1、版高考生物一轮复习第12单元现代生物科技专题第36讲基因工程学案苏教版第36讲基因工程考试说明 1.基因工程的诞生()。2.基因工程的原理及技术(含PCR技术)()。3.基因工程的应用()。4.蛋白质工程()。5.DNA的粗提取与鉴定(实验与探究能力)。考点一基因工程的概念及基本工具 1.基因工程的概念(1)手段:按照,进行严格的设计,通过体外和等技术,赋予生物以新的遗传特性。(2)目的:创造出更符合人们需要的新的和。(3)水平:水平。 2.基因工程的基本工具(1)限制性核酸内切酶来源:主要从中分离纯化而来。作用:识别双链DNA分子的某种序列,使的两个核
2、苷酸之间的断裂。结果:产生末端或末端。(2)DNA连接酶常用类型Ecoli DNA连接酶T4DNA连接酶来源T4噬菌体功能连接黏性末端连接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)载体条件:能自我复制、有一个至多个切割位点、有特殊的。常用载体。其他载体:噬菌体的衍生物、等。 1.限制酶和DNA连接酶的关系图12-36-1(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。 2.DNA相关六种酶的比较名称作用部位作用底物作用结果限制酶磷酸二酯键DNA将DNA
3、切成两个或多个片段DNA连接酶磷酸二酯键DNA片段将两个DNA片段连接为一个DNA分子DNA聚合酶磷酸二酯键脱氧核苷酸以单链DNA为模板,将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端DNA(水解)酶磷酸二酯键DNA将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸解旋酶碱基对之间的氢键DNA将双链DNA分子局部解旋为单链,形成两条长链RNA聚合酶磷酸二酯键核糖核苷酸以单链DNA为模板,将单个核糖核苷酸依次连接到单链末端1.如图12-36-2为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图,据图回答下列问题:图12-36-2(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,(写出两条即可)。(2)若质粒DNA分子的切割末端
4、为ATGCGC,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分子上称为,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2.2017上海宝山区二模 分析有关基因工程的资料,回答问题。如图12-36-3为构建某重组质粒的过程示意图。lacZ基因可使细菌利用加入培养基的物质X-gal,从而使菌落显现出蓝色,若无该基因,菌落则成白色。图中甲戊DNA片段只注明了黏性末端处的碱基种类,其他碱基的种类未作注明。图12-36-3(1)若酶M特异性识别的D
5、NA碱基序列是,则酶N特异性识别的DNA碱基序列是。(2)过程是将所有片段混合在一起,用酶拼接可得到不同的重组DNA。(3)如果只考虑2个片段的组合,那么甲、乙、丁三个片段中能够形成环状DNA的片段组合是(多选)。A.甲和乙B.甲和甲C.甲和丁D.乙和乙E.乙和丁F.丁和丁(4)为了筛选含重组质粒的受体菌,应在通用培养基中额外加入,培养一段时间,挑选出色的菌落进一步培养。原来质粒中,限制酶M和N的酶切位点。A.M位于青霉素抗性基因中,N位于lacZ基因中B.N位于青霉素抗性基因中,M位于lacZ基因中C.M和N都位于青霉素抗性基因中D.M和N都位于lacZ基因中(5)上述目的基因能够在受体细菌
6、中表达,其原因是不同生物。A.共用一套DNA B.共用一套RNA C.共用一套蛋白质 D.共用一套密码子方法技巧限制酶的选择技巧(1)根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类。图12-36-4应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择Pst。不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择Sma。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Pst和EcoR两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点)。(2)根据质粒的特点确定限制酶的种类。所选限制酶要与切割目的基因的限制酶一致,以确保产生相同的黏性末端。质粒作
7、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Sma会破坏标记基因;如果所选酶的切割位点不是一个,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。考点二基因工程的基本操作程序及PCR技术 1.基因工程的基本操作程序(1)目的基因的获取目的基因:主要指的基因,也可以是一些具有作用的因子。获取方法(2)基因表达载体的构建基因工程的核心目的:使目的基因,同时使目的基因能够表达和发挥作用。基因表达载体的构成图12-36-5构建过程:图12-36-6(3)将目的基因导入受体细胞
8、生物种类植物细胞动物细胞微生物细胞常用方法、受体细胞体细胞原核细胞转化过程(以农杆菌转化法为例:)将目的基因插入到Ti质粒的上导入农杆菌侵染植物细胞整合到受体细胞的上表达基因表达载体受精卵发育新性状个体处理细胞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图12-36-7 2.PCR技术(1)原理:DNA复制,即:双链DNA单链DNA图12-36-8(2)条件(3)过程与结果过程结果:上述三步反应完成后,一个DNA分子就变成了个DNA分子,随着重复次数的增多,DNA分子就以的形式增加。PCR的反应过程都是在中完成的。 1.基因工程操作的易错点分析(1)目的基
9、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,所以目的基因应插入到启动子与终止子之间的部位。(2)启动子(DNA片段)起始密码子(RNA);终止子(DNA片段)终止密码子(RNA)。(3)基因表达载体的构建是最核心、最关键的一步,在体外进行。(4)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,其余三步都有碱基互补配对现象。 2.DNA复制与PCR技术的比较项目体内DNA复制PCR技术场所主要在细胞核内生物体外酶DNA聚合酶、解旋酶热稳定DNA聚合酶(Taq酶)条件模板、ATP、常温模板、ATP、引物链、温度变化(9095 5560 7075 )原料四种脱氧核苷酸四种脱氧
10、核苷酸特点形成的是整个DNA分子,一个细胞周期只复制一次短时间内形成含有大量目的基因的DNA片段角度1结合实例考查基因工程的基本操作程序1.人血清蛋白(HSA)具有重要的医用价值。如图12-36-9是以基因工程技术获取重组HSA(rHSA)的两条途径,请回答下列问题。图12-36-9(1)如果HSA基因序列未知,可以采用的方法获取该目的基因,为了使该目的基因能够在宿主细胞中复制和稳定保存,通常要先构建后才能导入宿主细胞。(2)方框中的“?”一般选用的生物是,为了提高过程的导入成功率,通常用处理大肠杆菌。(3)人体合成的初始HSA多肽,需要经过膜系统加工形成正确的空间结构才能有活性,所以,选择(
11、填“”或“”)途径获取rHSA更有优势。(4)为了鉴定宿主细胞中是否产生rHSA,可以用方法来进行检验。A.检验HSA基因是否导入 B.检验细胞中是否产生相应的mRNAC.抗原抗体杂交 D.检测是否有标记基因角度2考查PCR技术的原理与过程2.2017福建南平一模 基因工程在农业中的应用发展迅速,基因可导入农作物中,用于改良该农作物的性状。通过多重PCR技术可扩增并检测转基因农作物的外源基因成分。多重PCR技术是在一个PCR 反应体系中加入多对引物,针对多个DNA模板或同一模板的不同区域,扩增多个目的基因的PCR 技术。请回答:(1)我国科学家将Bt毒蛋白基因、鱼的抗冻蛋白基因、控制果实成熟的
12、基因导入农作物,可获得、延熟的转基因作物。(2)引物是根据的一段核苷酸序列合成的,每种基因扩增需要一对引物的原因是。下表是A、B、C三种基因的引物,据表分析,引物特异性主要体现在。A基因引物15GCTCCTACAAATGCCATCATTGC3引物25GATAGTGGGATTGTGCGTCATCCC3B基因引物15TGAATCCTGTTGCCGGTCTT3引物25AAATGTATAATTGCGGGACTCTAATC3C基因引物15CCTTCATGTTCGGCGGTCTCG3引物25GCGTCATGATCGGCTCGATG3(3)PCR过程中温度从90 降到5560 的目的是。(4)检测人员通过多
13、重PCR技术确定农作物中是否含有A、B、C三种转基因。将A、B、C三种基因和待测的农作物基因样品进行PCR,扩增后的产物再进行电泳,结果如图12-36-10。据图分析:含有三种转基因的农作物是,判断依据是。图12-36-10(5)与PCR技术相比,多重PCR技术的优势有:a.。b.。c.。考点三基因工程的应用与蛋白质工程一、基因工程的应用 1.植物基因工程抗虫、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、改善畜产品的品质、用转基因动物生产,用转基因动物作器官移植的供体。 3.基因工程药物(1)方式:利用基因工程培育“”来生产药品。(
14、2)成果:利用“工程菌”可生产细胞因子、抗体、疫苗、激素等。4.基因治疗(1)概念:把导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的。(2)成果:将腺苷酸脱氨酶基因转入患者的淋巴细胞。二、蛋白质工程图12-36-11 基因工程和蛋白质工程的比较项目基因工程蛋白质工程区别操作环境(场所)生物体外生物体外操作核心基因基因操作起点目的基因预期的蛋白质功能基本过程剪切拼接导入表达确定蛋白质功能应有的高级结构应具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的碱基序列改造的蛋白质实质定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的生物类型或生物产品(基因的异体表达)定向改造或生产人类所需的蛋白质结果生产自
15、然界已存在的蛋白质生产人类需要的新基因,创造出自然界不存在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角度1结合基因工程的操作过程考查基因工程的应用1.2017东北三省三校模拟 马铃薯是重要的经济作物,在基因育种方面取得丰硕成果。(1)马铃薯是双子叶植物,常用法将目的基因导入马铃薯的体细胞中。构建好的基因表达载体基本结构有目的基因、复制原点五部分。(2)马铃薯易患多种疾病,导致产量下降。基因工程中常用的抗病基因为(写一种即可)。(3)科学家还培育出抗除草剂的转基因马铃薯,主要从两个方面进行设计:修饰除
16、草剂作用的靶蛋白,使其对除草剂,或使靶蛋白过量表达,植物吸收除草剂后仍能正常代谢。引入酶或酶系统,使除草剂在发生作用前。(4)将目的基因导入受体细胞后,还需对转基因植物进行。角度2考查蛋白质工程的原理与操作2.2015全国卷 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
17、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。考点四DNA的粗提取与鉴定 1.原理(1)溶解度DNA与蛋白质在不同浓度的溶液中溶解度不同。DNA不溶于。(2)DNA对酶、和的耐受性。(3)鉴定:DNA+试剂。 2.实验步骤实验材料的选取破碎细胞获取含DNA的滤液过滤,取滤液去除滤液中的杂质DNA的析出利用DNA不
18、溶于的原理,析出DNADNA的鉴定 1.DNA和蛋白质在不同NaCl溶液中溶解度的比较项目2 mol/L NaCl溶液0.14 mol/L NaCl溶液溶解规律DNA溶解析出蛋白质部分发生盐析沉淀溶解NaCl溶液浓度从2 mol/L逐渐降低的过程中,溶解度逐渐增大 2.DNA的粗提取与鉴定中的“2、3、4”加蒸馏水2次加到鸡血细胞液中,使血细胞吸水破裂加到含DNA的2 mol/L的NaCl溶液中,使NaCl溶液的物质的量浓度下降到0.14 mol/L,使DNA析出用纱布过滤3次过滤血细胞破裂液,得到含细胞核物质的滤液滤取0.14 mol/L的NaCl溶液中析出的DNA(黏稠物)过滤溶有DNA的
19、2 mol/L的NaCl溶液(续表)4次使用NaCl溶液加2 mol/L的NaCl溶液,溶解提取的细胞核物质用0.14 mol/L的NaCl溶液使DNA析出用2 mol/L的NaCl溶液,溶解滤取的DNA黏稠物用2 mol/L的NaCl溶液,溶解丝状物用于鉴定DNA在“DNA的粗提取与鉴定”的实验中,对DNA进行鉴定时,做如下操作:试管序号AB1加2 mol/L的NaCl溶液5 mL加2 mol/L的NaCl溶液5 mL2不加加入提取的DNA丝状物并搅拌3加4 mL二苯胺,混匀加4 mL二苯胺,混匀4沸水浴5分钟沸水浴5分钟实验现象实验结论图12-36-12(1)根据图12-36-12完成表格
20、空白处的实验内容。(2)对于B试管,完成1、2、3的操作后溶液颜色如何?。(3)在沸水浴中加热的目的是,同时说明DNA对高温有较强的。(4)A试管在实验中的作用是。(5)B试管中溶液颜色的变化程度主要与有关。历年真题明考向1.2017全国卷 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
21、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,如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示,那么,这一启示是。2.2017全国卷 几丁质是许多真菌细胞壁的重要成分,几丁质酶可催化几丁质水解。通过基因工程将几丁质酶基因转入植物体内,可增强其抗真菌病的能力。回答下列问题:(1)在进行基因
22、工程操作时,若要从植物体中提取几丁质酶的mRNA,常选用嫩叶而不选用老叶作为实验材料,原因是。提取RNA时,提取液中需添加RNA酶抑制剂,其目的是。(2)以mRNA为材料可以获得cDNA,其原理是。(3)若要使目的基因在受体细胞中表达,需要通过质粒载体而不能直接将目的基因导入受体细胞,原因是(答出两点即可)。(4)当几丁质酶基因和质粒载体连接时,DNA连接酶催化形成的化学键是。(5)若获得的转基因植株(几丁质酶基因已经整合到植物的基因组中)抗真菌病的能力没有提高,根据中心法则分析,其可能的原因是。3.2016全国卷 某一质粒载体如图12-36-13所示,外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导
23、致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载体用BamH酶切后,与用BamH酶切获得的目的基因混合,加入DNA连接酶进行连接反应,用得到的混合物直接转化大肠杆菌。结果大肠杆菌有的未被转化,有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种,分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列问题:图12-36-13(1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有(答出两点即可),而作为基因表达载体,除满足上述基本条件外,还需具有启动子和终止子。(2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选,在上述四种大肠杆菌细胞中,未被转化的
24、和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的,其原因是;并且和的细胞也是不能区分的,其原因是。在上述筛选的基础上,若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落,还需使用含有的固体培养基。(3)基因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其DNA复制所需的原料来自于。4.2016全国卷 图12-36-14中的三个DNA片段上依次表示出了EcoR、BamH和Sau3A三种限制性内切酶的识别序列与切割位点,图为某种表达载体的示意图(载体上的EcoR、Sau3A的切点是唯一的)。图12-36-14根据基因工程的有关知识,回答下列问题:(1)经BamH酶切后得到的目的基因可以与上述表达载体被酶切后的产物
25、连接,理由是。(2)若某人利用图乙所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组子,如图12-36-15所示。这三种重组子中,不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有,不能表达的原因是。图12-36-15(3)DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来的酶,常见的有和,其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是。第十二单元现代生物科技专题第36讲基因工程考点一【知识梳理】1.(1)人们的愿望DNA重组转基因(2)生物类型生物产品(3)DNA分子2.(1)原核生物特定核苷酸特定部位磷酸二酯键黏性平(2)大肠杆菌黏性末端或平末端(3)限制酶标记基因质粒动植物病毒【题组训练】1.(1)DNA能够自我复制具
26、有遗传特性(2)CGCGTADNA连接酶(3)标记基因供重组DNA的鉴定和选择(4)C解析 (1)a代表的物质是大型环状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)与质粒DNA分子的切割末端能够连接的目的基因切割末端之间能够发生碱基互补配对,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)常用的载体有质粒、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。2.(1) (2)DNA连接(3)ABCDEF(4)青霉素和X-gal白D(5)D解析 质粒经过酶M和酶N的切割形成甲、乙片段,根据甲、乙片段的黏性末端可知,两种限制酶的识别序列分别是、,酶M特异性识别的DNA碱基序列是,则酶N特异性识别的DNA碱基序列是。(2)DNA连接酶可以将具有相同黏性末端的DN
