高中生物 专题一 基因工程 第2课时 基因工程的基本操作程序学案 新人教版选修3.doc

第2课时基因工程的基本操作程序目标导读1.结合教材p8图16，整体把握并说出基因工程的原理和基本操作程序。2.尝试设计某一转基因生物(例如让大肠杆菌生产鼠的珠蛋白)的研制过程。重难点击基因工程基本操作程序的四个步骤。1质粒作为载体所具备的条件(1)能自我复制：能够在受体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。(2)有切割位点：有一个至多个限制酶切割位点，供外源基因插入。(3)具有标记基因：具有特殊的标记基因，供重组dna的鉴定和选择。(4)无毒害作用：对受体细胞无毒害作用，否则受体细胞将受到损伤甚至死亡。2dna的复制过程示意图dna复制是一个边解旋边复制的过程，以解开的每一段母链为模板，在dna聚合酶等酶的作用下，利用细胞内游离的四种脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，各自合成与母链互补的一段子链，复制结束后，一个dna分子就形成了两个完全相同的dna分子。3基因的表达是指某一基因通过转录、翻译合成相关蛋白质的过程。课堂导入抗软化番茄是通过将抗多聚半乳糖醛酸酶基因导入番茄细胞培育而成的，具有抗软化、耐储存的优点，这种技术需要特定的操作程序，今天我们就来学习基因工程的基本操作程序。探究点一目的基因的获取1目的基因：主要是指编码蛋白质的基因。2获取目的基因的常用方法(1)从基因文库中获取基因文库：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。基因文库种类文库类型部分基因文库(如cdna文库)基因组文库文库大小小大基因中启动子(具有启动作用的dna片段)无有基因中内含子(位于编码蛋白质序列内的非编码dna片段)无有基因多少某种生物的部分基因某种生物的全部基因物种间的基因交流可以部分基因可以(2)利用pcr技术扩增目的基因原理：dna双链复制。过程：a变性：加热至9095 ，使dna中的氢键断裂，双链解开。b复性：冷却至5560 ，引物与单链相应互补序列结合。c延伸：加热至7075 ，在dna聚合酶的作用下，沿模板延伸子链，最终合成2条dna分子。若pcr过程中，扩增循环的次数是n，则目的基因的量将被扩增2n倍。pcr技术中因为需要在高温下进行，因此需要特殊的热稳定dna聚合酶(taq酶)。(3)人工合成法：如果基因比较小，核苷酸序列又已知，也可以通过dna合成仪用化学方法直接人工合成。归纳提炼两种人工合成目的基因的方法的比较(1)反转录法：主要用于相对分子质量较大而又不知其序列的基因，它是以目的基因的mrna为模板，借助反转录酶合成碱基互补的单链dna，然后在dna聚合酶的作用下合成双链dna。其过程如下图：(2)化学合成法：即依照某一蛋白质的氨基酸序列，通过密码子推算出其基因序列，然后直接合成目的基因。其过程如下图：(3)由于真核细胞的基因含有不表达的dna片段，不能直接用于基因的扩增和表达，因此，在获取真核细胞中的目的基因时，一般是用人工合成目的基因的方法。活学活用1样品dna经pcr技术扩增，可以获取大量dna分子克隆。在试管中进行dna的人工复制(如图)。在很短的时间内，将dna扩增几百万倍甚至几十亿倍，使实验室所需的遗传物质不再受限于活动的生物体。据图回答下列问题：(1)pcr技术的原理是_，图中a过程表示_。(2)某样品dna中共含3 000个碱基对，碱基数量满足：(at)(gc)1/2，现欲得到100个与样品相同的dna，至少需要向试管中加入_个腺嘌呤脱氧核苷酸。(3)a过程也称为dna的变性，此过程在温度高达9095 时才能完成，说明dna分子具有_性。利用pcr技术获取目的的基因的前提是_。(4)由图中信息分析可知，催化c过程的酶是_，它与正常细胞里的酶的区别是_。答案(1)dna分子半保留复制dna解旋(2)99 000(3)稳定要有一段已知目的基因的核苷酸序列(4)dna聚合酶能耐高温解析pcr技术是穆里斯等人在1988年发明的，它是利用dna双链半保留复制的原理，将基因的核苷酸序列不断地加以复制，使其数量呈指数形式增加。其前提是要有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物。扩增的过程是目的基因dna受热变性后解链为单链，引物与单链相应互补序列结合，然后在耐高温的dna聚合酶的作用下进行延伸，如此重复循环结合，使目的基因呈指数形式扩增。探究点二基因表达载体的构建和目的基因的导入1基因表达载体的构建基因表达载体的构建是实施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。(1)基因表达载体的组成基因表达载体模式图启动子：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，最终获得所需要的蛋白质。终止子：也是一段有特殊结构的dna短片段_，位于基因的尾端，使转录在此停止。标记基因：是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而对受体细胞进行筛选。常用的标记基因是抗生素抗性基因。目的基因：目的基因插在启动子和终止子之间。(2)构建基因表达载体的过程小贴士(1)切割质粒和目的基因的限制酶一般是同一种酶，以获得互补的黏性末端，利于重组质粒的构建。但是，为了防止目的基因自我环化，实际操作时也可以用两种不同的限制酶同时进行切割，这两种酶切出的黏性末端应相同。(2)终止子是dna分子上决定转录停止的一段特殊结构的dna短片段；终止密码子是指mrna分子上决定翻译停止的三个相邻碱基。2将目的基因导入受体细胞(1)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。目的基因在受体细胞内的存在形式一般有以下两种：(2)将目的基因导入受体细胞的方法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显微注射技术ca2处理法受体细胞体细胞受精卵原核细胞转化过程将目的基因插入ti质粒的tdna上农杆菌导入植物细胞融合到受体细胞的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感受态细胞吸收dna分子小贴士农杆菌转化法中有二次拼接和二次导入。第一次拼接是将目的基因拼接到ti质粒上tdna的中间部位，第二次拼接(非人工操作)指被插入目的基因的tdna拼接到受体细胞的染色体dna上；第一次导入是将含目的基因的ti质粒重新导入农杆菌，第二次导入(非人工操作)是指含目的基因的tdna进入受体细胞。归纳提炼工具酶构件植物将目的基因导入受体细胞活学活用2农杆菌是一种在土壤中生活的微生物，能在自然条件下感染植物，因而在植物基因工程中得到了广泛的运用。下图为农杆菌转化法的示意图，试回答下列问题：(1)一般情况下农杆菌不能感染的植物是_，利用农杆菌自然条件下感染植物的特点，能实现_。具体原理是在农杆菌的ti质粒上存在tdna片段，它具有可转移至受体细胞并整合到受体细胞_上的特点，因此只要将携带外源基因的dna片段插入到_(部位)即可。(2)根据tdna这一转移特点，推测该dna片段上可能含有控制_(酶)合成的基因。(3)图示c过程中，能促进农杆菌向植物细胞转移的物质是_类化合物。(4)植物基因工程中除了农杆菌转化法之外，还可采取_。(至少写出两种)答案(1)单子叶植物将目的基因导入植物细胞染色体的dnatdna片段(内部)(2)dna连接酶、限制酶(3)酚(4)基因枪法、花粉管通道法解析(1)一般农杆菌不能感染的植物是单子叶植物，可感染双子叶植物和裸子植物。利用其感染性，可实现将目的基因导入植物细胞。真正可转移至受体细胞并整合到受体细胞染色体的dna上的是农杆菌tdna片段，因此目的基因必须插入到该部位才能成功。(2)根据tdna这一转移特点，可以推测该dna片段能控制合成dna连接酶、限制酶以实现与双子叶植物细胞染色体dna的整合。(3)植物细胞受伤后可产生酚类物质，促进农杆菌向植物细胞转移。(4)植物基因工程中除了农杆菌转化法之外，还有基因枪法和花粉管通道法等。探究点三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。1目的基因的检测(1)检测转基因生物的染色体dna上是否插入了目的基因：采用dna分子杂交技术。主要做法是用标记了放射性同位素的目的dna片段作为探针，检测受体细胞的dna中有无目的基因。显示出杂交带，说明目的基因已经插入染色体dna中。(2)检测目的基因是否转录出了mrna：采用分子杂交技术。具体做法与dna和dna分子之间杂交相同，只是它从受体植物中提取的是mrna而不是dna，杂交带的显现也与dna和dna分子之间杂交相同。(3)检测目的基因是否翻译成蛋白质：采用抗原抗体杂交法。具体做法是：从转基因生物中提取蛋白质， 用相应的抗体进行杂交，若有杂交带出现，表明目的基因已经表达了。2鉴定观察图示，判断抗虫棉的接种实验属于个体生物学水平鉴定，通过做抗虫(或抗病)的接种实验以确定是否具有抗性及抗性的程度。归纳提炼基因工程中的几个易错点(1)在基因工程的四个操作步骤中，只有第三步将目的基因导入受体细胞不需碱基互补配对，其余三个步骤都涉及碱基互补配对。(2)原核生物繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对较少，有利于目的基因的复制与表达，因此常采用大肠杆菌等原核生物作为受体细胞。(3)植物细胞的全能性较高，可经植物组织培养过程成为完整植物体，因此受体细胞可以是受精卵也可以是体细胞；动物基因工程中的受体细胞一般是受精卵。活学活用3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，只有通过鉴定和检测才能知道。下列属于目的基因检测和鉴定的是()检测受体细胞是否有目的基因检测受体细胞是否有致病基因检测目的基因是否转录出mrna检测目的基因是否翻译成蛋白质a bc d答案c解析目的基因的检测包括：检测转基因生物的染色体dna上是否插入了目的基因，方法是用dna探针与基因组dna杂交。检测目的基因是否转录出了mrna，方法是dnamrna杂交。最后检测目的基因是否翻译出了蛋白质，方法是进行抗原抗体杂交。1如图为用于基因工程的一个质粒示意图。用ecor限制酶切割目的基因和该质粒，再用dna连接酶连接形成重组质粒，然后导入大肠杆菌，最后将大肠杆菌放在四种培养基中培养：a无抗生素的培养基，b含四环素的培养基，c含氨苄青霉素的培养基，d含四环素和氨苄青霉素的培养基。含重组质粒的大肠杆菌能生长的是()aa ba和c ca和b db和c答案b2下列关于基因工程的叙述，正确的是()a基因工程经常以抗菌素抗性基因作为目的基因b细菌质粒是基因工程常用的载体c通常用一种限制性核酸内切酶处理含目的基因的dna，用另一种处理载体dnad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答案b解析细菌质粒是基因工程常用的载体。基因工程的目的基因是人们所需要的特定基因，可以是抗菌素的抗性基因，也可以是其他基因如抗除草剂基因、胰岛素基因等，故a错；c选项应当用同一种限制性核酸内切酶处理含目的基因的dna和载体dna，以便于目的基因与载体的连接，故c错；d选项也可以把抗除草剂基因导入到其他细胞，再通过植物组织培养发育为完整的抗除草剂植物，故d错。3下图表示一项重要生物技术的关键步骤，字母x可能代表()a不能合成胰岛素的细菌细胞b能合成抗体的人类细胞c能合成胰岛素的细菌细胞d不能合成抗生素的人类细胞答案c解析此题中目的基因是人胰岛素基因，受体细胞是细菌，通过载体将目的基因导入受体细胞后，带有胰岛素基因的细菌在分裂繁殖过程中就可能合成胰岛素。4萤火虫能发光是因为萤火虫体内通过荧光素酶催化的系列反应所产生的现象。如果荧光素酶存在于植物体内，也能使植物体发光，一直以来荧光素酶的唯一来源是从萤火虫腹部提取的。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到大肠杆菌体内，并在大肠杆菌体内生产荧光素酶。请你根据已知的知识回答下列有关问题：(1)提取目的基因通常有两种途径，提取该目的基因的方法最可能的途径是_。(2)在该过程中需要多种酶的参与，其中包括_等。(3)下列可作为受体细胞的生物有()a土壤农杆菌 b结核杆菌c噬菌体 d病毒(4)在此转基因工程中，是由质粒承担载体的。在将体外重组的dna插入大肠杆菌体内之前通常要用_处理大肠杆菌，目的是_。(5)由于荧光素酶的特殊作用，人们一直设想将其基因作为实验工具，将它和某一基因连接在一起导入植物体内，如与固氮基因连接在一起导入植物体内，判断固氮基因是否导入的方法是_。(6)与杂交育种、诱变育种相比，通过基因工程来培育新品种的主要优点是_和_。答案(1)人工合成法(2)限制性核酸内切酶、dna连接酶(3)a(4)ca2增大细胞壁的通透性，使重组质粒能够导入到受体细胞内(5)检测植物是否发光(6)目的明确培育周期短可以克服远缘杂交不亲和性障碍(只要合理，两点即可)基础过关知识点一目的基因的获取1下列关于基因文库的说法，错误的是()a可分为基因组文库和部分基因文库bcdna文库属于部分基因文库c基因组文库的基因在不同物种之间均可进行基因交流d同种生物的cdna文库基因数量较基因组文库基因数量少答案c解析基因组文库只有部分基因能够在不同物种之间进行基因交流。2下列获取目的基因的方法中需要模板链的是()从基因文库中获取目的基因利用pcr技术扩增目的基因反转录法通过dna合成仪利用化学方法人工合成目的基因a b c d答案d解析pcr利用的是dna双链复制原理。即将双链dna之间的氢键打开，变成单链dna，作为聚合反应的模板链。反转录法则是以目的基因转录成的信使rna为模板，在反转录酶的作用下，先反转录形成互补的单链dna，再合成双链的dna。则均不需要模板。知识点二基因表达载体的构建3水母发光蛋白由236个氨基酸构成，其中asp、gly、ser构成发光环，现已将这种蛋白质的基因作为生物转基因的标记，在转基因技术中，这种蛋白质的作用是()a促使目的基因导入宿主细胞中b促使目的基因在宿主细胞中复制c使目的基因容易被检测出来d使目的基因容易成功表达答案c4下列哪项不是表达载体所必需的组成成分()a目的基因 b启动子c终止子 d抗青霉素基因答案d解析a、b、c三项均为表达载体的必要的组成成分；具有标记基因也是表达载体所必需的组成成分，但抗青霉素基因只是标记基因中的一种，不是所有的表达载体都含有。知识点三将目的基因导入受体细胞5人们将苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因导入棉花细胞中培育成为抗虫棉，这个过程中所利用的主要原理是()a基因突变 b基因重组c基因工程 d染色体变异答案b解析将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞中，通过dna复制、转录、翻译合成特定的蛋白质，表现出特定的性状。此题易错选c。基因工程是一种技术手段，而不是生物学原理，抗虫棉的培育利用的是基因工程这一技术手段使基因发生重组。6基因工程常用的受体细胞有()大肠杆菌枯草杆菌支原体动植物细胞a b c d答案d解析基因工程常用的受体细胞有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。知识点四目的基因的检测与鉴定7检测转基因生物是否转录出mrna，应通过何种分子杂交方法实现()adnadna杂交 bdnarna杂交crna蛋白质杂交 d蛋白质蛋白质杂交答案b解析a、b、d三项分别是在复制、转录和翻译水平上检测基因工程是否成功，c项所述分子杂交方法是不存在的。8利用外源基因在受体细胞中表达，可生产人类所需要的产品。下列选项中能说明目的基因完成了在受体细胞中的表达的是()a棉花二倍体细胞中检测到细菌的抗虫基因b大肠杆菌中检测到人胰岛素基因及其mrnac山羊乳腺细胞中检测到人生长激素dna序列d酵母菌细胞中提取到人干扰素蛋白答案d解析基因表达的产物是蛋白质，因此，只有在受体细胞中检测或提取到了相应蛋白质才能证明目的基因在受体细胞中完成了表达。a、c项只能说明完成了目的基因的导入，b项只能说明完成了目的基因的导入和目的基因的转录过程。能力提升9基因工程的正确操作步骤是()构建基因表达载体将目的基因导入受体细胞检测目的基因的表达是否符合特定性状要求提取目的基因a bc d答案c解析基因工程的基本操作步骤为：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。10下列有关pcr技术的叙述，正确的是()a作为模板的dna序列必须不断地加进每一次的扩增当中b作为引物的脱氧核苷酸序列必须不断地加进每一次的扩增当中c反应需要的dna聚合酶必须不断地加进反应当中d反应需要的dna连接酶必须不断地加进反应当中答案b11用某人的胰岛素基因制成的dna探针，能与之形成杂交分子的是()该人胰岛a细胞中的dna该人胰岛b细胞中的mrna该人胰岛a细胞中的mrna该人肝细胞中的dnaa bc d答案c解析人的胰岛素基因存在于人的所有体细胞中，因此该人胰岛a细胞和肝细胞中均含有胰岛素基因，可与用胰岛素基因制成的dna探针形成杂交分子。该人胰岛b细胞中的mrna有一部分是由胰岛素基因转录形成的，也能与用胰岛素基因制成的dna探针形成杂交分子。12在基因表达载体的构建中，下列说法不正确的是()一个基因表达载体的组成包括目的基因、启动子、终止子有了启动子才能驱动基因转录出mrna终止子的作用是使转录在所需要的地方停止所有基因表达载体的构建是完全相同的a b c d答案b解析一个基因表达载体的组成，除了目的基因外，还必须有启动子、终止子以及标记基因等。由于目的基因的不同，所以构建的基因表达载体也是不同的。其中，启动子是与rna聚合酶结合的位点，控制着转录的开始；而终止子控制着转录的结束。13质粒是基因工程中最常用的载体，它存在于许多细菌体内，某细菌质粒上的标记基因如图所示，通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转移成功。外源基因插入的位置不同，细菌在培养基上生长情况也不同，如图所示外源基因在质粒中可插入的位置有a、b、c三点。某同学根据实验现象对其插入的位点进行分析，其中分析正确的是()实验现象实验推论在含青霉素培养基上生长情况在含四环素培养基上生长情况目的基因插入的位置a能生长能生长ab不能生长能生长bc能生长不能生长cd不能生长不能生长c答案b解析若质粒上插入的位置在c点，那么抗四环素基因和抗青霉素基因都没有被破坏，导入该重组质粒的细菌在含青霉素的培养基和在含四环素的培养基上均能生长。14棉铃虫是一种危害棉花的害虫。我国科学工作者发现一种生活在棉铃虫消化道内的苏云金芽孢杆菌能分泌一种毒蛋白使棉铃虫致死，而这种毒蛋白对人畜无害。通过基因工程方法，科学家采用花粉管通道法将毒蛋白基因转入棉花植株并成功表达，棉铃虫吃了这种转基因棉花的植株后就会死亡。花粉管通道法是指：利用植物花粉萌发时形成的花粉管通道将毒蛋白基因送入胚囊，进而导入不具备细胞壁的合子或早期胚体细胞，借助天然的种胚系统，形成含有目的基因的种胚。(1)下列所示的黏性末端是由_种限制酶作用产生的。(2)利用花粉管通道法将毒蛋白基因导入棉花细胞，此过程是基因操作的基本步骤中的第三步，即_。为减少获得目的基因的盲目性，在获得真核生物的目的基因时，应尽量采用_的方法。(3)该目的基因在导入受体细胞前需要与载体结合，目前经常使用的载体有_、_和_。(4)检测该目的基因是否表达的方法是_。答案(1)4(2)将目的基因导入受体细胞人工合成目的基因(3)质粒噬菌体的洐生物动植物病毒(4)让害虫吃棉花，观察害虫的生存状态解析用同一种限制酶切出的黏性末端是相同的，图中四个黏性末端各不相同，故为四种限制酶切割而成；获得目的基因的方法有从原有的物种中分离(基因文库中提取)和人工合成目的基因，后者目的性强；载体最常用的是质粒，另外也可以用噬菌体的洐生物和动植物病毒等，目的基因是否表达可以在分子水平或个体水平上检测。15酵母菌的维生素、蛋白质含量高，可生产食品和药品等。科学家将大麦细胞的ltp1基因导入啤酒酵母菌中，获得的啤酒酵母菌可产生ltp1蛋白，并酿出泡沫丰富的啤酒。基本操作过程如图所示，请据图回答下列问题：(1)该技术定向改变了酵母菌的性状，这种可遗传变异属于_。(2)从大麦细胞中可直接分离获得ltp1基因，还可采用_方法获得目的基因。本操作中为了将ltp1基因导入酵母菌细胞内，所用的载体是_。(3)要使载体与ltp1基因连接，首先应使用_进行切割。假如载体被切割后，得到的分子末端序列为aattcg，则能与该载体连接的ltp1基因分子末端是_。agcttaa btaattcccctttag daaatct(4)切割完成后，采用_酶将载体与l