复习必备版高中生物 第3章 生物科学与工业 第3节 生物技术药物与疫苗学案 新人教版选修2.docx

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复习必备版高中生物第3章生物科学与工业第3节生物技术药物与疫苗学案新人教版选修2

第3节　生物技术药物与疫苗

[课程目标]·导航

1.简述生物技术药物的概念。

2.举例说明基因工程药物、细胞工程药物的生产原理和意义。

3.举例说明生物技术疫苗的生产原理和意义。

4.进一步体验科学技术是一个不断发展的过程及理解科学、技术、社会三者间的关系。

知识点1　生物技术药物

[知识梳理]

1.概念

一般是指利用DNA重组技术或其他生物技术生产的药物。

2.种类

包括基因工程药物、酶工程药物、发酵工程药物、细胞工程药物等。

3.基因工程药物

（1）生产过程：

获得目的基因→构建基因工程菌→工程菌大规模培养→产物分离纯化→除菌过滤→半成品检测→成品加工→成品检测。

（2）最主要的环节：

构建基因工程菌。

（3）特点：

高效率地生产各种高质量、低成本的药品。

4.细胞工程药物

（1）植物细胞培养制取药物的生产过程：

植物细胞株→固体培养→液体悬浮培养→收集细胞→提取纯化产物→药物制剂。

（2）应用：

细胞培养生产药用植物如人参、甘草、红豆杉、黄连、银杏、紫草和长春花等。

通过动物细胞培养生产如乙肝疫苗、狂犬病疫苗、脊髓灰质炎疫苗等疫苗，以及干扰素、白细胞介素、肿瘤坏死因子等药物。

[思维激活]　基因工程药物的化学成分是什么？

提示：

蛋白质。

[活学活用]

1.以下不是用基因工程方法生产的药物是（　　）

A.干扰素B.白细胞介素

C.紫杉醇D.乙肝疫苗

解析　基因工程药物主要有细胞因子、抗体、疫苗、激素等，如白细胞介素－2、干扰素、乙肝疫苗等，是利用基因工程技术将外源基因导入细菌，使其高效表达得到的。

紫杉醇是应用植物细胞培养的方法制取的药物，属于细胞工程药物。

答案　C

2.下列关于基因工程药物的叙述中，不正确的是（　　）

A.基因工程药物的优点是质量高、成本低

B.基因工程药物解决了受原料来源的限制

C.基因工程药物的关键环节是构建工程菌

D.基因工程药物毒性高、副作用大

解析　考查基因工程药物的生产及特点。

答案　D

[归纳总结]

1.基因工程药物

（1）基因、转基因与基因工程药物

人类的所有疾病几乎都与基因有关，因此，早在“人类基因组”计划还未付诸实践的时候，科学家们就已经在研制基因工程药物了。

他们把通过克隆取得的外源目的基因（一般是人的DNA），整合到动物受精卵的染色体内，使之在动物体内得到表达并能稳定地遗传给后代，这种含有外源基因的动物就叫做转基因动物。

一头转基因动物就是一座天然基因药物制造厂。

利用转基因动物来生产基因药物是一种全新的生产模式，与传统的制药技术相比具有无可比拟的优越性。

（2）基因工程药物生产的大致过程

获得目的基因→构建基因工程菌→工程菌大规模培养→产物分离纯化→除菌过滤→半成品检测→成品加工→成品检测。

（3）传统生产技术与基因工程药物生产技术的比较

①使用传统技术，从动物脏器提取这些物质因含量太低、成本太高，使其应用受到限制；此外，在提取过程中还可能造成药物被病毒感染，制成的药物会对病人产生严重后果；作为非人源蛋白质，长期使用会产生免疫反应等。

②用基因工程可直接使用来源于人的基因生产药物，可以从根本上解决上述问题。

其最大的好处是：

不仅可以大量生产过去难以获得的来源于人的各种生理活性的蛋白质和多肽药物，为临床应用提供保证，还可以深入研究它们的生理、生化特性和结构，从而扩大这些物质的应用范围，发现和挖掘出更多的生理活性物质。

通过基因工程对基因进行改造，可以生产出性能更加优良的药物。

③基因工程药物生产与传统意义上的药物生产有许多不同，它使用的是活细胞，产品又多是大分子的具有复杂结构和生理功能的蛋白质，因而基因表达、宿主菌生长、产品精制、产品质量和药效等，都可能因为原料、生产工艺、条件，甚至环境等生产过程的每一步的变化而受到影响。

因此，严格控制生产过程的每一步和进行严格的检测，确保产品质量和安全有效是基因工程药物生产中必不可少的。

2.细胞工程药物

主要是利用细胞工程技术来生产的药物。

（1）细胞工程药物解决了传统动植物药物生产与生物资源保护的矛盾

①传统动植物药物的特点：

高效、低毒、副作用少。

②传统动植物药物生产的不足：

这些药物有许多是来自珍稀濒危动植物，随着这些药物的需求量日益增大，人们对野生生物资源进行大规模猎取、采集和开发，导致了生态环境和物种资源的破坏。

③细胞工程解决了传统动植物药物生产的不足。

（2）植物细胞培养制取药物

①制取药物的流程

植物细胞株→固体培养→液体悬浮培养→收集细胞→提取纯化产物→药物制剂

②植物细胞培养的应用

一是许多药用植物（人参、甘草、红豆杉、黄连、银杏、紫草和长春花等）的细胞培养均获得成功：

二是利用红豆杉细胞培养生产抗癌药物紫杉醇，利用紫草细胞培养生产紫草素。

（3）动物细胞培养及应用

基本培养流程：

动物胚胎或出生不久的幼龄动物

培养的细胞或组织

单个细胞

原代培养―→传代培养

细胞株

细胞系（具有癌变特点）

动物细胞比大肠杆菌细胞具有更加优良的产物加工性能，更适合来自人和高等动物的基因的表达，因而可用于生产各种重要的生物制品，如乙肝疫苗、狂犬病疫苗和脊髓灰质炎疫苗等，以及干扰素、白细胞介素、肿瘤坏死因子等。

知识点2　生物技术疫苗

[知识梳理]

1.疫苗是一种特殊的药物，它不是用于治疗疾病，而是用于预防疾病。

2.DNA疫苗又称核酸疫苗，在某些肿瘤、艾滋病和肝炎等疾病的预防上可以发挥独特的作用。

[活学活用]

疫苗与人类的身体健康关系密切。

下列有关疫苗的叙述不正确的是（　　）

A.疫苗不是用于治疗疾病，而是用于预防疾病

B.疫苗能刺激人体，使人产生相应的抗体

C.疫苗可通过注射或口服进入人体

D.人类通过接种牛痘疫苗消灭了脊髓灰质炎

思维导图：

解析　疫苗是经过处理的病原微生物，它可以通过口服或注射进入人体，可以在人体不患病的情况下激活其免疫系统，产生相应的抗体，通过抗体控制和消灭进入人体的某些病原体，从而达到预防疾病的目的，故A、B、C项均正确。

人类接种牛痘疫苗，身体内会产生抵抗天花病毒的抗体，要预防脊髓灰质炎，需要使用脊髓灰质炎疫苗，故D项错误。

答案　D

反思感悟　疫苗是经过减毒或灭毒的病原微生物，在免疫学上属于抗原。

机体接种某种疫苗，机体内则可产生相应的抗体和记忆细胞等，从而起到预防该种病原微生物的作用。

[归纳总结]

传统疫苗与新型疫苗

用于预防疾病的疫苗有细菌性疫苗、病毒性疫苗和类毒素疫苗。

从疫苗的生产技术来说，疫苗分为传统疫苗和新型疫苗两大类。

（1）传统疫苗

传统疫苗包括灭活疫苗、减毒疫苗和亚单位疫苗。

灭活疫苗是用致病的微生物或其代谢产物，接种到动物、鸡胚、组织或细胞培养物中，经生长繁殖后，用化学（丙酮、甲醛、酚等）或物理（加热、紫外线照射）等方法将病原体杀死要获得的疫苗，因此，又称为“死”疫苗。

减毒疫苗是通过适当方法，以降低毒性或无毒的全病原体为抗原的疫苗。

用天然微生物的某些成分的亚单位作为疫苗的，称为亚单位疫苗。

（2）新型疫苗

新型疫苗主要包括基因工程疫苗和核酸疫苗。

基因工程疫苗包括基因亚单位疫苗、基因工程载体疫苗、基因缺失活疫苗、合成肽疫苗和抗独特型抗体疫苗。

核酸疫苗包括DNA疫苗和RNA疫苗。

根据它们的基本特征，也可分为活疫苗

和灭活疫苗两大类。

（3）三种疫苗比较

名称

来源

原理

优点

不足

传统疫苗

生物体或其血液

免疫反应

①人类认识早，利用较早②培养过程简单

①必须大量培养病原体

②易泄漏

③易产生回复毒性突变

④灭活、减毒程度难控制⑤制剂组成复杂，需进行抗原纯化

基因工程疫苗

抗原基因在宿

主细胞

内转录、

翻译的

产物

基因工程、基因的表达

①可以制取任何具有免疫原性的蛋白质和多肽，用来制疫苗

②可以将免疫原性的多肽与载体耦联，以增强其免疫原性

③对人体危害作用小

①生产成本高

②单次接种后很难产生长期免疫

③不易保存

核酸疫苗

由病原体中抗

原的基

因片段

和载体

构建而

成

基因工程、免疫反应

①制备的疫苗具有天然抗原形式，没有病原体在体内复制后致病的问题，也不存在回复突变和毒力返祖问题

②免疫应答全面

③单次接种可诱导长期或终身免疫

④生产迅速简便，成本低

⑤易于保存运输

⑥有利于制成联合疫苗

⑦能够完善婴儿的机体应答，促进细胞内抗原的清除，防止母体抗体介导抑制

①刺激机体免疫反应的能力较弱的、

②目的基因表达水平往往不高

③在体内，抗原蛋白的表达能够持续多久还不清楚

④导入人体的外源DNA有整合错误的危险，易引起许多弊端

[随堂练习]·巩固

1.下列关于基因工程药物的说法，正确的是（　　）

A.基因工程药物的生产过程中，最主要的环节是工程菌大规模培养

B.构建工程菌时需要将人的全部基因导入受体细胞

C.工程菌大规模培养时可以在任意条件下进行

D.将目的基因导入受体细胞后，需要做目的基因的检测和鉴定，才能确保最后成功

解析　基因工程药物生产的关键环节是构建工程菌；导入的是目的基因，而不是生物的全部基因。

工程菌培养时需要适宜的温度、pH、O2含量。

答案　D

2.下列关于细胞工程药物的说法，不正确的是（　　）

A.利用植物细胞培养技术可生产植物药物

B.解决了传统动植物药物的采集、猎取对生态环境和物种资源的破坏

C.动物细胞比大肠杆菌更适合产生人及高等动物的基因表达产物

D.动物细胞工程目前只用于药物生产

解析　动物细胞工程能应用于许多方面。

答案　D

3.（多选）下列属于新型疫苗的是（　　）

A.灭活疫苗B.亚单位疫苗

C.抗独特型抗体疫苗D.DNA疫苗

解析　灭活疫苗、亚单位疫苗为传统疫苗，抗独特型抗体疫苗为基因工程疫苗，DNA疫苗为核酸疫苗。

答案　CD

4.工程菌是指（　　）

A.用物理或化学方法诱发菌类自身某些基因得到高效表达的菌类细胞株系

B.用遗传工程的方法，使同种不同株系的菌类杂交，得到的新细胞株系

C.用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系

D.从自然界中选取的能迅速增殖的菌类

解析　工程菌是指用基因工程的方法使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系。

A项是诱变育种的例子；B项是杂交育种的例子；D项是最传统的育种方式：

选择育种。

答案　C

5.（多选）DNA疫苗与一般疫苗相比，不同的是（　　）

A.接种的是DNA

B.需要借助限制性内切酶和DNA连接酶

C.安全性非常高

D.在宿主细胞中转录、翻译出抗原发挥免疫作用

解析　DNA疫苗是将编码抗原蛋白的基因与运载体结合，通过基因工程的方法导入受体细胞，并且在受体细胞内表达出抗原蛋白，诱导机体产生免疫应答，从而达到预防和治疗疾病的目的。

在基因工程操作中把抗原蛋白基因与运载体结合需要借助限制性内切酶和DNA连接酶。

答案　ABCD

[课时作业]·达标

一、选择题

1.下列不属于生物技术药物的是（　　）

A.基因工程药物B.细胞工程药物

C.中草药D.酶工程药物

解析　A、B、D三项都是利用生物技术获得的药物。

中草药来自植物体本身。

答案　C

2.基因工程药物生产中最关键的环节是（　　）

A.构建工程菌B.构建基因表达载体

C.获取目的基因D.工程菌的大规模培养

答案　A

3.利用基因工程生产药物利用的原理是（　　）

A.基因突变B.染色体变异

C.细胞的全能性D.基因重组

答案　D

4.抗癌药物紫杉醇的生产利用的技术是（　　）

A.基因工程技术B.细胞工程技术

C.酶工程技术D.发酵工程技术

答案　B

5.下列关于疫苗的叙述，正确的是（　　）

A.所有的疫苗都是安全的

B.一次使用疫苗可以预防一生

C.疫苗能迅速激发机体免疫反应

D.疫苗既可预防疾病，也可治疗疾病

解析　疫苗是一种特殊的药物，它不是用于治疗疾病，而是用于预防疾病的。

疫苗能够同时启动机体的体液免疫和细胞免疫，产生抵抗抗原的免疫物质和免疫细胞。

但是不能保证所有的疫苗都是安全的，有的疫苗能使机体终生产生免疫力，不需要再次接种疫苗，有的疫苗几个月后免疫力丧失，还需再次接种。

答案　C

6.关于单克隆抗体，下列叙述中不正确的是（　　）

A.可以制成诊断盒，用于疾病的诊断

B.可以在生物体内生产，不能在体外生产

C.可以利用基因工程技术生产

D.可以与药物结合，用于病变细胞的定向治疗

解析　目前，制备单克隆抗体的方法是将经过免疫的B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合，形成杂交瘤细胞，在体内或体外进行培养，最后经提取获得单克隆抗体。

由于单克隆抗体具有较强的特异性，所以可以制成单抗诊断盒，用于疾病诊断，也可以与药物结合，用于病变细胞的定向治疗，还可以利用基因工程技术生产。

答案　B

7.灭活疫苗是指（　　）

A.病原微生物经培养、杀灭后只保留免疫原性而制成的疫苗

B.用毒力减弱或基本无毒的病原微生物制成的疫苗

C.利用DNA重组技术生产的疫苗

D.经处理只保留病原微生物中具有有效免疫原性的生物活性物质制成的疫苗

答案　A

8.植物组织培养技术可以培养或生产（　　）

A.无病毒植株B.人工种子

C.人参皂苷粉D.A、B、C均是

解析　无病毒植株、人工种子属于植物繁殖的新途径，人参皂苷粉属于细胞产物，这些都是植物组织培养的应用。

答案　D

9.动物细胞培养技术的用途有（　　）

①生产有价值的生物制品，如病毒疫苗、干扰素等　②培养基因工程技术中所用的受体细胞　③可以用于检测有毒物质　④培养的各种细胞可用于生理、病理、药理等方面的研究

A.①②B.①②③

C.③④D.①②③④

答案　D

10.（2013·江苏高考）（多选）小鼠杂交瘤细胞表达的单克隆抗体用于人体试验时易引起过敏反应，为了克服这个缺陷，可选择性扩增抗体的可变区基因（目的基因）后再重组表达。

下列相关叙述正确的是（　　）

A.设计扩增目的基因的引物时不必考虑表达载体的序列

B.用PCR方法扩增目的基因时不必知道基因的全部序列

C.PCR体系中一定要添加从受体细胞中提取的DNA聚合酶

D.一定要根据目的基因编码产物的特性选择合适的受体细胞

解析　设计引物时应当与表达载体两端的序列进行互补配对，A错误；PCR扩增目的基因只需要知道基因两端的序列设计合适的引物即可，而不必知道其全部序列，B正确；PCR中应用耐高温的DNA聚合酶，C错误；根据目的基因的编码产物选择合适的受体细胞，以有利于基因的表达，D正确。

答案　BD

11.与被动免疫相比，下列关于主动免疫的叙述，正确的是（　　）

A.免疫作用在受体（接受者）内维持时间较长

B.受体接受的是抗体或致敏淋巴细胞

C.可使受体迅速产生抗原抗体反应

D.主要用于治疗或紧急预防感染

解析　被动免疫是机体被动接受抗体、致敏淋巴细胞或其产物所获得的特异性免疫能力，它与主动免疫相比，其特点是效应快，但维持时间短；被动免疫主要用于治疗或紧急预防感染。

主动免疫是利用抗原刺激，使机体产生抗体的方法，而非直接从体外引入抗体。

主动免疫中受体接受两次或更多次数的抗原接种，产生效应细胞和记忆细胞，主要用于对相关疾病的长期预防，故主动免疫的免疫作用在受体（接受者）内维持时间较长。

答案　A

二、非选择题

12.下图是将人的生长激素基因导入细菌制造“工程菌”示意图，所用载体为质粒A。

已知细菌B细胞内不含质粒A，也不含质粒A上的基因，质粒A导入细菌B后，其上的基因能得到表达。

请回答下列问题。

（1）目前把重组质粒导入细菌细胞时，效率还不高，根据导入情况及质粒类型，预测导入完成后得到的细菌类型可能有哪些种类？

__________________________________________________

__________________________________________________。

（2）可通过如下步骤鉴别得到的细菌是否导入了质粒A或重组质粒：

将得到的细菌涂在一个含有氨苄青霉素的培养基上，能够生长的就是导入了质粒A或重组质粒，反之则不是。

使用这种方法鉴别的原理是什么？

__________________________________________________

__________________________________________________。

（3）若把通过鉴定证明导入了普通质粒A或重组质粒的细菌放在含有四环素的培养基上培养，会发生的现象是________。

原因是__________________________

__________________________________________________。

（4）导入细菌B细胞中的目的基因成功表达的标志是什么？

__________________________________________________

__________________________________________________。

解析　解答本题的突破口，应从正确识图开始。

目的基因插入质粒A后，抗氨苄青霉素基因没有被破坏，能正常表达，但抗四环素基因被破坏，所以不能正常表达。

答案　

（1）有的没有导入质粒，有的导入的是普通质粒A，有的（少数）导入的是重组质粒

（2）普通质粒A和重组质粒都含有抗氨苄青霉素基因

（3）有的能生长，有的不能生长　导入普通质粒A的细菌能生长，因为普通质粒A上有抗四环素基因，导入重组质粒的细菌不能生长，因为目的基因插在抗四环素基因中，抗四环素基因的结构被破坏

（4）受体细胞通过转录、翻译合成相应的蛋白质，即人的生长激素

13.干扰素是治疗癌症的重要药物，它必须从血中提取，每300L人血只能提取

1mg，所以价格昂贵。

现在美国加利福尼亚的基因公司用如下图的方式生产干扰素，试分析其原理和优点。

（1）从人的淋巴细胞中取出________，使它同细菌质粒相结合，然后移植到酵母菌的细胞里，让酵母菌________。

（2）酵母菌能________繁殖，速度很快，能大量生产________，不但提高了产量，也降低了成本。

（3）酵母菌能产生干扰素，这个事实说明，人和酵母菌共用一套________。

答案　

（1）干扰素基因　表达干扰素基因　

（2）出芽　干扰素　（3）密码子

14.利用基因工程生产蛋白质药物，经历了三个发展阶段。

第一阶段，将人的基因转入细菌细胞；第二阶段，将人的基因转入小鼠等动物的细胞。

前两个阶段都是进行细胞培养，提取药物。

第三阶段，将人的基因转入活的动物体，饲养这些动物，从乳汁或尿液中提取药物。

（1）将人的基因转入异种生物的细胞或个体内，能够产生药物蛋白的原理是基因能控制________。

（2）人的基因能和异种生物的基因拼接在一起，是因为它们的分子都具有________结构，都是由四种____________________构成，基因中碱基配对的规律都是

_______________________________________________。

（3）人的基因在异种生物细胞中表达成蛋白质时，需要经过________和翻译两个步骤。

在翻译中需要的模板是________，原料是氨基酸，直接能源是ATP，搬运工兼装配工是________，将氨基酸的肽键连接成蛋白质的场所是_______________。

“翻译”可理解为将由________个“字母”组成的核酸“语言”翻译成由________个“字母”组成的蛋白质“语言”，从整体来看________在翻译中充任着“译员”。

（4）利用转基因牛、羊乳汁提取药物工艺简单，甚至可直接饮用治病。

如果将药物蛋白基因移到动物如牛、羊的膀胱上皮细胞中，利用转基因牛、羊尿液生产提取药物比从乳汁中提取药物的更大优越性在于：

处于不同发育时期的________动物都可生产药物。

答案　

（1）蛋白质合成　

（2）双螺旋　脱氧核苷酸　A—T、T—A、G—C、C—G　

（3）转录　mRNA　tRNA　核糖体　4　20　tRNA　（4）转基因雌雄

15.在发生禽流感疫情时，有些国家还出现了人感染的病例。

目前，科学家们已陆续从病死的家禽和候鸟体内分离到H5N1亚型禽流感病毒（一种RNA病毒）。

下图是制备预防和治疗禽流感单克隆抗体的过程，分析回答下列问题。

（1）若A细胞是小鼠骨髓瘤细胞，则B细胞是取自____________________体内的B淋巴细胞，促进d过程的常用诱导剂是________。

（2）假设仅考虑某两个细胞的融合，则可形成________种类型的C细胞，因此需用________培养基筛选出具有_____________________________________________

特点的D细胞用于培养。

D细胞的名称是________。

（3）在动物细胞培养的培养基中除需要加入糖、氨基酸、生长因子、无机盐和微量元素外，通常还需要加入________等一些天然成分。

答案　

（1）感染禽流感病毒的动物或人　聚乙二醇或灭活的病毒　

（2）3　选择　既能无限增殖又能产生特异性抗体　杂交瘤细胞　（3）血清

16.人类在预防与诊疗传染性疾病过程中，经常使用疫苗和抗体。

已知某传染性疾病的病原体为RNA病毒，该病毒表面的A蛋白为主要抗原，且疫苗生产和抗体制备的流程之一如下图：

请回答：

（1）过程①代表的是________。

（2）过程②构建A基因表达载体时，必须使用________和________两种工具酶。

（3）过程③采用的实验技术是________，获得的X是________。

（4）对健康人进行该传染病免疫预防时，可选用图中基因工程生产的________所制备的疫苗。

对该传染病疑似患者确诊时，可以疑似患者体内分离病毒与已知病毒进行________比较；或用图中的________进行特异性结合检测。

解析　

（1）中心法则中，对于少数的以RNA为遗传物质的病毒，其遗传信息的传递过程需要补充的过程有RNA的逆转录和RNA的复制的过程，图中过程①代表的是逆转录的过程。

（2）基因工程的步骤是：

目的基因的提取―→构建基因表达载体―→导入受体细胞―→目的基因的检测和表达，其中构建基因表达载体中需要限制酶来切割以获取目的基因，同时需要相同的限制酶切割运载体以获取与目的基因相同的黏性末端，再通过DNA连接酶连接目的基因和运载体。

（3）过程③是将骨髓瘤细胞与B淋巴细胞融合的过程，获得的叫杂交瘤细胞，其具备了骨髓瘤细胞的无限增殖的特性和B淋巴细胞的产生抗体的特性，从而制备单克隆抗体。

（4）本题中提示该RNA病毒表面的A蛋白为主要的抗原，故而可选用通过基因工程生产的A蛋白制备疫苗；确诊时为判断该病毒是否为题目中的RNA病毒，可以进行核酸序列的比对，也可以利用单克隆抗体具备特异性，利用抗A蛋白的特异性单克隆抗体通过能否特异性结合判断病毒表面是否有A蛋白的存在，进一步检测是否为目的RNA病毒。

答案　

（1）逆转录　

（2）限制性核酸内切酶（限制酶、限制性内切酶）　DNA连接酶（两空可以互换）　（3）细胞融合　杂交瘤细胞　（4）A蛋白　核酸（基因）序列　抗A蛋白的单克隆抗体