高考一轮生物复习： 基因工程的应用·蛋白质工程崛起(人教版)

1.3、1.4基因工程的应用蛋白质工程的崛起,2013届高考一轮生物复习课件（人教版）,一、基因工程的应用1.转基因植物,杀虫的基因主要有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,抗盐碱和抗干旱的调节细胞渗透压基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因,转基因玉米中赖氨酸的含量比对照提高30%转基因延熟番茄储存时间可延长12个月转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异,2.转基因动物,如转外源生长激素基因绵羊和转外源生长激素基因鲤鱼生长速率快、体型大,如将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组,使获得的转基因牛分泌的乳汁中,乳糖的含量大大减低,而其他营养成分不受影响,目前,已在牛和山羊等动物乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和-抗胰蛋白酶等重要药品,科学家正试图利用基因工程方法对猪的器官进行改造,抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原决定基因,再结合克隆技术,培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官,3.基因工程药物(1)来源：转基因的_。(2)成果：_、抗体、_、激素等。(3)作用：预防和治疗_、心血管疾病、_、各种传染病、糖尿病、类风湿等疾病。4.基因治疗(1)方法：把_导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能。(2)效果：治疗_的最有效的手段。(3)分类：_基因治疗和_基因治疗。,工程菌,细胞因子,疫苗,人类肿瘤,遗传病,正常基因,遗传病,体内,体外,二、蛋白质工程1.概念理解(1)基础：蛋白质分子的_及其与生物功能的关系。(2)操作：_或基因合成。(3)结果：改造了现有蛋白质或制造出_。(4)目的：满足人类的_的需求。2.操作过程：从预期的_出发设计预期的_推测应有的_找到相对应的_(基因)基因表达产生需要的蛋白质。,结构规律,基因修饰,新的蛋白质,生产和生活,蛋白质功能,结构,蛋白质,氨基酸序列,脱氧核苷酸,序列,乳腺生物反应器与工程菌生产药物1.概念（1）乳腺生物反应器是指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。（2）工程菌是指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系。,2.两者的区别,动物基因的结构与人类基因的结构基本相同,细菌或酵母菌等生物基因的结构与人类基因的结构有较大差异,合成的药物蛋白与天然蛋白质相同,细菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器,产生的药物蛋白可能没有活性,动物的受精卵,微生物细胞,显微注射法,感受态细胞法,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,从动物乳汁中提取,从微生物细胞中提取,畜牧业生产,加提取设备,工业生产,设备精良,【高考警示钟】并非所有个体都可作为乳腺生物反应器操作成功的应该是雌性个体，个体本身的繁殖速度较高，泌乳量、蛋白含量等都是应该考虑的因素。,【典例训练1】乳腺生物反应器是基于转基因技术平台，将外源基因导入动物基因组中并定位表达于动物乳腺，利用动物乳腺能够天然、高效合成分泌蛋白。如图为利用生物工程技术让羊生产治疗心脏病药物tPA的大致过程。请据图分析回答：,(1)图中表示基因表达载体的构建，该载体的组成通常有外源基因、_、_、_等。(2)图中过程选择受精卵作为tPA基因受体细胞的主要原因是_。(3)图中表示检测与筛选过程，通常采用的方法是_、_。(4)除利用乳腺、膀胱等生物反应器外，人们还可以利用_、_等方法来生产上述物质，而传统生产上述药品是_中提取，存在的缺点是_。,【解题指南】1.考查实质：借转基因动物生产药物的相关知识来考查基因工程的工具和操作过程。2.解题关键(1)载体的组成必须具备表达的调控序列和筛选标记。(2)受精卵细胞与体细胞的细胞核相同但细胞质不同。(3)目的基因的检测与鉴定应包含分子水平和个体水平。(4)工程菌与动物细胞代谢的环境必须是无菌条件。,【解析】(1)重组DNA分子除应该含有标记基因方便筛选外，还应该含有外源目的基因表达所必需的启动子和终止子等调控序列。(2)受精卵细胞质基质中含有很多个体发育所需的营养物质，容易产生完整的个体，全能性最高。(3)考查目的基因的检测和表达：用DNA分子杂交技术检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因；用分子杂交技术检测目的基因是否转录出了mRNA，即用标记的目的基因作探针与mRNA杂交；用抗原-抗体杂交技术检测目的基因是否翻译成蛋白质，即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，有时还需进行个体生物学水平的鉴定，通过生物性状,表达与否来检测基因工程的成功与否。(4)乳腺生物反应器和膀胱生物反应器是转基因动物生产药物的新方法，传统生产多以微生物发酵工程或动物细胞工程为主要方法，但由于受操作条件相对较苛刻等的限制，所以价格较高。,答案：(1)启动子标记基因终止子(2)受精卵发育的全能性最容易表达(3)分子杂交个体生物学水平鉴定DNA分子杂交抗原抗体杂交(答对任意两种即可)(4)工程菌培养动物细胞培养直接从生物组织、细胞或血液由于受操作条件相对较苛刻等的限制，价格十分昂贵,【互动探究】(1)过程需要的酶有哪些？提示：限制酶、DNA连接酶。分析：目的基因需要从人的DNA上剪切下来插入到羊的基因中，剪切需要限制酶，连接需要DNA连接酶。(2)过程可能涉及哪些生物技术？提示：早期胚胎培养、胚胎移植、胚胎分割。分析：受精卵细胞发育成个体，需要在体外进行早期胚胎培养，然后移植到同期发情处理的雌羊的子宫内继续发育，为得到多只羊可能还需要胚胎分割技术。,基因治疗与基因诊断的比较,基因表达,碱基互补配对,利用正常基因导入有基因缺陷的细胞中，以表达出正常性状来治疗,临床实验,制作特定DNA探针与病人样品DNA混合分析杂交带情况,临床应用,【高考警示钟】1.基因治疗并非把健康的外源基因导入患者的所有细胞中，而只是导入某些功能细胞中，且是体细胞。2.基因治疗目前只是处于初期的临床试验阶段，在临床上未开展，未实现这方面的治疗。,【典例训练2】基因治疗是指（）A.运用人工诱变的方法，使有基因缺陷的细胞发生基因突变恢复正常B.对有基因缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，达到治疗疾病的目的C.把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的D.运用基因工程技术，把有缺陷的基因切除，达到治疗疾病的目的,【解题指南】1.考查实质：基因治疗的本质。2.解题关键：明确基因治疗的实质是使正常基因在细胞内表达，而不是替换缺陷基因。【解析】选C。人工诱变和自然突变一样，具有不定向性，很难使有基因缺陷的细胞发生基因突变恢复正常。,【变式训练】如果通过转基因技术，成功改造了某血友病女性的造血干细胞，使其凝血功能全部恢复正常。当她与正常男性结婚，婚后所生子女的表现型为（）A.儿子、女儿全部正常B.儿子、女儿中各一半正常C.儿子全部有病，女儿全部正常D.儿子全部正常，女儿全部有病【解析】选C。血友病为伴X染色体隐性遗传病，本题中完成转基因的细胞只有造血干细胞，而正常的体细胞和卵原细胞没有进行转基因，女性患者所产生的卵细胞仍然含有血友病基因，所以，所生儿子都患病，女儿全部正常。,【变式备选】腺苷酸脱氨酶（ADA）基因缺陷症是一种免疫缺陷症，对患者采用基因治疗的方法是：取出患者的T淋巴细胞，进行体外培养时转入正常ADA基因，经过培养、转化后，再将这些T淋巴细胞注射入患者体内，使其免疫功能增强，能正常生活。下列有关叙述中，正确的是（）A.正常ADA基因替换了患者的缺陷基因B.正常ADA基因通过控制ADA的合成来影响免疫功能C.T淋巴细胞需在体外培养至能无限增殖时再注射入患者体内，保证体内有足量的携带正常基因的T淋巴细胞D.体外培养T淋巴细胞时可以通过显微注射技术将正常的ADA基因直接导入T淋巴细胞,【解析】选B。基因治疗是将正常的基因导入到有基因缺陷的细胞中；正常的ADA基因可以控制合成正常的ADA来影响免疫功能；能无限增殖的T淋巴细胞已发生癌变，不能注射到患者体内；向受体细胞导入目的基因时，必须先将目的基因和载体结合。,蛋白质工程与基因工程,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),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,定向改造或生产人类所需的蛋白质,定向改造生物的遗传特性,获得人类所需的生物类型或生物产品,可生产自然界没有的蛋白质,原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,(1)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(2)基因工程能为蛋白质工程提供理论及技术支持,蛋白质工程可对基因工程中所需的某些酶进行修饰、改造,使之更符合需要,【典例训练3】干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在-70条件下保存半年，给广大患者带来福音。(1)蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”：,(2)基因工程和蛋白质工程相比较，基因工程在原则上只能生产_的蛋白质，不一定符合_需要。而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_或_，对现有蛋白质进行_或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。(3)蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的_结构。(4)对天然蛋白质进行改造，应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？_。原因是：_。,【解题指南】1.考查实质：对蛋白质工程的实验流程的理解。2.解题关键：(1)明确蛋白质工程的实质是根据蛋白质预期功能推测出相对应的脱氧核苷酸序列。(2)明确蛋白质工程是通过改造基因来改造蛋白质。,【解析】(1)蛋白质工程的基本流程为根据预期的蛋白质功能推测出蛋白质结构及控制该蛋白质的基因的脱氧核苷酸序列。(2)蛋白质工程的实质是通过对基因改造或修饰制造自然界不存在的符合人们生产和生活需要的蛋白质。(3)蛋白质的空间结构十分复杂，很难根据预期功能来预测出空间结构。(4)基因控制蛋白质的合成，对基因的改造相当于间接改造了蛋白质。,答案：(1)预期的蛋白质功能预期的蛋白质结构应有的氨基酸序列相对应的脱氧核苷酸序列(基因)(2)自然界已存在人类生产和生活基因修饰基因合成改造(3)空间(或高级)(4)应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造首先，任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因也就是对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去。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也无法遗传；其次，对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作，难度要小得多,1.利用基因工程培育抗虫作物的直接优点是（）A.减少虫害的发生B.害虫不会产生抗性C.减少农药的用量D.作物不会染病【解析】选A。利用基因工程培育的抗虫作物，对害虫具有一定的抗性，减少了虫害的发生；减少了农药的用量属于间接优点；种植抗虫作物较长时间后，害虫可能会出现抗性；抗虫作物只能减少虫害，对细菌、病毒等造成的病害不起作用。,2.(2012安庆模拟)科学家将-干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素第十七位的半胱氨酸改变成丝氨酸，结果大大提高了-干扰素的抗病毒活性，并且提高了储存稳定性。该生物技术为（）A.蛋白质工程B.基因工程C.基因突变D.细胞工程【解析】选A。题干中的操作涉及的基因显然不再是原来的基因，其合成的-干扰素也不是天然-干扰素，而是经过改造的，是具有人类所需优点的蛋白质，因而整个过程利用的生物技术为蛋白质工程。,3.基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。下列叙述不正确的是（）A.常用相同的限制性核酸内切酶处理目的基因和质粒B.DNA连接酶和RNA聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶C.可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒D.导入大肠杆菌的目的基因不一定能成功表达【解析】选B。构建重组质粒必需的工具酶是限制性核酸内切酶和DNA连接酶。RNA聚合酶在形成RNA时起到连接核糖核苷酸间的磷酸二酯键的作用。,4.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.通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍是天然的蛋白质C.蛋白质工程需要限制酶和DNA连接酶D.蛋白质工程是在蛋白质分子水平上改造蛋白质的【解析】选C。蛋白质工程改造蛋白质是通过改造基因来实现的。改造后的基因，需要构建基因表达载体，然后导入细胞中控制合成相应的蛋白质，因此需要限制酶和DNA连接酶等工具酶。改造后的蛋白质是自然界中没有的，不是天然蛋白质。,5.如图是利用奶牛乳汁生产人血清白蛋白的图解，根据下图回答：(1)在形成图中的过程中，我们称为_，获取的途径主要有_。,(2)有人对这种牛奶不敢食用，人们对这种转基因食品的担心表现在_、_、_。(3)人血清白蛋白的生产说明该工程突破了自然界物种之间的_，在基因表达载体中，人的血清白蛋白基因前端必须要有_。(4)对处理后的分散细胞进行培养，通常要在培养液中添加一定量的_，此外应定期更换_，以便保证被培养的细胞处于_的环境中。,【解析】(1)血清白蛋白基因是目的基因，获取目的基因的途径主要有3个：一是从相应生物的基因文库中获取，二是利用体外PCR技术大量扩增，三是基因比较小，核苷酸序列已知，可以用化学方法直接人工合成。(2)人们对转基因食品的担心表现在：担心出现滞后效应、担心出现新的过敏原、担心营养成分改变等。(3)利用奶牛乳汁生产人血清白蛋白，突破了自然界物种之间的生殖隔离；启动子是一段有特殊结构的DNA片段，是RNA聚合酶识别和结合的部位；有了它才能驱动基因转录出mRNA，翻译出蛋白质，故在基因表达载体中，人血清白蛋白基因前端必须要有启动子。,(4)动物细胞培养首先应保证被培养的细胞处于无菌、无毒的环境；通常还要在细胞培养液中添加一定量的抗生素，以防培养过程中的污染；此外，应定期更换培养液，以便清除代谢