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新人教生物一轮复习学案
第52讲　基因工程的应用、蛋白质工程
课标要求 1.举例说明基因工程在农牧、食品和医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。 2.举例说明人类根据需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
考点1　基因工程的应用
概 念 落 实
1.基因工程在农牧业方面的应用
应用方面 外源基因类型或实例 成果举例
转基因 抗虫植物 从某些生物中分离出具有　　　　　　，将它导入作物中培育出具有抗虫性作物 转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻、马铃薯等
转基因 抗病植物 将来源于某些病毒、真菌等的　　　　导入植物中 转基因抗病毒甜椒、番木瓜、烟草等
转基因 抗除草 剂植物 将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可以培育出　　　　的作物品种 抗除草剂玉米、大豆、油菜、甜菜等
改良植物 的品质 优良性状基因，如提高必需氨基酸含量的蛋白质编码基因、与植物花青素代谢有关的基因 我国科学家成功地将与植物　　　　　　　　　　导入矮牵牛中
提高动物 生长速率 外源生长激素基因 转基因鲤鱼
改善畜产 品的品质 如肠乳糖酶基因 如科学家将　　　　　基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，　　　　的含量大大降低，其他成分不受影响
2.基因工程在医药卫生领域的应用
（1）对微生物或动植物的细胞进行基因改造，生产药物，如细胞因子、抗体、疫苗和激素等。
（2）乳腺生物反应器（或乳房生物反应器）：将药用蛋白与　　　　中特异表达的基因的　　　　等调控元件重组在一起，导入动物受精卵中。
（3）可能实现建立器官工厂的设想
通过在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以　　　　抗原决定基因的表达；或设法除去　　　　　，结合克隆技术，获得不会引起　　　　的转基因克隆猪器官。
3.基因工程在食品工业方面的应用
利用基因工程菌生产　　　　　　　、氨基酸和　　　　等。
4.培育“超级细菌”处理环境污染
归 纳 总 结
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
诊断·加强
判断下列说法的正误：
（1）将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株。 （　　）
（2）利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品，如人的血清白蛋白，这是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中。 （　　）
（3）由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用。 （　　）
典 题 固 法
（2022·广东卷）“绿水逶迤去，青山相向开”，大力发展低碳经济已成为全社会的共识。基于某些梭菌的特殊代谢能力，有研究者以某些工业废气（含CO2等温室气体，多来自高污染排放企业）为原料，通过厌氧发酵生产丙酮，构建一种生产高附加值化工产品的新技术。回答下列问题：
（1）研究者针对每个需要扩增的酶基因（如图）设计一对　　　　　　　　，利用PCR技术，在优化反应条件后扩增得到目标酶基因。
（2）研究者构建了一种表达载体pMTL80k，用于在梭菌中建立多基因组合表达库，经筛选后提高丙酮的合成量。该载体包括了启动子、终止子及抗生素抗性基因等，其中抗生素抗性基因的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　，终止子的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
（3）培养过程中发现重组梭菌大量表达上述酶蛋白时，出现了生长迟缓的现象，推测其原因可能是　　　　　　　　　　　　　　　　　，此外丙酮的积累会伤害细胞，需要进一步优化菌株和工艺才能扩大应用规模。
（4）这种生产高附加值化工产品的新技术，实现了　　　　　　　　，体现了循环经济特点。从“碳中和”的角度看，该技术的优势在于　　　　　　　　　　　　　　　　，具有广泛的应用前景和良好的社会效益。
（2021·福建卷）微生物吸附是重金属废水的处理方法之一。金属硫蛋白（MT）是一类广泛存在于动植物中的金属结合蛋白，具有吸附重金属的作用。科研人员将枣树的MT基因导入大肠杆菌构建工程菌。回答下列问题：
（1）根据枣树的MTcDNA的核苷酸序列设计了相应的引物（图1甲），通过PCR扩增MT基因。已知A位点和B位点分别是起始密码子和终止密码子对应的基因位置。选用的引物组合应为　　　　　　　　。
图1
（2）本实验中，PCR所用的DNA聚合酶扩增出的MT基因的末端为平末端。由于载体E只有能产生黏性末端的酶切位点，需借助中间载体P将MT基因接入载体E。载体P和载体E的酶切位点及相应的酶切序列如图1乙所示。
①选用　　　　酶将载体P切开，再用　　　　（选填“T4DNA”或“E.coli DNA”）连接酶将MT基因与载体P相连，构成重组载体P'。
②载体P'不具有表达MT基因的　　　　　　和　　　　　　。选用　　　　　　酶组合对载体P'和载体E进行酶切，将切下的MT基因和载体E用DNA连接酶进行连接，将得到的混合物导入用　　　　　离子处理的大肠杆菌，筛出MT工程菌。
图2
（3）MT基因在工程菌的表达量如图2所示。结果仍无法说明已经成功构建能较强吸附废水中重金属的MT工程菌，理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
考向1　基因工程的应用
1.（2022·广东调研）菊花是一种常见的观赏花卉，易感桃蚜。桃蚜不但直接影响菊花生长，还是多种病毒的传播媒介。雪花莲凝集素基因GNA的表达产物能有效抑制桃蚜生长，某科研团队利用农杆菌转化法获得了转基因菊花。下列有关叙述正确的是（　　）
A.载体Ti质粒上的抗生素合成基因通常作为对重组DNA分子鉴定和筛选的标记基因
B.用限制酶和DNA连接酶处理目的基因和Ti质粒时，只涉及氢键的断裂和形成
C.基因表达载体组件中的起始密码子是RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录
D.GNA基因插入Ti质粒的T－DNA上，农杆菌的转化作用能够使GNA基因进入菊花细胞
考向2　结合其他知识综合考查基因工程
2.（2022·佛山二模）心脏移植是挽救终末期心脏病患者生命唯一有效的手段，然而心脏移植过程中会发生缺血再灌注损伤（IRI），可能导致心脏坏死。研究发现，IRI通过促进Caspase 8等一系列凋亡基因的表达，导致细胞凋亡坏死最终引起器官损伤。根据Caspase 8基因合成的小干扰RNA（siRNA）可以使Gaspase 8基因沉默，有效抑制IRI所致的器官损伤。下图是利用猪的心肌细胞开展siRNA作用研究的示意图。回答下列问题：
（1）图中步骤②构建重组质粒需要使用　　　　　　　　　　等工具酶。与直接将sRNA导入猪的心肌细胞相比，通过重组质粒将siRNA对应的DNA序列导入心肌细胞，其优点是　　　　　　　　　　　　　　　　　　（答出1点即可）。
（2）siRNA对应DNA序列在心肌细胞中表达产生的siRNA，与RISC组装形成基因沉默复合物，通过抑制基因表达的　　　　　过程，使Caspase 8基因沉默，从而降低IRI引起的细胞凋亡。
（3）研究人员根据Caspase 8基因的碱基序列，设计了三种序列分别导入猪的心肌细胞，通过测定靶基因Caspase 8的mRNA含量来确定最优序列。测定mRNA含量时，需提取心肌细胞的总RNA，经过　　　　过程得到cDNA，再进行PGR扩增，测定PCR产物量，结果如图所示。据此判断最优序列是　　　　。
（4）选用猪的心肌细胞做受体细胞是因为猪在基因、解剖结构、生理生化和免疫反应等方面与人类极为相似。为了解决心脏移植供体短缺问题，许多科学家正在研究用猪心脏代替人的心脏。你认为将猪心脏移植到人体面临的最大挑战是　　　　　　　，请说出一种解决这一问题的思路：　　　　　　　　　　　　　。
考点2　蛋白质工程
概 念 落 实
1.蛋白质工程的基本原理
（1）原理：　　　　的逆推。
（2）手段：　　　　或合成。
（3）基本思路：预期蛋白质功能→设计预期的　　　　　→推测应有的　　　　　→找到相对应的　　　　　　　　。
（4）流程图
流程图中字母代表的含义分别是：A.　　　　，B.　　　　，C.　　　　，D.　　　　，E.　　　　。
2.蛋白质工程的应用
（1）研发速效　　　　　　　。
（2）医药工业方面，如干扰素、抗体的改进。
（3）其他工业方面，如改进酶的　　　　或开发新的工业用酶。
（4）农业方面，如改造调控光合作用的酶、设计优良微生物农药。
归 纳 总 结
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 原理 中心法则的逆推、中心法则 基因重组
实质 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，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 可生产自然界没有的蛋白质 生产自然界已有的蛋白质
联系 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，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合成实现； ②基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造
诊断·加强
判断下列说法的正误：
（1）蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。 （　　）
（2）蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构。 （　　）
（3）蛋白质工程可以合成自然界中不存在的蛋白质。 （　　）
（4）蛋白质工程仍然是以基因工程为基础。 （　　）
典 题 固 法
（2022·湖南卷节选）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　　　　　　　　　　　　。
（2021·广东卷）非细胞合成技术是一种运用合成生物学方法，在细胞外构建多酶催化体系，获得目标产物的新技术，其核心是各种酶基因的挖掘、表达等。中国科学家设计了4步酶促反应的非细胞合成路线（如图），可直接用淀粉生产肌醇（重要的医药食品原料），以期解决高温强酸水解方法造成的严重污染问题，并可以提高产率。回答下列问题：
（1）研究人员采用PCR技术从土壤微生物基因组中扩增得到目标酶基因。此外，获得酶基因的方法还有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（答出2种即可）。
（2）高质量的DNA模板是成功扩增出目的基因的前提条件之一。在制备高质量DNA模板时必须除去蛋白，方法有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（答出2种即可）。
（3）研究人员使用大肠杆菌BL21作为受体细胞、pET20b为表达载体分别进行4种酶的表达。表达载体转化大肠杆菌时，首先应制备　　　　细胞。为了检测目的基因是否成功表达出酶蛋白，需要采用的方法有　　　　　　　　。
（4）依图所示流程，在一定的温度、pH等条件下，将4种酶与可溶性淀粉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。
考向　蛋白质工程
1.采用基因工程技术将人凝血因子基因导入山羊受精卵，培育出了转基因羊。但是，人凝血因子只存在于该转基因羊的乳汁中。以下有关叙述，正确的是（　　）
A.人体细胞中凝血因子基因编码区的碱基对数目等于凝血因子氨基酸数目的3倍
B.该技术可以定向改变生物的遗传性状，使种群的基因库发生改变
C.在转基因羊中，人凝血因子基因存在于乳腺细胞，而不存在于其他体细胞中
D.人凝血因子基因开始转录后，DNA连接酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA
2.（2019·海南卷）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）将目的基因导入植物细胞常用的方法是农杆菌转化法。若将上述所得的Y基因插入农杆菌Ti质粒上的
　　　　中，得到含目的基因的重组Ti质粒，则可用农杆菌转化法将该基因导入某种植物的叶肉细胞中。若该叶肉细胞睛揉养、筛选等得到了能稳定表达Y的愈伤组织，则说明Y的基因已经　　　　　　　　。
（3）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　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
构核心概念
练教材长句
链接选择性必修3教材 P88。
（1）基因工程培育的抗虫、抗病作物有哪些优点？
链接选择性必修3教材 P94。
（2）蛋白质工程为什么通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造？
拎教材“冷”点
链接选择性必修3教材 P94“学科交叉”。
蛋白质工程中建立蛋白质的　　　　结构需要借助计算机，分析蛋白质晶体结构要借助X射线衍射技术，利用基因的定点突变技术进行碱基的　　　　。
第52讲　基因工程的应用、蛋白质工程
考点1　基因工程的应用
【概念落实】
1.抗虫功能的基因　抗病基因　抗除草剂　花青素代谢相关的基因　肠乳糖酶　乳糖
2.（2）乳腺　启动子　（3）抑制　抗原决定基因　免疫排斥反应
3.食品工业用酶　维生素
【诊断·加强】
（1）√　（2）×　（3）×
【典题固法】
【高考典例】
例1　（1）引物　（2）作为标记基因，筛选含有基因表达载体的受体细胞　终止转录，使转录在需要的地方停下来　（3）二氧化碳等气体用于大量合成丙酮，而不是用于重组梭菌的生长　（4）废物的资源化　不仅不排放二氧化碳，而且还可以消耗工业废气中产生的二氧化碳
解析： （1）利用PCR技术扩增目标酶基因，首先需要根据目标酶基因两端的碱基序列设计一对引物，引物与模板链结 合后，Taq酶才能从引物的3'端延伸子链。（3）重组梭菌大量表达上述酶蛋白时，在这些酶蛋白的作用下，二氧化碳等气体大量用于合成丙酮，而不是用于重组梭菌的生长，所以会导致生长迟缓。
例2　（1）引物1和引物4　（2）①EcoR Ⅴ　T4DNA　②启动子　终止子　Xho Ⅰ和Pst Ⅰ　钙　（3）尚未在个体生物学水平上对MT工程菌吸附重金属的能力进行鉴定
解析：（1）密码子位于mRNA上，是决定氨基酸的三个相邻碱基，起始密码子分别控制翻译的开始和结束，故为保证基因的正常表达，一对引物应分别位于位点A和位点B的两侧，故选择引物1和引物4。（2）①MT基因的末端为平末端，故需要用EcoR Ⅴ或 Sma Ⅰ切割载体P，但后续需进一步将重组载体P'和载体E连接，故需将MT基因插入Xho Ⅰ和Pst Ⅰ两个酶切位点之间，故选EcoR Ⅴ将载体P切开；由于E.coli DNA连接酶只能连接黏性末端，而T4DNA连接酶可以连接平末端，而MT基因的末端为平末端，故需要用T4DNA连接酶将MT基因与载体P相连，构成重组载体P'。②载体P'是重组质粒，故不含有有表达MT基因的启动子和终止子；为避免自身环化和反向连接，可选用两种酶切割两种载体，据图可知，载体P'和载体E均含有Xho Ⅰ和Pst Ⅰ酶切位点，故可选用Xho Ⅰ和Pst Ⅰ酶进行酶切；将目的基因导入大肠杆菌的方法是钙离子处理法。（2）由于尚未在个体生物学水平上对MT工程菌吸附重金属的能力进行鉴定，故即使MT工程菌的MT蛋白相对含量较高，也无法说明已经成功构建能较强吸附废水中重金属的MT工程菌。
【对点演练】
1.D　解析：载体Ti质粒上的抗生素抗性基因通常作为对重组DNA分子鉴定和筛选的标记基因，不是抗生素合成基因，A错误；用限制酶和DNA连接酶处理目的基因和Ti质粒，涉及碱基之间的氢键和DNA片段之间的磷酸二酯键的断裂和形成，B错误；起始密码子位于mRNA上，RNA聚合酶识别和结合的部位是基因中的启动子，C错误；由于T－DNA可转移到受体细胞并整合到受体细胞染色体的DNA上，故目的基因GNA基因要插入Ti质粒的T－DNA上；借助农杆菌的感染作用可实现将外源基因向植物细胞的转移和整合，故农杆菌的转化作用能够使GNA基因进入菊花细胞，D正确。
2.（1）限制酶、DNA连接酶　可持续产生siRNA，使靶基因长时间沉默（或可以使质粒只在特定的组织中表达；或可构建某基因永久沉默的实验动物模型）　（2）翻译　（3）逆转录　序列2　（4）免疫排斥反应　可以利用基因工程技术将猪与免疫排斥有关的抗渊基因敲除；转入一些人类特有蛋白的基因，将猪细胞伪装人的细胞
解析：（1）限制酶、DNA连接酶是构建重组质粒需要的工具酶。与直接将siRNA导入猪的心肌细胞相比，通过重组质粒将siRNA对应的DNA序列导入心肌细胞，siRNA可随重组质粒增殖而持续产生，从而使靶基因长时间沉默。（2）据图可知，基因沉默复合物作用于Gaspase 8的mRNA，抑制了基因表达的翻译过程，使Caspase 8基因沉默。（3）测定mRNA含量时，需提取细胞总RNA，经过逆转录过程得到cDNA，再进行PCR扩增，通过PCR产物的量间接反映细胞中相关基因的mRNA含量。根据图示可知，在序列2作用下，Caspase 8的mRNA含量最低，表明其抑制效果最好，是最优序列。
考点2　蛋白质工程
【概念落实】
1.（1）中心法则　（2）基因改造　（3）蛋白质结构　氨基酸序列　脱氧核苷酸序列　（4）转录　翻译　分子设计　多肽链　预期功能
2.（1）胰岛素类似物　（2）性能
【诊断·加强】
（1）√　（2）×　（3）√　（4）√
【典题固法】
【高考典例】
例1　（1）多肽链　mRNA　密码子的简并性　（2）从基因文库中获取目的基因　通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成　DNA双链复制
解析：物质a是多肽链，物质b是mRNA。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，原因是密码子的简并性，即一种氨基酸可能有几个密码子。
例2　（1）从基因文库中获取、人工合成、化学合成、逆转录法（答出其中两项即可）　（2）蛋白酶水解（酶解法）、盐析法、高温或加热（答出其中两项即可）　（3）感受态　抗原—抗体杂交（测定酶活性）　（4）酶活性下降或失活，肌醇合成量少或完全不能合成　酶的基因序列（与酶相关的DNA序列）
解析：（1）分析题意，研究人员从土壤微生物基因组中扩增得到目标酶基因采用了PCR技术，此外获得酶基因的方法还有从基因文库中获取和人工合成法。（2）高质量的DNA模板是成功扩增出目的基因的前提条件之一。在制备高质量DNA模板时必须除去蛋白，可根据DNA和蛋白质的溶解性、对酶、高温和洗涤剂的耐受性去除蛋白质，方法有盐析、酶解法或高温变性法等。（3）研究人员使用大肠杆菌BL21作为受体细胞、pET20b为表达载体分别进行4种酶的表达。表达载体转化大肠杆菌时，首先应制备感受态细胞，即利用钙离子处理大肠杆菌，使其成为感受态细胞，处于易于接受外来的DNA分子状态。基因工程中，酶基因（目的基因）成功表达的产物酶蛋白的化学本质是蛋白质，常用抗原—抗体杂交技术进行检测。（4）依图所示流程，在一定的温度、pH等条件下，将4种酶与可溶性淀粉溶液混合组成一个反应体系。由于酶的作用条件较温和，若这些酶最适反应条件不同，则可能导致有的酶失活而使反应中断。在分子水平上，可以通过改变基因的碱基序列，从而改变蛋白质的结构，实现对酶特性的改造和优化。
【对点演练】
1.B　解析：因为真核生物的基因中存在非编码区，而编码蛋白质的是编码区的外显子，并且终止密码子不编码氨基酸，所以凝血因子基因编码区的碱基对数目应大于凝血因子氨基酸数目的3倍，A错误；该技术可以定向改变生物的遗传性状（使转基因山羊的乳汁中含有人凝血因子），使种群的基因库发生改变，B正确；因为目的基因导入受精卵中，而转基因羊的每一个体细胞都是由受精卵有丝分裂而来的，所以转基因羊的所有体细胞都含有人凝血因子基因，C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，同时以核糖核苷酸为原料催化合成mRNA，D错误。
2.（1）mRNA　逆转录酶　PCR　（2）T－DNA　整合到叶肉细胞染色体DNA上　（3）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
课堂小结与延伸
【构核心概念】
抗虫棉　改良作物品质　乳腺生物反应器　工程菌　超级细菌　改造现有基因
【练教材长句】
（1）提示：减少环境污染，降低生产成本。
（2）提示：①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。
【拎教材“冷”点】
三维　替换

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