資源簡介

3.4蛋白質工程的原理和應用學案
【預習新知】
（一）蛋白質工程崛起的緣由
1．蛋白質工程
（1）基礎：蛋白質分子的 及其與 的關系。
（2）手段：通過 或 ，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質。
（3）目的：獲得滿足人類的生產和生活需求的 。
2.蛋白質工程崛起的緣由
（1）基因工程的實質：將一種生物的 轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的 ，進而表現出 。
（2）基因工程的不足：基因工程在原則上只能產生自然界中 的蛋白質
（3）天然蛋白質的不足：天然蛋白質的結構和功能符合 生存的需要，卻不一定完全符合 的需要。
（4）實例：玉米中賴氨酸的含量比較低，賴氨酸合成中兩種酶的 被替換，就可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸分別提高5倍和2倍。
（二）蛋白質工程的基本原理
1.目標:根據人們對蛋白質 的特定需求,對蛋白質的 行設計改造。
2.方法:改造或合成 。
3.基本思路:
填一填:基于蛋白質的合成過程和蛋白質工程的基本思路,完成下列填空。
① ② ③ ④
A推測應有的
B找到并改變 或合成新的
C D
（三）蛋白質工程的應用
1.醫藥工業方面
（1）研發速效胰島素類似物
天然蛋白質易形成二聚體或六聚體→預期功能：______胰島素的聚合作用→設計結構：改變B鏈第20～29位氨基酸組成→推測序列：B28位脯氨酸替換為____________或將它與B29位的____________交換位置→改造形成新胰島素基因→轉錄形成mRNA→翻譯形成多肽鏈→折疊形成____________→行使功能：有效______胰島素的聚合。
（2）延長干擾素體外保存時間
天然干擾素不易保存→預期功能：______保存時間→設計結構：氨基酸替換→推測序列：一個半胱氨酸變成____________→改造形成新干擾素基因→轉錄形成mRNA→翻譯形成多肽鏈→折疊形成____________→行使功能：在______下可以保存半年。
（3）降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應
通過____________，將小鼠抗體上結合______的區域（即可變區）“嫁接”到人的______（即恒定區）上，經過這樣改造的抗體誘發免疫反應的強度就會______很多。
2.其他工業方面
蛋白質工程被廣泛用于__________________或開發新的工業用酶。如枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質的作用，常被用于洗滌劑工業、絲綢工業等。迄今為止，利用蛋白質工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業化生產需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。
3.農業方面
（1）______某些參與調控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產量。
（2）利用蛋白質工程的思路設計優良微生物農藥，通過改造微生物蛋白質的______，使它防治病蟲害的效果______。
蛋白質工程是一項難度很大的工程，主要是因為蛋白質發揮功能必須依賴于正確的____________，而這種____________往往十分復雜。要設計出更加符合____________的蛋白質，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發展，蛋白質工程將會給人類帶來更多的福祉。
【鞏固訓練】
1.基于AI（人工智能）的蛋白質設計方法可以利用現有蛋白質數據庫以及機器深度“學習算法”來預測新型蛋白質的結構及功能。下列說法錯誤的是( )
A. AI可幫助人們更深入了解蛋白質的結構與功能關系
B. AI預測新型蛋白質的結構和功能依據原理是中心法則
C. 可通過改造或合成基因來獲得AI設計的蛋白質
D. AI可幫助人們高效地設計出自然界沒有的蛋白質
2.枯草桿菌蛋白酶能催化蛋白質水解為氨基酸，在有機溶劑中也能催化多肽的合成，被廣泛應用于洗滌劑、制革及絲綢工業。1987年福什特通過將枯草桿菌蛋白酶分子表面的Asp（99）和Glu（156）改成Lys，使其在pH=6時的活力提高了10倍。下列說法正確的是( )
A.需要通過改造基因實現對蛋白質中氨基酸的替換
B.該成果體現了蛋白質工程在培育新物種方面具有獨特的優勢
C.經蛋白質工程改造后的枯草桿菌蛋白酶活性提高這一性狀不可遺傳
D.蛋白質工程最終要達到的目的是獲取編碼蛋白質的基因序列信息
3.隨著蛋白質工程技術的發展，科研工作者對熒光蛋白的結構進行設計、改造和模擬，賦予其新的性質和功能，拓寬其在生物傳感、生物成像等生命領域的應用。下列敘述錯誤的是( )
A.蛋白質工程可合成天然不存在的熒光蛋白
B.合成新熒光蛋白的過程中涉及到中心法則
C.蛋白質工程的實質是通過改變氨基酸的結構來改變熒光蛋白的功能
D.蛋白質工程能定向改造熒光蛋白分子結構，使之更加符合人類需要
4.枯草桿菌產生的蛋白酶具有催化蛋白質分解的特性，但極易被氧化而失效。1985年，科學家埃斯特爾將枯草桿菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替換后，其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用這種水解酶作為洗滌劑的添加劑，可以有效除去血漬、奶漬等蛋白質污漬。下列相關敘述中錯誤的是( )
A.蛋白酶的改造屬于蛋白質工程，自然界中的酶都可通過蛋白質工程進行改造
B.改造后的枯草桿菌中的控制合成蛋白酶的基因至少有1個堿基對發生了變化
C.蛋白質工程的操作流程與中心法則的流動方向相反，即蛋白質→mRNA→DNA
D.該技術可通過基因修飾或合成構建出一種自然界中原先不存在的全新的基因
5.新冠病毒是一種RNA病毒，極易產生變異，其通過表面刺突蛋白（S蛋白）的受體結合域（RBD）與人體細胞表面的ACE2受體相互作用而感染細胞。科學家設計了一種自然界中不存在的蛋白質LCB1，可與S蛋白RBD緊密結合，以干擾新冠病毒的感染。下列有關說法錯誤的是( )
A.LCB1的作用效應與抗S蛋白抗體類似
B.LCB1可以通過細胞中原有的基因表達產生
C.LCB1的設計和合成遵循中心法則
D.LCB1的設計和合成是通過蛋白質工程實現的
6.蛛絲的強度和柔韌度得益于蛛絲蛋白的特殊布局，使它產生了一個由堅硬的結晶區和非結晶區構成的混合區域。有人試圖通過破解蛛絲蛋白的結構從而推測出其相應的基因結構，以指導對蠶絲蛋白的修改，從而讓蠶也吐出像蛛絲一樣堅韌的絲。此過程運用的技術及流程分別是( )
A.基因突變；DNA→RNA→蛋白質
B.基因工程；RNA→RNA→蛋白質
C.基因工程；DNA→RNA→蛋白質
D.蛋白質工程；蛋白質→RNA→DNA→RNA→蛋白質
7.如何更快速、準確地確定蛋白質的三維空間結構，這一直是生命科學領域的研究熱點和難點。人工智能程序AlphaFold2對大部分蛋白質結構的預測極為精準，接近真實的蛋白質結構，達到了人類利用冷凍電鏡等復雜儀器觀察預測的水平。下列相關敘述不正確的是( )
A.蛋白質的氨基酸序列是預測其空間結構的重要基礎
B.預測、設計并制造新蛋白質的技術屬于蛋白質工程
C.結構預測有助于人們揭示蛋白質分子間相互作用的機制
D.依據新蛋白質的氨基酸序列能推出唯一的基因序列
8.將富含賴氨酸的蛋白質編碼基因導入玉米細胞，可以提高玉米中的賴氨酸含量；更換賴氨酸形成過程中的兩種關鍵酶——天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶中的個別氨基酸，使兩種酶的活性提高，也可以提高玉米中的賴氨酸含量。以上兩種技術分別屬于( )
A.基因工程、基因工程 B.蛋白質工程、蛋白質工程
C.基因工程、蛋白質工程 D.蛋白質工程、基因工程
9.下列有關蛋白質工程的敘述錯誤的是( )
A.通過蛋白質工程能生產出自然界沒有的蛋白質
B.可以直接對蛋白質的部分氨基酸進行替換
C.蛋白質工程與天然合成蛋白質的遺傳信息流向有所不同
D.改造時可對相關蛋白質的基因的堿基對進行替換
10.水蛭素是一種蛋白質，可用于預防和治療血栓。研究人員發現，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺，可以提高它的抗凝血活性。在這項替換研究中，目前可行的直接操作對象是( )
A.基因 B.氨基酸 C.多肽鏈 D.蛋白質
參考答案
1.答案：B
解析：A、AI確實可以幫助人們深入了解蛋白質分子結構和功能的關系。通過預測蛋白質的結構，科學家可以更好地理解其功能，以及如何與其他分子相互作用，A正確； B、A預測新型蛋白質的結構和功能并不是依據中心法則。中心法則指的是DNA轉錄成RNA，然后RNA翻譯成蛋白質的過程。而AI預測蛋白質結構的原理是基于大量的生物信息數據和復雜的算法，根據氨基酸序列預測蛋白質的三維結構。這個過程與中心法則無關，而是Al技術的應用，B錯誤； C、AI設計的蛋白質序列可以通過基因工程方法表達出來，C正確；D、利用A的計算能力，可幫助人們高效地設計出自然界沒有的蛋白質，D正確。
故選：B。
2.答案：A
解析：A、氨基酸的排列順序是由基因決定的，因此完成氨基酸的替換需要通過改造基因實現，A正確；B、該成果培育了新品種，而不是新物種，B錯誤；C、經蛋白質工程改造后的枯草桿菌蛋白酶的基因發生了改變，因此經蛋白質工程改造后的枯草桿菌蛋白酶活性提高這一性狀可以遺傳，C錯誤；D、蛋白質工程是在深入了解蛋白質分子的結構與功能關系的基礎上進行的，它最終要達到的目的是改造現有蛋白質或制造新的蛋白質，滿足人類的需求，D錯誤。故選:A。
3.答案：C
解析：A、蛋白質工程的目標是根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行設計改造，所以蛋白質工程可合成天然不存在的熒光蛋白，A正確；
B、合成新熒光蛋白的過程中涉及轉錄和翻譯等過程，涉及到中心法則，B正確；
C、蛋白質工程的實質是通過改變蛋白質的結構來改變熒光蛋白的功能，C錯誤；
D、蛋白質工程能按照人們的意愿定向改造蛋白質分子結構，使之更加符合人類需要，D正確。故選C。
4.答案：A
解析：蛋白酶的改造屬于蛋白質工程，酶的化學本質大多數是蛋白質，少數是 RNA， 蛋白質工程只能用于改造蛋白質類酶，A 項錯誤；枯草桿菌蛋白酶分子中的第 222 位氨基酸 替換，則堿基序列發生了改變，所以改造后的枯草桿菌中的控制合成蛋白酶的基因至少有 1 個堿基對發生了變化，B 項正確；蛋白質工程基本途徑：從預期的蛋白質功能出發，設計預 期的蛋白質結構，推測應有的氨基酸序列，推測 mRNA 序列，找到相對應的脫氧核苷酸序列（基 因），即蛋白質工程的操作流程與中心法則的流動方向相反，即蛋白質→mRNA→DNA，C 項正 確；獲得新型的枯草桿菌蛋白酶的基本思路是從預期的蛋白質功能出發，設計預期蛋白質的 結構，推測應有的氨基酸的序列，推測出其基因中的脫氧核苷酸序列，然后對現有的基因進 行改造或利用 DNA 合成儀合成出基因，D 項正確。
5.答案：B
解析：A、LCB1能S蛋白結合,干擾新冠病毒對人體細胞的感染,說明其作用與抗體類似,A正確;B、LCB1是人工設計并合成的一種自然界不存在的蛋白質,故LCB1并不是通過細胞中原有的基因表達產生的,B錯誤;C、LCB1的設計和合成屬于蛋白質工程,遵循中心法則,C正確;D、基因工程只能合成自然界已經存在的蛋白質,而LCB1蛋白藥物是自然界不存在的,是通過蛋白質工程設計和合成的,D正確。故選:B。
6.答案：D
解析：根據題干信息“通過破解蛛絲蛋白的結構從而推測出其相應的基因結構，以指導對蠶絲蛋白的修改，從而讓蠶也吐出像蛛絲蛋白一樣堅韌的絲”可知，該過程運用的技術是蛋白質工程，操作的流程是蛋白質→RNA→DNA→RNA→蛋白質，D正確。
7.答案：D
解析：天然蛋白質合成過程中要先形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈，再形成具有高級結構的蛋白質，蛋白質的氨基酸序列是預測其空間結構的重要基礎，A正確；蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求，預測、設計并制造新蛋白質的技術屬于蛋白質工程，B正確；結構決定功能，結構預測有助于人們了解蛋白質如何行使其功能，揭示蛋白質分子間相互作用的機制，C正確；一個氨基酸對應的密碼子可能有多個，因此依據新蛋白質的氨基酸序列可能推出多個基因序列，D錯誤。
8.答案：C
解析：富含賴氨酸的蛋白質是自然界中已有的蛋白質，基因工程可以把該蛋白質編碼基因轉入玉米細胞，并使之合成該蛋白質；更換賴氨酸合成過程中的天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的個別氨基酸，是對自然界中已有的蛋白質進行改造，屬于蛋白質工程。
9.答案：B
解析：A、蛋白質工程能生產出自然界沒有的新型蛋白質，A正確；
B、蛋白質工程為第二代基因工程，操作對象依然是基因，故不可以直接對蛋白質的部分氨基酸進行替換，B錯誤；
C、天然蛋白質合成的過程是按照中心法則進行的，而蛋白質工程卻與之相反，C正確；
D、蛋白質工程操作的對象為基因，故改造時可對相關蛋白質的基因的堿基對進行替換，D正確。
故選B。
10.答案：A
解析：蛋白質工程的直接操作對象是基因。

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