第55讲 基因工程的应用和蛋白质工程-备战2025年高考生物一轮复习精品课件（新高考通用）

这是一份第55讲 基因工程的应用和蛋白质工程-备战2025年高考生物一轮复习精品课件（新高考通用），共36页。PPT课件主要包含了1培养抗性植物，转基因抗虫植物，转基因抗病植物，转基因抗除草剂植物，基因工程的应用，①方法，②成果，转基因鲤鱼，①常见药物类型，②实例等内容，欢迎下载使用。
1.基因工程在农牧业方面的应用
从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物
转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等
科学家将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物
转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等
将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可以培育出抗除草剂的作物品种
转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等
(2)改良植物的品质：
我国科学家成功地将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛，呈现出自然界中没有的颜色变异，大大提高了观赏价值。
将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导人植物中,可以提高这种氨基酸的含量
优良性状的基因导入植物
(4)改善畜产品的品质：
将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组
转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他营养成分不受影响
(3)提高动物的生长速率：
将外源生长激素基因导入动物体内， 以提高动物的生长速率。
2.基因工程在医药卫生领域的应用
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。
细胞因子、抗体、疫苗和激素等
(1)对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
可大量生产干扰素的大肠杆菌或酵母菌
乳腺生物反应器或乳房生物反应器
乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件
(2)让转基因哺乳动物批量生产药物
获得乳腺生物反应器的步骤与培育普通转基因动物的步骤有什么区别？
培育乳腺生 反应器时要选用乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件与药用蛋白基因重组在一起，目的是让药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达。
4.用转基因动物作为器官移植的供体
培育无免疫排斥的转基因克隆猪器官
抑制抗原决定基因表达或除去抗原决定基因
在器官供体基因组中导入某种调节因子
用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。
基因工程构建基因工程菌
生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。
3.基因工程在食品工业方面的应用
将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉、酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。
加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品用到的脂酶等也都可以通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。
乳腺生物反应器与基因工程菌的比较
胰岛素对治疗糖尿病有积极的作用，为了批量生产人工胰岛素，可以采用转基因技术将人胰岛素基因转移到微生物细胞中，随后该胰岛素基因指导微生物细胞产生人胰岛素，可提取并收集胰岛素，用于治疗糖尿病病人
不同生物DNA分子的基本结构相似，所有生物共用一套密码子
利用基因工程批量生产人工胰岛素得以实现的遗传学物质基础是？
人的胰岛素基因不能直接在大肠杆菌中正确表达出胰岛素，其原因是？
真核细胞的基因结构不同于原核细胞，其转录出的mRNA需加工后才能作为翻译的模板，细菌中不存在此机制
1.(2023·广东湛江二模)红细胞生成素(EPO)是人体内促进红细胞生成的一种糖蛋白，可用于治疗肾衰性贫血等疾病。由于天然EPO来源极为有限，某科研团队采用基因工程培育转基因羊作为乳腺生物反应器，使其能合成EPO。下列有关叙述错误的是(　　)A．构建表达载体时需将EPO基因插入乳腺蛋白基因的启动子的上游B．一般情况下，该转基因羊中的EPO基因只在羊的乳腺细胞中表达C．可用显微注射技术将含有EPO基因的表达载体导入羊的受精卵中D．用PCR扩增人EPO基因，需要一段已知的EPO基因核苷酸序列
2.利用基因工程技术生产羧酸酯酶(CarE)制剂的流程如下图所示，下列叙述正确的是(　　)A．过程①需使用耐高温的DNA聚合酶B．过程②需使用解旋酶和PCR获取目的基因C．过程③使用的大肠杆菌细胞可用Na＋处理D．过程④可利用PCR技术检测目的基因是否已导入受体细胞
3.(2024·广东高三测试)近年来，我国在创新药和高端医疗器械等方面取得长足发展，重组人干扰素α-1b是我国批准生产的第一个基因工程药物。下图为其生产原理示意图。回答下列问题：
(1)从淋巴细胞中能提取到干扰素mRNA，而肝脏细胞或肌肉细胞不能，造成这些细胞在形态、结构和功能上存在差异的根本原因是________________。(2)PCR过程每次循环分为3步，其中发生引物与单链DNA结合的步骤称为________，得到的产物一般通过________________的方法来鉴定。
(3)在构建重组质粒过程中，需用到的工具酶有____________________。要将成功转入干扰素基因的工程菌筛选出来，所用的方法是_____________________。为保证工程菌不受其他杂菌的影响，培养前需用_____________________方法对培养基进行严格的灭菌。(4)若将干扰素分子上的一个半胱氨酸替换为丝氨酸，则这种改造的干扰素可在一定条件下延长保存时间，这属于________工程应用的领域。
湿热(或高压蒸汽)灭菌
1.蛋白质工程崛起缘由
(1)基因工程的实质及不足：
基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
(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（天然）的蛋白质。
天然蛋白质是生物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。
[易错提醒]　基因工程不会导致受体细胞或生物产生“新基因”或“新蛋白质”。
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
获得满足人类生产和生活需求的蛋白质
蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。
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，是涉及多学科的综合科技工程。
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。
(3)蛋白质工程的基本思路：
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。
逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
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。
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。
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。
若要获得抗盐能力更强的抗盐基因，可以对基因H进行改造，最终得到相应的蛋白质，该过程可以通过蛋白质工程完成，该过程的基本思路是?
烟草是我国重要的经济作物，其栽培容易受到气候、土壤等诸多生态因子的强烈制约，因而烟草的栽培区域受到限制。土壤中的盐分是制约烟草生长的重要因素，它不仅造成烟草产量和品质降低，同时还使土壤板结。
①预期耐盐蛋白质的功能；②设计耐盐蛋白质的结构；③推测应有的氨基酸序列；④找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因→获得耐盐能力更强的蛋白质)序列
1.酿酒酵母(一种酵母菌)在无氧条件下可以将木糖转化为乙醇。首先，木糖还原酶利用NADPH(还原型辅酶Ⅱ)转化木糖为木糖醇，然后木糖醇脱氢酶利用NAD＋(氧化型辅酶Ⅰ)转化木糖醇为木酮糖，后者进一步在其他条件下转化为乙醇。科学家利用蛋白质工程对相关酶进行改造，显著提高了乙醇的产量。下列相关说法错误的是(　　)A．NADPH供氢给木糖后不会转化为NAD＋B．若两种酶的比例不平衡，可能会造成木糖醇积累C．酿酒酵母的线粒体在无氧条件下基本不发挥作用D．科学家对相关酶改造的过程中，需要合成全新的基因
2.已知生物体内有一种蛋白质(P)，该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列问题：(1)从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的_____________________进行改造。
(2)以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有改造____基因或合成______基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括_______________________的复制，以及遗传信息在不同分子之间的流动，即_______________________________________________________________。(3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期的蛋白质功能出发，通过_____________________和______________________，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物________进行鉴定。
DNA和RNA(或遗传物质)　
DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转录、翻译)
设计预期的蛋白质结构　
3.(2021·广东选择考)非细胞合成技术是一种运用合成生物学方法，在细胞外构建多酶催化体系，获得目标产物的新技术，其核心是各种酶基因的挖掘、表达等。我国科学家设计了4步酶促反应的非细胞合成路线(如下图)，可直接用淀粉生产肌醇(重要的医药食品原料)，以期解决高温强酸水解方法造成的严重污染问题，并可以提高产率。
回答下列问题：(1)研究人员采用PCR技术从土壤微生物基因组中扩增得到目标酶基因。此外，获得酶基因的方法还有___________________________ (答出两种即可)。
从基因文库中获取、人工合成
(2)高质量的DNA模板是成功扩增出目的基因的前提条件之一。在制备高质量DNA模板时必须除去蛋白，方法有________________________________ _________(答出两种即可)。
酶解法(使用蛋白酶进行水解)、高温处理
(3)研究人员使用大肠杆菌BL21作为受体细胞、pET20b为表达载体分别进行4种酶的表达。表达载体转化大肠杆菌时，首先应制备________细胞。为了检测目的基因是否成功表达出酶蛋白，需要采用的方法有_________________。
(4)依上图所示流程，在一定的温度、pH等条件下，将4种酶与可溶性淀粉溶液混合组成一个反应体系。若这些酶最适反应条件不同，可能导致的结果是__________________________。在分子水平上，可以通过改变____________________，从而改变蛋白质的结构，实现对酶特性的改造和优化。
可溶性淀粉的分解效率降低
1.(2023·海南等级考)基因递送是植物遗传改良的重要技术之一，我国多个实验室合作开发了一种新型基因递送系统(切—浸—生芽Cut-Dip-Budding，简称CDB法)。图1与图2分别是利用常规转化法和CDB法在某植物中递送基因的示意图。
回答下列问题。(1)图1中，从外植体转变成愈伤组织的过程属于________；从愈伤组织到幼苗的培养过程需要的激素有生长素和____________，该过程还需要光照，其作用是_________________________________________________________。
诱导叶绿素形成，使幼苗能够进行光合作用　
(2)图1中的愈伤组织，若不经过共培养环节，直接诱导培养得到的植株可以保持植株A的___________。图1中，含有外源基因的转化植株A若用于生产种子，其包装需标注_______________________。
(3)图1与图2中，农杆菌侵染植物细胞时，可将外源基因递送到植物细胞中的原因是______________________________________________________________________________________________________________。
农杆菌细胞内含Ti质粒，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的T-DNA转移并整合到受体细胞染色体DNA上　
(4)与常规转化法相比，采用CDB法进行基因递送的优点是______________________________________________________________(答出2点即可)。
不需要无菌操作、不需要进行植物组织培养、操作简便(答出2点即可)
(4)已知某酶(PDS)缺失会导致植株白化。某团队构建了用于敲除PDS基因的CRISPR/Cas9基因编辑载体(含有绿色荧光蛋白标记基因)，利用图2中的CDB法将该重组载体导入植株B，长出毛状根，成功获得转化植株B。据此分析，从毛状根中获得阳性毛状根段的方法是_______________________________，图2中，鉴定导入幼苗中的基因编辑载体是否成功发挥作用的方法是_______________________________________________________________，依据是__________________________________________________________ _________________________________________________________________。
检测毛状根段是否有绿色荧光　
植物PDS中靶区域测序(或根据PDS基因的碱基序列设计引物进行PCR扩增)　
若导入幼苗的基因编辑载体成功发挥作用，则PDS基因被敲除,靶区域的测序就会出现序列缺失(或PCR无法扩增出条带)　
2.(2023·湖南选择考)某些植物根际促生菌具有生物固氮、分解淀粉和抑制病原菌等作用。回答下列问题：(1)若从植物根际土壤中筛选分解淀粉的固氮细菌，培养基的主要营养物质包括水和______________________。
(2)研究人员利用解淀粉芽孢杆菌H的淀粉酶编码基因M构建高效表达质粒载体，转入大肠杆菌成功构建基因工程菌A。在利用A菌株发酵生产淀粉酶M过程中，传代多次后，生产条件未变，但某子代菌株不再产生淀粉酶M。分析可能的原因是______________________________________________________________(答出两点即可)。
淀粉酶编码基因M发生突变；重组质粒在大肠杆菌分裂过程中丢失
(2)现从植物根际土壤中筛选出一株解淀粉芽孢杆菌H，其产生的抗菌肽抑菌效果见下表。据表推测该抗菌肽对______________________________的抑制效果较好，若要确定其有抑菌效果的最低浓度，需在__________ μg·mL－1浓度区间进一步实验。
金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌　
(4)研究人员通过肺上皮干细胞诱导生成肺类器官，可自组装或与成熟细胞组装成肺类装配体，如下图所示。肺类装配体培养需要满足适宜的营养、温度、渗透压、pH以及_________________________________________________________(答出两点即可)等基本条件。肺类装配体形成过程中是否运用了动物细胞融合技术？________(填“是”或“否”)。
无菌、无毒的环境，含95%空气和5%CO2的气体环境　
(5)耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)是一种耐药菌，严重危害人类健康。科研人员拟用MRSA感染肺类装配体建立感染模型，来探究解淀粉芽孢杆菌H抗菌肽是否对MRSA引起的肺炎有治疗潜力。以下实验材料中必备的是__________。①金黄色葡萄球菌感染的肺类装配体②MRSA感染的肺类装配体③解淀粉芽孢杆菌H抗菌肽④生理盐水⑤青霉素(抗金黄色葡萄球菌的药物)⑥万古霉素(抗MRSA的药物)
3.(2022·湖南选择考)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)蛋白质工程流程如下图所示，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________________________________________________。
mRNA上决定氨基酸的密码子具有简并性　
(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_________________。(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，结果如下图所示。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___________________________________________________。
酶处理后形成的肽中氨基酸的种类、数目和排列顺序不同