届高考生物一轮复习学案第10单元 基因工程的应用和蛋白质工程的崛起.docx

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届高考生物一轮复习学案第10单元基因工程的应用和蛋白质工程的崛起

第十单元现代生物科技专题

学案基因工程的应用和蛋白质工程的崛起

考纲要求　

1.基因工程的应用Ⅱ

2.蛋白质工程Ⅰ

复习要求

1．了解基因工程在农业、医药生产原理、步骤及注意事项；能疾病诊断和治疗中的应用

2．了解蛋白质工程的一般操作过程

基础自查

一．基因工程的应用

1.植物基因工程：

。

2.动物基因工程：

。

3.基因治疗：

。

二．蛋白质工程的概念

课堂深化探究

一　基因工程的应用　　　　　　　　　　

完成基因工程的应用表格，了解应用成果。

转基因生物

目的基因

成果举例

植

物

基

因

工

程

抗虫基因：

抗虫水稻、抗虫棉、抗虫玉米

抗病毒基因：

；抗真菌基因：

抗病毒烟草、抗病毒小麦、抗病毒番茄、抗病毒甜椒

抗逆转基因：

抗盐碱和抗干旱的烟草、抗寒番茄、抗除草剂的大豆和玉米

优良性状基因：

高赖氨酸玉米、耐储存番茄、新花色矮牵牛

动

物

基

因

工

程

转基因绵羊、转基因鲤鱼

乳腺生物反应器

转基因动物

肠乳糖酶基因

乳汁中含乳糖较少的转基因牛

利用克隆技术培育没有免疫排斥反应的猪器官

基

因

治

疗

治疗复合型免疫缺陷症

治疗遗传性囊性纤维化病

思维拓展　基因治疗是治疗人类遗传病的根本方法，但由于尚未全面了解基因调控机制和疾病的分子机理，基因治疗只处于初期的临床试验阶段。

二　蛋白质工程

1．蛋白质工程的概念

2．蛋白质工程的过程填充

特别提醒

1．对蛋白质工程概念应从以下几个方面理解

（1）蛋白质工程的基础：

蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系；

（2）蛋白质工程的实质：

改造控制该蛋白质合成的基因；

（3）蛋白质工程的产物：

产生新的蛋白质，是自然界所没有的。

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。

因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因修饰或基因合成实现。

三．基因工程与蛋白质工程的比较

项目

区别与联系

蛋白质工程

基因工程

区

别

过程

实质

结果

联　系

对应训练

1.采用基因工程技术将人凝血因子基因导入山羊受精卵培育出了转基因羊，但是人凝血因子只存在于该转基因羊的乳汁中。

以下有关叙述，正确的是（多选）（　）

A．人体细胞中的基因与山羊细胞中的基因所用的密码子是相同的

B．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

C．在该转基因羊中，人凝血因子基因存在于乳腺细胞，而不存在于其他体细胞中

D．人凝血因子基因开始转录后，DNA连接酶以DNA分子的一条链为模板催化合成mRNA

2.下图是获取转基因抗冻番茄植株的过程示意图，有关叙述正确的是（　　）

A．过程①获取的目的基因，可用于基因工程和比目鱼基因组测序

B．将多个抗冻基因编码区依次相连成能表达的新基因，不能得到抗冻性增强的抗冻蛋白

C．过程②构成的重组质粒缺乏标记基因，需要转入农杆菌才能进行筛选

D．应用DNA探针技术，可以检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在及其完全表达

3.科学家利用基因工程培育出了耐盐的转基因水稻新品系。

下列有关叙述错误的是（　　）

A．获得目的基因需用限制性内切酶和DNA连接酶

B．可通过农杆菌的感染以实现重组质粒导入受体细胞

C．含耐盐基因的水稻细胞经植物组织培养可获得植株

D．可用较高浓度的盐水浇灌以鉴定水稻植株的耐盐性

限时训练

题组一　基因工程应用

1.采用基因工程技术将人凝血因子基因导入山羊受精卵培育出了转基因羊，但是人凝血因子只存在于该转基因羊的乳汁中。

以下有关叙述，正确的是（多选）（　）

A．人体细胞中的基因与山羊细胞中的基因所用的密码子是相同的

B．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

C．在该转基因羊中，人凝血因子基因存在于乳腺细胞，而不存在于其他体细胞中

D．人凝血因子基因开始转录后，DNA连接酶以DNA分子的一条链为模板催化合成mRNA

2．苏云金杆菌（Bt）能产生具有杀虫能力的毒素蛋白。

下图是转Bt毒素蛋白基因植物的培育过程示意图（ampr为抗氨苄青霉素基因），据图回答下列问题。

（1）将图中①的DNA用HindⅢ、BamHⅠ完全酶切后，反应管中有_______种DNA片段。

（2）图中②表示HindⅢ与BamHⅠ酶切、DNA连接酶连接的过程，此过程可获得________

种重组质粒；如果换用BstⅠ与BamHⅠ酶切，目的基因与质粒连接后可获得________种重组质粒。

（3）目的基因插入质粒后，不能影响质粒的________。

（4）图中③的Ti质粒调控合成的vir蛋白，可以协助带有目的基因的TDNA导入植物细胞，并防止植物细胞中________对TDNA的降解。

（5）已知转基因植物中毒素蛋白只结合某些昆虫肠上皮细胞表面的特异受体，使细胞膜穿孔，肠细胞裂解，昆虫死亡。

而该毒素蛋白对人类的风险相对较小，原因是人类肠上皮细胞________。

（6）生产上常将上述转基因作物与非转基因作物混合播种，其目的是降低害虫种群中的

________基因频率的增长速率。

3.（2010·上海综合能力测试）运用转基因技术培养的单细胞“工程硅藻”，可把光合作用合成的有机物以脂质形式储存起来。

科学家计划在海水中大量培养“工程硅藻”，捕捞后从中提炼“生物柴油”。

与矿物柴油相比，使用这种“生物柴油”的优点是（　　）

①可再生　②不显著增加碳排放　③不排放含硫废气

④不会对生态环境造成负面影响

A．①②③B．①③④

C．①②④D．②③④

题组二蛋白质工程

4.以下关于蛋白质工程的说法正确的是（　　）

A．蛋白质工程以基因工程为基础

B．蛋白质工程就是酶工程的延伸

C．蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造

D．蛋白质工程只能生产天然的蛋白质

5．（2010·镇江质检）科学家将β－干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使β－干扰素第十七位的半胱氨酸，改变成丝氨酸，结果大大提高了β－干扰素的抗病毒活性，并且提高了储存稳定性。

该生物技术为（　　）

A．蛋白质工程B．基因工程

C．基因突变D．细胞工程

6．下列关于基因工程及其应用的叙述正确的是（　　）

A．若要生产转基因抗病水稻，可先将目的基因导入大肠杆菌中，再转入水稻细胞

B．用氨基酸序列推测合成的目的基因与原基因的编码区中的外显子一致

C．用DNA探针能检测饮用水中重金属物质的含量

D．作为运载体要有多种限制酶的切点，但对一种限制酶而言，最好只有一个切点

7．（2011·南师大附中学情分析）蛋白质工程中，直接需要进行操作的对象是（　　）

A．氨基酸结构B．蛋白质空间结构

C．肽链结构D．基因结构

8．科学家将动物体内的能够合成胰岛素的基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌体内表达成功。

请据图回答问题：

（1）图中①DNA是以________为模板，________形成单链DNA，在酶的作用下合成双链DNA，从而获得了所需要的基因。

（2）图中②代表的是____________，在它的作用下将质粒（________DNA）切出________末端。

（3）图中④表示将________________。

⑤表示________DNA随大肠杆菌的繁殖而进行________。

（4）采用蛋白质工程可以对胰岛素进行改造，使之起效时间缩短，保证餐后血糖高峰和血液中胰岛素高峰一致。

如果你是科研工作者，请写出研制速效胰岛素的思路。

（5）下列关于蛋白质工程说法不正确的是（　　）

A．蛋白质工程能将人抗体某些区段替代鼠单克隆抗体的区段，降低鼠单克隆抗体免疫原性

B．蛋白质工程可对酶的催化活性、底物专一性、抗氧化性、热变性、碱变性等加以改变

C．理论上通过对关键氨基酸的置换与增删是进行蛋白质工程的唯一方法

D．蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要

9.胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射入人体后，会堆积在皮下，要经过较长时间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易分解，因此治疗效果受到影响。

下图是用蛋白质工程设计的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）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？

（3）新的胰岛素基因与运载体（质粒）结合过程中需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶。

已知限制性内切酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—。

请画出质粒被限制性内切酶Ⅰ切割后所形成的黏性末端　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

DNA连接酶对所连接的DNA两端碱基序列是否有专一性要求？

　　　　。

（4）若将含有新的胰岛素基因的表达载体导入植物细胞中，最常用的有效做法

是　　　　　　　　　。

（5）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。

高考真题体验

1.（2011·四川理综，5）北极比目鱼中有抗冻基因，其编码的抗冻蛋白具有11个氨基酸的重复序列，该序列重复次数越多，抗冻能力越强。

下图是获取转基因抗冻番茄植株的过程示意图，有关叙述正确的是（　　）。

A．过程①获取的目的基因，可用于基因工程和比目鱼基因组测序

B．将多个抗冻基因编码区依次相连成能表达的新基因，不能得到抗冻性增强的抗冻蛋白

C．过程②构成的重组质粒缺乏标记基因，需要转入农杆菌才能进行筛选

D．应用DNA探针技术，可以检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在及其完全表达

2.（2011年高考安徽卷）（9分）家蚕细胞具有高效表达外源基因的能力。

将人干扰素基因导入家蚕细胞并大规模培养，可提取干扰素用于制药。

（1）进行转基因操作前，需用________酶短时处理幼蚕组织，以便获得单个细胞。

（2）为使干扰素基因在家蚕细胞中高效表达，需要把来自cDNA文库的干扰素基因片段正确插入表达载体的________和________之间。

（3）采用PCR技术可验证干扰素基因是否已经导入家蚕细胞。

改PCR反应体系的主要成分应该包含：

扩增缓冲液（含Mg2＋）、水、4种脱氧核糖核苷酸、模板DNA、________和________。

（4）利用生物反应器培养家蚕细胞时，贴壁生长的细胞会产生接触抑制。

通常将多孔的中空薄壁小玻璃珠放入反应器中，这样可以________增加培养的细胞数量，也有利于空气交换。

学案基因工程的应用和蛋白质工程的崛起

答案与解析

考纲要求　

1.基因工程的应用Ⅱ

2.蛋白质工程Ⅰ

复习要求

1．了解基因工程在农业、医药生产原理、步骤及注意事项；能疾病诊断和治疗中的应用

2．了解蛋白质工程的一般操作过程

基础自查

一．基因工程的应用

1.植物基因工程：

抗虫、抗病、抗逆转基因植物，利用转基因改良植物的品质。

2.动物基因工程：

提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物。

3.基因治疗：

把正常的外源基因导入病人体内，使该基因表达产物发挥作用。

二．蛋白质工程的概念

蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其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。

（基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质）

课堂深化探究

一　基因工程的应用　　　　　　　　　　

完成基因工程的应用表格，了解应用成果。

转基因生物

目的基因

成果举例

植

物

基

因

工

程

抗虫转基因植物

抗虫基因：

Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因

抗虫水稻、抗虫棉、抗虫玉米

抗病转基因植物

抗病毒基因：

病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因；抗真菌基因：

几丁质酶基因、抗毒素合成基因

抗病毒烟草、抗病毒小麦、抗病毒番茄、抗病毒甜椒

抗逆转基因植物

抗逆转基因：

渗透压调节基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因

抗盐碱和抗干旱的烟草、抗寒番茄、抗除草剂的大豆和玉米

改良品质的转基因植物

优良性状基因：

提高必需氨基酸含量的蛋白质编码基因、控制番茄成熟的基因、与花青素代谢有关的基因

高赖氨酸玉米、耐储存番茄、新花色矮牵牛

动

物

基

因

工

程

提高生长速度的

转基因动物

外源生长激素基因

转基因绵羊、转基因鲤鱼

生产药物的转基因动物

药用蛋白基因＋乳腺蛋白基因的启动子

乳腺生物反应器

改善畜产品品质的转基因动物

肠乳糖酶基因

乳汁中含乳糖较少的转基因牛

作器官移植供体的转基因动物

外源的抗原决定基因表达的调节因子或除去供体的抗原决定基因

利用克隆技术培育没有免疫排斥反应的猪器官

基

因

治

疗

体外基因治疗

腺苷酸脱氨酶基因

治疗复合型免疫缺陷症

体内基因治疗

治疗囊性纤维化病基因

治疗遗传性囊性纤维化病

二．　蛋白质工程

1．蛋白质工程的概念

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．

三.基因工程与蛋白质工程的比较

项目

区别　　　

与联系　　

蛋白质工程

基因工程

区

别

过程

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

获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定

实质

定向改造或生产人类所需的蛋白质

定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品

结果

可生产自然界没有的蛋白质

只能生产自然界已有的蛋白质

联　系

（1）蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程

（2）基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造

对应训练

1.【答案】AB

【解析】基因工程的一个重要理论依据是不同的生物共用一套遗传密码，所以相同的基因在不同生物体内表达产生相同的蛋白质；将目的基因导入到动物细胞中，常用显微注射法；目的基因导入到受体细胞后，与受体细胞的基因组融合，随受体细胞（导入目的基因的受精卵）的分裂而复制传递，因此乳腺细胞和其他体细胞含有相同的基因，都含有人的凝血因子基因；DNA连接酶用于连接DNA的磷酸二酯键，与转录无关，转录需要RNA聚合酶。

2.【解析】过程①中通过逆转录法获得的目的基因，可用于基因工程，但该目的基因中不存在内含子和非编码序列，因此不能用于比目鱼的基因组测序；将多个抗冻基因编码区相连形成的能表达的新基因可能不再是抗冻基因；利用农杆菌的目的是将重组质粒导入受体细胞，而不是筛选重组质粒；应用DNA探针技术，可以检测受体细胞中是否成功导入了目的基因，但不能检测目的基因是否完全表达。

【答案】B

3．B解析：

农杆菌能在自然条件下感染双子叶植物和裸子植物，而对大多数的单子叶植物没有感染能力，而水稻属于单子叶植物。

限时训练

题组一　基因工程应用

1.【答案】AB

【解析】基因工程的一个重要理论依据是不同的生物共用一套遗传密码，所以相同的基因在不同生物体内表达产生相同的蛋白质；将目的基因导入到动物细胞中，常用显微注射法；目的基因导入到受体细胞后，与受体细胞的基因组融合，随受体细胞（导入目的基因的受精卵）的分裂而复制传递，因此乳腺细胞和其他体细胞含有相同的基因，都含有人的凝血因子基因；DNA连接酶用于连接DNA的磷酸二酯键，与转录无关，转录需要RNA聚合酶。

2.答案：

（1）4　

（2）2　1　（3）复制　（4）DNA水解酶　（5）表面无相应的特异性受体　（6）抗性

解析：

（1）BamHⅠ在①中有2个切点，HindⅢ在①中有1个切点，故可切出4种DNA片段。

（2）据题图HindⅢ、BamHⅠ酶切后得到两种外源DNA片段，则用DNA连接酶连接后可获得2种重组质粒。

同理，用BstⅠ与BamHⅠ酶切后，得到一种外源DNA片段，则用DNA连接酶连接后，可获得1种重组质粒。

（3）质粒进入宿主细胞必须能正常复制才能为目的基因的扩增提供必要的条件。

（4）因为植物细胞中有能降解TDNA的酶（DNA水解酶）。

（5）不同生物的基因不同，表达产物的蛋白质也不同。

从而造成人类肠上皮细胞表面无相应毒素蛋白的受体。

（6）转基因与非转基因作物混种，可降低抗性作物对害虫的选择性，使害虫种群中的抗性基因频率增长速率减慢。

3　A

题组二蛋白质工程

4　A　蛋白质工程以基因工程为基础，又称为第二代基因工程。

蛋白质工程不仅能生产天然蛋白质，还可以定向改造控制蛋白质合成的相应基因中的脱氧核苷酸序列或人工合成所需要的自然界原本不存在的基因片段，从而合成自然界中原本不存在的蛋白质。

5．A　[基因工程是通过对基因的操作，将符合人们需要的目的基因导入适宜的生物体，使其高效表达，从中提取所需的基因控制合成的蛋白质，或表现某种性状，蛋白质产品仍然为天然存在蛋白质，而蛋白质工程却是对控制蛋白质合成的基因进行改造，从而实现对其编码的蛋白质的改变，所得到的已不是天然的蛋白质。

题目中的操作中涉及的基因显然不再是原来的基因，其合成的β－干扰素也不是天然β－干扰素，而是经过改造的，是具人类所需优点的蛋白质，因而整个过程利用的生物技术为蛋白质工程。

]

6．D　[转基因植物的培育中转入外源基因常用农杆菌转化法、基因枪法等；由于每种氨基酸可由不同的密码子决定，因此，用氨基酸序列推测合成的目的基因与原基因的编码区中的外显子不一定相同；DNA探针能检测饮用水中的病毒，由于作用原理是DNA分子杂交，因此对重金属无效；运载体有多种限制酶切点以便与外源基因结合，一种限制酶只有一个切点，才能确保结合的精确。

]

7．D　[蛋白质工程是通过基因定点诱变或重组DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质或创造新蛋白质的过程。

]

8．

（1）原胰岛素mRNA　逆转录　

（2）特定的限制性核酸内切酶　环状　黏性　（3）目的基因导入受体细胞　重组　扩增　（4）确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列　（5）C

9.【解析】

（1）构建新的胰岛素模型的主要依据是蛋白质的预期功能。

（2）根据蛋白质的预期功能，推测新的胰岛素中氨基酸的序列，进而推断基因中的脱氧核苷酸序列来合成新的胰岛素基因。

（3）植物基因工程最常用的转化方法是农杆菌转化法。

（4）限制酶识别特定的核苷酸序列，产生特定的黏性末端，而DNA连接酶对所连接的DNA两端碱基序列却没有专一性要求。

（5）生产自然界本来没有的蛋白质需要用到蛋白质工程、基因工程等技术。

【答案】

（1）蛋白质的预期功能

（2）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合成仪来合成新的胰岛素基因。

（3）

（4）农杆菌转化法

（5）蛋白质工程　基因工程

高考真题体验

1.解析　将多个抗冻基因编码区相连成能表达的新基因，合成的蛋白质为新的蛋白质，不能得到抗冻性增强的抗冻蛋白，故选项B正确；过程①是利用反转录法合成目的基因，由于没有非编码区和编码区中的内含子，不能用于比目鱼基因组测序；用作载体的质粒，必须具有标记基因才能便于检测和筛选；应用DNA探针技术，可检测转基因抗冻番茄中目的基因的存在和转录，但不能检测是否成功表达，故选项A、C、D错误。

答案　B

2.答案：

（1）胰蛋白（或胶原蛋白）　

（2）启动子　终止子　（3）对干扰素基因特异的DNA引物　TaqDNA聚合酶　（4）扩大细胞贴壁生长的附着面积

解析：

（1）为了将动物组织分散并得到单个细胞，可以用胰蛋白酶处理动物细胞。

（2）在基因工程中，构建表达载体时，需要将目的基因插入启动子和终止子之间，以使目的基因得到高效表达。

（3）PCR过程模拟的是细胞内DNA分子的复制过程，需要模板、原料、能量、酶（DNA聚合酶）、适宜的温度和酸碱度等，同时需要加入设计好的引物。

（4）为了防止发生接触抑制现象而放入小玻璃珠可以增加细胞贴壁生长的附着面积，同时珠内中空，有利于空气交换。