第十单元　第62课时　基因工程的应用、蛋白质工程、DNA的两个重要实验-2025年高考生物大一轮复习课件

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1.举例说明基因工程在农牧业、食品工业及医药卫生领域等方面的广泛应用改善了人类的生活品质。2.概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。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。
考点一　　基因工程的应用
考点二　　蛋白质工程的原理和应用
考点三　　DNA的粗提取与鉴定、DNA片段的扩增与电泳鉴定
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)科学家利用转基因技术培育了抗玉米螟玉米，种植该玉米的农田就不需要进行防虫管理了(　　)
(2)乳腺生物反应器是将药用蛋白基因导入动物的乳腺细胞中(　　)
(3)用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类一般称为基因工程菌(　　)(4)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用(　　)
1.基因工程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。
(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)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。
2.为提高动物的生长速度，需要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　应该选择的受体细胞是受精卵。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。
3.生产乳腺生物反应器构建基因表达载体时有什么特别要求？为什么？
提示　必须把目的基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控元件重组在一起。因为只有连接了乳腺蛋白基因的启动子，才能保证相应的目的基因在雌性动物泌乳期的乳腺细胞内表达。
乳腺生物反应器(1)操作过程
(2)比较乳腺生物反应器与膀胱生物反应器①乳腺生物反应器是利用转基因动物的乳汁生产药用蛋白，而膀胱生物反应器是利用转基因动物的尿液生产药用蛋白，二者的优点：产量高、质量好、成本低、易提取，且不会对动物造成伤害。②乳腺生物反应器需是处于生殖期的雌性动物才可生产药用蛋白，而膀胱生物反应器则是任何生长期的雌雄动物均可生产药用蛋白。
考向一　基因工程的应用1.(2024·东营高三模拟)如图是将人的生长激素基因导入细菌B细胞内制备“工程菌”的示意图。已知细菌B细胞内不含质粒A，也不含质粒A上的基因。下列说法正确的是A.“结合”过程需使用限制酶、 TaqDNA聚合酶以及DNA连接酶B.细菌B接种在含有四环素的培养基上，能生长的就是导入了质粒A的细菌C.细菌B涂布在含有氨苄青霉素的培养基上，能生长的是只有导入了重组质粒的细菌D.生长激素基因导入了细菌B，说明“工程菌”制备成功
2.(不定项)(2024·岳阳高三一模)基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等多方面的应用发展迅速，如图表示利用基因工程技术生产人血清白蛋白的两条途径。下列叙述错误的是
A.若某基因是从人的细胞内提 取mRNA经逆转录形成的， 则该基因中不含启动子序列B.扩增目的基因时，利用耐高 温的DNA聚合酶从引物a、b的3′端进行子链合成C.导入人血清白蛋白基因的绵羊受体细胞是乳腺细胞D.利用农杆菌转化法可将含有目的基因的重组质粒整合到植物受体细胞 的染色体DNA上
蛋白质工程的原理和应用
2.蛋白质工程与基因工程的异同
自然界中不存在的蛋白质
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。(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。
(1)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列(　　)
(2)蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改造分子的结构(　　)
(3)蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为人们对蛋白质复杂的高级结构没有完全认识(　　)(4)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性(　　)
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)图示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，而被改造的蛋白质无法遗传。
(4)通过对Bt抗虫蛋白三维结构图及氨基酸序列进行分析，发现该蛋白质结构中一段由14个氨基酸组成的螺旋结构缺失，结构变化后的Bt抗虫蛋白能使棉铃虫具有更高的致死率。若要根据蛋白质工程的原理设计实验对Bt抗虫蛋白进行改造，以提高其致死率，请写出实验设计思路。
提示　参照密码子表，找到合成该14个氨基酸的碱基序列所在的基因位置，将这些碱基序列进行缺失处理。
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、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自然界中已存在的蛋白质(天然蛋白质)，则是基因工程；如果合成的蛋白质与天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。
考向二　辨析蛋白质工程的原理和操作流程3.(2024·菏泽高三质检)人体内的t－PA蛋白能高效降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓，然而，为心梗患者注射大剂量的基因工程t－PA会诱发颅内出血，其原因是t－PA与血纤维蛋白结合的特异性不高。研究证实，通过某技术，将t－PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，可制造出性能优异的改良t－PA蛋白，进而显著降低颅内出血。下列叙述错误的是A.该技术的关键是了解t－PA蛋白基因的分子结构B.该技术生产改良t－PA蛋白的过程遵循碱基互补配对原则C.该技术是蛋白质工程D.该技术的原理是从预期的蛋白质功能出发最终找到脱氧核苷酸序列的过程
4.(2024·娄底高三调研)蛋白质工程是基因工程的延伸。下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是A.通过蛋白质工程改造后的蛋白质的性状不可以遗传B.蛋白质工程和基因工程都需要构建基因表达载体C.蛋白质工程需要限制酶、DNA连接酶和载体等工具D.蛋白质工程经常要建立蛋白质高级结构的三维模型
DNA的粗提取与鉴定、DNA片段的扩增与电泳鉴定
1.DNA的粗提取与鉴定(1)基本原理
注意　加入酒精和用玻璃棒搅拌时，动作要轻缓，以免加剧DNA分子的断裂，导致DNA分子不能形成丝状沉淀。
2.DNA片段的扩增及电泳鉴定(1)实验基础①PCR原理：利用了 原理。②电泳：DNA分子具有可解离的基团，这些基团可以带上正电荷或负电荷。在电场的作用下，这些带电分子会向着与它所带电荷 的电极移动，这个过程就是电泳。③PCR的产物一般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定。在凝胶中DNA分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA分子的 等有关。
(2)PCR实验操作步骤
(3)DNA的电泳鉴定：凝胶中的DNA分子通过染色，可以在波长为______的紫外灯下被检测出来。
(1)提取DNA时，如果没有鸡血材料，可用猪血代替(　　)
(2)DNA与蛋白质都溶于酒精(　　)
(3)为了节约资源，移液器上的枪头在实验过程中不必更换(　　)
(4)进行DNA片段的扩增及电泳鉴定实验所需的缓冲液和酶应分装成小份，并在20 ℃条件下储存(　　)
(5)PCR反应中温度的周期性改变是为了DNA聚合酶催化不同的反应(　　)
(6)在凝胶中DNA分子的迁移速率只与DNA分子的大小有关(　　)
可通过PCR技术扩增Bt抗虫蛋白基因的数量，PCR的产物一般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定，回答下列有关问题：1.是否成功扩增出DNA片段，判断的依据是什么？
提示　可以通过在紫外灯下直接观察DNA条带的分布及粗细程度来评价扩增的结果。
2.进行电泳鉴定的结果如果不止一条条带，请分析产生这个结果的可能原因。
提示　如果扩增结果不止一条条带，可能的原因有：引物设计不合理，它们与非目的序列有同源性或容易聚合形成二聚体；复性温度过低；DNA聚合酶的质量不好等。
考向三　辨析DNA的粗提取与鉴定、DNA片段的扩增与电泳鉴定5.(2023·广东，11)“DNA的粗提取与鉴定”实验的基本过程：裂解→分离→沉淀→鉴定。下列叙述错误的是A.裂解：使细胞破裂释放出DNA等物质B.分离：可去除混合物中的多糖、蛋白质等C.沉淀：可反复多次以提高DNA的纯度D.鉴定：加入二苯胺试剂后即呈现蓝色
6.(2021·湖北，16)某实验利用PCR技术获取目的基因，实验结果显示除目的基因条带(引物与模板完全配对)外，还有2条非特异条带(引物和模板不完全配对)。为了减少反应非特异条带的产生，以下措施中有效的是A.增加模板DNA的量B.延长热变性的时间C.延长延伸的时间D.提高复性的温度
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)作器官移植的供体，方法是在器官供体基因组中导入 ，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。
抗原决定基因的表达，或设法
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。
蛋白质分子的结构规律及其与生物
自然界中已存在的蛋白质
6.(选择性必修3 P94)蛋白质工程的基本思路：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 。7.(选择性必修3 P74)DNA 的粗提取与鉴定的原理： 不溶于酒精，但某些 溶于酒精，利用这一原理，可以初步分离DNA与蛋白质。DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，它能溶于 的NaCl溶液。在一定温度下，DNA遇 试剂会呈现 ，因此 试剂可以作为鉴定DNA的试剂。
8.(选择性必修3 P84)PCR的产物一般通过 来鉴定。在凝胶中DNA分子的迁移速率与 、DNA分子的 和_____等有关。凝胶中的DNA分子通过染色，可以在波长为300 nm的 下被检测出来。
9.(2020·全国Ⅲ，38节选)W是一种具有特定功能的人体蛋白质。某研究小组拟仿照制备乳腺生物反应器的研究思路，制备一种膀胱生物反应器来获得W，基本过程如图所示。
回答下列问题：(1)步骤①中需要选择的启动子是 ，选择该启动子的目的是 。步骤②所代表的操作是 。(2)与乳腺生物反应器相比，用膀胱生物反应器生产W的优势在于不受转基因动物的 (答出2点即可)的限制。
膀胱上皮细胞蛋白基因的启动子
使W基因在膀胱上皮细胞中特异性表达
10.(2019·海南，31节选)人的T细胞可以产生某种具有临床价值的蛋白质(Y)，该蛋白质由一条多肽链组成。目前可以利用现代生物技术生产Y。天然的Y通常需要在低温条件下保存。假设将Y的第6位氨基酸甲改变为氨基酸乙可提高其热稳定性，若要根据蛋白质工程的原理对Y进行改造以提高其热稳定性，具体思路是___________________________________________________________________________________________________________。
找到第6位氨基酸甲对应的碱基所在的基因位置，参照密码子表，将第6位氨基酸甲对应的碱基替换为氨基酸乙的碱基
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.(2022·山东，13)关于“DNA的粗提取与鉴定”实验，下列说法错误的是A.过滤液沉淀过程在4 ℃冰箱中进行是为了防止DNA降解B.离心研磨液是为了加速DNA的沉淀C.在一定温度下，DNA遇二苯胺试剂呈现蓝色D.粗提取的DNA中可能含有蛋白质
2.(2024·张家界高三联考)科学家利用基因工程培育出了能产生乙肝病毒蛋白质的番茄，被称为“番茄乙肝疫苗”。具体操作是：将乙肝抗原基因M导入农杆菌，然后利用农杆菌将M导入番茄细胞。实验显示小白鼠连续五周吃这样的番茄，体内产生了抗乙肝病毒的抗体。下列叙述错误的是A.实验用PCR技术对M基因进行扩增，需要两种引物B.含M的重组Ti质粒必须插入到番茄染色体DNA上C.即使M在番茄中成功表达，也要做个体生物学水平鉴定D.番茄乙肝疫苗成本相对较低且易于储存
3.(2021·辽宁，14)腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域，但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是A.N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一B.加入连接肽需要通过改造基因实现C.获得N1的过程需要进行转录和翻译D.检测N1的活性时先将N1与底物充分混合，再置于高温环境
4.(2024·无锡高三调研)如图是蛋白质工程中改造目的基因的一种技术路线。S1核酸酶可以去除双链DNA突出的单链区；外切核酸酶Ⅲ只能从DNA双链的3′末端逐个水解单核苷酸，可以产生不同长度的5′突出末端。下列叙述错误的是A.步骤一需使用两种限制 酶切割目的基因片段B.步骤二、三分别使用了 S1核酸酶、外切核酸酶ⅢC.步骤四宜选用T4 DNA连接酶处理DNA片段D.质粒载体2中目的基因片段N的长度有多种
5.(2024·泰安高三质检)OsGLO1、EcCAT、EcGCL和TSR 4个基因分别编码4种不同的酶，研究人员将这些基因分别与叶绿体转运肽(引导合成的蛋白质进入叶绿体)基因连接，构建多基因表达载体(载体中部分序列如图所示)，利用农杆菌转化法转化水稻，在水稻叶绿体内构建了一条新代谢途径，提高了水稻的产量。下列叙述正确的是
A.4个基因转录时都以DNA的同一条单链为模板B.应选用含卡那霉素的培养基筛选被农杆菌转化的水稻细胞C.4个基因都在水稻叶绿体内进行转录、翻译D.可用抗原—抗体杂交技术检测4种酶在转基因水稻中的表达量
6.(2024·扬州高三调研)下列有关PCR操作过程的叙述，错误的是A.PCR实验中使用的微量离心管、枪头及蒸馏水等在使用前必须进行高 压灭菌B.PCR所用缓冲液和酶从冰箱拿出之后，应缓慢融化C.PCR所用的缓冲液和酶应分装成小份，并在常温下储存D.在微量离心管中添加反应组分时，每吸取一种试剂后，移液器上的枪 头都必须更换
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。7.(2024·菏泽高三模拟)水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术将相关基因导入水稻细胞中，建立水稻“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，降低使用氮肥的生产成本以及可能造成的环境污染。下列相关叙述正确的是A.用PCR技术可从根瘤菌DNA中获取固氮基因B.PCR扩增后的目的基因可直接注入水稻细胞中C.PCR技术可用于检测目的基因是否插入水稻基因组中D.实验中需将转基因水稻种植在缺氮培养液中进行筛选
8.苏云金芽孢杆菌中的杀虫晶体蛋白Cry具有杀虫毒性，但Cry蛋白存在杀虫谱窄、毒力有限等问题，制约了其在农业生产中的进一步应用。科学家通过定点突变，将Cry蛋白第168位的组氨酸替换为精氨酸后，Cry蛋白对烟草天蛾的毒性提高了3倍；将Cry蛋白第282位、第283位的丙氨酸和亮氨酸分别替换成甘氨酸和丝氨酸后，Cry蛋白对烟草天蛾的毒性提高了7倍。下列有关叙述错误的是A.对Cry蛋白的改造是通过直接替换Cry蛋白中的氨基酸来实现的B.Cry蛋白的毒性提高了3～7倍的原因可能是改变了该蛋白质的空间结构C.改造Cry蛋白应从Cry蛋白基因的脱氧核苷酸序列出发设计其特有的结构D.使用蛋白质工程改造Cry蛋白过程中需要使用限制酶和DNA连接酶
9.(2024·盐城高三调研)染色质是由一定长度的核小体为基本单位构成的。将大鼠肝细胞中分离出的染色质用非特异性核酸酶水解后去除染色质蛋白，对得到的DNA片段进行凝胶电泳，结果如图所示。若先将染色质中的蛋白质去掉，后用同样的非特异性核酸酶处理，则得到长度随机的DNA片段。据此分析，下列有关叙述错误的是
A.凝胶中的DNA分子通过染色，可以在波长为300 nm的紫外灯下被检测 出来B.染色质中的蛋白质可能对DNA具有保护作用C.构成核小体的基本单位是脱氧核糖核苷酸D.当DNA分子处于不同构象时，其在琼脂糖凝胶中的移动速率是一样的
三、非选择题10.(2024·邵阳高三模拟)基因工程自20世纪70年代兴起后，在农牧业、医药卫生领域和食品工业等方面展示出广阔的前景。如图是通过基因工程获得转基因生物或产品的流程图，请回答下列问题：
(1)若要构建小鼠乳腺生物反应器批量生产人抗利尿激素，应先从人体_______细胞中获取总RNA，通过逆转录获得cDNA，再经PCR后获得抗利尿激素基因。与人体细胞中的基因相比，该方法获取的抗利尿激素基因不具有_______________________等组件。
启动子、终止子和内含子
(2)通过PCR技术可扩增目的基因，PCR的每次循环一般可以分为__________________三步。一条单链cDNA在PCR仪中进行n次循环，需要消耗______个引物。一般通过________________来鉴定PCR的产物。
(3)图中质粒A上m、n分别是启动子和终止子，RNA聚合酶在模板DNA链上的移动方向是________。已知目的基因转录的模板链b链，箭头处是限制酶的切点(Nc Ⅰ：5′－C↓CATGG－3′；Nhe Ⅰ：5′－G↓GATCC－3′)，目的基因无法与载体A连接，为了使目的基因成功表达，需要在目的基因两侧加接末端，b链处加接末端5′－_______。
(4)构建小鼠乳腺生物反应器时，科研人员需要将抗利尿激素基因与小鼠乳腺蛋白基因启动子重组在一起，目的是_____________________________________。膀胱生物反应器与乳腺生物反应器相比，具有的显著优势在于不受转基因动物的______和______的限制，而且从尿液中提取蛋白质比在乳汁中提取简便、高效。
使抗利尿激素基因在小鼠的乳
11.(2024·苏州高三质检)重叠延伸PCR技术是一种通过寡聚核苷酸链之间重叠的部分互相搭桥、互为模板，经过多次PCR扩增，从而获得目的基因的方法。利用该技术可以实现基因的定点诱变，其操作步骤如图所示。回答下列问题：(1)重叠延伸PCR技术扩增DNA片段时遵循的原理是__________________。
(2)实现基因的定点诱变时，需要根据目的基因序列设计两种常规引物，以及根据突变碱基序列所处位置设计两种突变引物，图中属于突变引物的是引物________；与常规引物相比，突变引物必须具备的特点是________________________________________________________。
物必须要有一段互补的序列，可以进行碱基互补配对
(3)通过PCR1能得到大量产物AB，该过程需要加入引物_____，通过PCR2能得到大量产物CD，PCR1和PCR2必须分两个系统进行，不能在同一个系统里面，原因是________________________________________________。
防止两种突变引物在扩增时进行互补配对，失去作用
(4)取AB上链和CD下链再次进行扩增(重叠延伸)，即可得到突变产物AD，该过程一般________(填“需要”或“不需要”)加入引物，原因是__________________________________________。与X射线诱变相比，该突变技术的优点是_________________________________________。
DNA的交错部分即可作为其延伸的引物
可以诱导定向变异，目的性强，突变概率高
12.(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_______________。
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
(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___________________________________________________________________________________。
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)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。____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
设置4组试管，每组分别加入等量的改造后的水蛭素、用酶甲处理过的水蛭蛋白酶解产物、用酶乙处理过的水蛭蛋白酶解产物、天然水蛭素，加入等量同种动物的新鲜血液，相同条件下观察凝血需要的时间，凝血时间越长，抗凝血活性越高