高中生物 第一單元 生物技術(shù)與生物工程 第一章 基因工程和蛋白質(zhì)工程 第2節(jié) 基因工程的應(yīng)用學(xué)案 中圖版選修3

1、第二節(jié)基因工程的應(yīng)用1舉例說出基因工程的應(yīng)用及取得的豐碩成果。(重點)2了解基因工程在農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用。(難點)基 因 工 程 在 農(nóng) 業(yè) 上 的 應(yīng) 用1抗蟲棉(1)目的基因：蘇云金桿菌的毒蛋白基因。(2)培育過程：通過基因工程的四步操作將毒蛋白基因?qū)朊藁毎⑶以诿藁毎麅?nèi)成功表達出毒蛋白。(3)意義：抗蟲作物的培育和種植，不但降低了作物的生產(chǎn)成本，使作物能穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，還降低了農(nóng)藥的使用，減少對環(huán)境的污染。2金米(1)目的基因：有關(guān)胡蘿卜素合成的酶的基因。(2)培育過程：通過基因工程的四步操作將有關(guān)胡蘿卜素合成的酶的基因?qū)胨炯毎?，并誘導(dǎo)它們在水稻細胞內(nèi)得以表達，使水稻中的雙香

2、葉素二磷酸轉(zhuǎn)化成胡蘿卜素。(3)作用：人們食用“金米”后，其中的胡蘿卜素在人體內(nèi)轉(zhuǎn)化成維生素A，為深受維生素A缺乏癥之苦的人們帶來了“金色希望”?？茖W(xué)家通過基因工程的方法，將蘇云金桿菌的Bt毒蛋白基因轉(zhuǎn)入普通棉株細胞內(nèi)，并成功實現(xiàn)了表達，從而培育出了能抗棉鈴蟲的棉花植株抗蟲棉。其過程大致如下圖所示。探討：Ti質(zhì)粒是農(nóng)桿菌中的一種質(zhì)粒，其上有TDNA，把目的基因插入Ti質(zhì)粒的TDNA中是利用TDNA的什么特點？提示：TDNA可轉(zhuǎn)移至受體細胞，并且整合到受體細胞染色體DNA上。探討：Bt毒蛋白基因轉(zhuǎn)入普通棉株細胞內(nèi)并成功實現(xiàn)表達的過程，在基因工程中稱為什么？提示：轉(zhuǎn)化。探討：將目的基因?qū)胧荏w細胞

3、的方法有很多種，該題中涉及的方法是什么？提示：農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法。探討：目的基因能否在棉株體內(nèi)穩(wěn)定遺傳的關(guān)鍵是什么？提示：目的基因是否插入到受體細胞染色體DNA上。1抗蟲轉(zhuǎn)基因植物(1)方法：將從某些生物中分離出的具有殺蟲活性的基因?qū)朕r(nóng)作物中，使其具有抗蟲性。(2)殺蟲基因種類：Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因、淀粉酶抑制劑基因、植物凝集素基因等。(3)成果：抗蟲棉、抗蟲水稻等。(4)意義：減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染，降低了對人類健康的損害。2抗病轉(zhuǎn)基因植物(1)病原微生物(2)方法：將抗病基因?qū)胫参镏?，使其具有抗病特性?3)抗病轉(zhuǎn)基因植物實例：目前人們已獲得抗煙草花葉病毒

4、的轉(zhuǎn)基因煙草、抗病毒的轉(zhuǎn)基因小麥、轉(zhuǎn)基因甜椒、轉(zhuǎn)基因番茄等多種作物。(4)目的基因：抗病轉(zhuǎn)基因植物所采用的基因，使用最多的是病毒外殼蛋白基因和病毒的復(fù)制酶基因；抗真菌轉(zhuǎn)基因植物中可以使用的基因有幾丁質(zhì)酶基因和抗毒素合成基因?！咎貏e提示】基因工程技術(shù)為培養(yǎng)作物抗病品種開辟了新途徑。抗病轉(zhuǎn)基因植物根據(jù)抗病原體的類型分為抗病毒轉(zhuǎn)基因植物、抗真菌轉(zhuǎn)基因植物和抗細菌轉(zhuǎn)基因植物。3其他抗逆轉(zhuǎn)基因植物(1)不良環(huán)境條件的影響：鹽堿、干旱、低溫、澇害等不利環(huán)境條件是造成低產(chǎn)、減產(chǎn)的常見因素。(2)方法：將抗逆基因?qū)胫参?，獲得抗逆轉(zhuǎn)基因作物。(3)抗逆基因：調(diào)節(jié)細胞滲透壓的基因，可使作物抗鹽堿、抗干旱；魚的抗

5、凍蛋白基因使作物耐寒；抗除草劑基因使作物抗除草劑。(4)成果：抗鹽抗旱煙草、抗寒番茄、耐除草劑玉米等。4利用轉(zhuǎn)基因改良植物的品質(zhì)(1)利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以提高生物中氨基酸的含量、延長儲存時間、改變花色等，從而提高作物品質(zhì)。(2)成果：實例一我國科學(xué)家將富含賴氨酸的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胗衩祝@得的轉(zhuǎn)基因玉米中賴氨酸的含量比對照提高30%。實例二我國科學(xué)家將控制番茄果實成熟的基因?qū)敕?，獲得轉(zhuǎn)基因延熟番茄，儲存時間可延長12個月，有的可達80多天。實例三我國科學(xué)家還成功地將與植物花青素代謝有關(guān)的基因?qū)牖ɑ苤参锇珷颗Ｖ?，轉(zhuǎn)基因矮牽牛呈現(xiàn)出自然界沒有的顏色變異，大大提高了花卉的觀賞價值。1利用基因工程

6、技術(shù)培育能固氮的水稻新品種，在環(huán)保上的重要意義是()A減少氮肥的使用量，降低生產(chǎn)成本B減少氮肥的使用量，節(jié)約能源C避免氮肥使用過多引起環(huán)境污染D改良土壤結(jié)構(gòu)【解析】固氮水稻減少了氮肥的作用，避免了氮肥使用過多引起的富營養(yǎng)化?！敬鸢浮緾2金茶花是中國特有的觀賞品種，但易被有害真菌感染得枯萎病，降低觀賞價值?？茖W(xué)家在某種植物中找到了抗枯萎病的基因，用轉(zhuǎn)基因方法培育出了抗枯萎病的新品種。請據(jù)圖回答：(1)將連接到上并形成，常用到的酶有_。(2)抗枯萎病的金茶花培育成功，從變異的角度來說屬于_。(3)經(jīng)過轉(zhuǎn)基因方法獲得的抗病金茶花，將來產(chǎn)生的配子中是否一定含有抗病基因？_。(4)通過檢測，被侵染的金茶

7、花葉片細胞具備了抗病性，這說明已經(jīng)_。從抗病基因是否表達可以從個體水平上做_實驗，簡述實驗過程。_【解析】(1)是用限制性內(nèi)切酶切割質(zhì)粒，是指目的基因的獲取，是指目的基因與質(zhì)粒在DNA連接酶的作用下形成重組質(zhì)粒。(2)基因工程是在人為作用下將控制不同性狀的基因重新組合從而改造生物性狀，從本質(zhì)上來說這種變異屬于基因重組。(3)轉(zhuǎn)基因方法獲得的抗病金茶花可能屬于雜合子如Aa，將來產(chǎn)生的配于可能是A或a，故將來產(chǎn)生的配子不一定含有抗病基因。(4)金茶花葉片細胞具備了抗病性，說明目的基因已在受體細胞中得到了表達?！敬鸢浮?1)限制性內(nèi)切酶、DNA連接酶(2)基因重組(3)不一定(4)表達抗病接種將普通

8、金茶花和轉(zhuǎn)基因金茶花分成兩組，分別接種有害真菌，其他培養(yǎng)條件適宜且相同。培養(yǎng)一段時間觀察兩組金茶花的抗病情況，通過對照確定抗病基因是否表達。基 因 工 程 在 醫(yī) 學(xué) 上 的 應(yīng) 用1基因工程藥物(1)化學(xué)成分：醫(yī)用多肽和蛋白質(zhì)類產(chǎn)品。(2)實例：重組人胰島素、重組人干擾素等。(3)標(biāo)志：重組胰島素投放市場，標(biāo)志著世界上第一種基因工程藥物應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。2基因工程疫苗與傳統(tǒng)疫苗相比最大的優(yōu)點是：目的性強、安全性強，不會含有病毒或有害細菌以及它們的遺傳物質(zhì)。3基因治療(1)治療對象：治療因基因異常導(dǎo)致的遺傳疾病。(2)概念：將正?；蚧蛴兄委熥饔玫幕蛲ㄟ^一定方式導(dǎo)入靶細胞內(nèi)，可以糾正基因缺陷而

9、達到治療疾病的目的。(3)策略：基因置換、基因修復(fù)、基因增補、基因失活等。探討：干擾素是治療癌癥的重要藥物，它必須從血液中提取，每300升人血中只能提取1 mg，所以價格昂貴。美國加利福尼亞的某生物制藥公司用如下方法生產(chǎn)干擾素(如下圖所示)。從上述方式中可以看出該公司生產(chǎn)干擾素運用的方法是什么？提示：基因工程。探討：請說出科學(xué)家制備基因工程疫苗的思路。提示：首先找到病毒或細菌中起關(guān)鍵作用的序列保守的蛋白質(zhì)和編碼它們的基因，然后利用基因工程的方法，由受體細胞來生產(chǎn)這些蛋白質(zhì)。探討：1990年，醫(yī)生對一位由于基因缺陷，導(dǎo)致體內(nèi)缺乏腺苷酸脫氨酶而患先天性體液免疫缺陷病的美國女孩進行治療。醫(yī)生首先采集

10、患者的血液樣品，從中分離出一些白細胞進行體外培養(yǎng)，然后用病毒將正常腺苷酸脫氨酶基因轉(zhuǎn)入白細胞中，再將這些轉(zhuǎn)基因白細胞回輸?shù)交颊叩捏w內(nèi)，經(jīng)過多次治療，患者的免疫功能趨于正常。(1)該病的治療屬于基因工程技術(shù)運用中的什么手段？提示：基因治療。(2)上述實例中的目的基因、載體、受體細胞分別是什么？提示：腺苷酸脫氨酶基因；病毒；白細胞。1基因工程藥物(1)利用工程菌生產(chǎn)基因工程藥品工程菌：用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達的菌類細胞株系一般稱為“工程菌”，如含有人胰島素基因的大腸桿菌菌株、含有抗蟲基因的土壤農(nóng)桿菌菌株都是“工程菌”。產(chǎn)品：用基因工程方法制造的“工程菌”，可以高效率地生產(chǎn)各種高質(zhì)量

11、、低成本藥品，如胰島素、干擾素和乙肝疫苗等?；蚬こ趟幤肥侵扑幑I(yè)上的重大突破。(2)利用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物產(chǎn)品：目前，科學(xué)家已在牛和山羊等動物乳腺生物反應(yīng)器中表達出了抗凝血酶、血清白蛋白、生長激素和抗胰蛋白酶等重要醫(yī)藥產(chǎn)品。產(chǎn)品本質(zhì)：用基因工程生產(chǎn)的藥品，從化學(xué)成分上分析都應(yīng)該是蛋白質(zhì)。乳腺(房)生物反應(yīng)器有以下主要用途：2基因治療的原理、過程及途徑(1)原理：利用正常基因置換或彌補缺陷基因的治療方法，即把正?；?qū)氩∪梭w內(nèi)，使該基因的表達產(chǎn)物發(fā)揮功能，從而達到治療疾病的目的。(2)過程(3)途徑途徑比較體外基因治療體內(nèi)基因治療不同點方法從患者體內(nèi)獲得某種細胞體外完成基因轉(zhuǎn)移篩選、細胞擴增

12、輸入體內(nèi)直接向患者體內(nèi)組織細胞中轉(zhuǎn)移基因特點操作復(fù)雜，但效果可靠方法較簡單，但效果難以控制相同點都是將外源基因?qū)氚屑毎?，以糾正缺陷基因，目前兩種方法都處于臨床試驗階段【名師點撥】基因檢測與基因治療的比較項目方法備注基因檢測制作相應(yīng)探針，利用DNA分子雜交原理，快速、準(zhǔn)確檢測人類某種疾病臨床應(yīng)用階段基因治療把健康的外源基因?qū)胗谢蛉毕莸募毎?，可分為體外基因治療和體內(nèi)基因治療兩種方法僅處于初期的臨床試驗階段，仍有許多問題和困難制約該技術(shù)的發(fā)展1基因治療是人類疾病治療的一種新手段，下列有關(guān)敘述中不正確的是() A基因治療可使人類遺傳病得到根治B基因治療是一種利用基因工程產(chǎn)品治療人類疾病的方法C

13、以正?；蛱鎿Q致病基因?qū)儆诨蛑委煹囊环N方法D基因治療的靶細胞可以是體細胞和生殖細胞【解析】基因治療時，主要是使外源基因(正?；?的表達產(chǎn)物發(fā)揮作用，并沒有使正?；蛱鎿Q致病基因?！敬鸢浮緾2在藥品生產(chǎn)中，有些藥品如干擾素、白細胞介素、凝血因子等，以前主要是從生物體的組織、細胞或血液中提取的，由于受原料來源限制，價格十分昂貴，而且產(chǎn)量低，臨床供應(yīng)明顯不足。自70年代遺傳工程發(fā)展起來以后，人們逐步地在人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的目的基因，使之與質(zhì)粒形成重組DNA，并將重組DNA引入大腸桿菌，最后利用這些工程菌，可以高效地生產(chǎn)出上述各種高質(zhì)量低成本的藥品。請分析回答：(1)在基因工程中，質(zhì)粒是一種最常用的

14、_，它廣泛地存在于細菌細胞中，是一種很小的環(huán)狀_分子。(2)在用目的基因與質(zhì)粒形成重組DNA過程中，一般要用到的工具酶是_和_。(3)將含有“某激素基因”的質(zhì)粒導(dǎo)入細菌細胞后，能在細菌細胞內(nèi)直接合成“某激素”，則該激素在細菌體內(nèi)的合成包括_和_兩個階段。(4)在將質(zhì)粒導(dǎo)入細菌時，一般要用_處理細菌，以增大_?！敬鸢浮?1)載體DNA(2)限制性內(nèi)切酶DNA連接酶(3)轉(zhuǎn)錄翻譯(4)氯化鈣細菌細胞壁的通透性1我國科學(xué)工作者培育成的抗棉鈴蟲的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，其抗蟲基因來源于()A普通棉花的基因突變B棉鈴蟲變異形成的致死基因C寄生在棉鈴蟲體內(nèi)的線蟲D蘇云金桿菌體內(nèi)的抗蟲基因【解析】轉(zhuǎn)基因生物抗蟲棉，它

15、的目的基因是Bt毒蛋白基因，Bt毒蛋白基因是從蘇云金桿菌中分離出來的抗蟲基因?！敬鸢浮緿2應(yīng)用基因工程生產(chǎn)胰島素的主要原因是()A工藝簡單，容易操作B生產(chǎn)量大，價格較低C所生產(chǎn)的胰島素可以用于口服D所生產(chǎn)的胰島素療效大大提高【解析】基因工程技術(shù)科技含量高，工藝復(fù)雜，操作起來非常嚴(yán)格；胰島素是蛋白質(zhì)，只能注射，不能口服；重組人胰島素是人體胰島素基因控制合成的，療效與人體自身產(chǎn)生的相同。【答案】B3請閱讀下列幾段文字后回答： A有人把蠶的DNA分子分離出來，用一種酶“剪切”下制造絲蛋白的基因，再從細菌細胞中提取出一種叫“質(zhì)?！钡腄NA分子，把它和絲蛋白基因拼接在一起再送回細菌細胞中，結(jié)果此細菌就有

16、了生產(chǎn)蠶絲的本領(lǐng)。B法國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，玉米、煙草等植物含有類似人體血紅蛋白的基因，如加入Fe原子，就可以制造出人的血紅蛋白，從而由植物提供醫(yī)療中所需要的人體血液。C瑞士科學(xué)家找到了一種與果蠅眼睛形成有關(guān)的基因，將此基因注入果蠅幼蟲不同細胞以后，果蠅的翅和其他部位都長出了眼睛。這為人造“器官”，供移植使用提供了可能。(1)所有這些實驗統(tǒng)稱為_工程，所以這些實驗的結(jié)果，有沒有生成前所未有的新型蛋白質(zhì)？_。(2)A段中實驗結(jié)果的細菌具有生產(chǎn)蠶絲的本領(lǐng)，說明_。(3)B段中玉米、煙草基因生產(chǎn)人類血紅蛋白為什么要加入Fe原子？_。植物中含類似人類血紅蛋白基因，從進化上看，說明了_。(4)瑞士科學(xué)家的實驗說

17、明了_。【解析】本題考查了學(xué)生的比較分析能力。無論是構(gòu)建工程菌，利用植物合成動物蛋白，還是果蠅控制眼睛形成的研究等都屬于基因工程的內(nèi)容。基因工程只是利用原有基因為人類服務(wù)，沒有創(chuàng)造出新基因，所以不可能獲得前所未有的新型蛋白質(zhì)。將蠶的絲蛋白基因轉(zhuǎn)入細菌后，細菌能合成蠶絲蛋白，說明蠶絲蛋白基因在細菌體內(nèi)得到了表達。人的血紅蛋白是含鐵的蛋白質(zhì)，所以玉米等植物合成人的血紅蛋白時，需要加入鐵。植物與動物的某些基因結(jié)構(gòu)相似，說明動植物具有共同的原始祖先，它們之間存在著或遠或近的親緣關(guān)系。瑞士科學(xué)家把控制眼睛形成的基因注射到果蠅幼蟲不同部位的細胞以后，這些細胞分裂分化發(fā)育為眼睛，這說明眼睛等復(fù)雜器官的形成與

18、基因控制有關(guān)?！敬鸢浮?1)基因沒有(2)蠶絲蛋白基因在細菌體內(nèi)得到了表達(3)因為鐵是組成血紅蛋白的成分植物和人具有一定的親緣關(guān)系(4)簡單的基因可以控制復(fù)雜蛋白質(zhì)的形成4SCID患者缺乏正常的人體免疫功能，只要稍被細菌或病毒感染，就會發(fā)病死亡。經(jīng)研究證實，SCID病人細胞的一個常染色體上編碼腺苷酸脫氨酶的基因(ada)發(fā)生了突變。(1)請你利用所學(xué)知識，設(shè)計一個治療SCID病的方案。第一步：將人體正常ada基因克隆后用來替換反轉(zhuǎn)錄病毒的原有基因，構(gòu)建重組載體；第二步：從SCID病人體內(nèi)分離出T淋巴細胞；第三步：_；第四步：_。(2)還有哪些遺傳病可用基因治療方案進行治療？【解析】本題考查基因工程的操作程序和基因治療的相關(guān)知識，該實驗方案的其余步驟即是基因工程基本操作程序的剩余步驟，對于基因治療用于治療的遺傳病，舉出常見的遺傳病即可?！敬鸢浮?1)第三步：將這些T淋巴細胞與攜帶了正常ada基因的反轉(zhuǎn)錄病毒混合培養(yǎng)，讓病毒感染T淋巴細胞，使正常的ada基因擴增并插入到T淋巴細胞的基因中第四步：在實驗室中通過細胞培養(yǎng)并確認