【步步高】2013高考生物大一轮复习 第十单元第37课时 　基因工程

1 第第 3737 课时课时 基因工程基因工程 考点 112 核心概念 基因工程的概念及工具 1 基因工程的概念理解 1 操作环境 体外 关键步骤 基因表达载体的构建 的环境 2 优点 与杂交育种相比 克服了远缘杂交不亲和的障碍 与诱变育种相比 定向改造生物遗传性状 3 操作水平 分子水平 4 原理 基因重组 5 本质 甲 供体 提供目的基因 乙 受体 表达目的基因 即基因未变 合成 导入 蛋白质未变 只是合成场所的转移 2 基因工程的基本原理和理论基础概括如下图 提醒 若题目强调 目的基因 的表达过程 则只包括 转录和翻译 两个过程 不包 括 目的基因的复制 3 操作工具 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的 化学本质 蛋白质 Error 作用 作用特点 特异性 即限制酶可识别特定的脱氧核苷酸序列 切割特定位点 切割方式Error 2 提醒 切割的化学键为磷酸二酯键 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 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 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 2 DNA 连接酶 分子缝合针 常用 类型E coli DNA 连接酶T4 DNA 连接酶 来源大肠杆菌T4噬菌体 功能连接黏性末端连接黏性末端或平末端 结果恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键 拓展提升 DNA 连接酶与 DNA 聚合酶的比较 DNA 连接酶DNA 聚合酶 作用实质都是催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键 是否需要模板不需要需要 连接 DNA 链双链单链 作用过程 在两个 DNA 片段之间形成磷酸二酯 键 将单个核苷酸加到已存在的核酸片段 的 3 端的羟基上 形成磷酸二酯键 作用结果 将两个 DNA 片段连接成重组 DNA 分 子 合成新的 DNA 分子 3 基因进入受体细胞的载体 分子运输车 类型Error 功能 将目的基因导入受体细胞 应具备条件 a 能在宿主细胞内稳定保存并大量复制 b 有一个至多个限制酶的切割位点 以便于与 外源基因连接 c 有特殊的遗传标记基因 供重组 DNA 的检测和鉴定 提醒 一般来说 天然载体往往不能满足人类的所有要求 因此人们根据不同的目的 和需要 对某些天然的载体进行人工改造 常见的标记基因有抗生素抗性基因 产生特定颜色的表达产物基因 发光基因等 作为载体必须具有一个至多个限制酶切点 而且每种酶的切点最好只有一个 因为某 种 限制酶只能识别单一切点 若载体上有一个以上的酶切点 则切割重组后可能丢失某些 片段 若丢失的片段含复制起点区 则进入受体细胞后便不能自主复制 一个载体若只 有某种限制酶的一个切点 则酶切后既能把环打开接纳外源 DNA 片段 又不会丢失自己 的片段 注意与细胞膜上载体的区别 两者的化学本质和作用都不相同 质粒能自我复制 既可在自身细胞 受体细胞内 也可在体外 3 1 2010 浙江卷 2 在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中 如下操作错 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 考点 113 以流程图解决知识内在联系 基因工程的操作步骤 1 基因工程的图解 1 抗虫棉的培育过程 2 基因工程技术生产凝乳酶的过程 2 基因工程的操作程序分析 1 目的基因的获取途径 从自然界已有的物种中分离出来 如从基因组文库或 cDNA 文库中获取 提醒 cDNA 文库只含某种生物的部分基因 相当于地方图书馆 基因组文库含该种生物 的全部基因 相当于国家图书馆 人工合成目的基因 常用的方法有化学合成法和反转录法 化学合成法 蛋白质氨基酸序列RNA 碱基序列DNA 碱基序列 用 分析 推测 推测 4 种脱氧核苷酸人工合成目的基因 反转录法 分离出供体细胞 mRNA单链 DNA合成目的基因 逆转录酶 DNA聚合酶 PCR 扩增技术与 DNA 复制的比较 PCR 技术DNA 复制 原理DNA 复制 碱基互补配对 相同 点原料四种游离的脱氧核苷酸 4 条方 式件 模板 ATP 酶 原料 引物 解旋DNA 在高温下变性解旋解旋酶催化 场所体外复制 PCR 扩增仪 主要在细胞核内 酶热稳定的 DNA 聚合酶 Taq酶 细胞内含有的 DNA 聚合酶 不同 点 结果在短时间内形成大量的 DNA 片段形成整个 DNA 分子 2 基因表达载体的构建 最核心步骤 基因表达载体的组成 启动子 目的基因 终止子以及标记基因等 提醒 a 与载体相比较 增加启动子 目的基因和终止子三个基因片段 其功能各不相 同 b 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方法 提醒 该过程把三种工具 两种工具酶 一种载体 全用上了 是最核心 最关键的一步 在体外进行 3 将目的基因导入受体细胞 细胞类型常用方法受体细胞转化过程 植物细胞农杆菌体细胞将目的基因插入 Ti 质粒的 T DNA 上 转入农杆菌 5 提醒 唯一不涉及到碱基互补配对的操作步骤 将微生物作为受体细胞主要原因是个体微小 代谢旺盛 繁殖速度快 获得目的基因 产 物多 植物细胞还可用基因枪法和花粉管通道法 4 目的基因的检测和鉴定 2 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植株可采用 技术 该技术所依 据的原理是 转化法导入植物细胞 整合到受体细胞的 DNA 上 动物细胞显微注 射技术 受精卵将含有目的基因的表达载体提纯 取卵 获得受精 卵 显微注射 早期胚胎培养 胚胎移植 发育成 为具有新性状的动物 微生物 细胞 Ca2 处 理增大 细胞壁 通透性 原核细 胞或酵 母菌 用 Ca2 处理细胞 感受态细胞 重组表达载体 DNA 分子与感受态细胞混合 感受态细胞吸收 6 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 如果从个体生物水平来鉴定 D 过程可用的最简单检测方法是 考点 114 关注热点问题 基因工程的应用 1 抗虫棉的培育 1 目的基因 Bt 毒蛋白基因 2 原理 抗虫 Bt 毒蛋白水解成多肽与虫肠上皮细胞结合 形成穿孔 细胞肿胀 裂解致死 两种抑制剂分别抑制相应酶活性 影响消化 植物凝集素为糖蛋白 与虫肠 黏膜结合 影响营养物质的吸收和利用 注 毒性来自 Bt 毒蛋白水解后的多肽 3 受体细胞Error 4 方法 花粉管通道法 也可用农杆菌转化法或基因枪法 注 a 抗虫但不抗病毒 细菌 真菌等 b 培育抗虫作物的优点 减少环境污染 降低生产成本 c 不同抗虫基因作用机理不同 d Bt 毒蛋白基因来自苏云金芽孢杆菌 2 动物反应器 1 外源基因 药用蛋白基因 2 表达条件 药用蛋白基因 乳腺蛋白基因 膀胱内表达相应基因 启动子 3 受体生物 牛 羊等 4 方法 显微注射法 注 分为乳腺反应器和膀胱反应器 前者受性别 只能是雌性 和年龄 哺乳期 限制 优 点可以不用提取服用 后者提取后服用 但不受性别和年龄的限制 3 基因检测和基因治疗的比较 基因 检测 制作相应探针 利用 DNA 分子杂交原理 快速 准确检测人类某种疾病 制作探 针三要求 标记 同位素或荧光 单链 序列与待测基因相同 临床应用阶段 基因 治疗 把健康的外源基因导入有基因缺陷的细 胞中 可分为体外基因治疗和体内基因 治疗两种方法 仅处于实验阶段 仍有许多问题和困难 制约该技术的开展 所以该技术并未在 临床开展 误区警示 基因治疗目前只是处于初期的临床试验阶段 在临床上未开展 未实现这 方 面的治疗 DNA 分子制作探针进行检测时应检测单链 即将双链 DNA 分子打开 原核生物基因 如抗虫基因 可作为真核生物 棉花 的目的基因 3 目前人类利用基因工程的方法成功培育出转基因抗虫棉 以下说法正确的是 7 A 苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因与质粒结合后直接进入棉花的叶肉细胞表达 B 抗虫基因导入棉花叶肉细胞后 可通过传粉 受精的方法 使抗虫性状遗传下去 C 标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因 D 转基因抗虫棉经过种植 棉铃虫不会产生抗性 这样可以有效消灭棉铃虫 考点 115 关注生物新技术 蛋白质工程 1 蛋白质工程的概念 蛋白质工程是指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 以满足人类的生产和 生活的需求 特别提醒 对蛋白质工程的概念应从以下几个方面理解 1 蛋白质工程的基础 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 2 蛋白质工程 的实质 改造控制该蛋白质合成的基因 3 蛋白质工程的产物 产生新的蛋白质 2 蛋白质工程的过程和实例 1 蛋白质工程的过程 其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 其流程图如下 2 蛋白质工程的实例 通过蛋白质工程改造的干扰素可在 70 条件下保存半年 经过蛋白质工程改造天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶这两种酶后 使玉米体内 赖氨酸的含量大大提高 3 与基因工程的关系 1 区别 基因工程是借助于另外一种生物生产自然界已有的蛋白质 而蛋白质工程生产 自然界没有的新的蛋白质 2 联系 蛋白质工程是在基因工程的基础上 延伸出来的第二代基因工程 因为对现有 蛋白质的改造或制造新的蛋白质 必须通过基因修饰或基因合成实现 蛋白质组计划和人类基因组计划的比较 蛋白质组计划基因组计划 启动时间2003 年正式启动1990 年正式启动 主要内容 肝脏蛋白质 和 血浆蛋白质 的研究测定人类基因组 24 条染色体上全部 DNA 序列 参加国家16 个国家 80 多个实验室6 个国家 中国是唯一的发展中国家 我国承担任 务 牵头执行 人类肝脏蛋白质组计划 承担 1 的测序工作 意义 揭示并确认肝脏 血浆 蛋白质为重大疾病预 防 诊断 治疗以及新药研发提供科学基础 推动支持蛋白质工程 遗传病的诊断和治疗 揭示基因表达的机理 8 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 图中从胰岛素模型到新的胰岛素基因合成的基本思路是什么 基因工程的综合应用 考纲能力 知识灵活运用能力 考题 2011 山东理综 35 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下图所示 1 卵母细胞除从活体输卵管中采集外 还可从已处死的雌鼠 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 对基因工程中易错点辨析不清 典例 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物 植物或微生物 9 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 纠错笔记 基因工程中有 3 种工具 但工具酶只有 2 种 工具酶本质为蛋白质 载体本质为小型 DNA 分子 但不一定是环状 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 表达产物为带颜色物质等 受体细胞中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 一般不用支原体 原因是它营寄生生活 一定不能用 哺乳动物成熟红细胞 原因是它无细胞核 不能合成蛋白质 课时规范训练课时规范训练 组题说明 考 点题 号错题统计错因分析 基因工程概念及相 关工具 2 3 基因工程的操作程 序 1 4 5 基因工程的应用 6 蛋白质工程 7 特别推荐流程图解 4 7 高考新题快递 1 2 3 1 2011 安徽理综 31 家蚕细胞具有高效表达外源基因的能力 将人干扰素基因导入 家蚕细胞并大规模培养 可提取干扰素用于制药 1 进行转基因操作前 需用 酶短时处理幼蚕组织 以便获得单个细胞 2 为使干扰素基因在家蚕细胞中高效表达 需要把来自 cDNA 文库的干扰素基因片段正 确插入表达载体的 和 之间 3 采用 PCR 技术可验证干扰素基因是否已经导入家蚕细胞 该 PCR 反应体系的主要成分 应包含 扩增缓冲液 含 Mg2 水 4 种脱氧核糖核苷酸 模板 DNA 和 4 利用生物反应器培养家蚕细胞时 贴壁生长的细胞会产生接触抑制 通常将多孔的中 空薄壁小玻璃珠放入反应器中 这样可以 增加培养的细胞 数量 也有利于空气交换 2 2011 江苏卷 33 请回答基因工程方面的有关问题 1 利用 PCR 技术扩增目的基因 其原理与细胞内 DNA 复制类似 如下图所示 图中引物 为单链 DNA 片段 它是子链合成延伸的基础 10 从理论上推测 第四轮循环产物中含有引物 A 的 DNA 片段所占的比例为 在第 轮循环产物中开始出现两条脱氧核苷酸链等长的 DNA 片段 2 设计引物是 PCR 技术关的键步骤之一 某同学设计的两组引物 只标注了部分碱基序 列 都不合理 如下图 请分别说明理由 第 1 组 第 2 组 3 PCR 反应体系中含有热稳定 DNA 聚合酶 下面的表达式不能正确反映 DNA 聚合酶的 功能 这是因为 4 用限制酶 EcoR Mbo 单独或联合切割同一种质粒 得到的 DNA 片段长度如下图 1 kb 即 1 000 个碱基对 请画出质粒上 EcoR Mbo 的切割位点 3 2011 海南卷 31 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 为了检测胰岛素基因转录的 mRNA 是否翻译成 11 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 T i 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 4 2010 天津卷 7 下图是培育表达人乳铁蛋白的乳腺生物反应器的技术路线 图中 tetR表示四环素抗性基因 ampR表示氨苄青霉素抗性基因 BamH Hind Sma 直线 所示为三种限制酶的酶切位点 据图回答 1 图中将人乳铁蛋白基因插入载体 需用 限制酶同时酶切载体和人乳铁 蛋白基因 筛选含有重组载体的大肠杆菌首先需要在含 的培养基上进行 2 能使人乳铁蛋白基因在乳腺细胞中特异性表达的调控序列是 填字母代号 A 启动子 B tetRC 复制原点D ampR 3 过程 可采用的操作方法是 填字母代号 A 农杆菌转化B 大肠杆菌转化 C 显微注射D 细胞整合 4 过程 采用的生物技术是 5 对早期胚胎进行切割 经过程 可获得多个新个体 这利用了细胞的 性 6 为检测人乳铁蛋白是否成功表达 可采用 填字母代号 技术 A 核酸分子杂交B 基因序列分析 C 抗原 抗体杂交D PCR 5 降钙素是一种多肽类激素 临床上用于治疗骨质疏松症等 人的降钙素活性很低 半衰 期较短 某科研机构为了研发一种活性高 半衰期长的新型降钙素 从预期新型降钙素 的功能出发 推测相应的脱氧核苷酸序列 并人工合成了两条 72 个碱基的 DNA 单链 两 条链通过 18 个碱基对形成部分双链 DNA 片段 再利用 Klenow 酶补平 获得双链 DNA 过程如图 在此过程中发现 合成较长的核苷酸单链易产生缺失碱基的现象 分析回答下列问题 1 Klenow 酶是一种 酶 合成的双链 DNA 有 个碱基对 2 获得的双链 DNA 经 EcoR 识别序列和切割位点 G AATTC 和 BamH 识别序 12 列和切割位点 G GATCC 双酶切后插入到大肠杆菌质粒中 筛选含重组质粒的大肠杆 菌并进行 DNA 测序验证 大肠杆菌是理想的受体细胞 这是因为它 设计 EcoR 和 BamH 双酶切的目的是 要进行重组质粒的鉴定和选择 需要大肠杆菌质粒中含有 3 经 DNA 测序表明 最初获得的多个重组质粒 均未发现完全正确的基因序列 最可能 的原因是 4 上述制备该新型降钙素运用的现代生物工程技术是 6 应用生物工程技术获得人们需要的生物新品种或新产品 是生物科学技术转化为生产力 的重要体现 请据图回答下列问题 1 在培育转基因牛的过程中 过程需要的工具酶是 过 程常用的方法是 2 转基因牛可通过分泌乳汁来生产人生长激素 在基因表达载体中 人生长激素基因的 首端必须含有 它是 识别和结合点部位 过程培养到桑椹 胚或囊胚阶段 可以采用 技术 培育出多头相同的转基因牛犊 3 PrG 基因的产物能激发细胞不断分裂 通过基因工程导入该调控基因来制备单克隆抗 体 最可能是 细胞 代表的细胞具有 的特点 4 在抗虫棉培育过程中 将目的基因导入棉花受体细胞采用最多的方法是 法 过程中的受体细胞如果采用愈伤组织细胞 与采用叶肉细胞相比较 其优点是 过程采用的技术是 7 如图是某种动物蛋白质工程的示意图 请分析回答 1 目前蛋白质工程中难度最大的是图中编号 所示的过程 实现 过程的依据有 13 2 若相关蛋白质的核酸片段是从细胞质获取的 则 过程包括 3 过程中对核苷酸序列有严格要求的工具酶是 进行 过程的目的是 4 为获得较多的受精卵用于研究 过程的处理方案是 若 过程所 得的卵母细胞是从卵巢中获得的 则体外受精前的 过程表示 14 答案答案 突破考点提炼方法 对位训练 1 A 对位训练 2 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