步步高生物二轮专题复习与增分策略专题八 第1讲基因工程和细胞工程.docx
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步步高生物二轮专题复习与增分策略专题八第1讲基因工程和细胞工程
第1讲 基因工程和细胞工程
考纲要求
5年考情
2009
2010
2011
2012
2013
1.基因工程的诞生(Ⅰ)
—
—
—
—
—
2.基因工程的原理及技术(Ⅱ)
福建,32
山东,35
天津,7
浙江,6
山东,35
浙江,6
课标全国,40
新课标全国Ⅰ,40
浙江,32
3.基因工程的应用(Ⅱ)
福建,32山东,35
天津,7
四川,5
山东,35
浙江,6
新课标全国,40
广东,3
北京,30
4.蛋白质工程(Ⅰ)
—
—
江苏,14
—
新课标全国Ⅰ,40
5.植物的组织培养(Ⅱ)
—
课标全国,38
江苏,14
江苏,22
广东,2
新课标全国Ⅱ,40
江苏,11
6.动物的细胞培养与体细胞克隆(Ⅰ)
福建,32山东,35
广东,24
浙江,4
上海,15
江苏,22
福建,32
山东,35
安徽,29
7.细胞融合与单克隆抗体(Ⅱ)
福建,32山东,35
—
—
江苏,22
上海,13
海南,31
重庆,2
安徽,29
填充关键点
思考连接处
(1)基因工程和细胞工程操作的工具酶有什么不同?
提示 前者涉及限制酶和DNA连接酶;后者涉及纤维素酶、果胶酶和胰蛋白酶。
(2)转基因植物的培育涉及到哪些生物工程?
提示 基因工程、植物组织培养(植物细胞工程)。
(3)转基因动物的培育涉及到哪些生物工程?
提示 基因工程、动物细胞工程、胚胎移植。
考点1 基因工程
1.比较限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶和解旋酶
种类
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
作用结果
形成黏性末端或平末端
形成重组DNA分子
形成新的DNA分子
形成单链DNA分子
2.基因工程的操作步骤
(1)目的基因的获取
(2)基因表达载体的构建
①组成:
目的基因+启动子+终止子+标记基因。
②构建过程
(3)将目的基因导入受体细胞
植物细胞
动物细胞
微生物细胞
常用方法
农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法
显微注射技术
感受态细胞法(用Ca2+处理)
受体细胞
受精卵、体细胞
受精卵
原核细胞
(4)目的基因的检测与鉴定
【思维辨析】
(1)生长激素基因在转录时需要解旋酶和DNA连接酶(2012·四川,2D)(×)
提示 不需要DNA连接酶。
(2)一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列(2007·全国Ⅱ,4A)(√)
提示 这是限制酶的特性决定的。
(3)用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸(2010·浙江,2A)(×)
提示 限制酶切割的是DNA,烟草花叶病毒的核酸是RNA。
(4)应用DNA探针技术可以检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在及其完全表达
(2011·四川,5D)(×)
提示 不能检测其完全表达。
(5)每个重组质粒至少含一个限制性核酸内切酶识别位点(2011·浙江,6B)(√)
提示 载体的特点之一是至少含一个限制性核酸内切酶识别位点。
(6)自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上,属于基因工程(2010·大纲全国Ⅱ,5D)(×)
提示 噬菌体DNA整合到细菌DNA上属于基因重组,不是人工操作,基因工程是人工操作。
(7)转抗虫基因的植物,不会导致昆虫群体抗性基因频率增加(2010·江苏,18B)(×)
提示 在转抗虫基因植物的选择作用下,抗性强的昆虫得以保留。
(8)动物的生长激素基因转入植物后不能表达(2010·江苏,18C)(×)
提示 基因工程打破了物种的界限。
【归纳提炼】
1.区分一个至多个限制酶切点与每种酶一个切点
(1)一个至多个限制酶切点:
作为载体必须具有一个至多个限制酶切点,以便与外源基因连接。
(2)每种酶一个切点:
每种酶的切点最好只有一个。
因为一种限制酶只能识别单一切点,若载体上有一个以上的酶切点,则切割重组后可能会丢失某些片段,若丢失的片段含复制起点区,则进入受体细胞后便不能自主复制。
一个载体若只有某种限制酶的一个切点,则酶切后既能把环打开接纳外源DNA片段,又不会丢失自己的片段。
2.基因工程与蛋白质工程的比较
项目
蛋白质工程
基因工程
区别
过程
预期的蛋白质功能→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→合成DNA→表达出蛋白质
获取目的基因→构建基因表达载体→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或生物产品
结果
生产自然界中没有的蛋白质
生产自然界中已有的蛋白质
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,因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质,必须通过基因修饰或基因合成实现
例1
(2013·新课标全国卷Ⅰ,40节选)阅读如下资料:
资料甲 科学家将牛生长激素基因导入小鼠受精卵中,得到了体型巨大的“超级小鼠”;科学家采用农杆菌转化法培育出转基因烟草。
资料乙 T4溶菌酶在温度较高时易失去活性,科学家对编码T4溶菌酶的基因进行改造,使其表达的T4溶菌酶的第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸,在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键,提高了T4溶菌酶的耐热性。
回答下列问题:
(1)资料甲属于基因工程的范畴。
将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用__________法。
构建基因表达载体常用的工具酶有______________________和____________。
在培育转基因植物时,常用农杆菌转化法,农杆菌的作用是____________________________。
(2)资料乙属于__________________工程范畴。
该工程是指以分子生物学相关理论为基础,通过基因修饰或基因合成,对____________进行改造,或制造一种____________的技术。
在该实例中,引起T4溶菌酶空间结构改变的原因是组成该酶肽链的____________序列发生了改变。
破题思路 读懂资料信息→联系相关知识→规范作答。
个性分析 动物细胞基因工程中,最常用的导入基因的方法是显微注射法;植物细胞基因工程中,最常用的导入基因的方法是农杆菌转化法。
其他详解见答案。
答案
(1)显微注射 限制性核酸内切酶 DNA连接酶 农杆菌可感染植物将目的基因转移到受体细胞中
(2)蛋白质工程 现有蛋白质 新的蛋白质 氨基酸
思维延伸
(1)资料甲为什么将基因表达载体导入小鼠的受精卵中?
答案 因为受精卵具有全能性。
(2)资料甲中转基因烟草的培育,除涉及到基因工程外,还涉及到的生物工程是什么?
答案 植物组织培养。
(3)请用蛋白质工程流程图的形式写出资料乙中T4耐热性溶菌酶的合成过程。
答案
例2
萤火虫发光是体内荧光素酶催化一系列反应所产生的现象。
如果荧光素酶存在于植物体内,也可使植物体发光。
一直以来荧光素酶的唯一来源是从萤火虫腹部提取,但加利福尼亚大学的一组科学家成功地通过基因工程实现了将荧光素酶基因导入大肠杆菌体内,并在大肠杆菌体内产生了荧光素酶。
请回答下列有关问题:
(1)荧光素酶基因是此基因工程中的____________。
(2)将目的基因导入大肠杆菌体内需要载体的协助,选取载体时必须考虑(多选)( )
A.能够在宿主细胞内复制并稳定保存
B.具有多种特定的限制性核酸内切酶切割位点
C.具有与目的基因相同的碱基片段
D.具有某些标记基因
(3)本实验中将目的基因导入大肠杆菌的载体可以是(多选)( )
A.质粒B.动物病毒
C.λ噬菌体的衍生物D.植物病毒
(4)在此基因工程中,将体外重组DNA导入大肠杆菌体内,并使其在细胞内维持稳定和表达的过程称为__________。
最常用的方法是首先用________处理大肠杆菌,目的是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)用______________技术来检测目的基因是否导入受体细胞。
目的基因是否表达出相应的蛋白质,除可通过大肠杆菌是否发光来进行个体水平检测外,还可以通过____________技术来进行分子水平的检测。
个性分析
(1)由于本生物技术的目的是利用大肠杆菌生产荧光素酶,因此荧光素酶基因属于目的基因。
(2)载体上应有多种特定的限制性核酸内切酶的切割位点,以便于和目的基因用同种限制性核酸内切酶切割后进行连接;应有标记基因,便于筛选;能在宿主细胞内保存,并进行复制与表达,以便于将该表达载体遗传给下一代,并通过表达产生相应的蛋白质。
(3)动植物病毒侵染宿主细胞时有特异性,仅能分别侵染动植物细胞,不能侵染细菌。
可用细菌病毒(噬菌体)作为导入大肠杆菌的载体。
质粒是一种广谱性载体,可用于多种宿主细胞。
(4)将体外重组DNA导入大肠杆菌常用的方法是用Ca2+处理大肠杆菌,使大肠杆菌处于易吸收周围DNA分子的感受态。
(5)检测目的基因,可用DNA分子杂交技术;检测是否表达出荧光素酶,可用抗原—抗体杂交技术。
答案
(1)目的基因
(2)ABD (3)AC (4)转化 Ca2+ 使大肠杆菌处于感受态(能够吸收周围DNA分子的状态)
(5)DNA分子杂交 抗原—抗体杂交
考点2 细胞工程
1.比较下表中的动物细胞培养和植物组织培养
项目
动物细胞培养
植物组织培养
前处理
无菌;用胰蛋白酶处理,使组织细胞相互分散开
无菌、离体
培养基成分
葡萄糖、氨基酸、无机盐、促生长因子、微量元素、动物血清等
矿质元素、蔗糖、维生素、植物激素等
培养基状态
液体培养基
固体培养基
过程
动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织→原代培养→传代培养→细胞群
离体的植物器官、组织或细胞
愈伤组织
根、芽→植物体
能否培养成个体
不能
能
应用举例
大规模生产有重要价值的生物制品,如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等;皮肤移植;检测有毒物质的毒性等
快速繁殖、培育无病毒植株;生产药物;制造人工种子;培育转基因作物等
2.比较下表中的植物体细胞杂交和动物细胞融合
项目
植物体细胞杂交
动物细胞融合
(单克隆抗体的制备)
理论基础(原理)
细胞膜的流动性、植物细胞的全能性
细胞膜的流动性、细胞增殖
融合前处理
酶解法去除细胞壁(纤维素酶、果胶酶等)
注射特定抗原的免疫小鼠,获取B淋巴细胞
促融
①物理法:
离心、振动、电激等;②化学法:
聚乙二醇(PEG)
①物化法:
与促进植物细胞融合的方法相同;②生物法:
灭活的仙台病毒
过程
第一步:
原生质体的制备;第二步:
原生质体的融合;第三步:
杂种细胞的筛选与培养;第四步:
杂种植株的诱导与鉴定
第一步:
正常小鼠免疫处理;第二步:
动物细胞融合;第三步:
杂交瘤细胞筛选与培养;第四步:
单克隆抗体的提纯
用途
克服远缘杂交不亲和的障碍,大大扩展了杂交亲本的组合范围
①作为诊断试剂;②用于治疗疾病和运载药物,如“生物导弹”
3.下图为克隆动物的培育过程,据图回答有关问题:
(1)写出①~⑤的过程名称:
①去核;②取核;③核移植;④卵裂;⑤胚胎移植。
(2)D新个体的性别与B动物相同。
(3)D新个体的绝大多数性状与B动物相同。
【思维辨析】
(1)组织培养、细胞杂交、显微注射、核移植均为培育草莓脱毒苗所采用的技术
(2012·广东,2改编)(×)
提示 只有组织培养为培育脱毒苗采用的技术。
(2)动物杂交瘤细胞产生单克隆抗体体现了细胞的全能性(2012·江苏,22C)(×)
提示 是否体现细胞全能性的依据是能否发育成新个体。
(3)去除植物细胞的细胞壁和将动物组织分散成单个细胞均需酶处理
(2008·全国Ⅰ,5B)(√)
提示 前者用纤维素酶和果胶酶处理;后者用胰蛋白酶处理。
(4)培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞(2010·浙江,4A)(×)
提示 只能形成单层细胞。
【归纳提炼】
1.容易混淆的三种细胞——杂种细胞、重组细胞和杂交细胞
(1)杂种细胞:
植物体细胞杂交过程中,两种细胞去掉细胞壁之后形成的原生质体融合,融合的原生质体出现细胞壁之后形成的细胞叫杂种细胞。
(2)重组细胞:
体细胞的细胞核移植到去核的卵母细胞之后形成的细胞叫重组细胞。
(3)杂交细胞:
动物细胞融合形成的细胞常称为杂交细胞。
2.克隆动物与试管动物认识的误区
(1)误区一:
试管动物与克隆动物的产生都是无性生殖。
纠正:
试管动物的产生是有性生殖,克隆动物的产生是无性生殖。
(2)误区二:
试管动物(哺乳类)的产生是在体外进行的,克隆动物(哺乳类)的产生是在体内进行的。
纠正:
试管动物(哺乳类)和克隆动物(哺乳类)早期胚胎之前都是在体外进行的,早期胚胎经过胚胎移植之后是在体内进行的。
(3)误区三:
胚胎移植的优势是充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力,因此胚胎移植的胚胎只能来自体内受精的胚胎。
纠正:
胚胎移植的胚胎有三个来源:
体内正常受精产生的胚胎、核移植产生的重组细胞培养而来的胚胎、体外受精产生的早期胚胎。
例3
(2013·新课标全国卷Ⅱ,40)甲、乙是染色体数目相同的两种二倍体药用植物,甲含有效成分A,乙含有效成分B。
某研究小组拟培育同时含有A和B的新型药用植物。
回答下列问题:
(1)为了培育该新型药用植物,可取甲和乙的叶片,先用________酶和________酶去除细胞壁,获得具有活力的________,再用化学诱导剂诱导二者融合。
形成的融合细胞进一步培养形成________组织,然后经过________形成完整的杂种植株。
这种培育技术称为____________________。
(2)上述杂种植株属于多倍体,多倍体是指______________________________________。
假设甲与乙有性杂交的后代是不育的,而上述杂种植株是可育的,造成这种差异的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)这种杂种植株可通过制作人工种子的方法来大量繁殖。
经植物组织培养得到的
______________________________等材料用人工薄膜包装后可得到人工种子。
破题思路 认真读题,获取信息→回扣所学知识→准确作答。
个性分析
(1)该新型药用植物是通过植物体细胞杂交技术获得的。
要获得有活力的原生质体才能进行体细胞杂交,因此首先用纤维素酶和果胶酶去掉植物的细胞壁,然后用PEG化学诱导剂(物理方法:
离心、振动等)诱导二者的原生质体融合。
再采用植物组织培养技术获得杂种植株,植物组织培养的主要过程是:
先脱分化形成愈伤组织,然后再分化形成植物体,利用了植物细胞的全能性。
(2)如果植物甲、乙是两个物种,二者不能通过有性杂交产生可育后代,原因是甲、乙有性杂交所产生的后代在减数分裂过程中同源染色体联会异常,也就是存在着生殖隔离。
但植物甲、乙通过植物体细胞杂交技术产生的后代却是可育的,因为在减数分裂过程中同源染色体能完成正常的联会,产生正常的配子。
由于甲、乙都是二倍体,因此,植物体细胞杂交得到的后代是异源多倍体(四倍体)。
(3)人工种子生产不受气候、季节和地域等因素限制,而且可以避免后代发生性状分离等优点,因此,植物细胞工程重要的应用之一是制备人工种子,用到的核心技术是植物组织培养技术。
将植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽、腋芽等材料用人工薄膜包装后可得到人工种子。
答案
(1)纤维素 果胶 原生质体 愈伤 再分化(分化) 植物体细胞杂交技术
(2)体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体 在减数分裂过程中,前者染色体联会异常,而后者染色体联会正常
(3)胚状体、不定芽、顶芽、腋芽
思维延伸
(1)通过该题
(1)形成的杂种植株一定含有A、B两种有效成分吗?
提示 不一定,可能存在染色体相互作用或不同来源的基因相互作用。
(2)若用甲、乙植物的各自单倍体叶片细胞杂交得到的杂种植株是否可育,为什么?
提示 不可育,因为无同源染色体。
例4
人绒毛膜促性腺激素(HCG)是女性怀孕后胎盘滋养层细胞分泌的一种糖蛋白,制备抗HCG单克隆抗体可用于早孕的诊断。
如图是抗HCG单克隆抗体制备流程示意图,请分析回答问题。
(1)制备单克隆抗体过程中要用到____________和____________技术。
(2)制备单克隆抗体过程中,给小鼠注射的HCG相当于________,使小鼠产生分泌相应________的淋巴细胞,此过程属于特异性免疫中的________免疫。
(3)细胞内DNA的合成一般有两条途径,主途径是在细胞内由糖和氨基酸合成核苷酸,进而合成DNA,而氨基嘌呤可以阻断此途径。
辅助途径是在次黄嘌呤和胸腺嘧啶核苷存在的情况下,经酶的催化作用合成DNA,而骨髓瘤细胞的DNA合成没有此辅助途径。
①利用DNA合成途径不同的特点配制的HAT培养基含有多种成分,其中添加的__________成分具有筛选杂交瘤细胞的作用。
②最终筛选获得的杂交瘤细胞的特点是______________________________________
________________________________________________________________________。
(4)此过程生产的单克隆抗体可以与__________________________________特异性结合,从而诊断早孕。
个性分析
(1)制备单克隆抗体过程中,需要将骨髓瘤细胞和能产生特定抗体的B淋巴细胞进行融合形成杂种细胞,因此用到动物细胞融合技术;培育、筛选符合要求的杂种细胞用到动物细胞培养技术。
(2)给小鼠注射HCG,刺激小鼠进行体液免疫,生成产生抗HCG抗体的B淋巴细胞,因此HCG属于抗原。
(3)骨髓瘤细胞的DNA合成没有辅助途径,只有主途径,所以在培养基中加入氨基嘌呤,可阻断骨髓瘤细胞与骨髓瘤细胞融合体的增殖。
B淋巴细胞虽然有两条途径,但是该细胞没有在体外无限增殖的特点,因此细胞将衰老凋亡。
杂交瘤细胞内含两种DNA的合成途径,因此在选择培养基上杂交瘤细胞能生存并无限增殖。
经免疫的B淋巴细胞和骨髓瘤细胞融合后的杂交瘤细胞,既能无限增殖,又能产生特异性抗体。
(4)此单克隆抗体是针对人绒毛膜促性腺激素(HCG)作抗原产生的,可以与人绒毛膜促性腺激素(HCG)特异性结合。
答案
(1)动物细胞培养 动物细胞融合
(2)抗原 抗体 体液 (3)①氨基嘌呤 ②能无限增殖并分泌特异性抗体
(4)人绒毛膜促性腺激素(或HCG)
1.(2013·广东卷,3)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
答案 C
解析 由题可知,多肽P1为抗菌性强和溶血性也强的多肽,但是要设计出抗菌性强但溶血性弱的多肽,即在P1的基础之上设计出自然界原本不存在的蛋白质,应用蛋白质工程,依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽,即答案为C。
2.(2013·重庆卷,5)某兴趣小组拟用组织培养繁殖一种名贵花卉,其技术路线为“取材→消毒→愈伤组织培养→出芽→生根→移栽”。
下列有关叙述,错误的是( )
A.消毒的原则是既杀死材料表面的微生物,又减少消毒剂对细胞的伤害
B.在愈伤组织培养中加入细胞融合的诱导剂,可获得染色体加倍的细胞
C.出芽是细胞再分化的结果,受基因选择性表达的调控
D.生根时,培养基通常应含α-萘乙酸等生长素类调节剂
答案 B
解析 消毒剂的使用既要杀死表面微生物,又要防止伤害组织细胞,影响组织培养,A项正确;植物细胞融合是指经纤维素酶和果胶酶处理后得到的原生质体的诱导融合,带有细胞壁的愈伤组织细胞不能诱导融合形成染色体加倍的细胞,B项错误;出芽和生根都是细胞再分化的结果,其实质是基因的选择性表达,C项正确;α-萘乙酸为生长素类似物,可诱导愈伤组织生根,D项正确。
3.(2013·浙江卷,6)实验小鼠皮肤细胞培养(非克隆培养)的基本过程如图所示。
下列叙述错误的是( )
A.甲过程需要对实验小鼠进行消毒
B.乙过程对皮肤组织可用胰蛋白酶消化
C.丙过程得到的细胞大多具有异倍体核型
D.丁过程得到的细胞具有异质性
答案 C
解析 动物细胞培养需要无毒无菌的环境,甲过程指从实验小鼠身上取下皮肤组织,该过程需要对小鼠进行消毒处理,A项正确;乙过程表示将得到的皮肤组织分散成单个细胞制备成细胞悬液,可用胰蛋白酶或胶原蛋白酶进行处理,B项正确;丙过程表示原代培养,此时的细胞仍能保持正常的二倍体核型,C项错误;丁过程表示传代培养,此时得到的细胞会克服细胞寿命的自然极限,获得不死性,这些细胞已经发生突变,正在朝着等同于癌细胞的方向发展,D项正确。
4.(2012·新课标全国卷,40)根据基因工程的有关知识,回答下列问题:
(1)限制性核酸内切酶切割DNA分子后产生的片段,其末端类型有__________和__________。
(2)质粒运载体用EcoRⅠ切割后产生的片段如下:
AATTC……G
G……CTTAA
为使运载体与目的基因相连,含有目的基因的DNA除可用EcoRⅠ切割外,还可用另一种限制性核酸内切酶切割,该酶必须具有的特点是____________________________。
(3)按其来源不同,基因工程中所使用的DNA连接酶有两类,即__________DNA连接酶和__________DNA连接酶。
(4)反转录作用的模板是__________,产物是______。
若要在体外获得大量反转录产物,常采用__________技术。
(5)基因工程中除质粒外,__________和__________也可作为运载体。
(6)若用重组质粒转化大肠杆菌,一般情况下,不能直接用未处理的大肠杆菌作为受体细胞,原因是______________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案 (
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