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第三节 蛋白质工程
课标领航
通过本节的学习，我能够
1．理解蛋白质工程与基因工程的关系。
2．描述蛋白质工程的基本原理。
3．举例阐述蛋白质工程的应用和发展。
情景导引
人类可以创造出自然界不存
在的蛋白质吗？答案是肯定
的。例如：科学家已生产出
一种以前必须从南极鱼类体
中提取的抗冻蛋白质。这一
技术可用于储存大量新鲜的动植物和人类的组织细胞，防止形成冰晶，破坏脆弱的细胞膜和细胞的内部结构。你想了解这方面的知识吗？
核心要点突破
知能过关演练
第三节
基础自主梳理
基础自主梳理
一、蛋白质工程的概念和原理
1．蛋白质工程是指通过__________与生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能，并借助计算机辅助设计、______________和重组DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。基因工程是蛋白质工程中的关键技术，因此，蛋白质工程又被称为________________。
物理化学
基因定点诱变
第二代基因工程
2．实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质的_____和_____的关系，应用X射线晶体衍射法，可以测定蛋白质的三维空间结构，利用__________法可以了解其构象。
3．根据蛋白质被改造部位的多少，可以将对蛋白质的改造分成______、______、______。
结构
功能
核磁共振
大改
中改
小改
4．“大改”是指根据氨基酸的性质和特点，设计并制造出___________________________，使之具有特定的氨基酸序列、空间结构和预期功能。“中改”是指在蛋白质分子中替代某一个肽段或一个特定的结构域。“小改”是指通过基因工程中的定点诱变技术，有目的地改造蛋白质分子中___________的1个或几个氨基酸残基，以改善蛋白质的性质和功能。____________________是改变蛋白质结构的核心技术之一。
自然界中不存在的全新蛋白质
某活性部位
基因的定点诱变技术
思考感悟
1．对天然蛋白质进行改造，是直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？
【提示】 对基因的操作。
二、蛋白质工程的应用
1．蛋白质工程可通过改造酶的结构，有目的地提高酶的热稳定性，如在蛋白质分子中引入_______可以显著提高蛋白质的热稳定性。
2．科学家发明的利用鼠源杂交瘤抗体来处理癌细胞的方法，对癌细胞有一定的杀伤力，但也有导致机体高度过敏的副作用。为了解决这一问题，科学家又对该抗体进行了改造，生产出效果良好的_______________。
二硫键
鼠—人嵌合抗体
3．我国科学家为蛋白质工程的理论和技术发展做出的积极贡献，最著名的是完成了_____________的人工合成。
4．蛋白质工程使我们不仅能更充分地利用自然界存在的基因和蛋白质，而且能在_________上对基因和蛋白质进行再设计和改造，进而创造出自然界不存在的基因和蛋白质。
结晶牛胰岛素
分子水平
思考感悟
2．一般的藻类植物仅能生活在40 ℃以下的水环境中，但也有少数种类的藻类植物可以生活在80 ℃以上的温泉中。若从酶的角度考虑，其主要原因是什么？
【提示】 温泉藻类植物体内酶肽链中的某些氨基酸与一般藻类植物的不同，导致了酶的热稳定性的差异。
核心要点突破
蛋白质工程的概念和原理
1．产生
基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们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。这就需要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样，人们又开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生。
2．基本原理
(1)从理论上分析，蛋白质工程的最基本原理就是中心法则的逆推。
(2)过程：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→找到相对应的脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质。
3．蛋白质工程与基因工程的比较
基因工程 蛋白质工程
操作环境(场所) 生物体外 生物体外
操作核心 基因 基因
操作起点 目的基因 预期的蛋白质功能
基本过程 剪切→拼接→导入→表达 确定蛋白质功能→应有的高级结构→应具备的折叠状态→应有氨基酸序列→应有的碱基序列→改造的蛋白质
实质 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(基因的异体表达) 定向改造或生产人类所需的蛋白质
结果 生产自然界已存在的蛋白质 可以创造出自然界不存在的蛋白质
【特别提醒】 ①蛋白质工程最终还是回到基因工程上来，因为蛋白质的合成由基因控制，所以说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。
②基因工程中的目的基因一般为自然界存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是天然存在的。
(2011年陕西安康高二检测)某多肽链的一段氨基酸序列是：…—甲硫氨酸—色氨酸—苯丙氨酸—色氨酸—…(氨基酸及对应的密码子为：甲硫氨酸AUG，色氨酸UGG，苯丙氨酸UUU、UUC)
(1)怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。
(2)确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因(DNA)
例1
【思路点拨】 本题考查蛋白质工程的原理及实例，解答本题应突破以下几点：
①首先设计蛋白质氨基酸序列。
②找到对应的脱氧核苷酸序列。
③根据DNA(基因)脱氧核苷酸序列进行人工合成或进行基因改造。
【尝试解答】 (1)根据氨基酸序列反推mRNA密码子序列，再反推DNA上碱基序列。其DNA碱基序列为：
…－TACACCAAGACC－…
| | | | | | | | | | | | | 或
…－ATGTGGTTCTGG－…
…－TACACCAAAACC－…
| | | | | | | | | | | | |
…－A TGTGGTTTTGG－…
(2)确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法，或从基因库中获取。
【解析】 由氨基酸序列知，翻译该蛋白质的mRNA上碱基序列为…—AUGUGGUUCUGG—…或…—AUGUGGUUUUGG—…。由mRNA上碱基序列知，转录产生mRNA的DNA碱基序列为：
…－TACACCAAGACC－…
| | | | | | | | | | | | | 或
…－ATGTGGTTCTGG－…
…－TACACCAAAACC－…
| | | | | | | | | | | | |
…－A TGTGGTT TTGG－…
【互动探究】 由上述氨基酸序列推导出的目的基因为什么有多种？
【提示】 一种氨基酸可以由一种或几种不同的密码子决定，这样推导出的基因也就有多种。
跟踪训练 蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是( )
A．氨基酸结构 B．蛋白质空间结构
C．肽链结构 D．基因结构
解析：选D。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，对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。其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，但因为基因决定蛋白质，因此对蛋白质的结构进行设计改造，归根到底还需要对相应的基因进行操作，按要求进行修饰、加工、改造，使之能控制合成人类需要的蛋白质。
定点诱变技术和非定点诱变技术
1．定点诱变技术：基因的定点诱变技术是改变蛋白质结构的核心技术之一。
项目 内容
条件 原料 脱氧核苷酸
酶 DNA聚合酶和DNA连接酶
引物 含突变顺序的DNA分子片段
能量 ATP
操作方法 PCR技术
结果 后代中半数为诱变的DNA分子
适用范围 空间结构完全清楚的蛋白质
(1)适用对象：适用于对已知空间结构的蛋白质，进行“小改”。
(2)特点：定点诱变有目的性和针对性。
(3)常用操作方法：PCR技术是目前常用的方法之一。
(4)具体操作过程：人工合成带有突变位点的引物→通过技术扩增获得定点突变的基因→通过基因工程的方法，将目的基因导入受体细胞→在受体细胞内转录和翻译合成所需的蛋白质。
(5)结果：完成对蛋白质分子的“小改”。即通过定点诱变技术在蛋白质肽链中引入替代氨基酸，从而改变其结构，有目的地改造蛋白质的功能。
2．非定点诱变技术
(1)适用对象：对于不能预先确定诱变位点的蛋白质，可采用非定点诱变来进行蛋白质的改造。
(2)特点：非定点诱变突变位点多，有时甚至会产生出意想不到的改造效果。
下图为蛋白质的定点诱变过程的部分过程图解，请据图解回答下列问题：
例2
(1)图中的质粒的本质是_____________________
________________________________________。
(2)将定点诱变过的质粒引入细胞进行复制后，可得到________种结果，图示的三对碱基的组成分别是________________、________________________。
(3)图示的这种对遗传物质的改造和人工诱变的区别是_______________________________________
_________________________________。
(4)通过图示技术实现对蛋白质的改造属于________________________________________________________________________。
【尝试解答】 (1)小型环状DNA分子 (2)两种 CTG//GAC CGG//GCC (3)人工诱变是遗传物质的不定向改变，而基因的定点诱变技术是对遗传物质的定向改变 (4) 小改
【解析】 基因的定点诱变技术是实现蛋白质小改的核心技术，其实质是通过基因水平的改造，实现对蛋白质分子结构的改造，与人工诱变相比这是一种定向的基因改造，而人工诱变则是不定向的。基因的定点诱变技术其原理是DNA分子的半保留复制，通过利用人工合成的含有所需突变顺序的引物，利用DNA多聚酶合成完整的链，再用DNA连接酶连接，从而得到定点诱变了的DNA分子，这样的DNA分子表达的结果，得到个别氨基酸发生改变的蛋白质分子。
跟踪训练 下列关于基因定点诱变技术的说法，正确的是( )
A．对任何蛋白质的改造都可以用基因定点诱变技术
B．对于已知空间结构的蛋白质的改造可以采用基因定点诱变技术
C．基因定点诱变技术是蛋白质工程中必须用到的技术
D．采用基因定点诱变技术通常可以改变蛋白质中多种氨基酸
解析：选B。基因定点诱变技术是“小改”时所用的一项技术，是有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的1个或几个氨基酸残基，是改变蛋白质结构的核心技术之一。主要应用于空间结构已知的蛋白质，对于空间结构未知的蛋白质用非定点诱变来进行蛋白质的改造。
蛋白质工程的应用
利用蛋白质工程改造或者设计制造出的人工蛋白，在活性、稳定性及抗原性等方面都优于天然蛋白质。
1．提高蛋白质的热稳定性
一种方法是通过替换酶的几种氨基酸，可以提高酶的热稳定性；另一种方法是在蛋白质分子中引入二硫键也可提高蛋白质的热稳定性。
2．改变蛋白质的活性
组织纤溶酶原激活物(t—PA)专一激活人体内的纤溶系统，保证血液循环的畅通。但t—PA进入血浆后大部分与纤溶酶原激活剂抑制物形成复合物，并迅速失去活性。利用蛋白质工程将t—PA分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺后，t—PA在血液循环中的停留时间会大大延长。
3．合成嵌合抗体
小鼠单克隆抗体的制备比较简单，但这种鼠源性的单克隆抗体会被人的免疫系统排斥，不能直接用于人体。嵌合抗体就是保留鼠单克隆抗体的可变区，而用人体抗体的恒定区替换鼠单克隆抗体的恒定区，这种嵌合抗体的抗原性显著下降，而抗体的特异识别功能没有丧失，可用于临床治疗。
目前蛋白质工程成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还不够，要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需经过艰辛的探索。
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，需经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：
例3
(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？
【尝试解答】 (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)根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，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。
【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，即速效胰岛素。(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，需对原有胰岛素进行改造，根据新的胰岛素模型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。
跟踪训练 下列关于蛋白质工程应用的叙述正确的是(多选)( )
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
解析：选ABD。蛋白质工程是依据人们设计的蛋白质分子结构来改造基因，进而控制合成或改变自然界中的蛋白质，而在大肠杆菌中生产人胰岛素利用基因工程技术便可达到。
知能过关演练
本部分内容讲解结束
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第一节 基因工程概述
课标领航
通过本节的学习，我能够
1．简述基因工程的诞生过程和发展历程。
2．理解并阐释基因工程的实质，说出基因工程中基本工具的特点及作用。
3．概述基因工程的基本原理和技术过程。
情景导引
对婴儿进行母乳喂养好处是很
多的，不过你听说过让山羊生
产“人奶”吗？俄罗斯和白俄
罗斯的科学家经过多年的研究，
已成功地培育出了一批能生产
“人奶”的转基因山羊。该项目负责人埃琳娜·萨德奇科娃博士介绍说，乳铁蛋白是人奶中所含有的一种天然抗生素，可以帮助不具备成熟免疫系统的婴儿提高免疫力。
然而，普通羊的乳汁中没有这一成分。他们将人体的乳铁蛋白基因转移到山羊的基因组中，使转基因山羊能够分泌出含人体乳铁蛋白的乳汁。你知道怎样才能将人体的乳铁蛋白基因转移到山羊体内吗？
核心要点突破
知能过关演练
第一节
基础自主梳理
基础自主梳理
一、基因工程诞生的背景
1．艾弗里证明了_________________；沃森和克里克阐明了_____________________；尼伦贝格等破译了遗传密码，以上成就为基因工程的创立提供了重要的理论依据。
2．限制性核酸内切酶和_____________等工具酶、质粒等载体和逆转录酶的发现，则直接促使了基因工程的诞生。
DNA是遗传物质
DNA分子的双螺旋结构
DNA连接酶
3．1973年，美国科学家科恩等将两种不同来源的DNA分子进行体外重组，并首次实现了在大肠杆菌中的表达，创立了__________生物的新技术——基因工程。
4．基因工程的诞生和发展大约经历了三个时期：1973～1976年为开始期；1977～1981年为发展期；1982年以后为迅猛发展和实际应用期。
定向改造
二、基因工程的概念
方法 在体外通过人工剪切和拼接等方法
原理 对生物的基因进行改造和_________
操作水平 基因水平
过程 包括基因的分离、转移及在受体细胞内的复制和表达等
目的 获得人类需要的__________
重新组合
基因产物
三、基因工程的操作工具——酶与载体
1．“分子手术刀”
基因工程中常用的能够准确切割DNA的“手术刀”是限制性核酸内切酶，它的特点是每一把“手术刀”只能识别特定的________序列，并在特定的位点上切割DNA分子，由其切割后的DNA分子有的形成__________，有的形成平口末端。
核苷酸
黏性末端
2．“分子针线”
由同一种限制性核酸内切酶切割的两种来源不同的DNA分子的“黏性末端”相互连接的过程，一是两“黏性末端”上的核苷酸通过_____________相互结合在一起，二是DNA连接酶将DNA这把“梯子”的扶手断口连接起来。“分子针线”是对DNA连接酶的比喻。
3．载体
将外源基因导入__________时所需要的运载工具叫做载体。常用的载体有质粒、噬菌体以及一些可以起载体作用的______________。______是最早应用的载体。
碱基互补配对
受体细胞
动、植物病毒
质粒
思考感悟
1．科学家利用噬菌体和动、植物病毒做载体的理由主要是什么？
【提示】 噬菌体和绝大多数动、植物病毒仅由蛋白质外壳和DNA分子组成，其中的DNA分子能与目的基因构成重组DNA分子；重组的DNA分子可在宿主细胞内进行复制和表达。
四、基因工程的一般过程与技术
1．基因工程的基本过程
(1)获取__________。
(2)制备_______________。
(3)转化受体细胞。
(4)筛选______________的受体细胞。
(5)培养受体细胞并实现__________________等。
目的基因
重组DNA分子
获得目的基因
目的基因功能表达
2．基因工程技术的应用
(1)培育出能________的转基因玉米。
(2)转基因植物的推广与应用已经带来了巨大的__________和经济效益。
(3)转基因__________也得到了迅速发展。
思考感悟
2．耐贮存转基因番茄在室温条件下可贮藏40～55天，在培育过程中将用到哪些工具酶？
【提示】 限制性核酸内切酶和DNA连接酶。
抗虫害
社会效益
动物技术
核心要点突破
几种工具酶的作用比较
1．DNA连接酶与DNA聚合酶的比较
DNA连接酶 DNA聚合酶
相同点 催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键
不同点 模板 不需要模板 需要DNA的一条链为模板
作用对象 游离的DNA片段 单个的脱氧核苷酸
作用结果 形成重组DNA分子 形成DNA的一条链
用途 基因工程 DNA复制
2.限制性核酸内切酶与DNA解旋酶的比较
(1)相同点：都作用于DNA分子中的化学键。
(2)不同点
①作用部位不同：前者作用于磷酸与脱氧核糖之间的磷酸二酯键，而后者作用于两个碱基之间的氢键。
②作用结果不同：限制性核酸内切酶在DNA分子特定部位切割DNA；DNA解旋酶是把双链DNA分子间氢键打开使双链DNA成为两个互补的单链DNA分子。
【特别提醒】 限制性核酸内切酶具有专一性，能识别特定的DNA序列，切出能互补配对的黏性末端或平口末端。
3．DNA连接酶与限制性核酸内切酶的比较
(1)区别
作用 应用
限制性核酸内切酶 使特定部位的磷酸二酯键断裂 用于提取目的基因和切割载体
DNA连接酶 在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键 将载体与外源基因组成一个重组DNA分子
(2)两者的关系可表示为：
【特别提醒】 由于核苷酸分子间的氢键是分子间作用力， 其断裂与重新形成均与限制性核酸内切酶、DNA连接酶无关。
限制酶Ⅰ的识别序列和切点是－G↓GATCC－，限制酶Ⅱ的识别序列和切点是－↓GATC－。在质粒上有酶Ⅰ的一个切点，在目的基因的两侧各有一个酶Ⅱ的切点。用上述两种酶分别切割质粒和含有目的基因的DNA。
(1)请画出质粒被限制酶Ⅰ切割后所形成的黏性末端。
(2)请画出目的基因两侧被限制酶Ⅱ切割后所形成的黏性末端。
(3)在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制性核酸内切酶切割后形成的黏性末端能否连接起来？为什么？
例1
(3)能连接。因为由两种不同的限制酶切割后形成的黏性末端是相同的(或是可以互补的)。
【解析】 限制酶能识别DNA分子上特定的序列和切点，并进行切割。限制酶具有专一性，即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列。被限制酶Ⅰ和限制酶Ⅱ切开的DNA两条单链的切口，各含有几个伸出的、可互补配对的核苷酸，这种切口就是黏性末端。黏性末端之间，只要切口处伸出的核苷酸之间存在互补关系，就可能在DNA连接酶的作用下连接起来。虽然限制酶Ⅰ和限制酶Ⅱ识别的序列和切点是不同的，但是形成的黏性末端是相同的，存在着互补关系，因此在DNA连接酶的作用下是可以连接起来的。
【规律方法】 限制性核酸内切酶的作用特点
①限制性核酸内切酶所识别的DNA序列，无论是6个碱基还是4、5、8个碱基，都可以找到一条中心轴线，中心轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。
②若限制性核酸内切酶在识别序列的中心轴线的两侧分别切割，则得到黏性末端；若限制性核酸内切酶在识别序列的中心轴线处进行切割，则得到平口末端。
跟踪训练 下图中所示黏性末端属于由同一种限制酶切割而成的是( )
①－T－C－G－
| | |
－A－G－C－T－T－A－A－
②－C－A－
| |
－ G－T－T－C－C－A－
③－A－A－T－T－C－
|
－ G－
④－A－G－C－T－T－C－
|
－ A－G－
A．①② B．①③
C．①④ D．②③
解析：选B。限制酶的主要特点是能够识别特定的核苷酸序列，并且有唯一的切点。由于DNA双链上的碱基互补配对，一条链上的碱基序列与另一条链上的碱基序列反向排列，因此一种限制酶所识别的一条链上的碱基序列与另一条链上反向序列相同，并且有唯一的切点，这个切点在两条链上也是相同的。从图中可以看出，①的一条链上游离碱基是－T－T－A－A－，另一条链上与之对应的应该是－A－A－T－T－，这样③的碱基符合要求，如果将③与①配对起来，则可看出上下两条链之间的切点都在G－A之间。再分析②与④，游离的碱基不能互补配对，其他组合也不能互补配对。
基因的运载工具——载体
1.
作用 将外源基因送入受体细胞
条件 ①能在宿主细胞内复制并稳定地保存
②具有多个限制酶切点
③具有某些标记基因
种类 常用的载体有质粒、噬菌体、动植物病毒
质粒 ①结构：细菌细胞中的很小的环状DNA分子
②特性：质粒的存在对宿主细胞无影响，质粒的复制只能在宿主细胞内完成
③质粒是最早应用的载体
④重组质粒的形成：用同一种限制性核酸内切酶切割质粒和外源DNA分子，并通过DNA连接酶的连接，就能将质粒和外源DNA分子组成一个重组质粒(重组DNA分子)
2.质粒载体的基本结构
最简单的质粒载体必须包括三个部分：
(1)复制区，含有复制原点。
(2)遗传标记基因，主要是抗性基因，如抗生素抗性标记基因或某些生化表型的标记基因，可用于鉴定与筛选重组DNA分子。
(3)目的基因(外源基因)插入位点，即限制性核酸内切酶的切割位点，便于外源DNA分子的插入。此外，质粒载体一般还具有低分子量(小分子质粒易于操作，也易于分离纯化)等特征。
(2011年南通高二检测)作为基因的运输工具——质粒载体，必须具备的条件及理由是( )
A．能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因
B．具有多个限制性核酸内切酶切点，以便于目的基因的表达
C．具有某些标记基因，以便为目的基因的表达提供条件
D．能够在宿主细胞中复制并稳定保存，以便于进行筛选
例2
【尝试解答】 __A__
【解析】 质粒具有能够稳定地在宿主细胞内复制的特性，可以达到大量繁殖目的基因的目的，使基因工程的成功率更高。具有多个限制性核酸内切酶切点，以便与外源基因连接；具有某些标记基因，便于进行筛选，如对抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。
跟踪训练 质粒之所以能做基因工程的载体，是由于它( )
A．含蛋白质，从而能完成生命活动
B．能够自我复制，而保持连续性
C．是RNA，能够指导蛋白质的合成
D．具有环状结构，能够携带目的基因
解析：选B。质粒存在于细菌和酵母菌等生物中，是一种很小的环状DNA分子，上有标记基因，便于在受体细胞中检测。质粒在受体细胞中，能随受体细胞DNA复制而复制，进行目的基因的扩增和表达。
基因工程的基本过程
基因工程也称为DNA重组技术，是现代生物技术的主体技术。基因工程能打破种属界限，在基因水平上定向地改造生物的遗传特性，从而更好地为人类服务。基因工程的具体过程包括以下四步：
第一步：获得目的基因。目的基因是基因工程设计中所需要的某些DNA分子片段，含有所需要的完整的遗传信息。目前获取目的基因的方法较多，主要有直接分离、人工合成等方法。
直接分离基因：最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“散弹射击法”。鸟枪法的具体做法是：用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，将这些片段分别载入载体，然后通过载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞所提供的DNA(外源DNA)的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制(在遗传学中叫做扩增)，从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来。如许多抗虫、抗病毒的基因都可以用上述方法获得。
反转录法：先分离出目的基因转录出的mRNA，再在反转录酶的作用下，以RNA为模板合成所需要的目的基因。
此外，也可以根据目的蛋白质的氨基酸序列，先人工合成出相应的RNA，再用反转录法得到目的基因。
第二步：制备重组DNA分子。常用的载体有细菌质粒、噬菌体、动植物病毒等。具体做法是：先用同一种限制酶处理目的基因和载体，使两者形成相同的黏性末端(或平口末端)，然后利用DNA连接酶将两者连接成重组DNA分子。
重组DNA分子的组成：目的基因＋启动子＋终止子＋标记基因，如图。
(1)启动子：一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端。它是RNA聚合酶识别、结合的部位。
(2)终止子：一段有特殊结构的DNA短片段，位于基因的尾端。作用是使转录过程停止。
(3)标记基因：一般为抗生素抗性基因或荧光基因等，其作用是鉴别细胞中是否有目的基因(目的基因是否导入成功)。
第三步：转化受体细胞。载体一般都具有侵入细胞的特性，重组DNA分子可以借助这一特性顺利进入受体细胞。有时也可以使用CaCl2等物质处理受体细胞，使得重组DNA分子更容易导入。
第四步：筛选出获得目的基因的受体细胞。可以根据受体细胞是否具有某些标记基因(充当载体的DNA分子所具有的某些特殊碱基序列)判断目的基因是否成功导入。
第五步：培养受体细胞并诱导目的基因的表达。
采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的做法正确的是( )
①将毒素蛋白注射到棉受精卵中 ②将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中 ③将编码毒素蛋白的DNA序列，与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养 ④将编码毒素蛋白的DNA序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵
A．①② B．②③
C．③④ D．①④
例3
【尝试解答】 __C__
【解析】 采用基因工程的方法培育抗虫棉，首先要获取目的基因，即抗虫基因，然后将目的基因与载体结合，目前常用的载体有质粒等。结合后的质粒就是重组质粒，再将重组质粒导入受体细胞中。而现在的受体细胞就是子房内的受精卵，故C项是正确的。
【规律方法】 重组DNA分子导入受体细胞的分析比较
受体细胞种类 植物细胞 动物细胞
常用方法 农杆菌转化法 显微注射技术
受体细胞特点 体细胞 受精卵
转化过程 将重组DNA分子→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的DNA分子并得到表达 将重组DNA分子提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物
实例 培育抗软化番茄 培育转基因小鼠
跟踪训练 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( )
A．人体细胞中凝血因子基因编码区的碱基对数目等于凝血因子氨基酸数目的3倍
B．可用显微注射技术将含有人凝血因子的重组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中，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合成mRNA
解析：选B。在人体细胞中，凝血因子基因编码区既有内含子，也有外显子。内含子不能编码氨基酸，所以凝血因子基因编码区的碱基对数目要大于凝血因子氨基酸数目的3倍。多细胞生物体的个体发育起点为受精卵，受精卵经有丝分裂形成一个完整的个体，所以转基因羊中人凝血因子基因不仅存在于乳腺细胞中，其他体细胞中也有，只是没有表达。人凝血因子基因开始转录后，以DNA分子的一条链为模板合成mRNA，在这一过程中用的是RNA聚合酶而不是DNA连接酶。
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第二节 基因工程的应用
课标领航
通过本节的学习，我能够
1．举例说出基因工程的应用及取得的丰硕成果。
2．关注基因工程的发展，讨论转基因生物的利弊。
3．了解并简述生物武器对人类的主要威胁及应用办法。
情景导引
转基因食品安全吗？
民意调查显示，66%的法国人认
为转基因食品对健康有害，在英
国只有14%的消费者愿意接受转
基因食品，大多数消费者对转基
因生物的安全性持怀疑态度。我
们该如何科学地认识转基因生物的安全性呢？
核心要点突破
知能过关演练
第二节
基础自主梳理
基础自主梳理
一、基因工程的应用
1．转基因生物是指利用基因工程技术导入_________培育出的、能够将新性状稳定地遗传给后代的基因工程生物。
2．通过基因工程培育新的动植物品种的最突出优点是定向改造生物性状、能打破常规育种难以突破的_____之间的界限。
3．基因工程与人类健康的关系十分密切，突出表现在基因诊断和基因治疗方面。
外源基因
物种
4．基因诊断又称为DNA诊断，是采用_________的方法来判断患者是否出现了基因异常(如遗传病患者的基因缺陷)或携带病原体(如乙型肝炎病毒)等。基因治疗是指利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法。
思考感悟
1．江苏省南京鼓楼医院将基因诊断技术用于孕妇产前检查，以降低新生缺陷儿的比例，提高人口素质。你知道基因诊断依据的原理吗？
【提示】 DNA分子碱基互补配对或DNA分子杂交。
基因检测
二、转基因生物的安全性问题
1．转基因生物的安全性问题开始引起人们的关注，例如转基因植物，不仅要考虑它们的食用安全问题，还需要考虑其对________的影响。
2．对于转基因生物及其产品，我们应当科学地______、______和利用，应保障公众对所购的食品是否来源于转基因生物拥有________。国家应当建立相应的评估和预警机制。
生态系统
认识
评估
知情权
思考感悟
2．生长快、体形大、肉质细、味道美的转草鱼生长激素基因三倍体鲤鱼，是由我国转基因鲤鱼研究小组近年取得的重要成果。专家们将转草鱼生长激素基因鲤鱼培育为三倍体的主要目的是什么？
【提示】 三倍体生物高度不育，可以防止转基因鲤鱼破坏生态系统的稳定性。
三、生物武器的危害性
1．利用转基因技术，在一些不致病的微生物体内插入__________，或在一些致病的细菌或病毒中插入能对抗普通疫苗或药物的基因，就会培育出新的致病微生物或新的抗药性增强的微生物，这些微生物可能被制造成_________、__________、毒性更强的生物武器。
致病基因
容易储存
便于携带
2. 人类基因组计划的完成也为生物武器的研制创造了条件。例如，对不同种群__________的特性的阐明，就有可能被用于研制针对特定种群的生物武器。
3．科学技术是一把“双刃剑”，生物科学技术也不例外，它既能在许多方面造福人类，也可能因用于______________而造成灾难。必须要用______和道德规范管好它，这样生物科学才能真正朝着健康的方向发展。
基因组成
制造生物武器
法律
核心要点突破
基因工程的应用
1．基因工程硕果累累
项目
类型 外源基因类型及举例 成果举例
植物基因工程的成果 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、植物凝集素基因等 抗虫水稻、抗虫棉和抗虫玉米等
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：几丁质酶基因和抗毒素合成基因
抗病毒烟草、抗病毒小麦、抗病毒番茄和抗病毒甜椒等
抗逆转基因植物 抗逆基因：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、控制番茄果实成熟的基因、与花青素代谢有关的基因 富含赖氨酸的玉米、耐储存番茄、新花色矮牵牛
项目
类型 外源基因类型及举例 成果举例
动物基因工程的成果 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、转基因鲤鱼等
改善畜产品品质的转基因动物 肠乳糖酶基因 乳汁中乳糖含量较少甚至没有的转基因牛
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等调控组件 转基因动物具有乳腺生物反应器(或乳房生物反应器)
作为器官移植供体的转基因动物 导入某种调节因子以抑制抗原决定基因的表达或设法除去供体的抗原决定基因 无免疫排斥反应的转基因克隆猪器官
2.基因治疗的原理及过程
(1)原理：利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法，即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。
(2)过程
【特别提醒】 基因治疗并非把健康的外源基因导入患者的所有细胞中，而只是导入某些功能细胞中，且是体细胞。
《人类基因治疗》报道，在美国佛罗里达大学基因治疗中心接受基因治疗的三名遗传性失明患者都重新获得了一定的视力，并且没有严重的副作用。基因治疗是指( )
A．把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的
B．对有缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，达到治疗疾病的目的
C．运用人工诱变方法，使有基因缺陷的细胞发生基因突变，从而恢复正常
D．运用基因工程技术，把有缺陷的基因切除，达到治疗疾病的目的
例1
【思路点拨】 本题考查基因治疗的有关知识，解答本题注意突破以下几点：
①正确理解基因治疗的原理。
②注意基因治疗和基因诊断的区别。基因诊断是在DNA水平上分析检测某一基因，从而对特定的疾病进行诊断。
【尝试解答】 __A__
【解析】 由于对基因治疗定义理解不到位，很容易错选其他选项。基因治疗只是将正常的外源基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，而细胞中的缺陷基因并未修复，基因治疗不是切除病变基因或诱发其突变。
【互动探究】 从根本上治疗白化病、苯丙酮尿症等人类遗传病是采取口服化学药物、注射化学药物或辐射诱发基因突变，还是基因治疗较好？为什么？
【提示】 基因治疗。用药物或辐射诱发基因突变可以改变原有的基因，但突变大多是有害的，很可能引起另一种新的疾病，口服或注射化学药物只能治标，不能治本。
跟踪训练 1990年科学家们对一位缺乏腺苷脱氨酶基因而患先天性体液免疫缺陷病的美国女孩进行基因治疗，其方法是首先将患者的白细胞取出作体外培养，然后用逆转录病毒将正常腺苷脱氨酶基因转入人工培养的白细胞中，再将这些转基因白细胞回输到患者的体内，经过多次治疗，患者的免疫功能趋于正常。
据材料回答下列问题：
(1)基因治疗是把健康的________________导入有________________的细胞中，以达到治疗疾病的目的。
(2)在基因治疗过程中，逆转录病毒的作用相当于基因工程中基因操作工具中的________________，此基因工程中的目的基因是____________________，目的基因的受体细胞是________________。
(3)将转基因白细胞多次回输到患者体内后，免疫能力趋于正常是由于白细胞中能合成________________。
(4)下图中甲所示的方法是从________的DNA中直接分离出基因，图乙所示的方法是用________的方法人工合成基因。
解析：第(4)小题中图甲表示用DNA限制性内切酶将供体细胞的DNA切成许多片段，然后将片段通过运载体转入到不同的受体细胞，从中找到目的基因。图乙表示用目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，再合成双链DNA，从而获得目的基因。
答案：(1)外源基因 基因缺陷
(2)运载体(或基因的运输工具) 腺苷脱氨酶基因 白细胞
(3)腺苷脱氨酶
(4)供体细胞 反转录
转基因生物的安全性问题
1．转基因生物与食物安全
(1)对食物安全性检测不仅要检测其主要成分是否发生改变，还应包括其他方面的测试结果。
(2)担心出现滞后效应。
(3)担心出现新的过敏原。
(4)担心营养成分改变。
(5)把动物蛋白基因转入农作物，是否侵犯了宗教信仰者或素食者的权益。
2．转基因生物与生物安全
(1)转基因植物可能会扩散到种植区以外，成为杂草。
(2)转基因生物可能成为“入侵的外来物种”。
(3)外源基因有可能与感染转基因生物的某些细菌或病毒杂交，重组出对人类或其他生物有害的病原体。
(4)有可能使杂草成为除草剂除不掉的“超级杂草”。
3．转基因生物与环境安全
(1)打破自然物种的原有界限，改变生态系统中的能量流动和物质循环。
(2)重组的微生物在降解某些化合物过程中所产生的中间产物，可能会对人类生活环境造成二次污染。
(3)重组DNA与微生物杂交，可能会产生有害的病原微生物。
(4)转基因植物的花粉中含有有毒蛋白或过敏蛋白，可通过蜜蜂的采集进入蜂蜜，再经过食物链的传递，有可能进入其他动物和人体内。
(2011年陕西汉中高二检测)一个学习小组的同学在对当地栽培作物种类进行调查时，发现有的地方种植了转基因抗除草剂玉米，这种玉米在喷洒除草剂的环境中生长良好，杂草被除草剂杀死，玉米还能正常生长，给农民节省了很大的人力和物力。跟踪调查还发现，这种转基因玉米除直接食用外，还被加工成食品摆在超市的货架上。请回答下列问题：
例2
(1)一部分同学认为，这种转基因玉米不会对当地生物多样性构成威胁。如果你同意这种观点，请列举出三条理由：
①__________________________________________
______________________________。
②__________________________________________
______________________________。
③__________________________________________
______________________________。
(2)用转基因玉米加工成的食品被摆在超市货架上，生产厂商根据我国的有关规定，对产品进行转基因生物标注，这样做是为了尊重________。
【尝试解答】 (1)①玉米与其他植物之间存在生殖隔离
②玉米的花粉传播距离有限
③玉米花粉的存活时间有限(或其他理由)
(2)消费者的选择权利
【解析】 本题考查转基因生物与生物安全的相关知识及转基因食品的标识。
(1)转基因生物不会对当地生物多样性构成威胁，有以下理由：转基因生物虽然具有某些新的性状，但其生命力没有人们想象的那么强，扩散到种植区以外时，会很快死亡；转基因生物的种植需有一定的水、肥等条件，以及配套的种植技术；转基因生物与其他自然生物之间存在生殖隔离，难以进行自然杂交；许多植物花粉的传播距离有限，花粉存活时间有限，具有受精能力的时间更短。
(2)2002年，我国农业部颁布了《农业转基因生物标识管理办法》，要求对转基因生物产品及其加工品加贴标识，以方便消费者自主选择，保护消费者的知情权，尊重消费者的选择权利。
A．转基因技术应用的基本原理是基因重组，转基因作物是转基因技术的一种产物
B．如果转基因作物产生了对人类健康及环境的负面影响，我们应该反对转基因技术
C．科学家必须在现有知识与技术的基础上尽量考虑转基因作物可能存在的风险并采取相应的防范措施
D．国家必须对转基因作物的研究制定相应的法律法规，并进行严格管理与有效控制
解析：选B。为了保障转基因作物的安全性，国家要制定相应的法律法规，以立法保障；人们要加强舆论监督，同时要改变观念去接受新生事物，不能因为其可能存在负面影响而全盘否定转基因技术。
生物武器的危害性
1．生物武器
生物武器的种类包括致病菌、病毒、生化毒剂，以及经过基因重组的致病菌等。把这些病原体直接或者通过食物、生活必需品等散布到敌方，可以对军队和平民造成大规模杀伤后果。
2．生物武器的特点
(1)传染性强。
(2)污染面广。直接喷洒的生物气溶胶，可随风飘到较远的地区，杀伤范围可达数百至数千平方千米。在适当条件下，生物战剂存活时间较长，不易被发现。
(3)难以防治。
(4)具有一定的潜伏期。
(5)受自然条件影响大。
3．生物武器的局限性
(1)生物武器主要指病原微生物，所以它们的生存、繁殖、死亡易受环境条件的影响。
①温度：37 ℃左右。
a．过高：40～50 ℃，细胞停止繁殖；50～70 ℃，死亡；但芽孢必须在100 ℃以上的温度条件下才会死亡；b.过低：一般会停止繁殖、生长，但不会死亡。
②湿度：大多数在干燥的空气中容易死亡，如霍乱弧菌；少数在干燥环境中仍较易存活，如结核杆菌。
(2)还受地形、风向等多种条件影响。
(3)生物武器使用不易控制，使用不当可危害本方安全。
4．基因工程与新型生物武器
(1)利用转基因技术将某些致病微生物的某些特殊基因镶嵌到一些非致病微生物的基因组内，使其转变为一些新型的生物武器，对人类产生新的危害。
(2)利用转基因技术，根据人类特定种群或民族的基因组成特点，研制针对特定种群的生物武器。
阅读下列材料，回答问题。
材料一：联合国组织的一个专家小组的研究报告指出，虽然许多国家签订了《禁止生物武器公约》，但对生物武器的研制并未停止，因此，对生物武器防治方法的研究也应得到加强。
材料二：生物战剂做成干粉或液体喷洒到空气中，形成有害的气雾云团，叫做“生物战剂气溶胶”。它的颗粒很小，肉眼很难看见，渗透力强、杀伤范围广，一些通常通过食物或昆虫传播的病原体也可以通过气溶胶由呼吸道感染，所以使人致死的剂量较其他感染途径小。
例3
(1)有可能成为“生物战剂气溶胶”病原体的生物包括哪些类群？(请列举两例)
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)人体抵抗病原体感染的第一道防线是________，最有效的防线是________________。
(3)在战争中，为预防敌方使用生物武器，你认为参战部队采取的最有效措施是________。请简述这一措施的原理
________________________________________________________________________。
【尝试解答】 (1)细菌、病毒、衣原体、立克次氏体等(答出两项即可) (2)皮肤、黏膜等 特异性免疫 (3)接种疫苗 使参战人员体内产生相应的抗体和记忆细胞，当病原体侵入时，会迅速产生强烈的免疫反应
【解析】 该题通过材料分析，考查生物武器和免疫的有关知识。作为生物武器的微生物主要有细菌、病毒、衣原体、立克次氏体等，这些病原微生物借助于其他辅助装置，在作战区内散播，首先穿过人的皮肤、消化道和呼吸道黏膜进入内环境，使作战人员失去战斗力。为预防敌方使用生物武器，可采取接种疫苗、穿隔离服等措施，其中最有效的措施为接种疫苗，其原理为产生特异性免疫使体内产生相应的抗体和记忆细胞，能够消灭生物武器中的病原微生物。
跟踪训练 与常规武器相比，生物武器具有( )
①传染性强 ②污染面积广，不易被发现 ③有一定的潜伏期 ④像核武器一样破坏建筑物 ⑤自然条件下的大雪、低温、干燥、日晒等不影响生物武器的杀伤力
A．①②③ B．②③④⑤
C．①②③④⑤ D．①②③④
解析：选A。生物武器的特点为：致病力强，传染性强，污染面积广，不易被发现，有一定的潜伏期，受自然条件影响大，如风速、气温等对传播速度影响较大，大雪、低温、干燥、日晒等能加速病菌消亡。
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