第42课时基因工程的应用和蛋白质工程的崛起.ppt

第42课时 基因工程的应用和蛋白质工 程的崛起高频考点突破考点一 基因工程应用,提醒 动物基因工程主要为了改善畜产品的品 质,而不是为了产生体型巨大的个体。基因治疗目前只是处于初期的临床试验阶段,在 临床上未开展、未实现这方面的治疗。DNA分子制作探针进行检测时应检测单链,即将 双链DNA分子打开。Bt毒蛋白基因产生Bt毒蛋白并无毒性,进入昆虫 消化道被分解成多肽后产生毒性。青霉素是青霉菌产生的,不是通过基因工程生 产的。原核生物基因(如抗虫基因)可做为真核生物(棉 花)的目的基因。,对位训练1.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.RNA聚合酶对于抗虫基因在棉花细胞中的表达 不可缺少 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,考点二 蛋白质工程1.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,以满足人类的生产和生活的需求。,2.蛋白质工程与基因工程的比较,拓展延伸 蛋白质组计划和人类基因组计划的比较,对位训练2.下列关于蛋白质工程应用的叙述，不正确的是（）A.蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳 定性 B.通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性 C.利用蛋白质工程可以在大肠杆菌细胞中得到人 的胰岛素 D.蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰，合 成速效型胰岛素制剂,C,解题思路探究思维误区警示易错分析 1.对乳腺(膀胱)反应器与微生物生产基因产品混肴不清 乳腺生物反应器与微生物生产的比较,类型,项目,提醒 乳腺生物反应器受生物性别和年龄的限 制,若从动物尿液中提取目的基因产物则不受性别和 年龄限制。,2.对“基因诊断”和“基因治疗”概念及应用辩析不清(1)基因诊断 基因诊断是用放射性同位素(如32P)、荧光分子等标记的DNA分子做探针,利用DNA分子杂交原理,鉴定被检测标本上的遗传信息,达到检测疾病的目的。(2)基因治疗的原理及实例 原理：把健康动物的正常基因导入含有缺陷基因的受体细胞中,存在基因缺陷的病人细胞中既含有缺陷基因,又含有通过基因工程导入的正常基因,在病人体内两种基因都能表达,正常基因的表达产 物掩盖了缺陷基因的表达产物,从而治愈了有基因 缺陷的疾病。镰刀型细胞贫血症基因治疗过程,纠正训练1.继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后,膀胱生物 反应器的研究也取得了一定进展。最近,科学家培 育出一种转基因小鼠,其膀胱上皮细胞可以合成人 的生长激素并分泌到尿液中。请回答：(1)将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞中,常 用方法是。(2)进行基因转移时,通常要将外源基因转入 中,原因是。(3)通常采用 技术检测外源基 因是否插入了小鼠的基因组。(4)在研制膀胱生物反应器时,应使外源基因在小 鼠的 细胞中特异表达。,解析 转基因生物反应器是指利用转基因活体动 物的某种能够高效表达外源基因的器官或组织来 进行工业化生产活性功能蛋白的技术,该技术的第 一步就是导入外源基因,对于动物细胞来说,常采 用的方法是显微注射法。显微注射法的优点是导 入的外源基因片段可长达50kb,且无需载体,外源 基因在宿主染色体上的整合率相对较高。答案(1)显微注射(2)受精卵(或早期胚胎细胞)受精卵(或早期胚胎细胞)具有全能性,可使外源基 因在相应组织细胞中表达(3)DNA分子杂交(核 酸探针)(4)膀胱上皮,2.下列关于基因工程应用的叙述,错误的是()A.基因治疗需要将正常基因导入有基因缺陷的细胞 B.基因诊断的基本原理是DNA分子杂交 C.一种基因探针只能检测水体中的一种病毒 D.原核基因不能用来进行真核生物的遗传改良 解析 基因治疗是把正常基因导入病人体内,使该 基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目 的。基因诊断是用放射性同位素、荧光分子等标 记的DNA分子作探针,利用DNA分子杂交原理,鉴定,被检测标本上的遗传信息,达到检测疾病或水体中 病毒的目的,因此一种基因探针只能检测相应的遗 传信息。在基因工程中,由于DNA分子规则的双螺 旋结构在所有DNA分子中相同,因此,可以在任何不 同DNA分子之间进行操作。答案 D,知识综合应用重点提示 通过“基因工程和蛋白质工程综合”的考查,提升“把握所学知识的要点和知识之间内在的联系”的能力。典例分析(2009广东卷,39)(1)饲料加工过程温度较高,要 求植酸酶具有较好的高温稳定性。利用蛋白质工 程技术对其进行改造时,首先必须了解植酸酶的,然后改变植酸酶的,从而得到新的植酸酶。,(2)培育转植酸酶基因的大豆,可提高其作为饲料 原料时磷的利用率。将植酸酶基因导入大豆细胞 常用的方法是。请简述获得 转基因植株的完整过程：。(3)为了提高猪对饲料中磷的利用率,科学家将带 有植酸酶基因的重组质粒通过 转 入猪的受精卵中。该受精卵培养至一定时期可通 过 方法,从而一次得到多个转 基因猪个体。(4)若这些转基因动、植物进入生态环境中,对生 态环境有何影响？,解析(1)蛋白质工程首先要根据已有蛋白质,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,找到相应的脱氧核苷酸序 列,合成目的基因,再通过基因工程产生转基因生物。(2)将目的基因导入植物细胞的方法有：农杆菌转 化法、基因枪法和花粉管通道法,其中有80%的转 基因植物都是通过农杆菌转化法产生的。(3)动物细胞核的全能性受细胞质的抑制,故目的 基因需注入到受精卵中,再将注射了目的基因的受 精卵移植到雌性动物的输卵管或子宫内,使其发育 成具有新性状的动物。(4)转基因生物可造成基因污染等不良影响。,答案(1)分子结构及预期功能 基因(2)农杆菌浸染法 首先将目的基因与质粒组合,构建基因表达载体,将含目的基因的表达载体导入 植物细胞,通过植物组织培养获得表现新性状的植物(3)显微注射法 胚胎分割(4)转基因生物及其产品对生物多样性、生态环境 可能产生的影响主要表现在以下几个方面：转 基因生物打破了物种的原有界限,改变了物质循环 和能量流动,对生态系统的稳定性造成破坏;重 组DNA与微生物杂交,可能出现对动、植物和人类,有害的病原微生物;增加目标害虫的抗性和进化 速度;转基因植物通过传粉进行基因转移,导致 超级杂草出现;转基因植物的花粉如含有有毒蛋 白或过敏蛋白,通过蜜蜂的采集,很可能进入蜜蜂 中,再经过食物链的传递,最后有可能进入其他动 物和人体内。,1.在植物基因工程中,获取目的基因后,用农杆菌中 的Ti质粒作为载体,把目的基因重组入Ti质粒上的 T-DNA片段中,再将重组的T-DNA导入植物细胞中,经植物组织培养得到转基因植物。(1)科学家在进行上述实验操作时,要用同一种 分别切割质粒和目的基因,质粒的 黏性末端与目的基因DNA片段的黏性末端的“缝 合”需要 的帮助。(2)将携带抗除草剂基因的重组Ti质粒导入二倍体 油菜细胞,经培养、筛选获得一株有抗除草剂特性,定时检测,的转基因植株。经分析,该植株含有一个携带目的 基因的T-DNA片段,因此可以把它看作是杂合子。理论上,在该转基因植株自交后的F1代中,仍具有抗 除草剂特性的植株占总数的,原因是。(3)种植上述转基因油菜,它所携带的目的基因可 以通过花粉传递给近缘物种,造成“基因污染”。如果把目的基因导入叶绿体DNA中,就可以避免“基因污染”,原因是。,解析(1)基因工程操作时,要用同一种限制性核 酸内切酶切割质粒和目的基因,质粒的黏性末端与 目的基因DNA片段的黏性末端的“缝合”需要DNA 连接酶的帮助。(2)由“把它看作是杂合子”,可 以判断抗除草剂基因为显性,杂合子自交后代显性 性状占3/4。(3)因为花粉中几乎没有细胞质,所以 叶绿体DNA不会通过花粉传递。答案(1)限制性核酸内切酶 DNA连接酶(2)3/4 雌、雄配子各有1/2含抗除草剂基因的可 能,受精时,雌、雄配子随机结合(3)花粉中几 乎没有细胞质,叶绿体DNA不会通过花粉传递,2.科学家通过基因工程,成功培育出能抗棉铃虫的棉 花植株抗虫棉,其过程大致如下图所示：(1)细菌的基因之所以能在棉花细胞内表达,产生 抗性,其原因是。,(2)上述过程中,将目的基因导入棉花细胞内使用 的方法是,这种导入方法较经济、有效。目的基因能否在棉株体内稳定维持和表达 其遗传特性的关键是目的基因是否插入到受体细 胞染色体DNA上,这需要通过检测才能知道,检测采 用的最好方法是。(3)上述基因工程中的核心步骤是,其目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且 可以 给下一代,同时,使目的基因 能够表达和发挥作用。,(4)利用基因工程技术培育抗虫棉,与诱变育种和 杂交育种方法相比,具有 和 等 突出的优点,但是目前基因工程仍不能取代杂交育 种和诱变育种。与基因工程技术相比,杂交育种和 诱变育种方法主要具有 的优点。答案(1)它们共用一套遗传密码(2)农杆菌转 化法 DNA分子杂交技术(3)基因表达载体的构 建 遗传(4)目的性强 克服远缘杂交不亲和 性(或能有效地打破物种的生殖隔离界限)操作 简便易行,3.应用生物工程技术能获得人们需要的生物新品种 或新产品。请据图回答下列问题：,(1)在培育转人生长激素基因牛的过程中,过程 需要的工具酶是,过程常用的 方法是。(2)转基因牛可通过分泌的乳汁来生产人生长激素,则说明基因工程能够突破自然界的。在基因表达载体中,人生长激素基因的前端必须有。过程培养到一定阶段,可以采用 技术,培育出多头完全相同 的转基因牛犊。(3)prG能激发细胞不断分裂,通过基因工程导入该,调控基因来制备单克隆抗体,最可能是 细 胞,代表的细胞具有 的特点。(4)在抗虫棉培育过程中,进行过程最常用的方 法是。解析 基因工程中用到的工具有限制酶、DNA连接 酶和载体。基因工程的步骤为第一步为提取目的 基因;第二步为目的基因的整合,形成重组质粒或 重组DNA;第三步导入宿主细胞;第四步检测与表 达。在将目的基因导入受体细胞时,在细胞工程中 常用显微注射技术来实现。受体细胞是植物细胞 时,常用农杆菌转化法。而在得到目的细胞之后可,进一步培育成个体或者进行胚胎分割移植得到多 个个体。在动物细胞工程中,细胞融合是获得单克 隆抗体的前提,得到的细胞既能无限增殖又能产生 特异性抗体。基因工程能否成功的标志是基因能 否成功表达,即能否进行转录和翻译。所以基因要 表达必须要有启动子的启动。答案(1)限制酶、DNA连接酶 显微注射法(2)生殖隔离 启动子 胚胎分割移植(胚胎分割 和胚胎移植)(3)浆 既能无限增殖又能产生特异性抗体(4)农杆菌转化法,4.2007年11月20日,日本学者Shinya Yamanaka和美 国学者James Thomson分别在细胞和科学 杂志上发表重量级论文,他们用逆转录病毒为“分 子运输车”,用“化学剪刀”和“化学浆糊”将四 个不同作用的关键基因转入体细胞内,令其与原有 基因发生重组,然后让体细胞重新返回到“生命原 点”,变成一个多功能的干细胞,具有胚胎干细胞 的特性。得知此消息后,“多利羊之父”Ian Wilmut随即宣布放弃用体细胞核移植技术研究胚 胎干细胞,他认为此种新方法才是今后治疗疑难病 症的关键。,(1)传统的细胞核移植技术,如多利羊的培育过程 中,用到的受体细胞是。(2)让体细胞回到“生命原点”,帮助其恢复,类似于植物组织培养中的 过程。(3)在基因工程中,被用作“分子运输车”的除了 病毒外,还有,后者的形状呈,化 学本质是。文中提到的“化学剪刀”和“化学浆糊”分别是指。,(4)下列四条DNA分子,彼此间能够粘连起来拼接成 新的DNA分子的一组是()A.B.C.D.(5)异种生物的基因能拼接在一起,是因为它们的 分子都具有 结构。在细菌细胞内能够表达 出人的蛋白,一方面是因为基因能控制,另一方面是因为所有的生物。,解析 体细胞核移植技术是把体细胞细胞核移入 去核卵细胞(减数第二次分裂中期的次级卵母细 胞)。“生命原点”是指个体发育的起点,正常情 况下,个体发育的起点是受精卵,其全能性最高,体 细胞返回到“生命原点”是恢复其全能性,类似于 脱分化过程。基因工程常用的载体有质粒、动植 物病毒、噬菌体的衍生物等。质粒是环状的DNA 分子。基因工程中的“剪刀”是限制性核酸内切 酶,“浆糊”是DNA连接酶。由于DNA分子规则的双 螺旋结构,所以异种生物的基因能拼接起来;基因 在不同的受体细胞内能表达是因为基因能控制蛋,白质合成,在蛋白质合成过程中,所有生物共用一 套密码子。图示的4个DNA片段中,只有和的碱 基之间能通过碱基互补配对粘连起来。答案(1)去核卵细胞(2)全能性 脱分化(3)质粒 环状 DNA 限制性核酸内切酶(限制酶)和DNA连接酶(4)D(5)双螺旋 蛋白质的合成 共用一套密码子,5.2008年诺贝尔化学奖授予了三位在研究绿色荧光 蛋白(GFP)方面做出突出贡献的科学家。绿色荧光 蛋白能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光,这样借 助GFP发出的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的 移动情况,帮助推断蛋白质的功能。下图为我国首 例绿色荧光蛋白(GFP)转基因克隆猪的培育过程示 意图,据图回答：,(1)图中通过过程、形成重组质粒,需要限制 酶切取目的基因、切割质粒。限制酶的识别序 列和切点是GGATCC,限制酶的识别序列和 切点是GATC。在质粒上有酶的一个切点,在目的基因的两侧各有1个酶的切点。请画出质粒被限制酶切割后所形成的黏性末端。在DNA连接酶的作用下,上述两种不同限制酶切 割后形成的黏性末端能否连接起来?。理由是。(2)过程将重组质粒导入猪胎儿成纤维细胞时,采用最多也最有效的方法是。,(3)如果将切取的GFP基因与抑制小猪抗原表达的 基因一起构建到载体上,GFP基因可以作为基因表 达载体上的标记基因,其作用是。获得的转基因克隆猪,可以解决的医学难题是可以 避免。(4)目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧 光蛋白、黄色荧光蛋白等,采用蛋白质工程技术制 造出蓝色荧光蛋白过程的正确顺序是(用 数字表示)。推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷,酸序列 蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计 蓝色荧光蛋白基因的修饰(合成)表达出蓝 色荧光蛋白 解析 限制性核酸内切酶识别特定的核苷酸序列,并在特定的切割位点切割,产生黏性末端。限制酶 和切割后产生的黏性末端相同,即均产生GATC 序列,因此可以用DNA连接酶连接起来。目的基因 导入动物细胞最常用、最有效的方法是显微注射 法。标记基因可以检测目的基因是否导入受体细 胞。用转基因克隆猪进行器官移植等医学难题,可 以避免发生免疫排斥反应。,答案(1)(只写出切割后形成的的部分即可)GGATC C G GATCC C CTAGG CCTAG G 可以连接 因为由两种不同限制酶切割后形成 的黏性末端是相同的(或是可以互补的)(2)显微注射技术(3)鉴定受体细胞中是否含有目的基因 发生免疫 排斥反应(4),6.下图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过 程示意图,请据图作答。(1)判断某人患糖尿病的主要方法有。(2)能否利用人的皮肤细胞来完成过程？,为什么？。,(3)为使过程更易进行,可用 处理D 的细胞。D细胞一般选用大肠杆菌或枯草杆菌的原 因是。(4)下图AD段表示质粒的某片段,若B表示启动子,为使目的基因直接表达,目的基因C插入的最佳位 点是图中的 处(填数字序号)。,(5)根治糖尿病的最佳方法是。(6)基因工程其他方面的应用,如被用于培育转胰 蛋白酶抑制剂基因的蔬菜,但若对该蔬菜处理不当,可能给人体带来的负面影响是。解析(1)糖尿病患者空腹时的血糖浓度持续高于 1.61.8 g/L,且尿液中含有糖。(2)胰岛素基因 的表达只在胰岛B细胞内,人皮肤细胞内虽有胰岛 素基因,但不表达。(3)过程是将目的基因导入 大肠杆菌中,可用Ca2+处理受体细胞,使之处于感受 态。大肠杆菌、枯草杆菌繁殖速度快,目的基因表 达迅速,故作受体细胞。(4)启动子位于基因的首,端,以驱动基因转录出mRNA。(5)通过基因治疗可 根治糖尿病。(6)转胰蛋白酶抑制剂基因的表达产 物胰蛋白酶抑制剂可能会抑制人胰蛋白酶活性,从 而影响食物的消化。答案(1)空腹时的血糖浓度持续高于1.61.8 g/L,且尿液中有糖(2)不能 皮肤细胞中的胰岛素基因不表达,不能 形成胰岛素mRNA(3)CaCl2(或Ca2+)繁殖速度快,目的基因表达迅速(4)(5)基因治疗(6)胰蛋白酶抑制剂会抑制人的胰蛋白酶的活性,影响食物蛋白的消化,7.胰岛素可以用于治疗糖尿病,但是胰岛素被注射到 人体后,会堆积在皮下,要经过较长的时间才能进 入血液,而进入血液的胰岛素又容易分解,因此,治 疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效 胰岛素的生产过程,请据图回答有关问题：,(1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键,图 中构建新的胰岛素模型的主要依据是。(2)通过DNA合成形成的新基因应与 结 合后转移到 中才能得到准确表达。(3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素,需用到的 生物工程有、和发酵工程。(4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的 基本思路是什么？。,(5)下列关于蛋白质工程的说法,错误的是()A.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构,使之 更加符合人类需要 B.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 C.蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的新型蛋 白质分子 D.蛋白质工程与基因工程密不可分,又称为第二代 基因工程,解析(1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质 功能的特定需求,对蛋白质结构进行分子设计,因 此,图中构建新的胰岛素模型的依据是胰岛素的预 期功能。(2)合成的目的基因应与载体构建基因表 达载体后导入受体细胞中才能得以表达。(3)利用 蛋白质工程生产自然界原本不存在的蛋白质,需对 原有的胰岛素进行改造,根据新的胰岛素中氨基酸 的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列,人工合 成新的胰岛素基因,形成目的基因,改造好的目的,基因需通过基因工程来生产基因产物,并且在生产 过程中要借助工程菌,所以还需要进行发酵,因此 该过程涉及蛋白质工程、基因工程和发酵工程。(4)由新的蛋白质模型到构建新的基因,其基本设 计思路是根据新的蛋白质中氨基酸的序列,推测出 基因中的脱氧核苷酸序列。然后用DNA合成仪直接 合成出新的基因。(5)由于基因决定蛋白质,因此,要对蛋白质的结构进行设计改造,最终还必须通过 改造基因来完成,而不是直接对蛋白质分子进行 操作。,答案(1)蛋白质的预期功能(2)载体 大肠杆菌等受体细胞(3)蛋白质工程 基因工程(4)根据新的胰岛素中氨基酸的序列,推测出其基 因中的脱氧核苷酸序列,然后利用DNA合成仪来合 成出新的胰岛素基因(5)B,返回,