第3章 第3节 基因工程的应用,第4节 蛋白质工程的原理和应用（教用Word）-【金榜题名】2025-2026学年高二生物选择性必修3 生物技术与工程同步学案（人教版）

第3节　基因工程的应用 第4节　蛋白质工程的原理和应用 学习目标 素养要求 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．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流程。(科学思维) 3．认同蛋白质工程的重要意义。(社会责任) 一、基因工程的应用 1．基因工程在农牧业方面的应用 (1)转基因抗虫植物。 ①目的基因：从某些生物分离出的抗虫基因。 ②成果：具有抗虫性的作物，如转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。 (2)转基因抗病植物。 ①目的基因：来源于某些病毒、真菌等的抗病基因。 ②成果：转基因抗病植物，如转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。 (3)转基因抗除草剂植物。 ①目的基因：降解或抵抗某种除草剂的基因。 ②成果：抗除草剂的作物品种，如转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。 (4)改良植物品质。 ①目的基因：与植物营养价值、观赏价值有关的基因。 ②成果：将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入玉米，转基因玉米中赖氨酸的含量升高；将与植物花青素代谢相关的基因导入牵牛花，呈现自然界没有的颜色变异。 (5)提高动物的生长速率。 ①目的基因：外源生长激素基因。 ②成果：转基因鲤鱼，生长速率大幅提高。 (6)改善畜产品的品质。 ①目的基因：肠乳糖酶基因。 ②成果：转基因牛分泌的乳汁中，乳糖含量大大降低。 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，使它们生产药物，如细胞因子、抗体、疫苗和激素等。 (2)让哺乳动物批量生产药物。利用牛、山羊等动物乳腺生物反应器，获得抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α­抗胰蛋白酶等医药产品。 (3)使建立移植器官工厂的设想成为现实。利用基因工程技术对猪的器官进行改造，培育转基因克隆猪器官。 3．基因工程在食品工业方面的应用 (1)分类：利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。 (2)实例：凝乳酶的生产。 ①目的基因：牛凝乳酶基因。 ②受体细胞：大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌等。 ③成果：通过工业发酵批量生产凝乳酶，可以用于生产奶酪。 二、蛋白质工程的原理和应用 1．蛋白质工程的概念 (1)基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。 (2)手段：通过改造或合成基因，来改造蛋白质或制造一种新的蛋白质。 (3)目的：满足人类生产和生活的需要。 2．蛋白质工程崛起的理由 (1)基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。 (2)基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。 (3)天然蛋白质的不足：天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。 3．蛋白质工程的基本原理 (1)目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。 (2)基本思路：从预期等蛋白质功能出发→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。 4．蛋白质工程的应用 (1)进展：科学家通过对胰岛素基因的改造，研发了速效胰岛素类似物。 (2)前景： ①医药工业方面：研发药物，如延长干扰素的保存时间；降低小鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度。 ②其他工业方面：改进酶的性能或开发新的工业用酶。 ③农业方面：通过改造某些调控光合作用的酶，增加粮食产量；改造微生物蛋白质的结构，设计微生物农药，防治病虫害。 (3)面临的困难：对蛋白质发挥功能必须依赖的高级结构了解不够。 [自学效果诊断] 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)转基因生物的目的基因来自不同的物种，可见，基因工程可以打破物种间的生殖隔离。( √ ) (4)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。( × ) (5)实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系。( √ ) (6)基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。( × ) 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、α­抗胰蛋白酶等。 (2)蛋白质工程的基本途径是什么？ 提示：预期蛋白质功能→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(基因)。 新知探究一　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)图示的转化方法是那一种？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)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。 (3)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。 [核心归纳] 1．转基因植物的外源基因及实例 外源基因类型 成果举例 转基因抗虫植物 抗虫基因 抗虫棉花、抗虫玉米、大豆、马铃薯 转基因抗病植物 抗病毒基因、抗真菌基因 抗病毒烟草、抗病毒番木瓜、抗病毒甜椒 转基因抗除草剂植物 降解或抵抗某种除草剂的基因 抗除草剂的大豆、玉米、油菜和甜菜 改善植物的品质 优良性状基因：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 高赖氨酸玉米、新花色矮牵牛 提高动物的生长速率 生长激素基因 转基因鲤鱼 改善畜产品品质 肠乳糖酶基因 转肠乳糖酶基因的奶牛 2.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。 3．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别 比较内容 乳腺生物反应器 工程菌 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 指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类 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 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 感受态细胞法 生产条件 不需严格灭菌；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 [典题应用] 1．运用现代生物技术，将抗菜青虫的Bt基因转移到优质油菜中，培育出转基因抗虫的油菜品种，这一品种在生长过程中能产生特异的杀虫蛋白，对菜青虫有显著抗性，能大大减轻菜青虫对油菜的危害，提高油菜产量，减少农药使用，保护农业生态环境。根据以上信息，下列叙述正确的是(　　) A．Bt基因的化学成分是蛋白质 B．Bt基因中有菜青虫的遗传物质 C．转基因抗虫油菜能产生杀虫蛋白是由于具有Bt基因 D．转基因抗虫油菜产生的杀虫蛋白是无机物 解析：选C　Bt基因的化学成分是DNA，而不是蛋白质；Bt基因来自苏云金杆菌，不具有菜青虫的遗传物质；转基因抗虫油菜产生的杀虫蛋白是有机物。 2．动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺代替传统的生物发酵，进行大规模生产可供治疗人类疾病或用于保健的活性蛋白质的现代生物技术。目前科学家已在牛和羊等动物的乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要药品。大致过程如图所示： 下列有关说法，错误的是(　　) A．通过③形成的重组质粒具有人的药用蛋白基因、启动子、终止子和标记基因 B．④通常采用显微注射法 C．在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达，因此可以从乳汁中提取药物 D．该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取 解析：选A　要让药用蛋白基因在乳腺细胞内表达并分泌含药物的乳汁，重组质粒上还必须具有乳腺蛋白基因的启动子等调控组件，A项错误；转基因动物通常利用的受体细胞是受精卵，采用显微注射技术，B项正确；只有母牛到达泌乳期，乳腺细胞才会表达相应的药用蛋白基因，乳汁中含有药物，C正确；从乳汁里提取药物，优点突出，使动物本身成为“批量生产药物的工厂”，D项正确。 3．下列有关动物基因工程的说法，错误的是(　　) A．将外源生长激素基因导入动物体内可提高动物生长速度 B．将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大降低 C．利用基因工程技术，得到的乳腺生物反应器可以解决很多重要的药品的生产问题 D．用转基因动物作为器官移植的供体时，由于导入的是调节因子，而不是目的基因，因此无法抑制抗原的合成 解析：选D　用转基因动物作为器官移植的供体时，可将某种调节因子导入器官供体基因组，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，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。 新知探究二　蛋白质工程的基本原理 　下图为蛋白质工程的基本流程，请思考回答： (1)图中A、B分别为何过程？ 提示：A为转录，B为翻译。 (2)基因工程能否完全满足人们生产生活的需要，为什么？ 提示：不能，因为基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质，天然蛋白质不一定符合人类的需要。 (3)蛋白质工程与基因工程的关系是怎样的？ 提示：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。 [核心归纳] 　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→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 续表 项目 蛋白质工程 基因工程 区别 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，而且改造过的基因可以遗传下去。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。 [典题应用] 4．蛋白质工程是新崛起的一项生物工程，又称第二代基因工程。如图表示的是蛋白质工程的流程，图中甲、乙在遗传学上依次表示(　　) A．转录和翻译　　　　 B．翻译和转录 C．复制和转录 D．传递和表达 解析：选A　蛋白质工程首先从预期的蛋白质功能出发，然后预测蛋白质的结构，再推测控制新蛋白质合成基因的碱基序列，最后再人工合成DNA。合成后的DNA通过转录得到mRNA，经过翻译得到多肽链。 5．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(　　) A．蛋白质工程的实质是改造基因 B．蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列 C．蛋白质工程的基础是基因工程 D．蛋白质工程遵循的原理包括中心法则 解析：选B　蛋白质工程是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计，然后根据设计的蛋白质结构，合成出特定的脱氧核苷酸序列。 6．蛋白质工程与基因工程相比，其突出特点是(　　) A．基因工程原则上能生产任何蛋白质 B．蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质 C．蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现 D．蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第三代基因工程 解析：选B　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，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求，是延伸出来的第二代基因工程。 [核心语句必背] 1．基因工程在农牧业上被广泛应用于培养转基因抗虫植物、转基因抗病植物、转基因抗除草剂植物和改良植物的品质、提高动物的生长速率、改善畜产品的品质等方面。 2．基因工程生产的药物包括细胞因子、抗体、疫苗和激素等，还可以利用乳腺生物反应器批量生产抗凝血酶、血清蛋白、生长激素和α－抗胰蛋白酶等。 3．利用基因工程菌可以生产凝乳酶、淀粉酶、脂酶等工业用酶和氨基酸、维生素等。 4．蛋白质工程的实质是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，是延伸出来的第二代基因工程。 5．蛋白质工程的基本思路是：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。 1．我国转基因抗虫棉是在棉花细胞中转入Bt毒蛋白基因培育出来的，它对棉铃虫具有较强的抗性。下列叙述错误的是(　　) A．Bt毒蛋白基因是从苏云金杆菌中分离的 B．Bt毒蛋白基因可借助花粉管通道进入棉花细胞中 C．培育的转基因棉花植株需要做抗虫的接种实验 D．用DNA聚合酶连接经切割的Bt毒蛋白基因和载体 解析：选D　Bt毒蛋白基因是从苏云金杆菌中分离出来的抗虫基因；Bt毒蛋白基因可借助花粉管通道进入棉花细胞中；培育的转基因棉花植株需要做抗虫的接种实验，以在个体水平检测目的基因的表达；切割得到的Bt毒蛋白基因和载体的连接是靠DNA连接酶来完成的。 2．动物基因工程前景广阔，最令人兴奋的是利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器，以生产所需要的药品，如转基因动物生产人的生长激素。科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器时(　　) A．仅仅利用了基因工程技术 B．不需要乳腺蛋白基因的启动子 C．利用基因枪法将人的生长激素基因导入受精卵中 D．需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂” 解析：选D　科学家培养转基因动物时除涉及基因工程外，还涉及其他现代生物技术；生产生长激素时需要将人的生长激素基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射法导入哺乳动物的受精卵中，然后将受精卵送入母体内使其生长发育成转基因动物。 3．应用基因工程的方法，可将酵母菌制造成“工程菌”，用于生产乙肝疫苗，在制造该“工程菌”时，应向酵母菌中导入(　　) A．乙肝病毒的表面抗原 B．抗乙肝病毒抗体的基因 C．抗乙肝病毒的抗体 D．乙肝病毒的表面抗原的基因 解析：选D　利用基因工程生产乙肝疫苗时，应该向酵母菌中导入乙肝病毒的表面抗原基因。 4．蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是(　　) A．基因功能 B．蛋白质功能 C．氨基酸序列 D．mRNA密码子序列 解析：选B　蛋白质工程依据蛋白质功能，设计蛋白质结构，再推测并合成相应的基因。 5．葡萄糖异构酶(GI)在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，科学家对GI基因进行体外定点诱变，以脯氨酸(Pro138)替代Gly138，含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结果葡萄糖异构酶的最适反应温度提高了10～12 ℃。这属于生物工程中的(　　) A．基因工程 B．蛋白质工程 C．发酵工程 D．酶工程 解析：选B　酶工程的重点在于对已存在的酶合理充分利用(如加酶洗衣粉、嫩肉粉等)，而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。 6．如图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题： (1)代表蛋白质工程操作思路的过程是____________，代表中心法则内容的过程是__________。(填数字) (2)写出图中数字代表的生物学过程的名称或内容： ①__________；②__________；③________；④__________。 (3)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则________。 (4)功能是由其结构决定的，直接决定蛋白质多样性的因素有____________________，从根本上说，蛋白质的结构是由________决定的。 (5)根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA中的碱基序列是否是唯一的？________，为什么？________________________________________________________________________。 (6)将氨基酸合成为多肽链的场所是________。真核细胞中将多肽链转变为具有一定空间结构的蛋白质的场所是______________。 (7)蛋白质工程中的目的基因一般通过________获得。 解析：蛋白质结构的多样性由组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构四个因素共同决定；从根本上说，蛋白质的结构是由基因(DNA)决定的；一种氨基酸可能具有多种密码子，根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA中的碱基序列可能有多种；蛋白质的合成场所为核糖体，在内质网中将多肽链折叠成具有一定空间结构的蛋白质；蛋白质工程的目的基因的碱基序列已知，可以通过DNA合成仪进行人工合成。 答案：(1)④⑤　①②③　(2)转录　翻译　折叠　分子设计　(3)相反　(4)氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构 基因(DNA)　(5)不唯一　一种氨基酸可能具有多种密码子　(6)核糖体　内质网、高尔基体　(7)人工合成 学科网（北京）股份有限公司 $