第55讲　基因工程的应用和蛋白质工程-2026版一轮复习

第55讲基因工程的应用和蛋白质工程课标内容(1)举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。(2)举例说明依据人类需要对原蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。考点一基因工程的应用1.乳腺生物反应器乳腺生物反应器是利用转基因动物的乳汁生产药用蛋白，而膀胱生物反应器是利用转基因动物的尿液生产药用蛋白，其优点是不受动物的性别、生长发育时期的限制，提取简单高效。2.利用基因工程菌生产药物1.人的胰岛素基因导入大肠杆菌后不能正确表达出胰岛素，其原因是___________________________________________________________________。提示真核细胞的基因结构不同于原核细胞，其转录出的mRNA需加工后才能作为翻译的模板，细菌中不存在此机制2.为提高动物的生长速度，需将外源生长激素基因导入动物体内，应该选择的受体细胞是什么？并说明理由。提示受精卵。受精卵体积较大，操作较容易，营养物质含量丰富，也能保障发育成的个体所有细胞都含有外源生长激素基因，全能性较高。考向结合基因工程的应用，考查社会责任1.(2024·福建宁德期末)利用转基因山羊乳腺生物反应器生产丁酰胆碱酯酶，可治疗有机磷中毒。下列叙述错误的是()A.应该用山羊乳腺中特异表达的基因的启动子构建基因表达载体B.通过体细胞克隆可将丁酰胆碱酯酶基因传递给子代C.通过显微注射技术将基因表达载体导入山羊乳腺细胞D.山羊乳腺细胞可将肽链加工成具有一定空间结构的丁酰胆碱酯酶答案C解析要得到转基因山羊乳腺生物反应器，在构建基因表达载体时需要山羊乳腺中特异表达的基因的启动子，使目的基因只在乳腺细胞中表达，A正确；通过显微注射技术将基因表达载体导入山羊受精卵，C错误；山羊乳腺细胞中含有内质网和高尔基体，可将肽链加工成具有一定空间结构的丁酰胆碱酯酶，D正确。2.(2024·辽宁沈阳期中)下列关于用转基因动物作器官移植供体的研究的叙述，错误的是()A.人体移植器官短缺和免疫排斥是目前制约人体器官移植的两大难题B.猪的内脏构造、大小和血管分布与人的极为相似我用夸克网盘分享了「与您分享-国家、地方、行业、团体标准」，点击链接即可保存。打开「夸克APP」，无需下载在线播放视频，畅享原画5倍速，支持电视投屏。链接：/s/45a9f612fe59提取码：t9EX联系qq:1328313560我的道客巴巴：/634cd7bd0a3f5a7311db139533c20794

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C.灵长类动物体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒少于猪D.无论以哪种动物作为供体，都需要在其基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因答案C解析目前，人体移植器官短缺和免疫排斥是制约人体器官移植的两大难题，A正确；猪的内脏构造、大小和血管分布与人的极为相似，且猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远少于灵长类动物，B正确，C错误；无论以哪种动物作为供体，都需要在其基因组中导入某种调节因子，以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，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官，D正确。乳腺生物反应器与工程菌的比较比较内容乳腺生物反应器工程菌含义让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指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的微生物基因表达合成的药物蛋白与天然蛋白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要严格灭菌，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点二蛋白质工程的原理和应用1.概念剖析2.流程图写出流程图中字母代表的含义：A.转录B.翻译C.分子设计D.多肽链E.预期功能3.蛋白质工程与基因工程的区别和联系考向结合蛋白质工程，考查科学探究1.(2024·湖北孝感高中质检)下图表示蛋白质工程的操作过程，相关说法错误的是()A.a、b过程分别是转录、翻译B.蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作C.蛋白质工程是完全摆脱基因工程技术的一项全新的生物工程技术D.蛋白质工程中可能构建出一种全新的基因答案C解析a过程是以DNA的一条链为模板合成mRNA的转录过程，b过程是以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的多肽链的翻译过程，A正确；蛋白质工程是指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，通过改造或合成基因，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需求，因此蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作，B正确；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，C错误；蛋白质工程中，可能根据已经明确的蛋白质的结构构建出一种全新的基因，D正确。2.(2024·福州一中质检)胰岛素用于治疗糖尿病，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。下图是新的速效胰岛素的生产过程，有关叙述正确的是()A.新的胰岛素的产生是依据基因工程原理完成的B.新的胰岛素生产过程中不涉及中心法则C.新的胰岛素产生过程中最困难的一步是由胰岛素分子结构推测氨基酸序列D.若用大肠杆菌生产新的胰岛素，常用Ca2＋处理大肠杆菌答案D解析新的胰岛素的产生是依据蛋白质工程原理完成的，A错误；新的胰岛素生产过程中涉及转录、翻译的过程，其涉及中心法则，B错误；新的胰岛素产生过程中最困难的一步是设计新的胰岛素分子的空间结构，C错误；把目的基因导入大肠杆菌，常用Ca2＋处理大肠杆菌，使其成为感受态细胞，利于重组质粒的进入，D正确。1.(2022·湖南卷，22)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__________________________________________________________________。(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。(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___________________________________________________________________。(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(1)氨基酸序列(多肽链)mRNA密码子的简并(2)从基因文库中获取目的基因通过DNA合成仪用化学方法人工合成DNA半保留复制(3)种类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(4)取3支试管，分别加入等量的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；用注射器取同一种动物(如家兔)血液，立即将等量的血液加入1、2、3号三支试管中，放在适宜条件下静置一段时间，观察统计三支试管中血液凝固时间解析(1)根据蛋白质工程的基本流程，a是氨基酸序列(多肽链)，b是mRNA。在生产过程中，mRNA可能不同，合成的蛋白质空间构象却相同，原因是密码子具有简并的特性，即一种氨基酸可能有几个对应的密码子，使不同mRNA翻译出来的氨基酸序列相同。(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从基因文库中获取、通过DNA合成仪用化学方法人工合成和利用PCR技术扩增。PCR技术是体外扩增DNA的技术，遵循的基本原理是DNA半保留复制。(3)分析曲线图可知，酶甲、酶乙处理，水解产物中的肽含量都随着酶解时间的延长而逐渐升高，且两种酶作用下差别不大；经酶甲处理后，随着酶解时间的延长，抗凝血活性先升高而后保持相对稳定；经酶乙处理后，随着酶解时间的延长，抗凝血活性先上升而后有所下降，且酶甲处理后的产物的抗凝血活性最终高于酶乙处理后的酶解产物的抗凝血活性。据此推测两种酶处理后水解产物的抗凝血活性差异主要与肽的种类有关，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。(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，可以以这三种物质作为自变量，分别检测它们的抗凝血活性，故实验设计思路为：取3支试管，分别加入等量的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；取同一种动物(如家兔)血液，立即将等量的血液加入1、2、3号三支试管中，放在适宜条件下静置一段时间，观察统计三支试管中血液凝固时间。2.(2023·海南卷，20)基因递送是植物遗传改良的重要技术之一，我国多个实验室合作开发了一种新型基因递送系统(切—浸—生芽Cut－Dip－Budding，简称CDB法)。图1与图2分别是利用常规转化法和CDB法在某植物中递送基因的示意图。回答下列问题：(1)图1中，从外植体转变成愈伤组织的过程属于；从愈伤组织到幼苗的培养过程需要的激素有生长素和，该过程还需要光照，其作用是____________________________________________________________________。(2)图1中的愈伤组织，若不经过共培养环节，直接诱导培养得到的植株可以保持植株A的。图1中，含有外源基因的转化植株A若用于生产种子，其包装需标注。(3)图1与图2中，农杆菌侵染植物细胞时，可将外源基因递送到植物细胞中的原因是___________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)已知某酶(PDS)缺失会导致植株白化。某团队构建了用于敲除PDS基因的CRISPR/Cas9基因编辑载体(含有绿色荧光蛋白标记基因)，利用图2中的CDB法将该重组载体导入植株B，长出毛状根，成功获得转化植株B。据此分析，从毛状根中获得阳性毛状根段的方法是____________________________________________________________________。图2中，鉴定导入幼苗中的基因编辑载体是否成功发挥作用的方法是____________________________________________________________________依据是______________________________________________________________。(5)与常规转化法相比，采用CDB法进行基因递送的优点是______________________________________________________(答出2点即可)。答案(1)脱分化细胞分裂素诱导叶绿素的形成，使幼苗能够进行光合作用(2)遗传特性转基因种子(3)农杆菌细胞内含Ti质粒，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的T－DNA转移并整合到受体细胞染色体DNA上(4)检测毛状根段是否有绿色荧光植物PDS中靶区域测序(或根据PDS基因的碱基序列设计引物进行PCR扩增)若导入幼苗的基因编辑载体成功发挥作用，则PDS基因被敲除，靶区域的测序就会出现序列缺失(或PCR无法扩增出条带)(5)不需要无菌操作，不需要进行植物组织培养，操作简便解析(1)外植体经过脱分化形成愈伤组织，愈伤组织经过再分化形成幼苗，再分化培养基需要有一定比例的生长素和细胞分裂素。叶绿素的形成需要光，故再分化过程中需要适宜的光照以诱导叶绿素的形成。(2)图1中，若不经过愈伤组织与含重组载体的农杆菌共培养环节，直接诱导培养植株，则获得的植株遗传物质全部来自植株A，这种无性繁殖的方式可以保持植株A的遗传特性。为遵守我国对农业转基因生物实行的标识制度，需对含有外源基因的转化植株A生产的种子的包装标注“转基因种子”。(3)见答案。(4)用含有重组载体的农杆菌液处理植株B后长出的毛状根中若含有基因编辑载体(阳性毛状根)，则该基因编辑载体中的绿色荧光蛋白基因可以在毛状根中表达，故可通过观察其是否含有绿色荧光筛选阳性毛状根。若导入幼苗中的基因编辑载体成功发挥作用，则PDS基因被敲除，靶基因测序就会出现序列缺失，或用另一种方法，根据PDS基因的碱基序列设计引物进行PCR扩增，不会出现扩增条带。(5)对比图1与图2可知，与常规转化法相比，用CDB法进行基因递送不需要进行植物组织培养，不需要无菌操作，操作简便。限时强化练(时间：30分钟)【对点强化】考点一基因工程的应用1.(2024·江西南昌质检)基因工程广泛应用于农牧业、医药卫生和食品工业等方面。有关说法错误的是()A.乳腺生物反应器可用于生产药物B.干扰素是一种具有干扰细菌复制作用的糖蛋白C.基因工程技术可用于提高作物和畜产品的产量D.将某些病毒的抗病基因导入植物中，可培育转基因抗病植物答案B解析干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，B错误。2.(2024·河南天一大联考)如图表示构建重组质粒和筛选含人胰岛素原基因的细菌的过程，其中Ⅰ和Ⅱ表示抗性基因，①～⑦表示过程，其他数字表示菌落。下列有关叙述正确的是()(注：⑦过程表示用灭菌绒布从含氨苄青霉素培养基中蘸取菌种，再按到含四环素培养基中培养)A.①②只能用同一种限制酶进行切割B.Ⅰ表示抗氨苄青霉素基因，Ⅱ表示抗四环素基因C.3、5菌落是筛选出的含有人胰岛素原基因的细菌D.该基因工程成功的标志是细菌合成具有生物活性的胰岛素答案C解析由于不同限制酶切割形成的黏性末端可能相同，因此①②也可以用不同种限制酶进行切割，A错误；根据⑥⑦筛选结果可知，构建基因表达载体后，抗四环素基因被破坏，而抗氨苄青霉素基因没有被破坏，因此Ⅰ表示抗四环素基因，Ⅱ表示抗氨苄青霉素基因，B错误；3、5菌落中的细菌能抗氨苄青霉素，但不能抗四环素，筛选出的是含有人胰岛素原基因的细菌，C正确；细菌是原核生物，不含内质网和高尔基体，不能对胰岛素进行加工，因此细菌不能合成具有生物活性的胰岛素，D错误。考点二蛋白质工程的原理和应用3.(2024·合肥市调研)下图为蛋白质工程操作的基本思路，下列叙述错误的是()A.代表蛋白质工程操作思路的过程是④⑤B.代表中心法则内容的是①②C.①代表转录，②代表翻译，④代表分子设计，⑤代表DNA合成D.蛋白质工程的目的是对基因的结构进行分子设计，通过基因合成或改造实现答案D解析代表蛋白质工程操作思路的过程是④⑤，A正确；①代表转录，②代表翻译，④代表分子设计，⑤代表DNA合成，B、C正确；蛋白质工程的目的是对蛋白质的结构进行分子设计，通过基因合成或改造实现，D错误。4.(2024·安徽淮南检测)下列关于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.蛋白质工程需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶C.对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的D.蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的答案B解析蛋白质工程是以基因工程为基础的，蛋白质工程需要限制性内切核酸酶(切割目的基因和载体)和DNA连接酶(连接切割后的目的基因和载体)，构建基因表达载体，A错误，B正确；对蛋白质的改造是通过直接改造相应的基因来实现的，C错误；蛋白质工程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，找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因，获得所需要的蛋白质，故蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是不完全相同的，D错误。【综合提升】5.(2024·福建泉州五中质检)几丁质是许多真菌细胞壁的重要成分，几丁质酶可催化其水解。将几丁质酶基因转入菊花体内，可增强其抗真菌病的能力。下列有关叙述错误的是()A.将几丁质酶基因插入Ti质粒的T－DNA上构建表达载体B.可通过显微注射法将农杆菌导入菊花受体细胞C.可用PCR等技术检测目的基因是否成功导入D.可用真菌接种实验检测转基因菊花对真菌的抗性程度答案B解析可通过农杆菌转化法将农杆菌导入菊花受体细胞，显微注射法是用于将目的基因导入动物细胞的方法，B错误。6.RNA干扰是小分子RNA介导的一种抑制特殊基因表达的现象。RNA干扰通过形成并激活沉默复合体(RISC)，降解靶基因mRNA使基因无法表达而沉默。利用人工合成的miRNA研究其作用原理如下图所示。下列相关分析错误的是()A.需依据靶基因的碱基序列设计miRNAB.整个过程至少需要7种酶参与C.沉默复合体中的miRNA可结合并降解靶基因mRNAD.RNA干扰可防止外来的有害基因或病毒基因整合到生物基因组中答案C解析miRNA通过碱基互补配对的方式识别并与目标mRNA结合，需依据靶基因的碱基序列设计miRNA，A正确；整个过程需要两种限制酶和DNA连接酶构建DNA表达载体，需要RNA聚合酶合成miRNA，需要逆转录酶合成DNA，需要RNAseⅢ酶切割miRNA前体，然后利用RNA水解酶将mRNA降解，所以至少需要7种酶参与，B正确；沉默复合体中的miRNA可结合靶基因mRNA，AGO2蛋白起到降解作用，C错误；RNA干扰可降解侵入细胞的mRNA，可防止外来的有害基因或病毒基因整合到生物基因组中，D正确。7.(2024·河南名校联考)科学家将人的生长激素基因与pBR322质粒进行重组，得到的重组质粒导入奶牛受精卵，使其发育为转基因奶牛。pBR322质粒含氨苄青霉素抗性基因(AmpR)和四环素抗性基因(TetR)，含5个限制酶切点(PstⅠ、EcoRⅠ、HindⅢ、BamHⅠ和SalⅠ)，如图1所示。重组质粒形成与否需要鉴定和筛选，方法是将重组DNA分了导入大肠杆菌并在含抗生素的培养基上培养，观察大肠杆菌的生长、繁殖情况以进行判断，如图2所示。请回答下列问题：(1)获取人生长激素基因可以采用逆转录法合成，该过程中所用的mRNA是从细胞中获得的。以mRNA为模板获取DNA的过程中，需要用到的酶有。该过程中除需要酶、原料外，还需要加入适量的。(2)如果用某种限制酶切割质粒和人的生长激素基因，形成重组质粒，再将重组质粒导入大肠杆菌中，若受体菌在A培养基中不能形成菌落，在B培养基中能形成菌落。则使用的限制酶可能是，即目的基因插入在基因中。(3)为了利用转基因奶牛生产人生长激素，最好让目的基因在细胞中进行表达，在构建基因表达载体时，需要对进行改造。(4)将重组DNA分子转入奶牛中的常用方法是，检测转基因奶牛能否产生人生长激素常用的方法是。(5)如果要加速转基因奶牛的繁育速度，采用核移植技术比杂交技术更好，这是因为杂交技术容易造成_______________________________________________。答案(1)垂体逆转录酶、DNA聚合酶引物(2)PstⅠ氨苄青霉素抗性(AmpR)(3)乳腺启动子(4)显微注射法抗原—抗体杂交(5)(性状分离导致)目的基因丢失解析人生长激素基因只在垂体细胞中表达，所以所用的mRNA从垂体细胞中获得。受体菌在A培养基中不能形成菌落，在B培养基中能形成菌落，说明目的基因插入氨苄青霉素抗性基因中，所以使用的限制酶是PstⅠ。8.(2023·江苏南京调研)1965年中国科学家人工合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素，摘取了人工合成蛋白质的桂冠。人胰岛素基因表达的最初产物是一条肽链构成的前胰岛素原，经下图1所示的过程形成具生物活性的胰岛素。此后科学家又提出了利用基因工程改造大肠杆菌生产人胰岛素的两种方法：AB法是根据胰岛素A、B两条肽链的氨基酸序列人工合成两种DNA片段，利用工程菌分别合成两条肽链后将其混合自然形成胰岛素；BCA法是利用胰岛B细胞中的mRNA得到胰岛素基因，表达出胰岛素原后再用特定酶切掉C肽段。这两种方法使用同一种质粒作为载体。请据图分析并回答下列问题：(1)在人体胰岛B细胞内，图1中前胰岛素原形成具生物活性的胰岛素过程中参与的细胞器有__________________________________________________________________________________________________________________________。(2)由于密码子的特性，AB法中人工合成的两种DNA片段均有多种可能的序列。(填“AB”“BCA”或“AB和BCA”)法获取的目的基因中不含人胰岛素基因启动子。(3)图2是利用基因工程生产人胰岛素过程中使用的质粒及目的基因的部分结构。为使目的基因与载体正确连接，在设计PCR引物时可添加限制酶的识别序列。通过上述方法获得人的胰岛素基因后，需要通过PCR技术进行扩增，已知胰岛素基因左端①处的碱基序列为－CCTTTCAGCTCA－，则其中一种引物设计的序列是5′________________________________________3′。(4)对重组表达载体进行酶切鉴定，若选择限制酶SalⅠ，最多能获得种大小不同的DNA片段。(5)β－半乳糖苷酶可以分解无色的X－gal产生蓝色物质使菌落呈现蓝色，否则菌落为白色。经Ca2＋处理的大肠杆菌与重组质粒混合培养一段时间后，采用法将大肠杆菌接种到添加了的培养基上筛选出色的菌落即为工程菌种。(6)科学家利用蛋白质工程技术，研制出了赖脯胰岛素，与天然胰岛素相比，其皮下注射后易吸收、起效快。获得赖脯胰岛素基因的途径是：从预期的蛋白质功能出发→→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列。答案(1)内质网、高尔基体和线粒体(2)简并AB和BCA(3)XhoⅠ和MunⅠ—CTCGAGCCTTTCAGCTCA—(4)7(5)稀释涂布平板氨苄青霉素和X－gal白(6)设计预期的蛋白质结构解析(1)胰岛素属于分泌蛋白，前胰岛素原形成具生物活性的胰岛素过程中参与的细胞器有内质网、高尔基体和线粒体。(2)密码子具有简并的特性，故AB法中人工合成的两种DNA片段均有多种可能的序列；结合题意“BCA法是利用人体胰岛B细胞中的mRNA得到胰岛素基因，表达出胰岛素原后再用特定酶切掉C肽段”可知，BCA法是从人体胰岛B细胞中获取mRNA，在基因的结构中，启动子在非编码区，是不会被转录和翻译的，根据题干信息“AB法是根据胰岛素A、B两条肽链的氨基酸序列人工合成两种DNA片段，