高二生物教案-基因工程的应用及蛋白质工程的崛起.doc

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1、基因工程的应用及蛋白质工程的崛起编稿：闫敏敏 审稿：宋辰霞【学习目标】1、理解基因工程在农业上的应用。2、理解动植物基因工程、基因工程药物的优势及意义、基因治疗的概念、原理及意义。3、知道蛋白质工程崛起的缘由，知道蛋白质工程概念的要点4、知道蛋白质工程的基本原理，能在相对简单的情境中识别它们和使用它们。5、知道蛋白质工程的进展和前景。【要点梳理】要点一：基因工程的应用1、植物基因工程的应用目的基因作用受体生物说明抗虫转基因植物抗虫基因、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Bt毒蛋白水解成多肽与肠上皮细胞结合，形成穿孔，细胞肿胀裂解致死；两种抑制剂分别抑制相应酶活性

2、，影响消化；植物凝集素为糖蛋白，与肠黏膜结合，影响营养物质的吸收和利用棉花、水稻等抗虫但不抗病毒、细菌、真菌等；培育抗虫作物的优点：减少环境污染、降低生产成本；不同抗虫基因作用机理不同；Bt毒蛋白基因来自苏云金芽孢杆菌抗病转基因植物病毒外壳蛋白基因、病毒复制酶基因、几丁质酶基因、抗毒素合成基因前两种为抗病毒作用；后两种为抗真菌作用烟草（抗病毒）、小麦（抗病毒）引起植物生病的微生物有病毒、细菌、真菌三大类抗逆转基因植物调节细胞渗透压基因；抗冻蛋白基因（从鱼体内获取）；抗除草剂基因通过改变细胞内渗透压，提高抗盐碱、抗旱能力；耐寒能力提高；抗除草剂烟草（抗旱、抗盐碱）、番茄（抗寒）、大豆、玉米（抗除

3、草剂）抗逆指抵抗不良环境的能力，如盐碱、干旱、低温、涝害等转基因改良植物的品质含必需氨基酸的蛋白质编码基因；控制番茄果实成熟的基因；花青素代谢有关的基因控制合成的蛋白质含必需氨基酸多；延迟番茄成熟；改变花瓣的颜色玉米、番茄、牵牛花等赖氨酸、亮氨酸等都属于必需氨基酸2、动物基因工程的应用目的基因作用受体生物说明提高动物生长速度生长激素基因促进生长，提高生长速度鲤鱼不能导入生长素基因转基因动物生产药物（生物反应器或乳房生物反应器）药用蛋白乳腺基因+微生物蛋白基因+启动子分泌乳汁来生产相应的药品奶牛已生产出的药品有抗凝血酶、血清蛋白、生长激素和-抗胰蛋白酶转基因动物作器官移植的供体某种调节因子；设法

4、除去抗原决定基因抑制抗原决定基因的表达；不能合成相应抗原猪选择猪的器官做人器官替代品的原因；其内脏构造、大小、血管分布与人相似；体内隐藏的致病基因少基因工程药品控制药品合成的相应基因，如人胰岛素基因、干扰素基因、乙肝疫苗基因等生产合成相应的药品，如胰岛素、干扰素、乙肝疫苗等微生物，如大肠杆菌、酵母菌等选择微生物作受体的原因：繁殖快、单细胞、遗传物质少注意：（1）动物基因工程的应用主要体现在提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物等方面。（2）动物基因工程主要为了改善畜产品的品质，不是为了产生体型巨大的个体。3、基因诊断、基因治疗和基因芯片（1）基因诊断：DNA分子杂交法（即DNA

5、探针法），该方法是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，之后同被检测的DNA中的同源互补序列杂交，从而检测出所要查明的DNA或基因。（2）基因治疗：把正常基因导人病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。是目前治疗遗传病最有效的手段。（3）基因治疗的途径： 项目类型 外源基因类型及举例过程特点成果举例体外基因治疗腺苷酸脱氨酶基因从病人体内获得某种细胞细胞培养体外完成基因转移筛选并扩增培养重新植入患者体内操作复杂、但成功率高治疗复合型免疫缺陷症体内基因治疗治疗遗传性囊性纤维化病并的基因转移外源基因载体携

6、带 体内相应组织细胞操作简单，成功率低治疗遗传性囊性纤维化病（4）基因治疗的过程：步 骤过 程获取正常的血红蛋白基因用限制性内切酶从人的DNA分子中切去血红蛋白基因形成重组载体用同一种限制性核酸内切酶在载体DNA上切开一个小口，用DNA连接酶将正常血红蛋白基因连接在载体DNA上，形成重组载体重组载体的转化与筛选将携带正常血红蛋白基因的重组载体导入患者的造血干细胞中，并将重组载体插入到染色体DNA上，用选择培养基筛选出含重组质粒的造血干细胞将含正常血红蛋白基因的造血干细胞回输给患者将携带正常血红蛋白基因的造血干细胞输入到患者骨髓中，此造血干细胞产生含正常血红蛋白的红细胞，以根治镰刀型细胞贫血症要

7、点诠释： 基因治疗是治疗人类遗传病的根本方法，但由于尚未全面了解基因调控机制和疾病的分子机理，基因治疗只处于临床试验阶段。（5）基因芯片：将大量的特定序列的DNA片段有序地固定在尼龙膜、玻片或硅片上，从而大量、快速地对DNA分子的碱基序列进行测定和定量分析。主要应用于发现疾病的相关基因、许多疾病的检测。4、基因工程药物（1）乳腺生物反应器 优点：产量高、质量好、成本低、易提取。 操作方法： 获取目的基因（如血清白蛋白基因）构建基因表达载体（在血清白蛋白基因前加特异表达的启动子）显微注射导入哺乳动物受精卵中形成早期胚胎将胚胎移植到母体动物子宫内发育成转基因动物在雌性个体中使转入基因表达，从分泌乳

8、汁中提取所需蛋白质。 （2）“工程菌” 用途：利用基因工程培育“工程菌”来生产药品。 “工程菌”：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一般称为“工程菌”，如含有人胰岛素基因的大肠杆菌菌株，含有抗虫基因的土壤农杆菌菌株都是“工程菌”。 用基因工程生产的药品，从化学成分上分析都应该是蛋白质类。 产品：利用“工程菌”可生产细胞因子、抗体、疫苗、激素等。 在基因工程中，若受体细胞是原核生物（如大肠杆菌），则生产的“干扰素”是不具备活性的，因为原核细胞内无内质网、高尔基体等细胞器，只有核糖体，因此只能合成相应的蛋白质，而无法添加糖基，若使“干扰素”具有活性，还必须人工处理加上糖基。 5

9、、基因身份证、基因兴奋剂（1）基因身份证：基因身份证是依据DNA鉴定技术（又称DNA指纹法）建立起来的，它选取若干个固定的遗传基因位点进行鉴定，基因型身份证明的号码由多个能够表示这些遗传基因位点特征的数据来表示。利用基因型身份证明，可以“寻亲”，找回丢失的孩子；可很快找到基因配型相近者，可以缩短找到救助者的时间。（2）基因兴奋剂：指通过改良遗传学成分来使机体产生更多激素、蛋白质或其他物质，从而增进运动能力，使用者注射的不是那些容易在尿液中检测出的药物，而是能刺激身体发生某种改变的基因。要点二：蛋白质工程 1、蛋白质工程的崛起的缘由基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，蛋白质工程是为了生

10、产符合人们生活需要并非自然界已存在的蛋白质。2、蛋白质工程的概念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。3、蛋白质工程的基本原理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（基因）。其流程图如下： 表示天然蛋白质合成过程 表示蛋白质工程流程图要点诠释：（1）目的基因的获取只能用人工合成的方法。（2）由于密码子具有“简并性”，故由某种特定氨基酸序列所推测出的

11、脱氧核苷酸序列可有多种，即逆推所得的基因可有多种。4、设计中的困难 如何推测非编码区一级内含子的脱氧核苷酸序列。要点三：蛋白质工程与基因工程的比较项目蛋白质工程基因工程区别过程预期蛋白质功能设计蛋白质结构推测氨基酸序列推测脱氧核苷酸序列 合成DNA 表达出蛋白质获取目的基因构建重组载体导入受体细胞目的基因的表达与鉴定实质定向改造或生产人类所需蛋白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）结果生产自然界没有的蛋白质生产自然界中已有的蛋白质联系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。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因修饰或基因

12、合成实现【典型例题】类型一：基因工程的应用例1、下列关于基因工程应用的叙述，正确的是（ ）A基因治疗就是把缺陷基因诱变成正常基因B基因诊断的基本原理是DNA分子杂交C一种基因探针能检测水体中的各种病毒D原核基因不能用来进行真核生物的遗传改良【答案】B【解析】基因治疗是把健康的外源基因导入到有缺陷基因的细胞中；一种基因探针能检测相应的某一种特定的病毒；原核基因可以用来进行真核生物的遗传改良，例如用苏云金芽孢杆菌的抗虫基因改良棉花。【点评】本题考查基因工程的应用。【举一反三】：【变式一】在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，下列操作错误的是（ ）A用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸

13、B用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体C将重组DNA分子导入原生质体D用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞【答案】A基因工程四个步骤。第一步：目的基因的提取；二，目的基因与运载体结合；三，目的基因导入受体细胞；四，目的基因的检测和表达。限制酶切割的是目的基因和运载体。烟草花叶病毒在这里既不是目的基因也不是运载体。【变式二】萤火虫发光是萤火虫体内通过荧光素酶催化发生系列反应所产生的现象。如果荧光素酶存在于植物体内，也可使植物体发光。一直以来荧光素酶的唯一来源是从萤火虫腹部提取的。但加利福尼亚大学的一组科学家通过转基因工程，成功地实现了将荧光素酶基因导入到大肠杆菌体内，并在大肠杆菌体内生产

14、荧光素酶。请你根据已有的知识回答下列有关问题： （1）在此转基因工程中，目的基因是_，提取目的基因的方法通常有两种，提取该目的基因的方法最可能的途径是_。 （2）在该过程中需要多种酶的参与，其中包括_等。 （3）将此目的基因导人到大肠杆菌体内需要运载体的帮助。下列所列各项是选取运载体时候必须考虑的是（ ）。 A能够在宿主细胞内复制并稳定保存 B具有特定的限制酶切点 C具有与目的基因相同的碱基片断 D具有某些标记基因 （4）在此转基因工程中，将质粒作为运载体。在将体外重组体DNA导人大肠杆菌体内之前通常要用_处理大肠杆菌，目的是_。 （5）由于荧光素酶的特殊作用，人们一直设想将其基因作为实验工具

15、，将它和某一基因连接在一起，通过植物是否发光来确定该基因是否已经转入到植物体内，如判断固氮基因是否成功导入某植物体内。正常根瘤菌体内的固氮基因与萤火虫体内的荧光素酶基因相比，除了碱基对的顺序、数目不同以外，在结构方面还存在不同点，主要不同是_。 （6）与杂交育种、诱变育种相比，通过基因工程来培育新品种的主要优点是_和_。【答案】（1）荧光素酶基因 人工合成法 （2）限制酶、DNA连接酶（3）A、B、D （4）CaCl2 增大细胞壁的通透性，使重组基因能够导人到受体细胞内（5）固氮菌基因的编码区是连续的，而荧光素酶基因的编码区是间断的，不连续的（6）目的明确、培育周期短、可以克服远缘杂交不亲和的

16、障碍（只要合理，答出两点即可）类型二：蛋白质工程例2、（2015 天津高考）纤维素分子不能进入酵母细胞，为了使酵母菌能够利用环境中的纤维素为原料生产酒精，构建了含3种不同基因片段的重组质粒，下面是酵母菌转化及纤维素酶在工程菌内合成与运输的示意图。据图回答：（1）（2分）本研究构建重组质粒时可选用四种限制酶，其识别序列如下图，为防止酶切片段的自身连接，可选用的限制酶组合是_或_(2) （2分）设置菌株为对照，是为了验证_不携带纤维素酶基因。(3) （4分）纤维素酶基因的表达包括_和_过程，与菌株相比，在菌株、中参与纤维素酶合成和分泌的细胞器还有_。（4）（4分）在以纤维素为唯一碳源的培养基上分别

17、培养菌株、，菌株_不能存活，原因是_。(5)（4分）酵母菌生成酒精的细胞部位是_，产生酒精时细胞的呼吸方式是_，在利用纤维素生产酒精时，菌株更具有优势，因为导入的重组质粒含有_。使分泌的纤维素酶固定于细胞壁，减少因培养液更新而造成的酶的流失，提高酶的利用率。【答案】（1）B (或C) C (或B) (2)质粒DNA和酵母菌基因组（3） 转录 翻译 内质网、高尔基体（4） II 缺少信号肽编码序列，合成的纤维素酶不能分泌到胞外，细胞无可利用的碳源（5）细胞质基质 无氧呼吸 A基因片段【解析】（1）为防止酶切片段自身连接，需要用不同的酶进行切割，并且不同酶切割后产生的黏性末端要不同，A项和D项的酶

18、切割后产生的粘性末相同，因此B和C正确。（2）菌株和菌株的单一变量是质粒上是否含纤维素基因，所以菌株为对照是为了验证质粒DNA和酵母菌基因组不携带纤维素酶基因。（3）纤维素酶是蛋白质，蛋白质的表达包括转录和翻译，参与蛋白质合成和分泌的细胞器还有内质网和高尔基体。（4）三种菌株的不同点是菌株无信号肽编码序列，所以培养基上分别培养三种菌株，菌株不能存活，缺乏信号肽编码序列，合成的纤维素酶不能分泌到细胞外。（5）酵母菌生成酒精的呼吸时无氧呼吸，在细胞质基质中进行，从图可以看出，菌株比菌株多了A基因片段，因此，在利用纤维素生产酒精时，菌株更具有优势，导入的重组质粒含有A基因片段，使分泌的纤维素酶固定于

19、细胞壁，减少因培养液更新而造成的酶的流失，提高酶的利用率。【举一反三】：【变式一】（2015 新课标I）HIV属于逆转录病毒，是艾滋病的病原体。回答下列问题：（1）（6分）用基因工程方法制备HIV的某蛋白（目的蛋白）时，可先提取HIV中的 ，以其作为模板，在 的作用下合成 。获取该目的蛋白的基因，构建重组表达载体，随后导入受体细胞。（2）（5分）从受体细胞中分离纯化出目的蛋白，该蛋白作为抗原注入机体后，刺激机体产生的可与此蛋白结合的相应分泌蛋白是 。该分泌蛋白可用于检测受试者血清中的HIV，检测的原理是 。（3）（2分）已知某种菌导致的肺炎在健康人群中罕见，但是在艾滋病患者中却多发。引起这种现

20、象的根本原因是HIV主要感染和破坏了患者的部分 细胞，降低了患者免疫系统的防卫功能。（4）（2分）人的免疫系统有 癌细胞的功能，艾滋病患者由于免疫功能缺陷，易发生恶性肿瘤。【答案】（1）RNA 逆转录酶 DNA(2)抗体 抗原抗体特异性结合（3）T（4）消灭【解析】（1）提取HIV中的RNA，为了获得目的基因，以RNA作为模板，逆转录酶的作用下合成DNA获取该目的基因，构建基因表达载体，导入受体细胞。（2）从受体细胞中分离纯化出目的蛋白，该蛋白作为抗原注入机体后，会产生抗体，抗体会和抗原发生特异性结合。利用抗原抗体杂交技术，该分泌蛋白（抗体）可用于检测受试者血清中的HIV。（3）HIV病毒的靶

21、细胞是人体中的T细胞，侵染之后，导致部分T细胞被破坏，降低了患者免疫系统的防卫功能。xx。k.Com（4）人体的免疫系统有三大功能，防卫，监控和清除，艾滋患者易发恶性肿瘤原因是免疫系统监控，清除癌细胞的功能缺陷。【变式二】随着科学技术的发展，化学农药的产量和品种逐年增加，但害虫的抗药性也不断增强，对农作物危害仍然很严重。如近年来，棉铃虫在我国大面积暴发成灾，造成经济损失每年达100亿以上。针对这种情况，江苏农科院开展“转基因抗虫棉”的科技攻关研究，成功地将某种能产生抗虫毒蛋白细菌的抗虫基因导入棉花细胞中，得到的棉花新品种对棉铃虫的毒杀效果高达80%以上。就以上材料，分析回答：（1）抗虫基因之所以能接到植物体内去，原因是_。（2）“转基因抗虫棉”具有抗害虫的能力，这表明棉花体内产生了抗虫的_物质。这个事实说明，害虫和植物共用一套_，蛋白质合成的方式是_的。（3）“转基因抗虫棉”抗害虫的遗传信息传递过程可表示为_。（4）该项科技成果在环境保护上的作用是_。（5）科学家预言，此种“转基因抗虫棉”独立种植若干代以后，也将出现不抗虫的植株，此现象来源于_。【答案】（1）细菌与棉花的DNA结构相同 （2）毒蛋白 遗传密码 相同 （3）DNA（基因）RNA蛋白质 （4）减少农药对环境的污染，保护生态环境或生态平衡 （5）基因突变