高中生物浙科版現代生物科技專題第一章基因工程 第1章第4節

第四節基因工程的發展前景課標解讀重點難點1.概述基因工程的發展前景。2.闡明蛋白質工程。3.了解基因工程在各領域的最新應用進展。科學家在基因工程方面的最新嘗試。(重難點)光合作用方面1.研究目標光合作用對人類的生存及發展十分重要，如何提高植物的光合作用效率及農作物產量，一直是科學家追求的目標。2．解決方法(1)提高二磷酸核酮糖羧化酶的活性。(2)降低加氧酶的活性。生物固氮方面1.生物固氮概念通過某些微生物將分子氮轉化為含氮化合物的過程。2．解決方法通過基因工程技術，將固氮細菌中的固氮基因轉移到非豆科作物的細胞內。生物反應器1.作用利用動植物作為生物反應器能夠生產價格低廉的蛋白質藥物。2．成果eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(利用轉基因動物的乳腺生產蛋白質藥物,利用轉基因植物生產疫苗))1．要培育出具有固氮能力的水稻、小麥等，需運用哪種生物技術？【提示】固氮基因工程技術。蛋白質工程1.概念利用基因工程技術對天然蛋白質進行改造，以便獲得具有理想生物學功能的蛋白質。2．內容主要是改造現有的蛋白質，通過修改蛋白質中的氨基酸序列來改進蛋白質的結構與構象，提高蛋白質的活性、穩定性和產率。2．通過T4溶菌酶分子中引入二硫鍵的方法提高了其熱穩性，試問在此過程中主要采取的生物技術是什么？【提示】蛋白質工程。1．科學家已培育出具有固氮能力的非豆科農作物。(×)【提示】此類作物尚未培育出來。2．轉基因羊的乳汁中已成功表達出了一些藥用蛋白質，如人白細胞介素-2等。(√)3．蛋白質工程的核心技術是轉基因技術。(√)4．蛋白質工程的目的在于獲得人們所需的天然蛋白質。(×)【提示】對天然蛋白質進行改造或獲得新的蛋白質。5．利用基因工程可提高農作物的產量。(√)對蛋白質工程的理解【問題導思】①什么是蛋白質工程？②蛋白質工程的基本流程如何？③如何理解蛋白質工程是在基因工程的基礎上發展起來的？1．概念：利用基因工程技術對天然蛋白質進行改造，以便獲得具有理想生物學功能的蛋白質。2．蛋白質工程崛起的緣由基因工程只能生產出天然蛋白質，蛋白質工程是為了生產出符合人類生產和生活需要的蛋白質。3．基本原理它可以根據人的需求來設計蛋白質的結構，又稱為第二代基因工程。4．基本途徑從預期的蛋白質功能出發，設計預期的蛋白質結構，推測應有的氨基酸序列，找到相對應的脫氧核苷酸序列(基因)。5．蛋白質工程的步驟1．蛋白質工程的設計思路與中心法則相反。2．蛋白質工程的操作對象是基因。關于蛋白質工程的設計思路不正確的是()A．從氨基酸的順序推測基因的核苷酸的排列順序B．蛋白質工程完全不遵循中心法則C．從蛋白質的功能推測蛋白質應有的結構D．從蛋白質的結構推測氨基酸的排列順序【審題導析】(1)要熟悉蛋白質工程的設計思路。(2)注意蛋白質工程的設計思路與蛋白質的合成過程相反?！揪v精析】蛋白質工程的設計思路如下：eq\x(\a\al(預期蛋白,質的功能))→eq\x(\a\al(設計蛋白,質的結構))→eq\x(\a\al(推測應有的,氨基酸序列))→eq\x(\a\al(推測基因的,核苷酸序列))可見，A、C、D項正確；而蛋白質的合成過程遵循中心法則，故B項錯誤?！敬鸢浮緽(2023·舟山高二檢測)科學家將β-干擾素基因進行定點突變后，導入大腸桿菌體內使其表達，使干擾素第17位的半胱氨酸變成絲氨酸，結果大大提高了β-干擾素的抗病活性，并且提高了貯存穩定性。該生物技術為()A．基因工程 B．蛋白質工程C．基因突變 D．細胞工程【思維導圖】解答此題的思維流程如下：eq\x(\a\al(基因定點突變后，導,入大腸桿菌內表達))→eq\x(\a\al(屬于對基,因的操作))→eq\x(\a\al(干擾素的第17,位氨基酸改變))→eq\x(\a\al(實現了對蛋白,質分子的改造))→eq\x(\a\al(屬于蛋白,質工程))【精講精析】為提高β-干擾素的抗病活性，在基因工程的基礎上對編碼β-干擾素相應的基因進行定點突變，最終實現了對β-干擾素結構功能的改變，這項技術稱為蛋白質工程。【答案】B蛋白質工程與基因工程的比較【問題導思】①蛋白質工程與基因工程有哪些區別和聯系？其實質分別是什么？②蛋白質工程與基因工程的操作程序分別有哪些？項目蛋白質工程基因工程區別過程預期蛋白質功能→設計蛋白質結構→推測氨基酸序列→推測脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達出蛋白質獲取目的基因→構建基因表達載體→導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定實質定向改造或生產人類所需蛋白質定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類所需的生物類型或生物產品(基因的異體表達)結果生產自然界沒有的蛋白質生產自然界中已有的蛋白質聯系蛋白質工程是在基因工程的基礎上延伸出來的第二代基因工程，因為對現有蛋白質的改造或制造新的蛋白質，必須通過基因修飾或基因合成實現利用基因工程，可以使哺乳動物的乳腺成為一種“生物反應器”，大量生產藥物。這種動物基因工程操作的一般過程如下。(1)首先，將________與________等調控組件重組在一起。(2)然后，通過________的方法，導入哺乳動物的受精卵中。(3)再次，將受精卵送入母體內，使其生長發育為轉基因動物。從中選擇________性個體，待其進入泌乳期后，可以通過________來生產所需要的藥品。【思維導圖】解答此題的思維流程如下：eq\x(\a\al(基因工程的,操作過程))eq\o(\a\al(→,\s\up7(應用)))eq\x(\a\al(生物反應器,的制作))→eq\x(\a\al(生物反應器,的功能))|||eq\x(熟練掌握)eq\x(目的基因準確表達)eq\x(優點)【精講精析】本題主要考查的是基因工程技術的應用，即利用轉基因動物作為活性生物反應器來生產藥物。轉基因動物是指以人工方法將外源基因導入動物受精卵(或早期胚胎細胞)，使外源基因與動物本身的基因組整合，并隨細胞的分裂而增殖，從而穩定地遺傳給下一代動物，這種技術稱為動物轉基因技術?！敬鸢浮?1)藥用蛋白基因乳腺蛋白基因(2)顯微注射(3)雌分泌乳汁下列關于蛋白質工程和基因工程的比較，不合理的是()A．基因工程原則上只能生產自然界已存在的蛋白質，而蛋白質工程可以對現有蛋白質進行改造，從而制造一種新的蛋白質B．蛋白質工程是在基因工程的基礎上發展起來的，蛋白質工程最終還是要通過基因修飾或基因合成來完成C．當得到可以在－70℃條件下保存半年的干擾素后，在相關酶、氨基酸和適宜的溫度、pH條件下，干擾素可以大量自我合成D．基因工程和蛋白質工程產生的變異都是可遺傳的【審題導析】解答本題的關鍵是理解基因工程及蛋白質工程的區別與聯系?！窘馕觥炕蚬こ淘瓌t上只能生產自然界已存在的蛋白質，而蛋白質工程可以對現有蛋白質進行改造，從而制造一種新的蛋白質；蛋白質工程是在基因工程的基礎上發展起來的，蛋白質工程最終還是要通過基因修飾或基因合成來完成，這樣產生的改變才能遺傳下去；蛋白質不是遺傳物質，不可能自我復制；由于基因工程和蛋白質工程都是對基因進行操作，因此，基因工程和蛋白質工程產生的變異都是可遺傳的?！敬鸢浮緾本課知識小結網絡構建結論語句1．通過基因工程提高二磷酸核酮糖羧化酶的活性及降低加氧酶的活性以達到提高植物光合作用效率的目的。2．通過基因工程技術，將固氮細菌中的固氮基因轉移到非豆科作物的細胞內，使其獲得固氮性狀。3．利用動植物體作生物反應器，生產價格低廉的蛋白質藥物。4．蛋白質工程是指利用基因工程技術對天然蛋白質進行改造，以便獲得具有理想生物學功能的蛋白質。1．下列有關葉綠體中的二磷酸核酮糖羧化酶的說法正確的是()A．能通過羧化作用固定CO2，也能催化底物的加氫反應B．能通過羧化作用還原CO2，也能催化底物的加氧反應C．二磷酸核酮糖羧化酶是由基因控制合成的D．提高二磷酸核酮糖羧化酶和加氧酶的活性，能提高作物產量【解析】二磷酸核酮糖羧化酶的羧化作用能固定CO2，也能催化底物的加氧反應；提高二磷酸核酮糖羧化酶的活性和降低加氧酶的活性，會增加植物對二氧化碳的固定速率，能提高作物產量。酶是蛋白質，最終是由基因控制合成的。【答案】C2．(2023·嘉興高二檢測)利用基因工程手段培育能固氮的水稻品種，其在環境保護上的意義是()A．減少氮肥使用量，降低生產成本B．減少氮肥生產量，節約能源C．避免使用氮肥過多引起的環境污染D．改良土壤的群落結構【解析】培育固氮水稻品種在環境保護上的意義是避免使用氮肥過多引起的環境污染?！敬鸢浮緾3．(2023·紹興測試)以下關于蛋白質工程的說法正確的是()A．蛋白質工程以基因工程為基礎B．蛋白質工程就是酶工程的延伸C．蛋白質工程就是用蛋白酶對蛋白質的改造D．蛋白質工程只能生產天然的蛋白質【解析】蛋白質工程是在基因工程的基礎上延伸出來的第二代基因工程。【答案】A4．在設計合成自然界中不存在的蛋白質時，首先應該設計()A．基因結構 B．mRNA結構C．氨基酸序列 D．蛋白質結構【解析】蛋白質工程的操作程序：從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到相對應的脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達出蛋白質。由此可知，首先設計的應該是蛋白質的結構。【答案】D5．蛋白質工程的基本操作程序正確的是()①蛋白質分子結構②DNA合成③mRNA合成④蛋白質的預期功能⑤根據氨基酸的序列推出脫氧核苷酸的序列⑥蛋白質分子合成A．①→②→③→④→⑤→⑥B．⑤→④→③→②→①→⑥C．④→①→⑤→②→③→⑥D．②→③→⑤→①→⑥→④【解析】蛋白質工程是分析已知結構和功能的蛋白質，并對其結構進行改造，主要是改變個別氨基酸，從而分析出改造后的蛋白質的氨基酸序列，據此逆推出mRNA的堿基序列，最后合成出相應的DNA?！敬鸢浮緾6．2023年諾貝爾化學獎授予了三位在研究綠色熒光蛋白(GFP)方面做出突出貢獻的科學家。綠色熒光蛋白能在藍光或紫外光的激發下發出熒光，這樣借助GFP發出的熒光就可以跟蹤蛋白質在細胞內部的移動情況，幫助推斷蛋白質的功能。下圖為我國首例綠色熒光蛋白GFP轉基因克隆豬的培育示意圖，據圖回答：(1)圖中通過過程①②形成重組質粒，需要限制性核酸內切酶切取目的基因、切割質粒。限制性核酸內切酶Ⅰ的識別序列和切點是—G↓GATCC—，限制性核酸內切酶Ⅱ的識別序列和切點是—↓GATC—。在質粒上有酶Ⅰ的一個切點，在目的基因的兩側各有1個酶Ⅱ的切點。①請畫出質粒被限制性核酸內切酶Ⅰ切割后所形成的粘性末端。②在DNA連接酶的作用下，上述兩種不同限制性核酸內切酶切割后形成的粘性末端能否連接起來？________。理由是___________________________________________________________________________________________。(2)過程③將重組質粒導入豬胎兒成纖維細胞時，采用最多也最有效的方法是______________________________________________________________。(3)如果將切取的GFP基因與抑制小豬抗原表達的基因一起構建到載體上，GFP基因可以作為基因表達載體上的標記基因，其作用是_________________________________________________________________________________________________________________________________。獲得的轉基因克隆豬，可以解決的醫學難題是可以避免________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)目前科學家們通過蛋白質工程制造出了藍色熒光蛋白、黃色熒光蛋白等，采用蛋白質工程技術制造出藍色熒光蛋白過程的正確順序是________(用下列序號表示)。①推測藍色熒光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列②藍色熒光蛋白的功能分析和結構設計③藍色熒光蛋白基因的修飾(合成)④表達出藍色熒光蛋白【解析】限制性核酸內切酶能識別特定的核苷酸序列，并在特定的位點進行切割，產生粘性末端。限制性核酸內切酶Ⅰ和Ⅱ切割后產生的粘性末端相同，即均產生GATC序列，因此可以用DNA連接酶將目的基因和載體連接起來。目的基因導入動物細胞最常用、最有效的方法是顯微注射法。標記基因可以用來檢測目的基因是否導入受體細胞。用轉基因克隆豬作為器官移植的供體，其優點是可以避免發生免疫排斥反應。【答案】(1)①eq\o(\a\al(—G↓GATCC—,—CCTAG↑G—))eq\o(→,\s\up7(用酶Ⅰ切割))eq\o(\a\al(—G,—CCTAG))eq\o(\a\al(GATCC—,G—))②可以連接由兩種不同限制性核酸內切酶切割后形成的粘性末端是相同的(或是可以互補的)(2)顯微注射法(3)鑒定受體細胞中是否含有目的基因發生免疫排斥反應(4)②①③④一、選擇題1．(2023·浙江平湖市高二質檢)蛋白質工程中，要對蛋白質結構進行設計改造，必須通過基因修飾或基因合成來完成，而不直接改造蛋白質的原因是()A．缺乏改造蛋白質所必需的工具酶B．改造基因易于操作且改造后能夠遺傳C．人類對大多數蛋白質高級結構知之甚少D．蛋白質中氨基酸的排列順序千變萬化，操作難度大【解析】蛋白質工程是通過基因修飾或基因合成，對現有蛋白質進行改造或者制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活的需求。蛋白質工程的直接操作對象是基因，并且改造后能夠遺傳；若直接改造蛋白質，其性狀不能遺傳?！敬鸢浮緽2．有關基因工程和蛋白質工程的敘述，正確的是()A．通過基因工程產生的蛋白質都符合人類需要B．通過基因工程能得到自然界中不存在的蛋白質C．蛋白質工程通常是對蛋白質結構進行直接改造D．蛋白質工程可以創造新的、自然界中不存在的蛋白質【解析】基因工程通常是以改造生物的遺傳特性為目的，所以基因工程的產物不一定是人類需要的蛋白質。基因工程中的目的基因通常是天然的，它控制合成天然蛋白質。即使人工合成的目的基因，也是根據天然蛋白質的有關信息合成的，所以基因工程不可能產生非天然蛋白質。蛋白質工程并不是直接改造蛋白質，而是通過改造某種基因，對這種基因控制合成的蛋白質進行改造?！敬鸢浮緿3．當前醫學上，蛋白質工程藥物正逐步取代第一代基因工程多肽蛋白質類治療劑，則基因工程藥物與蛋白質工程藥物的區別是()A．都與天然產物完全相同B．都與天然產物不相同C．基因工程藥物與天然產物完全相同，蛋白質工程藥物與天然產物不相同D．基因工程藥物與天然產物不相同，蛋白質工程藥物與天然產物完全相同【解析】基因工程藥物蛋白是自然界已存在的蛋白質，它們的結構和功能與天然產物完全相同；而蛋白質工程藥物是根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行分子設計，設計出自然界中不存在的分子，與天然產物不同?！敬鸢浮緾4．下列關于蛋白質工程的說法，正確的是()A．蛋白質工程僅僅是對蛋白質分子進行操作B．蛋白質工程能生產出自然界中不曾存在過的新型蛋白質分子C．對蛋白質的改造是通過直接改造相應的mRNA來實現的D．蛋白質工程的流程和天然蛋白質合成的過程是相同的【解析】蛋白質工程是通過基因修飾或基因合成，對現有的蛋白質進行改造，或制造新的蛋白質。蛋白質工程的流程是：從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到相對應的脫氧核苷酸序列(基因)；天然蛋白質的合成過程是：基因→表達(轉錄和翻譯)→形成具一定氨基酸序列的多肽鏈→形成具有高級結構的蛋白質→行使生物功能。【答案】B5．下列關于蛋白質工程應用的敘述不正確的是()A．蛋白質工程可以改造酶的結構，提高酶的熱穩定性B．通過蛋白質工程可以改變蛋白質的活性C．利用蛋白質工程可以在大腸桿菌細胞中得到人的胰島素D．蛋白質工程可以對胰島素進行改造和修飾，合成速效型胰島素制劑【解析】蛋白質工程是依據人們設計的蛋白質分子結構，來改造基因，進而控制合成新的蛋白質或改變自然界中的蛋白質，而在大腸桿菌中生產人胰島素利用基因工程技術便可達到?！敬鸢浮緾6．(2023·江蘇高考)近年誕生的具有劃時代意義的CRISPR/Cas9基因編輯技術可簡單、準確地進行基因定點編輯。其原理是由一條單鏈向導RNA引導核酸內切酶Cas9到一個特定的基因位點進行切割。通過設計向導RNA中20個堿基的識別序列，可人為選擇DNA上的目標位點進行切割(見下圖)。下列相關敘述錯誤的是()A．Cas9蛋白由相應基因指導在核糖體中合成B．向導RNA中的雙鏈區遵循堿基配對原則C．向導RNA可在逆轉錄酶催化下合成D．若α鏈剪切位點附近序列為……TCCAGAATC……則相應的識別序列為……UCCAGAAUC……【解析】基因控制蛋白質的合成，蛋白質的合成場所是核糖體，A選項正確；由圖示可見，單鏈向導RNA中含有雙鏈區，雙鏈區的堿基配對遵循堿基配對原則，B選項正確；逆轉錄酶催化合成的產物不是RNA而是DNA，C選項錯誤；若α鏈剪切位點附近序列為……TCCAGAATC……，則目標DNA中另一條鏈的堿基序列是……AGGTCTTAG……，故向導RNA中的識別序列是……UCCAGAAUC……，D選項正確?！敬鸢浮緾7．(2023·臺州高二檢測)如圖表示蛋白質工程的操作過程，下列說法不正確的是()蛋白質工程A．蛋白質工程中對蛋白質分子結構的了解是非常關鍵的工作B．蛋白質工程是完全擺脫基因工程技術的一項全新的生物工程技術C．a、b過程分別是轉錄、翻譯D．蛋白質工程中可能構建出一種全新的基因【解析】蛋白質工程對蛋白質分子結構的了解很關鍵，如其空間結構、氨基酸的排列順序等。對蛋白質結構的改造不是直接操作完成的，而是通過用來編碼相應部位的基因進行修飾或改造實現的?！敬鸢浮緽8．蛋白質工程和基因工程的相同點在于()A．最終目的 B．實施過程C．基本原理 D．沒有共同點【解析】蛋白質工程和基因工程的最終目的都是獲得人們預期的蛋白質，以滿足生產、生活需要?！敬鸢浮緼9．2023年諾貝爾化學獎授予了“發現和發展了水母綠色熒光蛋白”的三位科學家。將綠色熒光蛋白基因的片段與目的基因連接起來組成一個融合基因，再將該融合基因轉入真核生物細胞內，表達出的蛋白質就會帶有綠色熒光。綠色熒光蛋白在該研究中的主要作用是()A．追蹤目的基因在細胞內的復制過程B．追蹤目的基因插入到染色體上的位置C．追蹤目的基因編碼的蛋白質在細胞內的分布D．追蹤目的基因編碼的蛋白質的空間結構【解析】將綠色熒光蛋白基因的片段與目的基因連接起來組成一個融合基因，將該融合基因轉入真核生物細胞內，表達出的蛋白質帶有綠色熒光，從而可以追蹤目的基因編碼的蛋白質在細胞內的分布?！敬鸢浮緾10．下列選項中屬于蛋白質工程成就的是()A．提高二磷酸核酮糖羧化酶活性，提高栽培作物的光合作用效率B．通過固氮基因技術，已實現玉米的生物固氮能力C．利用植物已生產出了疫苗D．科學家已通過T4溶菌酶中引入二硫鍵的方法提高了其熱穩定性【解析】前三個選項均屬于基因工程技術的預期“成就”，不屬于蛋白質工程；D項是通過對蛋白質結構改造，獲得了其預期的功能，是蛋白質工程并且得以實現?！敬鸢浮緿二、非選擇題11．如圖為蛋白質工程操作的基本思路，請據圖回答下列問題。(1)代表蛋白質工程操作思路的過程是________；代表中心法則內容的是________。(填寫數字)(2)寫出圖中各數字代表的生物學過程的名稱或內容：①________；②________；③________；④________；⑤________。(3)蛋白質工程的目的是______________，通過________________實現。(4)從圖中可以看出蛋白質工程的設計思路與中心法則是________的?！窘馕觥刻烊坏鞍踪|合成的過程是按照中心法則進行的，而蛋白質工程的設計思路與之相反，即從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到相應的脫氧核苷酸序列(基因)。解答此題需要理解中心法則和蛋白質結構的知識?！敬鸢浮?1)④⑤①②(2)轉錄翻譯折疊推測應有的氨基酸序列DNA合成(3)對蛋白質的結構進行分子設計基因合成或改造(4)相反12．(2023·浙江奉化市高二質檢)植物生物反應器是指通過基因工程途徑，以常見的農作物作為“化學工廠”，通過大規模種植，生產具有重要功能的蛋白，如人或動物的疫苗、抗體、工農業用酶等各種高價值的生物制品的方法。列舉幾例如下表，請據此回答問題：反應器名稱藥物名稱作用蕪菁生物反應器干擾素抗病毒煙草生物反應器Ⅰ生長激素促進生長煙草生物反應器Ⅱ核糖體抑制蛋白抑制HIV增殖番茄生物反應器狂犬病病毒糖蛋白(G蛋白)疫苗馬鈴薯生物反應器人血清白蛋白(HSA)維持滲透壓、pH緩