【公开课课件】人教版高中生物选修三课件：专题一基因工程(共77张PPT)

免疫-抗体
蛋白质是生命活动的 主要承担者 。
蛋白质工程实例
实例一：干扰素的保存 原因:干扰素易形成二聚体,变性使活性降低。 设计:如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨 酸，那么在-70℃的条件下，可以保存半年。
一、蛋白质工程的崛起的缘由
基因工程在原则上只能生产自然界已存 在的蛋白质。
蛋白质工程能产生自然界原本不存在的 新的蛋白质。
许多工业用酶是在改变天然酶的特性后，才 使之适应生产和使用需要的。
旁栏思考题
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一项重大 的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组 织宣告成立。之后，该组织正式提出启动了 两项重大国际合作行动：一项是由中国科学 家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”； 另一项是以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。
P27/“讨论”
3、蛋白质工程的概念
是指以蛋白质分子的结构规律及其生 物功能的关系作为基础，通过基因修饰或 基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制 造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和 生活的需求。
4、蛋白质工程与基因工程的关系
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，是包含多学 科的综合科技工程领域。
导入微生物细胞 ——Ca2+处理成感受态细胞
1、将目的基因导入植物细胞:
卵细胞 极核
花粉粒
花粉粒萌发
花 粉 管
花 粉 管
精子
（2）
受 精 卵
受精卵 受精极核
2、将目的基因导入动物细胞:
含目的基因的表达载体提纯
取卵（受精卵），显微注
射
胚胎培养,发育成具有新性状的动物。
3、将目的基因导入微生物细胞:
限制性核酸内切酶（限制酶）——“分子手术刀”
分布：主要在原核生物中。 作用特点：特异性，即识
别特定核苷酸序列， 切割特定切点。
化学键：磷酸二酯键 举例：EcoRI限制酶能识别
GAATTC序列，并 在G和A之间切开。
EcoRI
限制酶
重播
“黏性末端”和“平末端”
DNA连接酶——“分子缝合针”
连接酶有两种：一种是从大肠杆菌中分离
方法: 抗原－抗体杂交
个体水平鉴定：抗虫或抗病接种实验、活性比较等。 （有时）
一、原核细胞的基因结构：
非编码区 编码区上游
启动子 （RNA聚合 酶结合位点）
编码区 编码蛋白质的序列
补充知识
非编码区 编码区下游
终止子
二、真核细胞的基因结构：
非编码区
编码区
编码区上游
启动子 （RNA聚合 酶结合位点）
P27/异想天开：能不能根据人类需要的蛋白
质的结构，设计相应的基因，导入合适的细菌 中，让细菌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。一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白 质往往都是自然界已经存在的蛋白质，并非完 全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质。主 要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对 蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能 知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有生命 功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会 带来什么危害也是人们所担心的。
实例三：提高工业用酶的稳定性
在已研究过的几千种酶中，绝大多数酶都不能应 用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但 在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生 产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂 存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很 快变性失活。提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个 非常重要的课题。
2009江苏高考34题
(2)图中②表示HindIII与Bam I酶切、DNA连接酶连接的过
程，此过程可获得
种重组质粒 。
如果换用Bst l与BamH l酶切，目的基因与质粒连接后 可获得 种重组质粒。
1.4 蛋白质工程的崛起
蛋白质是生命活动的 主要承担者 。
结构蛋白
催化-酶
运输-血红蛋基 因 文 库
推测：由mRNA反 转录
PCR
扩 增 目 的 基 因
方法三、直接人工合成（适合于较小的基因）
根据已知的氨基酸序列合成目的基因
根据已知蛋白质 的氨基酸序列，推测 出相应的信使RNA序 列，然后按照碱基互 补配对原则，推测出 相应基因的核苷酸序 列，再通过化学方法， 以单个核苷酸为原料 合成目的基因。
基础理论和技术的发展催生了基因工程
DNA是遗传物质的证明 DNA双螺旋结构和中心法则的确立 遗传密码的破译 基因转移载体的发现 工具酶的发明 DNA合成和测序技术的发明 DNA体外重组的实现 重组DNA表达实验的成功 第一例转基因动物问世 PCR技术的发明
基础理论 技术发明
1.1 DNA重组技术的基本工具
检
测 ③ 检测目的基因是否翻译成蛋白质
个体水平鉴定： （有时）
DNA分子杂交示意图
采用一定的技术手段，将两种生物的DNA分子 的单链放在一起，如果这两个单链具有互补的碱基 序列，那么，互补的碱基序列就会结合在一起，形 成杂合双链区；在没有互补碱基序列的部位，仍然 是两条游离的单链。
a
DNA
变性
“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 领衔的重大国际科研协作计划，总部设在北 京，目前有16个国家和地区的80多个实验室 报名参加。它的科学目标是揭示并确认肝脏 的蛋白质，为重大肝病预防、诊断、治疗和 新药研发的突破提供重要的科学基础。
基因的载体——“分子运输车”
常用的载体种类有：
质粒，λ噬菌体的衍生物，动植物病毒等。
质粒
质粒是基因工 程最常用的运载体， 它广泛地存在于细 菌中，是细菌染色 体外能够自主复制 的很小的环状DNA 分子，大小只有普 通细菌拟核DNA的 百分之一。
要对天然质粒进行人工改造
基因的载体——“分子运输车”
实例二：提高玉米中赖氨酸的含量
原因：赖氨酸合成过程中两个关键酶——天冬 氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受 细胞内赖氨酸浓度的影响。当赖氨酸浓度达到 一定量时，就会抑制这两种酶的活性。
设计:如果对赖氨酸合成过程中的两个关键酶 进行改造,可以使玉米叶片和种子中的游离赖 氨酸分别提高5倍和2倍 的原理是_ __,结果是_ __；若基因较小且 序列已知可用______方法获取目的基因。
6、将目的基因导入植物细胞可采取的方法有： _____、______、________；导入动物细胞的 方法有________；将目的基因导入微生物细 胞可采取的方法有________。
b
DNA杂交
（如检测SARS病毒等）
附着在膜上
c
硝化纤维素
加探针
报告基因（含荧光素分子）
d
导入目的基因后需要检测哪些方面？检测方法？
① 检测转基因生物染色体上是否插入目的基因
分 子
方法: DNA分子杂交技术
水 ② 检测目的基因是否转录出了mRNA
平 检
方法: DNA － RNA分子杂交技术
测 ③ 检测目的基因是否翻译成蛋白质
人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋 白质工程的有力推动和理论支持。
二、蛋白质工程的基本原理
1、蛋白质工程的目标 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。
2、蛋白质工程的基本途径
预期的蛋白质功能 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列
推测并合找成到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
三、蛋白质工程的进展和前景
1、药品改造——如：速效型胰岛素 2、材料科学——如：电子元件 3、蛋白质的高级结构有待深入研究
P28/思考与探究
1.蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础 理论研究的需要。
2.基因工程是遵循中心法则， 从DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生
功能，基本上是生产出自然界已有的蛋 白质。
得到的，称之为E·coliDNA连接酶。另一
种是从T4噬菌体中分离得到，称为T4DNA连 接酶。
E·coliDNA连接酶只能连接黏性末端；T4
DNA连接酶既连接可黏性末端，又可连接平 末端。
……
……
……
……
…… ……
DNA连接 酶 …… ……
…… ……
…… ……
DNA连接酶与DNA聚合酶一样吗？为什么？
常用的载体种类有：
质粒，λ噬菌体的衍生物，动植物病毒等。
载体必须具备的条件：
1、能够在宿主细胞中自我复制并稳定保存； 2、有一个至多个限制酶切点，以便与外源基因连接； 3、有某些标记基因，便于进行鉴定和选择。（如抗菌素的
抗性基因、产物具有颜色反应的基因等 ）
4、对受体细胞无害且大小合适。
1.2 基因工程的基本操作程序
非编码区 编码区下游
终止子
外显子：能转录,并编码蛋白质的序列。 内含子：能转录,但不编码蛋白质的序列。
真核细胞基因的表达
编码区上游
编码区下游
转录
初级转录产物
剪切、拼接
(成熟的)mRNA
基因工程的成果与发展前景
植物基因工程 抗虫转基因植物
抗病转基因植物 抗逆转基因植物 利用转基因改良植物品质 动物基因工程 用于提高动物生长速度 用于改良畜产品的品质 用转基因动物生产药物 用于转基因动物做器官移植供体 基因工程药物 基因治疗
1.2 基因工程的基本操作程序
基因工程的基本操作程序
主要包括四个基本步骤： 一、目的基因的获取 二、基因表达载体的构建（核心） 三、将目的基因导入受体细胞 四、目击法） 用 多 种限制酶将供
体细胞中的DNA切成许多片 段，将这些片段分别载入 运载体，然后通过运载体 分别转入不同的受体菌， 让这些外源DNA思路进行的： 确定蛋白质的功能→蛋白质应有的
高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→ 应有的氨基酸序列→应有的碱基排列， 可以创造自然界不存在的蛋白质。
3.酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助 工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环 境保护等方面的一门科学技术。 概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面 组成的。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工 业以及医药工业中。 α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶这三个酶 连续作用于淀粉，就可以代替蔗糖生产出高果糖浆； 蛋白酶用于皮革脱毛胶以及洗涤剂工业；固定化酶 还可以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引起的某些 功能的衰竭等。至于我们日常生活中所见到的加酶 洗衣粉、嫩肉粉等，就更是酶工程最直接的体现了。
1、基因工程又叫做_________技术。
2、分子手术刀是____ _，简称__ __，它切割 的是两个核苷酸间的___ ___键。
3、分子缝合针是__ ___，它与DNA聚合酶的区 别有___ _、__ __。（任意写出两点即可）
4、基因工程的操作步骤有：一、_ _ 二、__ __；三、__ __；四、__ 其中____是基因工程的核心。
7、检测目的基因是否插入受体细胞染色体的方 法是_______技术；检测目的基因是否翻译为 蛋白质可用_______技术。
*8、β—珠蛋白是血红蛋白的重要组成成分， 当它结构异常时动物可能患镰刀型细胞贫血 症。利用基因工程的方法使大肠杆菌生产出 鼠的β—珠蛋白，该如何设计？（提示：分 步写，可以参考基因工程的操作步骤）
蛋白质的氨基酸序列
推测
mRNA的核苷酸序列
推测
基因的核苷酸序列
化学合成
目的基因
转录
目的基因与运载体的结合过程，实际 上是不同来源的基因重组的过程。
将目的基因导入受体细胞------转化 • 原理: 借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。
导入植物细胞
农杆菌转化法 基因枪法 花粉管通道法
• 方法 导入动物细胞 ——显微注射法
（1）原核生物特点：繁殖快、单细胞、遗传物质少等。
（2）方法：用Ca2+处理细胞成感受态细胞
表达载体
溶于缓冲液中与感受态细胞混合，一定温度下
感受态细胞吸收DNA分子。
导入目的基因后需要检测哪些方面？检测方法？
① 检测转基因生物染色体上是否插入目的基因
分 子
方法: DNA分子杂交技术 Nhomakorabea水 ② 检测目的基因是否转录出了mRNA 平