1、第2课时基因工程的应用及蛋白质工程(含实验)必备知识固本夯基一、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
2、,而其他营养成分不受影响,解决问题。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。二、蛋白质工程1.天然蛋白质合成途径:基因表达()形成
3、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三、实验:DNA粗提取与鉴定四、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。2.电泳基本过程配制琼脂糖溶液: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
4、凝胶:待凝胶溶液完全凝固,小心拔出梳子,取出凝胶放入内。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:取出凝胶置于下观察和照相。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
5、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。()2.基于对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
6、的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息。()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。()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)
7、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。()核心考点能力提升考点一基因工程的应用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0.05g,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
8、和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?(2)利用动物乳腺生物反应器生产药物有什么优点与缺陷?(3)与一般的转基因动物的操作过程相比,用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程有什么要求?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
9、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。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
10、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)。考点二蛋白质工程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3060min就达到高峰。而目前使用的胰岛素制剂,注射120min后才出现高峰。通过实验证明,胰岛素在低浓度(小于10-9mol/L)时主要以单体形式存在,在高浓度时(大于10-9mol/L)以二聚体的形式存在,从而延长了胰岛素从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,
11、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?(2)蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同?(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?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
12、。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。考点三DNA的粗提取与鉴定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
13、脂质等在物理和化学性质方面的差异提取DNA,去除杂质。下面是提取和鉴定DNA的基本步骤。研磨释放DNA获取上清液粗提取DNA鉴定DNA(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?(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?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DNAD.用二苯胺试剂鉴定DNA需要进行水浴加热考点四DNA片段的扩增及电泳鉴定合作探究
14、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?(2)影响琼脂糖凝胶电泳DNA迁移率的因素有哪些?考向突破考向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,低温会影响玉米的产量和品质。研究者将从微生物中获得
15、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(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
16、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。第2课时基因工程的应用及蛋白质工程(含实验)必备知识固本夯基一、1.抗虫功能抗病基因优良性状赖氨酸2.(1)外源生长激素(2)肠乳糖酶乳糖不耐受3.疫苗激素药用蛋白基因启动子抑制除去免疫排斥反应4.(1)外源基因二、1.转录和翻译高级结构2.氨基酸序列mRNA蛋白质(三维结构)三、DNA与蛋
17、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、1.(1)相反(2)凝胶的浓度DNA分子的大小2.0.8%1.2%梳子电泳槽1PCR指示分子15凝胶边缘紫外灯【概念检测】1.(1)(2)(3)(4)(5)2.(1)(2)(3)(4)(5)3.(1)(2)(3)4.(1)(2)(3)(4)核心考点能力提升考点一【合作探究】探究(1)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)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,
18、利用其乳腺分泌乳汁获取药物,因此受动物性别限制。(3)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。【考向突破】答案(1)限制性内切核酸酶、DNA连接酶显微注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
19、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【合作探究】探究(1)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)提示基因工程是按照中心法则进行的:基因表达(转录
20、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)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】答案(1)氨基酸序列
21、(或结构)(2)PP1DNA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。
22、考点三【合作探究】探究(1)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)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DNA破碎,可以完整地缠在玻璃棒上。【考向突破】A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
23、,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含DNA的溶液中并进行水浴加热,D项正确。考点四【合作探究】探究(1)提示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)提示DNA的分子大小;琼脂糖浓度;D
24、NA构象;电场强度;碱基组成与温度;电泳缓冲液的组成等。【考向突破】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
25、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。
