高三生物一轮复习 专题一 基因工程课件 新人教版选修3.ppt

选修三现代生物进化理论 专题一基因工程 知识排查 考点诠解一 基因工程诞生的理论基础1 基因拼接的理论基础 1 dna是生物的主要遗传物质 2 dna的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸 3 双链dna分子的空间结构都是规则的双螺旋结构 2 外源基因在受体内表达的理论基础 1 基因是控制生物性状的独立遗传单位 2 遗传信息的传递都遵循中心法则阐述的信息流动方向 3 生物界共用一套遗传密码 二 dna重组技术的基本工具1 限制性核酸内切酶 1 来源 原核生物 2 在原核细胞中的作用 能将外来的dna切断 即能够限制异源dna的侵入并使之失去活力 但对自己的dna却无损害作用 这样可以保护细胞原有的遗传信息 由于这种切割作用是在dna分子内部进行的 故名限制性核酸内切酶 简称限制酶 3 在基因工程中的作用特点 专一性 只能识别dna分子中特定的核苷酸序列 且只能在每一条链中特定的部位进行切割 这种能被特异性识别的切割部位都具有回文序列 也就是在切割部位 一条链正向读的碱基顺序 与另一条链反向读的顺序完全一致 2 dna连接酶 1 作用实质 使两个dna单链末端之间形成磷酸二酯键而连接成一个dna 2 常用种类及作用 3 基因进入受体细胞的载体 1 具备条件 对受体细胞无害 不影响受体细胞正常的生命活动 具标记基因 用肉眼无法看到载体是否进入受体细胞 只有载体带标记基因才能对重组dna是否进入受体细胞进行鉴定 能自我复制 通过复制进行基因扩增 否则可能会使重组dna丢失 具有一个或多个限制酶切点 供外源基因插入其中 这些供目的基因插入的限制酶切点所处位置必须是在质粒本身需要的基因之外 这样才不至于因目的基因 外源基因 插入而失活 2 常用载体 质粒 裸露的 结构简单且独立于细菌拟核dna之外的 具有自我复制能力的小型环状dna分子 特别提醒 1 在基因工程中使用运载体的目的有两个 一是作为运载工具 将目的基因送到受体细胞中 另一个目的是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制和保存 2 运载体中供目的基因插入的限制酶切点位置应在质粒本身必需的重要基因之外 这样才不至于因外源基因的插入而导致质粒失活 特别提醒 1 基因 基因文库 目的基因 基因是有遗传效应的dna片段 是控制性状的遗传物质的基本结构和功能单位 基因的脱氧核苷酸序列代表遗传信息 基因文库是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通过克隆而储存 各个受体菌分别含有这种生物的不同基因 叫做基因文库 建立基因文库是为获得大量的目的基因作准备 如果基因文库中含有一种生物的所有基因 这个基因文库叫做基因组文库 如果基因文库中含有一种生物的部分基因 这个基因文库就叫做部分基因文库 如cdna文库 目的基因是基因工程操作中需要的外源基因 它是编码某种蛋白质的结构基因 如生物的抗逆性基因 抗虫基因等 2 基因组文库和cdna文库的比较 3 dna复制 pcr技术与基因克隆 dna复制主要在细胞内完成 是以dna的两条链为模板 根据碱基互补配对原则合成两个完全相同的dna分子的过程 复制的条件是 以dna双链为模板 以四种脱氧核苷酸为原料 需要线粒体供能 还需要多种酶 如解旋酶 dna聚合酶等 pcr技术是一项在生物体外复制特定dna片段的核酸合成技术 它遵循的原理与dna复制原理相同 条件是有一段已知目的基因的核苷酸序列和根据此核苷酸序列合成的引物 原料是四种脱氧核苷酸 也需要多种酶 如dna聚合酶 在pcr扩增仪上自动复制 基因克隆 用多种限制酶或者机械的方法 将某种生物的细胞dna切成不同片段 并把所有片段随机地分别连接到用同种限制酶切过的基因载体上 然后分别转移到适当受体细胞如细菌中 通过细胞增殖而构成各个片段的无性繁殖系 4 pcr技术与dna复制的比较 利用pcr技术获取目的基因的前提 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 引物是一小段dna或rna 2 基因表达载体的构建 重组载体的构建 1 表达载体的组成 目的基因 启动子 终止子 标记基因 3 将目的基因导入受体细胞 转化 特别提醒 在整个基因工程中 只有第三步将目的基因导入受体细胞过程中不发生碱基互补配对 其他步骤均发生 四 抗虫棉的抗虫机理和培育过程1 抗虫棉的抗虫机理培育抗虫棉所用的基因来自苏云金芽孢杆菌 这种基因人工合成以后导入到棉花细胞内 使其在生长发育过程中合成一种毒蛋白 这种毒蛋白可以破坏害虫的消化系统 使取食棉花的棉铃虫中毒死亡 从而达到灭虫效果 提高棉花的抗虫性 2 抗虫棉的培育过程 五 基因工程的成果归纳总结 特别提醒 基因治疗是治疗人类遗传病的根本方法 但由于尚未全面了解基因调控机制和疾病致病的分子机理 基因治疗只处于初期的临床试验阶段 蛋白质具有复杂的空间结构 不同种类的蛋白质具有不同的结构和功能 蛋白质结构的多样性是由构成蛋白质的氨基酸种类 数目 排列顺序以及蛋白质的空间结构来决定的 而其结构多样性的根本原因则是由于控制蛋白质合成的基因的多样性 既然蛋白质的功能是由dna决定的 那么要制造出新的蛋白质 就要改造dna 所以蛋白质工程的原理应该是中心法则的逆推 它的基本途径是 从预期的蛋白质功能出发 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 基因 结合课本中插图 如图 可以较明确地说明这一点 2 蛋白质工程与基因工程比较 热点突破题型一基因工程操作的基本工具典例1如图是含某目的基因的dna片段 据图回答下列问题 1 根据图示可知 若用ecor 和sma 限制酶切割 则此dna片段可有 个限制酶切割位点 切割后共有 种 个切割末端 2 ecor 限制酶切割后形成的末端是 末端 在图中用笔标出切割部位 3 如果ecor 限制酶切割形成的目的基因片段要导入受体细胞 一般需要 作载体 其应具备的特点有 4 e colidna连接酶连接目的基因和载体时连接的是图中 填字母 部位的化学键 5 若某限制酶 的识别序列和切点是 g gatcc 限制酶 的识别序列和切点是 gatc 在质粒上有酶 的一个切点 在目的基因的两侧各有1个酶 的切点 请画出质粒和目的基因两侧分别被限制酶 和限制酶 切割形成黏性末端的过程 技巧点拨 上题第 5 题易漏画目的基因 而只是画出两侧的dna序列 题型二基因工程的操作过程分析典例2已知sars是由一种rna病毒感染所引起的疾病 sars病毒表面的s蛋白是主要的病毒抗原 在sars病人康复后的血清中有抗s蛋白的特异性抗体 某研究小组为了研制预防sars病毒的疫苗 开展了前期研究工作 其简要的操作流程如下 1 实验步骤 所代表的反应过程是 2 步骤 构建重组表达载体a和重组表达载体b必须使用限制性内切酶和 酶 后者的作用是将用限制性内切酶切割的 和 连接起来 3 如果省略步骤 而将大量扩增的s蛋白基因直接导入大肠杆菌 一般情况下 不能得到表达的s蛋白 其原因是s蛋白基因在大肠杆菌中不能 也不能 4 为了检验步骤 所表达的s蛋白是否与病毒s蛋白有相同的免疫反应特性 可用 与 进行抗原 抗体特异性反应实验 从而得出结论 5 步骤 和 的结果相比 原核细胞表达的s蛋白与真核细胞表达的s蛋白的氨基酸序列 填 相同 或 不同 根本原因是 解析 1 利用rna获取dna 一般采用逆转录的方法 在这一过程中需要逆转录酶 2 目的基因与载体结合 先用限制性内切酶在目的基因和载体上切出相同的黏性末端 将目的基因片段插入运载体的切口处 再加入适量dna连接酶 将黏性末端连接起来 3 选择性扩增后得到的含有遗传信息的dna片段 s蛋白基因 直接导入大肠杆菌细胞内 在不与其dna整合的情况下 不进行复制和转录 得不到相应的蛋白质 4 通过大肠杆菌合成的s蛋白 结构和功能可能会发生变化 可与人体内产生的抗s蛋白的抗体进行抗原 抗体特异性反应 以此进行检测 5 各种生物都共用一套遗传密码 因此转入相同的目的基因 表达出的蛋白质一般应相同 答案 1 逆转录 2 dna连接载体s蛋白基因 3 复制合成s蛋白基因的mrna 4 大肠杆菌中表达的s蛋白sars康复病人血清 5 相同表达蛋白质所用的基因相同且共用一套遗传密码 题型三基因工程的应用典例3继哺乳动物乳腺生物反应器研究成功后 膀胱生物反应器的研究也取得了一定进展 最近 科学家培育出一种转基因小鼠 其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中 请回答 1 将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞 常用方法是 2 进行基因转移时 通常要将外源基因转入 中 原因是 3 通常采用 技术检测外源基因是否插入到了小鼠的基因组 4 在研制膀胱生物反应器时 应使外源基因在小鼠的 细胞中特异表达 5 为使外源基因在后代长期保持 可将转基因小鼠体细胞的 转入 细胞中构成重组细胞 使其发育成与供体具有相同性状的个体 该技术称为 解析 1 将目的基因导入受体细胞的方法 因受体细胞的种类不同而不同 将目的基因导入动物细胞 采用最多也最有效的方法是显微注射法 2 作为动物基因工程的受体细胞通常是受精卵 因为受精卵具有全能性 可使目的基因在相应组织中得以表达 3 在目的基因的检测和鉴定中 检测目的基因是否插入到受体细胞染色体dna中 可用标记的dna分子作探针 进行dna分子杂交 4 膀胱生物反应器中得以表达目的基因的是膀胱上皮细胞 5 动物体细胞核移植 克隆 技术可以使供体细胞核的全能性得以表达 受体细胞是去核的卵细胞 m 期卵母细胞 答案 1 显微注射法 2 受精卵 或早期胚胎 受精卵 或早期胚胎细胞 具有全能性 可使外源基因在相应组织细胞中得以表达 3 dna分子杂交 或核酸探针 4 膀胱上皮 5 细胞核去核的卵核移植 或克隆 规律方法 根据不同的基因操作 可选用不同的受体细胞 1 培育转基因动物 受体细胞一般选用受精卵 2 培育转基因植物 受体细胞可选用受精卵或体细胞 若选用体细胞 再通过植物组织培养 即可获得转基因植株 3 若生产基因工程药品 受体细胞一般选用细菌 利用细菌繁殖速度快的特点 可在短期内获得大量产品 题型四蛋白质工程与基因工程的关系典例4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 要经过较长的时间才能进入血液 而进入血液的胰岛素又容易分解 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 通过dna合成形成的新基因应与 结合后转移到 中才能得到准确表达 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 5 下列关于蛋白质工程的说法错误的是 a 蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构 使之更加符合人类需要b 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c 蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子d 蛋白质工程与基因工程密不可分 又称为第二代基因工程 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的功能 即速效胰岛素 2 合成的目的基因应与运载体构建基因表达载体后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 形成目的基因 改造好的目的基因需通过基因工程来生产基因产物 并且在生产过程中要借助工程菌 所以还需要进行发酵 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氨基酸的序列 推测出基因中的脱氧核苷酸序列 然后用dna合成仪直接合成出新的基因 5 由于基因决定蛋白质 因此 要对蛋白质的结构进行设计改造 最终还必须通过改造基因来完成 而不是直接对蛋白质分子进行操作 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 推测出其基因中的脱氧核苷酸序列 然后利用dna合成仪来合成出新的胰岛素基因 5 b 随堂演练1 下图为dna分子的某一片段 其中 分别表示某种酶的作用部位 则相应的酶依次是 a dna连接酶 限制酶 解旋酶b 限制酶 解旋酶 dna连接酶c 解旋酶 限制酶 dna连接酶d 限制酶 dna连接酶 解旋酶 解析 使碱基对内氢键断裂的是解旋酶 限制酶将特定部位的相邻两脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键断开 连接dna片段间磷酸二酯键的是dna连接酶 答案 c 2 下列关于基因表达载体构建的相关叙述 不正确的是 a 需要限制酶和dna连接酶b 必须在细胞内进行c 抗生素抗性基因可作为标记基因d 启动子位于目的基因的首端解析 基因表达载体是目的基因与载体结合 在此过程中需用同一种限制酶切割目的基因与载体 用dna连接酶将相同的末端连接起来 基因表达载体的构建是在细胞外进行的 基因表达载体包括启动子 目的基因 终止子和标记基因 其中启动子位于基因首端使转录开始 终止子在目的基因之后 答案 b 3 基因工程中 需使用特定的限制酶切割目的基因和质粒 便于重组和筛选 已知限制酶 的识别序列和切点是 g gatcc 限制酶 的识别序列和切点是 gatc 根据图示判断下列操作正确的是 a 目的基因和质粒均用限制酶 切割b 目的基因和质粒均用限制酶 切割c 质粒用限制酶 切割 目的基因用限制酶 切割d 质粒用限制酶 切割 目的基因用限制酶 切割解析 本题中要遵循一个原则 不能同时将两个标记基因切开 至少保留一个 所以只能用酶 切割质粒 而从目的基因右侧碱基序列可知只能用酶 答案 d 4 下列关于基因工程的叙述 错误的是 a 目的基因和受体细胞均可来自动 植物或微生物b 限制性核酸内切酶和dna连接酶是两类常用的工具酶c 人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性d 载体上的抗性基因有利于筛选含重组dna的细胞和促进目的基因的表达 解析 目的基因和受体细胞均可来自动 植物或微生物 基因工程中常用的工具酶有限制性核酸内切酶和dna连接酶 大肠杆菌为原核生物 不含有内质网和高尔基体等细胞器 不能对蛋白质进行加工 其合成的胰岛素原无生物活性 运载体中的抗性基因为标记基因 其作用是有利于筛选含重组dna的细胞 不能促进目的基因的表达 答案 d 5 钱永键先生因在研究绿色荧光蛋白方面的杰出成就而获2008年诺贝尔奖 在某种生物中检测不到绿色荧光 将水母绿色荧光蛋白基因转入该生物体内后 结果可以检测到绿色荧光 由此可知 a 该生物的基因型是杂合的b 该生物与水母有很近的亲缘关系c 绿色荧光蛋白基因在该生物体内得到了表达d 改变绿色荧光蛋白基因的1个核苷酸对 就不能检测到绿色荧光解析 在转基因生物体内能检测到绿色荧光 说明绿色荧光基因已在生物体内成功表达 答案 c 6 2010 浙江理综卷 在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中 下列操作错误的是 a 用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸b 用dna连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体c 将重组dna分子导入烟草原生质体d 用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞 解析 限制性核酸内切酶切割的是dna 而烟草花叶病毒的遗传物质为rna a错 目的基因与载体的连接由dna连接酶催化连接 b对 受体细胞为植物细胞 所以可以是烟草原生质体 c对 目的基因为抗除草剂基因 所以未成功导入目的基因的细胞不具有抗除草剂的能力 筛选的时候应该用含除草剂的培养基筛选转基因细胞 d对 答案 a 7 苏云金杆菌 bt 能产生具有杀虫能力的毒素蛋白 下图是转bt毒素蛋白基因植物的培育过程示意图 ampr为抗氨苄青霉素基因 据图回答下列问题 1 将图中 的dna用hind bamh 完全酶切后 反应管中有 种dna片段 2 图中 表示hind 与bamh 酶切 dna连接酶连接的过程 此过程可获得 种重组质粒 如果换用bst 与bamh 酶切 目的基因与质粒连接后可获得 种重组质粒 3 目的基因插入质粒后 不能影响质粒的 4 图中 的ti质粒调控合成的vir蛋白 可以协助带有目的基因的t dna导入植物细胞 并防止植物细胞中 对t dna的降解 5 已知转基因植物中毒素蛋白只结合某些昆虫肠上皮细胞表面的特异受体 使细胞膜穿孔 肠细胞裂解 昆虫死亡 而该毒素蛋白对人类的风险相对较小 原因是人类肠上皮细胞 6 生产上常将上述转基因作物与非转基因作物混合播种 其目的是降低害虫种群中的 基因频率的增长速率 解析 1 bamh 在 中有2个切点 hind 在 中有1个切点 故可切出4种dna片段 2 因hind 切出的末端与bamh 切出的末端不同 则重组的质粒有2种 bst 与bamh 切出的末端相同 则有1种重组质粒 3 质粒进入宿主细胞必须能正常复制才能为目的基因的扩增提供必要的条件 4 因为植物细胞中有能降解t dna的酶 dna水解酶 5 不同生物的基因不同 表达产物的蛋白质也不同 从而造成人类肠上皮细胞