第4章 第2节 基因工程及其延伸技术应用广泛（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程（浙科版2019）

第二节　基因工程及其延伸技术应用广泛 课程内容标准 核心素养对接 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．概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。 3．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。 1.举例说出植物基因工程、动物基因工程成果及其给人类带来的影响。(生命观念) 2．尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计或改造某一蛋白质的设计流程。(科学思维) 3．认同蛋白质工程的重要意义。(社会责任) [对应学生用书P84] 1． 2．哺乳动物的乳腺作为生物反应器生产蛋白质类药物有以下优点： ①乳汁可以连续合成； ②频繁采集不会对动物产生危害； ③乳汁成分相对简单、明确，便于药物的提纯。 3．大肠杆菌等微生物遗传物质简单、操作方便，可以在价格低廉的培养基中快速生长，因此转基因微生物成为理想的合成蛋白质的分子工厂。 4．除了同卵双胞胎外，我们每个人都拥有自己独特的DNA。经过限制酶剪切、电泳、与标记的探针进行核酸分子杂交，得到的图谱也是特异的，就像人的指纹一样，所以科学家称之为DNA指纹。 1．目的：通过设计和改造编码蛋白质的基因获得特定功能的蛋白质。 2．基本思路 三、以测序为基础建立的基因数据库是人类共有的财富 1．2003年人类基因组计划测序完成及测序技术的发展，使得人类获得了海量的生物数据。 2．科学家也能通过比对核酸或蛋白质的序列重新审视生命进化的历程，深度解码个人的遗传信息。 1．判正误 (1)“转基因抗虫植物”也可以用于抵抗各种植物疾病。(×) (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。(×) (3)利用工程菌可生产人的胰岛素等某些激素。(√) (4)基因工程所需目的基因只能来源于微生物。(×) (5)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。(×) (6)通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍然是天然蛋白质。(×) 2．微思考 (1)乳腺生物反应器是如何形成的？可以生产什么产品？ 提示　科学家将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中，进而培育成转基因动物，进入泌乳期后，通过分泌的乳汁生产所需要的药品，称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。生产抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素、4—抗胰蛋白酶的酶等。 (2) 蛋白质工程需直接改造基因，为什么不直接改造蛋白质？ 提示　①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且可以遗传下去。如果对蛋白质直接进行改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传的。②对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造更容易操作，难度要小得多。 [对应学生用书P85] 任务驱动一　基因工程的应用 1．下图为通过基因工程培育抗虫棉的过程，请回答 (1)图示的转化方法是哪一种？其有何特点？ 提示　农杆菌转化法。将目的基因整合到受体细胞染色体上，可稳定遗传。 (2)抗虫棉能抗病毒、细菌和真菌吗？为什么？ 提示　不能。抗虫基因具有专一性。 (3)经上述过程培育的抗虫棉能否取得最后的成功，最简单的检测方法是什么？ 提示　做抗虫实验。 (4)从环境保护角度岀发，分析转基因抗虫棉与普通棉相比在害虫防治方面的优越性？ 提示　减少了化学农药的使用量，降低了环境污染。 (5)种植转基因抗虫棉若干年后，害虫会不会对转基因抗虫棉产生抗性？为什么？ 提示　会。害虫会因遗传物质发生改变产生对转基因抗虫棉的抗性。 2．基因工程在医药卫生领域和食品工业方面有广泛的应用。请分析回答下列问题： (1)为什么生产乳腺生物反应器构建基因表达载体时必须把药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起？ 提示　只有连接了乳腺蛋白基因的启动子，才能保证相应的目的基因在其乳腺细胞内得以表达。 (2)乳腺生物反应器的优点有哪些？ 提示　乳腺生物反应器的优点有产量高、质量好、成本低、易提取等。 (3)在食品工业中，可以构建基因工程菌，然后利用发酵工程生产各种工业用酶。相比从天然产物中提取，用基因工程技术提取的酶有何优点？ 提示　相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶的纯度更高，而且它的生产成本显著降低，生产效率较高。 1．转基因作物中的目的基因的三点提醒 (1)目的基因并非都来自微生物：目的基因都是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因，并不都是来自细菌、病毒等微生物，如抗冻蛋白基因来自鱼类。 (2)目的基因对性状的控制：有的目的基因控制蛋白质的合成，直接控制生物的某种性状，这反映了基因与性状的直接关系；有的目的基因通过控制酶的合成来控制代谢，进而控制生物的性状，这体现的是基因和性状的间接关系。 (3)注意“抗虫”和“抗病”的区别，二者可以分别通过害虫接种和病毒接种来进行个体水平的检测。 2．乳腺生物反应器 项目 乳腺生物反应器 含义 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 受体基因结构与人类基因结构的差异 动物基因结构与人类的基因结构基本相同 基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白质相同 受体细胞 动物受精卵 目的基因 导入方式 显微注射法 药物提取 从动物乳汁中提取 玫瑰有5 000多年的人工栽培历史，迄今已培育出2 500多个品种。玫瑰没有生成蓝色翠雀花素所需的“黄酮类化合物3，5­氢氧化酶”的基因，因此蓝玫瑰被认为是不可能培育成功的。但日本科研人员将蓝三叶草中的蓝色素基因植入普通玫瑰而成功培育出了蓝玫瑰，这株玫瑰的花瓣中所含的色素为蓝色。下列有关叙述正确的是(　　) A．蓝色翠雀花素分布于蓝玫瑰花瓣细胞的液泡和叶绿体中 B．培育蓝玫瑰用到的工具酶是限制性内切核酸酶和DNA连接酶 C．蓝色素基因在所有玫瑰细胞中都能控制合成蓝色翠雀花素 D．蓝玫瑰的培育成功意味着人类创造了一个新的物种 B　[蓝色翠雀花素分布于蓝玫瑰花瓣细胞的液泡中，叶绿体中为光合色素，A项错误；日本科研人员将蓝三叶草中的蓝色素基因植入普通玫瑰而成功培育出了蓝玫瑰，为转基因工程操作，故用到的工具酶是限制性内切核酸酶和DNA连接酶，B项正确；蓝色素基因在玫瑰花瓣细胞中能控制合成蓝色翠雀花素，在其他细胞中没有表达，C项错误；蓝玫瑰仅仅是转入了一个外源的基因，与其他的玫瑰未产生生殖隔离，没有产生新的物种，D项错误。] [借题发挥] 1．(科学思维)对动物来说，重组DNA分子的受体细胞一般是受精卵，为什么？ 提示　受精卵具有全能性，发育成完整个体后才可以获得转基因动物。 2．(科学思维)为什么给动物导入生长激素基因后，转基因动物生长会加快？ 提示　转生长激素基因动物体内的外源生长激素基因表达产生了生长激素，生长激素具有促进生长的作用，因此使转基因动物生长加快。 1．科学家运用基因工程技术，将人凝血因子基因导入山羊的DNA中，培育出羊乳腺生物反应器，使羊乳汁中含有人凝血因子。以下有关叙述正确的是(　　 ) A．可用显微注射技术将含有人凝血因子基因的重组DNA分子导入羊的受精卵 B．在该转基因羊中，人凝血因子基因存在于乳腺细胞中，而不存在于其他细胞中 C．人凝血因子基因开始转录后，DNA聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA D．科学家将人凝血因子基因与山羊乳腺蛋白基因重组在一起，从而使人凝血因子基因只在山羊乳腺细胞中特异表达 A　[采用显微注射技术将目的基因导入受精卵中，获得的转基因羊的体细胞中都含有目的基因，A项正确，B项错误；转录过程是由RNA聚合酶催化的，DNA聚合酶催化DNA的复制过程，C项错误；将山羊乳腺蛋白基因的启动子与人凝血因子基因重组在一起，从而使人凝血因子基因只在山羊乳腺细胞中特异表达，D项错误。] 2．我国科学家运用基因工程技术，将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞并成功表达，培育出了抗虫棉。下列叙述不正确的是(　　 ) A．抗虫基因的提取和运输都需要专用的工具和运载体 B．重组DNA分子中增加一个碱基对，不一定导致毒蛋白的毒性丧失 C．抗虫棉的抗虫基因可通过花粉传递至近缘作物，从而造成基因污染 D．转基因棉花是否具有抗虫特性是通过检测棉花对抗生素抗性来确定的 D　[抗虫基因的提取和运输都需要工具酶(限制酶和DNA连接酶)和连载体，A项正确；重组DNA分子中增加一个碱基对，会引起基因突变，但由于密码子的简并性等原因，基因突变不一定会导致毒蛋白的毒性丧失，B项正确；抗虫棉的抗虫基因可通过花粉传递至近缘物种，从而造成近缘物种也有抗虫基因，该近缘物种再通过授粉会造成基因进一步扩散和污染，C项正确；转基因棉花是否具有抗虫特性是通过检测棉花对棉铃虫的抗性来确定的，D项错误。] 任务驱动二　蛋白质工程 干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素基因导入大肠杆菌中并进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性为1×106 U/mg，只相当于天然产品的十分之一。虽然在大肠杆菌中合成的干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸(第17、31、141位)，推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了二硫键。研究人员通过基因定点突变将第17位的半胱氨酸改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中产生的干扰素的抗病毒活性提高到1×108 U/mg，并且比天然干扰素的贮存稳定性高很多。请讨论回答下列问题。 (1)基因工程在满足人类需要上有哪些“缺点”？ 提示　基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，这些蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要。 (2)蛋白质工程在应用中的最大难点是什么？ 提示　复杂的蛋白质结构与功能之间的关系。 (3)如何实现基因的定点突变？请举例说明。 提示　运用PCR技术实现基因的定点突变。设计并合成诱变引物，该引物特定位点上的碱基与模板上的碱基不互补配对，但其余大多数碱基与模板能够配对。这样得到的PCR产物中，特定位点的碱基发生了改变。 (4)为什么说蛋白质工程是基因工程的延伸？ 提示　蛋白质工程离不开基因工程，基因经改造或合成后，要通过基因工程生产出人类需要的蛋白质。 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 起点 预期蛋白质功能 目的基因 过程 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质 获取目的基因→构建重组DNA分子→将重组DNA分子导入受体细胞→检测目的基因及表达产物 实质 通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的 基因重组 结果 可以创造出自然界不存在的蛋白质 生产自然界已存在的蛋白质 应用 及现 状 ①主要集中在对现有蛋白质进行改造，如干扰素、天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等 ②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少 ①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化 ②基因治疗仅处于初期的临床试验阶段 联系 ①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质 ②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 [特别提醒]　(1)改造对象是基因：任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传下去的。 (2)基因突变的新基因中含有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程中的新基因则没有。 下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述中，不正确的是(　　) A．将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法 B．设计扩增目的基因的引物时，不必考虑表达载体的序列 C．蛋白质工程是通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新蛋白质的技术 D．蛋白质工程可合成自然界中不存在的蛋白质 B　[将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法，A项正确；设计的引物应能与表达载体两端的序列互补配对，B项不正确；蛋白质工程是指以分子生物学相关理论为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质的技术，C项正确；通过蛋白质工程可合成自然界不存在的蛋白质，D项正确。] [借题发挥] 1．(长句专练)蛋白质工程是如何改造蛋白质的？ 提示　根据人们对蛋白质功能的需要，推测出蛋白质可能的结构，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。 2．(科学思维)如果知道一段蛋白质的氨基酸序列，如何推出其基因中的脱氧核苷酸序列？不同人得出的序列完全相同吗？为什么？ 提示　蛋白质的氨基酸序列→推测mRNA的密码子排序→推测双链DNA中脱氧核苷酸序列。不完全相同，因为密码子具有简并性，一种氨基酸可能对应一种或几种密码子。 1．蛋白质工程的基本操作程序正确的是(　　) ①蛋白质分子结构合成　②DNA合成　③mRNA合成　④蛋白质的预期功能　⑤根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列 A．①→②→③→④→⑤→① B．⑤→④→③→②→①→② C．④→①→⑤→②→③→① D．②→③→⑤→①→②→④ C　[蛋白质工程的操作流程为：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(即基因)→修改或合成的基因表达出相应的蛋白质。] 2．(2021·辽宁高考)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 D　[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，这可能是影响其热稳定性的原因之一，A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正确；酶具有高效性，检测N1的活性需先将其置于高温环境，再与底物充分混合，D错误。] 知识网络构建 关键知识积累 1.哺乳动物的乳腺作为生物反应器生产蛋白质类药物有以下优点：乳汁可以连续合成；频繁采集不会对动物产生危害；乳汁成分相对简单、明确，便于药物的提纯。 2.蛋白质工程是通过设计和改造编码蛋白质的基因获得特定功能的蛋白质。 3.蛋白质工程首先建立蛋白质功能与结构的联系，然后依据所需蛋白质的功能，设计改造天然蛋白质的空间结构，推测出其氨基酸的序列，并根据“中心法则”逆推出基因的核苷酸序列，进而利用基因工程技术改变DNA上特定位点的核苷酸序列，最终将改造了的基因导入受体细胞后进行表达。 [对应学生用书P89] 1．番茄营养丰富，是人们喜爱的蔬菜。普通番茄细胞中含有多聚半乳糖醛酸酶的控制基因，控制细胞产生多聚半乳糖醛酸酶，该酶能破坏细胞壁，使番茄软化，不耐贮藏。科学家通过基因工程将一种抗多聚半乳糖醛酸酶的基因导入番茄细胞，获得了抗软化番茄。下列关于培育抗软化番茄的叙述，错误的是(　　) A．运载工具可以是质粒 B．受体细胞是番茄细胞 C．目的基因为多聚半乳糖醛酸酶基因 D．目的基因的表达延缓了番茄的软化 C　[根据题干信息可知，运载工具可以是Ti质粒，则此时抗软化番茄的培育过程如下：以质粒作为载体，将目的基因(抗多聚半乳糖醛酸酶基因)与质粒结合形成重组DNA，利用含重组DNA的农杆菌去感染普通番茄，使目的基因进入普通番茄细胞中的染色体DNA上，目的基因的表达可抑制多聚半乳糖醛酸酶的作用。] 2．抗菌肽又名多肽抗生素，内含20～60个氨基酸残基，是广泛存在于昆虫以及两栖类动物、哺乳动物体内的抗菌活性物质，其作用原理是在细菌细胞膜上形成跨膜的离子通道，造成细胞内容物泄漏，最终导致细胞死亡。最新研究表明，某些抗菌肽对癌细胞甚至病毒等均具有强有力的杀伤作用。下列相关叙述错误的是(　　) A．抗菌肽在加热条件下才能与双缩脲试剂发生反应 B．抗菌肽改变了细胞膜的通透性，使细胞不能保持正常渗透压而死亡 C．可利用转基因技术提高抗菌肽的产量，但最好选择真菌作为受体菌 D．对抗菌肽的研究可为治疗癌症、新型冠状病毒肺炎等提供新思路 A　[抗菌肽含有肽键，与双缩脲试剂在常温条件下反应出现紫色，无需加热，A错误；由题意可知，抗菌肽是广泛存在于昆虫以及两栖类动物、哺乳动物体内的抗菌活性物质，其作用原理是“在细菌细胞膜上形成跨膜的离子通道”，改变了细胞膜的通透性，使细胞不能保持正常渗透压从而造成细胞内容物泄漏，最终导致细胞死亡，B正确；抗菌肽又名多肽抗生素，可杀死细菌，故最好选择真菌作为受体菌，抗菌肽是受基因控制形成的蛋白质，可利用转基因技术提高抗菌肽的产量，C正确；最新研究表明，某些抗菌肽对癌细胞甚至病毒等均具有强有力的杀伤作用。所以对抗菌肽的研究可为治疗癌症、新型冠状病毒肺炎等提供新思路，D正确。] 3．科研人员利用相关技术改变了胰岛素B链的第9位氨基酸，从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述中，不正确的是(　　 ) A．该过程的操作对象是胰岛素分子 B．可通过测定DNA序列确定突变是否成功 C．对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程 D．胰岛素的本质是蛋白质，不宜口服使用 A　[蛋白质工程从属于基因工程，蛋白质工程的操作对象是基因，A项错误；可通过测定DNA的序列确定突变是否成功，B项正确；对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程，C项正确；胰岛素的本质是蛋白质，只能注射，不宜口服使用，D项正确。] 4．下列不属于蛋白质工程成果的是(　　 ) A．改造酶的结构，提高酶的热稳定性 B．生产出鼠—人嵌合抗体 C．将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸 D．将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素 D　[将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素属于基因工程的成果。] 5．(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________。 (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，简要写出实验的设计思路________________________。 解析　(1)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目的基因、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提取的水蛭蛋白的酶解时间和酶的种类不同，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，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；用酒精消毒，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，静置相同时间，统计三支试管中血液凝固时间。 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 (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；用酒精消毒，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，静置相同时间，统计三支试管中血液凝固时间 学科网（北京）股份有限公司 $$