2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——生物分子在材料科學(xué)中的作用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述蛋白質(zhì)的一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)，并說(shuō)明每種結(jié)構(gòu)層級(jí)對(duì)蛋白質(zhì)功能的重要性。二、解釋生物分子（如蛋白質(zhì)、糖類(lèi)）與無(wú)機(jī)材料表面發(fā)生非共價(jià)相互作用的幾種主要機(jī)制（至少三種），并舉例說(shuō)明這些相互作用如何影響材料的表面性質(zhì)。三、以模仿生物礦化為例，描述生物分子作為模板或結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑在合成無(wú)機(jī)材料（如氧化物、碳化物）過(guò)程中的作用原理，并列舉至少兩種通過(guò)生物礦化啟發(fā)的材料設(shè)計(jì)實(shí)例。四、論述抗體或適配體等生物分子在生物傳感器中的應(yīng)用原理。請(qǐng)說(shuō)明其基本工作機(jī)制，并列舉至少兩種不同類(lèi)型的生物傳感器及其潛在應(yīng)用領(lǐng)域。五、闡述生物分子（如酶、DNA）作為催化劑或信息載體在材料功能化中的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合具體例子，說(shuō)明如何利用這些生物分子賦予材料特定的催化活性或智能響應(yīng)行為。六、討論生物基材料（如淀粉基塑料、纖維素復(fù)合材料）相較于傳統(tǒng)合成材料在可持續(xù)性方面的優(yōu)勢(shì)，并分析其在發(fā)展綠色材料科學(xué)中面臨的挑戰(zhàn)及可能的解決方案。七、設(shè)想一種利用蛋白質(zhì)自組裝特性構(gòu)建新型多孔材料的應(yīng)用場(chǎng)景。請(qǐng)描述該蛋白質(zhì)的特性、自組裝行為以及所得材料的潛在應(yīng)用（如吸附、分離、傳感等），并簡(jiǎn)述其設(shè)計(jì)思路。八、結(jié)合你所學(xué)的知識(shí)，評(píng)價(jià)生物分子與材料結(jié)合形成的生物復(fù)合材料在未來(lái)組織工程或藥物輸送領(lǐng)域中的發(fā)展?jié)摿?，并指出?dāng)前研究中亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。試卷答案一、*一級(jí)結(jié)構(gòu)：指蛋白質(zhì)中氨基酸的線(xiàn)性序列。由基因編碼決定，是蛋白質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)，決定了蛋白質(zhì)的其他高級(jí)結(jié)構(gòu)。功能重要性：序列中的特定氨基酸殘基和其排列方式直接決定了蛋白質(zhì)的三維構(gòu)象和功能活性位點(diǎn)。*二級(jí)結(jié)構(gòu)：指蛋白質(zhì)主鏈原子的局部空間排布，主要形式有α-螺旋和β-折疊。通過(guò)氫鍵穩(wěn)定。功能重要性：二級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)三維構(gòu)象的基礎(chǔ)，決定了蛋白質(zhì)的疏水/疏脂區(qū)域分布，影響其折疊和功能。*三級(jí)結(jié)構(gòu)：指蛋白質(zhì)分子中所有原子在三維空間中的相對(duì)位置，是蛋白質(zhì)分子自然折疊成的緊湊結(jié)構(gòu)。通過(guò)多種作用力（氫鍵、疏水作用、范德華力、鹽橋、疏水相互作用等）維持。功能重要性：三級(jí)結(jié)構(gòu)形成了蛋白質(zhì)的功能單元（活性位點(diǎn)），是其發(fā)揮生物功能所必需的完整構(gòu)象。*四級(jí)結(jié)構(gòu)：指由多個(gè)獨(dú)立的多肽鏈（亞基）通過(guò)非共價(jià)鍵聚集形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)（僅存在于寡聚蛋白中）。亞基間的作用力與三級(jí)結(jié)構(gòu)類(lèi)似。功能重要性：四級(jí)結(jié)構(gòu)決定了寡聚蛋白的整體功能，如酶的協(xié)同效應(yīng)、抗體的抗原結(jié)合位點(diǎn)等。二、*主要機(jī)制：1.氫鍵：生物分子（如帶羧基、氨基、羥基的氨基酸殘基）與材料表面（如羥基化的二氧化硅、氧化鋁）或水分子之間形成氫鍵。影響：增強(qiáng)生物分子在材料表面的吸附和穩(wěn)定性。2.范德華力：存在于所有原子和分子間的弱相互作用。影響：在緊密接觸時(shí)累積，有助于生物分子與疏水性材料表面的結(jié)合。3.靜電相互作用：帶相反電荷的基團(tuán)（如氨基酸側(cè)鏈的羧基陰離子和賴(lài)氨酸陽(yáng)離子）或鹽橋（蛋白質(zhì)帶電基團(tuán)與材料表面離子、或材料表面離子與溶液離子）之間的吸引。影響：顯著影響生物分子在帶電材料表面的吸附行為和構(gòu)象。4.疏水相互作用：非極性生物分子基團(tuán)（如疏水氨基酸側(cè)鏈）傾向于聚集在一起，以避開(kāi)水環(huán)境。影響：驅(qū)動(dòng)疏水生物分子在疏水材料表面或非水介質(zhì)中聚集或吸附。*舉例：蛋白質(zhì)在硅表面吸附時(shí)，氨基酸側(cè)鏈的極性基團(tuán)與硅表面的羥基形成氫鍵和靜電相互作用；疏水氨基酸殘基傾向于聚集在一起或與疏水硅烷醇基團(tuán)相互作用。這種相互作用決定了蛋白質(zhì)在硅芯片表面的附著強(qiáng)度和構(gòu)象。三、*作用原理：生物分子（如蛋白質(zhì)、肽、DNA）具有特定的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，可以作為模板或結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，控制無(wú)機(jī)離子的沉淀、結(jié)晶取向和生長(zhǎng)過(guò)程，從而合成具有特定形貌、尺寸、結(jié)構(gòu)和性能的無(wú)機(jī)材料。其作用機(jī)制通常涉及生物分子與無(wú)機(jī)前驅(qū)體離子之間的特異性相互作用（如配位作用、靜電作用、氫鍵），以及生物分子自組裝形成的有序結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)機(jī)晶體生長(zhǎng)的限域和引導(dǎo)。*實(shí)例：1.仿生骨水泥：利用磷酸鹽（如羥基磷灰石，骨鹽的主要成分）與富脯氨酸等生物分子溶液混合，生物分子可以調(diào)節(jié)磷酸鈣的沉淀速率、結(jié)晶度，甚至引導(dǎo)形成類(lèi)似天然骨組織的多孔結(jié)構(gòu)，提高骨水泥的生物相容性和力學(xué)性能。2.DNA模板法合成金屬納米結(jié)構(gòu)：利用DNA鏈的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則和剛性結(jié)構(gòu)，可以精確控制金屬離子（如金、鉑）在DNA鏈上的沉積位置和生長(zhǎng)過(guò)程，制備出具有特定尺寸、形狀和空間排列的金屬納米顆?；虺Y(jié)構(gòu)，用于傳感器、催化等領(lǐng)域。四、*應(yīng)用原理：生物傳感器是一種能夠?qū)⑸锓肿幼R(shí)別事件（如與特定分析物結(jié)合）轉(zhuǎn)化為可測(cè)量信號(hào)（如光學(xué)、電化學(xué)、壓電信號(hào)）的裝置。其基本工作機(jī)制通常是：目標(biāo)分析物分子擴(kuò)散到傳感器表面，與固定在表面的特異性生物識(shí)別元件（如酶、抗體、抗原、核酸適配體、分子印跡聚合物）發(fā)生特異性結(jié)合或催化反應(yīng)，導(dǎo)致傳感器表面性質(zhì)發(fā)生變化，這種變化被相應(yīng)的檢測(cè)器檢測(cè)并轉(zhuǎn)化為可讀信號(hào)。信號(hào)強(qiáng)度通常與分析物的濃度成正比。*舉例：1.酶免疫傳感器：利用抗體作為識(shí)別元件，固定在電極表面。當(dāng)目標(biāo)抗原進(jìn)入時(shí)，與抗體結(jié)合，導(dǎo)致酶標(biāo)記的抗體的構(gòu)象或活性改變，進(jìn)而影響酶催化產(chǎn)物的生成速率或電化學(xué)信號(hào)，從而檢測(cè)抗原。2.核酸適配體傳感器：利用經(jīng)過(guò)篩選的寡核苷酸適配體作為識(shí)別元件，它們能與特定的金屬離子（如Ca2?）、小分子或蛋白質(zhì)特異性結(jié)合。當(dāng)目標(biāo)物與適配體結(jié)合時(shí)，會(huì)引起適配體構(gòu)象變化或與報(bào)告分子/信號(hào)分子相互作用，通過(guò)熒光、電化學(xué)等方式檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的檢測(cè)。五、*優(yōu)勢(shì)：1.高選擇性：生物分子（特別是抗體、適配體、酶）具有極高的序列特異性和結(jié)構(gòu)特異性，能與目標(biāo)分子（分析物、底物）實(shí)現(xiàn)“鎖鑰”式結(jié)合，使材料具有極高的選擇性。2.高靈敏度：許多生物分子（如酶）具有催化活性，能夠?qū)⑽⒘康姆治鑫镛D(zhuǎn)化為可檢測(cè)的信號(hào)，或生物分子本身具有熒光等信號(hào)報(bào)告能力，可實(shí)現(xiàn)超低濃度目標(biāo)物的檢測(cè)。3.特異性催化：利用酶作為催化劑，可以在溫和條件下（常溫常壓、水相環(huán)境）高效、高選擇性地催化特定化學(xué)反應(yīng)，賦予材料獨(dú)特的催化性能。4.環(huán)境友好：許多生物分子來(lái)源于生物體，可在環(huán)境友好的條件下（水、中性pH、室溫）發(fā)揮作用，且易于降解，符合綠色化學(xué)理念。*結(jié)合實(shí)例：1.利用酶賦予材料催化活性：將葡萄糖氧化酶固定在電極表面，制備成葡萄糖傳感器。當(dāng)血糖（葡萄糖）進(jìn)入時(shí)，葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化，產(chǎn)生過(guò)氧化氫，過(guò)氧化氫再參與電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流信號(hào)，從而檢測(cè)血糖濃度。2.利用適配體賦予材料智能響應(yīng)行為：將特定離子（如Ca2?）的適配體固定在具有相變特性的材料（如形狀記憶合金或聚合物）表面。當(dāng)目標(biāo)離子濃度達(dá)到一定閾值時(shí)，適配體結(jié)合離子，引發(fā)構(gòu)象變化，觸發(fā)材料的相變或形狀恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)基于離子濃度的智能響應(yīng)開(kāi)關(guān)。六、*優(yōu)勢(shì)：1.可再生與可降解：生物基材料通常來(lái)源于可再生生物質(zhì)資源（如植物、微生物），在使用后或在特定條件下可以被微生物降解，減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)。2.資源豐富與成本潛力：生物質(zhì)資源廣泛存在，隨著生物催化和轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展，部分生物基材料的成本有望低于傳統(tǒng)石油基材料。3.生物相容性：許多生物基材料（如纖維素、殼聚糖、PLA）具有良好的生物相容性，可直接用于食品包裝、醫(yī)療器械、組織工程等對(duì)生物安全性要求高的領(lǐng)域。4.性能多樣：通過(guò)化學(xué)改性或復(fù)合材料化，生物基材料可以表現(xiàn)出多種多樣的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等性能，滿(mǎn)足不同應(yīng)用需求。*挑戰(zhàn)：1.性能瓶頸：部分生物基材料（如天然纖維素）存在強(qiáng)度低、耐熱性差、易吸濕等性能短板，限制了其在高性能領(lǐng)域的應(yīng)用。2.規(guī)?；a(chǎn)成本與效率：將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高附加值生物基材料的過(guò)程有時(shí)需要復(fù)雜的生物催化步驟或后處理，規(guī)?；a(chǎn)的成本和效率仍是挑戰(zhàn)。3.全生命周期評(píng)價(jià)：生物基材料的“綠色”屬性不僅取決于原料來(lái)源，還涉及生產(chǎn)過(guò)程能耗、化學(xué)品使用、廢棄物處理等整個(gè)生命周期的環(huán)境影響，需要全面評(píng)估。*可能的解決方案：1.復(fù)合材料化：將生物基聚合物與高性能填料（如納米纖維素、碳納米管）復(fù)合，利用協(xié)同效應(yīng)提升材料性能。2.化學(xué)改性：通過(guò)引入特定基團(tuán)或交聯(lián)，改善生物基材料的耐熱性、力學(xué)強(qiáng)度、阻隔性能等。3.生物催化與酶工程：開(kāi)發(fā)高效、高選擇性的生物催化劑，優(yōu)化生物轉(zhuǎn)化路徑，降低生產(chǎn)能耗和成本。4.發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)：研究高效的生物質(zhì)降解回收技術(shù)，促進(jìn)生物基材料的循環(huán)利用。七、*應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)想：利用半胱氨酸富集的蛋白質(zhì)（如某些乳清蛋白或膠原蛋白變體）自組裝特性構(gòu)建用于氣體吸附的新型多孔材料。*蛋白質(zhì)特性：該蛋白質(zhì)富含半胱氨酸殘基，其巰基（-SH）在特定pH和濃度下易于形成分子內(nèi)或分子間二硫鍵，驅(qū)動(dòng)蛋白質(zhì)分子自組裝形成有序的超分子結(jié)構(gòu)（如纖維、膠束或無(wú)定形網(wǎng)絡(luò)）。*自組裝行為：在適宜的溶液條件下（如特定鹽濃度、pH），蛋白質(zhì)分子通過(guò)疏水作用和半胱氨酸殘基間的二硫鍵自組裝，形成具有納米級(jí)孔道或通道的多孔結(jié)構(gòu)。孔道的尺寸和形態(tài)可通過(guò)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)、溶液條件等因素調(diào)控。*材料潛在應(yīng)用：該自組裝多孔蛋白質(zhì)材料可應(yīng)用于：1.CO?吸附：利用蛋白質(zhì)表面的極性氨基酸（如天冬氨酸、谷氨酸）與CO?分子形成物理吸附或化學(xué)吸附（羧基與CO?的酸堿相互作用），同時(shí)孔道結(jié)構(gòu)提供高比表面積。2.氣體分離：通過(guò)調(diào)控孔道尺寸和表面化學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸或極性氣體（如N?,O?,CO?）的選擇性吸附或分離。3.傳感：將具有特定識(shí)別能力的生物分子（如抗體、適配體）整合到蛋白質(zhì)自組裝結(jié)構(gòu)中，構(gòu)建對(duì)特定氣體分子具有高選擇性傳感器的敏感層。*設(shè)計(jì)思路：首先篩選或設(shè)計(jì)具有特定自組裝行為（如形成穩(wěn)定多孔結(jié)構(gòu)）且富含半胱氨酸的蛋白質(zhì)。然后優(yōu)化溶液自組裝條件（pH、鹽濃度、溫度、溶劑添加劑），控制材料的孔結(jié)構(gòu)。最后，根據(jù)應(yīng)用需求，對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行功能化修飾（如引入識(shí)別位點(diǎn)），或?qū)⑵渑c其他材料復(fù)合，以提升性能。八、*發(fā)展?jié)摿Γ?組織工程支架：生物分子（如天然蛋白質(zhì)、合成肽、生長(zhǎng)因子）可以作為組織工程支架的構(gòu)建模塊或功能單元，提供細(xì)胞粘附、增殖、遷移的微環(huán)境，引導(dǎo)組織再生。例如，利用絲蛋白、膠原蛋白或其衍生物構(gòu)建具有生物相容性和力學(xué)性能的支架，利用細(xì)胞因子（如FGF、BMP）促進(jìn)血管化和組織生長(zhǎng)。*藥物輸送系統(tǒng)：生物分子（如抗體、多肽、酶）可以作為藥物載體或靶向分子，實(shí)現(xiàn)藥物在體內(nèi)的精確遞送、控釋和靶向作用于病灶（如腫瘤）。例如，利用抗體偶聯(lián)藥物（ADC）將化療藥物精確遞送到癌細(xì)胞；利用多肽或蛋白質(zhì)作為納米載體包裹小分子藥物。*生物傳感器與診斷：結(jié)合第四題所述，利用生物分子的高度特異性，開(kāi)發(fā)用于疾病早期診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)等領(lǐng)域的靈敏、快速、便攜式生物傳感器。*智能響應(yīng)材料：利用生物分子（如酶、核酸適配體）對(duì)特定刺激（如pH、溫度、靶分子）的響應(yīng)性，構(gòu)建能夠智能開(kāi)關(guān)或調(diào)節(jié)其性能的藥物遞送系統(tǒng)或傳感材料。*亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：1.生物材料與細(xì)胞的長(zhǎng)期相互作用機(jī)制：深入理解生物分子修飾、材料降解產(chǎn)物、免疫反應(yīng)等對(duì)細(xì)胞行為和組織整合的長(zhǎng)期影響。