基因工程-高考生物学考前三个月速记清单

（17）基因工程（17）基因工程【必备知识】考点1基因工程一、基因工程的概念与原理1.基因工程的概念（1）操作场所：生物体外。（2）操作技术：转基因等技术。（3）操作结果：赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。（4）操作水平：DNA分子水平。2.基因工程的原理基因工程的基本原理是让人们感兴趣的基因（目的基因）在宿主细胞中稳定和高效地表达。具体地说，基因工程就是在DNA分子水平上对基因进行操作的复杂技术，是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。3.基因工程的诞生和发展（1）基因工程的诞生①1944年，艾弗里等人通过肺炎链球菌转化实验证明了遗传物质是DNA，还证明了DNA可以在同种生物的不同个体之间转移。②1953年，沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构模型并提出了遗传物质自我复制的假说。③1961年，尼伦伯格和马太破译了第一个编码氨基酸的密码子。④20世纪70年代初，多种限制酶、DNA连接酶和逆转录酶被相继发现，为DNA的切割、连接以及功能基因的获得创造了条件。⑤1973年，科学家证明质粒可以作为基因工程的载体，构建重组DNA，使外源基因在原核细胞中成功表达，并实现物种间的基因交流。（2）基因工程的发展①1982年，第一个基因工程药物——重组人胰岛素被批准上市。②1984年，我国科学家朱作言领导的团队培育出世界上第一条转基因鱼。③1985年，穆里斯等人发明PCR，为获取目的基因提供了有效手段。④1990年，人类基因组计划启动。2003年，该计划的测序任务顺利完成。⑤21世纪以来，科学家发明了多种高通量测序技术，可以实现低成本测定大量核酸序列，加速了人们对基因序列的了解。⑥2013年，华人科学家张锋及其团队首次报道利用最新的基因组编辑技术编辑了哺乳动物基因组。二、DNA重组技术的基本工具1.限制性内切核酸酶（又称限制酶）——“分子手术刀”（1）来源：主要来自原核生物。（2）功能：能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并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。（3）结果：产生黏性末端或平末端。（4）应用：已知限制酶EcoRⅠ和SmaⅠ识别的碱基序列和酶切位点分别为G↓AATTC和CCC↓GGG，在图中写出两种限制酶切割DNA后产生的末端并写出末端的种类。EcoRⅠ限制酶和SmaⅠ限制酶识别的碱基序列不同，切割位点不同（填“相同”或“不同”），说明限制酶具有专一性。2.DNA连接酶——“分子缝合针”（1）作用：将双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。（2）种类种类E·coliDNA连接酶T4DNA连接酶来源大肠杆菌T4噬菌体特点缝合黏性末端缝合黏性末端和平末端作用缝合双链DNA片段，恢复两个核苷酸之间的磷酸二酯键3.基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”（1）种类①质粒：常存在于原核细胞和酵母菌中，是一种分子质量较小的、环状的、裸露的DNA分子，独立于拟核之外。②λ噬菌体的衍生物和动植物病毒等。（2）目的①将目的基因转运到宿主细胞中去。②在受体细胞内对目的基因进行大量复制。（3）必备条件①在宿主细胞中保存下来并大量复制。②有多个限制酶切割位点。③有一定的标记基因，便于筛选。④对受体细胞无害。4.重组DNA分子的模拟操作（1）材料用具：剪刀代表EcoRⅠ，透明胶条代表DNA连接酶。（2）切割位点：①分别从两块硬纸板上的一条DNA链上找出—GAATTC—序列，并选G—A之间作切口进行“切割”。②再从另一条链上互补的碱基之间寻找EcoRⅠ相应的切口剪开。（3）操作结果：若操作正确，不同颜色的黏性末端应能互补配对；否则，说明操作有误。5.DNA的粗提取与鉴定（1）实验原理①DNA不溶于酒精，蛋白质溶于酒精。②DNA在不同浓度的NaCl溶液中的溶解度不同，它能溶于2_mol/L的NaCl溶液。③在一定温度下，DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。（2）实验步骤称取30g洋葱，切碎，加入10mL研磨液，充分研磨。↓漏斗中垫纱布，将研磨液过滤到烧杯中，4℃处理，取上清液。↓在上清液中加入体积相等的、预冷的酒精溶液，静置2～3min，用玻璃棒沿同一方向搅拌，卷起丝状物，并用滤纸吸去水分。↓取两支20ml的试管编号A、B，各加入2mol/L的NaCl溶液5mL，将丝状物溶于B试管的NaCl溶液中。然后向两支试管中各加入4mL的二苯胺试剂。混匀后，将试管置于沸水中加热5min。↓结果观察：A试管不变蓝，B试管变蓝色。三、目的基因的筛选与获取1.目的基因（1）概念：用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。（2）实例：培养转基因抗虫棉用到的目的基因是Bt抗虫蛋白基因。2.筛选合适的目的基因（1）较为有效的方法：从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选。（2）实例：在培育转基因抗虫棉之前，科学家不仅掌握了Bt基因的序列信息，也对Bt基因的表达产物——Bt抗虫蛋白有了较为深入的了解。（3）认识基因结构和功能的技术方法：DNA测序技术、遗传序列数据库、序列比对工具。3.利用PCR获取和扩增目的基因（1）PCR的含义：PCR是聚合酶链式反应的缩写，它是一项根据DNA半保留复制的原理，在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。（2）条件：DNA模板、分别与两条模板链结合的2种引物、四种脱氧核苷酸、耐高温的DNA聚合酶。（3）过程：①变性：温度上升到90℃以上，目的基因DNA受热变性后解为单链。②复性：温度下降到50℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。③延伸：温度上升到72℃左右时，溶液中四种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下加到引物的3′端合成子链。④重复循环多次。（4）结果：每次循环后目的基因的量增加一倍，即成指数形式扩增（约为2n）。四、基因表达载体的构建与将目的基因导入受体细胞1.基因表达载体的构建——核心（1）构建基因表达载体的目的①使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代。②使目的基因能够表达和发挥作用。2.基因表达载体的组成两子启动和终止；目的基因在中间；标记基因来筛选。3.基因表达载体的功能（1）使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代。（2）使目的基因表达和发挥作用。五、将目的基因导入受体细胞1.转化含义：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.转化方法（1）导入植物细胞（1）农杆菌转化法：将目的基因导入双子叶植物和裸子植物。（2）基因枪法：将目的基因导入单子叶植物常用的方法。（3）花粉管通道法：我国科学家独创的一种方法。（2）导入动物细胞①常用方法：显微注射技术。②常用受体细胞：受精卵。（3）导入微生物细胞①方法a.用Ca2＋处理细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态（这种细胞称为感受态细胞）。b.感受态细胞吸收重组表达载体DNA分子。②受体细胞：原核细胞（使用最广泛的是大肠杆菌）。③原核生物的特点：繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等。六、目的基因的检测与鉴定1.分子水平检测（1）检测转基因生物DNA上是否插入了目的基因。方法：DNA分子杂交技术。（2）检测目的基因是否转录出mRNA。方法：分子杂交技术。（3）检测目的基因是否翻译成蛋白质。方法：抗原—抗体杂交技术。2.个体水平鉴定包括抗虫、抗病的接种实验，以确定是否有抗性及抗性程度。基因工程产品需要与天然产品活性进行比较等。七、基因工程在农牧业方面的应用1.发展（1）农牧业：1996-2017年，全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍，美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家。2017年，我国转基因作物种植面积居世界第八位。（2）动物：第一种用于食用的转基因动物——转基因大西洋鲑在美国获得批准上市。2.实例（1）转基因抗虫植物①技术方法：从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中，培育出具有抗虫性的作物。②实例：抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。（2）转基因抗病植物①技术方法：将来源于病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出转基因抗病植物。②实例：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。（3）转基因抗除草剂植物①技术方法：将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可培育抗除草剂的作物品种。②实例：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。（4）改良植物的品质①技术方法：将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量。②实例：转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。（5）提高动物的生长速率①技术方法：将外源生长激素基因导入动物体内，提高动物的生长速率。②实例：转基因鲤鱼。（6）改善畜产品的品质①技术方法：将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组。②实例：乳汁中乳糖含量大大降低的转基因奶牛。八、基因工程在医药卫生领域以及食品工业方面的应用1.基因工程在医药卫生领域的应用（1）技术方法①生产药物a常见的药物：细胞因子、抗体、疫苗和激素等。我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市场。b批量生产药物：乳腺（房）生物反应器。目的基因：药用蛋白基因。启动子：乳腺中特异性表达的基因的启动子。受体细胞：受精卵。②培育移植器官：在器官供体的基因组中导入某种调节因子抑制抗原决定基因的表达或设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官。2.基因工程在食品工业方面的应用（1）技术方法：利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。例如将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵生产凝乳酶。（2）实例：淀粉酶、脂酶、天冬氨酸和苯丙氨酸。考点2蛋白质工程一、蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的不足（1）基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。（2）不足：在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。2.天然蛋白质的不足（1）天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。（2）对天然蛋白质进行改造，应该从对基因的操作来实现，主要原因如下：①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的基因可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传。②对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易，难度要小得多。3.蛋白质工程的崛起（1）理论和技术条件：分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。（2）实例蛋白质缺陷改造措施改造后效果玉米中赖氨酸含量低赖氨酸合成中两种酶的氨基酸被替换玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高5倍和2倍二、蛋白质工程的基本原理1.概念（1）基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。（2）手段：通过基因改造或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质。（3）目的：获得满足人类的生产和生活需求的蛋白质。2.与基因工程的关系：在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。3.原理（1）目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。（2）方法：改造基因或合成基因。（3）流程：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（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。4.蛋白质工程流程图三、蛋白质工程的应用1.医药工业方面（1）速效胰岛素类似物：改变氨基酸序列，抑制胰岛素的聚合。（2）干扰素：一个半胱氨酸替换为丝氨酸，延长保存时间。（3）单克隆抗体：将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，降低诱发免疫反应的强度。2.其他工业方面：广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶。3.农业方面（1）改造某些参与调控光合作用的酶，提高植物光合作用的效率。（2）改造微生物蛋白质的结构，增强防治病虫害的效果。考点3转基因生物的安全性一、转基因成果令人叹为观止1.转基因微生物（1）对微生物进行基因改造的原因：微生物的生理结构和遗传物质简单、生长繁殖快、对环境因素敏感和容易进行遗传物质操作。（2）转基因酵母菌减少了啤酒酵母双乙酰的生成，缩短了啤酒的发酵期。（3）用基因工程技术构建基因工程菌来生产氨基酸、药物等。2.转基因动物（1）将生长激素基因、促生长激素释放激素基因等转入动物体内，培育了生长迅速、营养品质优良的转基因家禽、家畜。（2）将某些抗病毒的基因导入动物体内，培育了抵抗相应病毒的动物新品种。（3）建立了某些人类疾病的转基因动物模型。3.转基因植物（1）科学家已经培育出了大批具有抗虫、抗病、抗除草剂和耐储藏等新性状作物。利用转基因技术显著抑制番茄中乙烯形成酶的活性和乙烯的生成量，从而培育成了转基因耐储藏番茄。（2）我国批准发放了转基因棉花、番木瓜、水稻和玉米等作物的生产应用安全证书。（3）硕果累累的转基因成果在带给人们喜悦的同时，也促使人们关注转基因生物的安全性问题。二、对转基因产品安全性的争论1.争论的原因（1）原本是自然造就的生命形式被人为改造后出现了全新特征。（2）人们所生活的国家或社会不同，具有不同的价值观取向，对转基因技术就会产生不同的见解。2.争论的方面在转基因食品的安全性等方面发生激烈的争论。三、理性看待转基因技术1.颁布和实施相关法规和政策：既维护了消费者对转基因产品的知情权和选择权，又最大程度地保证了转基因技术和已经上市的转基因产品的安全性。2.成立了国家农业转基因生物安全委员会：我国农业转基因生物安全管理权威的评价机构，为保障农业转基因生物安全提供重要的技术支撑。3.我国对农业转基因生物实行标识制度产品标注转基因生物、含有转基因生物或者转基因生物成分的产品直接标注“转基因××”转基因农产品的直接加工品“转基因××加工品（制成品）”或者“加工原料为转基因××”用农业转基因生物或用含有农业转基因生物成分的产品加工制成的产品，但最终销售产品中已不再含有或检测不出转基因成分的产品“本产品为转基因××加工制成，但本产品中已不再含有转基因成分”或者标注为“本产品加工原料中有转基因××，但本产品中已不再含有转基因成分”考点4关注生殖性克隆人一、生殖性克隆人面临的伦理问题1.克隆技术类型（1）治疗性克隆：指利用克隆技术产生特定细胞和组织用于治疗性移植。（2）生殖性克隆：指将克隆技术用于生育，即用于产生人类个体。2.生殖性克隆和治疗性克隆有着本质的区别。二、我国禁止生殖性克隆人1.中国政府对生殖性克隆的态度：中国政府积极支持制定《禁止生殖性克隆人国际公约》，坚决反对克隆人，不允许进行任何生殖性克隆人实验。2.中国政府的四不原则：不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。3.中国政府对治疗性克隆的管理：（1）通过制定相关法规，对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。（2）针对干细胞研究，我国制定相关法规，保证干细胞的研究在有关规定下进行，并尊重国际公认的生命伦理准则，促进我国干细胞研究健康发展。三、警惕用新技术研究生殖性克隆人1.克隆动物的新技术：2.设计试管婴儿：在试管婴儿技术的基础上，在胚胎移植前，对胚胎进行遗传学诊断，有选择地把胚胎植入母体子宫，以达到生出所需类型婴儿的一种技术手段。考点5禁止生物武器一、生物武器的种类1.生物武器的概念生物武器是由生物战剂及其施放装置所组成的一种大规模杀伤性特种武器。生物战剂包括多种致病性微生物（细菌、病毒、立克次氏体及其毒素等）。施放装置包括炸弹、炮弹、气溶胶发生器、布洒器等。2.种类：包括致病菌类、病毒类和生化毒剂类。二、生物武器的特点1.致病力强，多数具有传染性：某些生物战剂只需少量病原体侵入人体，就能引起发病，如几十个热杆菌侵入人体就能致病。某些生物战剂，如鼠疫杆菌等，有很强的传染性，在一定条件下能在人与人之间传播，长期流行。2.污染面积广：生物战剂致病力强，气溶胶可随风飘散，在气象、地理条件适宜时，可造成大面积污染。3.不易被发现：生物战剂气溶胶无色无味，加之多在黄昏、夜间、拂晓、多雾时秘密施放，不易被人发现。4.有一定的潜伏期：生物战剂致病需经几小时至几天的时间。5.传播途径多：呼吸、饮食、皮肤接触、昆虫叮咬等。6.受自然条件影响大：风速、气温对气溶胶传播有影响，大雪、低温、干燥、日晒等能加速病菌的消亡。三、生物武器的实例（1）第二次世界大战期间，侵华日军修建了细菌武器工厂，大量培养鼠疫、霍乱等一系列致命的传染性疾病的病原体，在中国多个地区使用了细菌武器，造成几十万中国老百姓死亡。（2）第二次世界大战后，美国获得了细菌武器，在战争中散布了大量的天花病毒，使用细菌弹，散布了大量携带多种致病菌的昆虫。（3）通过转基因技术制造或改造的致病菌或病毒可以让大批无相应免疫能力的受感染者突然发病，而又无药可医。四、对生物武器的威胁，不能掉以轻心（1）有一些恐怖组织或个人在试图寻找各种大规模杀伤性武器，而生物武器相对容易获得，也便于携带和施放，一旦被利用，产生的危害是巨大的。（2）转基因技术使得制造新型的致病菌成为可能。这些人类从来没有接触过的致病菌，可能让大批受感染者突然发病，而又无药可医，这样施放者便会造成敌对方公众极度恐慌，致使受害国一切活动瘫痪。（3）禁止生物武器的公约①1972年4月10日，苏联、美国、英国分别在其首都签署了《禁止试制、生产和储存并销毁细菌（生物）和毒剂武器公约》（简称《禁止生物武器公约》）。②中国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。【易混易错】1.基因工程的易错点提示（1）标记基因（通常选抗性基因）的作用是：用于检测重组质粒是否被导入受体细胞（不含抗性）；而选择性培养基（加抗生素的培养基）的作用是：筛选是否导入目的基因的受体细胞。抗生素针对的不是目的基因，而是淘汰不具有抗性的没有导入目的基因的受体细胞（2）基因工程中导入的目的基因通常考虑整合到核DNA中，形成的生物可看作杂合子（Aa）产生配子时，可能含有目的