高考生物一轮复习 第十二单元 第37讲 基因工程课件 苏教版.ppt

第十二单元现代生物科技专题 第37讲基因工程 2015高考导航 1 限制酶只能用于切割目的基因 2 dna连接酶能将两碱基间通过形成氢键连接起来 3 e colidna连接酶既可以连接平口末端 又可以连接黏性末端 4 质粒是小型环状dna分子 是基因工程常用的载体 5 载体的作用是携带目的基因导入受体细胞中 使之稳定存在并表达 6 蛋白质工程可按照人的意愿生产出自然界中不存在的蛋白质 7 由于某些转基因生物可以合成干扰素进入人体 因此转基因食物存在潜在的安全隐患 一 基因工程的概念 重新组合 基因 分离 基因产物 二 基因工程的工具 酶与载体1 限制性核酸内切酶和dna连接酶 识别 黏性末端 黏性末端 2 载体 运载工具 1 功能 将 导入受体细胞 并使其在受体细胞中 2 种类 质粒 以及一些动植物病毒 3 质粒 本质是细菌细胞中小型 分子 外源基因 稳定遗传和表达 噬菌体 环状dna 三 基因工程的操作程序 四 基因工程的应用1 动物基因工程的应用 抗病 产品产量 药用蛋白 2 植物基因工程的应用 光合作用效率 次生代谢产物 3 基因治疗的两种途径 五 生物武器1 种类 细菌 炭疽杆菌 霍乱弧菌 病毒 天花病毒 埃博拉病毒 生化毒剂 肉毒杆菌毒素等 经基因重组的致病菌 通过转基因技术改造的炭疽杆菌 重组流感病毒等 2 特点 1 强 2 污染面广 危害时间长 3 难以防治 4 具有一定的 5 受 影响大 传染性 潜伏期 自然条件 3 局限性 1 生物武器主要指病原微生物 它们的生存 死亡易受环境条件的影响 2 受地形 风向等多种条件影响 3 生物武器使用不易控制 使用不当可能危害本方安全 繁殖 六 蛋白质工程1 蛋白质工程概念 基因 定向改造 2 类型 1 大改 设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质 2 中改 在蛋白质分子中替代 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1个或几个氨基酸残基 某一肽段 3 基本过程 4 应用 1 改造酶的结构 提高酶的 2 生物工程制药 3 疾病 热稳定性 诊断 c 1 以下关于基因工程的操作工具的说法正确的是 a 所有的限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列b 质粒是基因工程中唯一的载体c 载体必须具备的条件之一是 具有多个限制性核酸内切酶切点 以便与外源基因连接d dna连接酶使黏性末端的碱基之间形成氢键 解析 每一种限制性核酸内切酶只能识别一种 或者一类 特定的核苷酸序列 不同的限制性核酸内切酶所识别的核苷酸序列不同 质粒是常用的载体 但不是唯一的 dna连接酶连接的是两个被同一限制性核酸内切酶切割的dna片段的切口 互补的碱基之间通过氢键连接 c 2 如图是一项重要生物技术的关键步骤 字母x代表 a 一定能合成人胰岛素的细菌b 能合成抗体的人类细胞c 可能合成人胰岛素的细菌d 能合成抗生素的人类细胞 解析 本题中的目的基因为人胰岛素基因 导入受体细胞后有可能表达 也有可能不表达 b 3 上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带白蛋白的转基因牛 他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法 使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍 转基因动物 是指 a 提供基因的动物b 基因组中增加外源基因的动物c 能产生白蛋白的动物d 能表达基因信息的动物 解析 转基因生物是指利用基因工程技术导入外源基因培育出的能够将新性状稳定遗传给后代的基因工程生物 转基因动物是指基因组中增加了外源基因的动物 b 4 2013 高考江苏卷 下列关于转基因生物安全性的叙述中 错误的是 a 我国已经对转基因食品和转基因农产品强制实施了产品标识制度b 国际上大多数国家都在转基因食品标签上警示性注明可能的危害c 开展风险评估 预警跟踪和风险管理是保障转基因生物安全的前提d 目前对转基因生物安全性的争论主要集中在食用安全性和环境安全性上 解析 我国农业部颁布了 农业转基因生物标识管理办法 要求对转基因生物产品及其加工品加贴标注 以方便消费者自主选择 但国际上并非大多数国家都在转基因食品标签上警示性注明可能的危害 a项正确 b项错误 目前对转基因生物安全性的争论主要集中在转基因食物的安全性和转基因生物对环境安全的影响上 但这些通过风险评估 预警跟踪和风险管理等都是可以解决的 c d两项正确 1 分子手术刀 限制性核酸内切酶 限制酶 1 存在 主要存在于原核生物中 2 特性 一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列 并且能在特定的切点上切割dna分子 基因工程的操作工具 3 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 如图 中轴线两侧的双链dna上的碱基是反向对称重复排列的 4 切割后末端的种类 dna分子经限制酶切割产生的dna片段末端通常有两种形式 黏性末端和平口末端 如图所示 当限制酶在它识别序列的中轴线两侧将dna的两条链分别切开时 产生的是黏性末端 而当限制酶在它识别序列的中轴线处切开时 产生的则是平口末端 2 分子缝合针 dna连接酶 大肠杆菌 t4噬菌体 只能将双链dna片段互补的黏性末端之间的磷酸二酯键连接起来 缝合两种末端 但连接平口末端之间的效率较低 都缝合磷酸二酯键 如图 3 分子运输车 载体 1 载体具备的条件 能在受体细胞中复制并稳定保存 具有一个至多个限制酶切点 供外源dna片段插入 具有标记基因 供重组dna的鉴定和选择 2 最常用的载体是质粒 它是一种裸露的 结构简单的 独立于细菌拟核之外 并具有自我复制能力的双链环状dna分子 3 其他载体 噬菌体的衍生物 动植物病毒等 2012 高考江苏卷改编 图1表示含有目的基因d的dna片段长度 bp即碱基对 和部分碱基序列 图2表示一种质粒的结构和部分碱基序列 现有msp bamh mbo sma 4种限制性核酸内切酶 它们识别的碱基序列和酶切位点分别为c cgg g gatcc gatc ccc ggg 请回答下列问题 1 图1的一条脱氧核苷酸链中相邻两个碱基之间依次由 连接 2 若用限制酶sma 完全切割图1中dna片段 产生的末端是 末端 其产物长度为 脱氧核糖 磷酸 脱氧核糖 平口 537bp 790bp 661bp 3 若图1中虚线方框内的碱基对被t a碱基对替换 那么基因d就突变为基因d 从杂合子中分离出图1及其对应的dna片段 用限制酶sma 完全切割 产物中共有 种不同长度的dna片段 4 若将图2中质粒和目的基因d通过同种限制酶处理后进行连接 形成重组质粒 那么应选用的限制酶是 在导入重组质粒后 为了筛选出含重组质粒的大肠杆菌 一般需要用添加 的培养基进行培养 经检测 部分含有重组质粒的大肠杆菌菌株中目的基因d不能正确表达 其最可能的原因是 4 bamh 抗生素b 同种限制酶切割形成的末端相同 部分目的基因d与质粒反向连接 解析 1 一条脱氧核苷酸链中相邻的两个碱基之间是通过 脱氧核糖 磷酸 脱氧核糖 相连的 要注意与两条脱氧核苷酸链的相邻碱基之间通过氢键相连进行区分 2 从sma 的识别序列和切点可见 其切割后产生的是平口末端 图1中dna片段有sma 的两个识别序列 故切割后产生的产物长度为537 534 3 bp 790 796 3 3 bp和661 658 3 bp三种 3 图示方框内发生碱基的替换后 形成的d基因失去了1个sma 的识别序列 故d基因 d基因用sma 完全切割后产物中除原有的3种长度的dna片段外 还增加一种 537 790 bp的dna片段 4 目的基因的两端都有bamh 的识别序列 质粒的启动子后抗生素a抗性基因上也有bamh 的识别序列 故应选用的限制酶是bamh 此时抗生素b抗性基因作为标记基因 故筛选时培养基中要添加抗生素b 若重组质粒已导入了受体细胞却不能表达 很可能是因为用同种限制酶切割后 目的基因和质粒有两种连接方式 导入受体细胞的重组质粒是目的基因和质粒反向连接形成的 1 基本操作步骤 1 获得目的基因 从基因文库中获取目的基因 基因文库的含义 将含有某种生物不同基因的许多的dna片段 导入受体菌的群体中通过克隆而储存 这样含有这种生物不同基因的受体菌群体便构成了基因文库 人工合成目的基因的两个途径 a 反转录法 就是以目的基因转录成的mrna为模板 反转录成单链dna再合成双链dna b 逆推法 就是以已知蛋白质的氨基酸序列 推出mrna的核苷酸序列 再推出目的基因序列 然后进行人工合成 c 利用pcr技术扩增目的基因 基因工程的基本操作程序和应用 2 基因表达载体的构建 制备重组dna分子 目的 使目的基因在受体细胞中稳定存在 并可以遗传给下一代 并使目的基因能够表达和发挥作用 3 将目的基因导入受体细胞 农杆菌转化法 显微注射技术 感受态细胞法 体细胞 受精卵 原核细胞 将目的基因插入到ti质粒的t dna上 农杆菌 导入植物细胞 整合到受体细胞的dna 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吸收dna感受态细胞分子 4 筛选重组细胞和目的基因的表达 高考警示 1 只有第三步 将目的基因导入受体细胞 没有发生碱基互补配对 其余都涉及碱基互补配对 2 切割目的基因和载体应用同一种限制酶 3 目的基因与载体的连接方式有多种 如目的基因 目的基因 目的基因 载体 载体 载体等 2 基因工程的应用 1 乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较 动物基因的结构与人类基因的结构基本相同 细菌或酵母菌等生物基因的结构与人类基因的结构有较大差异 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 动物的受精卵 微生物细胞 显微注射法 感受态细胞法 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 从动物乳汁中提取 从微生物细胞中提取 2 基因治疗与基因诊断 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 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 临床实验 临床应用 基因表达载体 2014 山东莱芜调研 如图为利用农杆菌转化法培育转基因抗虫棉的技术流程图 请据图回答 1 图中a为 在构建该结构时 bt毒蛋白基因与ti质粒结合的部位是 t dna片段内 2 过程是 利用农杆菌的优点在于 3 过程为 包括 和 过程 4 通过 实验 才能最终确定是否成功培育出了抗虫棉植株 将基因表达载体转移到农杆菌细胞内 农杆菌可以感染受伤的植物细胞 通过基因转化把t dna上的外源基因导入植物细胞并整合到受体细胞核基因组上 植物组织培养 脱分化 再分化 植物个体水平上的抗虫接种 解析 基因表达载体的构建是基因工程的核心内容 质粒上插入目的基因的位置是在t dna片段内 农杆菌可以感染受伤的植物细胞 通过基因转化把t dna上的外源基因导入植物细胞并整合到受体细胞核基因组上 植物组织培养主要包括脱分化和再分化两个过程 要确定是否成功培育出了抗虫棉植株 需要在植物个体水平上进行抗虫接种实验 如果该植株表现出了抗虫的特性 说明培育成功了 反之 则没有成功 1 基本原理 它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构 又称为第二代基因工程 蛋白质工程 2 蛋白质工程的步骤 3 蛋白质工程与基因工程的比较 中心法则的逆推 基因重组 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 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 生产自然界没有的蛋白质 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 基因的异体表达 生产自然界已有的蛋白质 蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 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 干扰素是动物体内合成的一种蛋白质 可以用于治疗病毒感染和癌症 但在体外保存相当困难 如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸 就可在 70 保存半年 给广大患者带来福音 1 蛋白质的合成是受基因控制的 因此获得能够控制合成 可以保存的干扰素 的基因是生产的关键 依据蛋白质工程原理 设计实验流程 让动物生产 可以保存的干扰素 预期蛋白质的功能 蛋白质三维结构 应有的氨基酸序列 相应的脱氧核苷酸序列 基因 2 基因工程和蛋白质工程相比较 基因工程在原则上只能生产 的蛋白质 不一定符合 的需要 而蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础 通过 或 对现有蛋白质进行 或制造一种新的蛋白质 以满足人类的生产和生活需要 3 蛋白质工程实施的难度很大 原因是蛋白质具有十分复杂的 结构 自然界已存在的 人类生产和生活 基因修饰 基因合成 改造 空间 4 对天然蛋白质进行改造 应该直接对蛋白质分子进行操作 还是通过对基因的操作来实现 原因是 应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造 任何一种天然蛋白质都是由基因编码的 改造了基因也就是对蛋白质进行了改造 而且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去 如果对蛋白质直接改造 即使改造成功 被改造过的蛋白质分子也无法遗传 对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作 难度要小得多 解析 基因工程遵循中心法则 从dna mrna 蛋白质折叠产生功能 从而生产出自然界已有的蛋白质 蛋白质工程是按照以下思路进行的 确定蛋白质的功能 蛋白质应有的空间结构 蛋白质应有的氨基酸序列 基因应有的碱基排列 创造出自然界不存在的蛋白质 蛋白质的结构是由基因决定的 基因可以遗传给后代 而蛋白质不能直接遗传下去 误区辨析 易错点1基因工程操作工具易错辨析 点拨 1 限制酶是一类酶 而不是一种酶 2 限制酶的成分为蛋白质 其作用的发挥需要适宜的理化条件 高温 强酸或强碱均易使之变性失活 3 在切割目的基因和载体时要求用同一种限制酶 目的是产生相同的黏性末端 4 将一个基因从dna分子上切割下来 需要切两处 同时产生4个黏性末端 5 不同dna分子用同一种限制酶切割产生的黏性末端都相同 同一个dna分子用不同的限制酶切割 产生的黏性末端一般不相同 6 限制酶切割位点应位于标记基因之外 不能破坏标记基因 以便于进行检测 7 基因工程中的载体与细胞膜上物质运输的载体不同 基因工程的载体是dna分子 能将目的基因导入受体细胞内 膜载体是蛋白质 与细胞膜的通透性有关 8 基因工程中有3种工具 但工具酶只有2种 易错点2基因工程操作过程中易出现的错误 点拨 1 限制酶剪切目的基因与质粒的次数不同 获取一个目的基因需限制酶剪切2次 共产生4个黏性末端或平口末端 切割质粒则只需要限制酶剪切1次 因为质粒是环状dna分子 而目的基因在dna分子链上 2 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 所以目的基因应插入到启动子与终止子之间的部位 3 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 第一步存在逆转录法获得dna 第二步存在黏性末端连接现象 第四步存在检测分子水平杂交 4 农杆菌转化法原理 农杆菌易感染植物细胞 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 5 目的基因进入受体细胞内 并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程 称为转化 转化的实质是目的基因整合到受体细胞染色体基因组中 6 标记基因的种类和作用 标记基因的作用 筛选 检测目的基因是否导入受体细胞 常见的有抗生素抗性基因 发光基因 表达产物为带颜色的物质 等 7 受体细胞的选择 受体细胞常用植物受精卵或体细胞 经组织培养 动物受精卵 一般不用体细胞 微生物 大肠杆菌 酵母菌 等 要合成糖蛋白 有生物活性的胰岛素则必须用真核生物酵母菌 需内质网 高尔基体的加工 分泌 一般不用支原体 原因是它营寄生生活 一定不能用哺乳动物成熟的红细胞 原因是它无细胞核 不能合成蛋白质 8 还应注意的问题有 基因表达载体中 启动子 dna片段 起始密码子 rna 终止子 dna片段 终止密码子 rna 基因表达载体的构建是最核心 最关键的一步 在体外进行 易错点3基因工程应用中的易错分析 点拨 1 青霉素是诱变后的高产青霉菌产生的 不是通过基因工程改造的工程菌产生的 2 动物基因工程主要为了改善畜产品的品质 不是为了产生体型巨大的个体 1 科学家通过基因工程的方法 能使大肠杆菌产生人的胰岛素 以下叙述错误的是 a 可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒b 导入大肠杆菌的目的基因不一定能成功表达c dna连接酶和限制性内切酶都是构建重组质粒必需的工具酶d 目的基因的检测与表达过程中没有发生碱基互补配对 d 解析 大肠杆菌本身不能在含抗生素的培养基上存活 当导入重组质粒后 质粒含有的抗性基因使大肠杆菌可以存活 起到筛选作用 导入大肠杆菌的目的基因不一定能成功表达 还要进行检测和鉴定 在目的基因检测和表达过程中 dna分子杂交 基因探针与rna的杂交等都要发生碱基互补配对 基因的表达过程中转录和翻译过程也存在碱基