2024届高三生物一轮复习课件《基因工程的应用和蛋白质工程》(共28张PPT)

(共28张PPT)
《基因工程的应用及蛋白质工程》
知识解读及实例分析
1、转基因抗虫植物：从某些生物中分离出抗虫基因导入作物，使之具有抗虫性状。
(1)优点：减少化学农药的使用、降低生产成本、提高产量
(2)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。
(3)实例：转基因抗虫棉、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
一、基因工程的应用
（一）基因工程在农牧业方面的应用
2、转基因抗病植物：将某些病毒、真菌等的抗病基因导入作物，培育出抗病作物。
（1）优点：减少化学农药的使用、降低生产成本、提高产量
（2）抗病基因：病毒复制酶基因、病毒外壳蛋白基因、抗毒素合成基因、几丁质酶基因。病毒外壳蛋白基因(CP)的机理使在植物细胞中积累的外壳蛋白会将入侵的病毒核酸包裹，抑制核酸的复制和表达；抑制病毒脱外壳；外壳蛋白基因转录出的RNA和病毒RNA相互作用。
（3）实例：抗病毒转基因甜椒、番木瓜和烟草等
例析1、（培育抗病农作物）马铃薯是种植广泛的农作物，病毒侵染后导致产量大幅下降，培育脱毒和抗毒的马铃薯品种是提高产量的有效方法．请分析并回答。
（1）马铃薯茎尖病毒极少甚至无病毒，因此可将马铃薯茎尖接种在培养基中，经过人工培养获得脱毒苗．培养基中添加 （填激素名称），诱导离体细胞经过 和 完成组织培养过程，从而形成脱毒苗。为监控脱毒苗的质量，可采用 的方法检测病毒的蛋白质．
（2）研究人员研究了茎尖外植体大小对幼苗的成活率和脱毒率的影响，实验结果如下表。实验结果表明，茎尖越小， ，因此马铃薯脱毒培养中茎尖外植体的适宜大小为 。
茎尖大小（mm） 成苗率 脱毒率
0.11 10 58
0.27 73 55
0.77 98 2
生长素、细胞分裂素
脱分化
再分化
抗原-抗体分子杂交
成苗率越低，脱毒率越高
0.27mm
（3）为获得抗病毒的马铃薯植株，往往采用转基因技术，将病毒复制酶基因转移到马铃薯体内。其过程大致如下图所示。
此过程中，将目的基因导人马铃薯细胞使用了 法。该方法先将目的基因插人到农杆菌Ti质粒的 上，然后通过农杆菌的转化作用，使目的基因进入植物细胞并插入到植物细胞的 上。导人农杆菌时，首先要构建基因表达载体，除了需要工具酶，还要用 处理土壤农杆菌，使之转变为感受态，然后将它们在缓冲液中混合培养以完成转化过程。为了便于检出转化成功的农杆菌，需要基因表达载体上含有 。目的基因在马铃薯体内能否成功转录，可采用的检测方法是 。该转基因马铃薯产生的配子中 （填“一定”或“不一定”）含有目的基因。
农杆菌转化
T-DNA
染色体DNA
分子杂交
不一定
Ca2+
标记基因
3、转基因抗除草剂植物
抗草甘膦玉米
抗草甘膦大豆实验
4、转基因改良植物的品质
5、用于提高动物生长速度
6、用于改善畜产品的品质
例析、（改良植物品质）育种工作者从高粱的基因组中分离出磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因(Ppc基因)，利用农杆菌介导的转化系统将其转入水稻体内，以提高水稻的光合效率。质粒上有PstⅠ、SmaⅠ、EcoR Ⅰ、Apa Ⅰ四种限制酶切割位点。请回答下列相关问题：
(1)基因工程的核心步骤是 ；构建含抗病基因的表达载体A时，应选用限制酶 分别对含Ppc基因的DNA和质粒进行切割，再用 使其连接。构建的表达载体A除含有目的基因、标记基因外，还应有 。
(2)欲在体外获得大量的Ppc基因，常采用 技术，其中所用的酶的特点是 。
(3)水稻组织细胞具有 ，因此，可以利用 技术将导入Ppc基因的水稻组织细胞培养成植株。
基因表达载体的构建
PstI、EcoR I
DNA连接酶
启动子、终止子
PCR
耐高温(具有热稳定性)
全能性
植物组织培养
（二）基因工程在医药卫生领域的应用
1、生产药物干扰素：是动物或人体受到病毒侵染后产生的一种细胞因子，是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，因此在临床上常作为抗病毒的特效药。
生产过程如下
2、乳腺生物反应器生产药物
反刍动物乳腺
人生长激素基因
显微注射
例析、（乳房生物反应器）下图是培育表达人乳铁蛋白的乳腺生物反应器的技术路线。图中tetR表示四环素抗性基因，ampR表示氨苄青霉素抗性金银，BamHI、HindIII、SmaI直线所示为三种限制酶的酶切位点。
据图回答：
（1）图中将人乳铁蛋白基因插入载体，需用 限制酶同时酶切载体和人乳铁蛋白基因。筛选含有重组载体的大肠杆菌首先需要在含
的培养基上进行。
（2）能使人乳铁蛋白基因在乳腺细胞中特异性表达的调控序列是 （填字母代号）。
A.启动子 B. tetR C.复制原点 D. ampR
(3)已知人乳铁蛋白基因的全部序列，可通过人工合成法或 。
HindⅢ和BamHⅠ
氨苄青霉素
A
PCR技术扩增
HindⅢ和BamHⅠ
（3）过程 ②可采用的操作方法是 （填字母代号）。
A.农杆菌转化 B. 大肠杆菌转化 C.显微注射 D. 细胞融合
（4）过程④可采用的生物技术是 。
（5）为检测人乳铁蛋白是否成功表达，可采用 （填字母代号）技术。
A.核酸分子杂交 B. 基因序列分析 C.抗原—抗体杂交 D. PCR
C
胚胎移植技术
C
胚胎移植技术
（三）基因工程在食品工业方面的应用
阿斯巴甜
天冬氨酸-苯丙氨酸
利用基因工程菌除了可以生产药物，还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。
1、蛋白质工程：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。
二、蛋白质工程的原理和利用
（1）原理：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
（2）途径：改造或合成基因
（3）目的：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）实质：通过改造或合成基因，定向改造或生产人类所需的蛋白质
预期功能
生物功能
设计
氨基酸
推测
改造或合成
转录
翻译
折叠
行使
（5）蛋白质工程的基本思路
①基因工程是遵循中心法则：DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。
②蛋白质工程与中心法则相反：思路是确定蛋白质的功能→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，创造出自然界不存在的蛋白质。
改造
干扰素（半胱氨酸）
体外很难保存
干扰素（丝氨酸）
体外可以保存半年
实例2、通过蛋白质工程培育赖氨酸含量高的玉米
实例1、通过蛋白质工程生产耐保存的干扰素
天冬氨酸激酶
二氢吡啶二羧酸合成酶
前体物质
赖氨酸
玉米活性很低，造成赖氨酸含量较低
天冬氨酸激酶
（352位的苏氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）
天冬氨酸激酶
（异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶
（异亮氨酸）
改造
改造
提高产量
（6）基因工程与蛋白质工程的比较
项目 蛋白质工程 基因工程
区别 操作对象 基因 基因
操作水平 DNA分子水平 DNA分子水平
操作流程 预期蛋白质的功能→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DNA序列或合成新的基因→获得所需的蛋白质 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。
结果 生产自然界没有的蛋白质 生产自然界已有的蛋白质
实质 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。 将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状
不足 生产符合人类生产和生活的需要的蛋白质 在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质
联系 ①蛋白质工程是在基因工程的基础上衍生出来的第二代基因工程。②蛋白质工程离不开基因工程，蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶，需要构建基因表达载体，改造后的基因要表达出相应的蛋白质，同样需要将改造或合成的基因导入受体细胞。 例析1、关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是（ ）
A．都是分子水平上的操作
B．基因工程就是改造基因的分子结构
C．蛋白质工程就是改造蛋白质的分子结构
D．基因工程能产生自然界根本不存在的基因，蛋白质工程能产生自然界根本不存在的蛋白质
A
点评：基因工程就是基因的转移；蛋白质工程是直接改造基因的结构，属于第二代基因工程；基因工程只能产生自然界存在的蛋白质，蛋白质工程可以产生自然界根本不存在的蛋白质。
例析2、蛋白质工程的基本流程正确的是（ ）
①蛋白质分子结构设计 ②DNA合成 ③预期蛋白质功能 ④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列
A.①→②→③→④ B.④→②→①→③
C.③→①→④→② D.③→④→①→②
C
点评：蛋白质工程的基本流程是从预期蛋白质功能出发，对蛋白质分子结构进行设计，再据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列，然后合成基因。
1.在医药工业方面
（1）研发速效胰岛素类似物已经在临床上广泛应用
胰岛素
速效胰岛素
三、蛋白质工程的应用
（2）人鼠嵌合抗体
人鼠嵌合抗体
既保持抗体的特异性和亲和力，又大大减少了在人体内的免疫原性。
2.其他工业方面：改进酶的性能或开发新的工业用酶
枯草杆菌蛋白酶
治癌酶的改造：HSV-TK自杀基因的原理。(A)HSV-TK在肿瘤细胞中诱导细胞毒性和凋亡。
(I)编码胸苷激酶的HSV-1TK基因被递送至靶细胞。HSV-1胸苷激酶和细胞激酶的表达允许前药 (GCV) 在细胞中被激活为有毒药物 (GCV-TP)并破坏靶细胞的DNA。
（Ⅱ）基因治疗通过激活靶细胞中的p53信号通路诱导内源性细胞凋亡。
（Ⅲ）基因治疗诱导外源性细胞凋亡。(B)旁观者效应导致相邻细胞死亡。
例析、枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性，但极易被氧化而失效。1985年，美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替换后，虽然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有效地除去血渍、奶渍等蛋白质污渍。
（1）改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是 。
（2）改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比，至少有
个碱基对发生变化。
（3）利用生物技术改造蛋白质，是提高了蛋白质的 性，埃斯特尔所作的工作是对已知蛋白质进行 。
蛋白质工程
1
稳定
少数氨基酸的替换
3.农业方面
（1）改造某些参与调控光合作用的酶，提高植物光合作用的效率，增加粮食产量。
（2）设计优良的微生物农药，改造微生物的蛋白质结构，使其防治病虫害的效果增强。
例析1.下列有关基因工程及其应用的相关叙述，不正确的是（ ）
A.基因工程育种能够定向改造生物性状
B.DNA连接酶可催化脱氧核苷酸链间形成氢键
C.可利用转基因细菌降解有毒有害的化合物
D.能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是基因工程育种
B
点评：DNA连接酶可催化脱氧核苷酸链间形成磷酸二酯键键。
例析2.纤维素酶广泛应用于医药、食品发酵、造纸、废水处理等领域。研究人员利用蛋白质工程将细菌纤维素酶的第137、179、194位相应氨基酸替换为赖氨酸后，纤维素酶热稳定性得到了提高。下列有关该技术，说法错误的是（ ）
A.经改造后的纤维素酶热稳定性提高，这一性状可遗传
B.对纤维素酶的改造是通过直接改造mRNA实现的
C.改造纤维素酶也需要构建基因表达载体
D.改造后的纤维素酶和原纤维素酶不是同一种酶
B
点评：对纤维素酶的改造是通过蛋白质工程实现，是直接对基因进行改造。
例析3.为研究拟南芥的AtCIPK基因对烟草抗旱能力的影响,科研人员将该基因转入烟草得到甲、乙、丙三个转基因品种,变量处理后的第7天检测AtCIPK基因和抗干旱基因NtLE5的表达量,结果如下表所示。下列错误的是( )
A
表达量品种 AtCIPK基因 相对表达量 NtLE5基因的表达量 0天 7天
甲 5.31 1.01 1.81
乙 5.52 1.05 1.83
丙 7.05 1.26 3.08
丁 0 0.98 0.95
A.丁组与其他实验组在变量处理前都需要提供适宜光照和进行干旱处理
B.基因表达量的分析过程中存在U—A碱基配对
C.除了检测基因的表达量外，还需进行个体水平的检测
D.AtCIPK基因的表达产物可能促进NtLE5基因的表达，从而提高植物对干旱的适应性
点评：丁组属于对照组，与其他实验组在变量处理前都需要提供适宜的光照并浇水使其正常生长，变量处理时，实验组和对照组停止浇水。