高三生物一輪復(fù)習(xí)選修基因工程的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程的崛起

高三生物一輪復(fù)習(xí)選修基因工程的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程的崛起第1頁/共47頁一、基因工程的應(yīng)用成果1．乳腺生物反應(yīng)器與微生物生產(chǎn)的比較類型項(xiàng)目乳腺生物反應(yīng)器微生物生產(chǎn)基因結(jié)構(gòu)動(dòng)物基因結(jié)構(gòu)與人類基因結(jié)構(gòu)相同與人類基因結(jié)構(gòu)不同基因表達(dá)與天然蛋白質(zhì)活性沒有區(qū)別由于可能缺少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等細(xì)胞器，產(chǎn)物可能不具有生物活性第2頁/共47頁類型項(xiàng)目乳腺生物反應(yīng)器微生物生產(chǎn)產(chǎn)物提取從乳汁中較易分離提取從細(xì)胞中提取，較為復(fù)雜生產(chǎn)設(shè)備畜牧業(yè)生產(chǎn)，加提取設(shè)備工業(yè)生產(chǎn)，設(shè)備精良第3頁/共47頁乳腺生物反應(yīng)器受生物性別的限制，若從動(dòng)物尿液中提取目的基因產(chǎn)物則不受性別限制。第4頁/共47頁2．基因治療

(1)成果：將腺苷脫氨酶基因轉(zhuǎn)入患者淋巴細(xì)胞中，治療復(fù)合型免疫缺陷癥。(2)方法：①體外基因治療：先從病人體內(nèi)獲得某種細(xì)胞，如T淋巴細(xì)胞，進(jìn)行培養(yǎng)。然后，在體外完成基因轉(zhuǎn)移，再篩選成功轉(zhuǎn)移的細(xì)胞進(jìn)行擴(kuò)增培養(yǎng)，最后重新輸入患者體內(nèi)。第5頁/共47頁②體內(nèi)基因治療：直接向人體組織細(xì)胞中轉(zhuǎn)移基因的治療方法。如1994年美國科學(xué)家利用經(jīng)過修飾的腺病毒作載體，成功地將治療遺傳性囊性纖維化病的正?；蜣D(zhuǎn)入患者肺組織中。第6頁/共47頁(3)基因治療的過程(以鐮刀型細(xì)胞貧血癥的治療為例)①用限制性核酸內(nèi)切酶從人的DNA分子中切取血紅蛋白基因。②用同一種限制性核酸內(nèi)切酶在載體DNA上切開一個(gè)切口，用DNA連接酶將正常血紅蛋白基因連接在載體DNA上，形成重組載體。第7頁/共47頁③將攜帶正常血紅蛋白基因的重組載體導(dǎo)入患者的造血干細(xì)胞中，并將重組載體插入到染色體DNA上。用選擇培養(yǎng)基篩選出含重組質(zhì)粒的造血干細(xì)胞。④將攜帶正常血紅蛋白基因的造血干細(xì)胞輸入患者骨髓中，此造血干細(xì)胞產(chǎn)生含正常血紅蛋白的紅細(xì)胞，以根治鐮刀型細(xì)胞貧血癥。第8頁/共47頁二、蛋白質(zhì)工程1．蛋白質(zhì)工程的基本原理第9頁/共47頁2．蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程區(qū)別過程預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)氨基酸序列→推測(cè)脫氧核苷酸序列

→合成DNA→表達(dá)出蛋白質(zhì)獲取目的基因→構(gòu)建表達(dá)載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定實(shí)質(zhì)定向改造或生產(chǎn)人類所需蛋白質(zhì)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(chǎn)品(基因的異體表達(dá))第10頁/共47頁項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程區(qū)別結(jié)果生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界中已有的蛋白質(zhì)聯(lián)系蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程。因?yàn)閷?duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造或制造新的蛋白質(zhì)，必須通過基因修飾或基因合成實(shí)現(xiàn)第11頁/共47頁已知SARS是由一種RNA病毒感染所引起的疾病。SARS病毒表面的S蛋白是主要的病毒抗原，在SARS病人康復(fù)后的血清中有抗S蛋白的特異性抗體。某研究小組為了研制預(yù)防SARS病毒的疫苗，開展了前期研究工作。其簡(jiǎn)要的操作流程如下：第12頁/共47頁(1)實(shí)驗(yàn)步驟①所代表的反應(yīng)過程是_______。第13頁/共47頁(2)步驟②構(gòu)建重組表達(dá)載體A和重組表達(dá)載體B必須使用限制性內(nèi)切酶和______酶，后者的作用是將用限制性內(nèi)切酶切割的_______和_____連接起來。(3)如果省略步驟②而將大量擴(kuò)增的S基因直接導(dǎo)入大腸桿菌，一般情況下，不能得到表達(dá)的S蛋白，其原因是S基因在大腸桿菌中不能_____，也不能__________。第14頁/共47頁(4)為了檢驗(yàn)步驟④所表達(dá)的S蛋白是否與病毒S蛋白有相同的免疫反應(yīng)特征，可用____與_____進(jìn)行抗原—抗體特異性反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，從而得出結(jié)論。(5)步驟④和⑥的結(jié)果相比，原核細(xì)胞表達(dá)的S蛋白與真核細(xì)胞表達(dá)的S蛋白的氨基酸序列________(相同，不同)，根本原因是________________。第15頁/共47頁【解析】

此題以免疫知識(shí)為背景，實(shí)則考查基因工程的相關(guān)知識(shí)。SARS病毒的遺傳物質(zhì)是RNA，其遺傳信息的表達(dá)首先需在宿主細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄合成相應(yīng)的DNA。利用這一點(diǎn)用逆轉(zhuǎn)錄的方法可獲得控制產(chǎn)生S蛋白的基因(目的基因)。目的基因的剪接需要工具酶——限制性內(nèi)切酶和DNA連接酶。第16頁/共47頁一般用同種限制酶分別切割目的基因和運(yùn)載體后，用DNA連接酶將二者連接起來。構(gòu)建基因表達(dá)載體的目的是使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并且可以遺傳給下一代，同時(shí)，使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用，這是因?yàn)槟康幕蛟谑荏w細(xì)胞內(nèi)是不能單獨(dú)穩(wěn)定存在并表達(dá)的。第17頁/共47頁利用抗原—抗體反應(yīng)可以檢測(cè)蛋白質(zhì)，因此要檢測(cè)基因工程產(chǎn)物是否與病毒的S蛋白有相同的免疫反應(yīng)特性，可以用病人康復(fù)后血清中提取的抗S蛋白抗體與基因工程產(chǎn)生的蛋白質(zhì)進(jìn)行抗原—抗體反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。相同的目的基因?qū)氩煌氖荏w，由于基因攜帶的遺傳信息相同，不同的生物又共用一套遺傳密碼，所以合成蛋白質(zhì)的氨基酸序列是相同的。第18頁/共47頁【答案】

(1)逆轉(zhuǎn)錄(2)DNA連接載體S基因(3)復(fù)制合成S基因的mRNA

(4)大腸桿菌中表達(dá)的S蛋白SARS康復(fù)病人血清(5)相同表達(dá)蛋白質(zhì)所用的基因相同第19頁/共47頁(2009年廣東高考題)(1)飼料加工過程溫度較高，要求植酸酶具有較好的高溫穩(wěn)定性。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造時(shí)，首先必須了解植酸酶的______，然后改變植酸酶的____，從而得到新的植酸酶。(2)培育轉(zhuǎn)植酸酶基因的大豆，可提高其作為飼料原料時(shí)磷的利用率。將植酸酶基因?qū)氪蠖辜?xì)胞常用的方法是_____。請(qǐng)簡(jiǎn)述獲得轉(zhuǎn)基因植株的完整過程。_________________。第20頁/共47頁(3)為了提高豬對(duì)飼料中磷的利用率，科學(xué)家將帶有植酸酶基因的重組質(zhì)粒通過_____轉(zhuǎn)入豬的受精卵中。該受精卵培養(yǎng)至一定時(shí)期后可通過________方法，從而一次得到多個(gè)轉(zhuǎn)基因豬個(gè)體。(4)若這些轉(zhuǎn)基因動(dòng)、植物進(jìn)入生態(tài)環(huán)境中，對(duì)生態(tài)環(huán)境有何影響？第21頁/共47頁【解析】

(1)蛋白質(zhì)工程首先要根據(jù)已有蛋白質(zhì)，從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)，設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列，找到相應(yīng)的脫氧核苷酸序列，合成目的基因，再通過基因工程產(chǎn)生轉(zhuǎn)基因生物。(2)將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞的方法有：農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法、基因槍法和花粉管通道法，其中有80%的轉(zhuǎn)基因植物都是通過農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法產(chǎn)生的。第22頁/共47頁(3)動(dòng)物細(xì)胞核的全能性受細(xì)胞質(zhì)的抑制，故目的基因需注入到受精卵中，再將注射了目的基因的受精卵移植到雌性動(dòng)物的輸卵管或子宮內(nèi)，使其發(fā)育成具有新性狀的動(dòng)物。(4)轉(zhuǎn)基因生物可造成基因污染等不良影響。第23頁/共47頁【答案】

(1)分子結(jié)構(gòu)及預(yù)期功能基因(2)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法首先將目的基因與質(zhì)粒組合，構(gòu)建基因表達(dá)載體，將含目的基因的表達(dá)載體導(dǎo)入植物細(xì)胞，通過植物組織培養(yǎng)獲得表現(xiàn)新性狀的植物。(3)顯微注射法胚胎分割(4)轉(zhuǎn)基因生物及其產(chǎn)品對(duì)生物多樣性、生態(tài)環(huán)境可能產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面：①轉(zhuǎn)基因生物打破了物種的原有界限，改變了物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成破壞；第24頁/共47頁②重組DNA與微生物雜交，可能出現(xiàn)對(duì)動(dòng)、植物和人類有害的病原微生物；③增加目標(biāo)害蟲的抗性和進(jìn)化速度；④轉(zhuǎn)基因植物通過傳粉進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致超級(jí)雜草出現(xiàn)；⑤轉(zhuǎn)基因植物的花粉如含有有毒蛋白或過敏蛋白，通過蜜蜂的采集，很可能進(jìn)入蜜蜂中，再經(jīng)過食物鏈的傳遞，最后有可能進(jìn)入其他動(dòng)物和人體內(nèi)。第25頁/共47頁1．(2009年安徽高考題)2008年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了“發(fā)現(xiàn)和發(fā)展了水母綠色熒光蛋白”的三位科學(xué)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(gè)融合基因，再將該融合基因轉(zhuǎn)入真核生物細(xì)胞內(nèi)，表達(dá)出的蛋白質(zhì)就會(huì)帶有綠色熒光。綠色熒光蛋白在該研究中的主要作用是(

)第26頁/共47頁A．追蹤目的基因在細(xì)胞內(nèi)的復(fù)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(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的分布D．追蹤目的基因編碼的蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)第27頁/共47頁【解析】綠色熒光蛋白基因指導(dǎo)合成的蛋白質(zhì)為綠色熒光蛋白，該基因與目的基因組成的融合基因指導(dǎo)合成的蛋白質(zhì)即含有綠色熒光蛋白，故綠色熒光蛋白基因可用來追蹤目的基因編碼的蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的分布。【答案】

C第28頁/共47頁2．(2008年高考上海卷)以重組DNA技術(shù)為核心的基因工程正在改變著人類的生活。請(qǐng)回答下列問題：(1)獲得目的基因的方法通常包括________和________。(2)切割和連接DNA分子所使用的酶分別是________________和______________。第29頁/共47頁(3)運(yùn)送目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體一般選用病毒或____________，后者的形狀呈________。(4)由于重組DNA分子成功導(dǎo)入受體細(xì)胞的頻率________，所以在轉(zhuǎn)化后通常需要進(jìn)行________操作。(5)將人胰島素基因分別導(dǎo)入大腸桿菌與酵母菌，從兩者中生產(chǎn)的胰島素在功能和________序列上是相同的。第30頁/共47頁【解析】

該題考查基因工程的操作，屬于記憶性的內(nèi)容，見答案。【答案】

(1)化學(xué)合成(人工合成)酶切獲取(從染色體DNA分離/從生物細(xì)胞分離)(2)限制性核酸內(nèi)切酶(限制酶)

DNA連接酶(連接酶)(3)質(zhì)粒小型環(huán)狀(雙鏈環(huán)狀、環(huán)狀)(4)低篩選(5)氨基酸第31頁/共47頁3.(2008年海南高考)右圖為某種質(zhì)粒表達(dá)載體簡(jiǎn)圖，小箭頭所指分別為限制性內(nèi)切酶EcoRⅠ、BamHⅠ的酶切位點(diǎn)，ampR為青霉素抗性基因，tctR為四環(huán)素抗性基因，P為啟動(dòng)子，T為終止子，ori為復(fù)制原點(diǎn)。已知目的基因的兩端分別有包括EcoRⅠ、BamHⅠ在內(nèi)的多種酶的酶切位點(diǎn)。第32頁/共47頁據(jù)圖回答：(1)將含有目的基因的DNA與質(zhì)粒表達(dá)載體分別用EcoRⅠ酶切，酶切產(chǎn)物用DNA連接酶進(jìn)行連接后，其中由兩個(gè)DNA片段之間連接形成的產(chǎn)物有_________、________、________三種。若要從這些連接產(chǎn)物中分離出重組質(zhì)粒，需要對(duì)這些連接產(chǎn)物進(jìn)行________。第33頁/共47頁(2)用上述3種連接產(chǎn)物與無任何抗藥性的原核宿主細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。之后將這些宿主細(xì)胞接種到含四環(huán)素的培養(yǎng)基中，能生長(zhǎng)的原核宿主細(xì)胞所含有的連接產(chǎn)物是________；若接種到含青霉素的培養(yǎng)基中，能生長(zhǎng)的原核宿主細(xì)胞所含有的連接產(chǎn)物是__________。第34頁/共47頁(3)目的基因表達(dá)時(shí)，RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的位點(diǎn)是______，其合成的產(chǎn)物是________。(4)在上述實(shí)驗(yàn)中，為了防止目的基因和質(zhì)粒表達(dá)載體在酶切后產(chǎn)生的末端發(fā)生任意連接，酶切時(shí)應(yīng)選用的酶是____________________。第35頁/共47頁【解析】

在基因表達(dá)載體的構(gòu)建過程中用同種限制酶來切割目的基因和質(zhì)粒，使之產(chǎn)生相同的黏性末端，以利于DNA片段的連接。將切割后的目的基因和質(zhì)粒，用DNA連接酶進(jìn)行連接，它們之間隨機(jī)連接，可有三種產(chǎn)物：目的基因—載體連接物、載體—載體連接物和目的基因—目的基因連接物。第36頁/共47頁從圖中可以看出，目的基因的插入位點(diǎn)在抗四環(huán)素基因上，可推知：目的基因—載體連接物的抗四環(huán)素基因被破壞，喪失了抗四環(huán)素的能力，但保留了抗青霉素的能力；載體—載體連接物既保留了抗四環(huán)素的能力也保留了抗青霉素的能力；目的基因—目的基因連接物既無抗青霉素基因也無抗四環(huán)素基因，不具備抗性。獲得DNA連接產(chǎn)物以后，必須通過篩選方能獲得所需的基因表達(dá)載體。第37頁/共47頁導(dǎo)入宿主細(xì)胞后方能表達(dá)獲得基因產(chǎn)物。目的基因表達(dá)過程中，RNA聚合酶首先與啟動(dòng)子結(jié)合，指導(dǎo)目的基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA，mRNA再指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。從圖中可看出抗四環(huán)素基因上有兩個(gè)不同的切割位點(diǎn)，所以在實(shí)際操作過程中，為避免切割后的末端任意連接，可用EcoRⅠ和BamHⅠ同時(shí)對(duì)目的基因和質(zhì)粒進(jìn)行切割，使同一切割產(chǎn)物的黏性末端不同。第38頁/共47頁【答案】

(1)目的基因—載體連接物載體—載體連接物目的基因—目的基因連接物分離純化(2)載體—載體連接物目的基因—載體連接物、載體—載體連接物(3)啟動(dòng)子mRNA

(4)EcoRⅠ和BamHⅠ第39頁/共47頁4.(2009年寧夏高考題)多數(shù)真核生物基因中編碼蛋白質(zhì)的序列被一些不編碼蛋白質(zhì)的序列隔開，每一個(gè)不編碼蛋白質(zhì)的序列稱為一個(gè)內(nèi)含子。這類基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄、加工形成的mRNA中只含有編碼蛋白質(zhì)的序列。某同學(xué)為檢測(cè)某基因中是否存在內(nèi)含子，進(jìn)行了下面的實(shí)驗(yàn)：第40頁/共47頁步驟①：獲取該基因的雙鏈DNA片段及其mRNA；步驟②：加熱DNA雙鏈?zhǔn)怪蔀閱捂?，并與步驟①所獲得的mRNA按照堿基配對(duì)原則形成雙鏈分子；步驟③：制片、染色、電鏡觀察，可觀察到圖中結(jié)果。請(qǐng)回答：(1)圖中凸環(huán)形成的原因是___，說明該基因有_____個(gè)內(nèi)含子。第