格遵循碱基互补配对原则(发生在mRNA上的密码子与DNA之间)。(2)属于基因工程的操作流程,从mRNA到目的基因,是人工合成目的基因的方法,要通过反转录过程,然后经诱导突变为所需要的目的基因。(3)是基因工程的核心步骤基因表达载体的构建,需要两种工具酶,识别特定核苷酸序列的是限制酶。答案:(1)氨基酸对应的密码子 mRNA与DNA之间的碱基互补配对原则(2)反转录(3)限制酶8.(20分)阅读如下材料:材料甲:科学家将人的生长激素基因导入母牛的体内,待母牛进入泌乳期后,变成了批量生产人生长激素的“乳腺生物反应器”。材料乙:干扰
12、素可用于治疗病毒感染和癌症,但在体外保存相当困难,科学家将其分子上一个半胱氨酸变成丝氨酸,在-70 条件下可以保存半年。回答下列问题:(1)材料甲属于_工程的范畴。欲使转基因母牛仅在乳汁中含有人的生长激素,需在构建基因表达载体时将人生长激素基因与牛_重组在一起,再将构建成功的基因表达载体导入母牛的_中(填细胞名称),常用的导入方法为_。(2)材料乙属于_工程范畴。该工程是指以分子生物学相关理论为基础,通过_或_,对原有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质的技术。这是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程。我们为什么要进行蛋白质工程的研究呢?_。【解析】(1)据材料可知,材料甲属于转基因技术,
13、为基因工程范畴,构建基因表达载体时需要将人的生长激素基因与牛的乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起,便于基因在受体细胞中表达,构建成功的基因表达载体需要用显微注射法,将其注入母牛的受精卵中。(2)据材料可知,材料乙中改变了蛋白质的结构,属于蛋白质工程,该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,以满足人类的生产和生活的需求。答案:(1)基因 乳腺蛋白基因的启动子等调控组件 受精卵 显微注射技术(2)蛋白质 基因修饰 基因合成 基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,这些天然蛋白质不一定完全符合人类生产和
14、生活的需要9.(12分)干扰素是动物体内的一种蛋白质,可以用于治疗病毒感染和癌症,但体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,就可在-70 条件下保存半年,给广大患者带来福音。(1)蛋白质的合成是受基因控制的,因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键,依据蛋白质工程原理,设计实验流程,让动物生产“可以保存的干扰素”:(填写在方框内)(2)基因工程和蛋白质工程相比较,基因工程在原则上只能生产_的蛋白质,不一定符合_需要。而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_或_,对现有蛋白质进行_,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活需
15、求。(3)蛋白质工程实施的难度很大,主要原因是蛋白质具有十分复杂的_结构。(4)对天然蛋白质进行改造,应该直接对蛋白质分子进行操作,还是对基因进行操作来实现?_。其原因是_(答出一点即可)。【解析】(1)蛋白质工程的前期操作流程是:预期的蛋白质功能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。(2)基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质,这种蛋白质可能不符合人类生产和生活的需要,而蛋白质工程既可以通过基因修饰(改造)生产出改造后的符合需要的蛋白质,也可以通过基因合成生产出自然界不存在的符合需要的蛋白质。(3)蛋白质的空间结构十分复杂,根据预期功能来推测蛋白质结构相当困难。(
16、4)蛋白质工程直接操作的对象是基因,应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。任何一种天然蛋白质都是由基因编码的,改造了基因也就是对蛋白质进行了改造,而且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去;如果对蛋白质直接改造,即使改造成功,被改造过的蛋白质分子也无法遗传。对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作,难度要小得多。答案:(1)预期的蛋白质功能 预期的蛋白质结构应有的氨基酸序列 相对应的脱氧核苷酸序列(基因)(2)自然界已存在 人类生产和生活 基因修饰 基因合成 改造(3)空间(或高级)(4)对基因进行操作 改造基因才会遗传,改造蛋白质不遗传(或基因改造比蛋白质改造容易操作)【方法规律】有关蛋白质工程的解题方法可遵循“一找二联三综合”原则。“一找”:找寻题干中有无“新颖蛋白质”“前所未有的蛋白质”“设计创造蛋白质”等字样,以确定是否考查蛋白质工程。“二联”:考题一定会联系基因工程,善于和基因工程中操作工具的运用、具体操作的四个过程及基因工程应用进行联系。“三综合”:综合性联系现代分子遗传学的部分内容,如中心法则的内容,有时也会综合性联系遗传规律的应用、变异的知识等。