高中生物浙科版现代生物科技专题第一章基因工程 第1章第4节

第四节基因工程的发展前景课标解读重点难点1.概述基因工程的发展前景。2.阐明蛋白质工程。3.了解基因工程在各领域的最新应用进展。科学家在基因工程方面的最新尝试。(重难点)光合作用方面1.研究目标光合作用对人类的生存及发展十分重要，如何提高植物的光合作用效率及农作物产量，一直是科学家追求的目标。2．解决方法(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.生物固氮概念通过某些微生物将分子氮转化为含氮化合物的过程。2．解决方法通过基因工程技术，将固氮细菌中的固氮基因转移到非豆科作物的细胞内。生物反应器1.作用利用动植物作为生物反应器能够生产价格低廉的蛋白质药物。2．成果eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(利用转基因动物的乳腺生产蛋白质药物,利用转基因植物生产疫苗))1．要培育出具有固氮能力的水稻、小麦等，需运用哪种生物技术？【提示】固氮基因工程技术。蛋白质工程1.概念利用基因工程技术对天然蛋白质进行改造，以便获得具有理想生物学功能的蛋白质。2．内容主要是改造现有的蛋白质，通过修改蛋白质中的氨基酸序列来改进蛋白质的结构与构象，提高蛋白质的活性、稳定性和产率。2．通过T4溶菌酶分子中引入二硫键的方法提高了其热稳性，试问在此过程中主要采取的生物技术是什么？【提示】蛋白质工程。1．科学家已培育出具有固氮能力的非豆科农作物。(×)【提示】此类作物尚未培育出来。2．转基因羊的乳汁中已成功表达出了一些药用蛋白质，如人白细胞介素­2等。(√)3．蛋白质工程的核心技术是转基因技术。(√)4．蛋白质工程的目的在于获得人们所需的天然蛋白质。(×)【提示】对天然蛋白质进行改造或获得新的蛋白质。5．利用基因工程可提高农作物的产量。(√)对蛋白质工程的理解【问题导思】①什么是蛋白质工程？②蛋白质工程的基本流程如何？③如何理解蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的？1．概念：利用基因工程技术对天然蛋白质进行改造，以便获得具有理想生物学功能的蛋白质。2．蛋白质工程崛起的缘由基因工程只能生产出天然蛋白质，蛋白质工程是为了生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质。3．基本原理它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代基因工程。4．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，找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。5．蛋白质工程的步骤1．蛋白质工程的设计思路与中心法则相反。2．蛋白质工程的操作对象是基因。关于蛋白质工程的设计思路不正确的是()A．从氨基酸的顺序推测基因的核苷酸的排列顺序B．蛋白质工程完全不遵循中心法则C．从蛋白质的功能推测蛋白质应有的结构D．从蛋白质的结构推测氨基酸的排列顺序【审题导析】(1)要熟悉蛋白质工程的设计思路。(2)注意蛋白质工程的设计思路与蛋白质的合成过程相反。【精讲精析】蛋白质工程的设计思路如下：eq\x(\a\al(预期蛋白,质的功能))→eq\x(\a\al(设计蛋白,质的结构))→eq\x(\a\al(推测应有的,氨基酸序列))→eq\x(\a\al(推测基因的,核苷酸序列))可见，A、C、D项正确；而蛋白质的合成过程遵循中心法则，故B项错误。【答案】B(2023·舟山高二检测)科学家将β­干扰素基因进行定点突变后，导入大肠杆菌体内使其表达，使干扰素第17位的半胱氨酸变成丝氨酸，结果大大提高了β­干扰素的抗病活性，并且提高了贮存稳定性。该生物技术为()A．基因工程 B．蛋白质工程C．基因突变 D．细胞工程【思维导图】解答此题的思维流程如下：eq\x(\a\al(基因定点突变后，导,入大肠杆菌内表达))→eq\x(\a\al(属于对基,因的操作))→eq\x(\a\al(干扰素的第17,位氨基酸改变))→eq\x(\a\al(实现了对蛋白,质分子的改造))→eq\x(\a\al(属于蛋白,质工程))【精讲精析】为提高β­干扰素的抗病活性，在基因工程的基础上对编码β­干扰素相应的基因进行定点突变，最终实现了对β­干扰素结构功能的改变，这项技术称为蛋白质工程。【答案】B蛋白质工程与基因工程的比较【问题导思】①蛋白质工程与基因工程有哪些区别和联系？其实质分别是什么？②蛋白质工程与基因工程的操作程序分别有哪些？项目蛋白质工程基因工程区别过程预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定实质定向改造或生产人类所需蛋白质定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品(基因的异体表达)结果生产自然界没有的蛋白质生产自然界中已有的蛋白质联系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，因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因修饰或基因合成实现利用基因工程，可以使哺乳动物的乳腺成为一种“生物反应器”，大量生产药物。这种动物基因工程操作的一般过程如下。(1)首先，将________与________等调控组件重组在一起。(2)然后，通过________的方法，导入哺乳动物的受精卵中。(3)再次，将受精卵送入母体内，使其生长发育为转基因动物。从中选择________性个体，待其进入泌乳期后，可以通过________来生产所需要的药品。【思维导图】解答此题的思维流程如下：eq\x(\a\al(基因工程的,操作过程))eq\o(\a\al(→,\s\up7(应用)))eq\x(\a\al(生物反应器,的制作))→eq\x(\a\al(生物反应器,的功能))|||eq\x(熟练掌握)eq\x(目的基因准确表达)eq\x(优点)【精讲精析】本题主要考查的是基因工程技术的应用，即利用转基因动物作为活性生物反应器来生产药物。转基因动物是指以人工方法将外源基因导入动物受精卵(或早期胚胎细胞)，使外源基因与动物本身的基因组整合，并随细胞的分裂而增殖，从而稳定地遗传给下一代动物，这种技术称为动物转基因技术。【答案】(1)药用蛋白基因乳腺蛋白基因(2)显微注射(3)雌分泌乳汁下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，不合理的是()A．基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造，从而制造一种新的蛋白质B．蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成C．当得到可以在－70℃条件下保存半年的干扰素后，在相关酶、氨基酸和适宜的温度、pH条件下，干扰素可以大量自我合成D．基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的【审题导析】解答本题的关键是理解基因工程及蛋白质工程的区别与联系。【解析】基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造，从而制造一种新的蛋白质；蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成，这样产生的改变才能遗传下去；蛋白质不是遗传物质，不可能自我复制；由于基因工程和蛋白质工程都是对基因进行操作，因此，基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的。【答案】C本课知识小结网络构建结论语句1．通过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达到提高植物光合作用效率的目的。2．通过基因工程技术，将固氮细菌中的固氮基因转移到非豆科作物的细胞内，使其获得固氮性状。3．利用动植物体作生物反应器，生产价格低廉的蛋白质药物。4．蛋白质工程是指利用基因工程技术对天然蛋白质进行改造，以便获得具有理想生物学功能的蛋白质。1．下列有关叶绿体中的二磷酸核酮糖羧化酶的说法正确的是()A．能通过羧化作用固定CO2，也能催化底物的加氢反应B．能通过羧化作用还原CO2，也能催化底物的加氧反应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，能提高作物产量【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应；提高二磷酸核酮糖羧化酶的活性和降低加氧酶的活性，会增加植物对二氧化碳的固定速率，能提高作物产量。酶是蛋白质，最终是由基因控制合成的。【答案】C2．(2023·嘉兴高二检测)利用基因工程手段培育能固氮的水稻品种，其在环境保护上的意义是()A．减少氮肥使用量，降低生产成本B．减少氮肥生产量，节约能源C．避免使用氮肥过多引起的环境污染D．改良土壤的群落结构【解析】培育固氮水稻品种在环境保护上的意义是避免使用氮肥过多引起的环境污染。【答案】C3．(2023·绍兴测试)以下关于蛋白质工程的说法正确的是()A．蛋白质工程以基因工程为基础B．蛋白质工程就是酶工程的延伸C．蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质的改造D．蛋白质工程只能生产天然的蛋白质【解析】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。【答案】A4．在设计合成自然界中不存在的蛋白质时，首先应该设计()A．基因结构 B．mRNA结构C．氨基酸序列 D．蛋白质结构【解析】蛋白质工程的操作程序：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→找到相对应的脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质。由此可知，首先设计的应该是蛋白质的结构。【答案】D5．蛋白质工程的基本操作程序正确的是()①蛋白质分子结构②DNA合成③mRNA合成④蛋白质的预期功能⑤根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列⑥蛋白质分子合成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】蛋白质工程是分析已知结构和功能的蛋白质，并对其结构进行改造，主要是改变个别氨基酸，从而分析出改造后的蛋白质的氨基酸序列，据此逆推出mRNA的碱基序列，最后合成出相应的DNA。【答案】C6．2023年诺贝尔化学奖授予了三位在研究绿色荧光蛋白(GFP)方面做出突出贡献的科学家。绿色荧光蛋白能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发出的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。下图为我国首例绿色荧光蛋白GFP转基因克隆猪的培育示意图，据图回答：(1)图中通过过程①②形成重组质粒，需要限制性核酸内切酶切取目的基因、切割质粒。限制性核酸内切酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—，限制性核酸内切酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。在质粒上有酶Ⅰ的一个切点，在目的基因的两侧各有1个酶Ⅱ的切点。①请画出质粒被限制性核酸内切酶Ⅰ切割后所形成的粘性末端。②在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制性核酸内切酶切割后形成的粘性末端能否连接起来？________。理由是___________________________________________________________________________________________。(2)过程③将重组质粒导入猪胎儿成纤维细胞时，采用最多也最有效的方法是______________________________________________________________。(3)如果将切取的GFP基因与抑制小猪抗原表达的基因一起构建到载体上，GFP基因可以作为基因表达载体上的标记基因，其作用是_________________________________________________________________________________________________________________________________。获得的转基因克隆猪，可以解决的医学难题是可以避免________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等，采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白过程的正确顺序是________(用下列序号表示)。①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列②蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计③蓝色荧光蛋白基因的修饰(合成)④表达出蓝色荧光蛋白【解析】限制性核酸内切酶能识别特定的核苷酸序列，并在特定的位点进行切割，产生粘性末端。限制性核酸内切酶Ⅰ和Ⅱ切割后产生的粘性末端相同，即均产生GATC序列，因此可以用DNA连接酶将目的基因和载体连接起来。目的基因导入动物细胞最常用、最有效的方法是显微注射法。标记基因可以用来检测目的基因是否导入受体细胞。用转基因克隆猪作为器官移植的供体，其优点是可以避免发生免疫排斥反应。【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可以连接由两种不同限制性核酸内切酶切割后形成的粘性末端是相同的(或是可以互补的)(2)显微注射法(3)鉴定受体细胞中是否含有目的基因发生免疫排斥反应(4)②①③④一、选择题1．(2023·浙江平湖市高二质检)蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质的原因是()A．缺乏改造蛋白质所必需的工具酶B．改造基因易于操作且改造后能够遗传C．人类对大多数蛋白质高级结构知之甚少D．蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大【解析】蛋白质工程是通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或者制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。蛋白质工程的直接操作对象是基因，并且改造后能够遗传；若直接改造蛋白质，其性状不能遗传。【答案】B2．有关基因工程和蛋白质工程的叙述，正确的是()A．通过基因工程产生的蛋白质都符合人类需要B．通过基因工程能得到自然界中不存在的蛋白质C．蛋白质工程通常是对蛋白质结构进行直接改造D．蛋白质工程可以创造新的、自然界中不存在的蛋白质【解析】基因工程通常是以改造生物的遗传特性为目的，所以基因工程的产物不一定是人类需要的蛋白质。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质。即使人工合成的目的基因，也是根据天然蛋白质的有关信息合成的，所以基因工程不可能产生非天然蛋白质。蛋白质工程并不是直接改造蛋白质，而是通过改造某种基因，对这种基因控制合成的蛋白质进行改造。【答案】D3．当前医学上，蛋白质工程药物正逐步取代第一代基因工程多肽蛋白质类治疗剂，则基因工程药物与蛋白质工程药物的区别是()A．都与天然产物完全相同B．都与天然产物不相同C．基因工程药物与天然产物完全相同，蛋白质工程药物与天然产物不相同D．基因工程药物与天然产物不相同，蛋白质工程药物与天然产物完全相同【解析】基因工程药物蛋白是自然界已存在的蛋白质，它们的结构和功能与天然产物完全相同；而蛋白质工程药物是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计，设计出自然界中不存在的分子，与天然产物不同。【答案】C4．下列关于蛋白质工程的说法，正确的是()A．蛋白质工程仅仅是对蛋白质分子进行操作B．蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子C．对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的D．蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的【解析】蛋白质工程是通过基因修饰或基因合成，对现有的蛋白质进行改造，或制造新的蛋白质。蛋白质工程的流程是：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→找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)；天然蛋白质的合成过程是：基因→表达(转录和翻译)→形成具一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。【答案】B5．下列关于蛋白质工程应用的叙述不正确的是()A．蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳定性B．通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性C．利用蛋白质工程可以在大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素D．蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰，合成速效型胰岛素制剂【解析】蛋白质工程是依据人们设计的蛋白质分子结构，来改造基因，进而控制合成新的蛋白质或改变自然界中的蛋白质，而在大肠杆菌中生产人胰岛素利用基因工程技术便可达到。【答案】C6．(2023·江苏高考)近年诞生的具有划时代意义的CRISPR/Cas9基因编辑技术可简单、准确地进行基因定点编辑。其原理是由一条单链向导RNA引导核酸内切酶Cas9到一个特定的基因位点进行切割。通过设计向导RNA中20个碱基的识别序列，可人为选择DNA上的目标位点进行切割(见下图)。下列相关叙述错误的是()A．Cas9蛋白由相应基因指导在核糖体中合成B．向导RNA中的双链区遵循碱基配对原则C．向导RNA可在逆转录酶催化下合成D．若α链剪切位点附近序列为……TCCAGAATC……则相应的识别序列为……UCCAGAAUC……【解析】基因控制蛋白质的合成，蛋白质的合成场所是核糖体，A选项正确；由图示可见，单链向导RNA中含有双链区，双链区的碱基配对遵循碱基配对原则，B选项正确；逆转录酶催化合成的产物不是RNA而是DNA，C选项错误；若α链剪切位点附近序列为……TCCAGAATC……，则目标DNA中另一条链的碱基序列是……AGGTCTTAG……，故向导RNA中的识别序列是……UCCAGAAUC……，D选项正确。【答案】C7．(2023·台州高二检测)如图表示蛋白质工程的操作过程，下列说法不正确的是()蛋白质工程A．蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作B．蛋白质工程是完全摆脱基因工程技术的一项全新的生物工程技术C．a、b过程分别是转录、翻译D．蛋白质工程中可能构建出一种全新的基因【解析】蛋白质工程对蛋白质分子结构的了解很关键，如其空间结构、氨基酸的排列顺序等。对蛋白质结构的改造不是直接操作完成的，而是通过用来编码相应部位的基因进行修饰或改造实现的。【答案】B8．蛋白质工程和基因工程的相同点在于()A．最终目的 B．实施过程C．基本原理 D．没有共同点【解析】蛋白质工程和基因工程的最终目的都是获得人们预期的蛋白质，以满足生产、生活需要。【答案】A9．2023年诺贝尔化学奖授予了“发现和发展了水母绿色荧光蛋白”的三位科学家。将绿色荧光蛋白基因的片段与目的基因连接起来组成一个融合基因，再将该融合基因转入真核生物细胞内，表达出的蛋白质就会带有绿色荧光。绿色荧光蛋白在该研究中的主要作用是()A．追踪目的基因在细胞内的复制过程B．追踪目的基因插入到染色体上的位置C．追踪目的基因编码的蛋白质在细胞内的分布D．追踪目的基因编码的蛋白质的空间结构【解析】将绿色荧光蛋白基因的片段与目的基因连接起来组成一个融合基因，将该融合基因转入真核生物细胞内，表达出的蛋白质带有绿色荧光，从而可以追踪目的基因编码的蛋白质在细胞内的分布。【答案】C10．下列选项中属于蛋白质工程成就的是()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．通过固氮基因技术，已实现玉米的生物固氮能力C．利用植物已生产出了疫苗D．科学家已通过T4溶菌酶中引入二硫键的方法提高了其热稳定性【解析】前三个选项均属于基因工程技术的预期“成就”，不属于蛋白质工程；D项是通过对蛋白质结构改造，获得了其预期的功能，是蛋白质工程并且得以实现。【答案】D二、非选择题11．如图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题。(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是________；代表中心法则内容的是________。(填写数字)(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：①________；②________；③________；④________；⑤________。(3)蛋白质工程的目的是______________，通过________________实现。(4)从图中可以看出蛋白质工程的设计思路与中心法则是________的。【解析】天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的，而蛋白质工程的设计思路与之相反，即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(基因)。解答此题需要理解中心法则和蛋白质结构的知识。【答案】(1)④⑤①②(2)转录翻译折叠推测应有的氨基酸序列DNA合成(3)对蛋白质的结构进行分子设计基因合成或改造(4)相反12．(2023·浙江奉化市高二质检)植物生物反应器是指通过基因工程途径，以常见的农作物作为“化学工厂”，通过大规模种植，生产具有重要功能的蛋白，如人或动物的疫苗、抗体、工农业用酶等各种高价值的生物制品的方法。列举几例如下表，请据此回答问题：反应器名称药物名称作用芜菁生物反应器干扰素抗病毒烟草生物反应器Ⅰ生长激素促进生长烟草生物反应器Ⅱ核糖体抑制蛋白抑制HIV增殖番茄生物反应器狂犬病病毒糖蛋白(G蛋白)疫苗马铃薯生物反应器人血清白蛋白(HSA)维持渗透压、pH缓