第高届高级高三生物一轮复习课件学案第十单元 第33讲.docx

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第高届高级高三生物一轮复习课件学案第十单元第33讲

第33讲　基因工程

[考纲要求]　1.基因工程的诞生（Ⅰ）。

2.基因工程的原理及技术（含PCR技术）（Ⅱ）。

3.基因工程的应用（Ⅱ）。

4.蛋白质工程（Ⅰ）。

5.实验:

DNA的粗提取与鉴定。

1.基因工程的概念

（1）供体:

提供目的基因。

（2）操作环境:

体外。

（3）操作水平:

分子水平。

（4）原理:

基因重组。

（5）受体:

表达目的基因。

（6）本质:

性状在受体体内的表达。

（7）优点:

克服远缘杂交不亲和的障碍,定向改造生物的遗传性状。

2.DNA重组技术的基本工具

（1）限制性核酸内切酶（简称:

限制酶）

①来源:

主要是从原核生物中分离纯化出来的。

②作用:

识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,并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。

③形成末端类型

（2）DNA连接酶

①作用:

将限制酶切割下来的DNA片段拼接成新的DNA分子。

②类型

常用类型

E·coliDNA连接酶

T4DNA连接酶

来源

大肠杆菌

T4噬菌体

功能

只缝合黏性末端

缝合黏性末端和平末端

结果

恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键

③DNA连接酶和限制酶的关系

（3）载体

①条件

条件

适应性

稳定并能自我复制或整合到染色体DNA上

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种类

③作用:

携带外源DNA片段进入受体细胞。

④特点:

可在细胞中进行自我复制或整合到染色体DNA上,随染色体DNA进行同步复制。

教材拾遗

　限制酶来源于原核生物而不切割自己的DNA的原因是限制酶具有特异性,原核生物的DNA分子中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰（P4寻根问底拓展）。

1.判断关于基因工程中工具酶说法的正误

（1）限制酶只能用于切割目的基因（　×　）

（2）切割质粒的限制性核酸内切酶均能特异性地识别6个核苷酸序列（　×　）

（3）DNA连接酶能将两碱基间通过氢键连接起来（　×　）

（4）E·coliDNA连接酶既可连接平末端,又可连接黏性末端（　×　）

（5）限制酶可以识别和切割RNA（　×　）

2.判断关于基因工程中载体说法的正误

（1）载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选的标记基因（　×　）

（2）每个质粒DNA分子上至少含一个限制酶切割位点（　√　）

（3）质粒是小型环状DNA分子,是基因工程常用的载体（　√　）

（4）载体的作用是将携带的目的基因导入受体细胞中,使之稳定存在并表达（　√　）

易错警示

（1）限制酶是一类酶,而不是一种酶。

（2）将一个基因从DNA分子上切割下来,需要切两处,同时产生四个黏性末端或平末端。

（3）不同DNA分子用同一种限制酶切割,产生的末端都相同,同一个DNA分子用不同的限制酶切割,产生的末端一般不相同。

（4）限制酶切割位点应位于标记基因之外,不能破坏标记基因,以便进行检测。

（5）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,所以目的基因的插入位点应在启动子与终止子之间。

考向一　工具酶的应用分析

下图中的图1和图2分别表示的是EcoRⅠ限制酶和SmaⅠ限制酶的作用示意图,据图分析:

（1）请说出EcoRⅠ限制酶和SmaⅠ限制酶识别的碱基序列及切割的位点。

提示　EcoRⅠ限制酶识别的碱基序列是GAATTC,切割位点在G和A之间；SmaⅠ限制酶识别的碱基序列是CCCGGG,切割位点在C和G之间。

（2）以上实例说明限制酶有何特性？

提示　说明限制酶具有专一性。

（3）要将图1中的末端再连接起来,需要用哪类连接酶,若连接图2的末端呢？

提示　连接图1中的黏性末端既可用E·coliDNA连接酶,也可用T4DNA连接酶,连接图2中的平末端只能用T4DNA连接酶。

（4）已知某限制性核酸内切酶的识别序列和切割位点是—C↓AATTG—,该酶作用DNA后所得末端与图1所得末端用E·coliDNA连接酶能否连接起来？

若能连接起来,能否再次被EcoRⅠ限制酶识别并切割呢？

提示　能；不能。

1.如图表示由不同的限制酶切割而成的DNA末端及相关的酶作用位点。

下列叙述错误的是（　　）

A.甲、乙、丙都属于黏性末端

B.甲、乙片段可形成重组DNA分子,但甲、丙不能

C.DNA连接酶的作用位点在乙图中b处

D.切割甲的限制酶不能识别由甲、乙片段形成的重组DNA分子

【参考答案】:

C

【试题解析】:

由题图可知,甲、乙、丙都属于黏性末端,A正确；甲、乙的黏性末端相同,因此可在DNA连接酶的作用下形成重组DNA分子,但甲、丙的黏性末端不同,它们之间不能形成重组DNA分子,B正确；DNA连接酶催化磷酸基团和脱氧核糖之间形成磷酸二酯键,C错误；切割甲的限制酶的识别序列和甲、乙片段形成的重组DNA分子序列不同,因此切割甲的限制酶不能识别由甲、乙片段形成的重组DNA分子,D正确。

2.下列是基因工程的有关问题,请回答:

（1）限制性核酸内切酶可以识别双链DNA分子中的特定核苷酸序列,并可以使每条链中特定部位的两个核苷酸之间的______________（填化学键名称）断裂,形成的末端总体可分为两种类型,分别是____________________。

（2）目的基因和载体重组时需要的工具酶是______________,和限制性核酸内切酶相比,它对所重组的DNA两端碱基序列____________（填“有”或“无”）专一性要求。

（3）如图表示构建表达载体时的某种质粒与目的基因。

已知限制酶Ⅰ的识别序列和切割位点是—G↓GATCC—,限制酶Ⅱ的识别序列和切割位点是—↓GATC—。

分析可知,最好选择限制酶________切割质粒,限制酶______切割目的基因所在的DNA,这样做的好处分别是__________________________________________、___________________________________。

【参考答案】:

（1）磷酸二酯键　黏性末端和平末端　

（2）DNA连接酶　无　（3）Ⅰ　Ⅱ　限制酶Ⅰ切割质粒不会把两个标记基因都破坏　目的基因两端均有限制酶Ⅱ的识别序列

【试题解析】:

（1）限制性核酸内切酶（限制酶）能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列,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,经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式,分别为黏性末端和平末端。

（2）目的基因和载体重组时需要DNA连接酶恢复所连接的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。

多种限制酶切割,形成不同的切割位点,所用的DNA连接酶对所连接的DNA两端碱基序列没有专一性要求。

（3）由题干及图示可知,限制酶Ⅰ的识别序列和切割位点是—G↓GATCC—,限制酶Ⅰ切割质粒不会把两个标记基因都破坏,最好选择限制酶Ⅰ切割质粒。

限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—,目的基因两端均有限制酶Ⅱ的识别序列,因此用限制酶Ⅱ切割目的基因所在的DNA。

考向二　载体的应用分析

3.下列有关基因工程中载体的说法,正确的是（　　）

A.在进行基因工程操作中,被用作载体的质粒都是天然质粒

B.所有的质粒都可以作为基因工程中的载体

C.质粒是一种独立于细菌染色体外的链状DNA分子

D.作为载体的质粒DNA分子上应有对重组DNA进行鉴定和选择的标记基因

【参考答案】:

D

【试题解析】:

在进行基因工程操作中,被用作载体的质粒是在天然质粒的基础上进行过人工改造的,A错误；具有一至多个限制酶切点、具有标记基因的质粒才可以作为基因工程中的载体,B错误；质粒是一种独立于细菌拟核DNA外的环状DNA分子,C错误；作为载体的质粒DNA分子上应有对重组DNA进行鉴定和选择的标记基因,而且能在受体细胞中复制并稳定保存,D正确。

4.如图所示为pBR322质粒,其中ampr（氨苄青霉素抗性基因）和tetr（四环素抗性基因）为标记基因,ori为复制原点,其他均为限制酶及其识别位点,并且每种限制酶都只有一个。

pBR322质粒是基因工程较常用的载体。

回答下列相关问题:

（1）制备重组质粒,需要限制酶和____________酶。

如制备重组质粒时,使用PvuⅠ切割该质粒,则检测目的基因是否导入受体细胞,需要在培养基中添加________。

（2）该质粒中的BamHⅠ识别的核苷酸序列及切割位点为—G↓GATCC—,而Sau3AⅠ识别的核苷酸序列只有4个碱基。

若BamHⅠ和Sau3AⅠ分别切割DNA所形成的DNA片段能拼接成一条DNA链,则Sau3AⅠ识别的核苷酸序列及切割位点为______________。

该拼接在一起的DNA片段,能否被BamHⅠ识别？

____________。

（3）与图示质粒相比,完整的重组质粒中还应有__________________等三种特殊的DNA片段。

【参考答案】:

（1）DNA连接　四环素　

（2）—↓GATC—　不一定能　（3）启动子、终止子和目的基因

1.基因工程的基本操作程序

（1）目的基因的获取

①目的基因:

主要是指编码蛋白质的基因,也可以是一些具调控作用的因子。

②方法

（2）基因表达载体的构建——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,并且可以遗传给下一代,同时,使目的基因能够表达和发挥作用。

②基因表达载体的组成

小贴士

　启动子≠起始密码子,终止子≠终止密码子

启动子:

一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的首端,它是RNA聚合酶识别和结合的部位。

终止子:

一段有特殊结构的DNA短片段,位于基因的尾端,作用是使转录过程停止。

起始密码子和终止密码子位于mRNA上,分别控制翻译过程的启动和终止。

③构建过程

（3）将目的基因导入受体细胞

生物种类

植物

动物

微生物

常用方法

农杆菌转化法

显微注射技术

感受态细胞法

受体细胞

体细胞或受精卵

受精卵

原核细胞

转化过程

将目的基因插入到Ti质粒的T-DNA上→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞染色体的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DNA分子与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子

（4）目的基因的检测与鉴定

2.基因工程的应用

（1）植物基因工程:

培育抗虫转基因植物、抗病转基因植物和抗逆转基因植物；利用转基因改良植物的品质。

（2）动物基因工程:

提高动物生长速度从而提高产品产量；用于改善畜产品品质；用转基因动物生产药物；用转基因动物作器官移植的供体等。

（3）基因工程药物

①方法:

利用基因工程培育“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。

（4）比较基因治疗与基因诊断

项目

原理

操作过程

进展

基因治疗

基因表达

利用正常基因导入有基因缺陷的细胞中,以表达出正常性状来治疗（疾病）

临床实验

基因诊断

碱基互补配对

制作特定DNA探针与病人样品DNA混合,分析杂交带情况

临床应用

3.蛋白质工程

（1）概念

①基础:

蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。

②手段:

基因修饰或基因合成。

③目的:

合成满足人类生产和生活需求的蛋白质。

（2）流程图

A.转录,B.翻译,C.分子设计,D.多肽链,E.预期功能。

（3）结果:

改造了现有蛋白质或制造出新的蛋白质。

（4）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。

1.判断关于基因工程原理与操作说法的正误

（1）用PCR技术扩增目的基因时不必知道基因的全部序列（　√　）

（2）为培育抗除草剂的作物新品种,导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体（　×　）

（3）抗虫基因即使成功地插入植物细胞染色体DNA上也未必能正常表达（　√　）

（4）检测目的基因是否成功表达可用抗原—抗体杂交技术（　√　）

（5）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是否完全表达

（　×　）

2.判断关于基因工程的应用及蛋白质工程说法的正误

（1）利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,如人的血清白蛋白,这是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中（　×　）

（2）动物基因工程的实施主要是为了改善畜产品的品质,不一定是为了产生体型巨大的个体

（　√　）

（3）由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用（　×　）

（4）蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作,定向改变分子的结构（　×　）

（5）基因工程只能产生自然界已存在的蛋白质（　√　）

考向一　基因工程操作程序及应用

据图分析抗虫棉的培育过程

（1）该基因工程中的目的基因和载体分别是什么？

切取目的基因与切割载体时只能使用同一种限制酶吗？

提示　目的基因是Bt毒蛋白基因,载体是Ti质粒。

①在获取目的基因和切割载体时通常用同一种限制酶,以获得相同的黏性（或平）末端。

但如果用两种不同的限制酶切割后形成的末端相同,在DNA连接酶的作用下目的基因与载体也可以连接起来。

②为了避免目的基因和载体的自身环化和随意连接,可使用不同的限制酶切割目的基因和载体,使目的基因和载体各具有两个不同的末端。

（2）目的基因的插入位点是随意的吗？

提示　不是。

基因表达需要启动子与终止子的调控,所以目的基因应插入启动子与终止子之间,若目的基因插入启动子内部,启动子将失去原功能。

（3）该实例中,采用何种方法导入目的基因？

为什么目的基因可以整合到染色体的DNA上？

提示　采用的方法是农杆菌转化法；由于Ti质粒上的T-DNA可转移到受体细胞且能整合到受体细胞的染色体DNA上,而目的基因又插入到了T-DNA上,所以目的基因可以整合到受体细胞的染色体DNA上。

（4）该实例中,检测目的基因是否成功表达的常见方法有哪两种？

提示　抗原—抗体杂交法、用棉叶饲喂棉铃虫。

5.（2019·黑龙江哈尔滨六中第二次月考）绿色荧光是由绿色荧光蛋白发出的,为了培育能发出绿色荧光的小鼠,人们设计了如下的流程:

（1）获取绿色荧光蛋白基因的常用方法有从基因文库中获取、利用PCR技术扩增和_______等。

（2）绿色荧光蛋白基因通常可以从基因文库中获取,含有一种生物一部分基因的文库称为____________。

（3）A过程是基因工程的核心,常用到的工具酶有限制性核酸内切酶和______________,它们作用的化学键是__________。

（4）B过程常用的是________________技术。

（5）通常采用______________________技术检测外源基因是否插入了小鼠的基因组。

【参考答案】:

（1）人工合成　

（2）cDNA文库（或部分基因文库）（3）DNA连接酶　磷酸二酯键

（4）显微注射　（5）DNA分子杂交

【试题解析】:

图中A表示基因表达载体的构建过程,B表示将目的基因导入受体细胞,C表示早期胚胎培养,D表示胚胎移植,E表示妊娠。

（1）获取目的基因——绿色荧光蛋白基因的方法有从基因文库中获取和人工合成等。

（2）基因文库分为基因组文库和部分基因文库,其中含有一种生物所有基因的文库称为基因组文库,含有一种生物的部分基因的文库称为部分基因文库,如cDNA文库。

（3）A过程表示基因表达载体的构建,是基因工程的核心,常用到的工具酶有限制性核酸内切酶和DNA连接酶,它们作用的化学键是磷酸二酯键。

（4）将目的基因导入动物细胞采用的最多也最有效的方法是显微注射技术。

（5）检测外源基因是否插入了小鼠的基因组,通常采用DNA分子杂交技术,即用外源基因制作成的DNA探针与受体细胞的基因组进行杂交,观察是否出现杂交带。

6.烟草易受烟草花叶病毒（TMV）感染而大幅度减产。

绞股蓝细胞中含有抗TMV基因,能抵抗TMV感染,研究人员利用转基因技术培育出了抗TMV烟草,操作流程如下图所示。

请回答下列问题:

（1）过程①所用RNA可以从________________________中获取。

（2）过程②可以采用___________技术获得大量目的基因,该技术的实质是________________。

（3）过程④最常用的方法是__________,该方法中需将目的基因插入受体细胞的_________上。

（4）过程⑤所用到的培养基除了卡那霉素之外,还需要加入的特殊物质是____________。

过程⑥还需要进行基因工程操作步骤中的目的基因的检测与鉴定,在分子水平上检验获得的烟草能否抗TMV感染的方法是__________________________。

【参考答案】:

（1）绞股蓝细胞的细胞质基质

（2）PCR（或多聚酶链式反应）　双链DNA复制

（3）农杆菌转化法　染色体DNA

（4）植物激素（或生长素和细胞分裂素）　抗原—抗体杂交

7.（2019·福建三明一中高三开学考）如图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图,请据图作答:

（1）能否利用人的皮肤细胞来完成①过程？

__________为什么？

____________________。

（2）过程②必需的酶是________酶,过程③在体外需要的条件是__________,过程④在体外必需的酶是______酶。

（3）在利用A、B获得C的过程中,必须用______________切割A和B,使它们产生___________,再加入____________________,才可形成C。

（4）C的组成除必须含有________________、________________、复制原点外,还必须有________和__________。

（5）图中的D是基因工程中的受体细胞,为了使过程⑧更易进行,可用__________处理D。

【参考答案】:

（1）不能　由于基因选择性表达,人的皮肤细胞中胰岛素基因不能表达,得不到胰岛素mRNA　

（2）逆转录　加热　热稳定DNA聚合（Taq）　（3）同一种限制酶　相同的黏性末端　DNA连接酶　（4）目的基因　标记基因　启动子　终止子　（5）Ca2＋

【试题解析】:

（1）由于基因选择性表达,人的皮肤细胞中胰岛素基因不表达,从皮肤细胞中无法获得胰岛素基因转录的mRNA。

（2）过程②是逆（反）转录,需要逆转录酶。

过程③是解旋,在体外需要的条件是加热。

过程④是以DNA一条链为模板合成子代DNA,在体外必需的酶是Taq酶。

（3）A、B分别是目的基因和质粒,C是重组质粒,此过程中,必须用同种限制酶切割A和B,使它们产生相同的黏性（或平）末端,再加入DNA连接酶,才可形成重组质粒。

（4）重组质粒除必须含有目的基因、标记基因、复制原点外,还必须有启动子和终止子。

（5）为了使受体细胞更容易吸收重组质粒,可用Ca2＋处理,使其处于感受态。

考向二　蛋白质工程

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

目的基因的获取→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。

8.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,并且要经过较长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,被导入到______________________中才能得以表达。

（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什么？

________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________。

【参考答案】:

（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

【试题解析】:

（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中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即目的基因,改造好的目的基因需通过基因工程将其导入受体细胞获得工程菌,再利用工程菌进行发酵,从而获取大量产品,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,推测出其基因中的脱氧核苷酸序列,然后利用DNA合成仪直接合成新的基因。

9.已知生物体内有一种蛋白质（P）,该蛋白质是一种转运蛋白,由305个氨基酸组成。

如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸,240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸,改变后的蛋白质（P1）不但保留P的功能,而且具有了酶的催化活性。

回答下列问题:

（1）从上述资料可知,若要改变蛋白质的功能,可以考虑对蛋白质的______________进行改造。

（2）以P基因序列为基础,获得P1基因的途径有修饰__________基因或合成____________基因。

所获得的基因表达时是遵循中心法则的,中心法则的全部内容包括________________的复制以及遗传信息在不同分子之间的流动,即:

________________________________。

（3）蛋白质工程也被称为第二代基因工程,其基本途径是从预期蛋白质功能出发,通过____________________和____________________,进而确定相对应的脱氧核苷酸序列,据此获得基因,再经表达、纯化获得蛋白质,之后还需要对蛋白质的生物__________进行鉴定。

【参考答案】:

（1）氨基酸序列（或结构）

（2）P　P1　DNA和RNA（或遗传物质）　DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质（或转录、逆转录、翻译）

（3）设计蛋白质的结构　推测氨基酸序列　功能

【试题解析】:

（1）蛋白质的功能与结构相关,若要改变蛋白质的功能,需要对其氨基酸序列或结构进行改造。

（2）确定目的