江苏省徐州市高考生物总复习选考专题一基因工程学案.docx
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江苏省徐州市高考生物总复习选考专题一基因工程学案
专题一基因工程
第1课时基因工程概述和基因工程工具
学习目标:
基因工程的原理及技术:
简述基因工程的原理;
说出DNA重组技术的基本工具及其作用、特点;
一、基因工程的诞生与发展
1.诞生
(1)理论支持:
①艾弗里证明了DNA是遗传物质。
②沃森与克里克阐明了DNA分子的双螺旋结构。
③尼伦贝格等破译了遗传密码。
(2)技术支持:
限制性核酸内切酶和
DNA连接酶、质粒等载体和逆转录酶的发现,直接促使了基因工程的诞生。
(3)实例:
1973年,美国科学家科恩等将不同来源的DNA分子进行体外重组,并首次实现了重组DNA分子在大肠杆菌中的表达,标志着定向改造生物的技术—基因工程的诞生。
2.发展1978年,人胰岛素在大肠杆菌中成功合成。
1980,转基因小鼠诞生。
二、基因工程的概念
按照人们的愿望,进行严格的设计,并通过体外DNA重组和转基因等技术,赋予生物以新的遗传特性,从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。
由于基因工程在DNA分子水平上进行设计和施工的,因此又叫做重组DNA技术或转基因技术。
是一种定向改造生物的技术,其原理为基因重组,会使生物产生定向的变异。
三、基因工程的工具
1.限制性核酸内切酶----“分子手术刀”
(1)简称:
限制酶。
(2)来源:
主要从原核生物中分离纯化出来。
在原核生物中可以切断外来的DNA,使异源DNA的失去活力,这样便保护了细胞原有的遗传信息。
限制酶不切割自身DNA的原因:
原核生物钟不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。
(3)特点:
识别双链D
NA分子的某种特定核苷酸序列,并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。
注意:
①限制酶是蛋白质类的酶,具有高效性、特异性、易变性(反应条件温和性)等酶的特性。
②限制酶的作用对象是DNA,不是RNA。
③限制酶识别的核苷酸序列越短,目标DNA被切割的概率越大。
④限制酶识别的核苷酸序列是个回文序列(回文结构序列是一种旋转对称结构,在轴两侧序列相同而反向。
其特点是在该段碱基序列互补链之间正读反读都相同)。
(4)结果:
产生黏性末端或平末端
2.DNA连接酶----“分子缝合针”
恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。
DNA连接酶连接的是两个DNA片段。
小结:
几种酶的比
较辨析
比较项目
限制酶
DNA连接酶
DNA聚合酶
解旋酶
作用底物
DNA分子
DNA分子片段
脱氧核苷酸
DNA分子
作用部位
磷酸二酯键
磷酸二酯键
磷酸二酯键
碱基对间的氢键
形成产物
黏性末端或平末端
形成重组DNA分子
新的DNA分子
形成单链DNA
3.载体——“分子运输车”
(1)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。
(2)必备条件:
①能
在宿主细胞内稳定保存并大量复制。
②有多钟限制酶的切点,以便与外源基因连接。
③具有特殊的标记基因,以便进行筛选。
如四环素抗性基因,氨苄青霉素抗性基因等。
(3)种类:
通常利用质粒作为载体,另外还有λ噬菌体的衍生物、某些动植物病毒等。
一般来说,载体需根据人们的目的和需要进行人工改造。
补充:
质粒的知识
一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外,能够自我复制的小型环状DNA分子(细菌拟核中的DNA是大型环状DNA)。
第2课时基因工程的基本操作程序
学习目标:
简述基因工程基本操作程序,以及各步骤的一般方法、原理;
模拟重组DNA分子的操作过程
基因工程的基本操作程序:
1.目的基因的获取
(1)目的基因:
编码蛋白质的结构基因。
补充:
基因的结构
①原核生物的基因(如右图所示)
原核生物基因的编码区是连续的;在非编码区的上游,有RNA聚合酶能识别开始转录的部位即启动子;在非编码区的下游有结束转录的部位即终止子。
注意:
启动子与起始密码,终止子与终止密码的区别。
启动子在基因(DNA)上,是启动转录,而起始密码是在mRNA上,是启动翻译。
终止子在基因(DNA)上,是终止转录,而终止密码是在mRNA上,是终止翻译。
②真核生物的基因(如右图所示)
相比原核生物,真核生物的编码区是不连续的,有外显子和内含子相间排列。
注意:
a.外显子:
是真核细胞的基因在表达过程中能编码蛋白质的核苷酸序列。
内含子:
是在转录后的加工中,从最初的转录产物中被除去的核苷酸序列(即不编码蛋白质的核苷酸序列)。
b.编码区的两侧靠近非编码区的部位始终是外显子。
(2)获取目的基因的方法
①从基因文库中获取
a.概念:
将含有某种生物不同基因的许多DNA片段,导入受
体菌的群体中储存,各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因。
b.分类:
基因组文库(包含有一种生物所有的基因)和部分基因文库(只包含了一种生物的一部分基因,如cDNA文库)
c.从基因文库中获取目
的基因方法:
根据基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA,以及基因的表达产物蛋白质等。
②用化学方法人工合成
a.反转录法。
以目的基因转录成的mRNA为模板,在逆转录酶作用下,反转录成互补的单链DNA(cDNA),然后在酶的作用下合成双链DNA,从而获取所需的基因。
优点:
该方法专一性强,目的基因不含内含子,可合成自然界不存在的新基因。
缺点:
操作复杂,形成的mRNA为单链,生存时间短,很不稳定,要求的技术条件也较高。
b.化学合成法。
利用DNA合成仪,合成已知序列的较短的核苷酸序列。
③利用PCR技术扩增目的基因
a.PCR全称:
聚合酶链式反应。
b.原理:
DNA双链复制
c.过程:
变性→退火(复性)→链延伸
第一步:
变性。
加热至90~95℃DNA解链。
第二步:
退火(复性)。
冷却到55~60℃,引物结合到互补DNA链。
第三步:
链延伸。
加热至70~75℃,热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成。
d.条件:
模板(目的基因)、原料(4种游离的脱氧核苷酸)、酶(TaqDNA聚合酶),引物。
注意:
α.TaqDNA聚合酶的特点是耐高温。
β.加入两种引物;这两种引物彼此间不能发生碱基互补配对,且自身也不能通过折叠发生碱基互补配对;加入的引物可以是一小段单链DNA或RNA,常用DNA;加入引物的数量为m(2+22+23+…+2n)其中m为起始DNA的个数,n为循环的次数)。
2.基因表达载体的构建----是基因工程的核心
(1)目的:
使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传至下一代,使目的基因能够表达和发挥作用。
(2)组成:
目的基因+启动子+终止子+标记基因(如抗生素基因)+复制原点
①启动子:
是一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的首端,是RNA聚合酶识别和结合的部位,能驱动基因转录出mRNA,最终获得所需的蛋白质。
②终止子:
也是一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的尾端。
③标记基因的作用:
为了鉴定和筛选出含目的基因的受体细胞。
常用的标记基因是抗生素基因。
(3)过程
注意:
①用同种限制酶分别切割载体和外源DNA的目的:
使二者切割后形成的黏性末端可以碱基互补配对,以便于连接。
②带有黏性末端切口的载体,与带有相同黏性末端的目的基因片段用DNA连接酶连接后,形成的DNA种类(只考虑两两连接):
3种,即目的基因--目的基因;载体--载体;基因表达载体。
③用相两种限制酶分别切割载体和外源DNA(如上图)的目的:
防止目的基因和载体的自身环化。
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(最常用)
显微注射技术
Ca2+处理法
受体细胞
体细胞或受精卵
受精卵
原核细胞
转化过程
将目的基因插入农杆菌Ti质粒的T—DNA上→农杆菌侵染植物细胞→整合到受体细胞的染色体DNA上→表达
将含有目的基因的基因表达载体提纯
→取受精卵→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物
Ca2+处理细胞→微生物细
胞壁的通透性增加→重组
质粒与感受态细胞混合→
感受态细胞吸收DNA分子
注意:
①目的基因能在植物细胞稳定存在依据:
目的基因整合到植物细胞染色体DNA上。
②对于植物,导入方法还有基因枪法(成本较高,单子叶植物常用)和花粉管通道法(我国独创的一种十分经济简便的方法)。
③原核生物具有独特的特点:
繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等。
4.目的基因的检测与鉴定
目
的基因导入受体细胞后,是否可以稳定维持和表达其遗传特性,只有通过检测与鉴定才能知道,这是检查基因工程是否做成功的一步。
(1)分子水平检测
①检测生物染色体的DNA上是否插入了目的基因:
DNA分子杂交技术。
即将转基因生物的基因组DNA提取出来,在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素等作标记,以此作探针,使探针与基因组DNA杂交,如果显示出杂交带,表明目的基因已插入染色体DNA中。
②检测目的基因是否转录出mRNA:
分子杂交技术。
从生物中提取mRNA,用标记的
目的基因作探针,与mRNA杂交,若显示出杂交带,则说明目的基因转录出了mRNA。
③检测目的基因是否翻译:
抗原—抗体杂交。
从转基因生物中提取蛋白质,用相应的抗体进行抗原——抗体杂交,若有杂交带出现,表明目的基因已形成蛋白质产品。
(2)个体水平检测
对转基因生物进行抗虫或抗病的接种实验,以确定是否具有抗性以及抗性的程度。
例如,对转基因抗虫棉进行个体检测方法:
让害虫吞食转基因棉花的叶片,观察害虫的存活情况,以确定其是否具有抗虫性状。
第3课时基因工程的应用
学习目标:
说出基因工程的应用:
举例说出基因工程在农业、医疗、环境保护等方面的广泛应用及其发展前景;
关注基因工程的发展,认同基因工程的应用促进了生产力的提高
1.植物基因工程的应用
植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力(如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等)以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。
(1)提高抗逆性
①常用抗虫基因:
用于抗虫(杀虫)的基因主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。
②常用抗病基因:
a.抗病毒基因有:
病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因;b.抗真菌基因有:
几丁质酶基因和抗毒素合成基因
③其他抗逆基因:
环境条件对农作物的生产会造成很大影响,并且这些影响是多方面的,因此,抗逆性基因也有多种多样,如:
抗盐碱和干旱的调节细胞渗透压基因、抗冻基因、抗除草剂基因等等。
(2)改良植物品质
由于人们的食品含有的营养不平衡,不能满足人们对食品的要求,这样,可以通过转基因技术,使植物能够合成某些本来不能合成的物质。
如科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中,或者改变这些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性,以提高氨基酸的含量。
(3)生产药物
基因工程不但促进了传统技术的变革,也为人类提供了传统产业难以得到的许多昂贵药品,并已形成基因工程制药业的雏形。
目前诸如人胰岛素、人生长激素、人脑激素、α-干扰素、乙肝疫苗、蛋白C、组织血纤维蛋白溶酶原激活剂等数十种基因工程药物已实现商品化。
此外,还有促红细胞生成素、白细胞介素-2、肾素、心钠素等一大批珍贵药品正处于试用或临床试验阶段。
2.动物基因工程的应用
(1)用于提高动物生长速度:
由于外援生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快,将这类基因导入动物体内,以提高动物的生长速率。
如:
转基因绵羊和转基因鲤鱼。
(2)用于改善畜产品的品质:
基因工程可用于改善畜产品的品质。
如:
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,科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组,这样所获得的牛奶其成分不受影响,但乳糖的含量大大减低。
(3)用转基因动物做器官移植的供体:
目前,人体移植器官短缺是一个世界性的难题,用其它动物的器官替代,又会出现免疫排斥现象,现在,科学家正试图利用基因工程方法对一些动物的器官进行改造,培育出没有免疫排
斥反应的转基因克隆器官。
3
.基因治疗
(1)概念:
基因治疗是把正常基因导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的,这是治疗遗传病的最有效的手段。
(2)方法
①体外基因治疗
先从病人体内获得某种相关细胞,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,这种方法叫做体外基因治疗。
②体内基
因治疗
直接向人体组织细胞中转移基因的治疗方法叫做体内基因治疗。
说明:
对于遗传病的治疗最根本的方法是进行基因替换或修复。
基因治疗的最佳时期理论上是受精卵时期,这样可以使个体的每个细胞都含有正常基因,但在现实生活中是不可能的,因为不可能人人在受精卵时期进行基因检查。
其次是对患者进行相关细胞的基因替换,如:
对于遗传性糖尿病患者,只对胰腺的B细胞进行基因替换,该个体就能正常分泌胰岛素,糖尿病得以治疗;但这种局部细胞的基因替换,并没有改变其它部位细胞的基因,如精原细胞,其后代很大可能还会患遗传性糖尿病。
第4课时蛋白质工程--第二代基因工程
学习目标:
蛋白质工程:
举例说出蛋白质工程崛起的缘由;
简述蛋白质工程的原理;收集和处理资料,尝试撰写专题综述报告
1.蛋白质工程的概念
通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构
与功能,并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因,以定向改造天然蛋白质,甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。
属于分子水平上的改造。
2.崛起的缘由
生物的长期进化过程中形成的天然蛋白质、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。
3.实施蛋白质工程的前提
是了解蛋白质的结构和功能的关系。
4.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。
由于蛋白质的空间结构极其复杂,人们无法直接改造蛋白质,一般先通过创造出适合人类需求的新基因,然后使其表达出具有特定结构和功能的蛋白质。
其中关键技术是基因工程,因此,蛋白质工程又被称为第二代基因工程。
5.分类
(1)大改:
设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质。
(2)中改:
在蛋白质中替代某一肽段或一个特定的结构域。
(3)小改:
改造蛋白质分子中某活性部位的一个或几个氨基酸残基。
其中基因的定点诱变技术是改变蛋白质结构的核心技术之一。
基因定点诱变技术的方法很多,其中PCR技术是常用方法。
6.操作过程
预期蛋白质的功能→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(基因)
注意:
由蛋白质的结构功能可推测出许多基因,原因是:
编码氨基酸的密码子的简并性。
7.实例
蛋白质工程是是项难度很大的工程,成功的例子不多,已成功的有:
①通过对胰岛素的改造,使其成为速效型药品。
②生产鼠-人嵌合抗体,既可杀伤癌细胞,又可减少人体的不良反应。
③通过改造纤维蛋白溶解酶原激活因子(t-PA),使t-PA在血液循环中的停留时间延长,从而更好的用于溶解血栓块,医治心肌梗死等疾病。
④通过将酶肽链中的天门冬酰胺和谷氨酰胺转变为苏氨酸和异亮氨酸,从而提高酶的热稳定性。
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