创新设计学年高中生物专题一基因工程14蛋白质工程地崛起课时作业新人教版选修3.docx

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创新设计学年高中生物专题一基因工程14蛋白质工程地崛起课时作业新人教版选修3

1.4　蛋白质工程的崛起

目标导航

　1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。

2.结合教材图1－29，简述蛋白质工程的基本原理及蛋白质工程的发展和前景。

一、蛋白质工程及其原理（阅读P26－27）

1．蛋白质工程的崛起

（1）基因工程的优势与不足

①优势：

将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。

这是基因工程的实质。

②不足：

原则上基因工程只能生产自然界中已存在的蛋白质。

（2）天然蛋白质的特点

天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。

（3）蛋白质工程的提出

1983年，美国某基因公司的一名科学家提出了“蛋白质工程”这一名词，随即被广泛地接受和采用。

2．蛋白质工程的原理

概念

基础

蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系

手段

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

目的

获得满足人类生产和生活需求的蛋白质

原理

由预期的蛋白质功能找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）

二、蛋白质工程的进展和前景（阅读P28）

1．科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。

2．生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面，用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。

判断正误：

（1）基因工程能生产自然界中不存在的蛋白质。

（　　）

（2）蛋白质工程的主要目的是对现有蛋白质进行改造或生产新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需要。

（　　）

（3）蛋白质工程直接操作的对象是蛋白质。

（　　）

（4）蛋白质工程的基本途径是：

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→找到相应的脱氧核苷酸序列。

（　　）

（5）蛋白质工程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。

（　　）

（6）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。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）√　（5）√　（6）√

一、蛋白质工程及其原理

1．蛋白质工程的崛起

（1）基因工程的实质：

将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。

（2）蛋白质工程的目的：

生产符合人们生产与生活需要并非自然界已存在的蛋白质。

2．蛋白质工程的流程图

1．蛋白质工程中直接进行操作的对象是什么？

是否为蛋白质分子自身？

答案　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，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产或生活的需求。

因此，归根到底要对基因进行改造。

2．为什么说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？

答案　因为蛋白质的合成由基因控制，所以说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。

3．判断蛋白质工程方法的关键是什么？

答案　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。

4．假如某科学家设计出某种蛋白质的空间结构，你能否设计出利用大肠杆菌生产该蛋白质的流程？

答案　蛋白质的空间结构→氨基酸序列→合成目的基因→构建基因表达载体→导入大肠杆菌→产生相应蛋白质。

1．下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：

（1）代表蛋白质工程操作思路的过程是_____________________________________________；

代表中心法则内容的是__________________________________________________。

（填写数字）

（2）写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：

①________；②________；③________；④______________；⑤______________。

（3）蛋白质工程的目的是___________________________________________________，

通过________________________________________________________________________实现。

（4）从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是________的。

问题导析

（1）天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的。

（2）蛋白质工程的基本途径与上述过程相反，即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→找到相应的脱氧核苷酸序列（基因）。

答案　

（1）④⑤　①②③　

（2）转录　翻译　折叠　分子设计　DNA合成　（3）根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计　基因合成或改造　（4）相反

一题多变

判断正误：

（1）对蛋白质直接改造成功，也可遗传。

（　　）

（2）改造了基因即对蛋白质进行了改造。

（　　）

（3）蛋白质工程的实质是改造氨基酸。

（　　）

（4）蛋白质工程的原理是中心法则。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×

二、蛋白质工程与基因工程比较

比较项目

基因工程

蛋白质工程

操作环境（场所）

生物体外

生物体外

操作核心

基因

基因

操作起点

目的基因

预期的蛋白质功能

基本过程

剪切→拼接→导入→表达

确定蛋白质功能→应有的高级结构→应具备的折叠状态→应有氨基酸序列→应有的碱基序列→改造的蛋白质

实质

定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品（基因的异体表达）

定向改造或生产人类所需的蛋白质

结果

生产自然界已存在的蛋白质

可以创造出自然界不存在的蛋白质

科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品，阅读教材，结合资料完成下述分析。

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蛋白质的预期功能。

（2）通过人工合成DNA形成的新基因应与载体结合后转移到大肠杆菌等受体细胞中才能得到准确表达。

（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蛋白质工程、基因工程和发酵工程。

（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根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因。

2．基因工程与蛋白质工程的区别是（　　）

A．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

B．基因工程合成自然界已存在的蛋白质，蛋白质工程可以合成自然界不存在的蛋白质

C．基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平（或性状水平）的操作

D．基因工程完全不同于蛋白质工程

问题导析

（1）蛋白质工程是直接对相应的基因进行修饰加工甚至人工进行基因合成，从而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。

（2）基因工程只是将外源基因导入另一生物体内，并使之表达出人类所需的性状，或者获取所需的产品。

（3）基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。

答案　B

一题多变

（1）蛋白质工程和基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质，所以二者没有区别。

（　　）

（2）基因工程是蛋白质工程的关键技术。

（　　）

（3）通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍然是天然蛋白质。

（　　）

（4）利用蛋白质工程可以在大肠杆菌细胞中直接得到人的胰岛素。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×

1．蛋白质工程的基本流程正确的是（　　）

①蛋白质分子结构设计　②DNA合成　③预期蛋白质功能　④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列

A．①→②→③→④B．④→②→①→③

C．③→①→④→②D．③→④→①→②

答案　C

解析　蛋白质工程是根据人们的需要首先要预期相应功能，然后对其空间结构进行设计，目前这一步是科学家们仍未完全掌握的，根据相应的氨基酸推导出基因中的碱基序列，再利用人工合成法合成相应的目的基因。

2．蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是（　　）

A．蛋白质工程能生产人类需要的基因产物

B．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．蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现

D．蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第三代基因工程

答案　B

解析　蛋白质工程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，是延伸出来的第二代基因工程。

3．以下蛋白质工程中，目前已成功的是（　　）

A．对胰岛素进行改造，生产速效型药品

B．蛋白质工程应用于微电子方面

C．生产体外耐储存的干扰素

D．用蛋白质工程生产血红蛋白

答案　A

解析　A已经实现，B、C、D三项目前尚未实现，只是蛋白质工程的发展前景，有待于进一步研究和设计。

4．2008年诺贝尔化学奖授予了三位在研究绿色荧光蛋白（GFP）方面作出突出贡献的科学家。

绿色荧光蛋白能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发出的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。

GFP基因可作为目的基因用于培育绿色荧光小鼠，下图表示培育绿色荧光小鼠的基本流程：

请根据上述材料回答下列问题：

（1）用于培育绿色荧光小鼠的基因表达载体的组成必须有启动子、标记基因、________和_____________________________________________________________。

图中过程②常用的方法是_________________________________________________________。

（2）GFP基因与目的基因一起构建到载体上不影响目的基因的表达，也不影响由目的基因控制合成的蛋白质的结构与功能，且对细胞无毒性作用，因此GFP基因可以作为基因表达载体上的________________________________________________________________________。

（3）目前科学家们通过________工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等，该工程是直接改造GFP分子，还是改造GFP基因？

___________________________________________。

答案　

（1）GFP基因　终止子　显微注射技术　

（2）标记基因　（3）蛋白质　改造GFP基因（绿色荧光蛋白基因）

基础巩固

1．蛋白质工程的实质是（　　）

A．改造蛋白质B．改造mRNA

C．改造基因D．改造氨基酸

答案　C

解析　蛋白质工程的目的是获取人类需要的蛋白质，由于蛋白质的合成是受基因控制的，所以要从根本上对基因进行改造。

2．蛋白质工程制造的蛋白质是（　　）

A．天然蛋白质

B．稀有蛋白质

C．自然界中不存在的蛋白质

D．尚没有制造出来

答案　C

解析　蛋白质工程是对基因进行改造进而产生符合人们需要的蛋白质，因此不再是天然的蛋白质。

3．添加在洗衣粉中的某种酶在低温下活性较低，影响了洗衣粉的洗衣效果。

若让你用生物工程的方法改变此酶的特性，首先考虑的是（　　）

A．基因工程B．蛋白质工程

C．诱变D．细胞工程

答案　B

解析　蛋白质工程可通过基因工程这一手段实现对蛋白质的改造目的。

4．下列关于蛋白质工程的说法，错误的是（　　）

A．蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类需要

B．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构

C．蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的新型蛋白质分子

D．蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程

答案　B

解析　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。

5．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。

下图为蛋白质工程流程图，图中A、B在遗传学上依次表示（　　）

A．转录和翻译B．翻译和转录

C．复制和转录D．传递和表达

答案　A

巩固提升

6．猪的胰岛素用于人体降低血糖浓度效果不明显，原因是猪的胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。

为了使猪的胰岛素用于临床治疗人的糖尿病，用蛋白质工程对蛋白质分子进行设计的最佳方案是（　　）

A．对猪的胰岛素进行一个不同氨基酸的替换

B．将猪的胰岛素和人的胰岛素进行拼接，组成新的胰岛素

C．将猪的胰岛素和人的胰岛素混合在一起治疗人的糖尿病

D．根据人的胰岛素设计制造一种新的胰岛素

答案　A

解析　由于猪的胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同，所以可通过蛋白质工程中蛋白质的分子设计，只需替换这一个不同的氨基酸即可。

虽然根据人胰岛素分子的结构设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗，但在分子设计和胰岛素的生产方面都存在着很多困难，所以不是最佳方案。

7．某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构和功能很相似，只是热稳定性较差，进入人体后容易失效。

现要将此酶开发成一种片剂，临床治疗消化不良，最佳方案是（　　）

A．将此酶中的少数氨基酸替换，以改善其功能

B．将此酶与人蛋白酶进行拼接，形成新的蛋白酶

C．重新设计与创造一种全新的蛋白酶

D．减少此酶在片剂中的含量

答案　A

解析　要想使蛋白酶热稳定性有所提高，就要改变蛋白质的结构，此类问题一般是对蛋白质中的个别氨基酸进行替换。

8．下列关于蛋白质工程的叙述，正确的是（　　）

A．将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使生物表现出新的性状

B．干扰素是动物体内的一种蛋白质，可用于治疗病毒的感染和癌症

C．由于赖氨酸抑制天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，所以赖氨酸产量难以提高

D．蛋白质工程能产生自然界已有的蛋白质

答案　C

解析　蛋白质工程崛起的缘由是为了得到符合人类生产和生活需要的特定的蛋白质。

如玉米生产过程中将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。

9．下列关于蛋白质工程应用的叙述，不正确的是（　　）

A．蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳定性

B．通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性

C．利用蛋白质工程可以从大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素

D．蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰，合成速效型胰岛素制剂

答案　C

解析　从大肠杆菌中得到人的胰岛素利用的是基因工程技术。

10．蛋白质工程是指根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计、生产的过程。

下图是蛋白质工程的基本途径，试回答下列有关问题：

（1）图中③过程的主要依据是每种氨基酸都有其对应的________，后者位于________分子上，其上的核苷酸序列与基因中的脱氧核苷酸序列之间存在着________________________关系。

（2）通过③过程获得的脱氧核苷酸序列不是完整的基因，要使这一序列能够表达、发挥作用，还必须在序列的上、下游加上________和________，在这个过程中需要______________酶的参与。

（3）完成④过程需要涉及________________________________________________________技术。

答案　

（1）密码子　mRNA　碱基互补配对　

（2）启动子　终止子　DNA连接　（3）基因工程

解析　

（1）由氨基酸可推知mRNA中碱基序列，进而能推知相应基因中的核苷酸序列。

（2）经③过程获得的脱氧核苷酸序列并非完整的基因，它还必需加入启动子、终止子等。

（3）完成④过程需基因工程技术，从而实现改造的目的基因的表达。

11．绿色荧光蛋白（GFP）能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发出的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。

下图为我国首例绿色荧光蛋白（GFP）转基因克隆猪的培育过程示意图，据图回答下列问题：

（1）图中通过过程①、②形成重组质粒，需要限制酶切取目的基因、切割质粒。

限制酶Ⅰ的识别序列和切点是－G↓GATCC－，限制酶Ⅱ的识别序列和切点是－↓GATC－。

在质粒上有酶Ⅰ的一个切点，在目的基因的两侧各有1个酶Ⅱ的切点。

①请画出质粒被限制酶Ⅰ切割后形成黏性末端的过程。

________________________________________________________________________。

②在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接起来________________________________________________________________________，

理由是________________________________________________________________________。

（2）过程③将重组质粒导入猪胎儿成纤维细胞时，采用最多也最有效的方法是________________________________________________________________________。

（3）如果将切取的GFP基因与抑制小猪抗原表达的基因一起构建到载体上，GFP基因可以作为基因表达载体上的标记基因，其作用是_________________________________________。

（4）目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等，采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白过程的正确顺序是：

___________________________________（用序号表示）。

①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列

②蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计

③蓝色荧光蛋白基因的修饰（合成）

④表达出蓝色荧光蛋白

答案　

（1）①（只写出切割后形成的部分即可）

—GGATCC—

—CCTAGG—

GATCC—

G—

②可以连接　因为由两种不同限制酶切割后形成的黏性末端是相同的（或是可以互补的）　

（2）显微注射技术　（3）鉴定受体细胞中是否含有目的基因　（4）②①③④

解析　

（1）中①问相对比较简单，书写要关注DNA序列与限制酶识别序列的区别，不要遗漏了酶和黏性末端的正确表达。

②问中由于两种限制酶切割形成的黏性末端是相同的，可以互补配对，因此可用DNA连接酶进行相互“缝合”。

（2）基因工程中目的基因导入动物细胞的方法是显微注射技术。

（3）基因表达载体上标记基因的作用是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因。

（4）考查蛋白质工程的操作流程，正确的操作过程是②①③④。

12．科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠－人嵌合抗体，用于癌症治疗。

下图表示形成鼠－人嵌合抗体的过程，据图回答下面的问题：

（1）改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠－人嵌合抗体，属于______________（生物工程）的范畴。

（2）图示过程是根据预期的__________________，设计__________________，最终必须对______________进行操作，此操作中改变的是________________________________________________________________________。

（3）经过改造的鼠－人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是________________________________________________________________________（从免疫

角度考虑）。

（4）上述过程中对科学家来说难度最大的是______________________________________________________________。

答案　

（1）蛋白质工程　

（2）嵌合抗体功能　嵌合抗体的结构　基因　碱基序列　（3）对人体的不良反应减少

（4）设计嵌合抗体的空间结构

解析　

（1）通过图示可知鼠－人嵌合抗体是通过人工设计而形成的特定功能蛋白质，其生产过程应属于蛋白质工程的范畴。

（2）蛋白质工程的流程：

预期蛋白质的功能→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（基因）→通过基因工程操作生产预期的蛋白质。

（3）从免疫的角度考虑，对人体来说鼠源抗体为抗原，若利用人的抗体与之嵌合，则排斥作用会减轻，对人体的副作用会减少。

（4）由于蛋白质空间结构比较复杂，不易确定，所以成为蛋白质工程中最大的障碍。

走进高考

13．（2013·天津卷，8节选）采用蛋白质工程进一步改造某种酶的基本途径是：

从提高酶的活性出发，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________________序列。

答案　脱氧核苷酸

14．（2013·新课标卷Ⅰ，40节选）材料甲　科学家将牛生长激素基因导入小鼠受精卵中，得到了体型巨大的“超级小鼠”；科学家采用农杆菌转化法培育出转基因烟草。

材料乙　T4溶菌酶在温度较高时易失去活性，科学家对编码T4溶菌酶的基因进行改造，使其表达的T4溶菌酶的第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，提高了T4溶菌酶的耐热性。

回答下列问题：

（1）材料甲属于基因工程的范畴。

将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用__________法。

构建基因表达载体常用的工具酶有__________和____________。

在培育转基因植物时，常用农杆菌转化法，农杆菌的作用是______________________________________。

（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，通过基因修饰或基因合成，对____________进行改造，或制造一种__________的技术。

在该实例中，引起T4溶菌酶空间结构改变的原因是组成该酶肽链的____________________序列发生了改变。

答案　

（1）显微注射　限制酶　DNA连接酶　农杆菌可感染植物，将目的基因转移到受体细胞中

（2）蛋白质　现有的蛋白质　新蛋白质　氨基酸