第十单元 现代生物科技专题（2）基因工程应用及蛋白质工程（讲义）—— 新高考生物一轮复习.doc

第十单元 现代生物科技专题（2）基因工程应用及蛋白质工程 考点1 植物基因工程的成果一、植物基因工程的应用领域1.提高农作物的抗逆能力。2.改良农作物的品质。3.利用植物生产药物等。二、抗虫转基因植物与抗病转基因植物类型项目抗虫转基因植物抗病转基因植物方法从某些生物中分离出具有杀虫活性的基因，将其导入植物中将抗病基因导入植物中基因种类Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等抗病毒基因：病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因抗真菌基因：几丁质酶基因和抗毒素合成基因成果转基因抗虫棉、转基因抗虫水稻等抗烟草花叶病毒的转基因烟草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等意义减少化学农药的使用，降低生产成本，减少环境污染，降低了对人体健康的损害三、抗逆转基因植物1.抗逆基因：利用调节细胞渗透压的基因使作物抗盐碱、抗干旱，导入鱼的抗冻蛋白基因使作物抗寒；导入抗除草剂基因使作物抗除草剂。2.成果：抗盐碱、抗干旱的烟草；抗寒的番茄；抗除草剂的大豆、玉米等。四、利用转基因改良植物的品质1.将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米，获得的转基因玉米中赖氨酸的含量比对照组提高30%。2.将控制番茄果实成熟的基因导入番茄，获得了转基因延熟番茄。3.将与植物花青素代谢有关的基因导入矮牵牛，获得了转基因矮牵牛。【技法提升】转基因作物及其目的基因作物种类目的基因抗虫棉、水稻来自苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因抗烟草花叶病毒的烟草、抗病毒的小麦病毒外壳蛋白基因和病毒复制酶基因抗真菌的烟草几丁质酶基因和抗毒素合成基因抗盐碱和干旱的烟草调节细胞渗透压的基因耐寒的番茄、烟草来自鱼类的抗冻蛋白基因抗除草剂大豆、玉米抗除草剂基因富含赖氨酸的转基因玉米富含赖氨酸的蛋白质编码基因转基因延熟番茄控制果实成熟的基因转基因矮牵牛与植物花青素代谢有关的基因异想天开：发荧光的烟草荧光素和荧光酶基因【例题练习】1.下图是某转基因抗虫水稻培育流程图 ，下列有关分析错误的是（ ）A.毒蛋白基因的获得需要 DNA 连接酶B.过程所依据的理论基础之一是 DNA 分子结构的相似性C.该基因工程的基本原理是让毒蛋白基因在宿主细胞中稳定和高效地表达D.过程依据植物细胞的全能性原理答案：A 解析：目的基因的获得需要限制性核酸内切酶，不需要DNA连接酶，A项错误；过表示目的基因和运载体结合，理论基础就是DNA分子结构的相似性，B项正确；该基因工程的基本原理是让毒蛋白基因在宿主细胞中稳定和高效地表达，C项正确；表达植物组织培养，原理为植物细胞的全能性，D项正确。（多选题）2.下列关于抗虫转基因植物的叙述正确的有（ ）A.将Bt毒蛋白基因转移到植物体内表达出的Bt毒蛋白，在肠道中水解为有毒多肽，与肠上皮细胞受体结合，使细胞膜穿孔，可导致哺乳动物死亡B.将蛋白酶抑制基因转移到植物体内表达的蛋白酶抑制剂，可以阻断或降低害虫消化道蛋白酶的活性，影响其消化功能C.将淀粉酶抑制剂基因转移到植物体内表达淀粉酶抑制剂，可以抑制消化道淀粉酶活性，阻断害虫的能量来源D.将植物凝集素基因转移到植物体内表达出的糖蛋白，可与害虫肠道黏膜上的某种物质结合，影响其对营养物质的吸收和利用答案：BCD 解析：蛋白质一旦水解成多肽或氨基酸，结构遭到破坏，则不能发挥相应的作用。考点2 动物基因工程的应用应用项目基因来源成果提高动物的生长速度外源生长激素基因转基因绵羊、转基因鲤鱼改善畜产品的品质肠乳糖酶基因转基因牛分泌的乳汁中乳糖含量少转基因动物生产药物药用蛋白基因乳腺蛋白基因的启动子乳腺（房）生物反应器转基因动物作器官移植的供体抑制或除去抗原决定基因利用克隆技术培育没有免疫排斥反应的猪器官【例题练习】1.动物基因工程前景广阔，最令人兴奋的是利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器，以生产所需要的药品，如转基因动物生产人的生长激素。科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器时（ ）A.仅仅利用了基因工程技术B.不需要乳腺蛋白基因的启动子C.利用基因枪法将人的生长激素基因导入受精卵中D.需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂”答案：D解析：科学家培养转基因动物时除涉及基因工程技术外，还涉及其他现代生物技术，如胚胎移植等，A错误；构建重组质粒时需要将人的生长激素基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，B错误；常通过显微注射法将目的基因导入哺乳动物的受精卵中，然后将受精卵经胚胎早期培养一段时间后，送入母体内使其生长发育成转基因动物，C错误；由于转入的目的基因在乳腺中可以高效表达，所以进入泌乳期后可以通过分泌的乳汁来生产所需要的药品，D正确。（多选题）2.科学家培养的转基因奶牛的乳腺细胞能够合成并分泌人凝血因子，这是动物乳腺生物反应器研究的重大进展。下列叙述不正确的是（ ）A.在该转基因牛中，人凝血因子基因只存在于乳腺细胞，而不存在于其他体细胞中B.“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人凝血因子基因C.人凝血因子基因开始转录后，DNA聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNAD.转基因奶牛需要进入泌乳期才能批量生产人凝血因子答案：ABC解析：根据题意，在该转基因工程中，人凝血因子基因导入的受体细胞是牛的受精卵，由该受精卵发育形成的个体的各种体细胞（成熟的红细胞除外）中都存在人凝血因子基因，A错误；“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞合成更多的人凝血因子，B错误；人凝血因子基因开始转录后，RNA聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA，C错误；转基因奶牛需要进入泌乳期才能批量生产人凝血因子，D正确。考点3 基因工程与人体健康1.基因工程药物（1）概念：利用转基因的工程菌生产的药物。（2）原理：通过基因工程技术，使外源基因在工程菌细胞内高效表达。（3）成果：人胰岛素、细胞因子、抗体、疫苗、激素等。（4）作用：预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、遗传病、各种传染病、糖尿病、类风湿等疾病。2.基因治疗（1）概念：把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。（2）体外基因治疗：体内基因治疗：是直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法。（3）成果：将腺苷酸脱氨酶基因成功转入患者的淋巴细胞，治疗复合型免疫缺陷症。（4）现状：处于初期的临床试验阶段。【技法提升】一、乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别乳腺生物反应器工程菌含义将外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系受体基因结构与人类基因结构差异动物基因结构与人类的基因结构基本相同细菌和酵母菌的基因结构与人类的基因结构有较大差异基因表达合成的药物蛋白与天然蛋白质相同细菌合成的药物蛋白可能没有活性受体细胞动物受精卵微生物细胞目的基因导入方式显微注射法感受态细胞法生产条件不需严格灭菌；温度等外界条件对其影响不大需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件药物提取从动物乳汁中提取从微生物细胞或其培养液中提取生产设备畜牧业生产、提取设备工业生产，设备精良二、基因诊断和基因治疗1.基因诊断（1）方法：DNA分子杂交法（DNA探针法）（2）原理：根据碱基互补配对原则，把互补的双链DNA解开，把单链的DNA小片段用同位素、荧光分子或化学发光催化剂等进行标记。之后与被检测DNA中的同源互补序列杂交，从而检出所要查明的DNA或基因。（3）具体步骤：抽取组织液或体液作样品分离样品DNA化学法样品DNA解旋加标记的DNA探针洗脱，与标记的DNA探针结合的片段基因检测病人所得疾病。2.基因治疗基因治疗类型体内基因治疗体外基因治疗现状目前处于初期的临床实验阶段用于治疗的基因种类从健康人体分离得到的功能正常的基因、反义基因、编码可以杀死癌变细胞的蛋白酶基因【例题练习】1.下列关于基因治疗和基因芯片的叙述，不正确的是（ ）A.基因治疗是把正常的外源基因导入有基因缺陷的细胞中B.基因芯片可以用于基因测序C.基因芯片可用于遗传病的诊断，基因治疗可用于遗传病的治疗D.相对体外基因治疗，体内基因治疗效果较为可靠答案：D解析：基因治疗是把正常的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，A正确；基因芯片可以用于基因测序，其测序原理是DNA分子的杂交，B正确；基因芯片可以用于遗传病的诊断，基因治疗可用于遗传病的治疗，C正确；基因治疗分为体内基因治疗和体外基因治疗，体外基因治疗操作复杂，但效果较为可靠，D错误。（多选题）2.用于基因治疗的基因有三类，其中一类是反义基因，即通过其产生的反义RNA分子，与病变基因产生的mRNA进行互补，来阻断非正常蛋白质的合成，从而达到治疗疾病的目的。下列相关说法正确的是（ ）A基因不能直接指导蛋白质的合成，它必须通过转录出mRNA并以此为模板合成蛋白质B以病变基因产生的mRNA为模板，通过反转录可合成反义基因C若患者接受该基因治疗，患者体内的反义基因和病变基因都不能翻译D反义基因通过逆转录合成反义RNA答案：ABC解析：基因指导蛋白质的合成通过转录、翻译实现，A正确；反义基因通过转录产生的反义RNA分子能与病变基因产生的mRNA互补，所以以病变基因产生的mRNA为模板，通过反转录可合成反义基因，B正确；反义RNA分子能与病变基因产生的mRNA互补，阻断非正常蛋白质的合成，所以反义基因和病变基因都不能翻译，C正确；反义基因通过转录合成反义RNA，D错误。考点4 蛋白质工程一、基因工程的不足1.基因工程的不足（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，进而表现出新性状。（2）不足：在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。2.天然蛋白质的不足（1）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。（2）对天然蛋白质进行改造，应该从对基因的操作来实现，主要原因如下：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，而且改造过的基因可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传。对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易，难度要小得多。二、蛋白质工程的基本原理1.概念：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求。2.目标：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。3.手段：通过基因修饰或基因合成，进而指导合成所需蛋白质。4.途径：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（基因）。5.原理：从预期的蛋白质功能出发，到找到相对应的基因，即中心法则的逆推。6.最终结果：生产出自然界从来没有过的蛋白质。7.蛋白质的改造方法“大改”：制造出自然界中不存在的全新蛋白质。“中改”：在蛋白质分子中替代个肽段或个特定的结构域。“小改”：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基8.蛋白质工程流程图三、蛋白质工程的进展和前景1.前景诱人：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。2.难度很大：主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，这种高级结构十分复杂，而目前科学家对大多数蛋白质高级结构的了解还很不够。【技法提升】一、基因工程与蛋白质工程的比较1.基因工程和蛋白质工程二者在操作上的基本思路比较（1）基因工程遵循中心法则，从DNAmRNA多肽链形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能，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多肽链应有的氨基酸序列基因应有的碱基序列，可以创造出自然界不存在的蛋白质。2.二者的区别与联系基因工程蛋白质工程操作对象基因基因操作水平DNA分子水平DNA分子水平基本过程目的基因的获取基因表达载体的构建将目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定预期的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合成DNA表达出蛋白质实质定向改造生物的遗传特性，以获得人类需要的生物类型或生物产品定向改造或生产人类所需的蛋白质结果生产人类需要的基因产物（自然界已有的蛋白质）可以创造出自然界不存在的新蛋白质联系蛋白质工程是以基因工程为基础的二、“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。【例题练习】1.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。有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因结构，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；DNARNA蛋白质B.基因工程；RNARNA蛋白质C.基因工程；DNARNA蛋白质D.蛋白质工程；蛋白质RNADNARNA蛋白质答案：D解析：根据题干信息“通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因结构，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”可知，该过程运用的技术是蛋白质工程，操作的流程是蛋白质RNADNARNA蛋白质，D正确。（多选题）2.科研小组利用蛋白质工程对某细胞中的一种转运蛋白X进行改造，并使改造后的转运蛋白X基因在细胞中正常表达。下列说法不正确的是（ ）A.该过程无需构建基因表达载体B.该过程需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用C.经改造后的蛋白质不需要再进行功能鉴定D.经改造后的基因在表达过程中不遵循中心法则答案：ACD 解析：蛋白质工程是在基因工程的基础上进行的，因此还需要借助基因工程技术，即需要构建基因表达载体，这需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用，A错误，B正确；经改造后的蛋白质仍需要进行功能鉴定，C错误；经改造后的基因在表达过程中仍遵循中心法则，D错误。