1、第第2 2课时课时 基因工程的应用及蛋白质工程基因工程的应用及蛋白质工程 ( (含实验含实验) ) 第第1010单元单元 2022 内 容 索 引 01 02 必备知识必备知识 固本夯基固本夯基 核心考点核心考点 能力提升能力提升 必备知识必备知识 固本夯基固本夯基 一、基因工程的应用 1.植物基因工程的应用 应 用 目的基因 成果举例 转基因抗虫植物 具有 的基因 转基因抗虫棉花、玉米、 大豆、水稻和马铃薯等 转基因抗病植物 某些病毒、真菌等 的 转基因抗病毒甜椒、番 木瓜和烟草等 转基因抗除草剂 植物 降解或抵抗某种除草剂的 基因 转基因抗除草剂玉米、 大豆、油菜和甜菜等 改良植物的品质
2、具有营养价值、观赏价值 等 的基因 富含 的玉米、 新花色的牵牛花等 抗虫功能 抗病基因 优良性状 赖氨酸 2.动物基因工程的应用 (1)提高动物的生长速率:科学家将 基因导入动物体内, 以提高动物的生长速率。 (2)改善畜产品的品质:科学家将 基因导入奶牛基因组,使获得 的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, 解决 问题。 外源生长激素 肠乳糖酶 乳糖不耐受 3.基因工程在医药卫生领域的应用 应 用 操 作 成 果 生产基因 工程药物 对微生物或动植物的细胞进行基因 改造 细胞因子、抗体、 和 等 让哺乳动 物批量生 产药物 将 与乳腺中特异表 达的基因的 等调
3、控元件重 组导入哺乳动物的受精卵 乳腺生物反应器或乳 房生物反应器 建立移植 器官工厂 在器官供体的基因组中导入某种调 节因子 抗原决定基因的表 达或 抗原决定基因 没有 的 转基因克隆猪器官 疫苗 激素 药用蛋白基因 启动子 抑制 除去 免疫排斥反应 4.基因工程在食品工业方面的应用 (1)基因工程菌:用基因工程的方法,使 得到高效表达的菌类。 (2)应用: 生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。 通过工业发酵批量生产凝乳酶、工业用酶等。 外源基因 二、蛋白质工程 1.天然蛋白质合成途径:基因表达( )形成具有特定氨基 酸序列的多肽链形成具有 的蛋白质行使生物功能。 2.蛋白质工程的基本思路
4、转录和翻译 高级结构 氨基酸序列 mRNA 蛋白质 (三维结构) 三、实验:DNA粗提取与鉴定 DNA与蛋白质 2 mol/L 蓝色 研磨液 4 95% 白色丝状物 2 mol/L 二苯胺 蓝色 四、DNA片段的扩增及电泳鉴定 1.电泳鉴定原理 (1)DNA分子具有可解离的基团,在一定的pH下,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。 (2)在凝胶中DNA分子的迁移速率与 、 和 构象等有关。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。 相反 凝胶的浓度 DNA分子的大小 2.电泳基本过程 配制琼脂糖溶液:
5、根据待分离DNA片段的大小,用电泳缓冲液配制质量体 积比为 的琼脂糖溶液。 制作加样孔:将温热的琼脂糖溶液迅速倒入模具,并插入合适大小的 , 形成加样孔。 加入凝胶:待凝胶溶液完全凝固,小心拔出梳子,取出凝胶放入 内。 0.8%1.2% 梳子 电泳槽 加电泳缓冲液:将电泳缓冲液加入电泳槽中,电泳缓冲液没过凝胶 mm 为宜。 加混合液:将扩增得到的 产物与凝胶载样缓冲液(内含指示剂)混合, 再用微量移液器将混合液缓慢注入凝胶的加样孔内。留一个加样孔加入 大小的标准参照物。 接通电源电泳:根据电泳槽阳极至阴极之间的距离来设定电压,一般为 V/cm。待指示剂前沿迁移接近 时,停止电泳。 观察结果:取
6、出凝胶置于 下观察和照相。 1 PCR 指示分子 15 凝胶边缘 紫外灯 概念检测 1.基于基因工程的应用,判断下列表述是否正确。 (1)科学家将某些病毒、真菌的抗病基因导入植物中,获得转基因抗病植株。 ( ) (2)利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,如人的血清白蛋白, 这是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中。( ) (3)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用。( ) (4)干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白。( ) (5)用基因工程方法从大肠杆菌和酵母菌细胞内获得的干扰素结构和功能 完全相同。( ) 答案 (1) (2) (3) (4) (5) 2.基于对
7、蛋白质工程的原理及其应用的认识,判断下列表述是否正确。 (1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。( ) (2)蛋白质工程以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础。 ( ) (3)基因工程在分子水平对基因进行操作,蛋白质工程在分子水平对蛋白质 进行操作。( ) (4)蛋白质工程可以改造酶,提高酶的热稳定性。( ) (5)蛋白质工程最终要达到的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息。 ( ) 答案 (1) (2) (3) (4) (5) 3.基于DNA粗提取与鉴定实验的原理和程序,判断下列表述是否正确。 (1)DNA不溶于酒精,但某些蛋白质溶于酒精,利用这一原理可初步分离 DNA与
8、蛋白质。( ) (2)DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色,遇甲紫会呈现红色。( ) (3)DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同。( ) 答案 (1) (2) (3) 4.基于DNA片段的扩增及电泳鉴定的原理,判断下列表述是否正确。 (1)PCR的产物一般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定。( ) (2)在凝胶中DNA分子的迁移速率与DNA分子的大小和构象等有关,与凝 胶的浓度无关。( ) (3)凝胶中的DNA分子通过染色,可在波长为300 nm的紫外灯下被检测出来。 ( ) (4)PCR利用DNA热变性原理,通过调节温度控制DNA双链的解聚与结合。 ( ) 答案 (1) (2) (3) (4) 核心考点
9、核心考点 能力提升能力提升 考点一考点一 基因工程的应用基因工程的应用 合作探究合作探究 探究基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活 品质 对微生物或动植物的细胞进行基因改造,使它们能够生产药物,是目前基因 工程取得实际应用成果非常多的领域。 实例1 干扰素是治疗癌症的药物,成分是一种糖蛋白,它必须从血液中提 取,每升人血液只能提取0.05 g,所以价格昂贵。现在美国加利福尼亚的基 因公司用下图的方式生产干扰素。 实例2 动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺代替传统的生 物发酵,进行大规模生产可供治疗人类疾病或用于保健的活性蛋白质的现 代生物技术。目前科学家已在牛和
10、羊等动物的乳腺生物反应器中表达出 了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要药品。 (1)干扰素是糖蛋白,科学家用基因工程的方法分别从大肠杆菌及酵母菌细 胞内获得的干扰素,二者的生物活性是否相同? 提示 大肠杆菌是原核生物,只有核糖体,没有其他细胞器,酵母菌是真核 细胞,细胞内含有内质网、高尔基体等多种细胞器,可对蛋白质进行加工处 理,因此这两种干扰素的活性不同。 (2)利用动物乳腺生物反应器生产药物有什么优点与缺陷? 提示 优点是产量高、质量好、成本低、易提取。缺陷是该方法必须培 育雌性动物,利用其乳腺分泌乳汁获取药物,因此受动物性别限制。 (3)与一般的转基因动物的操作过程相比,用基因工程技术
11、实现动物乳腺生 物反应器的操作过程有什么要求? 提示 构建基因表达载体时,使用的启动子必须是乳腺蛋白基因的启动子 才能保证目的基因在乳腺细胞中表达。 归纳总结乳腺生物反应器 (1)乳腺(房)生物反应器:科学家将药用蛋白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,通过显微注射的方法导入哺乳动物的受 精卵中,然后,将受精卵送入母体内,使其生长发育成转基因动物。转基因 动物进入泌乳期后,可以通过分泌的乳汁来生产所需要的药品,因而称为乳 腺生物反应器或乳房生物反应器。 (2)过程(如图所示) 考向突破考向突破 考向 基因工程的原理和流程 (2020全国)W是一种具有特定功能的人体蛋白质。
12、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)步骤中需要使用的工具酶有 。步 骤和所代表的操作分别是 和 。步骤称 为 。 (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。 (3)一般来说,在同一动物个体中,乳腺上皮细胞与膀胱上皮细胞的细胞核 中染色体DNA所含的遗传信息 (填“相同”或“不同”),原因 是 。 (4)从上述流程可知,制备生物反应器涉及胚胎工程,胚胎工程中所用到的 主要技术有 (答出2点即可)。 答案 (1)限制性内切核酸酶、DNA连接酶 显微注
13、射 体外培养 胚胎 移植 (2)性别、年龄 (3)相同 两种上皮细胞都是体细胞,且来源于同一 个受精卵 (4)体外受精、胚胎移植 解析 (1)题图中步骤是构建基因表达载体,构建基因表达载体需要限制 性内切核酸酶和DNA连接酶。将目的基因导入动物细胞的方法是显微注 射法。体外受精形成的受精卵需在体外培养至早期胚胎,才能进行胚胎移 植。(2)乳腺生物反应器必须是雌性动物,且受年龄(发育时期)限制,而膀胱 生物反应器的获得不受性别、年龄等的限制。(3)同一动物个体的乳腺上 皮细胞和膀胱上皮细胞是由同一个受精卵通过细胞分裂、分化而来的,所 以这两种细胞的细胞核中染色体DNA所含的遗传信息相同。(4)胚
14、胎工程 所用到的主要技术有体外受精、胚胎移植、胚胎的早期培养和胚胎分割 等。 考点二考点二 蛋白质工程蛋白质工程 合作探究合作探究 探究利用蛋白质工程改造现有蛋白质,或制造新的蛋白质,以满足人类生产 和生活的需要 蛋白质工程已成为研究蛋白质结构和功能的重要手段,并将广泛应用于医 药和其他工农业生产中。 资料1:在正常人体内,血液中胰岛素的含量通常在进食后3060 min就达到 高峰。而目前使用的胰岛素制剂,注射120 min后才出现高峰。通过实验证 明,胰岛素在低浓度(小于10-9 mol/L)时主要以单体形式存在,在高浓度时 (大于10-9 mol/L)以二聚体的形式存在,从而延长了胰岛素从
15、注射部位进入 血液所需的时间。 资料2:人胰岛素由A链和B链构成,其中B链的第2029位氨基酸是胰岛素 分子相互作用形成多聚体的关键区域,若使B28位脯氨酸替换为天门冬氨 酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置,即可有效抑制胰岛素的聚合。 (1)如果生产速效型胰岛素,能否直接对天然胰岛素进行改造? 提示 任何一种天然蛋白质都是由基因编码的,改造了基因即对蛋白质进 行了改造,而且可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造,即使改造成功,被 改造的蛋白质还是无法遗传的。对基因进行改造比对蛋白质直接改造要 容易操作,难度要小得多。因此不能直接对胰岛素进行改造,而是对胰岛素 基因进行改造。 (2)蛋白质工程操作
16、程序的基本思路与基因工程有什么不同? 提示 基因工程是按照中心法则进行的:基因表达(转录和翻译)形成 具有特定氨基酸序列的多肽链形成具有高级结构的蛋白质行使生物 功能,基本上是生产出自然界已有的蛋白质。蛋白质工程却与之相反: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。 (3)假如设计生产速效胰岛素,你能否设计出利用大肠杆菌生产胰岛素的流 程? 提示 从人体内分离和纯化胰岛素,测定胰岛素分子中氨基酸的序列将 胰岛素高度纯化,利用技术手段了解胰岛素的空间结构根据胰岛素结构 与功能之间的关系,改变基因的
17、碱基序列,将B28位改为赖氨酸,B29位改为 脯氨酸,或使B28位脯氨酸替换为天门冬氨酸合成目的基因构建基因 表达载体导入大肠杆菌产生速效型胰岛素。 考向突破考向突破 考向 蛋白质工程的原理和应用 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基因的途径有修饰 基因或合 成 基因。所获得的基因表达
18、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。 答案 (1)氨基酸序列(或结构) (2)P P1 DNA和RNA(或遗传物质) DNARNA、RNADNA、RNA蛋白质(或转录、逆转录、翻译) (3) 设计蛋白质的结构 推测氨基酸序列 功能 解析 (1)由题干信息可知,改造蛋白质的功能可通过改变蛋白质的结构实 现。(2)依据蛋白质工程的定义及题
19、中信息可知,获得P1基因的途径有修饰 现有(P)基因或合成新(P1)基因。中心法则的全部内容包括DNA的复制、 RNA的复制、转录、逆转录和翻译。(3)蛋白质工程的基本途径: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 到相应的脱氧核苷酸序列。通过蛋白质工程合成的蛋白质还需要进行生 物活性的鉴定即功能鉴定,看其是否能满足人们的需求。 考点三考点三 DNA的粗提取与鉴定的粗提取与鉴定 合作探究合作探究 探究利用生物大分子在物理和化学性质方面的差异可以粗提取DNA 对于DNA的粗提取而言,就是要利用DNA与RNA、蛋白质和脂质等在物 理和化学性质方面的差异提取DNA,去除杂质
20、。下面是提取和鉴定DNA的 基本步骤。 (1)研磨洋葱时加入的研磨液有什么作用?为什么要求充分研磨? 提示 加入研磨液有利于DNA的释放;研磨不充分会使细胞核内的DNA释 放不完全,提取的DNA量变少,影响实验结果,导致看不到丝状沉淀物、用 二苯胺鉴定不显示蓝色等。 (2)上清液中加入预冷的酒精溶液有何作用?为什么要求玻璃棒沿着一个方 向搅拌? 提示 DNA不溶于酒精,加入预冷的酒精溶液有利于DNA的析出。预冷的 酒精溶液具有以下优点:一是抑制核酸水解酶活性,防止DNA降解;二是降 低分子运动,易于形成沉淀析出;三是低温有利于增加DNA分子柔韧性,减 少断裂。玻璃棒沿着一个方向搅拌可防止丝状D
21、NA破碎,可以完整地缠在 玻璃棒上。 考向突破考向突破 考向 DNA粗提取与鉴定的过程和原理 (2019江苏)下列关于DNA粗提取与鉴定的叙述,错误的是( ) A.用同样方法从等体积兔血和鸡血中提取的DNA量相近 B.DNA析出过程中,搅拌操作要轻柔以防DNA断裂 C.预冷的乙醇可用来进一步纯化粗提的DNA D.用二苯胺试剂鉴定DNA需要进行水浴加热 答案 A 解析 兔是哺乳动物,哺乳动物成熟的红细胞无细胞核,因此不能提取到 DNA,A项错误;DNA析出时搅拌操作要轻柔以防DNA断裂, B项正确;DNA 不溶于酒精溶液,95%的冷酒精凝集效果最佳,C项正确;鉴定DNA时,需要 将二苯胺试剂加入
22、含DNA的溶液中并进行水浴加热,D项正确。 考点四考点四 DNA片段的扩增及电泳鉴定片段的扩增及电泳鉴定 合作探究合作探究 探究利用PCR可以体外进行DNA片段的扩增,PCR的产物一般通过琼脂糖 凝胶电泳来鉴定 DNA分子提取得到以后,需要通过电泳技术来检测其数量和质量。自从琼 脂糖和聚丙烯酰胺凝胶被引入核酸研究以来,按相对分子质量大小分离 DNA的凝胶电泳技术,已经发展成为一种分析鉴定DNA分子的重要实验手 段。琼脂糖凝胶电泳是基因操作的技术之一,它能够用于分离、鉴定和纯 化DNA片段。 (1)琼脂糖凝胶电泳分离DNA的原理是什么? 提示 DNA分子具有可解离的基团,在一定的pH下,这些基团
23、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相 反的电极移动。 由于DNA分子片段的相对分子质量不同,移动速度也不同,所以可将相 对分子质量不同或构象不同的DNA分离。 DNA片段迁移距离(迁移率)与碱基对的对数成反比,因此通过已知大小 的标准物移动的距离与未知片段的移动距离进行比较,便可测出未知片段 的大小。 (2)影响琼脂糖凝胶电泳DNA迁移率的因素有哪些? 提示 DNA的分子大小;琼脂糖浓度;DNA构象;电场强度;碱基 组成与温度;电泳缓冲液的组成等。 考向 PCR技术和凝胶电泳的应用 (2020山东滨州二模)玉米是我国重要的粮食作物和饲料来源,低温会影响 玉
24、米的产量和品质。研究者将从微生物中获得的CSP(冷激蛋白)基因与玉 米基因的ubi启动子相连后构建基因表达载体,并将其导入玉米细胞中,获 得了具有低温耐受性的玉米植株,过程如图1所示。 图1 考向突破考向突破 (1)研究者提取玉米的DNA,利用PCR技术将ubi启动子扩增出来。该过程 需设计合适的引物,引物设计时需已知 ,为 便于进行后续操作还在引物中添加了限制酶的识别序列。在反应体系内, 至少需 次扩增才能获得所需的ubi启动子。 (2)图1所示的流程图中,过程需 的催化,获得的ubi-CSP基因在构建基因表达载体时,在Ti质粒上的插入部 位为 。过程需要用CaCl2溶液处理农杆菌,其目 的
25、是 。过程完成后,将玉米愈伤组织转入含 的培养基中进行筛选,筛选后的愈伤组织再经培育获得转基因玉米。 (3)研究者分别提取了野生型玉米及5株转基因玉米的染色体DNA,用限制 酶处理后进行电泳。电泳后的DNA与基因探针进行杂交,得到图2所示放 射性检测结果,该基因探针应为 片段, 实验结果表明 。 图2 转基因玉米CSP基因检测结果 (4)在个体水平上对转基因玉米植株进行 实验,可检 测CSP基因是否已在玉米中表达。 答案 (1)ubi两端的一段序列 3 (2)限制酶和DNA连接酶 T-DNA内部 (且不破坏hpt) 获得感受态细胞(或:使农杆菌处于易于吸收外源DNA的 状态) 潮霉素 (3)含
26、放射性同位素标记的CSP基因 除植株3外,其他4株 转基因玉米中CSP基因均已整合到玉米染色体基因组中 (4)低温耐受性 解析 (1)在利用PCR技术进行扩增时,需要事先设计引物,这里需要根据ubi 启动子设计合适的引物,因此需已知ubi两端的一段序列,为便于进行后续 操作还在引物中添加了限制酶的识别序列。在反应体系内,至少需扩增3 次才能获得引物之间的核苷酸序列,即至少需扩增3次才能获得所需的ubi 启动子。(2)图1中,过程为载体和目的基因相连的过程,因此需限制酶和 DNA连接酶的催化从而实现连接,获得的ubi-CSP基因在构建表达载体时, 需要将ubi-CSP基因插入T-DNA内部(且不
27、破坏hpt),这样能保证T-DNA转 移时携带目的基因与玉米的染色体DNA连接。过程为导入受体细胞的 过程,为了提高导入的成功率,通常用CaCl2溶液处理农杆菌,使其成为感受 态细胞,因为处于感受态的农杆菌易于吸收外源DNA,过程完成后,将玉 米愈伤组织转入含潮霉素的培养基中进行筛选,筛选后的愈伤组织再经脱 分化过程长成幼苗,从而获得了转基因玉米植株。(3)图2为放射性检测结 果,因此这里的基因探针为含放射性同位素标记的CSP基因片段,实验结果 显示在第1、2、4、5株玉米中检测出目的基因的放射性,据此可知除植株 3外,其他4株转基因玉米中CSP基因均已整合到玉米染色体基因组中。(4) 在个体水平上,可以通过对转基因玉米植株进行低温耐受性实验,进而检测 CSP基因是否在玉米中成功表达。
