第53讲　基因工程的应用及蛋白质工程

第53讲基因工程的应用及蛋白质工程高考总复习优化设计GAOKAOZONGFUXIYOUHUASHEJI2025素养目标考点一基因工程的应用夯实基础•精研教材1.基因工程在农牧业方面的应用

抗虫功能的基因抗病基因降解或抵抗蛋白质编码基因花青素代谢相关的基因外源生长激素基因乳汁乳糖酶基因2.基因工程在医药卫生领域的应用

基因改造特异表达的基因的显微注射受精卵调节因子抗原决定基因克隆免疫排斥启动子3.基因工程在食品工业方面的应用

基因工程菌牛凝乳酶的基因基因工程菌教材深挖1.[选择性必修3第90页正文信息]利用转基因技术获得的已整合药用蛋白基因的转基因小鼠分泌的乳汁中检测不到药用蛋白,根据中心法则分析,其可能的原因是

。

2.[选择性必修3第90页“资料卡”]干扰素是一种具有

,在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病,对乳腺癌、淋巴瘤、多发性骨髓瘤和某些白血病也有一定的疗效。

药用蛋白基因没有转录或翻译干扰病毒复制作用的糖蛋白3.[选择性必修3第91页“相关信息”]基因工程菌一般是

。

4.[选择性必修3第91页正文拓展]利用转基因细菌能否直接生产干扰素等化学本质为糖蛋白的药物?为什么?提示

利用转基因细菌不能直接生产糖蛋白类的产品,因为细菌中只有核糖体,没有内质网和高尔基体等其他细胞器。用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类链高考·前挂后连(1)分离能表达EGFP的胚胎干细胞,通过核移植等技术可获得大量产低乳糖牛乳的转基因奶牛。[2021·浙江卷](

)(2)遗传改造的小鼠胚胎干细胞可以通过转基因等技术获得。[2020·山东卷](

)(3)将胰岛素基因表达质粒转入大肠杆菌,筛选获得基因工程菌。[2019·江苏卷](

)√√√(4)将肠乳糖酶基因导入奶牛受精卵,培育出产低乳糖牛乳的奶牛。[2019·江苏卷](

)(5)将腺苷酸脱氨酶基因转入淋巴细胞后回输患者,进行基因治疗。[2019·江苏卷](

)(6)利用基因工程培育抗虫植物,只要表现出抗虫性状就表明植株发生了可遗传变异。[2014·重庆卷](

)√√√透析重难•精准突破利用不同方式生产药物的区别

生产方式乳腺生物反应器工程菌含义指让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异性表达,利用动物的乳腺组织生产药物蛋白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受体与人类基因结构的差异动物与人类的基因结构基本相同细菌和酵母菌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生产方式乳腺生物反应器工程菌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Ca2+处理法生产条件不需要严格灭菌;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考向探究•素养提升考向

结合基因工程的应用,考查社会责任1.基因工程蓬勃发展,下列有关基因工程的说法,正确的是(

)A.基因工程在农牧业上应用的主要目的是培养体型巨大品质优良的动物B.用基因工程方法培育的抗虫植物也能抗病毒C.转基因绵羊操作过程中生长激素基因的受体细胞最好采用乳腺细胞D.在农业方面,蛋白质工程可用于改造某些参与调控光合作用的酶,以提高植物光合作用的效率,增加粮食产量D解析

基因工程在农牧业上应用的主要目的是提高动物的生长速度、改善畜产品品质,而不是为了产生体型巨大的动物个体,A项错误;用基因工程方法培育的抗虫植物只能抗虫,不能抗病毒,B项错误;转基因绵羊操作过程中生长激素基因的受体细胞最好采用受精卵细胞,因为受精卵具有全能性,C项错误。2.(2023·湖南联考)运用基因工程构建的生物反应器可实现药用蛋白的批量生产,目前常用的生物反应器有乳腺生物反应器和膀胱生物反应器,其构建过程如下:构建药用蛋白基因的表达载体,并将表达载体导入动物的受精卵中,然后从这个受精卵发育而成的个体的乳汁或者尿液中提取药用蛋白。下列相关说法错误的是(

)A.构建乳腺生物反应器时,需将药用蛋白基因和乳腺蛋白基因的启动子等重组在一起B.在转基因动物的乳腺细胞或膀胱上皮细胞以外的细胞中不含有药用蛋白基因C.与乳腺生物反应器相比,膀胱生物反应器不受性别和年龄的限制D.将表达载体导入哺乳动物的受精卵时,常采用显微注射技术B解析

启动子是RNA聚合酶识别和结合的位点,可用于驱动基因的转录,构建乳腺生物反应器时,需将药用蛋白基因和乳腺蛋白基因的启动子等重组在一起,以保证目的基因在乳腺细胞中表达,A项正确;受体细胞是动物的受精卵,所以在转基因动物的乳腺细胞或膀胱上皮细胞以外的其他细胞中也含有药用蛋白基因,只是没有表达,B项错误;乳腺生物反应器只能从哺乳期雌性个体的乳汁中获取产物,与乳腺生物反应器相比,膀胱生物反应器的优点是雌、雄个体的尿液中都可提取到产物,且不受性别、年龄等限制,因而受体来源更广泛,C项正确;将表达载体导入哺乳动物的受精卵(全能性最高)时,常采用显微注射技术,D项正确。考点二蛋白质工程的原理和应用夯实基础•精研教材1.蛋白质工程的基本原理(1)蛋白质工程的概念蛋白质分子的结构规律以满足人类生产和生活的需求(2)基本思路从预期的

出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的

→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成

→获得所需要的蛋白质

蛋白质功能氨基酸序列新的基因2.蛋白质工程的应用

酶工业用酶参与调控光合作用的酶蛋白质的结构链高考·前挂后连从某海洋动物中获得一基因,其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物,首先要做的是依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽。[2013·广东卷](

)√透析重难•精准突破蛋白质工程与基因工程的区别和联系

练思维·考教衔接[根据2019海南卷、2021广东卷情境设计]人的T细胞可以产生某种具有临床价值的蛋白质(Y),该蛋白质由一条多肽链组成。目前可以利用现代生物技术生产Y,回答下列问题。(1)若要获得Y的基因,可从人的T细胞中提取

作为模板,在

催化下合成cDNA,再利用

技术在体外扩增获得大量Y的基因。

(2)天然的Y通常需要在低温条件下保存。假设将Y的第6位氨基酸甲改变为氨基酸乙,可提高其热稳定性,若要根据蛋白质工程的原理对Y进行改造以提高其热稳定性,具体思路是

。

找到第6位氨基酸中的碱基所在的基因位置,参照密码子表,将第6位氨基酸甲的碱基替换为氨基酸乙的碱基mRNA逆转录酶PCR(3)若该蛋白质的合成至少需要4种酶,依图所示流程,在一定的温度、pH等条件下,将4种酶与底物溶液混合组成一个反应体系。若这些酶最适反应条件不同,可能导致的结果是

。在分子水平上,可以通过改变

,从而改变蛋白质的结构,实现对酶特性的改造和优化。

有的酶失活而使反应中断基因的碱基序列考向探究•素养提升考向

结合蛋白质工程及其应用,考查生命观念1.胰岛素可用于治疗糖尿病,但胰岛素注射后易在皮下堆积,需较长时间才能进入血液,进入血液后又易被分解,因此治疗效果受到影响。如图是新的速效胰岛素的生产过程,下列有关叙述错误的是(

)A.新的胰岛素的预期功能是构建新胰岛素模型的主要依据B.新的胰岛素生产过程中不涉及中心法则C.若用大肠杆菌生产新的胰岛素,常用Ca2+处理大肠杆菌D.新的胰岛素功能的发挥必须依赖于蛋白质正确的高级结构B解析

新的胰岛素生产过程中涉及中心法则,B项错误。

2.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℃。据分析,脯氨酸替代甘氨酸后,由于引入了一个吡咯环侧链,刚好填充于138位甘氨酸附近的空洞,使蛋白质空间结构更具刚性,从而提高了酶的热稳定性。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.对葡萄糖异构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.经改造后的葡萄糖异构酶热稳定性提高这一性状不可遗传B解析

蛋白质工程和基因工程都要对基因进行操作,根本区别是可产生自然界没有的蛋白质,A项错误;对葡萄糖异构酶的改造需要以基因工程为基础,B项正确;蛋白质工程要通过基因工程实施,故需要酶和载体作为工具,C项错误;由于是对基因进行的改造,遗传物质已经改变,属于可遗传的变异,D项错误。真题演练•领悟考情角度

基因工程的应用和蛋白质工程1.(2023·北京卷)抗虫作物对害虫的生存产生压力,会使害虫种群抗性基因频率迅速提高,导致作物的抗虫效果逐渐减弱。为使转基因抗虫棉保持抗虫效果,农业生产上会采取一系列措施。以下措施不能实现上述目标的是(

)A.在转基因抗虫棉种子中混入少量常规种子B.大面积种植转基因抗虫棉,并施用杀虫剂C.转基因抗虫棉与小面积的常规棉间隔种植D.转基因抗虫棉大田周围设置常规棉隔离带B解析

在转基因抗虫棉种子中混入少量常规种子,非转基因作物的存在不会对害虫生存产生压力;转基因抗虫棉与小面积的常规棉间隔种植也会减少转基因作物的数量,减少对害虫的杀伤力;转基因抗虫棉大田周围设置常规棉隔离带会使一部分害虫体内的非抗性基因保留下来,不至于使抗性基因的频率越来越高,A、C、D三项不符合题意。大面积种植转基因作物并使用杀虫剂会导致害虫大量死亡,抗性基因频率会越来越高,因为能生存的大多数都具有抗性基因,B项符合题意。2.(2021·辽宁卷)腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域,但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽,可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是(

)A.N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一

B.加入连接肽需要通过改造基因实现C.获得N1的过程需要进行转录和翻译

D.检测N1的活性时先将N1与底物充分混合,再置于高温环境中D解析

由题干可知,在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽,可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1),则N1与N0氨基酸序列有所不同,是影响其热稳定性的原因之一,A项正确;蛋白质工程的作用对象是基因,即加入连接肽需要通过改造基因实现,B项正确;N1为蛋白质,蛋白质的合成需要经过转录和翻译两个过程,C项正确;酶具有高效性,检测N1的活性需先将其置于高温环境中,再与底物充分混合,D项错误。3.(2022·湖南卷)水蛭是我国的传统中药材,主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一,具有良好的抗凝血作用。拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构,提高其抗凝血活性。回答下列问题。(1)蛋白质工程流程如图所示,物质a是

,物质b是

。在生产过程中,物质b可能不同,合成的蛋白质空间构象却相同,原因是

。

多肽链mRNA密码子的简并(2)蛋白质工程是基因工程的延伸,基因工程中获取目的基因的常用方法有

、

和利用PCR技术扩增。PCR技术遵循的基本原理是

。

化学合成法从基因文库中获取DNA双链复制(3)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后,分析水解产物中的肽含量及其抗凝血活性,结果如图所示。推测两种处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的

(填“种类”或“含量”)有关,导致其活性不同的原因是

。

提取的水蛭蛋白的酶解时间和处理的酶的种类不同,导致水蛭蛋白空间结构有不同程度破坏种类(4)若要比较蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素的抗凝血活性差异,简要写出实验设计思路。答案

取三支试管,分别放入等量的蛋白质工程改造后的水蛭素、水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素,再分别加入等量的同一动物的新鲜血液,静置一段时间后,观察三支试管中血液凝集情况。解析

(3)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后,据图可知,水解产物中的肽含量随着酶解时间的延长均上升,且差别不大。水解产物中抗凝血活性有差异,经酶甲处理后,随着酶解时间的延长,抗凝血活性先上升后相对稳定;经酶乙处理后