新人教版 高中生物选修3专题一1.3基因工程的应用原创

基因工程的应用基因工程自20世纪70年代兴起后，在短短的30年间，得到了飞速的发展，目前已成为生物科学的核心技术。应用领域——农牧业、工业、环境、能源和医药卫生等。基因工程的应用植物基因工程硕果累累动物基因工程前景广阔基因工程药物异军突起基因治疗曙光初照植物基因工程硕果累累1、抗虫转基因植物转基因抗虫植物：棉花、玉米、马铃薯、番茄、大豆、蚕豆、烟草、苹果、核桃、杨、菊花等。用于杀虫的基因主要有：★Bt毒蛋白基因(重点)、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝聚素基因植物基因工程硕果累累1、抗虫转基因植物A方法：从某些生物中分离出具的基因，将其导入作物中，使其具有抗虫性。有杀虫活性B杀虫基因种类：Bt毒蛋白基因C成果：抗虫棉、抗虫水稻等。D意义：少农药、低成本、少污染.植物基因工程硕果累累2、抗病转基因植物转基因抗病植物：小麦、甜椒、番茄。杀虫的基因主要：★病毒外壳蛋白质基因（最常用）、病毒复制酶（这些基因的转化植物表现出对同种病毒或相近病毒或病毒RNA侵染的高水平抗性）几丁质酶基因、抗毒素合成基因抗CMV甜椒植物基因工程硕果累累2、抗病转基因植物A病原微生物：主要有病毒、真菌、细菌。B方法：将导入植物中使其具有抗病特性抗病基因C种类：病毒外壳蛋白基因D成果：抗烟草花叶病毒的转基因烟草、抗病毒的转基因小麦。植物基因工程硕果累累3、抗逆转基因植物例如，将鱼的抗冻蛋白基因导人烟草和番茄，使烟草和番茄的耐寒能力均有提高。此外，将抗除草剂基因导人大豆、玉米等作物，喷洒除草剂时，杀死田间杂草而不损伤作物。植物基因工程硕果累累3、抗逆转基因植物A方法：将导入植物，获抗逆性作物。抗逆基因B基因种类：抗除草剂基因、抗冻蛋白基因、调节细胞渗透压基因。C成果：抗除草剂玉米、耐寒番茄、抗盐抗旱烟草植物基因工程硕果累累4、利用转基因改良植物的品质提高植物的光合作用效率改造光合作用中起关键作用的CO2固定酶，能提高植物对CO2的固定效率；还可以通过增强植物对光能吸收与转化的功能来提高光合作用效率，提高作物的产量。植物基因工程硕果累累4、利用转基因改良植物的品质延长果实的储藏期乙烯是催熟果实的一种激素，在其形成过程中需要乙烯形成酶。通过基因工程可以获得能抑制乙烯形成酶基因表达的植物新品种，这些转基因植物的果实既保持了原有的品质，又延长了储藏期。植物基因工程硕果累累4、利用转基因改良植物的品质A将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导入植物中，提高氨基酸的含量。富含赖氨酸的转基因玉米B将控制番茄果实成熟的基因导入番茄，获得转基因延熟番茄。C将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异。动物基因工程前景广阔（重点理解）1、用于提高动物的生长速度转基因鲤鱼（上）和同龄的鲤鱼（下）A基因：外援生长激素基因B成果:转基因鲤鱼、转基因绵羊。动物基因工程前景广阔2、用于改善畜产品的品质A病症：有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状B优良基因：肠乳糖酶基因C方法：肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，获得转基因牛分泌的乳汁，其中乳糖的含量大大减低。乳糖乳糖酶半乳糖动物基因工程前景广阔3、用转基因动物生产药物动物乳腺生物反应器技术基本成熟A基因来源：药用蛋白基因＋乳腺蛋白基因的启动子B成果:乳腺生物反应器动物基因工程前景广阔3、用转基因动物生产药物C操作过程：1、构建基因表达载体（在血清白蛋白基因前加乳腺蛋白基因的启动子）2、用显微注射法导入到受精卵3、将受精卵送入母体生长发育4、转基因动物进入泌乳期后，提取乳汁注意：只有雌性转基因个体才能生产药物。★为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢？⑴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。⑵从乳汁中获取目的基因产物，产量高，易提纯，表达的蛋白质已经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性。⑶从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时，转基因动物又可无限繁殖。★优点：产量高、质量好、成本低、易提取动物基因工程前景广阔4、用转基因动物作器官移植的供体可长人耳的裸鼠动物基因工程前景广阔4、用转基因动物作器官移植的供体A供体：抑制或除去抗原决定基因B成果（预期）：结合克隆技术培育出没有免疫排斥的转基因克隆猪器官C方法：将器官供体基因组导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定因，再结合克隆技术，培育畜没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。动物基因工程前景广阔5、各式各样的转基因动物基因工程药品异军突起（重点理解）1方式：利用转基因工程菌来生产药品。2成果：利用工程菌可生产细胞因子、抗体、疫苗、激素等。胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！使其价格降低了30%-50%!基因工程药品——胰岛素2DNA质粒细菌细胞DNA人体细胞胰岛素基因限制酶限制酶胰岛素利用生物工程获得胰岛素1从人血中提取干扰素，300L血才提取1mg！通过基因工程的方式创造了能合成人干扰素的大肠杆菌，每1Kg的培养液可提取20—40mg干扰素人造血液及其生产基因工程药品——干扰素利用微生物生产药物的优越性何在?所谓利用微生物生产蛋白质类药物，是指将人们需要的某种蛋白质的编码基因，构建成表达载体后导入微生物，然后利用微生物发酵来生产蛋白质类药物。与传统的制药相比有以下优越性：（1）利用活细胞作为表达系统，表达效率高。（2）可以解决传统制药中原料来源的不足。（3）降低生产成本，减少生产人员和管理人员。1基因治疗：是指是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。（重要）2方法：A体外基因治疗先从病人体内获得某种细胞，进行培养，然后，在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内。（效果较为可靠）B体内基因治疗直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法基因治疗曙光初照（重点应用）重症联合免疫缺陷（SCID）患者缺乏正常的人体免疫功能，只要稍被细菌或者病毒感染，就会发病死亡。这个病的机理是细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶（简称ADA）的基因（ada）发生了突变。可以通过基因工程的方法治疗。SCID患者生存在无菌环境中基因治疗曙光初照基因治疗曙光初照3例如：患半乳糖血症的患者，由于细胞内半乳糖苷转移酶基因缺陷而缺少半乳糖苷转移酶，使过多的半乳糖在体内积聚，引起肝、脑等功能受损。1971年，美国科学家在体外做了试验，用带有半乳糖苷转移酶基因的噬菌体侵染患者的离体组织细胞，结果发现这些组织细胞能够利用半乳糖了。这表明，用基因替换的方法治疗这种遗传病是可能的。基因治疗曙光初照用于基因治疗的基因种类1。用正常基因代替缺陷基因，或依靠其表达产物来弥补病变基因带来的缺陷。如血友病、地中海贫血病的治疗。2。反义基因。用mRNA分子与病变的mRNA分子进行互补，阻断蛋白质的合成。3。自杀基因。编码可杀死癌变细胞的蛋白酶基因。干扰素是动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存相当困难。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、蛋白质工程崛起的缘由例如：改造干扰素（半胱氨酸）体外很难保存干扰素（丝氨酸）体外可以保存半年玉米中赖氨酸含量比较低天冬氨酸激酶（352位的苏氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）改造改造天冬氨酸激酶（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）玉米中赖氨酸含量可提高数倍满足人类生产和生活的需要满足人类生产和生活的需要满足人类生产和生活的需要二、蛋白质工程的基本原理对天然蛋白质进行改造，你认为应该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？1、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。逆转录转录DNARNA翻译肽链复制复制折叠等具有空间结构的蛋白质表达生物特有的功能或性状天然蛋白质的合成过程遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变2、蛋白质工程的原理：基因改造3、基本途径：基因DNA氨基酸序列多肽链蛋白质三维结构预期蛋白质功能分子设计mRNA翻译氨基酸序列多肽链DNA合成转录折叠蛋白质三维结构生物功能4、概念：蛋白质工程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。某多肽链的一段氨基酸序列是：……—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—……讨论：1．怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列?请把相应的碱基序列写出来。2．确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因(DNA)?蛋白质工程的进展与前景蛋白质工程目前的现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。蛋白质工程与基因工程相比,合成的蛋白质有何特点?1、改造酶的结构自然酶与工业用酶有什么区别?自然酶工业用酶在常温常压中性环境下起催化作用在高温、酸或碱性环境下起催化作用鼠源杂交瘤抗体鼠-人嵌合抗体导致机体高度过敏副作用明显减小2、生物工程制药蛋白质的一级结构蛋白质的二级结构胰岛素的三级结构血红蛋白质的四级结构应用X射线晶体衍射法测定蛋白质的三维结构。随着DNA和蛋白质测序技术的自动化，已能快速地测定蛋白质分子的一级结构。结构预测与设计构建蛋白质的空间结构模型