2024年新人教版高考生物一轮复习讲义 第10单元 第7课时 基因工程的应用和蛋白质工程

第
7
课时
2024年新人教版高考生物一轮复习讲义
课标要求
1.举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了
人类的生活品质。

2.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　基因工程的应用考点二　蛋白质工程的原理和应用内
容
索引重温高考 真题演练课时精练
基因工程的应用
1.基因工程在农牧业方面的应用
归纳
夯实必备知识
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
外源生长激素
乳糖酶基因
乳汁
2.基因工程在医药卫生领域的应用
基因改造
显微注射
克隆免疫排斥
3.基因工程在食品工业方面的应用
工程菌
牛凝乳酶的基因
基因工程菌
拓展提升科学思维
1.基因工程应用于提高植物抗逆能力，请思考回答下列转基因抗虫棉的相关问题：
(1)抗虫棉能抗病毒、细菌、真菌吗？为什么？
提示　不能。

抗虫基因具有专一性。

(2)从环境保护角度出发，分析转基因抗虫棉与普通棉相比在害虫防治方面的优越性有哪些？
提示　减少了化学农药的使用量，降低了环境污染。

(3)种植转基因抗虫棉若干年后，害虫会不会对转基因抗虫棉产生抗性？为什么？
提示　会。

害虫会因遗传物质发生改变产生对转基因抗虫棉的抗性。

2.为提高动物的生长速度，需将外源生长激素基因导入动物体内，应该选择的受体细胞是什么？并说明理由。

提示　受精卵。

受精卵体积较大，操作较容易，营养物质含量丰富，也能保障发育成的个体所有细胞都含有外源生长激素基因，全能性较高。

1.(2023·河南新乡高三检测)基因工程蓬勃发展，下列有关基因工程的说法正确的是
A.基因工程在农牧业上的应用主要目的是培养体型巨大品质优良的动物
B.用基因工程方法培育的抗虫植物也能抗病毒
C.转基因绵羊操作过程中生长激素基因的受体细胞最好采用乳腺细胞
D.在农业方面，蛋白质工程可用于改造某些参与调控光合作用的酶，以 提高植物光合作用的效率，增加粮食产量
突破 强化关键能力
√
基因工程在农牧业上应用的主要目的是提高动物生长速度、改善畜产品品质，而不是为了产生体型巨大的个体，A错误；
用基因工程方法培育的抗虫植物只能抗虫，不能抗病毒，B错误；
转基因绵羊操作过程中生长激素基因的受体细胞最好采用受精卵细胞，因为受精卵具有全能性，C错误。

2.干扰素是治疗癌症的重要药物，它必须从血液中提取，每升人血中只能提取0.5 μg ，所以价格昂贵。

某生物制品公司用如下方法(如图所示)生产
干扰素。

从图中可以看出，该公司生产干扰素运用的方法是
A.个体间的杂交
B.基因工程
C.蛋白质工程
D.器官移植
√
从图中可以看出，整个过程为将人的淋巴细胞中控制干扰素合成的基因与质粒结合后导入酵母菌，并从酵母菌产物中提取干扰素，这项技术为基因工程。

总结
比较内容乳腺生物反应器工程菌
含义让外源基因在哺乳动物的乳
腺中特异表达，利用动物的
乳腺组织生产药物蛋白
指用基因工程的方法，使
外源基因得到高效表达的
微生物
基因表达合成的药物蛋白与天然蛋白
相同
细菌合成的药物蛋白可能
没有活性
受体细胞动物受精卵微生物细胞
乳腺生物反应器与工程菌的比较
总结
目的基因
导入方式
显微注射法Ca2＋处理法
生产条件不需要严格灭菌，
温度等外界条件对
其影响不大
需要严格灭菌，严格控制工程菌
所需的温度、pH、营养物质浓度
等外界条件
药物提取从动物乳汁中提取从微生物细胞或其培养液中提取
蛋白质工程的原理和应用
归纳夯实必备知识
1.蛋白质工程的概念
蛋白质分子
的结构规律
以满足人类生产和
生活的需求
2.蛋白质工程与基因工程的异同
项目蛋白质工程基因工程
过程从预期的蛋白质功能出发→设计预
期的→推测应有的
→找到并改变相对应
的 (基因)或合成
新的基因→获得所需要的蛋白质
目的基因的筛选与获取→
基因表达载体的构建→将
目的基因导入受体细胞→
目的基因的检测与鉴定蛋白质结构
氨基酸序列
脱氧核苷酸序列
实质定向改造或生产人类所
需要的蛋白质
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结果
可生产_______________
_________只能生产________________________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
自然界中不存在的蛋白质自然界中已存在的蛋白质
3.蛋白质工程的应用
(1)在医药方面
①利用蛋白质工程研发 。

②实例：如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成 ，在一定条件下，可以延长保存时间。

(2)在工业方面
①蛋白质工程被广泛用于改进 或开发新的工业用酶。

②实例：枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。

药物丝氨酸酶的性能
(3)在农业方面
光合作用科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物_________的效率，增加粮食的产量。

拓展
提升科学思维
基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，这些天然蛋白质是生物在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。

蛋白质工程的目标是生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白
质。

结合图示回答有关问题：
(1)写出流程图中字母代表的含义：
A.
；B. ；C. ；D. ；E. 。

(2)上图字母中属于中心法则的过程有 ，属于蛋白质工程的过程有。

预期功能氨基酸序列改造或合成转录翻译D 、E A 、C
(3)对天然蛋白质进行改造，你认为应该是直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？原因是什么？
提示　应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。

主要原因：①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；
②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。

3.胰岛素可用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后易在皮下堆积，需较长时间才能进入血液，进入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影响。

如图是新的速效胰岛素的生产过程，下列有关叙述错误的是
A.新的胰岛素的预期功能是构
建新胰岛素模型的主要依据
B.新的胰岛素生产过程中不涉 及中心法则
C.若用大肠杆菌生产新的胰岛素，常用Ca 2＋处理大肠杆菌
D.新的胰岛素功能的发挥必须依赖于蛋白质正确的高级结构
突破
强化关键能力
√
新的胰岛素生产过程中涉及中心法则，B错误；
若要利用大肠杆菌生产新的胰岛素，常用Ca2＋处理法提高导入的成功率，C正确；
根据结构与功能相适应的原理分析，新的胰岛素功能的发挥必须依赖于蛋白质正确的高级结构，D正确。

4.β-葡聚糖酶是一种在酒类、饲料等行业中具有重要用途的工业用酶。

为提高β-葡聚糖酶的催化活性，科学家将其第20位、117位和165位赖氨酸突变为丝氨酸。

下列有关叙述错误的是
√
A.改造后的β-葡聚糖酶的耐酸碱能力增强
B.改造后的β-葡聚糖酶空间结构发生了改变
C.对β-葡聚糖酶结构的改造属于蛋白质工程
D.可通过DNA分子测序法检测突变是否成功
根据题干信息不能得出改造后的β-葡聚糖酶的耐酸碱能力增强，A错误。

归纳
总结
(1)如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码
蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。

(2)如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋
白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。

重温高考真题演练
1.(经典高考题)从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。

目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是
A.合成编码目的肽的DNA片段
B.构建含目的肽DNA片段的表达载体
√
C.依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽
D.筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽
由题意分析可知，多肽P1为抗菌性和溶血性均较强的多肽，要设计出抗菌性强但溶血性弱的多肽，即在P1的基础上设计出自然界原本不存在的蛋白质，用蛋白质工程技术可以实现。

蛋白质工程的基本途径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。

故要想在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是依据P1的氨基酸序列设计出多条模拟肽，然后进行改造，从而确定抗菌性强但溶血性弱的多肽的氨基酸序列。

2.(2020·山东，25)水稻胚乳中含直链淀粉和支链淀粉，直链淀粉所占比例越小糯性越强。

科研人员将能表达出基因编辑系统的DNA 序列转入水稻，实现了对直链淀粉合成酶基因(Wx 基因)启动子序列的定点编辑，从而获得了3个突变品系。

(1)将能表达出基因编辑系统的DNA 序列插入Ti 质粒构建重组载体时，所
需的酶是_______________________________
，重组载体进入水稻细胞并在细胞内维持稳定和表达的过程称为______。

限制性内切核酸酶和DNA 连接酶转化
构建基因表达载体需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶，可以对目的基因和载体进行切割和连接，重组载体进入受体细胞内维持稳定和表达的过程称为转化。

(2)根据启动子的作用推测，Wx 基因启动子序列的改变影响了__________
________________________
，从而改变了Wx 基因的转录水平。

与野生型水稻相比，3个突变品系中Wx 基因控制合成的直链淀粉合成酶的氨基酸
序列_______(填“发生”或“不发生”)改变，原因是__________________________________________。

RNA 聚合酶与启动子的识别和结合 编码直链淀粉合成酶的碱基序列中不含启动子不发生
RNA聚合酶与启动子识别和结合后启动转录，启动子的序列改变会影响与RNA聚合酶的识别和结合，从而改变基因的转录，3个突变品系中改变的是启动子的序列，影响mRNA的转录，而编码直链淀粉合成酶的碱基序列中不含有启动子的序列，所以编码合成的直链淀粉酶的氨基酸序列不发生改变。

(3)为检测启动子变化对Wx 基因表达的影响，科研人员需要检测Wx 基因转录产生的mRNA (Wx mRNA)的量。

检测时分别提取各品系胚乳中的总
RNA ，经________
过程获得总cDNA 。

通过PCR 技术可在总cDNA 中专一性的扩增出Wx 基因的cDNA ，原因是
______________________________________________________________________________。

逆转录 引物是根据Wx 基因的一段已知序列设计合成的(或引物能与Wx 基因的cDNA 特异性结合)
通过mRNA获得cDNA是逆转录过程。

PCR过程中需要模板、原料、酶、引物等，其中引物是根据已知基因上的一段序列合成的，这样要从总cDNA中专一性的扩增出Wx基因的cDNA，关键是要根据Wx 基因的一段已知序列合成出相应的引物。

(4)各品系Wx mRNA量的检测结果如图所示，据图推测糯性最强的品系为_______，原因是_____________________________ ___________________________________ _________________________。

品系3
品系3的Wx mRNA量最少，控制
合成的直链淀粉合成酶的量最少，直链
淀粉合成量最少，糯性最强
据题中信息可知，水稻胚乳中直链淀粉所占比例越小，糯性越强，题图中品系3中的Wx mRNA量最少，这样合成的直链淀粉合成酶的量最少，则合成的直链淀粉所占比例最小，糯性最强。

3.(经典高考题)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(P 1)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。

酸序列(或结构)氨基
(2)以P 基因序列为基础，获得P 1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。

P P 1DNA 和RNA(或遗传物质)DNA →RNA 、RNA →DNA 、RNA →蛋白质(或转录、逆转录、翻译)设计蛋白质的结构推测氨基酸序列功能
4.(2022·湖南，22)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________________。

氨基酸序列多肽链mRNA 密码子的简并性
(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___________________。

从基因文库中获取目的基因通过DNA 合成仪用化学方法直接人工合成DNA 半保留复制
(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_________________________________________________
__________________________________。

种类提取的水蛭蛋白的酶解时间和处理的酶的种类不同，导致水蛭蛋白空间结构有不同程度破坏
将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，据图可知，水解产物中的肽含量随着酶解时间的延长均上升，且差别不大。

水解产物中抗凝血活性有差异，经酶甲处理后，随着酶解时间的延长，抗凝血活性先上升后相对稳定；经酶乙处理后，随着酶解时间的延长，抗凝血活性先上升后下降。

经酶甲处理后的酶解产物的抗凝血活性最终高于经酶乙处理后的酶解产物的抗凝血活性，且差异明显。

据此推测两种酶处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的种类有关，导致其活性不同的原因是提取的水蛭蛋白的酶解时间和酶的种类不同，导致水蛭蛋白空间结构有不同程度的破坏。

(4)若要比较蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素的抗凝血活性差异，简要写出实验设计思路。

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

取3支试管，分别加入等量的蛋白质工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解产物和天然水蛭素并编号1、2、3；用酒精消毒，用注射器取同一种动物(如家兔)血液，立即将等量的血液加入1、2、3号三支试管中，静置相同时间，统计三支试管中血液凝固时间
1.判断关于基因工程的应用的叙述
(1)为培育抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体( )
(2)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用( )
(3)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( )五分钟　查落实
×××。