高考生物一轮专题复习选修3专题1基因工程

1、高考生物一轮专题复习选修3专题1基因工程一、基因工程的概念理解1.供体:提供_;2.操作环境:_;3.操作水平:_;4.原理:_;5.受体:表达目的基因;6.本质:性状在_体内表达;7.优点(1)与杂交育种相比:克服了_的障碍。(2)与诱变育种相比:_改造生物遗传性状。目的基因体外分子水平基因重组受体远缘杂交不亲和定向二、DNA重组技术的基本工具1.限制性核酸内切酶(简称:_)(1)来源:主要是从_生物中分离纯化出来的。(2)作用:识别特定的_并切开相应两个核苷酸之间的_。(3)结果:产生_或平末端。2.DNA连接酶(1)种类:按来源可分为EcoliDNA连接酶和T4DNA连接酶。(2)作用:

2、在两个核苷酸之间形成磷酸二酯键以连接_。限制酶原核核苷酸序列磷酸二酯键黏性末端两段DNA片段3.载体(1)种类:_、噬菌体的衍生物、动植物病毒等。 能自我复制(2)质粒特点 有一个至多个_ 有特殊的_质粒限制酶切割位点标记基因三、基因工程的基本操作程序1.目的基因的获取(1)目的基因:主要是指编码蛋白质的_。(2)获取方法: 从_中获取目的基因 利用_扩增目的基因 通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成基因基因文库PCR技术2.基因表达载体的构建基因工程的核心(1)基因表达载体的组成:_、启动子、终止子、_。启动子:a.位置:位于_。b.作用:是RNA聚合酶识别和结合的部位,驱动基因_,最终获

3、得所需要的蛋白质。终止子:a.位置:位于基因的尾端。b.作用:使_在所需要的地方停止下来。目的基因标记基因基因的首端转录出mRNA转录(2)构建目的:使目的基因在_中稳定存在,并且可以遗传给下一代;使_能够表达和发挥作用。受体细胞目的基因3.将目的基因导入受体细胞(1)转化:目的基因进入受体细胞内,并且在受体细胞内维持_的过程。(2)常用方法(连线):稳定和表达4.目的基因的检测与鉴定方法检测或鉴定目的水平DNA分子杂交技术检测目的基因的有无_水平分子杂交技术_目的基因是否翻译生物性状的表达与否_个体水平目的基因是否转录抗原-抗体杂交技术目的基因是否表达分子四、基因工程的应用1.转基因植物植物

4、基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力(如抗除草剂、抗虫、抗病、_和抗盐碱等),以及改良_和利用植物_等方面。2.转基因动物动物基因工程在动物品种改良、建立_、器官移植等方面显示了广阔的应用前景。抗干旱农作物的品质生产药物生物反应器3.基因工程药物(1)来源:转基因的_。(2)成果:细胞因子、抗体、疫苗、激素等。(3)作用:用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、_、各种传染病、糖尿病、类风湿等疾病。4.基因治疗(1)方法:把_导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能。(2)效果:治疗_的最有效的手段。(3)分类:_和体外基因治疗。工程菌遗传病正常基因遗传病体内基因治疗五、蛋白质工程1.概念理解

5、(1)基础:蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。(2)操作:_或基因合成。(3)结果:改造了现有蛋白质或制造出_。(4)目的:满足人类的生产和生活的需求。2.操作过程从预期的_出发设计预期的_推测应有的_找到相对应的_(基因)基因表达产生需要的蛋白质。基因修饰新的蛋白质蛋白质功能蛋白质结构氨基酸序列脱氧核苷酸序列1.限制酶只能用于切割目的基因。( )【分析】限制酶既能用于切割目的基因,也能用于切割载体。2. DNA连接酶能将两碱基间通过形成氢键连接起来。( )【分析】DNA连接酶连接的是两个双链DNA片段之间的磷酸二酯键。3.EcoliDNA连接酶既可以连接平末端,又可以连接黏性末端。(

6、 )【分析】EcoliDNA连接酶只能将双链DNA片段的黏性末端连接起来,不能将双链DNA片段的平末端进行连接。4.质粒是小型环状DNA分子,是基因工程常用的载体。( )【分析】质粒是具有复制能力的很小的双链环状DNA分子,是基因工程常用的载体。5.载体的作用是携带目的基因导入受体细胞中,使之稳定存在并表达。( )【分析】基因工程中利用载体将目的基因导入受体细胞中并使之稳定存在并表达。6.蛋白质工程可按照人的意愿生产出自然界中不存在的蛋白质。( )【分析】蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生理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

7、人类的生产和生活的需要。7.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。( )【分析】蛋白质工程包含多学科的综合科技工程领域,但它是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程。考点一 基因工程的工具 1.限制酶和DNA连接酶的关系(1)限制酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。(2)限制酶不切割自身DNA的原因是原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。(3)限制酶是一类酶,而不是一种酶。(4)DNA连接酶起作用时,不需要模板。2.作为载体的条件条件适应性稳定并能复制目的基因稳定存在且数量可扩大有一个至多个限制酶切割位点可携带多个或多种外源基因具有特殊的标记基因便于重

8、组DNA的鉴定和选择【拓展延伸】与DNA有关的五种酶的比较 作用底物作用部位形成产物限制酶DNA分子磷酸二酯键黏性末端或平末端DNA连接酶DNA片段磷酸二酯键重组DNA分子DNA聚合酶脱氧核苷酸磷酸二酯键子代DNA解旋酶DNA分子碱基对间的氢键形成脱氧核苷酸单链DNA(水解)酶DNA分子磷酸二酯键游离的脱氧核苷酸【典例1】(2012江苏高考)图1表示含有目的基因D的DNA片段长度(bp即碱基对)和部分碱基序列,图2表示一种质粒的结构和部分碱基序列。现有Msp、BamH、Mbo、Sma4种限制性核酸内切酶,它们识别的碱基序列和酶切位点分别为CCGG、GGATCC、GATC、CCCGGG。请回答下

9、列问题:(1)图1的一条脱氧核苷酸链中相邻两个碱基之间依次由连接。(2)若用限制酶Sma完全切割图1中DNA片段,产生的末端是_末端,其产物长度为。(3)若图1中虚线方框内的碱基对被T-A碱基对替换,那么基因D就突变为基因d。从杂合子中分离出图1及其对应的DNA片段,用限制酶Sma完全切割,产物中共有 种不同长度的DNA片段。(1)脱氧核糖、磷酸、脱氧核糖(2)平537 bp、790 bp、661 bp(3)4(4)若将图2中质粒和目的基因D通过同种限制酶处理后进行连接,形成重组质粒,那么应选用的限制酶是。在导入重组质粒后,为了筛选出含重组质粒的大肠杆菌,一般需要用添加_的培养基进行培养。经检

10、测,部分含有重组质粒的大肠杆菌菌株中目的基因D不能正确表达,其最可能的原因是。(4)BamH抗生素B同种限制酶切割形成的末端相同,部分目的基因D与质粒反向连接【变式训练】据图表回答问题:几种限制酶识别序列及切割位点表限制酶SmaEcoRPst切割位点CCCGGGGGGCCCGAATTCCTTAAGCTGCAGGACGTC(1)假设所用的限制酶均能将所识别的位点完全切开,采用EcoR和Pst酶切含有目的基因的DNA片段,能得到种DNA片段。如果将质粒和含目的基因的DNA片段只用EcoR酶切,酶切产物再加入DNA连接酶,其中由两个DNA片段之间连接形成的产物有、。(2)为了防止目的基因和质粒表达载

11、体酶切后的末端任意连接,酶切时应该选用的酶是、。答案:(1)4质粒质粒连接物目的基因目的基因连接物质粒目的基因连接物(2)EcoRSma考点二 基因工程的基本操作程序和应用 1.基因工程的基本操作程序(1)目的基因的获取:直接分离人工化学合成:适用于分子较小的基因。从基因文库中获取利用PCR技术扩增(2)基因表达载体的构建: 启动子、终止子基因表达载体的组成 标记基因 目的基因基因表达载体的构建步骤:(3)将目的基因导入受体细胞:生物种类植物动物微生物常用方法农杆菌转化法显微注射技术感受态细胞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到Ti质粒的T-DNA上转入农杆菌导入植物细胞整合

12、到受体细胞的染色体DNA上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DNA分子与感受态细胞混合感受态细胞吸收DNA分子(4)目的基因的检测与鉴定:2.基因工程的应用(1)乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较:比较项目乳腺生物反应器工程菌基因结构动物基因的结构与人类基因的结构基本相同细菌或酵母菌等生物基因的结构与人类基因的结构有较大差异基因表达合成的药物蛋白与天然蛋白质相同细菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器,产生的药物蛋白可能没有活性受体细胞动物的受精卵微生物细胞比较项目乳腺生物反应器工程菌导入目的基因的方式显微

13、注射法感受态细胞法生产条件不需严格灭菌,温度等外界条件对其影响不大需严格灭菌,严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件药物提取从动物乳汁中提取从微生物细胞中提取(2)基因治疗与基因诊断:原理操作过程进展基因治疗基因表达利用正常基因导入有基因缺陷的细胞中,以表达出正常性状来治疗临床实验基因诊断碱基互补配对制作特定DNA探针与病人样品DNA混合分析杂交带情况临床应用【高考警示】(1)限制酶剪切目的基因与质粒的次数不同:获取一个目的基因需限制酶剪切2次,共产生4个黏性末端或平末端,切割质粒则只需要限制酶剪切1次,因为质粒是环状DNA分子,而目的基因在DNA分子链上。(2)目的基因的插入

14、位点不是随意的:基因表达需要启动子与终止子的调控,所以目的基因应插入到启动子与终止子之间的部位。(3)基因工程操作过程中只有第三步(将目的基因导入受体细胞)没有碱基互补配对现象:第一步存在逆转录法获得DNA,第二步存在黏性末端连接现象,第四步存在检测分子水平杂交。(4)并非所有个体都可作为乳腺生物反应器:操作成功的应该是雌性个体,个体本身的繁殖速度较高,泌乳量、蛋白含量等都是应该考虑的因素。【典例2】(2013靖江模拟)许多大肠杆菌的质粒上含有lacZ基因,其编码的产物-半乳糖苷酶在X-gal和IPTG存在下,可以产生蓝色沉淀,使菌落呈现蓝色,否则菌落呈现白色。基因工程中常利用该原理从导入质粒

15、的受体细胞中筛选出真正导入重组质粒的细胞,过程如图所示。请据图回答:(1)基因工程中,构建基因表达载体的目的是。(2)限制酶EcoR的识别序列和切割位点是-GAATTC-,Sma的识别序列和切割位点是-CCCGGG-。图中目的基因被切割下来和质粒连接之前,需在目的基因的右侧连接相应的末端,连接的末端序列是,连接过程中需要的基本工具是。(3)转化过程中,大肠杆菌应先用 处理,使其处于能吸收周围DNA的状态。(4)菌落颜色为白色的是,原因是。(5)菌落中的目的基因是否表达,可采用的检测办法是。(1)使目的基因在受体细胞中稳定存在,能遗传给后代,并表达和发挥作用(2)-TTAADNA连接酶 (3)C

16、a2+ (4)菌落lacZ标记基因区插入外源基因后被破坏,不能表达出-半乳糖苷酶,故菌落为白色 (5)抗原-抗体杂交【变式训练】乳腺生物反应器是基于转基因技术平台,将外源基因导入动物基因组中并定位表达于动物乳腺,利用动物乳腺能够天然、高效合成分泌蛋白。如图为利用生物工程技术让羊生产治疗心脏病药物tPA的大致过程。请据图分析回答:(1)图中表示基因表达载体的构建,该载体的组成通常有外源基因、等。(2)图中过程选择受精卵作为tPA基因受体细胞的主要原因是。(3)图中表示检测与筛选过程,通常采用的方法是、。(4)除利用乳腺、膀胱等生物反应器外,人们还可以利用、等方法来生产上述物质,而传统生产上述药品

17、是_中提取的,存在的缺点是。答案:(1)启动子标记基因终止子(2)受精卵发育的全能性最容易表达(3)分子杂交个体生物学水平鉴定DNA分子杂交抗原抗体杂交(答对任意两种即可)(4)工程菌培养动物细胞培养直接从生物组织、细胞或血液由于受操作条件相对较苛刻等的限制,价格十分昂贵考点三 蛋白质工程与基因工程 1.区别项目蛋白质工程基因工程过程预期蛋白质功能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获取目的基因构建基因表达载体将目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定实质定向改造或生产人类所需的蛋白质定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需的生物类型或生物产品结果可生产自然界没有的

18、蛋白质只能生产自然界已有的蛋白质2.联系(1)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。(2)基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造。【拓展延伸】蛋白质组计划和人类基因组计划的比较项目蛋白质组计划人类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,中国是惟一的发展中国家项目蛋白质组计划人类基因组计划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

19、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【典例3】现代生物技术并不是各自独立的,而是相互联系、相互渗透的。如图表示利用乳腺生物反应器生产某种动物蛋白的流程示意图,请分析回答:(1)该生产流程中应用到的现代生物技术有、。(写出其中两种)(2)图中A、B分别表示、。(3)为提高培育成功率,进行过程之前,对早期胚胎的处理是取其部分细胞用目的基因探针进行检测,对受体动物的处理是用进行同期发情处理。(4)蛋白质工程中,要对蛋白质结构进行设计改造,必须通过基因修饰或基因合成来完成,而不直接改造蛋白质,原因是。答案:(1)蛋白质工程基因工程胚胎移植技术(任写两种)(2)推测

20、应有的氨基酸序列基因表达载体(3)DNA(核酸)分子杂交促性腺激素(4)改造后的基因能够遗传(且改造基因易于操作)【变式训练】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)图中从新胰岛素模型到新的胰岛素基因

21、合成的基本思路是什么? 。答案:(1)预期胰岛素的功能(2)载体受体细胞(3)蛋白质工程基因工程(4)根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列,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1.(2012新课标全国卷)根据基因工程的有关知识,回答下列问题:(1)限制性核酸内切酶切割DNA分子后产生的片段,其末端类型有和。(2)质粒载体用EcoR切割后产生的片段如下: AATTCG GCTTAA为使载体与目的基因相连,含有目的基因的DNA除可用EcoR切割外,还可用另一种限制性核酸内切酶切割,该酶必须具有的特点是 。(3)按其来源不同,基因工程中所使用的DNA连接酶有两类,即DNA连接酶和DNA连接酶。(4)反转录作用的模板是,产物是。若要在体外获得大量反转录产物,常采用技术。(5)基因工程中除质粒外,和也可作为载体。(6)若用重组质粒转化大肠杆菌,一般情况下,不能直接用未处理的大肠杆菌作为受体细胞,原因是。答案:(1)黏性末端平末端(2)切割产生的DNA片段末端与EcoR切割产生的相同(3)EcoliT4(4