高中生物人教版必修2第2节 基因工程及其应用

第2节基因工程及其应用

学习目标核心素养

1.理解遗传物质的研究为基因工程提供了理

1.说出基因工程的概念。论基础。

2.说出基因工程的基本工具•(重点)2.通过联想制作拼接画的过程，理解基因工

3.阐述基因工程的基本操作。(重、难点)程的操作工具。

4.举例说明基因工程的应用。3.采用绘图方法逐步理解基因工程的基本操

作。

一、基因工程的基本操作工具

1.基因工程的概念

2.基因工程的操作工具

(1)“剪刀”和“针线”

项目名称作用

识别特定的核甘酸序列，并在特定的切点上切割DNA

，，剪刀”限制酶

分子

“针线”DNA连接酶连接脱氧核糖和磷酸之间的缺口

(2)运载体

①作用：将外源基因送入受体细胞。

,噬菌体

［分布：许多细菌以及酵母菌等生物细胞质中

②种类《质粒＜特性：能够自主复制

［实质：环状DNA分子

、动植物病毒

二、基因工程的操作及应用

1.基本操作步骤

2.应用及安全性

(1)应用

应用内容

目的培育出具有各种抗逆性的作物新品种

作物育

实例抗虫的转基因抗虫棉

种

意义减少了农药用量,而且还减少了农药对环境的污染

实例生产人的胰岛素

药物研

胰岛素基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并在大肠杆菌内成功表

制过程

达

环境保利用转基因细菌降解有毒有害的化合物,吸收环境中的重金属，

实例

护分解泄漏的石油，处理工业废水等

(2)安全性

1.基因的“剪刀”一一限制性核酸内切酶(简称限制酶)

(1)存在：主要存在于微生物中。

(2)作用：断裂两个核甘酸之间的磷酸二酯键。

(3)特点：具有特异性，即一种限制酶只能识别一种特定的核甘酸序列，并在特定的位点

切割DNA分子。

(4)作用结果：一般产生黏性末端。

2.基因的“针线”一一DNA连接酶

(1)催化对象：两个具有相同末端的DNA片段。

(2)催化位置：脱氧核糖与磷酸之间的缺口。

(3)催化结果：形成重组DNA。

(4)限制酶与DNA连接酶的比较

比较

作用应用

项目

限制酶使特定部位的磷酸二酯键断裂用于提取目的基因和切割载体

DNA在DNA片段之间重新形成磷酸二用于重组DNA分子(重组质粒)构

连接酶酯键建

两者的关系可表示为：

GAATTC限制附、GAATTCI

CTTAAGDNA连接海JU-'

(5)DNA连接酶与DNA聚合酶的比较

目

DNA连接酶DNA聚合酶

比较

将游离的脱氧核甘酸连接到脱氧核昔酸

作用对象DNA片段

链上

作用条件不需要模板需要模板

作用部位连接相邻)兑氧核昔酸的磷酸和脱氧核糖

形成化学键磷酸二酯键

(1)质粒

①存在：许多细菌及酵母菌等生物细胞中。

②本质：拟核或细胞核外的环状DNA分子。

③特点：能够自主复制。

(2)运载体应具备的条件

①能在宿主细胞内稳定保存并大量复制一一保证目的基因能在细胞分裂过程中复制并传

递给子细胞。

②有一至多个限制酶切点一一运载体能够接入多种目的基因所必备的条件。

③有标记基因一一检测目的基因是否导入受体细胞中的重要判断依据。

@对点练习

1.下列有关基因工程和酶的相关叙述，正确的是()

A.同种限制酶既可以切割目的基因又可以切割质粒，因此不具备专一性

B.运载体的化学本质与载体蛋白相同

C.限制酶不能切割烟草花叶病毒的核酸

D.DNA连接酶可催化游离的脱氧核甘酸连接成脱氧核甘酸链

C［一种限制前只能识别一种特定的核甘酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子，具

备专一性，A错误；运载体的化学本质是DNA,与载体蛋白不同，B错误；限制酶能切割DNA,

不能切割烟草花叶病毒的核酸RNA,C正确；DNA连接酶可催化不同的DNA片段连接在一起，

不能催化游离的脱氧核甘酸连接成脱氧核甘酸链，D错误。］

2.限制性核酸内切酶是-一种核酸切割酶，可辨识并切割DNA分子上特定的核昔酸序列，

如图依次为4种限制酶BaMI,EcoRI,必〃dill以及密/II的辨识序列，箭头表示每一种限

制醐的特定切割部位，其中哪两种限制醐所切割出来的DNA片段末端可以互补黏合？（）

BanRII用力dHIBglll

1113

GGATCCGAATTCAAGCTTAGATCT

CCTAGGCTTAAGTTCGAATCTAGA

tttt

A.Bank\I和庆乐IB.Basil1和/〃“dill

C.心应1和小/?£1111D.及MHI和a7n

DiBanRI和&成I切割形成的黏性末端不互补配对，因此不能互补黏合，A错误；Banti

I和必〃dni切割形成的黏性末端不互补配对，因此不能互补黏合，B错误；比苏I和必〃din

切割形成的黏性末端不互补配对，因此不能互补黏合，c错误；及血n和密in切割形成的黏

性末端可以互补配对，因此能互补黏合，D正确。］

［问题探究］

下图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图，请据图回答。

⑥£/W\/丝/TOWK/

人胰岛胰岛素A/

事曙人胰岛素

大肠杆菌BCD叵&＞人胰岛素

1.能否利用人的皮肤细胞进行过程①？过程②特别需要的酶是哪一种？

提示：不能，皮肤细胞中胰岛素基因不表达；过程②是逆转录，需要逆转录酶。

2.如何将A和B连接成C?操作后的产物只有C吗？

提示：用同一种限制酶切割A和B,再加入DNA连接酶，才能形成C。操作后的产物除了

C,还可能有A与A结合、B与B结合的产物。

3.人的胰岛素基因能够在大肠杆菌细胞中表达的基础是什么？

提示：所有生物共用一套遗传密码。

4.该方法和诱变育种相比，有什么优点？

提示：可以定向改造生物的遗传性状。

「归纳总结1

1.基因工程操作的基本步骤

/目的基因：人们所需的特定基因

提取目

获取(直接分离基因

的基因{

I途径1人工合成基因

'用一种限制酶切割质粒

I

用同一种限制酶切割目的基因

目的基因与

运载体结合'I

加入DNA连接酶

I

.质粒和目的基因结合成重组DNA分子

将目的基因导入受体细胞：主要是借助细菌或病毒侵染

细胞的方法

检测：根据运载体特有的标记基因或分子

杂交技术检测目的基因是否导入受体

目的基因的

检测与鉴定‘细胞

鉴定：受体细胞是否表现出特定性状，如棉

、花抗虫性状的表现

知识拓展：

(1)在基因工程操作过程中，将目的基因导入受体细胞的过程不涉及碱基互补配对。

(2)受体细胞常选用微生物的原因：微生物繁殖快、代谢快、目的产物多。

(3)培育转基因动物时，常采用显微注射法将目的基因导入受精卵，原因是受精卵的全能

性高。

(4)培育转基因植物时，受体细胞可用受精卵和其他高度分化的细胞，因为高度分化的植

物细胞仍具有全能性。可用植物组织培养技术将其培育成个体。

2.基因工程成功的基础

基本单位相同：都

是由脱氧核普酸构

成的

运载体与目的基因空间结构相同：都是

结合成功的基础规则的双螺旋结构

两

个

方

面

3.基因工程的应用

,目的：获得高产、稳产和具有优良品质的农作

物，培育出具有各种抗逆性的作物新品种

作物实例：抗楣铃虫的转基因抗立棉

育种’意义:抗虫基因作物的和植，不仅减少了农药

的使用量，大大降低了生产成本，而且还减

应少了农药对环境的污染

用(•实例：用基因工程方法生产胰岛素

药物

《过程：胰岛素某因与大肠杆菌的DNA分子重

研制

组，并且在大肠杆菌内成功地表达

环境保护：利用转基因细菌降解有毒有害的化合物、

吸收环境中的重金属、分解泄漏的石油、处理

工业废水等

4.转基因育种与杂交育种、诱变育种的比较

(1)杂交育种能使位于不同个体上的多个优良性状集中于一个个体上，但育种周期长；诱

变育种可以提高变异频率，大幅度改良某些性状，但有利变异个体不多，需要大量供试材料。

(2)与杂交育种、诱变育种相比，转基因育种能克服传统育种方法的缺点，具有目的性强、

育种周期短、能克服远缘杂交不亲和的障碍等优点。

1.用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。下列叙述不正确的是()

A.常用相同的限制酶切割目的基因和质粒

B.DNA连接酶和RNA聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶

C.质粒作为运载体应具有标记基因

D.人和大肠杆菌在合成相关蛋白质时，转录和翻译的场所不同

B［为得到相同的黏性末端，常用相同的限制酶切割目的基因和质粒，A正确。DNA连接

酶是构建重组质粒必需的酶，而RNA聚合酶则用于DNA的转录过程，B错误。质粒作为运载体,

应具有标记基因，以便重组后进行重组DNA的鉴定和选择，C正确。人是真核生物，大肠杆菌

是原核生物，真核细胞的转录场所主要在细胞核，而原核细胞没有成形的细胞核，D正确。］

2.某种转基因玉米能高效合成一种多肽类的蛋白酶抑制剂，积累于茎叶中，让取食它的

害虫的消化酶受抑制，使其无法消化食物而死亡。下列就该玉米对人类安全性的评论中，不

符合生物学原理的是（）

A.不安全。这种玉米的果实（种子）中也可能含有蛋白酶抑制剂，使人食用后因无法消化

食物而患病

B.不安全。该玉米的蛋白酶抑制剂基因可通过食物链进入人体细胞内，使人体无法消化

食物而患病

C.安全。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人体很可能无影

响

D.安全。人类通常食用煮熟的玉米食品，玉米的蛋白酶抑制剂已被高温破坏，不会影响

人的消化

B［基因是有遗传效应的DNA片段，属于大分子有机物，外源基因进入动物和人体的消

化道后会被消化成小分子物质，不能直接进入动物和人体细胞内，更谈不上通过食物链富集

并在细胞内表达。］

［课堂小结］

知识网络构建核心语句归纳

1.基因工程的优点是可定向改造生物的遗传

性状。