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2018_2019学年高中生物专题1基因工程1.4蛋白质工程的崛起教学案含解析选修3

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蛋白质工程的崛起
1.基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。 2.蛋白质工程并不是直接改造蛋白质分子的结构,而是通过基因操作来实现 对天然蛋白质的改造。 3.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→找到相对应的脱氧核苷酸序列。 4.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要。 5.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。
一、蛋白质工程崛起的缘由 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.基因工程的不足:基因工程在原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。 3.天然蛋白质的不足:天然蛋白质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。 二、蛋白质工程的基本原理 1.概念 (1)基础:蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。 (2)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。 (3)目的:获得满足人类的生产和生活需求的蛋白质。 2.流程:预期蛋白质功能→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(基因)。 三、蛋白质工程的进展和前景 1.进展:科学家通过对胰岛素的改造,已使其成为速效型药品。 2.前景: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。 3.面临的困难:对蛋白质发挥功能必须依赖的高级结构了解不够。

1.合成天然不存在的蛋白质应首先设计( )

A.基因结构

B.RNA 结构

C.氨基酸序列

D.蛋白质结构

解析:选 D 合成天然不存在的蛋白质属于蛋白质工程。实施蛋白质工程的前提是了解蛋

白质的结构与功能的关系,首先要从设计蛋白质的结构入手,然后再根据基因工程的方法通

过基因修饰或基因合成,合成相应的蛋白质,从而实现对蛋白质的改造。

2.蛋白质工程在实施过程中最大的难题是( )

A.生产的蛋白质无法应用

B.发展前景太窄

C.对大多数蛋白质的高级结构了解不清楚

D.无法人工合成目的基因

解析:选 C 蛋白质工程实施的最大难题是对于大多数蛋白质的高级结构了解不清楚,所

以很难改造其基因。

3.蛋白质工程的基本流程是( )

①蛋白质分子结构的设计 ②DNA 合成 ③预期蛋白质功能 ④根据氨基酸序列推出脱

氧核苷酸序列

A.①②③④

B.④②①③

C.③①④②

D.③④①②

解析:选 C 蛋白质工程的操作流程为: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。

| 核心要点 一

蛋白质工程的基本原理

1.对蛋白质工程内容的理解 (1)改造对象:改造蛋白质的结构,本质上是改造控制该蛋白质合成的基因的结构。 (2)产物:产生新的蛋白质。 (3)原理:基因改造。由于基因决定蛋白质,要对蛋白质的结构进行改造,最终还必须通 过改造基因来完成。 (4)蛋白质工程中经过处理得到的新基因与基因突变得到的新基因有较大差别,基因突变 的新基因中含有不编码蛋白质的序列,而蛋白质工程中的新基因则没有。 (5)蛋白质工程的内容主要有两方面:一是根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构 的蛋白质;二是确定蛋白质的化学组成及空间结构与生物功能之间的关系,在此基础上,实 现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生理功能,设计合成具有特定生理功能的全新蛋白 质,而氨基酸的排序由基因决定,所以还需要改造控制蛋白质合成的相应基因中的脱氧核苷

酸序列,或人工合成所需要的自然界原本不存在的基因片段,用于蛋白质工程。 2.蛋白质工程流程图
[名师点拨] 蛋白质工程通过对基因的操作实现对天然蛋白质进行改造的原因 (1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的,改造了基因即对蛋白质进行了改造,而且可 以遗传下去。如果对蛋白质直接改造,即使改造成功,被改造的蛋白质还是无法遗传。 (2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作,难度要小得多。
[题组冲关] 1.下列关于蛋白质工程的叙述,错误的是( ) A.蛋白质工程的实质是改造基因 B.蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列 C.蛋白质工程的基础是基因工程 D.蛋白质工程遵循的原理包括中心法则 解析:选 B 蛋白质工程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分子 设计,然后根据设计的蛋白质结构,合成出特定的脱氧核苷酸序列。 2.糖尿病是*年来高发的“富贵病”,常见类型有遗传型糖尿病和Ⅱ型糖尿病。遗传型 糖尿病的主要病因之一是胰岛受损。科研机构作出如下设计:取糖尿病患者的细胞,将人的 正常胰岛素基因导入其中,然后进行细胞培养,诱导产生胰岛组织,重新植入患者的胰岛, 使胰岛恢复功能。Ⅱ型糖尿病需要注射胰岛素治疗。目前临床使用的胰岛素制剂注射 120 min 后才出现高峰,与人体生理状态不符。科研人员通过一定的工程技术手段,将胰岛素 B 链的 28 号和 29 号氨基酸互换,获得了速效胰岛素,速效胰岛素已通过临床试验。 (1)对遗传型糖尿病进行基因治疗的方案中,胰岛素基因称为__________,实验室中要先 对该基因利用________技术进行扩增。将该基因导入正常细胞所用的方法是____________。 (2)科研人员利用蛋白质工程合成速效胰岛素,该技术的实验流程为:
其中,流程 A 是____________,流程 B 是_____________________________________。 (3)与基因工程相比,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______或基因________,对现有蛋白质进行________,或制造一种新的蛋白 质,以满足人类的生产生活需要。 解析:(1)根据题意,在进行基因治疗时,胰岛素基因是目的基因,在体外条件下可利用 PCR 技术对其进行扩增,在基因工程中将目的基因导入动物细胞的常用方法是显微注射法。(2)

根据蛋白质工程的流程示意图,可知整个流程是根据预期蛋白质的功能设计蛋白质的三维结

构,然后推测相应的氨基酸序列,并找到相应的脱氧核苷酸序列,最后合成相应的蛋白质。

(3)与基因工程相比,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

的生产生活需要。

答案:(1)目的基因 PCR 显微注射法 (2)预期蛋白质的功能 相应的氨基酸序列 (3)

修饰 合成 改造

| 核心要点 二

基因工程与蛋白质工程的关系

1.二者在操作上的基本思路

(1)基因工程是遵循中心法则,从 DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能。基本上是生产出

自然界已有的蛋白质。

(2)蛋白质工程是按照以下思路进行的:确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋

白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→相对应的碱基序列。可以创造天然不存在的蛋

白质。

2.二者的区别与联系

比较项目

蛋白质工程

基因工程

操作起点

预期的蛋白质功能

目的基因

预期蛋白质功能→设计预期的蛋白 获取目的基因→构建基因表达载

过程 质结构→推测应有的氨基酸序列→ 体→将目的基因导入受体细胞→



找到相对应的脱氧核苷酸序列

目的基因的检测与鉴定



定向改造生物的遗传特性,以获得

实质 定向改造或生产人类所需的蛋白质

人类所需的生物类型或生物产品

结果 可生产天然没有的蛋白质

只能生产自然界已有的蛋白质

联 ①都在生物体外对基因进行操作;

系 ②蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程

[题组冲关] 3.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*操作,蛋白质工程不需对基因进行操作 B.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是天然不存在的蛋白质 C.基因工程是分子水*操作,蛋白质工程是细胞水*(或性状水*)操作 D.基因工程完全不同于蛋白质工程 解析:选 B 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。蛋白质工程

是从分子水*上对蛋白质进行改造设计,通过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,以满足人类生产和生活需 求;而基因工程只是将外源基因导入另一生物体内,并使之表达,产生人类所需的性状,或 者获取所需的产品,基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
4.镰刀型细胞贫血症是一种单基因遗传病,患者的血红蛋白分子 β 肽链第 6 位氨基酸 谷氨酸被缬氨酸代替,导致功能异常。回答下列问题:
(1)异常血红蛋白的氨基酸序列改变的根本原因是编码血红蛋白基因的________序列发 生改变。
(2)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中,可以合成正常的血红蛋白达到 治 疗 的 目 的 。 此 操 作 ________( 填 “ 属 于 ” 或 “ 不 属 于 ”) 蛋 白 质 工 程 , 理 由 是 该 操 作 ________________________________。
(3)用基因工程方法制备血红蛋白时,可先提取早期红细胞中的________,以其作为模板, 在________酶的作用下反转录合成 cDNA。cDNA 与载体需在________________________酶的作 用下拼接构建基因表达载体,然后导入受体菌进行表达。
(4)检测受体菌是否已合成血红蛋白,可从受体菌中提取________,用相应的抗体进行 ________杂交,若出现杂交带,则表明该受体菌已合成血红蛋白。
解析:(1)基因是具有遗传效应的 DNA 片段,遗传信息储存在基因碱基对的排列顺序中。 (2)蛋白质工程是指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,以满足人类生产和生活的需求,题中所述不属于蛋白质工程。(3)利用反转录法获取目的 基因时,需先提取 mRNA,在逆转录酶的作用下反转录合成 cDNA。cDNA 与载体需在限制酶和 DNA 连接酶的作用下拼接构建成基因表达载体,才可导入受体菌。(4)检测目的基因是否合成 蛋白质,需要从转基因生物中提取蛋白质,用相应的抗体进行抗原-抗体杂交。
答案:(1)碱基对 (2)不属于 没有对现有的蛋白质进行改造 (3)mRNA 逆转录 限制 酶和 DNA 连接 (4)蛋白质 抗原-抗体
[方法规律] “三看法”判断基因工程和蛋白质工程
(1)一看对基因的操作方法: 如果仅将基因用限制酶从 DNA 片段中切割下来,没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工, 或仅对其调控序列进行加工,则属于基因工程;如果将目的基因经过了一些实质性的改造, 如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基,则属于蛋白质工程。 (2)二看目的基因的合成方式: 基因工程和蛋白质工程中都可以通过反转录合成目的基因,或根据蛋白质的氨基酸序列先合 成 mRNA,再合成基因。如果合成时 mRNA 或氨基酸序列没有经过改造,则为基因工程技术; 如果 mRNA 或氨基酸序列经过了改造,或 mRNA 或氨基酸序列是根据蛋白质预期的功能人工设

计的,则为蛋白质工程技术。 (3)三看合成的蛋白质种类: 如果合成的蛋白质是天然蛋白质,则是基因工程;如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异, 甚至是自然界中所没有的,则为蛋白质工程。

[随堂基础巩固]

1.蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是( )

A.氨基酸结构

B.蛋白质空间结构

C.肽链结构

D.基因结构

解析:选 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,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的

生产和生活需求。因此蛋白质工程最终还是要对基因进行改造。

2.蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是( )

A.基因功能

B.蛋白质功能

C.氨基酸序列

D.mRNA 密码子序列

解析:选 B 蛋白质工程依据蛋白质功能,设计蛋白质结构,再推测并合成相应的基因。

3.葡萄糖异构酶(GI)在工业上应用广泛,为提高其热稳定性,科学家对 GI 基因进行体

外定点诱变,以脯氨酸(Pro138)替代 Gly138,含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达,结果

最适反应温度提高 10~12 ℃。这属于生物工程中的( )

A.基因工程

B.蛋白质工程

C.发酵工程

D.酶工程

解析:选 B 酶工程的重点在于对已存在的酶合理充分利用(如:加酶洗衣粉、嫩肉粉等),

而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。通常所说的酶工程是用工程菌生

产酶制剂,而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构,然后由酶的分子结构来确定相应基

因的碱基序列等步骤。

4.下列哪项不是蛋白质工程的研究内容( )

A.分析蛋白质分子的精细结构

B.对蛋白质进行有目的的改造

C.分析氨基酸的化学组成

D.按照人的意愿将天然蛋白质改造成新的蛋白质

解析:选 C 蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构和生物活性之间的关系,按照人的意

愿改造蛋白质分子,形成自然界不存在的蛋白质分子。为了改造某种蛋白质分子,必须对其

精细结构进行分析,但不包括对组成蛋白质的氨基酸的化学成分的分析。 5.猪胰岛素用于降低人体血糖浓度的效果并不明显,原因是猪胰岛素分子中有一个氨基
酸与人的不同。为了使猪胰岛素能够用于临床治疗糖尿病,蛋白质工程中蛋白质分子设计的 最佳方案是( )
A.对猪胰岛素进行一个不同氨基酸的替换 B.将猪胰岛素和人胰岛素进行拼接组成新的胰岛素 C.将猪和人的胰岛素混合在一起治疗糖尿病 D.根据人的胰岛素设计制造一种全新的胰岛素 解析:选 A 由于猪胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同,所以只需替换这一 个不同的氨基酸即可。虽然根据人胰岛素分子设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗, 但是在分子设计和胰岛素的生产方面都存在很多的困难,所以并不是最佳方案。 6.下列围绕蛋白质工程的叙述,错误的是( ) A.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构,使之更加符合人类的需要 B.蛋白质工程是在分子水*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.蛋白质工程的操作起点是从预期蛋白质功能出发,设计出相应的基因,并借助基因工 程实现的 解析:选 B 蛋白质工程实际上是对基因进行操作,而不是对蛋白质进行操作。 7.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)代表蛋白质工程操作思路的过程是________,代表中心法则内容的过程是________。 (填数字)
(2)写出图中数字代表的生物学过程的名称或内容: ①________;②________;③________;④________。 (3)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则________。 (4)功能是由其结构决定的,直接决定蛋白质多样性的因素有_________________,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 中的碱基序列是否是唯一的?________,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________。 (7)蛋白质工程中的目的基因一般通过________获得。 解析:蛋白质结构的多样性由组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的

空间结构四个因素共同决定;从根本上说,蛋白质的结构是由基因(DNA)决定的;一种氨基酸

可能具有多种密码子,根据蛋白质的氨基酸序列推测的 mRNA 中的碱基序列可能有多种;蛋白

质的合成场所为核糖体,在内质网中将多肽链折叠成具有一定空间结构的蛋白质;蛋白质工

程的目的基因的碱基序列已知,可以通过 DNA 合成仪进行人工合成。

答案:(1)④⑤ ①②③ (2)转录 翻译 折叠 分子设计 (3)相反 (4)氨基酸的种

类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构 基因(DNA) (5)不唯一 一种氨基酸可能具有多

种密码子 (6)核糖体 内质网 (7)人工合成

[课时跟踪检测]

一、选择题

1.下列说法错误的是( )

A.科学家通过对胰岛素的改造已经使其成为速效型药品

B.我们可以将蛋白质工程应用于微电子方面

C.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

D.蛋白质工程成功的例子不多,主要是因为蛋白质种类太少,原料不足

解析:选 D 蛋白质工程是一项难度很大的工程,目前成功的例子不多,主要是因为蛋白

质发挥功能必须依赖于正确的高级结构,这种结构十分复杂,而目前科学家对大多数蛋白质

的高级结构的了解还不够。

2.下列关于蛋白质工程和基因工程的比较,不合理的是

()

A.基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质,而蛋白质工程可以对现有蛋白质

进行改造,从而制造一种新的蛋白质

B.蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的,蛋白质工程最终还是要通过基因修饰

或基因合成来完成

C.基因工程遵循中心法则,蛋白质工程完全不遵循中心法则

D.基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的

解析:选 C 蛋白质工程的基本途径是根据中心法则反推出来的。

3.蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时,主要包括( )

①进行少数氨基酸的替换 ②对不同来源的蛋白质进行拼接 ③从氨基酸的排列顺序出

发设计全新的蛋白质

④直接改变蛋白质的空间结构

A.①②

B.①②③

C.②③④

D.①②④

解析:选 B 蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时,不能直接改变蛋白质的空间结构,

但是能进行少数氨基酸的替换,能对不同来源的蛋白质进行拼接,能够从氨基酸的排列顺序

出发设计全新的蛋白质。 4.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,只是其热稳
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,临床治疗食物消化不良,最 佳方案是( )
A.替换此酶中的少数氨基酸,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蛋白酶 D.减少此酶在片剂中的含量 解析:选 A 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。 5.蛛丝的强度和柔韧度得益于蛛丝蛋白的特殊布局,使它产生了一个由坚硬的结晶区和 非结晶区构成的混合区域。有人试图通过*庵胨康鞍椎慕峁勾佣撇獬銎湎嘤Φ幕蚪峁梗 以指导对蚕丝蛋白的修改,从而让蚕也吐出像蛛丝蛋白一样坚韧的丝。此过程运用的技术及 流程分别是( ) A.基因突变:DNA→RNA→蛋白质 B.基因工程:RNA→RNA→蛋白质 C.基因工程:DNA→RNA→蛋白质 D.蛋白质工程:蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质 解析:选 D 该过程采用的是蛋白质工程。从预期蛋白质功能入手,对蛋白质控制的基因 进行改造以达到改造蛋白质的目的。 6.玉米中赖氨酸的含量比较低,原因是赖氨酸合成过程中的两种关键酶——天冬氨酸激 酶和二氢吡啶二羧酸合成酶,其活性受细胞内赖氨酸浓度的影响较大,当赖氨酸浓度达到一 定量时,就会抑制这两种酶的活性。增加玉米细胞中赖氨酸含量最有效的途径是( ) A.将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞 B.切除玉米细胞中天冬氨酸激酶基因和二氢吡啶二羧酸合成酶基因 C.修饰天冬氨酸激酶基因和二氢吡啶二羧酸合成酶基因的个别碱基 D.将根瘤菌的固氮基因导入玉米细胞 解析:选 C 如果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 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。因此可通过修饰天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶基因的个别碱基来达 到目的。 7.下列有关蛋白质工程的说法正确的是( ) A.蛋白质工程无需构建基因表达载体 B.蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造

C.蛋白质工程也需要限制酶和 DNA 连接酶 D.蛋白质工程是在蛋白质分子水*上改造蛋白质的 解析:选 C 蛋白质工程是在基因工程的基础之上延伸出来的,最终改造的对象仍是 DNA 分子,因此需要限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶。 8.下列关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是( ) A.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 B.基因工程是蛋白质工程的关键技术 C.通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍然是天然的蛋白质 D.利用蛋白质工程可以在大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素 解析:选 B 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 行分子设计。其中,基因工程是关键技术,是蛋白质工程的基础,因为对蛋白质结构的改造 是通过改造基因来实现的,所以蛋白质工程是在基因水*上改造蛋白质,改造后的蛋白质不 再是天然的蛋白质。利用大肠杆菌生产人的胰岛素属于基因工程。 9.关于蛋白质工程的进展和应用前景的说法,错误的是( ) A.通过对基因结构的定点突变实现玉米赖氨酸合成的关键酶结构的改变属于蛋白质工程 B.将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内,使大肠杆菌产生胰岛素的技术属于蛋白质工 程 C.对蛋白质进行分子设计必须从蛋白质的功能特点入手 D.通过对基因结构的改造生产出自然界中从来不存在的蛋白质种类目前还很少 解析:选 B B 项所涉及的生物工程技术为基因工程。 10.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 该基因的表达产物多肽 P1 的抗菌性和溶血性均较强,要研发出抗菌性强但溶 血性弱的多肽药物,首先应根据 P1 的氨基酸序列设计模拟肽,再构建相应的 DNA 片段。 二、非选择题 11.科学家通过利用 PCR 定点突变技术改造 Rubisco 酶基因,提髙了光合作用过程中 Rubisco 酶对 CO2 的亲和力,从而显著提高了植物的光合作用速率。请回答下列问题: (1)PCR 过 程 所 依 据 的 原 理 是 ________________ , 该 过 程 需 要 加 入 的 酶 是 ________________。利用 PCR 技术扩增目的基因的前提是要有一段已知目的基因的核苷酸序 列,以便根据这一序列合成________。

(2)该技术不直接改造 Rubisco 酶,而通过对 Rubisco 酶基因进行改造,从而实现对 Rubisco 酶的改造,其原因是________________________。和传统基因工程技术相比较,定点 突 变 技 术 最 突 出 的 优 点 是 ________________________ , PCR 定 点 突 变 技 术 属 于 ________________的范畴。
(3)可利用定点突变的 DNA 构建基因表达载体,常用________________将基因表达载体导 入植物细胞,将该细胞经植物组织培养技术培育成幼苗,从细胞水*分析所依据的原理是 ________________。
解析:(1)PCR 技术是 DNA 扩增的技术,所以其原理是 DNA 双链复制,但该过程需要耐高 温的 DNA 聚合酶(或 Taq 酶)的催化。利用 PCR 技术扩增目的基因的前提是要有一段已知目的 基因的核苷酸序列,以便根据这一序列合成引物。(2)由于蛋白质空间结构较为复杂,改造困 难,所以该技术不直接改造 Rubisco 酶,而通过对 Rubisco 酶基因进行改造,从而实现对 Rubisco 酶的改造;和传统基因工程技术相比,定点突变技术最突出的优点是能生产出自然界 不存在的蛋白质,PCR 定点突变技术属于蛋白质工程的范畴。(3)将基因表达载体导入植物细 胞常用农杆菌转化法;植物组织培养技术的原理是植物细胞的全能性。
答案:(1)DNA 双链复制 耐高温的 DNA 聚合酶(或 Taq 酶) 引物 (2)蛋白质空间结构较 为复杂,改造困难 能生产出自然界不存在的蛋白质 蛋白质工程 (3)农杆菌转化法 植物 细胞的全能性
12.已知生物体内有一种蛋白质(P),该蛋白质是一种转运蛋白,由 305 个氨基酸组成。 如果将 P 分子中 158 位的丝氨酸变成亮氨酸,240 位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸,改变后的蛋白 质(P1)不但保留 P 的功能,而且具有了酶的催化活性。回答下列问题:
(1)从上述资料可知,若要改变蛋白质的功能,可以考虑对蛋白质的__________________ 进行改造。
(2)以 P 基因序列为基础,获得 P1 基因的途径有修饰________基因或合成________基因。 所获得的基因表达时是遵循中心法则的,中心法则的全部内容包括____________________的 复制,以及遗传信息在不同分子之间的流动,即:________________________________。
(3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程,其基本途径是从预期蛋白质功能出发,通过 ____________________________________________ 和 __________________________ , 进 而 确 定相对应的脱氧核苷酸序列,据此获得基因,再经表达、纯化获得蛋白质,之后还需要对蛋 白质的生物________进行鉴定。
解析:(1)从题中所述资料可知,将 P 分子中 158 位的丝氨酸变成亮氨酸,240 位的谷氨 酰胺变成苯丙氨酸后,该蛋白质的功能发生了改变,此过程是通过对构成蛋白质的氨基酸的 排列顺序进行改造,进而改变了蛋白质的结构,从而改变了蛋白质的功能。(2)在蛋白质工程 中,目的基因可以以 P 基因序列为基础,对生物体内原有 P 基因进行修饰,也可以通过人工 合成法合成新的 P1 基因。中心法则的内容如下图所示:

由图可知,中心法则的全部内容包括:DNA 以自身为模板进行的复制,DNA 通过转录将遗 传信息传递给 RNA,最后 RNA 通过翻译将遗传信息表达成蛋白质;在某些病毒中 RNA 可自我复 制(如烟草花叶病毒等),在某些病毒中能以 RNA 为模板逆转录合成 DNA(如 HIV),这是对中心 法则的补充。(3)蛋白质工程的基本途径是预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应 有的氨基酸序列→合成 DNA→表达出蛋白质,经过该过程得到的蛋白质,需要对其生物功能进 行鉴定,以保证其发挥正常作用。
答案:(1)氨基酸序列(或结构)(其他合理答案也可) (2)P P1 DNA 和 RNA(或遗传物质) DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转 录、翻译) (3)设计蛋白质的结构 推测氨基酸序列 功能 13.如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③过程的依据有 ________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。 (2)若相关蛋白质的核酸片段是从细胞质获取的,则④过程包括________、________。 (3) ⑤ 过 程 中 对 核 苷 酸 序 列 有 严 格 要 求 的 工 具 酶 是 __________ , 进 行 ⑤ 过 程 的 目 的 是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析:在蛋白质工程中,根据预期蛋白质的功能设计预期蛋白质的结构是蛋白质工程的 首要任务,也是难度较大的任务。过程③根据蛋白质应有的氨基酸序列推断 mRNA 上密码子的 排列顺序,再根据逆转录原理推断 DNA 的碱基排列顺序。从细胞质中提取的核酸片段应为 mRNA, 因此,过程④为逆转录法合成目的基因。由于经过①②③过程人工合成的目的基因与生物体 内的基因不同,所以,该过程需要诱导基因发生突变。 答案:(1)① 氨基酸对应的密码子、mRNA 与 DNA 间的碱基互补配对原则 (2)逆转录 诱 导突变 (3)限制酶 使目的基因在受体细胞中稳定存在并遗传给下一代,同时使目的基因能 够表达和发挥作用
(时间:45 分钟 满分:50 分)

一、选择题(每小题 2 分,共 24 分) 1.下列关于基因工程中有关酶的叙述错误的是( ) A.限制酶水解相邻核苷酸间的化学键打断 DNA B.DNA 连接酶可将末端碱基互补的两个 DNA 片段连接 C.DNA 聚合酶能够从引物末端延伸 DNA 或 RNA D.逆转录酶以一条 RNA 为模板合成互补的 DNA 解析:选 C DNA 聚合酶只能从引物末端延伸 DNA 而不能延伸 RNA。 2.下列对基因工程中基因表达载体的叙述,错误的是( ) A.基因表达载体上的标记基因不一定是抗生素抗性基因 B.基因表达载体的构建是基因工程的核心 C.基因表达载体中一定不含有起始密码子和终止密码子 D.基因表达载体的构建需要使用限制酶和 DNA 聚合酶等特殊工具 解析:选 D 基因表达载体上的标记基因一般是抗性基因,也可能是荧光基因等;基因表 达载体一般包括启动子、目的基因、标记基因、终止子等。构建基因表达载体时,需要使用 限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶。 3.下列关于应用基因工程技术治疗人类遗传病的叙述,错误的是( ) A.基因治疗可以有效地改善患者生理状况,其操作对象是基因 B.进行基因治疗时,基因的受体细胞是受精卵 C.基因治疗并不是对患者体内细胞的缺陷基因进行改造 D.基因治疗时可只向患者部分细胞内输入正常基因 解析:选 B 基因工程操作的动物受体细胞一般为受精卵,但基因治疗时,不用对全部体 细胞发挥作用,受体细胞不是受精卵,而是部分体细胞。基因治疗不是对缺陷基因的改造, 一般是将正常基因导入受体细胞,从功能上“覆盖”缺陷基因的表达。 4.我国科学家运用基因工程技术,将苏*鹧挎吒司目钩婊虻既朊藁ㄏ赴⒊晒Ρ 达,培育出了抗虫棉。下列叙述错误的是( ) A.抗虫基因的提取和运输都需要专用的工具和载体 B.重组 DNA 分子中增加一个碱基对,不一定导致毒蛋白的毒性丧失 C.抗虫棉的抗虫基因可通过花粉传递到*缘作物,从而造成基因污染 D.转基因棉花是否具有抗虫特性是通过检测棉花对抗生素抗性来确定的 解析:选 D 转基因棉花是否具有抗虫特性是通过个体生物学水*来鉴定的,即接种相应 的害虫,观察棉花是否抗虫。 5.科学家将来自大鼠的编码一种离子通道蛋白的基因转入果蝇体内,培养出一种转基因 果蝇,人们可以通过照射激光来遥控它们的行为,让懒散的果蝇活动起来。以下叙述正确的 是( )

A.获取编码离子通道蛋白的基因的方法有从基因文库中提取、人工合成法 B.为了保持基因的完整性,应该将目的基因直接导入果蝇细胞 C.将该基因导入果蝇细胞最常用的方法是基因枪法 D.该转基因果蝇有性生殖的后代能保持该性状的稳定遗传 解析:选 A 基因工程中获取目的基因的方法有从基因文库中提取、人工合成;将目的基 因导入受体细胞前需要构建基因表达载体,其目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在并表 达;将目的基因导入动物细胞常用的方法是显微注射法;转基因果蝇有性生殖的后代可能会 发生性状分离,该性状不一定能稳定遗传。 6.我国转基因技术发展态势良好,农业部依法批准发放了转植酸酶基因玉米、转基因抗 虫水稻的生产应用安全证书。下列关于转基因玉米和转基因水稻的叙述错误的是( ) A.转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因 B.转基因抗虫水稻减少了化学农药的使用,减轻了环境污染 C.转基因抗虫水稻是否具有抗虫性,可通过饲养卷叶螟进行检测 D.转基因抗虫水稻的外源基因是几丁质酶基因 解析:选 D 转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因;转基因抗虫水稻的外源基因是 Bt 毒蛋白基因,而几丁质酶基因是抗真菌转基因植物常用的外源基因;转基因抗虫水稻减少 了农药的使用,减轻了环境污染,同时降低了农业生产的成本;检测目的基因是否表达最简 便的方法是个体水*的检测。 7.以下有关蛋白质工程的叙述,错误的是( ) A.蛋白质工程发展的基础是基因工程 B.蛋白质工程的原理是从预期的蛋白质功能出发最终找到脱氧核苷酸序列的过程 C.对蛋白质的改造是通过直接改造相应的 mRNA 来实现的 D.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应用的体现 解析:选 C 蛋白质工程是通过对基因的操作来实现对蛋白质改造的。 8.某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶(Amy)基因 a,通过基因工程的方法,将基因 a 与载体结合后导入马铃薯植株中,经检测发现 Amy 在成熟块茎细胞中存在。下列有关这一过 程的叙述错误的是( )
A.获取基因 a 的限制酶的作用部位是图中的① B.基因 a 进入马铃薯细胞后,可随马铃薯 DNA 分子的复制而复制,传给子代细胞 C.连接基因 a 与载体的 DNA 连接酶的作用部位是图中的② D.通过该技术人类实现了定向改造马铃薯的遗传性状 解析:选 C DNA 连接酶和限制酶的作用部位都是磷酸二酯键,即图中①部位。

9.下列关于目的基因的检测与鉴定的叙述,错误的是( ) A.目的基因在真核细胞中能否稳定遗传的关键是目的基因是否插入质 DNA 中 B.检测受体细胞是否含有目的基因及其是否成功转录的方法都是分子杂交法 C.目的基因的鉴定通常是在个体水*上进行的 D.如在受体细胞内检测到目的基因表达的蛋白质,可确定目的基因首端含有启动子 解析:选 A 目的基因在真核细胞中能否稳定遗传的关键是目的基因是否插入到核 DNA 中; 检测受体细胞是否含有目的基因的方法是 DNA 分子杂交法,检测目的基因是否转录出 mRNA 可 用 DNA—RNA 分子杂交法;基因能成功表达,说明其首端含有启动子。 10.人们试图利用基因工程的方法,用乙种生物生产甲种生物的一种蛋白质。生产流程: 甲生物的蛋白质→mRNA―①―→目的基因―②―→与质粒 DNA 重组―③―→导入乙细胞―④―→获得 甲生物的蛋白质 下列说法正确的是( ) A.①过程需要的酶是逆转录酶,原料是 A、U、G、C B.②要用限制酶切断质粒 DNA,再用 DNA 连接酶将目的基因与质粒连接在一起 C.如果受体细胞是动物细胞,③过程可以用农杆菌转化法 D.参与④过程的物质不含有 A、U、G、C 解析:选 B ①过程是逆转录,利用逆转录酶,合成 DNA 片段,所以需要的原料是 A、T、 G、C;②过程是目的基因与质粒 DNA 的重组,需要用限制酶切断质粒 DNA,再用 DNA 连接酶将 目的基因与质粒连接在一起;如果受体细胞是动物细胞,重组基因的导入常用显微注射法, 农杆菌转化法多用于植物细胞;④过程是基因的表达过程,此过程中的 mRNA 和 tRNA 都含有 A、 U、G、C。 11.基因工程利用某目的基因(图甲)和 Pl 噬菌体载体(图乙)构建重组 DNA。限制酶的酶 切位点分别是 BglⅡ、EcoRⅠ和 Sau3AⅠ。下列分析错误的是( )
A.构建重组 DNA 时,可用 BglⅡ和 Sau3AⅠ切割目的基因所在片段和 Pl 噬菌体载体 B.构建重组 DNA 时,可用 EcoRⅠ和 Sau3AⅠ切割目的基因所在片段和 Pl 噬菌体载体 C.图乙中的 Pl 噬菌体载体只用 EcoRⅠ切割后,含有 2 个游离的磷酸基团 D.用 EcoRⅠ切割目的基因所在片段和 Pl 噬菌体载体,再用 DNA 连接酶连接,只能产生 一种重组 DNA 解析:选 D 由题图可知,BglⅡ、Sau3AⅠ及 EcoRⅠ三种酶在目的基因和 Pl 噬菌体上都 有切口,故可用 BglⅡ和 Sau3AⅠ或 EcoRⅠ和 Sau3AⅠ切割目的基因所在片段和 Pl 噬菌体载

体;从图乙知 Pl 噬菌体载体为环状 DNA,只用 EcoRⅠ切割后产生两条反向双螺旋链状 DNA, 有 2 个游离的磷酸基团;用 EcoRⅠ切割目的基因所在片段和 Pl 噬菌体载体,再用 DNA 连接酶 连接,能产生不止一种重组 DNA。
12.chlL 基因是蓝藻拟核 DNA 上控制叶绿素合成的基因。为了研究该基因对叶绿素合成 的控制,需要构建缺失 chlL 基因的蓝藻细胞。技术路线如下图所示,对此技术的以下描述, 正确的是( )
A.②过程共形成 2 个磷酸二酯键 B.①②过程都需要使用限制酶和 DNA 连接酶 C.该项技术操作成功的标志是目的基因的表达 D.红霉素抗性基因是标记基因,用于筛选含有 chlL 基因的受体细胞 解析:选 B ②过程为红霉素抗性基因与重组质粒 1 结合,该过程中重组质粒 1 与红霉素 抗性基因有两个切口需要连接,故会形成 4 个磷酸二酯键。①过程需要用限制酶切割质粒和 chlL 基因,然后用 DNA 连接酶连接 chlL 基因和质粒。该技术是为了获得缺失 chlL 基因的蓝 藻细胞,故该技术成功的标志是蓝藻细胞无 chlL 基因控制的性状,即蓝藻不能合成叶绿素。 红霉素抗性基因可插入蓝藻拟核 DNA 中,从而破坏蓝藻拟核 DNA 上的 chlL 基因,因此可用于 筛选缺失 chlL 基因的蓝藻细胞。 二、非选择题(除注明外,每空 1 分,共 26 分) 13.(8 分)科学家运用基因工程技术将结核杆菌 MPT64 基因(能控制合成 MPT64 蛋白)成功 导入胡萝卜细胞,最终表达出肺结核疫苗。请回答下列问题: (1)为获取 MPT64 基因,可从结核杆菌的细胞中提取对应 mRNA,在____________的作用下 合成双链 cDNA 片段,获得的 cDNA 片段与结核杆菌中该基因碱基序列________(填“相同”或 “不同”)。 (2)通常采用 PCR 技术扩增 MPT64 基因,前提是要有一段已知 MPT64 基因的核苷酸序列, 以 便 根 据 这 一 序 列 合 成 ________ , 在 操 作 步 骤 中 需 要 加 热 至 90 ~ 95 ℃ 的 目 的 是 ____________________________。 (3)根据农杆菌的特点,如果将 MPT64 基因插入到________________上,通过农杆菌的转 化作用,就可以使目的基因进入胡萝卜细胞,并将其插入到植物细胞中的________________ 上。 (4)研究发现,如果将 MPT64 蛋白第 20 位和 24 位的氨基酸改变为半胱氨酸,其保存时间 将 大 大 延 长 , 科 学 家 可 以 生 产 上 述 耐 储 存 的 MPT64 蛋 白 的 现 代 生 物 工 程 技 术 是 ________________。

解析:(1)以 mRNA 模板,合成 cDNA 的过程是逆转录,需要逆转录酶的催化。由于 DNA 转 录形成 mRNA 的过程中非编码序列不转录,所以形成的 cDNA 与结核杆菌中该基因碱基序列不 同。(2)在 PCR 技术中,以已知 MPT64 基因的核苷酸序列为模板合成引物。在操作步骤中需要 加热至 90~95 ℃,以打开 DNA 的双链。(3)在农杆菌转化法中,将 MPT64 基因插入到农杆菌 的 Ti 质粒的 T?DNA 上,通过农杆菌的转化作用,就可以使目的基因进入胡萝卜细胞,并将其 插入到植物细胞的染色体 DNA 上。基因的表达产物是蛋白质,要确认 MPT64 基因是否在胡萝 卜植株中表达,应检测胡萝卜植株中是否含有 MPT64 蛋白。(4)蛋白质工程又叫第二代基因工 程,可以通过设计改造原有蛋白质的结构和功能。
答案:(1)逆转录酶 不同 (2)引物 目的基因 DNA 受热变性解链为单链(2 分) (3)Ti 质粒的 T?DNA 染色体 DNA (4)蛋白质工程
14.(9 分)虫草中的超氧化物歧化酶(SOD)具有抗衰老作用。研究人员培育了能合成 SOD 的转基因酵母菌。据图回答下列问题:
注:Hind Ⅲ和 ApaLⅠ是两种限制酶,箭头表示酶的切割位置。 (1)将图中的重组 DNA 分子用 Hind Ⅲ和 ApaLⅠ完全酶切后,可得到________种 DNA 片段。 图示的表达载体存在氨苄青霉素抗性基因,不能导入用于食品生产的酵母菌中,据图分析, 可用________切除该抗性基因的部分片段使其失效,再用 DNA 连接酶使表达载体重新连接起 来。 (2)作为受体细胞的酵母菌缺失 URA3 基因,必须在含有尿嘧啶的培养基中才能存活,因 此,图示表达载体上的 URA3 基因可作为________供鉴定和选择;为了筛选出成功导入表达载 体的酵母菌,所使用的培养基________(填“需要”或“不需要”)添加尿嘧啶。 (3)目的基因进入受体细胞内,并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程,称为________。 为了确定受体细胞中 SOD 基因是否转录,可用标记的________作探针进行分子杂交检测,分 子杂交的原理是____________。 (4)利用蛋白质工程获得活性更高的 SOD 时,需根据所设计蛋白质的结构推测其________ 序列,最终确定相对应的脱氧核苷酸序列并经____________获得所需的基因。 解析:(1)由图可知,图中的基因表达载体中存在 Hind Ⅲ的一个酶切位点,存在 ApaLⅠ 的两个酶切位点,因此用两种酶同时切割环状质粒会得到 3 种不同的 DNA 片段。图示的表达 载体存在氨苄青霉素抗性基因,不能导入用于生产的酵母菌中,否则会导致人体对抗生素不 敏感,因此可以利用 ApaLⅠ切除该抗性基因的部分片段使其失效,再用 DNA 连接酶使表达载 体重新连接起来。(2)作为受体细胞的酵母菌缺失 URA3 基因,必须在含有尿嘧啶的培养基中

才能存活,因此,图示表达载体上的 URA3 基因可作为标记基因供鉴定和选择;由于导入表达 载体的酵母菌中含有 URA3 基因,而普通酵母菌中不含有 URA3 基因,因此为了筛选出成功导 入表达载体的酵母菌,所使用的培养基不需要添加尿嘧啶。(3)目的基因进入受体细胞内并且 在受体细胞内维持稳定和表达的过程,称为转化。为了确定受体细胞中 SOD 基因是否转录, 可用标记的 SOD 基因作为探针进行分子杂交检测,分子杂交的原理是碱基互补配对。(4)利用 蛋白质工程获得活性更高的 SOD 时,需根据所涉及蛋白质的结构推测其氨基酸序列,最终确 定相对应的脱氧核苷酸序列并经基因修饰获得所需的基因。
答案:(1)3 ApaLⅠ (2)标记基因 不需要 (3)转化 SOD 基因 碱基互补配对 (4) 氨基酸 基因修饰
15.(9 分)下图为科研人员制备能合成干扰素的人参愈伤组织细胞的流程,①~④表示相 关的操作,EcoRⅠ、BamHⅠ为限制酶,它们的识别序列及切割位点如表所示。请回答下列问 题:
(1) 步 骤 ① 中 , 利 用 PCR 技 术 扩 增 干 扰 素 基 因 时 , 设 计 引 物 序 列 的 主 要 依 据 是 ________________________。科研人员还在两种引物的一端分别加上了________和________ 序列,以便于后续的剪切和连接。
(2)过程②所构建的基因表达载体中未标注出的必需结构还有__________,过程③中需先 用________处理农杆菌以便将基因表达载体导入细胞。
(3)过程④中,科研人员提取愈伤组织细胞的 RNA 后,先通过________过程获得 DNA,再 进 行 PCR 扩 增 , 若 最 终 未 能 检 测 出 干 扰 素 基 因 , 其 可 能 的 原 因 是 _________________________________。
(4)治疗中发现,用于口服的 α ?干扰素在胃中会受到一定程度的破坏影响其功效,需要 利用________________技术加以改造,以达到满意效果。
解析:(1)设计引物序列的主要依据是干扰素基因两端的部分核苷酸序列。后期需要用限 制酶进行切割,所以在两种引物的一端分别加上了 GAATTC 和 GGATCC 序列。(2)构建的基因表 达载体中还需要复制原点。过程③中需先用 Ca2+处理农杆菌以便将基因表达载体导入细胞。 (3)RNA 通过逆转录形成 DNA,若最终未能检测出干扰素基因,其可能原因是干扰素基因未能 导入人参愈伤组织细胞或导入人参愈伤组织细胞的干扰素基因未能转录。(4)对 α ?干扰素进 行改造需要利用蛋白质工程

答案:(1)干扰素基因两端的部分核苷酸序列 GAATTC GGATCC (2)复制原点 Ca2+ (3)逆转录 干扰素基因未能导入人参愈伤组织 细胞或导入人参愈伤组织细胞的干扰素基因未能转录(2 分) (4)蛋白质工程




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