(共93张PPT)
第7课时
基因工程的应用和蛋白质工程
课标要求
1.举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。
2.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
考点一 基因工程的应用
考点二 蛋白质工程的原理和应用
内容索引
重温高考 真题演练
课时精练
考点一
基因工程的应用
1.基因工程在农牧业方面的应用
归纳 夯实必备知识
抗虫功能的基因
抗病基因
降解或抵抗
蛋白质编
码基因
花青素代谢相关的
外源生长激素
乳糖酶基因
乳汁
2.基因工程在医药卫生领域的应用
基因改造
显微注射
抗原决定基因
克隆
免疫排斥
3.基因工程在食品工业方面的应用
工程菌
牛凝乳酶的基因
基因工程菌
1.基因工程应用于提高植物抗逆能力，请思考回答下列转基因抗虫棉的相关问题：
(1)抗虫棉能抗病毒、细菌、真菌吗？为什么？
提示 不能。抗虫基因具有专一性。
(2)从环境保护角度出发，分析转基因抗虫棉与普通棉相比在害虫防治方面的优越性有哪些？
提示 减少了化学农药的使用量，降低了环境污染。
拓展 提升科学思维
(3)种植转基因抗虫棉若干年后，害虫会不会对转基因抗虫棉产生抗性？为什么？
提示 会。害虫会因遗传物质发生改变产生对转基因抗虫棉的抗性。
2.为提高动物的生长速度，需将外源生长激素基因导入动物体内，应该选择的受体细胞是什么？并说明理由。
提示 受精卵。受精卵体积较大，操作较容易，营养物质含量丰富，也能保障发育成的个体所有细胞都含有外源生长激素基因，全能性较高。
1.(2023·山东潍坊高三检测)基因工程蓬勃发展，下列有关基因工程的说法正确的是
A.基因工程在农牧业上的应用主要目的是培养体型巨大品质优良的动物
B.用基因工程方法培育的抗虫植物也能抗病毒
C.转基因绵羊操作过程中生长激素基因的受体细胞最好采用乳腺细胞
D.在农业方面，蛋白质工程可用于改造某些参与调控光合作用的酶，以
提高植物光合作用的效率，增加粮食产量
突破 强化关键能力
√
基因工程在农牧业上应用的主要目的是提高动物生长速度、改善畜产品品质，而不是为了产生体型巨大的个体，A错误；
用基因工程方法培育的抗虫植物只能抗虫，不能抗病毒，B错误；
转基因绵羊操作过程中生长激素基因的受体细胞最好采用受精卵细胞，因为受精卵具有全能性，C错误。
2.干扰素是治疗癌症的重要药物，它必须从血液中提取，每升人血中只能提取0.5 μg，所以价格昂贵。某生物制品公司用如下方法(如图所示)生产干扰素。从图中可以看出，该公司生产干扰素运用的方法是
A.个体间的杂交
B.基因工程
C.蛋白质工程
D.器官移植
√
从图中可以看出，整个过程为将人的淋巴细胞中控制干扰素合成的基因与质粒结合后导入酵母菌，并从酵母菌产物中提取干扰素，这项技术为基因工程。
乳腺生物反应器与工程菌的比较
归纳
总结
比较内容 乳腺生物反应器 工程菌
含义 让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白 指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的微生物
基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白相同 细菌合成的药物蛋白可能没有活性
受体细胞 动物受精卵 微生物细胞
乳腺生物反应器与工程菌的比较
归纳
总结
目的基因导入方式 显微注射法 Ca2＋处理法
生产条件 不需要严格灭菌，温度等外界条件对其影响不大 需要严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或其培养液中提取
考点二
蛋白质工程的原理和应用
1.蛋白质工程的概念
归纳 夯实必备知识
蛋白质分子
以满足人类生产和
的结构规律
生活的需求
2.蛋白质工程与基因工程的异同
项目 蛋白质工程 基因工程
过程 从预期的蛋白质功能出发→设计预期的 →推测应有的 →找到并改变相对应的 (基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
蛋白质结构
氨基酸序列
脱氧核苷酸序列
实质 定向改造或生产人类所需要的蛋白质 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_______________ _________ 只能生产________________________
联系 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
自然界中不存在
的蛋白质
自然界中已存在的蛋白质
3.蛋白质工程的应用
(1)在医药方面
①利用蛋白质工程研发 。
②实例：如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成 ，在一定条件下，可以延长保存时间。
(2)在工业方面
①蛋白质工程被广泛用于改进 或开发新的工业用酶。
②实例：枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。
药物
丝氨酸
酶的性能
(3)在农业方面
科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物_________的效率，增加粮食的产量。
光合作用
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。蛋白质工程的目标是生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质。结合图示回答有关问题：
拓展 提升科学思维
(1)写出流程图中字母代表的含义：
A. ；B. ；C. ；D. ；E. 。
(2)上图字母中属于中心法则的过程有 ，属于蛋白质工程的过程有
。
预期功能
氨基酸序列
改造或合成
转录
翻译
D、E
A、C
(3)对天然蛋白质进行改造，你认为应该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？原因是什么？
提示 应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。主要原因：①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。
3.(不定项)胰岛素可用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后易在皮下堆积，需较长时间才能进入血液，进入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影响。如图是新的速效胰岛素的生产过程，下列有关叙述错误的是
A.新的胰岛素的预期功能是构
建新胰岛素模型的主要依据
B.新的胰岛素生产过程中不涉
及中心法则
C.若用大肠杆菌生产新的胰岛素，常用Ca2＋处理大肠杆菌
D.新的胰岛素功能的发挥必须依赖于蛋白质正确的高级结构
突破 强化关键能力
√
新的胰岛素生产过程中涉及中心法则，B错误；
若要利用大肠杆菌生产新的胰岛素，常用Ca2＋处理法提高导入的成功率，C正确；
根据结构与功能相适应的原理分析，新的胰岛素功能的发挥必须依赖于蛋白质正确的高级结构，D正确。
4.β-葡聚糖酶是一种在酒类、饲料等行业中具有重要用途的工业用酶。为提高β-葡聚糖酶的催化活性，科学家将其第20位、117位和165位赖氨酸突变为丝氨酸。下列有关叙述错误的是
A.改造后的β-葡聚糖酶的耐酸碱能力增强
B.改造后的β-葡聚糖酶空间结构发生了改变
C.对β-葡聚糖酶结构的改造属于蛋白质工程
D.可通过DNA分子测序法检测突变是否成功
√
根据题干信息不能得出改造后的β-葡聚糖酶的耐酸碱能力增强，A错误。
判断基因工程和蛋白质工程
归纳
总结
(1)如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。
(2)如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。
三
重温高考 真题演练
1.(经典高考题)从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是
A.合成编码目的肽的DNA片段
B.构建含目的肽DNA片段的表达载体
C.依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽
D.筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽
1
2
3
4
√
由题意分析可知，多肽P1为抗菌性和溶血性均较强的多肽，要设计出抗菌性强但溶血性弱的多肽，即在P1的基础上设计出自然界原本不存在的蛋白质，用蛋白质工程技术可以实现。蛋白质工程的基本途径是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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。故要想在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是依据P1的氨基酸序列设计出多条模拟肽，然后进行改造，从而确定抗菌性强但溶血性弱的多肽的氨基酸序列。
1
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2.(2020·山东，25)水稻胚乳中含直链淀粉和支链淀粉，直链淀粉所占比例越小糯性越强。科研人员将能表达出基因编辑系统的DNA序列转入水稻，实现了对直链淀粉合成酶基因(Wx基因)启动子序列的定点编辑，从而获得了3个突变品系。
(1)将能表达出基因编辑系统的DNA序列插入Ti质粒构建重组载体时，所需的酶是_______________________________，重组载体进入水稻细胞并在细胞内维持稳定和表达的过程称为______。
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限制性内切核酸酶和DNA连接酶
转化
构建基因表达载体需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶，可以对目的基因和载体进行切割和连接，重组载体进入受体细胞内维持稳定和表达的过程称为转化。
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(2)根据启动子的作用推测，Wx基因启动子序列的改变影响了__________
________________________，从而改变了Wx基因的转录水平。与野生型水稻相比，3个突变品系中Wx基因控制合成的直链淀粉合成酶的氨基酸序列_______(填“发生”或“不发生”)改变，原因是_________________
_________________________。
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RNA聚合
酶与启动子的识别和结合
编码直链淀粉合成酶的碱基序列中不含启动子
不发生
RNA聚合酶与启动子识别和结合后启动转录，启动子的序列改变会影响与RNA聚合酶的识别和结合，从而改变基因的转录，3个突变品系中改变的是启动子的序列，影响mRNA的转录，而编码直链淀粉合成酶的碱基序列中不含有启动子的序列，所以编码合成的直链淀粉酶的氨基酸序列不发生改变。
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(3)为检测启动子变化对Wx基因表达的影响，科研人员需要检测Wx基因转录产生的mRNA (Wx mRNA)的量。检测时分别提取各品系胚乳中的总RNA，经________过程获得总cDNA。通过PCR技术可在总cDNA中专一性的扩增出Wx基因的cDNA，原因是_______________________________
_______________________________________________。
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逆转录
引物是根据Wx基因的一段已知序列设计合成的(或引物能与Wx基因的cDNA特异性结合)
通过mRNA获得cDNA是逆转录过程。PCR过程中需要模板、原料、酶、引物等，其中引物是根据已知基因上的一段序列合成的，这样要从总cDNA中专一性的扩增出Wx基因的cDNA，关键是要根据Wx基因的一段已知序列合成出相应的引物。
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(4)各品系Wx mRNA量的检测结果如图所示，据图推测糯性最强的品系为_______，原因是_____________________________
____________________________________________________________。
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品系3
品系3的Wx mRNA量最少，控制合成的直链淀粉合成酶的量最少，直链淀粉合成量最少，糯性最强
据题中信息可知，水稻胚乳中直链淀粉所占比例越小，糯性越强，题图中品系3中的Wx mRNA量最少，这样合成的直链淀粉合成酶的量最少，则合成的直链淀粉所占比例最小，糯性最强。
3.(2022·全国乙，38)新冠疫情出现后，病毒核酸检测和疫苗接种在疫情防控中发挥了重要作用。回答下列问题：
(1)新冠病毒是一种RNA病毒，检测新冠病毒RNA(核酸检测)可以采取RT—PCR法。这种方法的基本原理是先以病毒RNA为模板合成cDNA，这一过程需要的酶是______________________，再通过PCR技术扩增相应的DNA片段。根据检测结果判断被检测者是否感染新冠病毒。
逆转录酶(或反转录酶)
以病毒RNA为模板合成cDNA是逆转录过程，这一过程需要的酶是逆转录酶(或反转录酶)。获得cDNA后可通过PCR技术扩增相应的DNA片段。根据检测结果判断被检测者是否感染新冠病毒。
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(2)为了确保新冠病毒核酸检测的准确性，在设计PCR引物时必须依据新冠病毒RNA中的__________________来进行。PCR过程每次循环分为3步，其中温度最低的一步是______________。
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特异性核苷酸序列
为确保PCR扩增获得的是特异性序列，从而确保新冠病毒核酸检测的准确性，设计PCR引物时必须依据新冠病毒RNA中的特异性核苷酸序列来进行。PCR过程每次循环分为3步，即变性(90～95 ℃)→复性(55～60 ℃)→延伸(70～75 ℃)，其中温度最低的一步是复性(或退火)。
复性(或退火)
(3)某人同时进行了新冠病毒核酸检测和抗体检测(检测体内是否有新冠病毒抗体)，若核酸检测结果为阴性而抗体检测结果为阳性，说明________________________(答出1种情况即可)；若核酸检测和抗体检测结果均为阳性，说明________________________。
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某人同时进行了新冠病毒核酸检测和抗体检测，若核酸检测结果为阴性而抗体检测结果为阳性，说明他体内没有新冠病毒，但曾感染新冠病毒，已经康复；若核酸检测和抗体检测结果均为阳性，说明他体内已感染新冠病毒，是患者。
曾感染新冠病毒，已康复
已感染新冠病毒，是患者
(4)常见的病毒疫苗有灭活疫苗、蛋白疫苗和重组疫苗等。已知某种病毒的特异性蛋白S(具有抗原性)的编码序列(目的基因)。为了制备蛋白疫苗，可以通过基因工程技术获得大量蛋白S。基因工程的基本操作流程是_______________________________________________________________
________。
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获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测
与鉴定
4.(2022·湖南，22)水蛭是我国的传统中药材，主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构，提高其抗凝血活性。回答下列问题：
(1)蛋白质工程流程如图所示，物质a是__________________，物质b是_______。在生产过程中，物质b可能不同，合成的蛋白质空间构象却相同，原因是________________。
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氨基酸序列多肽链
mRNA
密码子的简并性
(2)蛋白质工程是基因工程的延伸，基因工程中获取目的基因的常用方法有_________________________、_________________________________
_____和利用PCR技术扩增。PCR技术遵循的基本原理是______________
_____。
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3
4
从基因文库中获取目的基因
通过DNA合成仪用化学方法直接人工
合成
DNA半保留
复制
(3)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，分析水解产物中的肽含量及其抗凝血活性，结果如图所示。推测两种处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的______(填“种类”或“含量”)有关，导致其活性不同的原因是_________________________________________________
__________________________________。
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种类
提取的水蛭蛋白的酶解时间和处理的酶的种类不同，导致水蛭蛋白空间结构有不同程度破坏
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将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，据图可知，水解产物中的肽含量随着酶解时间的延长均上升，且差别不大。水解产物中抗凝血活性有差异，经酶甲处理后，随着酶解时间的延长，抗凝血活性先上升后相对稳定；经酶乙处理后，随着酶解时间的延长，抗凝血活性先上升后下降。
经酶甲处理后的酶解产物的抗凝血活性最终高于经酶乙处理后的酶解产物的抗凝血活性，且差异明显。据此推测两种酶处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的种类有关，导致其活性不同的原因是提取的水蛭蛋白的酶解时间和酶的种类不同，导致水蛭蛋白空间结构有不同程度的破坏。
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(4)若要比较蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素的抗凝血活性差异，简要写出实验设计思路。
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
1
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4
取3支试管，分别加入等量的蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素并编号1、2、3；用酒精消毒，用注射器取同一种动物(如家兔)血液，立即将等量的血液加入1、2、3号三支试管中，静置相同时间，统计三支试管中血液凝固时间
1.判断关于基因工程的应用的叙述
(1)为培育抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体( )
(2)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用( )
(3)用基因工程方法从大肠杆菌和酵母菌细胞内获得的干扰素结构和功能完全相同( )
五分钟 查落实
×
×
×
2.判断关于蛋白质工程的原理及其应用的叙述
(1)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列( )
(2)基因工程在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程在分子水平对蛋白质进行操作( )
(3)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性( )
√
×
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3.填空默写
(1)(选择性必修3 P90)乳腺生物反应器是指将 与乳腺中_____
等调控元件重组在一起，通过 的方法导入哺乳动物的 中，由这个受精卵发育成的转基因动物在进入泌乳期后，可以通过分泌 来生产所需要的药物。
(2)(选择性必修3 P91)用转基因动物(猪)做器官移植的供体，方法是将器官供体基因组导入 ，以抑制____________________________
，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。
药用蛋白基因
特异
表达的基因的启动子
显微注射
受精卵
乳汁
某种调节因子
抗原决定基因的表达，或设法
除去抗原决定基因
(3)(选择性必修3 P93)蛋白质工程是指以_____________________________
作为基础，通过 ，来改造现有蛋白质，或制造 ，以满足 的需求。
(4)(选择性必修3 P93)基因工程原则上只能生产 。
(5)(选择性必修3 P94)对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过
来完成。
(6)(选择性必修3 P94)蛋白质工程的基本思路是从 出发→设计预期的 →推测应有的 →找到并改变相对应的 (基因)或 →获得 。
蛋白质分子的结构规律及其与生
物功能的关系
改造或合成基因
一种新的蛋白质
人类生产和生活
自然界中已存在的蛋白质
改造或合成基因
预期的蛋白质功能
蛋白质结构
氨基酸序列
脱氧核苷酸序列
合成新的基因
所需要的蛋白质
四
课时精练
一、选择题：每小题给出的四个选项中只有一个符合题目要求。
1.(2023·山东泰安高三期末)下列有关基因工程的成果及应用的说法，错误的是
A.用基因工程方法培育的抗虫植物也能抗病毒
B.基因工程可提高动物的生长速率是由于外源生长激素基因的表达
C.外源基因在乳腺细胞中表达可让哺乳动物批量生产药物
D.基因工程在农业上的应用主要是培育高产、品质优良和具有抗逆性的
农作物
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√
用基因工程方法培育的抗虫植物只能抗虫，不能抗病毒，A错误；
可将外源生长激素基因导入动物细胞内，使该细胞合成、分泌生长激素，提高动物的生长速率，B正确；
利用乳腺生物反应器生产人胰岛素，转基因生物进入泌乳期后，外源基因在乳腺细胞中可以表达产生相应的基因产物，使哺乳动物本身变为“批量生产药物的工厂”，C正确；
基因工程在农业上的应用主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗逆性的农作物，满足人类的生产生活需要，D正确。
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2.草甘膦是一种非选择性的除草剂，在基因工程中，如果把导入的抗草甘膦基因整合到大豆体细胞(二倍体)的一条染色体上，将该细胞组织培养获得的多个大豆植株混种在一块实验田，得到F1，科研人员用草甘膦对F1大豆植株进行处理，有1/4的个体被淘汰掉，将剩下的大豆植株再进行田间混种得到F2，再用除草剂处理，如此下去。下列有关说法错误的是
A.用草甘膦处理大豆植株是一种人为的定向选择
B.实验田中的抗草甘膦转基因大豆种群发生了进化
C.在获得的F3中，能稳定遗传的抗草甘膦转基因大豆植株占4/9
D.能稳定遗传的抗草甘膦转基因大豆，后代偶然会出现不抗草甘膦的个体，且
这种特性能够遗传，可能是发生了基因突变或者染色体变异
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由于导入的抗草甘膦基因整合到大豆体细胞(二倍体)的一条染色体上，假设相关基因用A、a表示，相当于Aa，自交一代，F1种植的抗草甘膦的植株基因型为1/3AA、2/3Aa，进行田间混种得到F2，再用除草剂处理，如此下去，F2中为4/9AA、4/9Aa、1/9aa，即F2种植了1/2AA、1/2Aa，产生的配子种类及比例为A∶a＝3∶1，在获得的F3中，AA＝9/16、Aa＝6/16、aa＝1/16，能稳定遗传的抗草甘膦转基因大豆植株占9/16，C错误。
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3.(2023·河北石家庄高三模拟)下列有关利用乳腺生物反应器与微生物生产药物的叙述，错误的是
A.前者可在乳汁中提取药物，后者可在细胞中提取
B.两者都是基因工程在医药卫生领域的应用
C.前者合成的蛋白质可加工成熟，后者合成的蛋白质一般不能加工成熟
D.动物和微生物的基因结构与人体的基因结构均相同
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4.几丁质是许多真菌细胞壁的重要成分，几丁质酶可催化其水解。将几丁质酶基因转入菊花体内，可增强其抗真菌病的能力。下列有关叙述错误的是
A.将几丁质酶基因插入Ti质粒的T－DNA上构建表达载体
B.可通过显微注射法将农杆菌导入菊花受体细胞
C.可用PCR等技术检测目的基因是否成功导入
D.可用真菌接种实验检测转基因菊花对真菌的抗性程度
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可通过农杆菌转化法将农杆菌导入菊花受体细胞，显微注射法是用于将目的基因导入动物细胞的方法，B错误。
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5.(2023·山东聊城高三期中)乙烯生物合成酶基因可以控制乙烯的合成，科学家将该基因的反义基因导入番茄细胞内，培育转基因延熟番茄，延长其储藏期。反义基因的作用机制如图所示，下列说法错误的是
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A.有意义mRNA和反义mRNA是通过
相应基因转录而来的
B.乙烯生物合成酶基因的模板链的序
列与反义基因的是互补的
C.乙烯是乙烯生物合成酶基因的表达
产物，可促进果实成熟
D.因为mRNA形成双链后无法进行翻译，所以无乙烯生物合成酶生成
√
乙烯生物合成酶基因的表达产物可以控制乙烯的合成，乙烯不是其表达产物，C错误。
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6.(2023·湖南株洲高三调研)动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺代替传统的生物发酵，进行大规模生产可供治疗人类疾病或用于保健的活性蛋白质的现代生物技术。科学家已在牛和羊等动物乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要药品，其大致过程如图所示。
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下列有关说法错误的是
A.通过③形成的重组质粒具有
人的药用蛋白基因、启动子、
终止子和标记基因即可
B.④通常采用显微注射技术
C.在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达，因此可
以从乳汁中提取药物
D.该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取
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要让药用蛋白基因在乳腺细胞内表达并分泌含药物的乳汁，重组质粒上必须具有乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件，A错误。
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7.(2023·湖南永州高三期中)葡萄糖异构酶在工业上应用广泛，科学家将其第138位甘氨酸替换为脯氨酸后，其最适温度提高了10 ℃左右。下列相关叙述正确的是
A.蛋白质功能是由氨基酸的种类和数量决定
B.改造蛋白质结构可通过改造基因结构实现
C.蛋白质工程不可以定向改变蛋白质的结构
D.酶最适温度提高是因为脯氨酸比甘氨酸更耐热
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蛋白质的功能是由蛋白质的结构决定的，从根本上来说，是由基因决定的，A错误；
改造蛋白质结构可通过改造编码蛋白质的基因结构实现，B正确；
蛋白质工程可以获得特定功能的蛋白质，因此可以定向改变蛋白质的结构，C错误；
酶最适温度提高是因为酶的空间结构发生改变，D错误。
8.(2023·河北唐县高三检测)下列关于蛋白质工程的说法正确的是
A.蛋白质工程无需构建基因表达载体
B.蛋白质工程需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶
C.对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的
D.蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的
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蛋白质工程是以基因工程为基础的，蛋白质工程需要限制性内切核酸酶(切割目的基因和载体)和DNA连接酶(连接切割后的目的基因和载体)，构建基因表达载体，A错误，B正确；
对蛋白质的改造是通过直接改造相应的基因来实现的，C错误；
蛋白质工程是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(基因)，获得所需要的蛋白质，故蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是不完全相同的，D错误。
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二、选择题：每小题给出的四个选项中有一个或多个符合题目要求。
9.甲醇酵母菌是基因工程中常用的受体菌，它可以高效表达外源蛋白，但自身蛋白分泌到培养基的较少。研究人员将人的胶原蛋白基因导入甲醇酵母中并成功表达。下列有关叙述正确的是
A.用两种酶切割目的基因和质粒，可防止目的基因反向连接和质粒的自身环化
B.常用显微注射法将胶原蛋白基因导入甲醇酵母中
C.与大肠杆菌相比，甲醇酵母作受体菌所表达出的胶原蛋白与人体产生的胶原
蛋白结构更相近
D.与其他酵母菌相比，甲醇酵母作受体菌便于表达出的胶原蛋白的分离与纯化
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常用Ca2＋处理细胞，使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，然后再将重组目的基因导入微生物细胞，B错误；
与大肠杆菌作受体相比，甲醇酵母为真核生物，表达出的胶原蛋白经过内质网和高尔基体的加工，所以与人体产生的胶原蛋白结构更相近，C正确；
与其他酵母菌相比，甲醇酵母可以高效表达外源蛋白，但自身蛋白分泌到培养基的较少，便于目的蛋白的分离和纯化，D正确。
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10.(2023·河北石家庄高三期末)枯草杆菌蛋白酶能催化蛋白质水解为氨基酸，在有机溶剂中也能催化多肽的合成，被广泛应用于洗涤剂、制革及丝绸工业。通过将枯草杆菌蛋白酶分子表面的Asp(99)和Glu(156)改成Lys，使其在pH＝6时的活力提高了10倍。下列说法错误的是
A.需要通过改造基因实现对蛋白质中氨基酸的替换
B.该成果体现了蛋白质工程在培育新物种方面具有独特的优势
C.经蛋白质工程改造后的枯草杆菌蛋白酶活性提高这一性状不可遗传
D.蛋白质工程最终要达到的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息
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氨基酸的排列顺序是由基因决定的，因此完成氨基酸的替换需要通过改造基因实现，A正确；
该成果培育了新品种，而不是新物种，B错误；
经蛋白质工程改造后的枯草杆菌蛋白酶的基因发生了改变，因此经蛋白质工程改造后的枯草杆菌蛋白酶活性提高这一性状可以遗传，C错误；
蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，虽然合成了改造的基因，但它最终要达到的目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求，D错误。
11.阅读如下资料，判断下列各项描述不合理的是
资料甲：科学家将牛生长激素基因导入小鼠受精卵中，得到了体型巨大的“超级小鼠”。
资料乙：T4溶菌酶在温度较高时易失去活性，科学家对编码T4溶菌酶的基因进行改造，使其表达的T4溶菌酶的第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，提高了T4溶菌酶的耐热性。
A.甲属于蛋白质工程，乙属于基因工程
B.甲中将目的基因导入小鼠细胞中常用显微注射法
C.乙中通过对基因改造实现了对蛋白质的改造
D.从资料乙可看出，T4溶菌酶是一种直接利用氨基酸制造出来的新蛋白质
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甲中的“超级小鼠”的培育，与导入的牛生长激素基因有关，属于基因工程，资料乙显示科学家将编码T4溶菌酶的基因进行了改造，这属于蛋白质工程，A错误；
甲中小鼠的受精卵属于动物细胞，将目的基因导入动物细胞中常用显微注射法，B正确；
乙中通过对编码T4溶菌酶的基因进行改造，导致组成T4溶菌酶的肽链中的氨基酸序列发生了改变，实现了对蛋白质的改造，C正确；
从资料乙可看出，T4溶菌酶是一种通过改造“编码T4溶菌酶的基因”而制造出来的新蛋白质，D错误。
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12.(2023·辽宁营口高三模拟)下面是蛋白质工程的基本途径，据图分析，下列叙述正确的是
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A.a过程所需原料是脱氧核苷酸，b过程所需原料是氨基酸
B.参与c过程的细胞器有核糖体、内质网、高尔基体、线粒体等
C.d过程的主要依据是每种氨基酸都有其对应的密码子
D.通过蛋白质工程可以获得人类需要的蛋白质
√
√
a过程为转录，是合成mRNA的过程，所需的原料是核糖核苷酸，A错误；
c过程为多肽的加工与折叠，参与c过程的细胞器有内质网、高尔基体、线粒体等，核糖体是合成多肽的场所，B错误；
d过程为DNA合成，主要依据是每种氨基酸都有其对应的密码子，C正确。
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三、非选择题
13.已知镰状细胞贫血是一种单基因遗传病，患者的血红蛋白分子β肽链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸代替，导致功能异常；而人类是乙型肝炎病毒的唯一宿主，接种乙肝疫苗是预防乙肝病毒感染的最有效方法。乙型肝炎疫苗的研制先后经历了血源性疫苗和基因工程疫苗阶段。回答下列问题：
(1)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中，可以合成正常的血红蛋白达到治疗的目的。此操作_______(填“属于”或“不属于”)蛋白质工程，理由是该操作_______________________________________
____________。
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不属于
没有对现有的蛋白质进行改造(或没有对基
因进行修饰)
蛋白质工程通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，由于该操作中没有对蛋白质进行改造或合成新的基因，因此不属于蛋白质工程。
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(2)用基因工程方法制备血红蛋白时，可先提取早期红细胞中的_________
______，以其作为模板，在_______酶的作用下反(逆)转录合成cDNA。cDNA与载体需在限制酶和____________酶的作用下，构建基因表达载体，导入受体菌后进行表达。
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mRNA(或
RNA)
逆转录
DNA连接
因为血红蛋白基因只在早期红细胞中表达，所以可从其中提取mRNA，以mRNA为模板，在逆转录酶的作用下反(逆)转录合成cDNA。构建基因表达载体需要限制酶和DNA连接酶协助。
(3)如图为“乙肝基因工程疫苗”的生产和使用过程，质粒中lacZ基因可使细菌利用加入培养基的物质X－gal，从而使菌落显现出蓝色，若无该基因，菌落则成白色。图中过程①有两种限制酶选择方案，它们分别是____________或_______________________。
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只用BamHⅠ
同时用EcoRⅠ和BamHⅠ
根据图解可知，含有目的基因的外源DNA和载体上都有限制酶BamHⅠ、EcoRⅠ和EcoRV的识别序列和切割位点，用EcoRV切割会破坏目的基因，
因此图中过程①有两种限制酶选择方案，它们分别是只用BamHⅠ或同时用EcoRⅠ和BamHⅠ。
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(4)获取目的基因的方法除了图中用酶切的方法从细胞中分离以外，还可以通过_________________________来获得。据图可知，该目的基因的具体功能是______________________________。
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人工合成(或PCR技术扩增)
指导乙肝病毒蛋白质外壳的合成
获取目的基因的方法：从基因文库中获取、利用PCR技术扩增和人工合成。根据图中④目的基因最终产生乙肝病毒外壳进行接种，说明该目的基因具体功能是指导合成乙肝病毒蛋白质外壳。
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(5)为了筛选含目的基因的重组质粒的大肠杆菌，可在培养大肠杆菌的通用培养基中加入________________，培养一段时间挑选出_____色的菌落进一步培养获得大量目的菌。
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青霉素和X－gal
白
用限制酶BamHⅠ切割时破坏了lacZ基因，但没有破坏青霉素抗性基因，因此为了筛选含目的基因的重组质粒的大肠杆菌，可在培养大肠杆菌的通用
培养基中加入青霉素和X－gal，
根据题干信息“质粒中lacZ基因可使细菌利用加入培养基的物质
X－gal，从而使菌落显现出蓝色，若无该基因，菌落则成白色”可知，培养一段时间挑选出白色的菌落进一步培养获得大量目的菌。
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14.甜蛋白是一种高甜度的特殊蛋白质。为了改善黄瓜的品质，科学家采用农杆菌转化法将一种甜蛋白基因成功导入黄瓜细胞，得到了转基因植株。回答下列问题：
(1)通常，基因工程操作主要有4个步骤，即目的基因获取、重组表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。因此，基因工程的含义可概括为_________________________________________
_____________________________________________________________。
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按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品
(2)若在转基因黄瓜中检测到这种甜蛋白，则表明该重组质粒中________
______已转移到植物细胞中且能够表达；用该转基因黄瓜的某一植株与一株非转基因植株杂交，发现子代中含甜蛋白个体数与不含甜蛋白个体数之比为1∶1，则说明甜蛋白基因已经整合到__________(填“核基因组”“线粒体基因组”或“叶绿体基因组”)中。
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甜蛋白
基因
核基因组
(3)用农杆菌感染时，应优先选用黄瓜_______(填“受伤的”或“完好的”)叶片与含重组质粒的农杆菌共同培养，选用这种叶片的理由是_________
______________________________________________________。
受伤的
叶片伤口处的细胞释放出大量酚类物质，可吸引农杆菌移向这些细胞
(4)基因工程中可以通过PCR技术扩增目的基因。生物体细胞内的DNA复制开始时，解开DNA双链的酶是________。在体外利用PCR技术扩增目的基因时，使反应体系中的模板DNA解链为单链的条件是____________
______。上述两个解链过程的共同点是破坏了DNA双链分子中的______。目前在PCR反应中使用TaqDNA聚合酶而不使用大肠杆菌DNA聚合酶的主要原因是_____________________________________________________
______。
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解旋酶
加热至90～
95 ℃
氢键
TaqDNA聚合酶耐高温，而大肠杆菌DNA聚合酶在高温下会失活
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细胞内的DNA复制开始时，通过解旋酶解开DNA双链。在体外利用PCR技术扩增目的基因时，通过高温(90～95 ℃)使反应体系中的模板DNA解聚为单链。上述两个解链过程的共同点是破坏了DNA双链分子中的氢键。大肠杆菌DNA聚合酶不耐高温，在高温下会失活，而PCR反应体系中加入的DNA聚合酶需耐高温，故在PCR反应中要用能耐高温的TaqDNA聚合酶。第7课时 基因工程的应用和蛋白质工程
课标要求 1.举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。2.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
考点一 基因工程的应用
1．基因工程在农牧业方面的应用
2．基因工程在医药卫生领域的应用
3．基因工程在食品工业方面的应用
1．基因工程应用于提高植物抗逆能力，请思考回答下列转基因抗虫棉的相关问题：
(1)抗虫棉能抗病毒、细菌、真菌吗？为什么？
提示 不能。抗虫基因具有专一性。
(2)从环境保护角度出发，分析转基因抗虫棉与普通棉相比在害虫防治方面的优越性有哪些？
提示 减少了化学农药的使用量，降低了环境污染。
(3)种植转基因抗虫棉若干年后，害虫会不会对转基因抗虫棉产生抗性？为什么？
提示 会。害虫会因遗传物质发生改变产生对转基因抗虫棉的抗性。
2．为提高动物的生长速度，需将外源生长激素基因导入动物体内，应该选择的受体细胞是什么？并说明理由。
提示 受精卵。受精卵体积较大，操作较容易，营养物质含量丰富，也能保障发育成的个体所有细胞都含有外源生长激素基因，全能性较高。
1．(2023·山东潍坊高三检测)基因工程蓬勃发展，下列有关基因工程的说法正确的是( )
A．基因工程在农牧业上的应用主要目的是培养体型巨大品质优良的动物
B．用基因工程方法培育的抗虫植物也能抗病毒
C．转基因绵羊操作过程中生长激素基因的受体细胞最好采用乳腺细胞
D．在农业方面，蛋白质工程可用于改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食产量
答案 D
解析 基因工程在农牧业上应用的主要目的是提高动物生长速度、改善畜产品品质，而不是为了产生体型巨大的个体，A错误；用基因工程方法培育的抗虫植物只能抗虫，不能抗病毒，B错误；转基因绵羊操作过程中生长激素基因的受体细胞最好采用受精卵细胞，因为受精卵具有全能性，C错误。
2．干扰素是治疗癌症的重要药物，它必须从血液中提取，每升人血中只能提取0.5 μg，所以价格昂贵。某生物制品公司用如下方法(如图所示)生产干扰素。从图中可以看出，该公司生产干扰素运用的方法是( )
A．个体间的杂交 B．基因工程
C．蛋白质工程 D．器官移植
答案 B
解析 从图中可以看出，整个过程为将人的淋巴细胞中控制干扰素合成的基因与质粒结合后导入酵母菌，并从酵母菌产物中提取干扰素，这项技术为基因工程。
归纳总结 乳腺生物反应器与工程菌的比较
比较内容 乳腺生物反应器 工程菌
含义 让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白 指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的微生物
基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白相同 细菌合成的药物蛋白可能没有活性
受体细胞 动物受精卵 微生物细胞
目的基因导入方式 显微注射法 Ca2＋处理法
生产条件 不需要严格灭菌，温度等外界条件对其影响不大 需要严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或其培养液中提取
考点二 蛋白质工程的原理和应用
1．蛋白质工程的概念
2．蛋白质工程与基因工程的异同
项目 蛋白质工程 基因工程
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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→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要的蛋白质 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 可生产自然界中不存在的蛋白质 只能生产自然界中已存在的蛋白质
联系 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
3.蛋白质工程的应用
(1)在医药方面
①利用蛋白质工程研发药物。
②实例：如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在一定条件下，可以延长保存时间。
(2)在工业方面
①蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。
②实例：枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。
(3)在农业方面
科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
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。蛋白质工程的目标是生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质。结合图示回答有关问题：
(1)写出流程图中字母代表的含义：
A．预期功能；B.氨基酸序列；C.改造或合成；D.转录；E.翻译。
(2)上图字母中属于中心法则的过程有D、E，属于蛋白质工程的过程有A、C。
(3)对天然蛋白质进行改造，你认为应该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？原因是什么？
提示 应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。主要原因：①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。
3．(不定项)胰岛素可用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后易在皮下堆积，需较长时间才能进入血液，进入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影响。如图是新的速效胰岛素的生产过程，下列有关叙述错误的是( )
A．新的胰岛素的预期功能是构建新胰岛素模型的主要依据
B．新的胰岛素生产过程中不涉及中心法则
C．若用大肠杆菌生产新的胰岛素，常用Ca2＋处理大肠杆菌
D．新的胰岛素功能的发挥必须依赖于蛋白质正确的高级结构
答案 B
解析 新的胰岛素生产过程中涉及中心法则，B错误；若要利用大肠杆菌生产新的胰岛素，常用Ca2＋处理法提高导入的成功率，C正确；根据结构与功能相适应的原理分析，新的胰岛素功能的发挥必须依赖于蛋白质正确的高级结构，D正确。
4．β-葡聚糖酶是一种在酒类、饲料等行业中具有重要用途的工业用酶。为提高β-葡聚糖酶的催化活性，科学家将其第20位、117位和165位赖氨酸突变为丝氨酸。下列有关叙述错误的是( )
A．改造后的β-葡聚糖酶的耐酸碱能力增强
B．改造后的β-葡聚糖酶空间结构发生了改变
C．对β-葡聚糖酶结构的改造属于蛋白质工程
D．可通过DNA分子测序法检测突变是否成功
答案 A
解析 根据题干信息不能得出改造后的β-葡聚糖酶的耐酸碱能力增强，A错误。
归纳总结 判断基因工程和蛋白质工程
(1)如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。
(2)如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。
1．(经典高考题)从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是( )
A．合成编码目的肽的DNA片段
B．构建含目的肽DNA片段的表达载体
C．依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽
D．筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽
答案 C
解析 由题意分析可知，多肽P1为抗菌性和溶血性均较强的多肽，要设计出抗菌性强但溶血性弱的多肽，即在P1的基础上设计出自然界原本不存在的蛋白质，用蛋白质工程技术可以实现。蛋白质工程的基本途径是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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。故要想在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是依据P1的氨基酸序列设计出多条模拟肽，然后进行改造，从而确定抗菌性强但溶血性弱的多肽的氨基酸序列。
2．(2020·山东，25)水稻胚乳中含直链淀粉和支链淀粉，直链淀粉所占比例越小糯性越强。科研人员将能表达出基因编辑系统的DNA序列转入水稻，实现了对直链淀粉合成酶基因(Wx基因)启动子序列的定点编辑，从而获得了3个突变品系。
(1)将能表达出基因编辑系统的DNA序列插入Ti质粒构建重组载体时，所需的酶是____________________________________________________________________________，重组载体进入水稻细胞并在细胞内维持稳定和表达的过程称为________。
(2)根据启动子的作用推测，Wx基因启动子序列的改变影响了__________________________，从而改变了Wx基因的转录水平。与野生型水稻相比，3个突变品系中Wx基因控制合成的直链淀粉合成酶的氨基酸序列__________(填“发生”或“不发生”)改变，原因是________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(3)为检测启动子变化对Wx基因表达的影响，科研人员需要检测Wx基因转录产生的mRNA (Wx mRNA)的量。检测时分别提取各品系胚乳中的总RNA，经____________过程获得总cDNA。通过PCR技术可在总cDNA中专一性的扩增出Wx基因的cDNA，原因是____________
_______________________________________________________________________________。
(4)各品系Wx mRNA量的检测结果如图所示，据图推测糯性最强的品系为________，原因是_______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________。
答案 (1)限制性内切核酸酶和DNA连接酶 转化 (2)RNA聚合酶与启动子的识别和结合 不发生 编码直链淀粉合成酶的碱基序列中不含启动子 (3)逆转录 引物是根据Wx基因的一段已知序列设计合成的(或引物能与Wx基因的cDNA特异性结合) (4)品系3 品系3的Wx mRNA量最少，控制合成的直链淀粉合成酶的量最少，直链淀粉合成量最少，糯性最强
解析 (1)构建基因表达载体需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶，可以对目的基因和载体进行切割和连接，重组载体进入受体细胞内维持稳定和表达的过程称为转化。(2)RNA聚合酶与启动子识别和结合后启动转录，启动子的序列改变会影响与RNA聚合酶的识别和结合，从而改变基因的转录，3个突变品系中改变的是启动子的序列，影响mRNA的转录，而编码直链淀粉合成酶的碱基序列中不含有启动子的序列，所以编码合成的直链淀粉酶的氨基酸序列不发生改变。(3)通过mRNA获得cDNA是逆转录过程。PCR过程中需要模板、原料、酶、引物等，其中引物是根据已知基因上的一段序列合成的，这样要从总cDNA中专一性的扩增出Wx基因的cDNA，关键是要根据Wx基因的一段已知序列合成出相应的引物。(4)据题中信息可知，水稻胚乳中直链淀粉所占比例越小，糯性越强，题图中品系3中的Wx mRNA量最少，这样合成的直链淀粉合成酶的量最少，则合成的直链淀粉所占比例最小，糯性最强。
3．(2022·全国乙，38)新冠疫情出现后，病毒核酸检测和疫苗接种在疫情防控中发挥了重要作用。回答下列问题：
(1)新冠病毒是一种RNA病毒，检测新冠病毒RNA(核酸检测)可以采取RT—PCR法。这种方法的基本原理是先以病毒RNA为模板合成cDNA，这一过程需要的酶是________________，再通过PCR技术扩增相应的DNA片段。根据检测结果判断被检测者是否感染新冠病毒。
(2)为了确保新冠病毒核酸检测的准确性，在设计PCR引物时必须依据新冠病毒RNA中的____________________来进行。PCR过程每次循环分为3步，其中温度最低的一步是______________。
(3)某人同时进行了新冠病毒核酸检测和抗体检测(检测体内是否有新冠病毒抗体)，若核酸检测结果为阴性而抗体检测结果为阳性，说明________________________(答出1种情况即可)；若核酸检测和抗体检测结果均为阳性，说明________________________。
(4)常见的病毒疫苗有灭活疫苗、蛋白疫苗和重组疫苗等。已知某种病毒的特异性蛋白S(具有抗原性)的编码序列(目的基因)。为了制备蛋白疫苗，可以通过基因工程技术获得大量蛋白S。基因工程的基本操作流程是________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)逆转录酶(或反转录酶) (2)特异性核苷酸序列 复性(或退火) (3)曾感染新冠病毒，已康复 已感染新冠病毒，是患者 (4)获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
解析 (1)以病毒RNA为模板合成cDNA是逆转录过程，这一过程需要的酶是逆转录酶(或反转录酶)。获得cDNA后可通过PCR技术扩增相应的DNA片段。根据检测结果判断被检测者是否感染新冠病毒。(2)为确保PCR扩增获得的是特异性序列，从而确保新冠病毒核酸检测的准确性，设计PCR引物时必须依据新冠病毒RNA中的特异性核苷酸序列来进行。PCR过程每次循环分为3步，即变性(90～95 ℃)→复性(55～60 ℃)→延伸(70～75 ℃)，其中温度最低的一步是复性(或退火)。(3)某人同时进行了新冠病毒核酸检测和抗体检测，若核酸检测结果为阴性而抗体检测结果为阳性，说明他体内没有新冠病毒，但曾感染新冠病毒，已经康复；若核酸检测和抗体检测结果均为阳性，说明他体内已感染新冠病毒，是患者。
4．(2022·湖南，22)水蛭是我国的传统中药材，主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构，提高其抗凝血活性。回答下列问题：
(1)蛋白质工程流程如图所示，物质a是________________，物质b是__________。在生产过程中，物质b可能不同，合成的蛋白质空间构象却相同，原因是______________________。
(2)蛋白质工程是基因工程的延伸，基因工程中获取目的基因的常用方法有_______________、_______________和利用PCR技术扩增。PCR技术遵循的基本原理是__________________。
(3)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，分析水解产物中的肽含量及其抗凝血活性，结果如图所示。推测两种处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的______(填“种类”或“含量”)有关，导致其活性不同的原因是____________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(4)若要比较蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素的抗凝血活性差异，简要写出实验设计思路。
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)氨基酸序列多肽链 mRNA 密码子的简并性 (2)从基因文库中获取目的基因 通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成 DNA半保留复制 (3)种类 提取的水蛭蛋白的酶解时间和处理的酶的种类不同，导致水蛭蛋白空间结构有不同程度破坏 (4)取3支试管，分别加入等量的蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素并编号1、2、3；用酒精消毒，用注射器取同一种动物(如家兔)血液，立即将等量的血液加入1、2、3号三支试管中，静置相同时间，统计三支试管中血液凝固时间
解析 (3)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，据图可知，水解产物中的肽含量随着酶解时间的延长均上升，且差别不大。水解产物中抗凝血活性有差异，经酶甲处理后，随着酶解时间的延长，抗凝血活性先上升后相对稳定；经酶乙处理后，随着酶解时间的延长，抗凝血活性先上升后下降。经酶甲处理后的酶解产物的抗凝血活性最终高于经酶乙处理后的酶解产物的抗凝血活性，且差异明显。据此推测两种酶处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的种类有关，导致其活性不同的原因是提取的水蛭蛋白的酶解时间和酶的种类不同，导致水蛭蛋白空间结构有不同程度的破坏。
1．判断关于基因工程的应用的叙述
(1)为培育抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体( × )
(2)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用( × )
(3)用基因工程方法从大肠杆菌和酵母菌细胞内获得的干扰素结构和功能完全相同( × )
2．判断关于蛋白质工程的原理及其应用的叙述
(1)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列( × )
(2)基因工程在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程在分子水平对蛋白质进行操作( × )
(3)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性( √ )
3．填空默写
(1)(选择性必修3 P90)乳腺生物反应器是指将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中，由这个受精卵发育成的转基因动物在进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物。
(2)(选择性必修3 P91)用转基因动物(猪)做器官移植的供体，方法是将器官供体基因组导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。
(3)(选择性必修3 P93)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，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
(4)(选择性必修3 P93)基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。
(5)(选择性必修3 P94)对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。
(6)(选择性必修3 P94)蛋白质工程的基本思路是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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
课时精练
一、选择题：每小题给出的四个选项中只有一个符合题目要求。
1．(2023·山东泰安高三期末)下列有关基因工程的成果及应用的说法，错误的是( )
A．用基因工程方法培育的抗虫植物也能抗病毒
B．基因工程可提高动物的生长速率是由于外源生长激素基因的表达
C．外源基因在乳腺细胞中表达可让哺乳动物批量生产药物
D．基因工程在农业上的应用主要是培育高产、品质优良和具有抗逆性的农作物
答案 A
解析 用基因工程方法培育的抗虫植物只能抗虫，不能抗病毒，A错误；可将外源生长激素基因导入动物细胞内，使该细胞合成、分泌生长激素，提高动物的生长速率，B正确；利用乳腺生物反应器生产人胰岛素，转基因生物进入泌乳期后，外源基因在乳腺细胞中可以表达产生相应的基因产物，使哺乳动物本身变为“批量生产药物的工厂”，C正确；基因工程在农业上的应用主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗逆性的农作物，满足人类的生产生活需要，D正确。
2.草甘膦是一种非选择性的除草剂，在基因工程中，如果把导入的抗草甘膦基因整合到大豆体细胞(二倍体)的一条染色体上，将该细胞组织培养获得的多个大豆植株混种在一块实验田，得到F1，科研人员用草甘膦对F1大豆植株进行处理，有1/4的个体被淘汰掉，将剩下的大豆植株再进行田间混种得到F2，再用除草剂处理，如此下去。下列有关说法错误的是( )
A．用草甘膦处理大豆植株是一种人为的定向选择
B．实验田中的抗草甘膦转基因大豆种群发生了进化
C．在获得的F3中，能稳定遗传的抗草甘膦转基因大豆植株占4/9
D．能稳定遗传的抗草甘膦转基因大豆，后代偶然会出现不抗草甘膦的个体，且这种特性能够遗传，可能是发生了基因突变或者染色体变异
答案 C
解析 由于导入的抗草甘膦基因整合到大豆体细胞(二倍体)的一条染色体上，假设相关基因用A、a表示，相当于Aa，自交一代，F1种植的抗草甘膦的植株基因型为1/3AA、2/3Aa，进行田间混种得到F2，再用除草剂处理，如此下去，F2中为4/9AA、4/9Aa、1/9aa，即F2种植了1/2AA、1/2Aa，产生的配子种类及比例为A∶a＝3∶1，在获得的F3中，AA＝9/16、Aa＝6/16、aa＝1/16，能稳定遗传的抗草甘膦转基因大豆植株占9/16，C错误。
3．(2023·河北石家庄高三模拟)下列有关利用乳腺生物反应器与微生物生产药物的叙述，错误的是( )
A．前者可在乳汁中提取药物，后者可在细胞中提取
B．两者都是基因工程在医药卫生领域的应用
C．前者合成的蛋白质可加工成熟，后者合成的蛋白质一般不能加工成熟
D．动物和微生物的基因结构与人体的基因结构均相同
答案 D
4．几丁质是许多真菌细胞壁的重要成分，几丁质酶可催化其水解。将几丁质酶基因转入菊花体内，可增强其抗真菌病的能力。下列有关叙述错误的是( )
A．将几丁质酶基因插入Ti质粒的T－DNA上构建表达载体
B．可通过显微注射法将农杆菌导入菊花受体细胞
C．可用PCR等技术检测目的基因是否成功导入
D．可用真菌接种实验检测转基因菊花对真菌的抗性程度
答案 B
解析 可通过农杆菌转化法将农杆菌导入菊花受体细胞，显微注射法是用于将目的基因导入动物细胞的方法，B错误。
5．(2023·山东聊城高三期中)乙烯生物合成酶基因可以控制乙烯的合成，科学家将该基因的反义基因导入番茄细胞内，培育转基因延熟番茄，延长其储藏期。反义基因的作用机制如图所示，下列说法错误的是( )
A．有意义mRNA和反义mRNA是通过相应基因转录而来的
B．乙烯生物合成酶基因的模板链的序列与反义基因的是互补的
C．乙烯是乙烯生物合成酶基因的表达产物，可促进果实成熟
D．因为mRNA形成双链后无法进行翻译，所以无乙烯生物合成酶生成
答案 C
解析 乙烯生物合成酶基因的表达产物可以控制乙烯的合成，乙烯不是其表达产物，C错误。
6．(2023·湖南株洲高三调研)动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺代替传统的生物发酵，进行大规模生产可供治疗人类疾病或用于保健的活性蛋白质的现代生物技术。科学家已在牛和羊等动物乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要药品，其大致过程如图所示。下列有关说法错误的是( )
A．通过③形成的重组质粒具有人的药用蛋白基因、启动子、终止子和标记基因即可
B．④通常采用显微注射技术
C．在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达，因此可以从乳汁中提取药物
D．该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取
答案 A
解析 要让药用蛋白基因在乳腺细胞内表达并分泌含药物的乳汁，重组质粒上必须具有乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件，A错误。
7．(2023·湖南永州高三期中)葡萄糖异构酶在工业上应用广泛，科学家将其第138位甘氨酸替换为脯氨酸后，其最适温度提高了10 ℃左右。下列相关叙述正确的是( )
A．蛋白质功能是由氨基酸的种类和数量决定
B．改造蛋白质结构可通过改造基因结构实现
C．蛋白质工程不可以定向改变蛋白质的结构
D．酶最适温度提高是因为脯氨酸比甘氨酸更耐热
答案 B
解析 蛋白质的功能是由蛋白质的结构决定的，从根本上来说，是由基因决定的，A错误；改造蛋白质结构可通过改造编码蛋白质的基因结构实现，B正确；蛋白质工程可以获得特定功能的蛋白质，因此可以定向改变蛋白质的结构，C错误；酶最适温度提高是因为酶的空间结构发生改变，D错误。
8．(2023·河北唐县高三检测)下列关于蛋白质工程的说法正确的是( )
A．蛋白质工程无需构建基因表达载体
B．蛋白质工程需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶
C．对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的
D．蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的
答案 B
解析 蛋白质工程是以基因工程为基础的，蛋白质工程需要限制性内切核酸酶(切割目的基因和载体)和DNA连接酶(连接切割后的目的基因和载体)，构建基因表达载体，A错误，B正确；对蛋白质的改造是通过直接改造相应的基因来实现的，C错误；蛋白质工程是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(基因)，获得所需要的蛋白质，故蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是不完全相同的，D错误。
二、选择题：每小题给出的四个选项中有一个或多个符合题目要求。
9．甲醇酵母菌是基因工程中常用的受体菌，它可以高效表达外源蛋白，但自身蛋白分泌到培养基的较少。研究人员将人的胶原蛋白基因导入甲醇酵母中并成功表达。下列有关叙述正确的是( )
A．用两种酶切割目的基因和质粒，可防止目的基因反向连接和质粒的自身环化
B．常用显微注射法将胶原蛋白基因导入甲醇酵母中
C．与大肠杆菌相比，甲醇酵母作受体菌所表达出的胶原蛋白与人体产生的胶原蛋白结构更相近
D．与其他酵母菌相比，甲醇酵母作受体菌便于表达出的胶原蛋白的分离与纯化
答案 ACD
解析 常用Ca2＋处理细胞，使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，然后再将重组目的基因导入微生物细胞，B错误；与大肠杆菌作受体相比，甲醇酵母为真核生物，表达出的胶原蛋白经过内质网和高尔基体的加工，所以与人体产生的胶原蛋白结构更相近，C正确；与其他酵母菌相比，甲醇酵母可以高效表达外源蛋白，但自身蛋白分泌到培养基的较少，便于目的蛋白的分离和纯化，D正确。
10．(2023·河北石家庄高三期末)枯草杆菌蛋白酶能催化蛋白质水解为氨基酸，在有机溶剂中也能催化多肽的合成，被广泛应用于洗涤剂、制革及丝绸工业。通过将枯草杆菌蛋白酶分子表面的Asp(99)和Glu(156)改成Lys，使其在pH＝6时的活力提高了10倍。下列说法错误的是( )
A．需要通过改造基因实现对蛋白质中氨基酸的替换
B．该成果体现了蛋白质工程在培育新物种方面具有独特的优势
C．经蛋白质工程改造后的枯草杆菌蛋白酶活性提高这一性状不可遗传
D．蛋白质工程最终要达到的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息
答案 BCD
解析 氨基酸的排列顺序是由基因决定的，因此完成氨基酸的替换需要通过改造基因实现，A正确；该成果培育了新品种，而不是新物种，B错误；经蛋白质工程改造后的枯草杆菌蛋白酶的基因发生了改变，因此经蛋白质工程改造后的枯草杆菌蛋白酶活性提高这一性状可以遗传，C错误；蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，虽然合成了改造的基因，但它最终要达到的目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求，D错误。
11．阅读如下资料，判断下列各项描述不合理的是( )
资料甲：科学家将牛生长激素基因导入小鼠受精卵中，得到了体型巨大的“超级小鼠”。
资料乙：T4溶菌酶在温度较高时易失去活性，科学家对编码T4溶菌酶的基因进行改造，使其表达的T4溶菌酶的第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，提高了T4溶菌酶的耐热性。
A．甲属于蛋白质工程，乙属于基因工程
B．甲中将目的基因导入小鼠细胞中常用显微注射法
C．乙中通过对基因改造实现了对蛋白质的改造
D．从资料乙可看出，T4溶菌酶是一种直接利用氨基酸制造出来的新蛋白质
答案 AD
解析 甲中的“超级小鼠”的培育，与导入的牛生长激素基因有关，属于基因工程，资料乙显示科学家将编码T4溶菌酶的基因进行了改造，这属于蛋白质工程，A错误；甲中小鼠的受精卵属于动物细胞，将目的基因导入动物细胞中常用显微注射法，B正确；乙中通过对编码T4溶菌酶的基因进行改造，导致组成T4溶菌酶的肽链中的氨基酸序列发生了改变，实现了对蛋白质的改造，C正确；从资料乙可看出，T4溶菌酶是一种通过改造“编码T4溶菌酶的基因”而制造出来的新蛋白质，D错误。
12．(2023·辽宁营口高三模拟)下面是蛋白质工程的基本途径，据图分析，下列叙述正确的是( )
A．a过程所需原料是脱氧核苷酸，b过程所需原料是氨基酸
B．参与c过程的细胞器有核糖体、内质网、高尔基体、线粒体等
C．d过程的主要依据是每种氨基酸都有其对应的密码子
D．通过蛋白质工程可以获得人类需要的蛋白质
答案 CD
解析 a过程为转录，是合成mRNA的过程，所需的原料是核糖核苷酸，A错误；c过程为多肽的加工与折叠，参与c过程的细胞器有内质网、高尔基体、线粒体等，核糖体是合成多肽的场所，B错误；d过程为DNA合成，主要依据是每种氨基酸都有其对应的密码子，C正确。
三、非选择题
13．已知镰状细胞贫血是一种单基因遗传病，患者的血红蛋白分子β肽链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸代替，导致功能异常；而人类是乙型肝炎病毒的唯一宿主，接种乙肝疫苗是预防乙肝病毒感染的最有效方法。乙型肝炎疫苗的研制先后经历了血源性疫苗和基因工程疫苗阶段。回答下列问题：
(1)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中，可以合成正常的血红蛋白达到治疗的目的。此操作__________(填“属于”或“不属于”)蛋白质工程，理由是该操作______________________________________________。
(2)用基因工程方法制备血红蛋白时，可先提取早期红细胞中的__________，以其作为模板，在________酶的作用下反(逆)转录合成cDNA。cDNA与载体需在限制酶和____________酶的作用下，构建基因表达载体，导入受体菌后进行表达。
(3)如图为“乙肝基因工程疫苗”的生产和使用过程，质粒中lacZ基因可使细菌利用加入培养基的物质X－gal，从而使菌落显现出蓝色，若无该基因，菌落则成白色。图中过程①有两种限制酶选择方案，它们分别是____________或____________。
(4)获取目的基因的方法除了图中用酶切的方法从细胞中分离以外，还可以通过____________来获得。据图可知，该目的基因的具体功能是__________________。
(5)为了筛选含目的基因的重组质粒的大肠杆菌，可在培养大肠杆菌的通用培养基中加入________________，培养一段时间挑选出____________色的菌落进一步培养获得大量目的菌。
答案 (1)不属于 没有对现有的蛋白质进行改造(或没有对基因进行修饰) (2)mRNA(或RNA) 逆转录 DNA连接 (3)只用BamHⅠ 同时用EcoRⅠ和BamHⅠ (4)人工合成(或PCR技术扩增) 指导乙肝病毒蛋白质外壳的合成 (5)青霉素和X－gal 白
解析 (1)蛋白质工程通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，由于该操作中没有对蛋白质进行改造或合成新的基因，因此不属于蛋白质工程。(2)因为血红蛋白基因只在早期红细胞中表达，所以可从其中提取mRNA，以mRNA为模板，在逆转录酶的作用下反(逆)转录合成cDNA。构建基因表达载体需要限制酶和DNA连接酶协助。(3)根据图解可知，含有目的基因的外源DNA和载体上都有限制酶BamHⅠ、EcoRⅠ和EcoRV的识别序列和切割位点，用EcoRV切割会破坏目的基因，因此图中过程①有两种限制酶选择方案，它们分别是只用BamHⅠ或同时用EcoRⅠ和BamHⅠ。(4)获取目的基因的方法：从基因文库中获取、利用PCR技术扩增和人工合成。根据图中④目的基因最终产生乙肝病毒外壳进行接种，说明该目的基因具体功能是指导合成乙肝病毒蛋白质外壳。(5)用限制酶BamHⅠ切割时破坏了lacZ基因，但没有破坏青霉素抗性基因，因此为了筛选含目的基因的重组质粒的大肠杆菌，可在培养大肠杆菌的通用培养基中加入青霉素和X－gal，根据题干信息“质粒中lacZ基因可使细菌利用加入培养基的物质X－gal，从而使菌落显现出蓝色，若无该基因，菌落则成白色”可知，培养一段时间挑选出白色的菌落进一步培养获得大量目的菌。
14．甜蛋白是一种高甜度的特殊蛋白质。为了改善黄瓜的品质，科学家采用农杆菌转化法将一种甜蛋白基因成功导入黄瓜细胞，得到了转基因植株。回答下列问题：
(1)通常，基因工程操作主要有4个步骤，即目的基因获取、重组表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。因此，基因工程的含义可概括为_______________
_______________________________________________________________________________。
(2)若在转基因黄瓜中检测到这种甜蛋白，则表明该重组质粒中__________________已转移到植物细胞中且能够表达；用该转基因黄瓜的某一植株与一株非转基因植株杂交，发现子代中含甜蛋白个体数与不含甜蛋白个体数之比为1∶1，则说明甜蛋白基因已经整合到________(填“核基因组”“线粒体基因组”或“叶绿体基因组”)中。
(3)用农杆菌感染时，应优先选用黄瓜______________(填“受伤的”或“完好的”)叶片与含重组质粒的农杆菌共同培养，选用这种叶片的理由是__________________________________
_______________________________________________________________________________。
(4)基因工程中可以通过PCR技术扩增目的基因。生物体细胞内的DNA复制开始时，解开DNA双链的酶是______________。在体外利用PCR技术扩增目的基因时，使反应体系中的模板DNA解链为单链的条件是________________。上述两个解链过程的共同点是破坏了DNA双链分子中的____________________。目前在PCR反应中使用TaqDNA聚合酶而不使用大肠杆菌DNA聚合酶的主要原因是_______________________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品 (2)甜蛋白基因 核基因组 (3)受伤的 叶片伤口处的细胞释放出大量酚类物质，可吸引农杆菌移向这些细胞 (4)解旋酶 加热至90～95 ℃ 氢键 TaqDNA聚合酶耐高温，而大肠杆菌DNA聚合酶在高温下会失活
解析 (4)细胞内的DNA复制开始时，通过解旋酶解开DNA双链。在体外利用PCR技术扩增目的基因时，通过高温(90～95 ℃)使反应体系中的模板DNA解聚为单链。上述两个解链过程的共同点是破坏了DNA双链分子中的氢键。大肠杆菌DNA聚合酶不耐高温，在高温下会失活，而PCR反应体系中加入的DNA聚合酶需耐高温，故在PCR反应中要用能耐高温的TaqDNA聚合酶。第7课时 基因工程的应用和蛋白质工程
课标要求 1.举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。2.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
考点一 基因工程的应用
1．基因工程在农牧业方面的应用
2．基因工程在医药卫生领域的应用
3．基因工程在食品工业方面的应用
1．基因工程应用于提高植物抗逆能力，请思考回答下列转基因抗虫棉的相关问题：
(1)抗虫棉能抗病毒、细菌、真菌吗？为什么？
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(2)从环境保护角度出发，分析转基因抗虫棉与普通棉相比在害虫防治方面的优越性有哪些？
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(3)种植转基因抗虫棉若干年后，害虫会不会对转基因抗虫棉产生抗性？为什么？
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2．为提高动物的生长速度，需将外源生长激素基因导入动物体内，应该选择的受体细胞是什么？并说明理由。
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1．(2023·山东潍坊高三检测)基因工程蓬勃发展，下列有关基因工程的说法正确的是( )
A．基因工程在农牧业上的应用主要目的是培养体型巨大品质优良的动物
B．用基因工程方法培育的抗虫植物也能抗病毒
C．转基因绵羊操作过程中生长激素基因的受体细胞最好采用乳腺细胞
D．在农业方面，蛋白质工程可用于改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食产量
2．干扰素是治疗癌症的重要药物，它必须从血液中提取，每升人血中只能提取0.5 μg，所以价格昂贵。某生物制品公司用如下方法(如图所示)生产干扰素。从图中可以看出，该公司生产干扰素运用的方法是( )
A．个体间的杂交 B．基因工程
C．蛋白质工程 D．器官移植
归纳总结 乳腺生物反应器与工程菌的比较
比较内容 乳腺生物反应器 工程菌
含义 让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白 指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的微生物
基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白相同 细菌合成的药物蛋白可能没有活性
受体细胞 动物受精卵 微生物细胞
目的基因导入方式 显微注射法 Ca2＋处理法
生产条件 不需要严格灭菌，温度等外界条件对其影响不大 需要严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或其培养液中提取
考点二 蛋白质工程的原理和应用
1．蛋白质工程的概念
2．蛋白质工程与基因工程的异同
项目 蛋白质工程 基因工程
过程 从预期的蛋白质功能出发→设计预期的____ ______→推测应有的 →找到并改变相对应的 (基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→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要的蛋白质 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________________________ 只能生产____________________
联系 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
3.蛋白质工程的应用
(1)在医药方面
①利用蛋白质工程研发________。
②实例：如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成________，在一定条件下，可以延长保存时间。
(2)在工业方面
①蛋白质工程被广泛用于改进________________或开发新的工业用酶。
②实例：枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。
(3)在农业方面
科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物__________________的效率，增加粮食的产量。
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。蛋白质工程的目标是生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质。结合图示回答有关问题：
(1)写出流程图中字母代表的含义：
A．____________；B.____________；C.____________；D.________；E.________。
(2)上图字母中属于中心法则的过程有______，属于蛋白质工程的过程有________。
(3)对天然蛋白质进行改造，你认为应该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？原因是什么？
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
3．(不定项)胰岛素可用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后易在皮下堆积，需较长时间才能进入血液，进入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影响。如图是新的速效胰岛素的生产过程，下列有关叙述错误的是( )
A．新的胰岛素的预期功能是构建新胰岛素模型的主要依据
B．新的胰岛素生产过程中不涉及中心法则
C．若用大肠杆菌生产新的胰岛素，常用Ca2＋处理大肠杆菌
D．新的胰岛素功能的发挥必须依赖于蛋白质正确的高级结构
4．β 葡聚糖酶是一种在酒类、饲料等行业中具有重要用途的工业用酶。为提高β 葡聚糖酶的催化活性，科学家将其第20位、117位和165位赖氨酸突变为丝氨酸。下列有关叙述错误的是( )
A．改造后的β 葡聚糖酶的耐酸碱能力增强
B．改造后的β 葡聚糖酶空间结构发生了改变
C．对β 葡聚糖酶结构的改造属于蛋白质工程
D．可通过DNA分子测序法检测突变是否成功
归纳总结 判断基因工程和蛋白质工程
(1)如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。
(2)如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。
1．(经典高考题)从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是( )
A．合成编码目的肽的DNA片段
B．构建含目的肽DNA片段的表达载体
C．依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽
D．筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽
2．(2020·山东，25)水稻胚乳中含直链淀粉和支链淀粉，直链淀粉所占比例越小糯性越强。科研人员将能表达出基因编辑系统的DNA序列转入水稻，实现了对直链淀粉合成酶基因(Wx基因)启动子序列的定点编辑，从而获得了3个突变品系。
(1)将能表达出基因编辑系统的DNA序列插入Ti质粒构建重组载体时，所需的酶是____________________________________________________________，重组载体进入水稻细胞并在细胞内维持稳定和表达的过程称为________。
(2)根据启动子的作用推测，Wx基因启动子序列的改变影响了_______________________，从而改变了 Wx基因的转录水平。与野生型水稻相比，3个突变品系中Wx基因控制合成的直链淀粉合成酶的氨基酸序列__________(填“发生”或“不发生”)改变，原因是_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(3)为检测启动子变化对Wx基因表达的影响，科研人员需要检测Wx基因转录产生的mRNA (Wx mRNA)的量。检测时分别提取各品系胚乳中的总RNA，经____________过程获得总cDNA。通过PCR技术可在总cDNA中专一性的扩增出 Wx基因的cDNA，原因是_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(4)各品系Wx mRNA量的检测结果如图所示，据图推测糯性最强的品系为________，原因是_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
3．(2022·全国乙，38)新冠疫情出现后，病毒核酸检测和疫苗接种在疫情防控中发挥了重要作用。回答下列问题：
(1)新冠病毒是一种RNA病毒，检测新冠病毒RNA(核酸检测)可以采取RT—PCR法。这种方法的基本原理是先以病毒RNA为模板合成cDNA，这一过程需要的酶是________________________，再通过PCR技术扩增相应的DNA片段。根据检测结果判断被检测者是否感染新冠病毒。
(2)为了确保新冠病毒核酸检测的准确性，在设计PCR引物时必须依据新冠病毒RNA中的____________________来进行。PCR过程每次循环分为3步，其中温度最低的一步是______________。
(3)某人同时进行了新冠病毒核酸检测和抗体检测(检测体内是否有新冠病毒抗体)，若核酸检测结果为阴性而抗体检测结果为阳性，说明________________________(答出1种情况即可)；若核酸检测和抗体检测结果均为阳性，说明________________________。
(4)常见的病毒疫苗有灭活疫苗、蛋白疫苗和重组疫苗等。已知某种病毒的特异性蛋白S(具有抗原性)的编码序列(目的基因)。为了制备蛋白疫苗，可以通过基因工程技术获得大量蛋白S。基因工程的基本操作流程是_______________________________________________________
______________________________________________________________________________。
4．(2022·湖南，22)水蛭是我国的传统中药材，主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构，提高其抗凝血活性。回答下列问题：
(1)蛋白质工程流程如图所示，物质a是________________，物质b是__________。在生产过程中，物质b可能不同，合成的蛋白质空间构象却相同，原因是______________________。
(2)蛋白质工程是基因工程的延伸，基因工程中获取目的基因的常用方法有_______________、______________________________________和利用PCR技术扩增。PCR技术遵循的基本原理是__________________。
(3)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，分析水解产物中的肽含量及其抗凝血活性，结果如图所示。推测两种处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的______(填“种类”或“含量”)有关，导致其活性不同的原因是__________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(4)若要比较蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素的抗凝血活性差异，简要写出实验设计思路。
1．判断关于基因工程的应用的叙述
(1) 为培育抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体( )
(2)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用( )
(3)用基因工程方法从大肠杆菌和酵母菌细胞内获得的干扰素结构和功能完全相同( )
2．判断关于蛋白质工程的原理及其应用的叙述
(1)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列( )
(2)基因工程在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程在分子水平对蛋白质进行操作( )
(3)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性( )
3．填空默写
(1)(选择性必修3 P90)乳腺生物反应器是指将_____________________________________与乳腺中________________________________等调控元件重组在一起，通过________________的方法导入哺乳动物的______中，由这个受精卵发育成的转基因动物在进入泌乳期后，可以通过分泌________来生产所需要的药物。
(2)(选择性必修3 P91)用转基因动物(猪)做器官移植的供体，方法是将器官供体基因组导入________________，以抑制________________________________________，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。
(3)(选择性必修3 P93)蛋白质工程是指以________________________________________作为基础，通过________________，来改造现有蛋白质，或制造________________，以满足________________________的需求。
(4)(选择性必修3 P93)基因工程原则上只能生产________________________________。
(5)(选择性必修3 P94)对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过____________来完成。
(6)(选择性必修3 P94)蛋白质工程的基本思路是从______________出发→设计预期的________________→推测应有的______________________________→找到并改变相对应的________________(基因)或______________→获得________________。
