2023届高三生物一轮复习课件基因工程3【应用及蛋白质工程】

这是一份2023届高三生物一轮复习课件基因工程3【应用及蛋白质工程】，共45页。PPT课件主要包含了29基因工程，基因工程小结，基因工程，理论基础，限制酶，DNA连接酶，农牧业，医药卫生，转基因抗虫植物，农牧业方面的应用等内容，欢迎下载使用。
一.概念二.原理：基因重组三.理论基础四.优点五.工具六.操作程序科学思维：PCR技术获取和扩增目的基因探究实践：DNA片段的扩增及电泳鉴定七.应用农牧业、医药卫生、食品等八.第二代基因工程 ——蛋白质工程1.崛起缘由 2.概念 3.原理 4.应用
1.目的基因的筛选与获取
2.基因表达载体的构建
3.将目的基因导入受体细胞
4.目的基因的检测与鉴定
第二代基因工程——蛋白质工程
基因工程在农牧业中的应用发展迅速。已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品产量等方面。
1.在农牧业方面的应用
——抗虫基因——病毒、真菌等抗病基因——抗除草剂基因——必需氨基酸（如赖氨酸）含量多的蛋白质编码基因——外源生长激素基因——肠乳糖酶基因
将肠乳糖酶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。
乳汁中乳糖的含量大大降低的转基因牛。
有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后会出现腹泻等不适症状，称之为乳糖不耐受。
我国西北地区的主要气候特点是年降雨量小，从而影响粮食的产量，如果从基因工程的角度考虑，如何避免粮食减产？
可以用基因工程技术培育抗旱作物（筛选获取抗旱基因）
抗盐碱、抗旱、耐寒、抗除草剂。
2.在医药卫生领域的应用
让转基因哺乳动物批量生产药物
用转基因动物作为器官移植的供体
对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等
可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等；
细胞因子、抗体、疫苗和激素等。
干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。此外，干扰素对于治疗乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等也有一定的疗效。传统生产干扰素的方法是从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取1mg干扰素。1980-1982年，科学家用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从1Kg培养物中可以得到20—40mg干扰素。1993年我国批准生产重组人干扰素α-1b，它是我国批准生产的第一个基因工程药物，目前主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等。
1.干扰素的化学本质是什么？2.干扰素的作用机理是怎样的？3.干扰素用于哪些疾病的治疗？4.传统生产干扰素的方法是什么？5.目前大量生产干扰素的方法是什么？6.我国批准生产的第一个基因工程药物的名称叫什么？ 用于治疗哪些疾病？
病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等
从人血液中的白细胞内提取
用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得
主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等
例：根据前面学过的基因工程的操作程序，说出通过基因工程方法用酵母菌生产乙肝疫苗的过程是怎样的？（提示：乙肝病毒抗原蛋白基因）
①用PCR扩增乙肝病毒抗原蛋白基因；②将乙肝病毒抗原蛋白基因插入质粒，构建基因表达载体；③将该基因表达载体导入酵母菌(该过程也是将酵母菌制备成感受态细胞，但是并不是用Ca2+处理，而是用醋酸锂处理）；④检测并鉴定，筛选出成功转化的酵母菌，进行发酵培养，分离并提纯产物，获得乙肝病毒抗原蛋白。
目前已经在牛、山羊等动物乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要医药产品
乳腺生物反应器或乳房生物反应器
乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件
乳腺生物反应器实质是在动物的乳汁中生产一些具有重要价值产品的转基因动物的总称。
归纳整理乳腺生物反应器指的是转基因动物的乳腺吗？ 不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物为什么动物的乳腺细胞能成为基因药物最理想的表达场所呢？乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。从乳汁中获取目的基因产物，成品低、产量高、易提取。为什么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？ 让药用蛋白基因只在乳腺细胞中特异性表达药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？ 几乎所有细胞
归纳整理生物反应器除了用乳腺，还可以用什么器官？膀胱膀胱生物反应器哪些方面优于乳腺生物反应器？不局限于性别与生长期（乳腺生物反应器必须是雌性，且泌乳期才会分泌）研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？将目的基因与膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子重组用生物反应器生产药物的优点？产物容易提取
寻求可替代的移植器官，如用猪的器官来解决人类器官移植的来源问题
①人体器官移植的难题：
人体移植器官短缺是世界性难题
为什么选择猪作为器官供体？a.猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似。b.猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物。
选择猪器官移植给人最大的难题是什么？对猪的器官进行改造的方法：a.在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达；b.设法除去抗原决定基因，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。
3.在食品工业方面的应用
利用基因工程菌，除了可以生产药物，还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等
基因工程菌(P91相关信息)：
用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。
基因工程构建基因工程菌
一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。
奶酪生产中用来凝聚固化奶中的蛋白质
将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶
纯度高，生产成本低，生产效率高。
加工转化糖浆需要淀粉酶，加工烘烤食物要用到脂酶
构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产
①培育可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染
②利用经过基因改造的微生物来生产能源……
1.为了解决人食用牛奶后对牛奶中的乳糖不能完全消化的问题，科学家将 导入 ，使获得的转基因牛分泌 的中，乳糖的含量大大减低，而其他营养成分不受影响。2.乳腺生物反应器：科学家将 与 。 等调控组件重组在一起，通过 ，导入哺乳动物的 中获得转基因动物，通过转基因动物分泌的乳汁来生产所需的药品。3.解决器官移植免疫排斥问题可以采用的方法是 。导入某种 ，以抑制 的表达，或设法除去 ，再结合克隆技术，培育出没有 的转基因克隆猪器官。
乳腺蛋白基因的启动子
哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同
细菌或酵母菌等生物的基因结构与人类基因结构有较大差异
细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质可能不具有生物活性
Ca2+处理法（感受态细胞法）
不需要严格的灭菌，温度等外界条件对其影响不大
需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
从动物乳汁中提取，相对简单
（一般经过工业发酵后）从微生物细胞（或发酵液）中提取，相对复杂
目前我国批准发放了哪些转基因作物的生产应用安全证书和进口安全证书？
截至2019年年底，我国批准发放过转基因耐储藏番茄、转基因抗虫棉、改变花色的转基因矮牵牛、转基因抗病辣椒、转基因抗病番木瓜、转基因抗虫水稻、转植酸酶基因玉米以及转基因耐除草剂大豆的生产应用安全证书；批准了转基因棉花、大豆、玉米、油菜、甜菜和番木瓜的进口安全证书，但我国进口的基本上是转基因棉花的纤维，其他进口转基因作物的用途仅限于用作加工原料；我国没有批准任何一种转基因粮食作物种子进口到我国境内商业化种植。
课本P92 一、概念检测
1.将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导人大肠杆菌的细胞内，再通过发酵工程就能大量生产人生长激素。下列相关叙述正确的是 ( ) A.转录生长激素基因需要解旋酶和DNA连接酶B.发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的初生代谢物C.大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传D.大肠杆菌质粒标记基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等
2.基因工程应用广泛，成果丰硕。下列不属于基因工程应用的是 ( ) A .培育青霉菌并从中提取青霉素B .利用乳腺生物反应器生产药物C .制造一种能降解石油的“超级细菌” D .制造一种能产生干扰素的基因工程菌
课本P92 二、拓展应用
1、除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘膦没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘膦的作物。 (1)下面是探究“转入外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘膦”的流程，请补充完整。 ①用 等处理含有目的基因的DNA片段和T质粒，构建重组T质粒； ②将重组T质粒转入农杆菌中； ③利用含有重组Ti质粒的农杆菌侵染 细胞，再通过培育得到转基因植株; ④ 用草甘膦同时喷洒转基因植株和对照组植株。结果:对照组植株死亡、转基因植株存活，但也受到了影响。结论: ____________________________________。
转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性。
1、除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘膦没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘膦的作物。 (2)请思考并回答下列问题。 ① 在该实验中，对照组是怎样设计的? 对照组为非转基因矮牵牛 ② 如果增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，转基因矮牵牛对草甘膦的抗性是否会增强?请你给出进一步探究的思路。
理论上增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，矮牵牛体内EPSP合酶的表达水平会升高，它对草甘膦的抗性会增强。
探究的思路：将不同拷贝数的EPSP合酶基因分别转入矮牵牛细胞中，培育转基因植株，比较它们对草甘膦抗性的差异。
2.下图是某同学画的两幅基因工程卡通图。一幅是一头能进行光合作用的奶牛，一幅是一株能同时结出多种蔬菜和水果的植物。请你像这位同学一样，展开想象的翅膀，畅想基因工程的未来，并用图画、文字或用音乐创作等表达出来。
93 你见过细菌画画吗？
93 上面几幅图是用发出不同颜色荧光的细菌“画"的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
黄色荧光蛋白质原来有吗？基因工程能获得黄色荧光蛋白吗？
基因重组，不能创造新的基因。
设计或合成基因，获得新基因，从而获得新的性状。
将一种生物的____转移到另一种生物体内，后者可以产生它__________________，进而表现出________。
基因工程的原理：基因工程的实质：
基因工程的局限性： 。
原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质
天然蛋白质是生物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； 如玉米中赖氨酸含量较低，经人工设计改造，可使其叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
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。
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
以满足人类生产和生活的需求
分子生物学、晶体学和计算机技术
天冬氨酸激酶；二氢吡啶二羧酸合成酶。
普通玉米的赖氨酸含量低
你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？
人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据。人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。
根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。
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
通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
生产出自然界没有的蛋白质
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。
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。
能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？
理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置
改变B链第20-29位氨基酸组成
一个半胱氨酸变成丝氨酸
在-70℃下可以保存半年
延长干扰素体外保存时间
通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。
小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低
改造抗体—降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
蛋白质工程是一项难度很大的工程；
蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
科学家要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现在以下几个方面。由于酶促反应能在常温、常压和中性pH条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生产成本低。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。近年来，通过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在不断提升。2016年，我国工业酶制剂年产量达120万吨，年增长率保持在10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了30%左右，我国进入酶制剂生产大国的行列。在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。
课本P96 一、概念检测
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。(1)基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。 ( ) (2)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。 ( ) (3)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。 ( )
2、蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是 ( ) A .分析蛋白质的三维结构 B .研究蛋白质的氨基酸组成C .获取编码蛋白质的基因序列信息D .改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是( ) A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D、蛋白质
课本P96 二、拓展检测
T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴?在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么?如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作?
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践，还有很多工作需要做。例如，由于改造后酶的空间结构发生了变化，因此它的一些基本特性需要重新明确，包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等；需要建立规模化生产该酶的技术体系，评估生产成本等。
1.(1)①应选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质粒和含有目的基因的DNA片段;②注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部，以防破坏目的基因;③限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等结构。(2)加入DNA连接酶。(3)该质粒便于进行双重筛选。标记基因Amp基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。由于LacZ基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色：含有空质粒（没有连接目的基因的质粒）的大肠杆菌菌落呈蓝色；含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。（4)含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。因为目的基因的插入破坏了LacZ基因的结构，使其不能正常表达形成β-半乳糖苷酶，底物X-gal也就不会被分解。
2.(1)逆转录病毒是载体，能将外源基因Oct3/4、Sx2、c-Myc和Klf4送入小鼠成纤维细胞。（2)可以设置对照组。将转入外源基因和没有转入外源基因的细胞分别培养在相同的培养基中，并确保其他培养条件相同。如果只有转入外源基因的细胞转化成了iPS细胞，就可以证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用。（3)可以依次去掉1个基因，将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中，然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较，来推测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响，进而判断每个基因作用的相对大小。（其他合理答案均可）。（4)不会引起免疫排斥反应; 因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化，理论上产生的还是“自体”细胞。iPS细胞拥有分化为各种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险。