2014届基因工程学案（含答案）.doc

内容：选修3 现代生物科技专题 专题一 基因工程 2014.1.23基因工程的诞生()：阅读教材“科技探索之路 基础理论和技术的发展催生了基因工程”。基因工程（）：按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做DNA重组技术。不同的DNA分子能够实现重组,取决于它们具有相同的结构基础：基本单位都是脱氧核苷酸，空间结构都是规则的双螺旋结构，碱基配对方式都是A与T配对,G与C配对。一、DNA重组技术的基本工具()1、限制性核酸内切酶“分子手术刀”来源：主要是从原核生物中分离纯化出来。迄今为止，已经从近300种不同微生物中分离出了约4000种限制酶。特点：能够识别双链DNA分子中的某种特定核苷酸序列（识别特异性）； 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裂（切割特性）。关于限制酶：（1）不同的限制酶可能识别不同的核苷酸序列，形成不同的黏性末端或平末端；（2）不同的限制酶可能识别相同的核苷酸序列，形成相同的黏性末端或平末端；（3）不同的限制酶可能识别并切割不同的核苷酸序列，但有可能形成相同的黏性末端。作用结果（见课本P5图1-3）：若在识别序列的中心轴线两侧进行切割，形成黏性末端；若在识别序列的中心轴线处切开，则形成平末端。意义：由于大多数限制酶存在于原核生物中，可以切割外源DNA，使之失效，从而达到保护自身的目的；原核生物自身不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰，所以不会对自身造成伤害。2、DNA连接酶“分子缝合针”种类：E.coli DNA连接酶来自大肠杆菌，只能缝合具有黏性末端的双链DNA片段； T4DNA连接酶来自T4噬菌体，既可以缝合黏性末端，也可以缝合平末端。作用结果：将两个DNA片段末端形成磷酸二酯键连接起来。3、基因进入受体细胞的载体“分子运输车”常见种类：质粒、噬菌体的衍生物、动植物病毒等。结构特点（见课本P6图1-5）：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； 有一个或多个限制酶切割位点，供外源基因插入；具有特殊的标记基因（如抗生素抗性基因，荧光蛋白基因），供重组DNA的鉴定和选择；必须对宿主细胞是安全的；载体DNA分子的大小必须合适。在基因工程操作中，真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。4、常见与DNA分子相关工具酶的比较（见创新设计P230考点一.2）比较项目限制酶DNA连接酶DNA聚合酶解旋酶底物DNA分子DNA分子片段脱氧核苷酸DNA分子部位磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键碱基对间的氢键作用结果形成黏性末端或平末端形成重组DNA分子形成新的DNA分子形成单链DNA分子二、基因工程的基本操作程序（）基因工程的基本操作程序主要包括四个步骤（见课本P8图1-8）：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。1、目的基因的提取(1)目的基因：主要是指编码蛋白质的结构基因，如与抗生素抗逆性有关的基因、与优良品质相关的基因、与生物药物和保健品相关的基因、与毒物降解相关的基因，以及与工业所需用酶相关的基因等；少数是具有调控作用的因子。注意：起始密码子、终止密码子与启动子、终止子不同，位于 mRNA上。 (2)提取方法:从自然界中已有的物种中分离出来，如构建基因组文库、cDNA文库从中获取目的基因。适用范围：对目的基因的碱基序列一无所知，且供体DNA数量丰富。基因组文库与cDNA文库的比较：文库类型基因组文库cDNA文库文库大小大小基因中启动子有无基因中内含子有无基因多少某种生物的全部基因某种生物的部分基因物种间的基因交流部分基因可以可以利用PCR技术扩增目的基因适用范围：如果我们对目的基因的碱基序列只知道一部分，可以设计引物。PCR技术（中文全称：聚合酶链式反应）原理：利用DNA双链复制的原理，在体外将基因的核苷酸序列不断加以复制，使其数量成指数方式增加。条件：模板DNA；DNA引物；原料四种脱氧核苷酸(dNTP) ； 热稳定性DNA聚合酶（Taq酶）；Mg2+(激活剂)过程（见课本P10图1-8）：高温变性90-95，使DNA片段双链解开；低温复性55-60，使解链的DNA两条单链分别与相应的引物结合；中温延伸70-75，taq酶催化从引物起始合成子链。PCR技术与DNA复制的比较：PCR技术DNA复制解旋方式DNA在高温作用下变性解旋解旋酶催化场所细胞外细胞内酶耐热的DNA聚合酶（taq酶）DNA解旋酶、普通的DNA聚合酶温度条件较高温度下进行细胞内温和条件合成的对象DNA片段或基因DNA分子人工合成目的基因适用范围如果目的基因的碱基序列全部已知，且基因比较短小。例如，根据蛋白质的氨基酸序列推知可能的目的基因碱基序列，再通过DNA合成仪用化学方法人工合成。2、基因表达载体的构建（基因工程的核心）（1）表达载体的结构（见课本P11图1-10）目的基因：多指基因的编码区启动子：位于基因的首端，是转录起点终止子：位于基因的末端，终止转录标记基因：检测目的基因是否导入受体细胞复制原点限制酶切割位点必须是在所需的标记基因之外，这样才能保证标记基因的完整性，有利于对目的基因的检测。（2）功能使目的基因能够在受体细胞中稳定存在，并能遗传给下一代；使目的基因能够表达和发挥作用。（3）构建过程（如右图）3、将目的基因导入受体细胞（转化）（1）导入植物细胞方法：农杆菌转化法（见课本P12图1-11）、基因枪法、花粉管通道法。受体细胞：体细胞。农杆菌特点：易感染双子叶植物和裸子植物；Ti质粒上的T-DNA可以转移至受体细胞，并且整合到受体细胞的染色体DNA上。（2）导入动物细胞方法：显微注射技术受体细胞：受精卵（3）导入微生物细胞方法：用Ca2处理细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中的DNA分子的生理状态即感受态，再将重组表达载体DNA分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合，在一定的温度下促进感受态细胞吸收DNA分子。原核生物特点：繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少，比较适合做基因工程的受体细胞。4、目的基因的检测与鉴定检测水平检测内容方法分子水平目的基因是否插入到转基因生物的染色体DNA上DNA分子杂交（DNA-DNA）目的基因是否转录出了mRNA分子杂交（DNA-mRNA）目的基因是否翻译成蛋白质抗原抗体杂交个体水平是否使转基因生物获得相应性状抗虫或抗病接种实验三、基因工程的应用（）(一)植物基因工程硕果累累提高农作物的抗逆能力、改良农作物的品质、利用植物生产药物等。1、抗虫转基因植物与抗病转基因植物类型项目抗虫转基因植物抗病转基因植物方法从某些生物中分离出具有杀虫活性的基因，将其导入作物中将抗病基因导入植物中基因种类Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等抗病毒基因：病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因抗真菌基因：几丁质酶基因和抗毒素合成基因成果转基因抗虫棉、转基因抗虫水稻等抗烟草花叶病毒的转基因烟草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等意义减少化学农药的使用，降低生产技术，减少环境污染，降低了对人体健康的损害。2、其他抗逆转基因植物（1）抗逆基因：调节细胞渗透压的基因，提高作物抗盐碱和抗干旱能力；鱼的耐寒基因使作物耐寒；抗除草剂基因，使作物抗除草剂（2）成果：抗盐抗旱烟草、耐寒番茄、抗除草剂玉米等。3、利用转基因改良植物的品质如我国科学家将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米，获得的转基因玉米中赖氨酸的含量比对照组提高30%。(二)动物基因工程前景广阔动物基因工程应用的几个方面项目应用基因来源或处理成果提高动物的生长速度外源生长激素基因转基因绵羊、转基因鲤鱼改善畜产品的品质肠乳糖酶基因转基因牛分泌的乳汁中乳糖含量少转基因动物生产药物药用蛋白基因乳腺 蛋白基因的启动子乳腺生物反应器转基因动物作器官移植 的供体抑制或除去抗原决定基因结合克隆技术 培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官（三）基因工程药物异军突起（1）方式：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。（四）基因治疗曙光初照1、概念：把正常基因导入病人体内，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。3、原理：利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法，即把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。4、途径途径比较体外基因治疗体内基因治疗不同点方法从患者体内获得某种细胞体外完成基因转移筛选、细胞扩增输入体内直接向患者体内组织细胞中转移基因特点操作复杂，但效果可靠方法较简单，但效果难以控制相同点都是将外源基因导入靶细胞，以纠正缺陷基因，目前两种方法都处于临床试验阶段特别提醒：基因治疗并非把健康的外源基因导入患者的所有细胞中，而只是导入某些功能细胞中，且是体细胞。5、用于基因治疗的基因种类（1）功能正常基因 利用表达产物蛋白质发挥作用；（2）反义基因 利用表达产物mRNA发挥作用；（3）蛋白酶基因自杀基因 特异性杀死癌变细胞。四、蛋白质工程的崛起（）（一）蛋白质工程崛起的缘由和基本原理1、基因工程及不足（1）实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。（2）不足：在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。（3）天然蛋白质的不足天然蛋白质的结构和功能复合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。2.蛋白质工程的基本原理（1）概念基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。手段：通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质。目的：获得满足人类生产和生活需求的蛋白质。（2）原理：由预期的蛋白质找到相对应的基因。（3）流程：预期蛋白质功能蛋白质结构推测应有氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列改造的蛋白质（4）成功的实例-70可保存半年的干扰素（半胱氨酸丝氨酸）；高赖氨酸玉米；工业用酶；速效型胰岛素；蛋白质工程方法制成的电子元件。3.面临的困难：蛋白质发挥功能的高级