3.3 蛋白质工程是基因工程的延伸（解析版）

第三节蛋白质工程是基因工程的延伸一．选择题（共10小题）1．科研人员以β﹣甘露葡萄糖酶为核心研究材料，在其N端找到了两个关键的氨基酸位点，将这两个位点的组氨酸和脯氨酸分别替换为酪氨酸后，其热稳定性得到了显著提高。下列说法正确的是（）A．细胞内合成改造后的高热稳定性蛋白质的过程不遵循中心法则 B．替换蛋白质中的氨基酸实际可通过改造基因中的碱基序列实现 C．在分子水平上，可利用PCR等技术检测细胞内是否合成新的目的蛋白质 D．制备过程中应先获得目标蛋白质的三维结构，再预期其生物学功能【解答】解：A、细胞内蛋白质的合成过程都遵循中心法则，A错误；B、蛋白质是DNA经过转录、翻译得到的，所以替换蛋白质中的氨基酸实际可通过改造基因中的碱基序列实现，B正确；C、PCR等技术能检测目的基因是否导入细胞或是否转录，检测细胞内是否合成新的蛋白质可使用抗原﹣抗体杂交法，C错误；D、蛋白质工程的制备过程中要先预期目标蛋白质的生物学功能，再设计获得该蛋白质的三维结构，D错误。故选：B。2．蛋白质工程中可以利用引物引导的方法对DNA进行定点突变，进而改变蛋白质的特定氨基酸。图示为这种定点诱变方法的实验流程。据图分析，下列叙述错误的是（）A．待突变质粒的甲基化修饰不会影响PCR扩增 B．用于突变的两条引物之间不能发生碱基互补配对 C．图中所示限制酶能够识别质粒中发生甲基化的位点 D．突变质粒缺口补齐依赖于大肠杆菌DNA连接酶的作用【解答】解：A、PCR扩增是DNA在体外进行的复制的过程，甲基化影响的是基因的转录过程，不影响基因复制过程，所以待突变质粒的甲基化修饰不会影响PCR扩增，A正确；B、由图可以看出，用于突变的两条引物之间在第三、四幅图（从左往右）中都进行了碱基互补配对（成环、且挨得很近），B错误；C、由图可以看出，经限制酶切割后，被甲基化修饰的待突变质粒模板被切割（第四幅图虚线的环），所以图中所示限制酶能够识别质粒中发生甲基化的位点，C正确；D、DNA连接酶的作用是将DNA片段连接，由图可以看出，转入大肠杆菌后突变质粒的缺口被补齐，而大肠杆菌中有DNA连接酶，所以突变质粒缺口补齐依赖于大肠杆菌DNA连接酶的作用，D正确。故选：B。3．T4溶菌酶来源于T4噬菌体，是重要的工业用酶。科学家通过一定技术使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸（异亮氨酸的密码子是AUU、AUC、AUA，半胱氨酸的密码子是UGU、UGC），于是在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键，从而使T4溶菌酶的耐热性得到了提高。对上述过程的叙述错误的是（）A．对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴 B．上述过程通过直接改造T4溶菌酶mRNA上的2个碱基实现 C．参与新的T4溶菌酶合成的tRNA种类可能不变 D．改造后的T4溶菌酶肽键数不变，二硫键的作用类似于DNA中的氢键【解答】解：A、对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的，故对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴，A正确；B、蛋白质工程直接改造的对象为基因，并不是mRNA，B错误；C、改造前组成T4溶菌酶的氨基酸中就含有半胱氨酸，改造后组成T4溶菌酶的氨基酸中也可能仍含有异亮氨酸，因此参与其合成的tRNA种类可能不变，C正确；D、改造后的T4溶菌酶替换了一个氨基酸，氨基酸总数不变，且发生替换的两个氨基酸R基上都不含羧基或氨基，所以肽键数不变，二硫键使T4溶菌酶的耐热性提高；DNA分子中氢键越多，热稳定性越强，二者作用类似，D正确。故选：B。4．科学家为提高玉米中赖氨酸的含量，计划将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变为异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变为异亮氨酸，下列说法中，正确的是（）A．蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异 B．对天冬氨酸激酶的改造需要以基因工程为基础 C．蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具 D．经改造后的玉米赖氨酸含量提高这一性状不可遗传【解答】解：A、蛋白质工程和基因工程的操作对象都是基因，A错误；B、基因指导蛋白质的合成，蛋白质工程以基因工程为基础，即对天冬氨酸激酶（本质是蛋白质）的改造需要以基因工程为基础，B正确；C、蛋白质工程的操作对象是基因，故需要酶和载体作为工具，C错误；D、由题意可知，对天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶进行了基因改造，其遗传物质发生改变，故经改造后的玉米赖氨酸含量提高这一性状是可以遗传的，D错误。故选：B。5．下列有关蛋白质工程的叙述，不正确的是（）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．可以预测具有一定氨基酸序列的蛋白质的空间结构和生物功能 C．根据特定的生物功能，设计蛋白质的氨基酸序列和空间结构 D．蛋白质工程和基因工程没有任何关系【解答】解：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，从而可以根据需要设计相应的蛋白质分子的结构，A正确；B、蛋白质工程是以设计蛋白质分子结构为前提的，因此蛋白质工程可预测具有一定氨基酸序列的蛋白质的空间结构和生物功能，B正确；C、蛋白质工程能根据特定的生物功能，设计蛋白质的氨基酸序列和空间结构，进而推测相应的基因序列，而后合成相应的基因，再设法指导蛋白质的合成，C正确；D、因为蛋白质的设计最终还需要通过合成相应的基因来完成蛋白质的合成，因此，蛋白质工程被称为是延伸出来的第二代基因工程，D错误。故选：D。6．科学家将葡萄糖异构酶的第138位甘氨酸用脯氨酸替代，结果它的最适温度提高了10～12℃。下列说法正确的是（）A．蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异 B．经改造后的葡萄糖异构酶热稳定性提高这一性状不可遗传 C．对葡萄糖异构酶的改造需要以基因工程为基础 D．蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具【解答】解：A、蛋白质工程和基因工程都要对基因进行操作，其操作对象相同，A错误；B、将葡萄糖异构酶的第138位甘氨酸用脯氨酸替代，属于蛋白质工程，由于需要对基因进行改造，因此属于可遗传变异，故经改造后的葡萄糖异构酶热稳定性提高这一性状可以遗传，B错误；C、对葡萄糖异构酶的改造属于蛋白质工程，需要以基因工程为基础，改造或合成新的基因，C正确；D、蛋白质工程操作过程中，需要改造或合成基因，因此需要酶和载体作为工具，D错误。故选：C。7．蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终的目的是（）A．分析蛋白质的三维结构 B．研究蛋白质的氨基酸组成 C．获取编码蛋白质的基因序列信息 D．改造现有蛋白质或制造新的蛋白质【解答】解：A、分析蛋白质的三维结构是蛋白质工程的准备工作，与题意不符，A错误；B、研究蛋白质的氨基酸组成是为了设计或改造相关基因，这不是蛋白质工程的最终目的，B错误；C、获取编码蛋白质的基因序列信息实现了对基因的修饰或合成过程，但不是蛋白质工程的最终目的，C错误；D、改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，从而满足人类的需求，实现对蛋白质的定向改造，这是蛋白质工程的最终目标，D正确。故选：D。8．下列关于蛋白质工程的说法正确的是（）A．蛋白质工程无须构建基因表达载体 B．蛋白质工程需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶 C．对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的 D．蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的【解答】解：A、蛋白质工程通过对基因进行操作来实现对蛋白质的改造，需要构建基因表达载体，A错误；B、蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出的第二代基因工程，需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶，B正确；C、对蛋白质的改造是通过直接改造相应的基因来实现的，C错误；D、蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相反的，D错误。故选：B。9．葡萄糖异构酶在工业上应用广泛，科学家将其第138位甘氨酸替换为脯氨酸后，其最适温度提高了10℃左右。相关叙述正确的是（）A．蛋白质功能是由氨基酸的种类和数量决定 B．改造蛋白质结构可通过改造基因结构实现 C．蛋白质工程不可以定向改变蛋白质的结构 D．酶最适温度提高是因为脯氨酸比甘氨酸更耐热【解答】解：A、蛋白质的功能是由蛋白质的结构决定的，从根本上来说，是由基因决定的，A错误；B、改造蛋白质结构可通过改造编码蛋白质的基因结构实现，B正确；C、蛋白质工程可以获得特定功能的蛋白质，因此可以定向改变蛋白质的结构，C错误；D、酶最适温度提高是因为酶的空间结构发生改变，D错误。故选：B。10．下列关于蛋白质工程的说法，错误的是（）A．蛋白质工程以基因工程为基础，属于第二代基因工程 B．蛋白质工程是根据蛋白质功能的特定需求，利用酶的专一性对蛋白质的氨基酸序列直接改造 C．蛋白质工程常用到基因的定点突变技术从分子水平进行碱基的替换 D．蛋白质工程难度很大的主要原因是蛋白质的功能必须依赖复杂的空间结构【解答】解：A、蛋白质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，它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代的基因工程，A正确；B、蛋白质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，B错误；C、蛋白质工程常用到基因的定点突变技术从分子水平进行碱基的替换，进行基因修饰或基因合成，C正确；D、蛋白质工程难度很大的主要原因是蛋白质的功能要依赖于复杂的空间结构，D正确。故选：B。二．解答题（共3小题）11．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。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）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。该技术的第一步是使目的基因DNA受热变性，DNA中G+C的含量越多，要求的变性温度越高。其原因是。（3）“M酶”基因只有整合到玉米细胞的中，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”基因导入玉米细胞前，需先构建，才能保证该基因在玉米细胞内能稳定存在，并能表达和发挥作用。（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，科技人员需要通过测定玉米种子中的含量，从个体水平加以鉴定。【解答】解：（1）根据题干信息可知，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，获取的目的基因一般利用PCR技术进行扩增，该技术的第一步是使目的基因DNA受热变性，DNA中G+C的含量越多，要求的变性温度越高。其原因是G+C含量越多，其氢键越多，结构越稳定，变性时所需温度越高。（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）依据植物细胞具有全能性原理，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含量，从个体水平加以鉴定，以确保育种成功。故答案为：（1）M酶脱氧核苷酸（2）PCRG+C含量越多，其氢键越多，结构越稳定，变性时所需温度越高（3）染色体DNA（基因表达）载体（4）植物细胞具有全能性赖氨酸12.玉米中的赖氨酸含量比较低，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）的活性受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。如果将天冬氨酸激酶中第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游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。依据上述资料，回答下列问题：

（1）基因工程原则上只能生产中已存在的蛋白质，而蛋白质工程能通过改造或合成来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。

（2）由题可知，天然玉米中赖氨酸的合成过程中存在调节，在对天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的处理中最可能发生了碱基对的（填“增添”、“缺失”或“替换”）。

（3）蛋白质工程的基本思路是从预期蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质，推测应有的序列，找到并改变相对应的序列或合成新的，获得所需要的蛋白质。

【解答】（1）基因工程只是将一种生物的基因转移到另一种生物体内并表达，因此原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而蛋白质工程能通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。

（2）根据题干信息“赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以赖氨酸含量很难