基因工程的應(yīng)用及蛋白質(zhì)工程的崛起

1、三好高中生（ID：sanhao-youke），為高中生提供名師公開課和精品資料。三好高中生，學(xué)習(xí)方法/提分干貨/精品課程/考試真題，你需要的這里都有！基因工程的應(yīng)用及蛋白質(zhì)工程的崛起編稿：閆敏敏 審稿：宋辰霞【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1、理解基因工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。2、理解動(dòng)植物基因工程、基因工程藥物的優(yōu)勢及意義、基因治療的概念、原理及意義。3、知道蛋白質(zhì)工程崛起的緣由，知道蛋白質(zhì)工程概念的要點(diǎn)4、知道蛋白質(zhì)工程的基本原理，能在相對簡單的情境中識別它們和使用它們。5、知道蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景?！疽c(diǎn)梳理】要點(diǎn)一：基因工程的應(yīng)用1、植物基因工程的應(yīng)用目的基因作用受體生物說明抗蟲轉(zhuǎn)基因植物抗蟲基因、Bt毒蛋白

2、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Bt毒蛋白水解成多肽與腸上皮細(xì)胞結(jié)合，形成穿孔，細(xì)胞腫脹裂解致死；兩種抑制劑分別抑制相應(yīng)酶活性，影響消化；植物凝集素為糖蛋白，與腸黏膜結(jié)合，影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用棉花、水稻等抗蟲但不抗病毒、細(xì)菌、真菌等；培育抗蟲作物的優(yōu)點(diǎn)：減少環(huán)境污染、降低生產(chǎn)成本；不同抗蟲基因作用機(jī)理不同；Bt毒蛋白基因來自蘇云金芽孢桿菌抗病轉(zhuǎn)基因植物病毒外殼蛋白基因、病毒復(fù)制酶基因、幾丁質(zhì)酶基因、抗毒素合成基因前兩種為抗病毒作用；后兩種為抗真菌作用煙草（抗病毒）、小麥（抗病毒）引起植物生病的微生物有病毒、細(xì)菌、真菌三大類抗逆轉(zhuǎn)基因植物調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓基因；抗凍蛋白基

3、因（從魚體內(nèi)獲?。豢钩輨┗蛲ㄟ^改變細(xì)胞內(nèi)滲透壓，提高抗鹽堿、抗旱能力；耐寒能力提高；抗除草劑煙草（抗旱、抗鹽堿）、番茄（抗寒）、大豆、玉米（抗除草劑）抗逆指抵抗不良環(huán)境的能力，如鹽堿、干旱、低溫、澇害等轉(zhuǎn)基因改良植物的品質(zhì)含必需氨基酸的蛋白質(zhì)編碼基因；控制番茄果實(shí)成熟的基因；花青素代謝有關(guān)的基因控制合成的蛋白質(zhì)含必需氨基酸多；延遲番茄成熟；改變花瓣的顏色玉米、番茄、牽?；ǖ荣嚢彼?、亮氨酸等都屬于必需氨基酸2、動(dòng)物基因工程的應(yīng)用目的基因作用受體生物說明提高動(dòng)物生長速度生長激素基因促進(jìn)生長，提高生長速度鯉魚不能導(dǎo)入生長素基因轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物（生物反應(yīng)器或乳房生物反應(yīng)器）藥用蛋白乳腺基因+微

4、生物蛋白基因+啟動(dòng)子分泌乳汁來生產(chǎn)相應(yīng)的藥品奶牛已生產(chǎn)出的藥品有抗凝血酶、血清蛋白、生長激素和-抗胰蛋白酶轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作器官移植的供體某種調(diào)節(jié)因子；設(shè)法除去抗原決定基因抑制抗原決定基因的表達(dá)；不能合成相應(yīng)抗原豬選擇豬的器官做人器官替代品的原因；其內(nèi)臟構(gòu)造、大小、血管分布與人相似；體內(nèi)隱藏的致病基因少基因工程藥品控制藥品合成的相應(yīng)基因，如人胰島素基因、干擾素基因、乙肝疫苗基因等生產(chǎn)合成相應(yīng)的藥品，如胰島素、干擾素、乙肝疫苗等微生物，如大腸桿菌、酵母菌等選擇微生物作受體的原因：繁殖快、單細(xì)胞、遺傳物質(zhì)少注意：（1）動(dòng)物基因工程的應(yīng)用主要體現(xiàn)在提高動(dòng)物生長速度、改善畜產(chǎn)品品質(zhì)、用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物等方

5、面。（2）動(dòng)物基因工程主要為了改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)，不是為了產(chǎn)生體型巨大的個(gè)體。3、基因診斷、基因治療和基因芯片（1）基因診斷：DNA分子雜交法（即DNA探針法），該方法是根據(jù)堿基互補(bǔ)配對原則，把互補(bǔ)的雙鏈DNA解開，把單鏈的DNA小片段用同位素、熒光分子或化學(xué)發(fā)光催化劑等進(jìn)行標(biāo)記，之后同被檢測的DNA中的同源互補(bǔ)序列雜交，從而檢測出所要查明的DNA或基因。（2）基因治療：把正?；?qū)瞬∪梭w內(nèi)，使該基因的表達(dá)產(chǎn)物發(fā)揮功能，從而達(dá)到治療疾病的目的。是目前治療遺傳病最有效的手段。（3）基因治療的途徑： 項(xiàng)目類型 外源基因類型及舉例過程特點(diǎn)成果舉例體外基因治療腺苷酸脫氨酶基因從病人體內(nèi)獲得某種細(xì)胞細(xì)胞

6、培養(yǎng)體外完成基因轉(zhuǎn)移篩選并擴(kuò)增培養(yǎng)重新植入患者體內(nèi)操作復(fù)雜、但成功率高治療復(fù)合型免疫缺陷癥體內(nèi)基因治療治療遺傳性囊性纖維化病并的基因轉(zhuǎn)移外源基因載體攜帶 體內(nèi)相應(yīng)組織細(xì)胞操作簡單，成功率低治療遺傳性囊性纖維化病（4）基因治療的過程：步 驟過 程獲取正常的血紅蛋白基因用限制性內(nèi)切酶從人的DNA分子中切去血紅蛋白基因形成重組載體用同一種限制性核酸內(nèi)切酶在載體DNA上切開一個(gè)小口，用DNA連接酶將正常血紅蛋白基因連接在載體DNA上，形成重組載體重組載體的轉(zhuǎn)化與篩選將攜帶正常血紅蛋白基因的重組載體導(dǎo)入患者的造血干細(xì)胞中，并將重組載體插入到染色體DNA上，用選擇培養(yǎng)基篩選出含重組質(zhì)粒的造血干細(xì)胞將含正常

7、血紅蛋白基因的造血干細(xì)胞回輸給患者將攜帶正常血紅蛋白基因的造血干細(xì)胞輸入到患者骨髓中，此造血干細(xì)胞產(chǎn)生含正常血紅蛋白的紅細(xì)胞，以根治鐮刀型細(xì)胞貧血癥要點(diǎn)詮釋： 基因治療是治療人類遺傳病的根本方法，但由于尚未全面了解基因調(diào)控機(jī)制和疾病的分子機(jī)理，基因治療只處于臨床試驗(yàn)階段。（5）基因芯片：將大量的特定序列的DNA片段有序地固定在尼龍膜、玻片或硅片上，從而大量、快速地對DNA分子的堿基序列進(jìn)行測定和定量分析。主要應(yīng)用于發(fā)現(xiàn)疾病的相關(guān)基因、許多疾病的檢測。4、基因工程藥物（1）乳腺生物反應(yīng)器 優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量高、質(zhì)量好、成本低、易提取。 操作方法： 獲取目的基因（如血清白蛋白基因）構(gòu)建基因表達(dá)載體（在血清

8、白蛋白基因前加特異表達(dá)的啟動(dòng)子）顯微注射導(dǎo)入哺乳動(dòng)物受精卵中形成早期胚胎將胚胎移植到母體動(dòng)物子宮內(nèi)發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動(dòng)物在雌性個(gè)體中使轉(zhuǎn)入基因表達(dá)，從分泌乳汁中提取所需蛋白質(zhì)。 （2）“工程菌” 用途：利用基因工程培育“工程菌”來生產(chǎn)藥品。 “工程菌”：用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達(dá)的菌類細(xì)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”。 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)類。 產(chǎn)品：利用“工程菌”可生產(chǎn)細(xì)胞因子、抗體、疫苗、激素等。 在基因工程中，若受體細(xì)胞是原核生物（如大腸桿菌），則生產(chǎn)的“干擾素”是不具備活性的

9、，因?yàn)樵思?xì)胞內(nèi)無內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等細(xì)胞器，只有核糖體，因此只能合成相應(yīng)的蛋白質(zhì)，而無法添加糖基，若使“干擾素”具有活性，還必須人工處理加上糖基。 5、基因身份證、基因興奮劑（1）基因身份證：基因身份證是依據(jù)DNA鑒定技術(shù)（又稱DNA指紋法）建立起來的，它選取若干個(gè)固定的遺傳基因位點(diǎn)進(jìn)行鑒定，基因型身份證明的號碼由多個(gè)能夠表示這些遺傳基因位點(diǎn)特征的數(shù)據(jù)來表示。利用基因型身份證明，可以“尋親”，找回丟失的孩子；可很快找到基因配型相近者，可以縮短找到救助者的時(shí)間。（2）基因興奮劑：指通過改良遺傳學(xué)成分來使機(jī)體產(chǎn)生更多激素、蛋白質(zhì)或其他物質(zhì)，從而增進(jìn)運(yùn)動(dòng)能力，使用者注射的不是那些容易在尿液中檢測出的

10、藥物，而是能刺激身體發(fā)生某種改變的基因。要點(diǎn)二：蛋白質(zhì)工程 1、蛋白質(zhì)工程的崛起的緣由基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)工程是為了生產(chǎn)符合人們生活需要并非自然界已存在的蛋白質(zhì)。2、蛋白質(zhì)工程的概念以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。3、蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)是根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。其基本途徑是從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測應(yīng)有的氨基酸序列找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）。其流程圖如下： 表示天然蛋

11、白質(zhì)合成過程 表示蛋白質(zhì)工程流程圖要點(diǎn)詮釋：（1）目的基因的獲取只能用人工合成的方法。（2）由于密碼子具有“簡并性”，故由某種特定氨基酸序列所推測出的脫氧核苷酸序列可有多種，即逆推所得的基因可有多種。4、設(shè)計(jì)中的困難 如何推測非編碼區(qū)一級內(nèi)含子的脫氧核苷酸序列。要點(diǎn)三：蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程區(qū)別過程預(yù)期蛋白質(zhì)功能設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測氨基酸序列推測脫氧核苷酸序列 合成DNA 表達(dá)出蛋白質(zhì)獲取目的基因構(gòu)建重組載體導(dǎo)入受體細(xì)胞目的基因的表達(dá)與鑒定實(shí)質(zhì)定向改造或生產(chǎn)人類所需蛋白質(zhì)定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類所需的生物類型或生物產(chǎn)品（基因的異體表達(dá)）結(jié)果生產(chǎn)自然界沒有的蛋白

12、質(zhì)生產(chǎn)自然界中已有的蛋白質(zhì)聯(lián)系蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程。因?yàn)閷ΜF(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造或制造新的蛋白質(zhì)，必須通過基因修飾或基因合成實(shí)現(xiàn)【典型例題】類型一：基因工程的應(yīng)用例1、下列關(guān)于基因工程應(yīng)用的敘述，正確的是（ ）A基因治療就是把缺陷基因誘變成正常基因B基因診斷的基本原理是DNA分子雜交C一種基因探針能檢測水體中的各種病毒D原核基因不能用來進(jìn)行真核生物的遺傳改良【答案】B【解析】基因治療是把健康的外源基因?qū)氲接腥毕莼虻募?xì)胞中；一種基因探針能檢測相應(yīng)的某一種特定的病毒；原核基因可以用來進(jìn)行真核生物的遺傳改良，例如用蘇云金芽孢桿菌的抗蟲基因改良棉花。【點(diǎn)評】本題考查基

13、因工程的應(yīng)用?！九e一反三】：【變式一】在用基因工程技術(shù)構(gòu)建抗除草劑的轉(zhuǎn)基因煙草過程中，下列操作錯(cuò)誤的是（ ）A用限制性核酸內(nèi)切酶切割煙草花葉病毒的核酸B用DNA連接酶連接經(jīng)切割的抗除草劑基因和載體C將重組DNA分子導(dǎo)入原生質(zhì)體D用含除草劑的培養(yǎng)基篩選轉(zhuǎn)基因煙草細(xì)胞【答案】A基因工程四個(gè)步驟。第一步：目的基因的提?。欢康幕蚺c運(yùn)載體結(jié)合；三，目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞；四，目的基因的檢測和表達(dá)。限制酶切割的是目的基因和運(yùn)載體。煙草花葉病毒在這里既不是目的基因也不是運(yùn)載體?！咀兪蕉课灮鹣x發(fā)光是螢火蟲體內(nèi)通過熒光素酶催化發(fā)生系列反應(yīng)所產(chǎn)生的現(xiàn)象。如果熒光素酶存在于植物體內(nèi)，也可使植物體發(fā)光。一直以來

14、熒光素酶的唯一來源是從螢火蟲腹部提取的。但加利福尼亞大學(xué)的一組科學(xué)家通過轉(zhuǎn)基因工程，成功地實(shí)現(xiàn)了將熒光素酶基因?qū)氲酱竽c桿菌體內(nèi)，并在大腸桿菌體內(nèi)生產(chǎn)熒光素酶。請你根據(jù)已有的知識回答下列有關(guān)問題： （1）在此轉(zhuǎn)基因工程中，目的基因是_，提取目的基因的方法通常有兩種，提取該目的基因的方法最可能的途徑是_。 （2）在該過程中需要多種酶的參與，其中包括_等。 （3）將此目的基因?qū)说酱竽c桿菌體內(nèi)需要運(yùn)載體的幫助。下列所列各項(xiàng)是選取運(yùn)載體時(shí)候必須考慮的是（ ）。 A能夠在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制并穩(wěn)定保存 B具有特定的限制酶切點(diǎn) C具有與目的基因相同的堿基片斷 D具有某些標(biāo)記基因 （4）在此轉(zhuǎn)基因工程中，將質(zhì)粒

15、作為運(yùn)載體。在將體外重組體DNA導(dǎo)人大腸桿菌體內(nèi)之前通常要用_處理大腸桿菌，目的是_。 （5）由于熒光素酶的特殊作用，人們一直設(shè)想將其基因作為實(shí)驗(yàn)工具，將它和某一基因連接在一起，通過植物是否發(fā)光來確定該基因是否已經(jīng)轉(zhuǎn)入到植物體內(nèi)，如判斷固氮基因是否成功導(dǎo)入某植物體內(nèi)。正常根瘤菌體內(nèi)的固氮基因與螢火蟲體內(nèi)的熒光素酶基因相比，除了堿基對的順序、數(shù)目不同以外，在結(jié)構(gòu)方面還存在不同點(diǎn)，主要不同是_。 （6）與雜交育種、誘變育種相比，通過基因工程來培育新品種的主要優(yōu)點(diǎn)是_和_。【答案】（1）熒光素酶基因 人工合成法 （2）限制酶、DNA連接酶（3）A、B、D （4）CaCl2 增大細(xì)胞壁的通透性，使重組

16、基因能夠?qū)说绞荏w細(xì)胞內(nèi)（5）固氮菌基因的編碼區(qū)是連續(xù)的，而熒光素酶基因的編碼區(qū)是間斷的，不連續(xù)的（6）目的明確、培育周期短、可以克服遠(yuǎn)緣雜交不親和的障礙（只要合理，答出兩點(diǎn)即可）類型二：蛋白質(zhì)工程例2、（2015 天津高考）纖維素分子不能進(jìn)入酵母細(xì)胞，為了使酵母菌能夠利用環(huán)境中的纖維素為原料生產(chǎn)酒精，構(gòu)建了含3種不同基因片段的重組質(zhì)粒，下面是酵母菌轉(zhuǎn)化及纖維素酶在工程菌內(nèi)合成與運(yùn)輸?shù)氖疽鈭D。據(jù)圖回答：（1）（2分）本研究構(gòu)建重組質(zhì)粒時(shí)可選用四種限制酶，其識別序列如下圖，為防止酶切片段的自身連接，可選用的限制酶組合是_或_（2分）設(shè)置菌株為對照，是為了驗(yàn)證_不攜帶纖維素酶基因。（4分）纖維素酶

17、基因的表達(dá)包括_和_過程，與菌株相比，在菌株、中參與纖維素酶合成和分泌的細(xì)胞器還有_。（4）（4分）在以纖維素為唯一碳源的培養(yǎng)基上分別培養(yǎng)菌株、，菌株_不能存活，原因是_。(5)（4分）酵母菌生成酒精的細(xì)胞部位是_，產(chǎn)生酒精時(shí)細(xì)胞的呼吸方式是_，在利用纖維素生產(chǎn)酒精時(shí)，菌株更具有優(yōu)勢，因?yàn)閷?dǎo)入的重組質(zhì)粒含有_。使分泌的纖維素酶固定于細(xì)胞壁，減少因培養(yǎng)液更新而造成的酶的流失，提高酶的利用率?！敬鸢浮浚?）B (或C) C (或B) (2)質(zhì)粒DNA和酵母菌基因組轉(zhuǎn)錄 翻譯 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體 = 2 * ROMAN * MERGEFORMAT II 缺少信號肽編碼序列，合成的纖維素酶不能分泌到胞外

18、，細(xì)胞無可利用的碳源（5）細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) 無氧呼吸 A基因片段【解析】（1）為防止酶切片段自身連接，需要用不同的酶進(jìn)行切割，并且不同酶切割后產(chǎn)生的黏性末端要不同，A項(xiàng)和D項(xiàng)的酶切割后產(chǎn)生的粘性末相同，因此B和C正確。（2）菌株和菌株的單一變量是質(zhì)粒上是否含纖維素基因，所以菌株為對照是為了驗(yàn)證質(zhì)粒DNA和酵母菌基因組不攜帶纖維素酶基因。（3）纖維素酶是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)的表達(dá)包括轉(zhuǎn)錄和翻譯，參與蛋白質(zhì)合成和分泌的細(xì)胞器還有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體。（4）三種菌株的不同點(diǎn)是菌株無信號肽編碼序列，所以培養(yǎng)基上分別培養(yǎng)三種菌株，菌株不能存活，缺乏信號肽編碼序列，合成的纖維素酶不能分泌到細(xì)胞外。（5）酵母菌生成酒精的呼

19、吸時(shí)無氧呼吸，在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行，從圖可以看出，菌株比菌株多了A基因片段，因此，在利用纖維素生產(chǎn)酒精時(shí)，菌株更具有優(yōu)勢，導(dǎo)入的重組質(zhì)粒含有A基因片段，使分泌的纖維素酶固定于細(xì)胞壁，減少因培養(yǎng)液更新而造成的酶的流失，提高酶的利用率?！九e一反三】：【變式一】（2015 新課標(biāo)I）HIV屬于逆轉(zhuǎn)錄病毒，是艾滋病的病原體。回答下列問題：（1）（6分）用基因工程方法制備HIV的某蛋白（目的蛋白）時(shí)，可先提取HIV中的 ，以其作為模板，在 的作用下合成 。獲取該目的蛋白的基因，構(gòu)建重組表達(dá)載體，隨后導(dǎo)入受體細(xì)胞。（2）（5分）從受體細(xì)胞中分離純化出目的蛋白，該蛋白作為抗原注入機(jī)體后，刺激機(jī)體產(chǎn)生的可與此蛋白結(jié)合的相應(yīng)分泌蛋白是 。該分泌蛋白可用于檢測受試者血清中的HIV，檢測的原理是 。（3）（2分）已知某種菌導(dǎo)致的肺炎在健康人群中罕見，但是在艾滋病患者中卻多發(fā)。引起這種現(xiàn)象的根本原因是HIV主要感染和破壞了患者的部分 細(xì)胞，降低了患者免疫系統(tǒng)的防衛(wèi)功能。（4）（2分）人的免疫系統(tǒng)有 癌細(xì)胞的功能，艾滋病患者由于免疫功能缺陷，易發(fā)生惡性腫瘤?！敬鸢浮浚?）RNA 逆轉(zhuǎn)錄酶 DNA(2)抗體 抗原抗體特異性結(jié)合（3）T（4）消滅【解析】（1）提取HIV中的RNA，為了獲得目的基因，以RNA作為模板，逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下合成DNA獲取該目的基因，構(gòu)建基因表達(dá)載體，導(dǎo)入受體細(xì)胞