高考生物一轮复习现代生物科技专题第1讲基因工程学案苏教版.docx

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高考生物一轮复习现代生物科技专题第1讲基因工程学案苏教版

第1讲　基因工程

考纲要求

全国卷五年考情

1.基因工程的诞生（Ⅰ）

无考题

2.基因工程的原理及技术（含PCR技术）（Ⅱ）

2017·卷ⅠT38，2017·卷ⅡT38，2017·卷ⅢT38，2016·卷ⅠT40，2016·卷ⅢT40，2015·卷ⅠT40

3.基因工程的应用（Ⅱ）

2014·卷ⅡT40，2013·卷ⅠT40

4.蛋白质工程（Ⅰ）

2015·卷ⅠT40，2015·卷ⅡT40，2013·卷ⅠT40

考点一|基因工程的基本工具

（对应学生用书第241页）

[识记—基础梳理]

1．基因工程的概念及优点

（1）概念：

是指在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞，并使重组基因在受体细胞中表达，产生人类需要的基因产物的技术。

（2）遗传原理：

基因重组。

（3）优点：

①与杂交育种相比：

克服了远缘杂交不亲和的障碍。

②与诱变育种相比：

能定向改造生物的遗传性状。

2．基因工程的基本工具

（1）限制性核酸内切酶

①来源：

主要从原核生物中分离纯化而来。

②作用：

识别特定的核苷酸序列并切开相应两个核苷酸之间的磷酸二酯键。

③结果：

产生黏性末端或平末端。

（2）DNA连接酶

常用类型

EcoliDNA连接酶

T4DNA连接酶

来源

大肠杆菌

T4噬菌体

功能

连接黏性末端

连接黏性末端和平末端

结果

恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键

（3）载体

②其他载体：

λ噬菌体衍生物、动植物病毒等。

[理解—深化探究]

1．限制酶

（1）识别序列的特点：

呈现碱基互补对称，无论是奇数个碱基还是偶数个碱基，都可以找到一条中心轴线，如

，以中心线为轴，两侧碱基互补对称；

以

为轴，两侧碱基互补对称。

（2）切割后末端的种类

2．限制酶和DNA连接酶的关系

（1）限制酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。

（2）限制酶不切割自身DNA的原因是原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。

（3）DNA连接酶起作用时，不需要模板。

3．载体

（1）条件与目的

条件

目的

稳定并能复制

目的基因稳定存在且数量可扩大

有一个至多个限制酶切割位点

可携带多个或多种外源基因

具有特殊的标记基因

便于重组DNA的鉴定和选择

（2）作用

①作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞内。

②利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。

[运用—考向对练]

1．下表是几种限制酶识别序列及其切割位点，图1、图2中标注了相关限制酶的酶切位点，其中切割位点相同的酶不重复标注。

请回答下列问题：

限制酶

BamHⅠ

BclⅠ

Sau3AⅠ

HindⅢ

识别序列及切割位点

↓

GGATCC

CCTAGG

↑

↓TGATCA

ACTAGT

↑

↓

GATC

CTAG

↑

↓

AAGCTT

TTCGAA

↑

图1　　　　　　　　　图2

（1）用图中质粒和目的基因构建重组质粒，应选用________两种限制酶切割，酶切后的载体和目的基因片段，通过________酶作用后获得重组质粒。

为了扩增重组质粒，需将其转入处于________态的大肠杆菌。

（2）为了筛选出转入了重组质粒的大肠杆菌，应在筛选平板培养基中添加________，平板上长出的菌落，常用PCR鉴定，所用的引物组成为图2中________。

（3）若BamHⅠ酶切的DNA末端与BclⅠ酶切的DNA末端连接，连接部位的6个碱基对序列为________，对于该部位，这两种酶________（填“都能”、“都不能”或“只有一种能”）切开。

（4）若用Sau3AⅠ切图1质粒最多可能获得________种大小不同的DNA片段。

[解析]　

（1）选择的限制酶应在目的基因两端且在质粒中存在识别位点，故可以用来切割的限制酶为BclⅠ、HindⅢ、BamHⅠ和Sau3AⅠ，但由于BamHⅠ和Sau3AⅠ可能使质粒中的启动子丢失或破坏抗性基因，所以应选用BclⅠ、HindⅢ两种限制酶切割。

酶切后的载体和目的基因片段，通过DNA连接酶作用后获得重组质粒。

为了扩增重组质粒，需将其转入感受态的大肠杆菌中，使其增殖。

（2）根据质粒上抗性基因，为了筛选出转入了重组质粒的大肠杆菌，应在筛选平板培养基中添加四环素。

平板上长出的菌落，常用PCR鉴定，目的基因DNA受热变性后解链为单链，引物需要与单链两端相应互补序列结合，故所用引物组成是图2中的引物甲和引物丙。

（3）若BamHⅠ酶切的DNA末端和BclⅠ酶切的DNA末端连接，连接部位的6个碱基对序列为

，由于两种酶均不能识别该部位的碱基对序列，所用两种酶都不能切开该部位。

（4）根据BclⅠ、BamHⅠ和Sau3AⅠ的酶切位点，Sau3AⅠ在质粒上有三个酶切位点，完全酶切可得到记为A、B、C三种片段，若部分位点被切开，可得到AB、AC、BC、ABC四种片段，所以用Sau3AⅠ切质粒最多可能获得7种大小不同的DNA片段。

[答案]　

（1）BclⅠ和HindⅢ　DNA连接　感受

（2）四环素　引物甲和引物丙

（3）

　都不能　（4）7

2．（2018·德州模拟）下面为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，据图回答下列问题：

（1）a代表的物质和质粒的化学本质都是____________________，二者还具有其他共同点，如①____________，②____________（写出两条即可）。

（2）若质粒DNA分子的切割末端为

，则与之连接的目的基因切割末端应为________；可使用________把质粒和目的基因连接在一起。

（3）氨苄青霉素抗性基因在质粒DNA上称为________________，其作用是______________________________________________________________。

（4）下列常在基因工程中用作载体的是（　　）

A．苏云金芽孢杆菌抗虫基因

B．土壤农杆菌环状RNA分子

C．大肠杆菌的质粒

D．动物细胞的染色体

[解析]　

（1）a代表的物质是拟核DNA分子，质粒是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核之外的小型环状DNA分子，两者都能自我复制，并蕴含遗传信息。

（2）质粒DNA分子的切割末端能够与目的基因切割末端发生碱基互补配对，可使用DNA连接酶将它们连接在一起。

（3）质粒DNA分子上的氨苄青霉素抗性基因可以作为标记基因，便于对重组DNA进行鉴定和筛选。

（4）作为载体必须具备的条件：

①在宿主细胞中能保存下来并能大量复制；②有多个限制性核酸内切酶切点；③有一定的标记基因，便于筛选。

常用的载体有质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。

苏云金芽孢杆菌抗虫基因一般作为目的基因；土壤农杆菌环状RNA分子不容易在宿主细胞内保存；动物细胞染色体的主要成分是DNA和蛋白质，不能被限制性核酸内切酶切割，因此不能用作载体。

[答案]　

（1）DNA　能够自我复制　具有遗传特性

（2）

　DNA连接酶　（3）标记基因　供重组DNA的鉴定和选择　（4）C

[技法总结]确定选择限制酶种类的方法

1．根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类

（1）应选择切点位于目的基因两端的限制酶，如图甲可选择PstⅠ。

（2）不能选择切点位于目的基因内部的限制酶，如图甲不能选择SmaⅠ。

（3）为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接，也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒，如图甲也可选择用PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶（但要确保质粒上也有这两种酶的切点）。

2．根据质粒的特点确定限制酶的种类

（1）所选限制酶要与切割目的基因的限制酶相一致，以确保具有相同的黏性末端。

（2）质粒作为载体必须具备标记基因等，所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因；如果所选酶的切点不止一个，则切割重组后可能丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则切割重组后的片段进入受体细胞后不能自主复制。

考点二|基因工程的操作程序及应用

（对应学生用书第243页）

[识记—基础梳理]

1．基因工程的基本操作程序

（1）目的基因的获取方法

①从基因文库中获取。

②利用PCR技术扩增。

③通过化学方法人工合成。

（2）基因表达载体的构建

①目的

a．使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代。

b．使目的基因能够表达和发挥作用。

②组成及作用（连线）

Ⅰ.目的基因　　　　

Ⅱ.启动子b．转录的终点

Ⅲ.终止子c．鉴别受体细胞中是否含有目的基因

Ⅳ.标记基因d．能够控制特定性状

[答案]　Ⅰ—d　Ⅱ—a　Ⅲ—b　Ⅳ—c

（3）将目的基因导入受体细胞（连线）

[答案]　①—b　②—a、c、e　③—d

（4）目的基因的检测与鉴定

方法

检测或鉴定目的

水平

DNA分子杂交技术

检测目的基因的有无

分子水平

分子杂交技术

目的基因是否转录

抗原－抗体杂交

目的基因是否翻译

抗虫或抗病接种实验

是否具有抗虫抗病特性

个体水平

2.乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较

（1）含义

①乳腺生物反应器是指使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。

②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。

（2）两者区别

比较项目

乳腺生物反应器

工程菌

基因结构

动物基因的结构与人类基因的结构基本相同

细菌和酵母菌等生物基因的结构与人类基因的结构有较大差异

基因表达

合成的药物蛋白与天然蛋白质相同

细菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器，产生的药物蛋白可能没有活性

受体细胞

动物的受精卵

微生物细胞

导入目的基因的方式

显微注射法

感受态细胞法

生产条件

不需严格灭菌，温度等外界条件对其影响不大

需严格灭菌，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

从微生物细胞中提取

[理解—深化探究]

1．目的基因的获取途径

（1）从基因文库中获取：

包括基因组文库和cDNA文库等。

（2）人工合成目的基因的常用方法

①化学合成法：

已知核苷酸序列的较小基因，直接利用DNA合成仪用化学方法合成，不需要模板。

②反转录法：

以RNA为模板，在逆转录酶作用下人工合成。

（3）通过PCR技术扩增目的基因

利用DNA复制的原理在体外特异性的复制某DNA片段以获得大量的目的基因。

2．基因表达载体的构建方法

3．将目的基因导入受体细胞

生物种类

植物细胞

动物细胞

微生物细胞

常用方法

农杆菌转化法

显微注射法

感受态细胞法

受体细胞

体细胞

受精卵

原核细胞

转化过程

将目的基因插入到Ti质粒的TDNA上→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的DNA上→表达

将含有目的基因的表达载体提纯→取卵（受精卵）→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物

Ca2＋处理细胞→感受态细胞→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子

4.目的基因的检测与鉴定

[运用—考向对练]

1．（2018·湖北武汉2月调研）如图是获得转基因抗虫棉的技术流程示意图。

请回答：

（1）A→B利用的技术称为________，其中②过程需要热稳定的________酶才能完成。

（2）图中将目的基因导入棉花细胞需要经过C过程，该过程为构建______________，其目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在且可以遗传给下一代，并能表达。

（3）上述流程示意图中，将目的基因导入棉花细胞所采用的方法是______________法，该方法一般________（填“适宜”或“不适宜”）用于将目的基因导入单子叶植物。

（4）从F→G的过程利用的主要技术为____________，欲确定抗虫基因在G体内是否表达，在个体水平上需要做________实验。

如果抗虫基因导入成功，且与某条染色体的DNA整合起来，该转基因抗虫棉可视为杂合子，将该转基因抗虫棉自交一代，预计后代中抗虫植株占________。

[解析]　

（1）A→B是PCR技术中的操作，②过程是PCR技术中的延伸过程，需要耐热的DNA聚合酶参与。

（2）过程C是构建基因表达载体。

（3）图中显示，将目的基因导入棉花细胞的方法是农杆菌转化法，该方法不适于将目的基因导入单子叶植物，这是因为农杆菌对大多数单子叶植物没有感染力。

（4）F→G过程是将棉花体细胞培育形成新的个体，需要采用植物组织培养技术；检测抗虫基因在转基因植株体内是否表达，在个体水平上需要做抗虫接种实验；假设抗虫基因为A，则该杂合子基因型可以表示为A0，A0自交，后代中抗虫植株A_和非抗虫植株00分别占3/4、1/4。

[答案]　

（1）PCR　TaqDNA聚合　

（2）基因表达载体

（3）农杆菌转化　不适宜　（4）植物组织培养　抗虫接种　3/4

2．（2014·全国卷Ⅱ）植物甲具有极强的耐旱性，其耐旱性与某个基因有关。

若从该植物中获得该耐旱基因，并将其转移到耐旱性低的植物乙中，有可能提高后者的耐旱性。

回答下列问题：

（1）理论上，基因组文库含有生物的________基因；而cDNA文库中含有生物的________基因。

（2）若要从植物甲中获得耐旱基因，可首先建立该植物的基因组文库，再从中________出所需的耐旱基因。

（3）将耐旱基因导入农杆菌，并通过农杆菌转化法将其导入植物________的体细胞中，经过一系列的过程得到再生植株。

要确认该耐旱基因是否在再生植株中正确表达，应检测此再生植株中该基因的________，如果检测结果呈阳性，再在田间试验中检测植株的________是否得到提高。

（4）假如用得到的二倍体转基因耐旱植株自交，子代中耐旱与不耐旱植株的数量比为3∶1时，则可推测该耐旱基因整合到了__________________（填“同源染色体的一条上”或“同源染色体的两条上”）。

[解析]　

（1）基因组文库含有生物的全部基因，而cDNA文库中含有生物的部分基因。

（2）植物甲具有极强的耐旱性，其耐旱性与某个基因有关，若要从植物甲中获得耐旱基因，可首先建立该植物的基因组文库，包含该生物的所有基因，然后再从中筛选出所需的耐旱基因。

（3）若从植物甲中获得该耐旱基因，并将其转移到耐旱性低的植物乙中，通常采用的方法是农杆菌转化法。

将耐旱基因导入植物乙的体细胞后，经过植物组织培养得到再生植株。

要确认该耐旱基因是否在再生植株中正确表达，应检测该耐旱基因是否合成了相应的蛋白质，即检测此再生植株中该基因的表达产物，如果检测结果呈阳性，说明已经合成了相应的蛋白质，这时再进行个体生物学检测，即在田间试验中检测植株的耐旱性是否得到提高。

（4）假如用得到的二倍体转基因耐旱植株自交，子代中耐旱和不耐旱植株的数量比为3∶1，符合基因的分离定律，说明得到的二倍体转基因耐旱植株为杂合子，因此可推测该耐旱基因只整合到了同源染色体的一条上。

[答案]　

（1）全部　部分　

（2）筛选　（3）乙　表达产物　耐旱性　（4）同源染色体的一条上

[规律总结]基因工程的相关知识小结

1．目的基因的插入位点不是随意的，基因表达需要启动子与终止子的调控，目的基因应插入启动子与终止子之间的部位。

2．基因工程操作过程中只有第三步（将目的基因导入受体细胞）没有碱基互补配对现象。

3．农杆菌转化法原理：

农杆菌易感染双子叶植物和裸子植物，并将其Ti质粒上的T—DNA转移并整合到受体细胞染色体DNA上。

考点三|蛋白质工程及其与基因工程的关系

（对应学生用书第244页）

[识记—基础梳理]

1．蛋白质工程

（1）缘由：

基因工程原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。

（2）基础：

蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。

（3）手段：

基因修饰或基因合成。

（4）目的：

合成满足人类生产和生活需求的蛋白质。

（5）流程图

写出流程图中字母代表的含义：

A．转录，B.翻译，C.分子设计，D.多肽链，E.预期功能。

（6）结果：

改造了现有蛋白质或制造出新的蛋白质。

（7）应用：

主要集中应用于对现有蛋白质进行改造，改良生物性状。

[理解—深化探究]

蛋白质工程与基因工程的比较

1．区别

项目

蛋白质工程

基因工程

过程

预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列

获取目的基因→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

实质

定向改造或生产人类所需的蛋白质

定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型和生物产品

结果

可生产自然界没有的蛋白质

只能生产自然界已有的蛋白质

2.联系

（1）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。

（2）基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造。

[运用—考向对练]

1．（2018·黑龙江大庆一中期末）镰刀型细胞贫血症是一种单基因遗传病，患者的血红蛋白分子β肽链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸代替，导致功能异常。

回答下列问题：

（1）异常血红蛋白的氨基酸序列改变的根本原因是编码血红蛋白基因的________序列发生改变。

（2）将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中，可以合成正常的血红蛋白达到治疗的目的。

此操作________（填“属于”或“不属于”）蛋白质工程，理由是该操作___________________________________________________

______________________________________________________________。

（3）用基因工程方法制备血红蛋白时，可先提取早期红细胞中的________，以其作为模板，在________酶的作用下反转录合成cDNA。

cDNA与载体需在限制酶和________酶的作用下，构建基因表达载体，导入受体菌后进行表达。

（4）检测受体菌是否已合成血红蛋白，可从受体菌中提取________，用相应的抗体进行________杂交，若出现杂交带，则表明该受体菌已合成血红蛋白。

[解析]　

（1）编码血红蛋白的基因中因碱基对的替换导致编码的氨基酸种类改变。

（2）蛋白质工程通过基因修饰或基因合成，实现对现有蛋白质的改造或制造新蛋白质。

（3）因血红蛋白基因只在早期红细胞中表达，所以可从其中提取mRNA，以mRNA为模板，在逆转录酶的作用下，反转录合成cDNA。

构建基因表达载体需要限制酶和DNA连接酶。

（4）目的基因是否表达可以通过从受体菌中提取蛋白质，进行抗原—抗体杂交实验加以判断。

[答案]　

（1）碱基对（或脱氧核苷酸）

（2）不属于　没有对现有的蛋白质进行改造（或没有对基因进行修饰）

（3）mRNA（或RNA）　逆转录　DNA连接

（4）蛋白质　抗原—抗体

2．胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下，并要经过较长的时间才能进入血液中，而进入血液的胰岛素又容易被分解，因此，治疗效果受到影响。

如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题：

（1）构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是__________________。

（2）人工合成的DNA与________结合后，被转移到________中才能得到准确表达。

（3）若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有____________、________和发酵工程。

（4）图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是

______________________________________________________________

______________________________________________________________。

（5）下列关于蛋白质工程的说法错误的是（　　）

A．蛋白质工程能定向改造蛋白质的结构，使之更加符合人类的需要

B．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变其结构

C．蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子

D．蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程

[解析]　

（1）蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计，因此，图中构建新的胰岛素模型的依据是预期胰岛素（即速效胰岛素）的功能。

（2）人工合成的目的基因与载体结合后，被导入受体细胞中才能得以表达。

（3）利用蛋白质工程生产自然界原本不存在的蛋白质，需对原有的胰岛素进行改造，根据新的胰岛素中氨基酸的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，人工合成新的胰岛素基因，形成目的基因，改造好的目的基因需通过基因工程来生产基因产物，并且在生产过程中要借助工程菌，所以还需要进行发酵，因此该过程涉及蛋白质工程、基因工程和发酵工程。

（4）由新的蛋白质模型到构建新的基因，其基本设计思路是根据新的蛋白质中的氨基酸序列，推测出基因中的脱氧核苷酸序列，然后用DNA合成仪直接合成出新的基因。

（5）由于基因决定蛋白质，因此，要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造基因来完成，而不是直接对蛋白质分子进行操作。

[答案]　

（1）蛋白质的预期功能　

（2）载体　大肠杆菌等受体细胞　（3）蛋白质工程　基因工程　（4）根据新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出其脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因　（5）B

[技法总结]蛋白质工程中通过对基因操作来实现对天然蛋白质改造的原因

1．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

2．对基因进行改造比对蛋白质进行直接改造要容易操作，难度要小得多。

真题验收|感悟高考　淬炼考能

（对应学生用书第245页）

1．（2017·全国卷Ⅰ）真核生物基因中通常有内含子，而原核生物基因中没有，原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。

已知在人体中基因A（有内含子）可以表达出某种特定蛋白（简称蛋白A）。

回答下列问题：

（1）某同学从人的基因组文库中获得了基因A，以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A，其原因是____________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________。

（2）若用家蚕作为表达基因A的受体，在噬菌体和昆虫病毒两种载体中，不选用________作为载体，其原因是_____________________________________

______________________________________________________________。

（3）若要高效地获得蛋白A，可选用大肠杆菌作为受体。

因为与家蚕相比，大肠杆菌具有________（答出两点即可）等优点。

（4）若要检测基因A是否翻译出蛋白A，可用的检测物质是________（填“蛋白A的基因”或“蛋白A的抗体”）。

（5）艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献，也可以说是基因工程的先导，如果说他们