专题十：现代生物技术教学案

2022高考二轮复习生物教学案（10）现代生物技术（一）【考纲要求】知识内容要求（1）基因工程的诞生（2）基因工程的原理及技术（3）基因工程的应用（4）蛋白质工程（5）转基因生物的安全性（6）生物武器对人类的威胁（7）生物技术中的伦理问题ⅠⅡⅡⅠⅠⅠⅠ【体验高考】（10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，下列操作错误的是（A）用限制性核酸内切酶切割烟草茶叶病毒的核酸用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体将重组DNA分子导入原生质体用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞解析：本题考查基因工程的有关知识，基因工程的一般过程：①用限制性核酸内切酶切割含目的基因的DNA分子（除草剂基因）和运载体（质粒），②用DNA连接酶连接切割好的目的基因和运载体③重组DNA分子导入受体细胞，因为是植物可以说是原生质体④用相应的试剂和病原体帅选转基因细胞⑤用植物组织培养技术抗除草剂的转基因烟草（表达）。所以答案A。（10全国2）5.下列叙述符合基因工程概念的是A．B淋巴细胞与肿瘤细胞融合，杂交瘤细胞中含有B淋巴细胞中的抗体基因B．将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株C．用紫外线照射青霉菌，使其DNA发生改变，通过筛选获得青霉素高产菌株D．自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上【解析】A:属于动物细胞工程的内容C:属于微生物的发酵工程的内容D:自然状态下，一般不能自行形成重组DNA分子（10江苏卷）27．（8分）下表中列出了几种限制酶识别序列及其切割位点，圈l、圈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SmaⅠ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SmaⅠ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SrnaⅠ切割，原因是▲。（4）与只使用EcoRI相比较，使用BamHⅠ和HindⅢ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。【答案】（1）0、2（2）高（3）SmaⅠ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【解析】本题考查基因工程的限制性内切酶的作用特点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SmaⅠ的切点，因此被改酶切割后，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。由题目可知，SmaⅠ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SmaⅠ酶切位点越多，热稳定性就越高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SmaⅠ酶切位点，都可以被SmaⅠ破坏，故不能使用该酶剪切含有目的基因的DNA只使用EcoRI，则质粒和目的基因两端的粘性末端相同，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BamHⅠ和HindⅢ剪切时，质粒和目的基因两端的粘性末端不同，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）将重组质粒导入丧失吸收蔗糖能力的大肠杆菌突变体后，含有重组质粒的个体才能吸收蔗糖，因此可利用蔗糖作为唯一碳源的培养基进行培养受体细胞，含有重组质粒的细胞才能存活，不含有重组质粒的因不能获得碳源而死亡，从而达到筛选目的。【知识网络】【专题要点】本专题的重点就是基因工程的原理、技术及其应用，这是高考的重点、热点，也是我们复习的重点。本专题的知识可归纳如下：一、基因工程的概念1.基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组和转基因技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，又叫做DNA重组技术。2.理论基础DNA是遗传物质的证明DNA双螺旋结构和中心法则的确立遗传密码的破译3.技术支持基因转移载体的发现工具酶的发现DNA合成和测序技术的发现DNA体外重组的实现重组DNA表达实验的成功第一例转基因动物的问世PCR技术的发明二、基因工程的基本工具1.“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）（1）来源：主要是从微生物中分离纯化出来的（2）功能：能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且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开，因此具有专一性。（3）结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式即黏性末端和平末端。2.“分子缝合针”——DNA连接酶(1)两种DNA连接酶（E·coliDNA连接酶和T4-DNA连接酶）的比较：①相同点：都缝合磷酸二酯键。②区别：E·coliDNA连接酶来源于T4噬菌体，只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间的磷酸二酯键连接起来；而T4DNA连接酶能缝合两种末端，但连接平末端的之间的效率较低。(2)与DNA聚合酶作用的异同:DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯键。DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键。3.“分子运输车”——载体（1）载体具备的条件：①能在受体细胞中复制并稳定保存；②具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入；③具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。（2）最常用的载体是质粒,它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌染色体之外，并具有自我复制能力的环状DNA分子。（3）其它载体：噬菌体、动植物病毒三、基因工程的基本操作程序第一步：目的基因的获取1.目的基因是指：编码蛋白质的结构基因2.目的基因的获取方法：从供体细胞直接提取——主要是原核生生物基因从基因文库中获取利用mRNA反转录形成利用PCR扩增技术人工化学法合成3PCR技术扩增目的基因（1）原理：DNA复制（2）过程：加热至90～95℃DNA解链→冷却到55～60℃，引物结合到互补DNA链→加热至70～第二步：基因表达载体的构建1.构成：目的基因＋启动子＋终止子＋标记基因（1）启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能启动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。（2）终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的尾端，终止基因的转录。（3）标记基因：一段特殊的基因序列，主要是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来，常用的标记基因是抗生素基因。2.构建：以质粒作载体为例第三步：将目的基因导入受体细胞1.转化：是目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。2.常用的转化方法：受体细胞不同导入方法有所不同植物细胞：最常用的是农杆菌转化法，其次还有基因枪法和花粉管通道法等，受体细胞可以是植物体细胞动物细胞：最常用的是显微注射技术，受体细胞多是受精卵微生物细胞：先用Ca2+处理细胞，使其成为感受态细胞，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，完成转化过程，受体细胞多为大肠杆菌第四步：目的基因的检测和表达检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因——DNA分子杂交检测目的基因是否转录出了mRNA——用标记的目的基因作探针与mRNA杂交检测目的基因是否翻译成蛋白质——从转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原－抗体杂交有时还需进行个体生物学水平的鉴定，如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。特别提醒：在基因工程操作步骤中，只有第三步将目的基因导入受体细胞不需要碱基互补配对，其余三个步骤都涉及碱基互补配对。四、基因工程的应用1.植物基因工程的应用植物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、抗干旱和抗盐碱等）以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。⑴提高抗逆性①常用抗虫基因：用于抗虫（杀虫）的基因主要是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。②常用抗病基因：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③其他抗逆基因：环境条件对农作物的生产会造成很大影响，并且这些影响是多方面的，因此，抗逆性基因也有多种多样，如抗盐碱和干旱的调节细胞渗透压基因、抗冻基因、抗除草剂基因等等。⑵改良植物品质由于人们的食品含有的营养不平衡，不能满足人们对食品的要求，可以通过转基因技术，使植物能够合成某些本来不能合成的物质。如科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，或者改变这些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。⑶生产药物基因工程不但促进了传统技术的变革，也为人类提供了传统产业难以得到的许多昂贵药品，并已形成基因工程制药业的雏形。目前诸如人胰岛素、人生长激素、人脑激素、α－干扰素、乙肝疫苗、蛋白C、组织血纤维蛋白溶酶原激活剂等数十种基因工程药物已实现商品化。此外，还有促红细胞生成素、白细胞介素－2、肾素、心钠素等一大批珍贵药品正处于试用或临床试验阶段。⒉动物基因工程的应用⑴用于提高动物生长速度：由于外援生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快，将这类基因导入动物体内，以提高动物的生长速率，如转基因绵羊和转基因鲤鱼。⑵用于改善畜产品的品质：基因工程可用于改善畜产品的品质。如有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，这样所获得的牛奶其它成分不受影响，但乳糖的含量大大减低。⑵用转基因动物做器官移植的供体：目前，人体移植器官短缺是一个世界性的难题，用其它动物的器官替代，又会出现免疫排斥现象，现在，科学家正试图利用基因工程方法对一些动物的器官进行改造，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。⒊基因治疗⑴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，是治疗遗传病的最有效的手段。⑵方法：体外基因治疗和体内基因治疗体外基因治疗：先从病人体内获得某种相关细胞，进行培养，然后在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内，这种方法叫做体外基因治疗。体内基因治疗：直接向人体组织细胞中转移基因的治疗方法叫做体内基因治疗。特别说明：对于遗传病的治疗最根本的方法是进行基因替换或修复。基因治疗的最佳时期理论上是受精卵时期，这样可以使个体的每个细胞都含有正常基因，但在现实生活中是不可能的，因为不可能每个人都在受精卵时期进行基因检查；其次是对患者进行相关细胞的基因替换，如对于遗传性糖尿病患者，只对胰腺的B细胞进行基因替换，该个体就能正常分泌胰岛素，糖尿病得以治疗，但这种局部细胞的基因替换，并没有改变其它部位细胞的基因，如精原细胞，其后代很大可能还会患遗传性糖尿病。⑶过程（以镰刀形细胞贫血症的治疗为例）步骤过程获取正常的血红蛋白基因用限制性核酸内切酶从人的DNA分子中切取血红蛋白基因形成重组载体用同一种限制性核酸内切酶在载体DNA上切开一个切口，用DNA连接酶将正常血红蛋白基因连接在载体DNA上，形成重组载体重组载体的转化与筛选将携带正常血红蛋白基因的重组载体导入患者的造血干细胞中，并将重组载体插入到染色体。用选择培养基筛选出含重组质粒的造血干细胞。将含正常血红蛋白基因的造血干细胞回输给患者骨髓将携带正常血红蛋白基因的造血干细胞输入患者骨髓中，此造血干细胞产生含正常血红蛋白的红细胞，以根治镰刀形细胞贫血症五、蛋白质工程1.实质：根据蛋白质的结构与功能之间的关系，通过改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的、具有优良特性的蛋白质。2.基本原理预期蛋白质功能→测定蛋白质三维空间结构→推测应有的氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列（基因）→合成具有预期功能的蛋白质3.应用通过改造酶的结构，有目的地提高蛋白质的热稳定性合成嵌合抗体改变蛋白质的活性4.蛋白质工程与基因工程区别蛋白质工程基因工程实质通过改造基因，以定向改造或生产人来需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质定向改造生物的遗传特性，以获得符合人类需要的生物类型会生物产品结果可以合成自然界不存在的蛋白质只能生产自然界已存在的蛋白质联系蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出的第二代基因工程六、生物技术的安全性和伦理问题1.转基因生物的安全性争论⑴转基因生物与食品安全——对食品安全性的影响①转基因食品：转基因食品是通过遗传工程改变植物种子中的脱氧核糖核酸，然后把这些修改过的再复合基因转移到另一些植物种子内，从而获得在自然界中无法自动生长的植物物种。上世纪80年代末，科学家们开始把10多年分子研究的成果运用到转基因食品上，1995年成功地生产出抗杂草黄豆，并在市场上出售。又经过7年的努力，现在他们利用基因技术已批量生产出抗虫害、抗病毒、抗杂草的转基因玉米、黄豆、油菜、土豆、西葫芦等。目前，转基因食品的主要产地是美国、加拿大、欧盟、南非、阿根廷等。②正反两种观点的比较观点存在安全问题（反方）不存在安全问题（正方）论据⒈反对“实质性等同”⒉担心出现滞后效应⒊担心出现新的过敏源⒋担心营养成分改变⒈“实质性等同”只是评价的起点，而不是终点⒉多环节、严谨的安全性评价⒊科学家对社会负责的态度⒋至今未发现转基因食品影响人体健康的实例说明：实质性等同原则是指转基因生物与自然存在的传统生物在相同条件下进行性状表现的比较。⑵转基因生物与生物安全——对生物多样性的影响①正反两种观点的比较观点引起生物安全问题（反方）不存在生物安全问题（正方）论据⒈扩散到种植区之外变成野生种类⒉可能重组出新的有害病原体⒊有可能形成用除草剂除不去的“超级杂草”⒋可能成为“入侵的外来物种”⒈生命力有限⒉存在生殖隔离，难与其他植物杂交⒊花粉的传播距离和存活时间有限⒋新性状的表现必须具有一定的条件和配套的种植技术②外来物种入侵指有意或无意的人类活动，将某物种从一个地区引入其他地区，给当地的生态系统和社会经济造成明显的损害。危害性主要表现在：破坏当地的生态系统对当地的农业或林业带来严重的损害（即爆发生物灾害）造成生物多样性减少有些外来植物产生的花粉可能成为新的过敏⑶转基因生物与环境安全——对生态系统稳定性的影响观点引起环境安全问题（反方）不存在环境安全问题（正方）论据⒈打破物种原有界限⒉可能造成二次污染⒊重组出有害的病原微生物⒋毒蛋白可能通过食物链进入人体⒈不会改变生物原有的分类地位⒉减少农药的使用⒊保护农田土壤环境2.生物技术的伦理问题反对者观点支持者观点克隆人⒈严重违反了人类伦理道德、冲击现有的婚姻、家庭等传统的道德观念⒉人为制造心理和社会地位上不健全的人⒊技术不成熟可能孕育出严重生理缺陷的孩子⒈这是一项科学研究，只有通过实践才能使之成熟⒉可以通过胚胎分割、基因诊断、染色体检查等方法解决不成熟的部分设计试管婴儿⒈把试管婴儿当做人体零配件工厂，是对生命的不尊重⒉胚胎也是生命，抛弃、杀死多余胚胎无异于“谋杀”⒈设计试管婴儿是为了救人，是救患者的最好、最快捷的办法之一⒉提供骨髓中的造血干细胞并不会对试管婴儿造成损害⒊利用脐带血中的造血干细胞是更符合伦理道德的。基因身份证⒈目前人类对基因结构、基因间相互作用缺乏足够的认识，通过基因检测还不能达到预防疾病⒉人类的多基因遗传病既与基因有关又与环境和生活习惯有关。有某种基因的人不一定患病，基因正常的人也不一定不患病⒊基因检测结果会给受检者带来巨大的心理压力⒋造成基因歧视⒈有些遗传性疾病在后代中发病率很高，通过基因检测可以及早采取预防措施，适时治疗，达到挽救患者生命的目的。⒉对于基因歧视现象，可以通过正确的科学知识传播、伦理道德教育和立法得以解决。特别说明：⑴中国政府关于“克隆人”的态度：禁止生殖性克隆。不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人的实验，但不反对治疗性克隆。⑵治疗性克隆和生殖性克隆所谓治疗性克隆是指“利用克隆技术产生特定细胞和组织（皮肤、神经或肌肉等）用于治疗性移植”（国际人类基因组伦理委员会，1999年3月）；生殖性克隆是指将克隆技术用于生育目的，即用于产生人类个体。⑶试管婴儿和设计试管婴儿上述过程①②③为解决不孕夫妇生育问题的普通试管婴儿过程，①②③④⑤为设计试管婴儿的过程。后者比前者多了胚胎移植前的遗传学诊断。3.禁止生物武器⑴生物武器的种类及危害种类举例危害致病菌鼠疫、霍乱、伤寒、炭疽和菌痢等侵华日军使用细菌武器、活体实验生化毒剂炭疽杆菌肉毒杆菌毒素分子可以阻滞神经末梢释放乙酰胆碱，从而引起肌肉麻痹病毒天花病毒、痘病毒等出现相应的病毒感染症状基因重组的致病生物蜡状杆菌改造成炭疽杆菌一样的致病菌将生物毒素分子的基因与流感病毒的基因拼接对流感病毒改造，使具有易感基因的民族容易感染这种病毒，而释放国的人却不易感染，让大批没有接触国致病菌的受感染者突然发病，而又无药可治。⑵散布方式：吸入、误食、接触带菌物品和被带菌昆虫叮咬等⑶特点：致病力强、多数具有传染性、传染途径多、污染面广、有潜伏期、不易被发现和危害时间长等⑷禁止生物武器公约及中国政府的态度：在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器，并反对生物武器及其技术和设备的扩散【典题训练】1、下表关于基因工程中有关基因操作的名词及对应的内容，正确的组合是（）供体剪刀针线运载体受体A质粒限制性内切酶DNA连接酶提供目的基因的生物大肠杆菌等B提供目的基因的生物DNA连接酶限制性内切酶质粒大肠杆菌等C提供目的基因的生物限制性内切酶DNA连接酶质粒大肠杆菌等D大肠杆菌等DNA连接酶限制性内切酶提供目的基因的生物质粒2、人们对种植转基因农作物的利弊有争论。正方认为种植转基因农作物对人类是有利的；反方认为种植转基因农作物是有潜在风险的。下列观点中支持正方的是（）A．转基因农作物会产生毒性蛋白或过敏蛋白B．转基因农作物的扩散会威胁生物的多样性C．推广种植抗虫棉可减少农药的使用D．转基因生物可打破自然物种的原有界限，破坏生态系统的稳定性3、下列关于生物工程相关知识的叙述，正确的是（）A．在基因工程操作中为了获得重组质粒，必须用相同的限制性内切酶，露出的黏性末端可以不相同B．若要生产转基因抗病水稻，可将目的基因先导入到大肠杆菌中，再转入水稻细胞中C．植物体细胞杂交，能克服远源杂交不亲和的障碍，培育出的新品种一定不是单倍体D．基因治疗主要是对具有缺陷的体细胞进行全面修复4、下列关于染色体和质粒的叙述，正确的是（）A．染色体和质粒的化学本质都是DNAB．染色体和质粒都只存在于真核细胞中C．染色体和质粒都与生物的遗传有关D．染色体和质粒都可以作为基因工程的载体5、基因芯片技术是近几年才发展起来的崭新技术，涉及生命科学、信息学、微电子学、材料学等众多的学科，固定在芯片上的各个探针是已知的单链DNA分子，而待测DNA分子用同位素或能发光的物质标记。如果这些待测的DNA分子中正好有能与芯片上的DNA配对的，它们就会结合起来，并在结合的位置发出荧光或者射线，即出现“反应信号”。下列说法中错误的是（）A．基因芯片的工作原理是碱基互补配对B．待测的DNA分子可以直接用基因芯片测序C．基因芯片技术可用来筛选农作物的基因突变D．基因芯片技术将来可以制作“基因身份证”6、聚合酶链式反应(PCR技术)是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，由高温变性、低温退火及适温延伸等几步反应组成一个周期，循环进行，使目的DNA得以迅速扩增，其简要过程如右图所示。下列关于PCR技术叙述不正确的是（）A．PCR技术是在实验室中以少量DNA制备大量DNA的技术B．反应中新合成的DNA又可以作为下一轮反应的模板技术中以核糖核苷酸为原料，以指数方式扩增D．应用PCR技术与探针杂交技术可以检测基因突变7、下图表示一项重要的生物技术，对图中物质a、b、c、d的描述，正确的是（）A．a通常存在于细菌体内，目前尚未发现真核生物体内有类似的结构B．b识别特定的核苷酸序列，并将A与T之间的氢键切开C．c连接双链间的A和T，使黏性末端处碱基互补配对D．若要获得真核生物的d，则一般采用人工合成方法8、对基因组文库的描述，不正确的是（）A．含有某种生物的全部基因 B．基因中含有启动子和内含子C．文库的基因是通过受体菌承载的 D．文库中的全部基因可以在物种间交流9、2022年10月，美国生物学家克雷格·文特尔及其团队宣布，他们通过将取自不同种生物的基因连接并成功移植到一个没有染色体的细胞中，创造了有史以来的第一个“人造生命”。下列有关叙述，错误的是（）A.“人造生命”诞生过程类似于基因工程技术，可以实现不同物种之间的基因重组B.“没有染色体的细胞”为导入基因的表达提供了能量、酶系统等C．“人造生命”的诞生可能引发制造新物种等问题的争论D．“人造生命”的诞生证明人类完全可以制造生命10、对基因表达载体构建的一些说法，不正确的是（）A．需要限制酶和DNA连接酶参与 B