10.7 基因工程的应用与蛋白质工程(Word教参)-【正禾一本通】2025年高考生物高三一轮总复习高效讲义（人教版2019 单选版）

第7课时　基因工程的应用与蛋白质工程　 【课标要求】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 整合必备知识 1.基因工程在农牧业方面的应用 2.基因工程在医药卫生领域的应用 [深化理解] 乳腺生物反应器与基因工程菌的比较 比较内容 乳腺生物反应器 基因工程菌 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，严格控制基因工程菌所需的温度、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 3.基因工程在食品工业方面的应用 [深挖教材]　 (选择性必修3 P91“相关信息”)用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类一般称为基因工程菌。 【易错辨析】　//////////////////////////////// (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)基因工程中，要培育转基因植物和动物，选用的受体细胞都是受精卵。(×) 提示：培育转基因动物时，所选用的受体细胞一般是受精卵；培育转基因植物时，所选用的受体细胞可以是受精卵，也可以是体细胞。 (3)用基因工程方法从大肠杆菌和酵母菌细胞内获得的干扰素结构和功能完全相同。(×) 提示：大肠杆菌是原核生物，没有内质网和高尔基体，无法对干扰素进行加工，而酵母菌细胞可以对干扰素进行加工。 落实素养题组 1.(2023·福建漳州模拟)研究人员制备哺乳动物膀胱生物反应器，用其获得人体特殊功能蛋白W的基本过程如下图所示。下列有关叙述正确的是(　　) A.步骤①和②所代表的操作分别是显微注射、受精卵获能 B.构建的重组表达载体中含有膀胱中特异表达的基因的启动子 C.步骤③的代孕母体无需进行同期发情处理 D.转基因动物的乳腺上皮细胞与膀胱上皮细胞中都能表达W基因 解析：选B。受精卵的全能性最大，利用受精卵作为重组表达载体的宿主细胞常采用显微注射的方法将载体导入，②过程指的是早期胚胎培养技术，A错误；根据题意可知，本实验的目的是获得转基因动物，该动物的膀胱上皮细胞能表达出W蛋白质，因此，构建的重组表达载体中含有膀胱中特异表达的基因的启动子，B正确；步骤③的代孕母体需进行同期发情处理，这样可以为移入的胚胎提供相同的生理环境，C错误；W基因是选择性表达，只在膀胱上皮细胞中表达，即转基因动物的乳腺上皮细胞中不能表达W基因，D错误。 2.对微生物或动物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物，是目前基因工程取得实际应用成果非常多的领域，如用大肠杆菌生产人的干扰素，将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，构建乳腺生物反应器。下列说法错误的是(　　) A.干扰素是具有干扰病毒复制作用的糖蛋白 B.经发酵产生的干扰素属于大肠杆菌的次生代谢物 C.用显微注射法将基因表达载体导入哺乳动物的乳腺细胞构建乳腺生物反应器 D.乳腺反应器的局限是只适用雌性动物的哺乳期 解析：选C。干扰素是具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，A正确；转基因大肠杆菌发酵产生的干扰素不是该生物生长所必需的，属于次生代谢物，B正确；用显微注射法将基因表达载体导入哺乳动物的受精卵细胞构建乳腺生物反应器，C错误；乳腺反应器的局限是只适用雌性动物的哺乳期，要通过雌性分泌乳汁来获取所需物质，D正确。 考点2　蛋白质工程的原理和应用 整合必备知识 1.蛋白质工程的概念 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，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。 [深挖教材] (1)(选择性必修3 P94“思考·讨论”)确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？ 提示：确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。　 2.蛋白质工程与基因工程的异同 项目 蛋白质工程 基因工程 过程 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 目的基因的筛选与获取→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 实质 定向改造或生产人类所需要的蛋白质 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 结果 可生产自然界中不存在的蛋白质 只能生产自然界中已存在的蛋白质 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 [深挖教材] (2)(选择性必修3 P94“正文”)对天然蛋白质进行改造，你认为应该是直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因进行操作来实现？原因是什么？ 提示：应该通过对基因进行操作来实现对天然蛋白质的改造。主要原因：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。　 3.蛋白质工程的应用 (1)在医药方面 ①利用蛋白质工程研发药物。 ②实例：如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在一定条件下，可以延长保存时间。 (2)在工业方面 ①蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。 ②实例：枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。 (3)在农业方面 科学家正在尝试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，增加粮食的产量。 【易错辨析】　//////////////////////////////// (1)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。(×) 提示：蛋白质工程是通过改造或合成基因来完成的，可以改变氨基酸序列，也可以改变蛋白质结构。 (2)基因工程在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程在分子水平对蛋白质进行操作。(×) 提示：基因工程和蛋白质工程都是在分子水平对基因进行操作。 落实素养题组 1.(2023·辽宁大连二模)水蛭是我国的传统中药材，主要药理成分水蛭素是具有抗凝血作用的蛋白质。通过蛋白质工程操作用赖氨酸替代水蛭素第47位的天冬酰胺，可提高其抗凝血活性，相关流程如下图。据图分析，下列叙述错误的是(　　) A.上述研究中目前直接的操作对象是水蛭素基因 B.蛋白质工程进行中难度最大的操作是改造水蛭素基因 C.指导c形成的新水蛭素基因的碱基序列可能不同 D.改造后的水蛭素需要与天然水蛭素进行抗凝血活性比较 解析：选B。图示为蛋白质工程，蛋白质工程直接的操作对象是水蛭素基因，A正确；蛋白质工程进行中难度最大的操作是根据蛋白质的功能设计蛋白质的结构，B错误；由于新水蛭素经过了重新设计，因而指导c形成的新水蛭素基因的碱基序列可能发生改变，C正确；题意显示，通过蛋白质工程操作用赖氨酸替代水蛭素第47位的天冬酰胺，可提高其抗凝血活性，因此改造后的水蛭素需要与天然水蛭素进行抗凝血活性比较，从而做出鉴定，D正确。 2.研究表明，L­精氨酸对肿瘤生长有抑制作用。为利用L­精氨酸治疗肿瘤，研究人员拟对非致病性大肠杆菌中利用NH3合成L­精氨酸的途径进行改造，构建能大量合成L­精氨酸的工程菌M。如图为大肠杆菌中相关代谢途径。据图分析正确的是(　　) A.改造A基因使A酶结构改变，解除L­精氨酸对A酶的抑制作用；同时敲除R基因，解除复合物对A酶的抑制作用，可以成功构建M菌 B.A基因和R基因都是通过控制酶的合成，控制新陈代谢从而控制生物性状的 C.改造A基因使A酶结构发生改变不能用诱变育种的方式，因为基因突变具有低频性和不定向性，故通过蛋白质工程完成 D.A基因和R基因属于非等位基因，可能因为位于同一条染色体上而不遵守基因的自由组合定律 解析：选A。由图可知，L­精氨酸可抑制A酶的活性，且L­精氨酸与R蛋白结合形成的复合物也会抑制A酶的活性，为获得更多的L­精氨酸，应提高A酶的活性，故对A和R基因改造的思路为：改造A基因使A酶结构改变，解除L­精氨酸对A酶的抑制作用；同时敲除R基因，解除复合物对A酶的抑制作用，可以成功构建M菌，A正确。据图可知，A基因是通过控制酶的合成，控制新陈代谢从而控制生物性状的；R基因是通过控制蛋白质的合成，从而直接控制生物性状的，B错误。所谓蛋白质工程，就是利用基因工程手段，包括基因的定点突变和基因表达对蛋白质进行改造，以期获得性质和功能更加完善的蛋白质分子，因此改造A基因使A酶结构发生改变可以用诱变育种的方式，C错误。A基因和R基因是大肠杆菌中的基因，大肠杆菌属于原核生物，没有染色体，不遵循孟德尔的遗传规律，D错误。 　　　　　　　　　　　　　　　　[高考真题·感悟试做]　　　　　　　　　　　　　　　　　 1.(2023·浙江6月选考)赖氨酸是人体不能合成的必需氨基酸，而人类主要食物中的赖氨酸含量很低，利用生物技术可提高食物中赖氨酸含量。回答下列问题： (1)植物细胞合成的赖氨酸达到一定浓度时，能抑制合成过程中两种关键酶的活性，导致赖氨酸含量维持在一定浓度水平，这种调节方式属于____________。根据这种调节方式，在培养基中添加__________________________，用于筛选经人工诱变的植物悬浮细胞，可得到抗赖氨酸类似物的细胞突变体，通过培养获得再生植株。 (2)随着转基因技术与动物细胞工程结合和发展，2011年我国首次利用转基因和体细胞核移植技术成功培育了高产赖氨酸转基因克隆奶牛。其基本流程为： ①构建乳腺专一表达载体。随着测序技术的发展，为获取富含赖氨酸的酪蛋白基因(目的基因)，可通过检索______________获取其编码序列，用化学合成法制备得到。再将获得的目的基因与含有乳腺特异性启动子的相应载体连接，构建出乳腺专一表达载体。 ②表达载体转入牛胚胎成纤维细胞(BEF)。将表达载体包裹到磷脂等构成的脂质体内，与BEF膜发生______，表达载体最终进入细胞核，发生转化。 ③核移植。将转基因的BEF作为核供体细胞，从牛卵巢获取卵母细胞，经体外培养及去核后作为________________。将两种细胞进行电融合，电融合的作用除了促进细胞融合，同时起到了______重组细胞发育的作用。 ④重组细胞的体外培养及胚胎移植。重组细胞体外培养至__________________，植入代孕母牛子宫角，直至小牛出生。 ⑤检测。DNA水平检测：利用PCR技术，以非转基因牛耳组织细胞作为阴性对照，以________________为阳性对照，检测到转基因牛耳组织细胞中存在目的基因。RNA水平检测：从非转基因牛乳汁中的脱落细胞、转基因牛乳汁中的脱落细胞和转基因牛耳组织细胞，提取总RNA，对总RNA进行______处理，以去除DNA污染，再经逆转录形成cDNA，并以此为__________，利用特定引物扩增目的基因片段。结果显示目的基因在转基因牛乳汁中的脱落细胞内表达，而不在牛耳组织细胞内表达，原因是什么？____________________________。 解析：(1)负反馈调节是指在一个系统中，系统工作的效果，反过来又作为信息调节该系统的工作，并且使系统工作的效果减弱或受到限制，有助于系统保持稳定。植物细胞合成的赖氨酸达到一定浓度时，能抑制合成过程中两种关键酶的活性，导致赖氨酸含量维持在一定浓度水平，这种调节方式属于负反馈调节。如果想得到抗赖氨酸类似物的细胞突变体，可在培养基中添加一定浓度的赖氨酸类似物。(2)①基因数据库是含基因和基因组资料的DNA数据库，其主要任务是收集和保藏各种生物来源或人工构建的基因、基因元件、载体、基因组DNA等相关信息，可提供特定生物相关基因的序列检索。②表达载体包裹到磷脂等构成的脂质体内，根据细胞膜成分，其与BEF膜发生融合。③去核的卵母细胞作为受体细胞，其处于减数分裂Ⅱ中期，因为卵母细胞中含有促使细胞核表达全能性的物质和营养条件。电融合的作用除了促进细胞融合，同时起到了激活重组细胞发育的作用。④胚胎发育到适宜阶段可取出向受体移植。重组细胞一般要培养到桑葚胚或囊胚阶段，植入代孕母牛子宫角，直至小牛出生。⑤阳性对照：按照当前实验方案一定能得到正面预期结果的对照实验。阳性对照是已知的对测量结果有影响的因素，目的是确定实验程序无误。阴性对照和阳性对照相反，按照当前的实验方案一定不能得到正面预期结果的对照实验。排除未知变量对实验产生的不利影响。本实验以非转基因牛耳组织细胞作为阴性对照，为了检测到转基因牛耳组织细胞中存在目的基因。应该以转基因牛耳组织细胞为阳性对照。为了除去DNA污染，可以使用DNA酶使其水解。经逆转录形成cDNA，并以此为PCR的模板进行扩增。目的基因在转基因牛乳汁中的脱落细胞内表达，而不在牛耳组织细胞内表达，原因是构建的表达载体只含有乳腺特异性启动子，只能在乳腺细胞中启动转录，而在牛耳细胞中不能表达。 答案：(1)负反馈调节　一定浓度的赖氨酸类似物　(2)①基因数据库　②融合　③受体细胞　激活　④桑葚胚或囊胚　⑤转基因牛耳组织细胞　DNA酶　PCR的模板　构建的表达载体只含有乳腺特异性启动子，只能在乳腺细胞中启动转录，而在牛耳细胞中不能表达 2.(2022·湖南高考)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。 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：(1)据分析可知，物质a是氨基酸序列多肽链，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对应的密码子。 (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合成仪用化学方法直接人工合成和利用 PCR 技术扩增。PCR 技术遵循的基本原理是 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，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；而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，随着酶解时间的延长，抗凝血活性先上升后下降，且酶甲处理后的酶解产物的抗凝血活性最终高于经酶乙处理后的酶解产物的抗凝血活性，差异明显，据此推测两种处理后酶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对水蛭蛋白进行酶解时酶的种类不同，导致水蛭蛋白水解产物的空间结构不同。 答案：(1)氨基酸序列多肽链　mRNA　密码子的简并性　(2)从基因文库中获取　通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成　DNA双链复制　(3)种类　对水蛭蛋白进行酶解时酶的种类不同，导致水蛭蛋白水解产物的空间结构不同　(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；用酒精消毒，用注射器取同一种动物(如家兔)的血液，立即将等量的血液分别加入三支试管中，静置相同时间，统计三支试管中血液凝固情况 学科网（北京）股份有限公司 $$