2025届高考生物一轮总复习选择性必修3第十单元生物技术与工程第52讲基因工程的应用和蛋白质工程课件

这是一份2025届高考生物一轮总复习选择性必修3第十单元生物技术与工程第52讲基因工程的应用和蛋白质工程课件，共50页。PPT课件主要包含了抗虫功能的基因，抗病基因，降解或抵抗，蛋白质编码基因，花青素代谢相关的基因，外源生长激素基因，肠乳糖酶基因，基因改造，显微注射，受精卵等内容，欢迎下载使用。
【课标要求】　1.举例说明基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。2.概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
考点一　基因工程的应用 1.基因工程在农牧业方面的应用(1)转基因抗虫植物：从某些生物中分离出具有__________________，将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物。(2)转基因抗病植物：将来源于某些病毒、真菌等的___________导入植物中，培育出转基因抗病植物。
(3)转基因抗除草剂植物：将__________________某种除草剂的基因导入作物，可以培育出抗除草剂的作物品种。(4)改良植物的品质：将某种必需氨基酸含量多的_________________导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量。将与植物_____________________导入矮牵牛中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了它的观赏价值。
(5)提高动物的生长速率：由于__________________的表达可以使转基因动物生长得更快，将这类基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。(6)改善畜产品的品质：将_______________________导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的______中，乳糖的含量大大降低，而其他营养成分不受影响。
2.基因工程在医药卫生领域的应用
特异表达的基因的启动子
(2)器官移植：在器官供体的基因组中导入某种______________，以抑制______________的表达，或设法除去抗原决定基因，然后再结合________技术，培育出不会引起______________反应的转基因克隆器官。
3.基因工程在食品工业方面的应用
[教材命题点思考]1.野外种植转基因抗A害虫植物的同时，还种植一定量的同种不抗虫植物，可降低抗性害虫在整个害虫种群中所占比例的增加速率。试分析其中的原因。______________________________________________________________________________________________________________________________提示：种植一定量的同种不抗虫植物，对抗性害虫的选择作用减弱。
2.乳腺生物反应器经过有性生殖产生的后代一定可以产生目标蛋白质吗？为什么？______________________________________________________________________________________________________________________________提示：不一定。①目的基因在受体细胞中不是成对存在的，相当于杂合子，配子中可能不含该基因，则有性生殖产生的后代中可能不含目的基因。②有性生殖产生的后代可能为雄性，不能分泌乳汁。
3.人的胰岛素基因导入大肠杆菌后不能正确表达出胰岛素，其原因是______________________________________________。提示：真核细胞的基因结构不同于原核细胞，其转录出的mRNA需加工后才能作为翻译的模板，细菌中不存在此机制
1.(2023·湛江二模)红细胞生成素(EPO)是人体内促进红细胞生成的一种糖蛋白，可用于治疗肾衰性贫血等疾病。由于天然EPO来源极为有限，某科研团队采用基因工程培育转基因羊作为乳腺生物反应器，使其能合成EPO。下列有关叙述错误的是(　　)A．构建表达载体时需将EPO基因插入乳腺蛋白基因的启动子的上游B．一般情况下，该转基因羊中的EPO基因只在羊的乳腺细胞中表达C．可用显微注射技术将含有EPO基因的表达载体导入羊的受精卵中D．用PCR扩增人EPO基因，需要一段已知的EPO基因核苷酸序列
解析：启动子是一段有特殊序列结构的DNA片段，能驱动基因转录出mRNA，位于基因的上游，故构建表达载体时需将EPO基因(目的基因)插入乳腺蛋白基因的启动子的下游，A项错误；一般情况下，该转基因羊中的EPO基因只在羊的乳腺细胞中表达，B项正确；将目的基因导入动物受精卵最常用的方法是显微注射法，C项正确；用PCR扩增人EPO基因，需要一段已知的EPO基因核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物，D项正确。
2.利用基因工程技术生产羧酸酯酶(CarE)制剂的流程如下图所示，下列叙述正确的是(　　)
A．过程①需使用耐高温的DNA聚合酶B．过程②需使用解旋酶和PCR获取目的基因C．过程③使用的大肠杆菌细胞可用Na＋处理D．过程④可利用PCR技术检测目的基因是否已导入受体细胞
解析：过程①表示利用mRNA通过逆转录法合成目的基因，需要逆转录酶的催化，A项错误；过程②表示利用PCR技术对目的基因进行扩增，该过程中不需要使用解旋酶，B项错误；大肠杆菌细胞应使用Ca2＋处理，使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，C项错误；过程④可利用PCR技术检测目的基因是否已导入受体细胞，D项正确。
3.(2021·广东选择考)非细胞合成技术是一种运用合成生物学方法，在细胞外构建多酶催化体系，获得目标产物的新技术，其核心是各种酶基因的挖掘、表达等。我国科学家设计了4步酶促反应的非细胞合成路线(如下图所示)，可直接用淀粉生产肌醇(重要的医药食品原料)，以期解决高温强酸水解方法造成的严重污染问题，并可以提高产率。
回答下列问题：(1)研究人员采用PCR技术从土壤微生物基因组中扩增得到目标酶基因。此外，获得酶基因的方法还__________________________________(答出2种即可)。解析：获得目的基因的方法除采用PCR技术扩增外，还有从基因文库中获取、人工合成等方法。
从基因文库中获取、人工合成
(2)高质量的DNA模板是成功扩增出目的基因的前提条件之一。在制备高质量DNA模板时必须除去蛋白，方法有_________________________________________(答出2种即可)。解析：蛋白酶可分解蛋白质，但不会分解DNA；蛋白质在高温条件下会变性失活，而DNA虽然在高温时会变性，但在低温时又会复性，因此在制备高质量的DNA模板时，去除蛋白可采用酶解法或高温处理。
酶解法(使用蛋白酶进行水解)、
(3)研究人员使用大肠杆菌BL21作为受体细胞、pET20b为表达载体分别进行4种酶的表达。表达载体转化大肠杆菌时，首先应制备_________细胞。为了检测目的基因是否成功表达出酶蛋白，需要采用的方法有_________________。解析：将大肠杆菌作为基因工程的受体细胞时，首先应用Ca2＋处理，使其成为能吸收外界DNA的感受态细胞。检测目的基因是否成功表达出酶蛋白可采用抗原—抗体杂交。
(4)依上图所示流程，在一定的温度、pH等条件下，将4种酶与可溶性淀粉溶液混合组成一个反应体系。若这些酶最适反应条件不同，可能导致的结果是______________________________。在分子水平上，可以通过改变________________________，从而改变蛋白质的结构，实现对酶特性的改造和优化。
可溶性淀粉的分解效率降低
解析：酶的作用条件有适宜的温度、pH等，温度过低，酶的活性会降低，温度过高、强酸或强碱的情况下，酶的活性会降低甚至失活，依据题图所示流程，在一定的温度、pH等条件下，将4种酶与可溶性淀粉溶液混合组成一个反应体系，这4种酶的最适反应条件不同，会导致可溶性淀粉的分解效率降低。可通过蛋白质工程实现对酶特性的改造和优化，在分子水平上，改变酶相应基因的碱基序列，从而改变蛋白质的结构，最终实现优化酶特性的目的。
考点二　蛋白质工程 1.基础蛋白质分子的____________及其与_________的关系。2.手段__________或__________。
4.目的、结果改造现有蛋白质或制造一种新的________，以满足人类生产和生活的需求。5.应用主要集中应用于对____________进行改造，改良生物性状。
脱氧核苷酸序列
[易错提醒]　基因工程不会导致受体细胞或生物产生“新基因”或“新蛋白质”。
1.酿酒酵母(一种酵母菌)在无氧条件下可以将木糖转化为乙醇。首先，木糖还原酶利用NADPH(还原型辅酶Ⅱ)转化木糖为木糖醇，然后木糖醇脱氢酶利用NAD＋(氧化型辅酶Ⅰ)转化木糖醇为木酮糖，后者进一步在其他条件下转化为乙醇。科学家利用蛋白质工程对相关酶进行改造，显著提高了乙醇的产量。下列相关说法错误的是(　　)A．NADPH供氢给木糖后不会转化为NAD＋B．若两种酶的比例不平衡，可能会造成木糖醇积累C．酿酒酵母的线粒体在无氧条件下基本不发挥作用D．科学家对相关酶改造的过程中，需要合成全新的基因
解析：科学家对相关酶改造的过程中，需要将基因进行改造，而不是合成全新的基因，D项错误。
2.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基因的途径有改造_______基因或合成_______基因。所获得的基因表达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________________________________________________________________________________。
DNA和RNA(或遗传物质)
DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质
(或转录、逆转录、翻译)
(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的蛋白质功能出发，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。
高考真题体验1．(2023·海南等级考)基因递送是植物遗传改良的重要技术之一，我国多个实验室合作开发了一种新型基因递送系统——切—浸—生芽(Cut-Dip-Budding，简称CDB法)。图1与图2分别是利用常规转化法和CDB法在某植物中递送基因的示意图。
回答下列问题。(1)图1中，从外植体转变成愈伤组织的过程属于________；从愈伤组织到幼苗的培养过程需要的激素有生长素和______________，该过程还需要光照，其作用是_________________________________________。解析：外植体经过脱分化形成愈伤组织，愈伤组织经过再分化形成幼苗，再分化培养基需要添加一定比例的生长素和细胞分裂素。再分化过程中需要适宜的光照以诱导叶绿素形成，使幼苗能够进行光合作用。
诱导叶绿素形成，使幼苗能够进行光合作用
(2)图1中的愈伤组织，若不经过共培养环节，直接诱导培养得到的植株可以保持植株A的________。图1中，含有外源基因的转化植株A若用于生产种子，其包装需标注____________。解析：图1中的愈伤组织若不经过与含重组载体的农杆菌共培养环节，直接诱导培养获得的植株的遗传物质全部来自植株A，这种无性繁殖的方式可以保持植株A的遗传特性。为遵守我国对农业转基因生物实行的标识制度，需对含有外源基因的转化植株A生产的种子的包装标注转基因种子。
(3)图1与图2中，农杆菌侵染植物细胞时，可将外源基因递送到植物细胞中的原因是____________________________________________________________________________________________________。解析：农杆菌细胞内含Ti质粒，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的T-DNA转移并整合到受体细胞染色体DNA上。
农杆菌细胞内含Ti质粒，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的T-DNA转移并整合到受体细胞染色体DNA上
(4)已知某酶(PDS)缺失会导致植株白化。某团队构建了用于敲除PDS基因的CRISPR/Cas9基因编辑载体(含有绿色荧光蛋白标记基因)，利用图2中的CDB法将该重组载体导入植株B，长出毛状根，成功获得转化植株B。据此分析，从毛状根中获得阳性毛状根段的方法是_________________________，图2中，鉴定导入幼苗中的基因编辑载体是否成功发挥作用的方法是________________________________________________________________，依据是____________________________________________________________________________________________________________。
检测毛状根段是否有绿色荧光
植物PDS中靶区域测序(或根据PDS基因的碱基序列设计引物进行PCR扩增)
若导入幼苗的基因编辑载体成功发挥作用，则PDS基因被敲除，靶区域的测序就会出现序列缺失(或PCR无法扩增出条带)
解析：用含重组载体的农杆菌菌液处理植株B后长出的毛状根中若含有基因编辑载体(阳性毛状根)，则该基因编辑载体中的绿色荧光蛋白基因可以在毛状根中表达，故可通过观察其是否含有绿色荧光筛选阳性毛状根。若导入幼苗中的基因编辑载体成功发挥作用，则基因被敲除，靶基因测序就会出现序列缺失，或根据PDS基因的碱基序列设计引物进行PCR扩增，不会出现扩增条带。
(5)与常规转化法相比，采用CDB法进行基因递送的优点是___________________________________________________________(答出2点即可)。解析：对比图1与图2可知，与常规转化法相比，用CDB法进行基因递送不需要进行植物组织培养，不需要无菌操作，操作简便。
不需要进行植物组织培养、操作简便(答出2点即可)
2．(2023·湖南选择考)某些植物根际促生菌具有生物固氮、分解淀粉和抑制病原菌等作用。回答下列问题：(1)若从植物根际土壤中筛选分解淀粉的固氮细菌，培养基的主要营养物质包括水和_________________。解析：由题意可知，某些植物根际促生菌具有固氮作用，可利用空气中的氮气作为氮源，培养基中不需要添加氮源，因此若从植物根际土壤中筛选分解淀粉的固氮细菌，培养基的主要营养物质包括水、无机盐和淀粉。
(2)现从植物根际土壤中筛选出一株解淀粉芽孢杆菌H，其产生的抗菌肽抑菌效果见下表。据表推测该抗菌肽对_____________________________的抑制效果较好，若要确定其有抑菌效果的最低浓度，需在__________μg·mL－1浓度区间进一步实验。
注：“＋”表示长菌，“－”表示未长菌。
金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌
解析：由题表可知，在抗菌肽浓度为3.45～55.20 μg·mL－1范围内，金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌均不能生长，表明该抗菌肽对它们的抑菌效果较好；因为抗菌肽的浓度为1.73 μg·mL－1时，它们均能生长，所以要确定抗菌肽抑菌效果的最低浓度，应在1.73～3.45 μg·mL－1的浓度区间进一步实验。
(3)研究人员利用解淀粉芽孢杆菌H的淀粉酶编码基因M构建高效表达质粒载体，转入大肠杆菌成功构建基因工程菌A。在利用A菌株发酵生产淀粉酶M过程中，传代多次后，生产条件未变，但某子代菌株不再产生淀粉酶M。分析可能的原因是____________________________________________________________(答出2点即可)。解析：在利用A菌株发酵生产淀粉酶M过程中，传代多次后，生产条件未变，但某子代菌株不再产生淀粉酶M，可能的原因是淀粉酶编码基因M发生突变；或是重组质粒在大肠杆菌分裂过程中丢失。
淀粉酶编码基因M发生突变；重组质粒在大肠杆菌分裂
(4)研究人员通过肺上皮干细胞诱导生成肺类器官，可自组装或与成熟细胞组装成肺类装配体，如下图所示。肺类装配体培养需要满足适宜的营养、温度、渗透压、pH以及____________________________________________________(答出2点即可)等基本条件。肺类装配体形成过程中是否运用了动物细胞融合技术？________(填“是”或“否”)。
无菌、无毒的环境，含95%空气和5%CO2的
解析：肺类装配体培养需要满足适宜的营养、温度、渗透压、pH以及无菌、无毒的环境，含95%空气和5%CO2的气体环境等基本条件。由题图可知，肺类装配体形成的过程中没有运用动物细胞融合技术，只涉及了细胞的分裂和分化等。
(5)耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)是一种耐药菌，严重危害人类健康。科研人员拟用MRSA感染肺类装配体建立感染模型，来探究解淀粉芽孢杆菌H抗菌肽是否对MRSA引起的肺炎有治疗潜力。以下实验材料中必备的是________。①金黄色葡萄球菌感染的肺类装配体②MRSA感染的肺类装配体③解淀粉芽孢杆菌H抗菌肽④生理盐水⑤青霉素(抗金黄色葡萄球菌的药物)⑥万古霉素(抗MRSA的药物)
解析：科研人员拟用MRSA 感染肺类装配体建立感染模型，来探究解淀粉芽孢杆菌H抗菌肽是否对MRSA引起的肺炎有治疗潜力，必备实验材料为②MRSA感染的肺类装配体、 ③解淀粉芽孢杆菌H抗菌肽、④生理盐水(设置对照实验时使用)、 ⑥万古霉素(抗MRSA的药物，比较解淀粉芽孢杆菌H抗菌肽的疗效)。
3．(2022·湖南选择考)水蛭是我国的传统中药材，主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构，提高其抗凝血活性。回答下列问题：(1)蛋白质工程流程如下图所示，物质a是________，物质b是________。在生产过程中，物质b可能不同，合成的蛋白质空间构象却相同，原因是_____________________________________________。
mRNA上决定氨基酸的密码子具有简并性
(2)蛋白质工程是基因工程的延伸，基因工程中获取目的基因的常用方法有___________________、________________和利用PCR技术扩增。PCR技术遵循的基本原理是_____________________。
(3)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，分析水解产物中的肽含量及其抗凝血活性，结果如下图所示。推测两种处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的________(填“种类”或“含量”)有关，导致其活性不同的原因是___________________________________________________。
酶处理后形成的肽中氨基酸的种类、数目和排列顺序不同