高考生物 第一章 基因工程复习课件 新人教版.ppt

第一章基因工程 一 基因工程概述1 概念 是指在体外通过人工 剪切 和 拼接 等方法 对生物的基因进行改造和重新组合 然后导入受体细胞 并使重组基因在 内表达 产生出人类所需要的基因产物的技术 受体细胞 特定核苷酸 磷酸二酯 黏性末端或平口末端 2 dna连接酶 通过形成 将黏性末端或 连接起来 磷酸二酯键 平口末端 小型环状dna分子 标记基因 限制酶切点 复制 3 基本步骤 1 获取目的基因 2 制备重组dna分子 用同一种限制性核酸内切酶切割质粒的目的基因 用dna连接酶将黏性末端连接形成 重组dna分子 3 转化 4 筛选重组细胞 5 实现功能表达 受体细胞 思考探究1 dna连接酶与dna聚合酶有什么区别 提示 dna聚合酶是以一条dna链为模板 将单个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键形成一条与模板链互补的dna链 而dna连接酶是将dna双链上的两个缺口同时连接起来 因此 dna连接酶不需要模板 二 基因工程的应用1 基因工程的应用 1 动物方面 可以提高抗病能力 提高产品质量 改善 生产药用蛋白等 产品品质 2 植物方面 可以提高植物光合作用效率 延长果实的储藏期 提高植物次生代谢产物的含量 提高植物的抗性等 3 基因诊断 又称 是采用 的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体等 dna诊断 基因检测 4 基因治疗 是指利用正常基因 或 缺陷基因的治疗方法 2 转基因生物的安全性问题 1 转基因生物与食品安全深入研究长期食用转基因食品是否会导致某种毒素在人体内积累 置换 弥补 2 转基因生物与环境安全 转基因植物的扩散对 有无影响 导入的目的基因是否会扩散漂移到其他物种而导致自然界的混乱 生物多样性 若大面积种植转基因植物 其残体分解物 根据分泌物等是否对 造成大规模的负面效应等 生态与环境 3 措施 保障公众对所购食品是否来源于转基因生物拥有 国家应建立相应的 及预警机制 3 生物武器 知情权 评估 1 种类 2 特点 传染性强 污染面广 危害时间长 直接喷洒的生物气溶胶 可随风飘到较远的地区 杀伤范围可达数百至数千平方米 在适宜条件下 生物武器存活时间较长 不易被发现 难以防治 具有一定的潜伏期 受自然条件影响大 3 局限性 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 繁殖 受地形 风向等多种条件影响 生物武器使用不易控制 使用不当可能危害本方安全 思考探究2 转基因牛与正常牛相比最大的特点是什么 提示 转基因牛与正常牛相比最大的特点是在基因组中含有外源的基因 从而具有正常牛没有的性状 三 蛋白质工程1 要点 1 前提 了解蛋白质的结构与功能关系 2 关键技术 3 核心技术 基因定点诱变技术 4 目的 定向地改造或创造自然界不存在的 基因工程 蛋白质 2 类型 1 大改 目标是设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质 2 中改 指在蛋白质中替代某一个 或一个 3 小改 指通过基因工程中的定点诱变技术 有目的地改造蛋白质中某活性部位的 氨基酸 肽段 特定的结构域 1个或几个 3 技术过程 4 应用 1 工业 改造酶的结构 有目的的提高酶的热稳定性 2 医药 鼠 人嵌合抗体 单体速效胰岛素 3 环境保护 1 与dna有关的几种酶比较 2 基因工程的载体 特别提醒 1 获取目的基因和切割载体时使用同一种限制性核酸内切酶 目的是产生相同的黏性末端 2 获取一个目的基因需限制酶剪切两次 共产生4个黏性末端或平口末端 3 限制酶切割位点的选择必须保证标记基因的完整性 以便于检测 即时应用1 2010 江苏单科 下表中列出了几种限制酶识别序列及其切割位点 图1 图2中箭头表示相关限制酶的酶切位点 请回答下列问题 1 一个图1所示的质粒分子经sma 切割前后 分别含有 个游离的磷酸基团 2 若对图中质粒进行改造 插入的sma 酶切位点越多 质粒的热稳定性越 3 用图中的质粒和外源dna构建重组质粒 不能使用sma 切割 原因是 4 与只使用ecor 相比较 使用bamh 和hind 两种限制酶同时处理质粒 外源dna的优点在于可以防止 5 为了获取重组质粒 将切割后的质粒与目的基因片段混合 并加入 酶 6 重组质粒中抗生素抗性基因的作用是为了 7 为了从cdna文库中分离获取蔗糖转运蛋白基因 将重组质粒导入丧失吸收蔗糖能力的大肠杆菌突变体 然后在 的培养基中培养 以完成目的基因表达的初步检测 解析 本题考查基因工程的限制性内切酶的作用特点 1 质粒切割前是双链环状dna分子 所有磷酸基团参与形成磷酸二酯键 故不含游离的磷酸基团 从图1可以看出 质粒上只含有一个sma 的切点 因此被切割后 质粒变为线性双链dna分子 因每条链上含有一个游离的磷酸基团 因此切割后含有两个游离的磷酸基团 2 由题目可知 sma 识别的dna序列只有g和c 而g和c之间可以形成三个氢键 a和t之间可以形成二个氢键 所以sma 酶切位点越多 热稳定性就越高 3 质粒抗生素抗性基因为标记基因 由图2可知 标记基因和外源dna目的基因中均含有sma 酶切位点 都可以被sma 破坏 故不能使用该酶剪切质粒和含有目的基因的dna 4 只使用ecor 则质粒和目的基因两端的黏性末端相同 用连接酶连接时 会产生质粒和目的基因自身连接物 而利用bamh 和hind 剪切时 质粒和目的基因两端的黏性末端不同 用dna连接酶连接时 不会产生自身连接产物 5 质粒和目的基因连接后获得重组质粒 该过程需要连接酶作用 故混合后加入dna连接酶 6 质粒上的抗性基因为标记基因 用于鉴别和筛选含有重组质粒的受体细胞 7 目的基因为蔗糖转运蛋白基因 所用的受体细胞为丧失吸收蔗糖能力的大肠杆菌突变体 若将重组质粒导入了受体细胞 则受体细胞应能从培养基中吸收蔗糖 故应在以蔗糖为唯一碳源的培养基上进行培养 答案 1 0 2 2 高 3 sma 会破坏质粒的抗性基因 外源dna中的目的基因 4 质粒和含目的基因的外源dna片段自身环化 5 dna连接 6 鉴别和筛选含有目的基因的细胞 7 蔗糖为唯一含碳营养物质 1 目的基因的获取 1 直接分离 从自然界已有的物种中分离 如从基因文库中获取 2 人工合成目的基因 已知核苷酸序列的较小基因 直接利用dna合成仪用化学方法合成 不需要模板 以rna为模板 在逆转录酶作用下人工合成 3 利用pcr技术扩增目的基因 原理 dna双链复制 条件 模板 四种游离的脱氧核苷酸 热稳定的dna聚合酶 引物等 过程 加热至94 dna解链 冷却到40 60 引物结合到互补dna链 加热至72 左右 热稳定dna聚合酶从引物起始进行互补链的合成 2 基因表达载体的构建 3 将目的基因导入受体细胞 4 目的基因的检测和鉴定 即时应用2 2011 海南单科 回答有关基因工程的问题 1 构建基因工程表达载体时 用不同类型的限制酶切割dna后 可能产生黏性末端 也可能产生 末端 若要在限制酶切割目的基因和质粒后使其直接进行连接 则应选择能使二者产生 相同 不同 黏性末端的限制酶 2 利用大肠杆菌生产人胰岛素时 构建的表达载体含有人胰岛素基因及其启动子等 其中启动子的作用是 在用表达载体转化大肠杆菌时 常用 处理大肠杆菌 以利于表达载体进入 为了检测胰岛素基因是否转录出了mrna 可用标记的胰岛素基因片段作探针与mrna杂交 该杂交技术称为 为了检测胰岛素转录的mrna是否翻译成 常用抗原 抗体杂交技术 3 如果要将某目的基因通过农杆菌转化法导入植物细胞 先要将目的基因插入农杆菌ti质粒的 中 然后用该农杆菌感染植物细胞 通过dna重组将目的基因插入植物细胞的 上 解析 1 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 当限制酶在它识别序列的中心轴两侧将dna切开时 产生的是黏性末端 而当限制酶在它识别序列的中心轴线切开时 产生的是平口末端 要使目的基因和质粒直接进行连接 应使用同种限制酶切割目的基因和质粒 使二者产生相同黏性末端 2 一个基因表达载体的组成 除含有目的基因外 还必须有启动子 终止子和标记基因 启动子是一段有特殊结构的dna片段 位于基因首端 是rna聚合酶识别和结合部位 可以驱动目的基因转录出mrna 在用表达载体转化大肠杆菌时 为便于表达载体进入 常用cacl2处理大肠杆菌 要检测目的基因是否转录出对应的mrna 可采用分子杂交技术 即用目的基因片段作探针 与mrna杂交 如果显示出杂交带 则表明目的基因转录出了mrna 3 运用农杆菌转化法将目的基因导入植物细胞时 要先将目的基因插入农杆菌ti质粒的t dna中 然后将该农杆菌感染植物细胞 通过dna重组将目的基因插入到植物细胞的染色体dna上 答案 1 平口相同 2 驱动胰岛素基因转录出mrnacacl2溶液 或ca2 分子杂交技术蛋白质 3 t dna染色体dna 特别提醒 1 转基因生物的优缺点 2 对待转基因生物的正确态度是趋利避害 不能因噎废食 即时应用3 在对番茄的研究中发现 害虫损伤番茄叶片后 叶上的细胞壁能释放出一种类激素因子 这种物质通过细胞组织扩散到茎和其他叶片上 启动了蛋白酶抑制剂的基因 开始高效合成蛋白酶抑制剂 并在茎叶中迅速积累 以对付害虫的再次侵袭 蛋白酶抑制剂对害虫的消化酶有抑制作用 因此害虫取食后 就会因无法消化食物而被杀死 人们尝试着将番茄的蛋白酶抑制剂基因导入玉米 让玉米获得与番茄相似的抗虫性状 以对付异常猖獗的玉米螟 一种玉米害虫 试分析回答下列问题 1 番茄的蛋白酶抑制剂很可能是在茎叶细胞的 上合成的 2 将番茄的蛋白酶抑制剂基因导入玉米内 使玉米形成新的性状 这种变异属于 3 能抗玉米螟的抗虫玉米的生态效益显著 有人认为抗虫玉米就是无虫玉米 不必防治害虫 你是否赞成这种说法 说明理由 4 有人对食用这种转基因玉米的安全性感到担忧 你认为这种担忧有道理吗 试以学过的知识进行简要的分析说明 解析 1 番茄的蛋白酶抑制剂是由基因控制合成的 其化学本质应为蛋白质 在核糖体上合成 2 玉米获得了外源基因 产生了新的性状 应属于基因重组 3 玉米获得的抗虫性状 仅对玉米螟有效 对于其他害虫无抗性 所以还要防治其他害虫 4 转基因抗虫玉米的安全性问题具有两面性 可能存在问题 如干扰人体消化系统 也可能没必要担忧 因人类与害虫的消化酶存在差异 或目的基因表达的蛋白酶抑制剂经玉米煮熟后结构被破坏 不会对人的消化造成影响 本题具有开放性 回答时 要结合所学知识 深入分析 答案 1 核糖体 2 基因重组 3 不赞成 转基因玉米能抵抗玉米螟 但并不能抵抗所有的害虫 4 如 有道理 这种转基因玉米的果实中可能含有蛋白酶抑制剂 食用后可能抑制人体消化酶的活性 使人无法对食物进行消化而患病 无必要 因为人与害虫消化酶的结构存在差异 玉米的蛋白酶抑制剂对害虫的消化酶有抑制作用 但对人可能无影响 无必要 人类食用的通常是煮熟后的玉米食品 玉米蛋白酶抑制剂在高温下已经被破坏 因此不会对人的消化造成不良影响 合理即可 1 蛋白质工程与基因工程的比较 2 蛋白质组计划与人类基因组计划的比较 即时应用4 2012 常州模拟 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的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 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 3 新的胰岛素基因与载体 质粒 结合过程中需要限制性核酸内切酶和dna连接酶 已知限制性核酸内切酶 的识别序列和切点是 g gatcc 请画出质粒被限制性核酸内切酶 切割后所形成的黏性末端 dna连接酶对所连接的dna两端碱基序列是否有专一性要求 4 若将含有新的胰岛素基因的重组dna分子导入植物细胞中 最常用的有效做法是 5 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 6 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 蛋白质工程能生产自然界中不曾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 蛋白质工程的目的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即速效胰岛素的功能 合成的目的基因应与载体构建成基因表达载体后导入受体细胞中才能得以表达 利用蛋白质工程生产自然界原本不存在的新的胰岛素 需要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糖核苷酸序列 再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要通过基因工程来生产基因产物 并且在生产过程中需要借助工程菌 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 答案 1 蛋白质的预期功能 2 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糖核苷酸序列 然后利用dna合成仪来合成新的胰岛素基因 4 农杆菌介导转化技术 5 蛋白质工程基因工程 6 b 3 视角1洞察高考热点 2011 山东理综 人类疾病的转基因动物模型常用于致病机理的探讨及治疗药物的筛选 利用正常大鼠制备遗传性高血压转基因模型大鼠的流程如图所示 1 卵母细胞除从活体输卵管中采集外 还可以从处死的雌鼠 中获取 2 图中的高血压相关基因作为 质粒作为 二者需用 切割后连接成重组载体 该过程与质粒上含有 有关 3 子代大鼠如果 和 即可分别在分子水平和个体水平上说明高血压相关基因已成功表达 然后可用其建立高血压转基因动物模型 4 在上述转基因大鼠的培育过程中 所用到的主要胚胎工程技术是 早期胚胎培养和胚胎移植 解析 1 胚胎工程中卵母细胞的采集常从活体输卵管中获取 也可以从已处死的雌性动物卵巢中获取 2 图示为转基因技术在胚胎工程中的应用 图中的高血压相关基因为目的基因 质粒作为载体 构建重组质粒时 需用同种限制酶切割目的基因和质粒分子 由于二者有相同限制酶切割位点 二者可以连接形成基因表达载体 3 目的基因的表达检测可以分别在分子水平和个体水平检测 即检测体内是否产生相关蛋白质和是否出现高血压症状 4 题中转基因大鼠培育过程中 用到的生物技术有转基因技术 体外受精技术 早期胚胎培养和胚胎移植技术 其中后三者从属于胚胎工程技术 答案 1 卵巢 2 目的基因载体同种限制性核酸内切酶 或 同种限制酶 限制酶切割位点 3 检测到体内有相关蛋白出现高血压 4 体外受精 归纳总结 1 乳腺生物反应器受生物性别的限制 若从动物尿液中提取目的基因产物则不受性别限制 2 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产生的分子机理 基因治疗目前只是处于初期的临床试验阶段 3 基因工程的目的不同 可选用的受体细胞不同 若生产基因工程药品 受体细胞一般选用微生物 利用微生物繁殖速度快的特点 可在短期内获得大量产品 变式训练 1 饲料加工过程温度较高 要求植酸酶具有较好的高温稳定性 利用蛋白质工程技术对其进行改造时 首先必须了解植酸酶的 然后改变植酸酶的 从而得到新的植酸酶 2 培育转植酸酶基因的大豆 可提高其作为饲料原料时磷的利用率 将植酸酶基因导入大豆细胞常用的方法是 请简述获得转基因植株的完整过程 3 为了提高猪对饲料中磷的利用率 科学家将带有植酸酶基因的重组质粒通过 转入猪的受精卵中 该受精卵培养至一定时期后可通过 方法 从而一次得到多个转基因猪个体 4 若这些转基因动 植物进入生态环境中 对生态环境有何影响 解析 1 蛋白质工程的原理是从预期的蛋白质的功能出发推测出蛋白质的结构 从而推测出相应的氨基酸序列 再对基因进行改造从而得到新的蛋白质 而不能直接改造蛋白质 因为它不能遗传 2 基因导入植物细胞常用的方法是农杆菌转化法 转基因植株培育的完整过程必须包含四个步骤 即基因工程的四个操作步骤 3 重组质粒导入动物细胞常用的方法叫显微注射法 想得到多个具有相同遗传物质的个体的方法是胚胎分割移植 4 转基因生物进入生态环境 对生态环境的影响应从正反两方面评价 只要答案合理就可以 答案 1 空间结构氨基酸序列 2 农杆菌转化法外源植酸酶基因 农杆菌 大豆细胞 鉴定 3 显微注射胚胎分割 4 减少环境中磷的污染 但基因可能扩散到环境中 引起基因污染 答案合理即可 视角2体验方法要点对基因工程操作的点拔1 基因文库中不是直接保管相应基因 基因文库中的基因保存在受体菌中 2 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 3 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 4 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 土壤农杆菌是一种能引起双子叶植物产生冠瘿瘤的土壤细菌 它带有一个大的质粒叫ti质粒 它是携带细菌dna向宿主植物基因组转化所需信息的重要片段 只有t dna片段才能转入植物细胞的基因组 结构如右图及转化过程如下图所示 回答相关问题 1 从细胞结构的特点与复杂程度看 土壤农杆菌属于 细胞 其质粒是能够自主 的环状dna分子 2 为了使某种植物具有抗旱性状而又不引起植物产生冠瘿瘤 需对ti质粒进行修饰 即去除瘤基因 将抗旱基因转移至 然后在一定条件下将外植体在含 的稀释培养基上培养 此时修饰的t dna转入植物细胞并整合到植物基因组中 3 将上述外植体置于一个含有某种抗生素的合适培养基中进行筛选 发生转化的外植体开始增殖 形成愈伤组织 其特点是 通过产生不定芽和体细胞胚再长出整个植物 4 基因转化是否成功应对转基因植物进行鉴定 可以直接在 水平对转基因植物与非转基因植物进行比较 为获得纯合的转基因植株 还需要对转基因植株进行严格的 解析 1 土壤农杆菌属于原核细胞 其质粒能够自主复制 2 目的基因要插入t dna上 外植体与含目的基因的土壤农杆菌混合培养 修饰的t dna转入植物细胞并整合到植物基因组中 3 愈伤组织是高度液泡化的 没有分化的活的薄壁细胞团 4 对转基因植物进行鉴定 转基因植物与非转基因植物进行比较 是在个体水平 表现型 导入目的基因的转基因植物是杂合子 为获得纯合的转基因植株 还需要对转基因植株进行严格的自交 答案 1 原核复制 2 t dna土壤农杆菌 3 没有分化的活的薄壁细胞团 4 个体 表现型 自交 变式训练 2012 南京模拟 如图为获得抗虫棉的技术流程 在培育转基因植物的研究中 卡那霉素抗性基因 kanr 常作为标记基因 只有含卡那霉素抗性基因的细胞才能在卡那霉素培养基上生长 请据图回答 1 a过程所用的载体是 需要的工具酶有 和 2 c过程的培养基除含有必需的营养物质 琼脂和激素外 还需加入 3 由图中离体棉花叶片组织获得转基因抗虫棉植株可采用 技术 该技术所依据的原理是 4 如果利用dna分子杂交原理对再生植株进行检测 d过程应该用放射性同位素 或荧光分子 标记的 作为探针 5 如果从个体生物学水平来鉴定 d过程可用的最简单检测方法是 解析 1 图中作为载体的是含kanr质粒 基因工程中的工具酶有dna连接酶和限制性核酸内切酶 2 c过程的培养基为选择培养基 为了筛选出含有目的基因的重组质粒 培养基中应含有卡那霉素 3 离体植物组织培育植株采用植物组织培养技术 依据的原理是植物细胞的全能性 4 再生植株检测应该检验是否抗虫 因此要用放射性同位素标记抗虫基因 5 可以用棉铃虫食用再生植株 通过虫子的是否死亡判断是否为抗虫植株 答案 1 含kanr质粒限制性核酸内切酶dna连接酶 两种酶顺序可颠倒 2 卡那霉素 3 植物组织培养植物细胞全能性 4 抗虫基因 5 让棉铃虫食用再生植株 抗虫接种实验 视角3突破易错疑点对 基因诊断 和 基因治疗 辨析不清1 基因诊断是采用基因检测的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体 基因治疗指利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法 2 基因治疗的现状 目前处于初期的临床试验阶段 3 用于基因治疗的基因种类 从健康人体分离得到正常的基因 反义基因 编码可以杀死癌细胞的蛋白酶基因 4 基因治疗只是导入正常的基因 并未替换原来的基因 原有的致病基因与导入的正常基因都能表达 如果导入的正常基因是作为显性基因存在 则有疗效 也就是说 基因治疗只可治疗隐性遗传病 自我挑战 2012 徐州模拟 在人类的遗传病中 有一种重症联合免疫缺陷病 简称scid 这种患者缺乏正常的人体免疫功能 只要稍被细菌或病毒感染 就会发病死亡 经研究证实 scid病人细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶 简称ada 的基因发生了突变 目前 人们已经找到了治疗该疾病的方案 如图 1 载体必须具备的条件是 多选 a 能在宿主细胞中复制并保存b 具有多个限制性核酸内切酶切割位点 以便与外源基因连接c 具有标记基因 便于进行筛选d 是环状形态的dna分子 2 在图示过程中 所用到的基因操作工具分别是 3 研究人员将ada注入淋巴细胞 而不是其他细胞 其原因是 4 图中的治疗方法是 体内 或 体外 基因治疗法 这是对基因工程生物技术的应用 请列举除了在医学领域 该生物技术在其他领域的一些成就 举两例 解析 1 载体是把目的基因导入受体细胞并使其复制 表达的工具 因此基因工程载体需具备以下条件 能在宿主细胞中复制并保存以便