高中生物人教版 (2019)选择性必修3第3节 基因工程的应用授课ppt课件

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1.列举基因工程在农牧业方面、医药卫生领域、食品工业方面的具体应用及取得的丰硕成果,培养科学思维能力,树立社会责任意识。2.概述蛋白质工程的原理,认同蛋白质工程是基因工程的延续。3.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,尝试运用逆向思维分析和解决问题。
一、基因工程的应用1.基因工程在农牧业方面的应用。(1)应用:基因工程技术已被广泛用于　改良　动植物品种、提高作物和畜产品的　产量　等方面。 
(2)实例。基于基因工程的应用,将下列转基因生物和选用的目的基因连线。
2.基因工程在医药卫生领域的应用。(1)生产药物。①常见的药物:细胞因子、抗体、疫苗和激素等。我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市场。②批量生产药物:乳腺(房)生物反应器。a.目的基因:药用蛋白基因。b.启动子:乳腺中特异表达的基因的启动子。c.受体细胞:哺乳动物的受精卵。
(2)移植器官:在器官供体的基因组中导入某种调节因子,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器官。
3.基因工程在食品工业方面的应用。(1)利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等,可以实现大规模生产。(2)用基因工程技术获得的工业用酶的纯度更　高　,而且它的生产成本显著降低,生产效率较高。 4.基因工程在其他方面的应用。(1)培育出可以　降解　多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染。 (2)利用经过基因改造的微生物来生产　能源　。 
微点拨11.转基因抗病植物仍然需要防虫管理,因为每种基因都有特定的结构和功能,具有抗病基因的植物只能抗病。2.在培育动物乳腺生物反应器时,为了保证目的基因只在乳腺细胞中表达,要将目的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。
微思考1 培养乳腺生物反应器转基因动物时为什么要选用乳腺中特异表达的基因的启动子?提示:乳腺生物反应器可从分泌的乳汁中提取相应的基因表达产物,乳腺中特异表达的基因的启动子可使目的基因在乳腺细胞中表达。
微判断11.科学家将某些病毒、真菌的抗病基因导入植物中,以获得转基因抗病植物。( )2.由大肠杆菌工程菌获得的人干扰素可直接应用。( )3.基因工程药物生产效率高、针对性强、成本低、价格便宜。(　　)4.利用基因工程技术,可以让哺乳动物批量生产药用蛋白。(　　)
二、蛋白质工程的原理和应用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。
2.蛋白质工程崛起的缘由。(1)基因工程的实质: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　新的性状　。 (2)基因工程的不足:基因工程原则上只能生产自然界中　已存在　的蛋白质。 (3)天然蛋白质的不足:天然蛋白质的结构和功能符合　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。 
3.蛋白质工程的基本原理。(1)目标:根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的　结构　进行设计改造。 (2)原理:由于基因决定蛋白质,因此要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。 (3)基本思路: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　。 
4.蛋白质工程的应用。(1)进展。①在医药工业方面,利用蛋白质工程　研发　药物。 ②在其他工业方面,用于改进　酶　的性能或开发新的工业用酶。 ③在农业方面,尝试改造某些参与调控光合作用的酶;设计优良微生物农药,通过改造微生物蛋白质的结构,使它防治病虫害的效果增强。
(2)面临困难:因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构,而这种高级结构往往十分复杂。微点拨2基因工程和蛋白质工程都遵循中心法则。蛋白质工程直接操作的对象是基因,而不是蛋白质。
微思考2为什么改变一个氨基酸就可以改变蛋白质的稳定性甚至某种蛋白质的活性?提示:蛋白质的结构的决定因素包括氨基酸的种类、数目、排列顺序和肽链的结构,因此个别氨基酸的改变就会导致其结构的改变,从而影响其性质和功能。
微判断21.蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的。(　　)2.蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是现有基因的脱氧核苷酸序列。(　　)3.蛋白质工程在实施中遇到的最大难题是对大多数蛋白质的高级结构不清楚。(　　)
一基因工程的应用问题探究人乳铁蛋白(hLF)广泛分布于乳汁等外分泌液,初乳中含量较高,对细菌、真菌和病毒等都有抑制作用。研究人员开展人乳铁蛋白基因乳腺特异性表达载体构建及转染研究,主要流程如图所示,图中AseⅠ、NheⅠ、SalⅠ、BamHⅠ代表相关限制酶,NeR为新霉素抗性基因,BLG基因为β乳球蛋白基因,GFP基因为绿色荧光蛋白基因。
(1)过程①中,为什么不能从人肌肉细胞中提取RNA用于RT-PCR?在RT-PCR过程中,为了便于hLF基因插入pEB质粒中,加入的引物需在5'端添加哪种限制酶的识别序列?提示:hLF基因在人肌肉细胞中不转录(表达)。SalⅠ和BamHⅠ。(2)过程②中,hLF基因插入BLG基因之后的目的是什么?提示:使人乳铁蛋白基因在山羊的乳腺细胞中表达。
(3)将转染后的山羊乳腺上皮细胞先置于含新霉素的培养液中培养,能够存活的细胞应该是导入了哪种质粒的细胞?如何利用荧光显微镜观察法筛选出转染成功的细胞?提示:pEB质粒或pEBL质粒。利用荧光显微镜观察山羊乳腺上皮细胞中是否有绿色荧光,以筛选出转染成功的细胞。
归纳总结1.乳腺生物反应器。(1)过程。
(2)优点和缺点。①优点。a.产量高,易获得目标产品。b.目标产品质量好,因为乳腺组织具有对蛋白质进行合成和加工的能力。c.产品成本低。d.从乳汁中提取产品,操作简单。②缺点:受性别和年龄的限制,只有雌性动物哺乳期才能获得相应产物。
2.乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较。
典例剖析【例1】动物基因工程前景广阔,可利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器,以生产所需要的药品,如利用转基因动物生产人的生长激素。科学家培育转基因动物使其成为乳腺生物反应器时(　　)A.仅利用了基因工程技术B.不需要乳腺中特异表达的基因的启动子C.利用农杆菌转化法将人的生长激素基因导入受精卵中D.转基因动物需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂”
解析:科学家培育转基因动物时除涉及基因工程外,还涉及其他生物技术,如胚胎移植。生产生长激素时,需要将人的生长激素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,再通过显微注射技术导入哺乳动物的受精卵中,培养一段时间后,将胚胎移入母体内,使其生长发育成转基因动物。
学以致用1.下面有关基因工程的叙述,正确的是(　　)A.利用基因工程技术可分别从大肠杆菌和青霉菌体内获取基因工程药品胰岛素和青霉素B.用大肠杆菌作受体细胞时,可用NaCl处理大肠杆菌C.启动子也称为起始密码子,终止子也称为终止密码子D.由大肠杆菌获得的人的干扰素不能直接利用答案:D
解析:青霉菌产生青霉素是一种自身基因的正常表达,故从青霉菌体内获得的青霉素不属于基因工程药品,A项错误。用大肠杆菌作受体细胞时,可用CaCl2处理大肠杆菌细胞,使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,B项错误。启动子和终止子都是一段特殊的DNA序列,负责调控基因的转录,而起始密码子和终止密码子都存在于mRNA上,分别决定翻译的起始和终止,C项错误。大肠杆菌是原核生物,无内质网和高尔基体等细胞器,由大肠杆菌生产的干扰素不具备天然活性,需经过人为加工处理后才能利用,D项正确。
二蛋白质工程问题探究目前科学家通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等。(1)某同学认为只要知道了氨基酸的序列就可以利用蛋白质工程制造出各种特定功能的蛋白质,这种说法对吗?提示:不对。蛋白质的功能除了与氨基酸的序列有关以外,还与其特定的空间结构有关。
(2)蛋白质工程需要通过改造或合成基因来完成,为什么不是直接对蛋白质进行改造?提示:①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的,改造了基因即改造了蛋白质,而且可以遗传。如果直接对蛋白质进行改造,即使改造成功,被改造的蛋白质也无法遗传。②对基因进行改造比对蛋白质进行改造要容易操作,难度要小得多。
归纳总结1.蛋白质工程的基本思路。
2.蛋白质工程与基因工程的关系。
3.蛋白质工程的判断。(1)判断是否为蛋白质工程的关键是看是否通过基因改造或基因合成,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质。(2)根据改造蛋白质部位的多少,对蛋白质的改造可分为三类。①“大改”:设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质。②“中改”:在蛋白质分子中替换某一个肽段或一个特定的结构域。③“小改”:改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。
典例剖析【例2】下列关于蛋白质工程的说法,正确的是(　　)A.蛋白质工程是指在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作B.蛋白质工程能产生自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子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:蛋白质工程是利用基因工程手段对蛋白质进行改造,以期获得性质和功能更加完善的蛋白质分子。蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子。
学以致用2.下列关于基因工程与蛋白质工程的叙述,正确的是(　　)A.基因工程需要对基因进行分子水平上的操作,蛋白质工程不对基因进行操作B.基因工程合成的是天然蛋白质,蛋白质工程合成的不是天然存在的蛋白质C.基因工程是分子水平上的操作,蛋白质工程是细胞水平(或性状水平)上的操作D.基因工程完全不同于蛋白质工程
解析:基因工程和蛋白质工程都是分子水平上的操作。蛋白质工程通过改造或合成基因,改造现有蛋白质,或制造一种新的蛋白质。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,二者有相似之处。
1.基因工程自诞生以来取得了丰硕的成果。下列有关植物基因工程的成果的叙述,正确的是(　　)A.转基因抗虫棉改善了作物的品质B.将抗虫蛋白基因直接导入水稻的受精卵,可以得到抗虫水稻C.转入调节细胞渗透压的基因,有利于植物抗盐碱、抗干旱D.植物细胞中没有质粒,所以不能利用质粒作为植物基因工程的载体答案:C
解析:转基因抗虫棉使作物获得了抗虫特性,但没有改善作物的品质,A项错误。将目的基因导入受体细胞前需要先构建基因表达载体,B项错误。转入调节细胞渗透压的基因,有利于植物抗盐碱、抗干旱,C项正确。可以利用质粒作为植物基因工程的载体,D项错误。
2.植物病毒每年给世界各地的农作物生产造成了巨大的损失,基因工程的发展为防治病毒病开辟了新途径。下列关于抗病毒的转基因植物成功表达的叙述,正确的是(　　)A.抗病毒的转基因植物可以抵抗所有病毒B.抗病毒的转基因植物对病毒的抗性具有局限性或特异性C.抗病毒的转基因植物可以抗害虫D.抗病毒的转基因植物可以稳定遗传,不会变异答案:B
解析:抗病毒的转基因植物只能抵抗某种或某类病毒,不可能抵抗所有病毒,更不能抗害虫,A、C两项错误。目的基因导入受体细胞后,可以随受体细胞内的遗传物质稳定遗传,也可能会发生变异,D项错误。
3.T4溶菌酶在温度较高时易失去活性。研究人员通过蛋白质工程将T4溶菌酶第3位上的异亮氨酸改成半胱氨酸,该处半胱氨酸可与第97位半胱氨酸之间形成1个二硫键,获得了热稳定性高的T4溶菌酶。下列说法正确的是(　　)A.蛋白质工程与中心法则的流程方向一致,即DNA→mRNA→蛋白质B.不能利用抗原—抗体杂交的方法对该酶进行检测C.蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异D.上述改造过程会使基因发生定向改变,产生1种全新的基因
解析:蛋白质工程与中心法则的流程方向相反,A项错误。T4溶菌酶的本质为蛋白质,可利用抗原—抗体特异性结合的特点对该酶进行检测,B项错误。蛋白质工程和基因工程的操作对象都是基因,C项错误。
4.某研究所成功培育出一头携带人白蛋白基因的转基因牛。他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法,使转基因动物乳汁中的药用蛋白含量提高了30多倍。下列有关叙述正确的是(　　)A.“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物B.“提高基因的表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因C.只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白,是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中是纯合的
D.转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因,但不发生转录、翻译,故不能合成人白蛋白答案:D解析:体细胞中出现新基因有可能是基因突变导致的,A项错误。“提高基因的表达水平”是指增强白蛋白基因的表达,白蛋白基因的数目并没有增多,B项错误。“转基因动物”一般用到的受体细胞是受精卵,发育成的个体的几乎所有细胞中都有相同的外源基因,C项错误。转基因牛的白蛋白基因是选择性表达的,其在肌肉细胞中不能表达,D项正确。
5.蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时,下列方案合理的是(　　)①进行少数氨基酸的替换　②对不同来源的蛋白质进行拼接　③从预期蛋白质的功能出发去推测氨基酸序列　④直接改变蛋白质的空间结构A.①②　　　B.①②③C.②③④D.①②④答案:B