创新设计高考生物一轮复习教师必备用书选修三 第32讲 Word版含答案Word格式.docx

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2.基因工程的基本操作程序

1.基因工程2种工具酶的化学本质分别是什么？

运载体的种类有哪些？

提示　限制酶、DNA连接酶的化学本质均为蛋白质。

运载体的种类有质粒（常用）、λ噬菌体衍生物、动植物病毒等。

2.限制酶为何不切割自身DNA?

提示　限制酶具有特异性，即一种限制酶只能识别一种特定的碱基序列，并在特定的位点上进行切割；

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.基因工程操作步骤中都涉及到碱基互补配对吗？

提示　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。

第一步用PCR或人工合成法合成DNA过程中存在碱基互补配对，第二步黏性末端连接时存在碱基互补配对，第四步分子杂交及基因表达时存在碱基互补配对。

（2017·

全国卷Ⅰ，38）真核生物基因中通常有内含子，而原核生物基因中没有，原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。

已知在人体中基因A（有内含子）可以表达出某种特定蛋白（简称蛋白A）。

回答下列问题：

（1）某同学从人的基因组文库中获得了基因A，以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A，其原因是_____________________________________________。

（2）若用家蚕作为表达基因A的受体，在噬菌体和昆虫病毒两种载体中，不选用________________作为载体，其原因是______________。

（3）若要高效地获得蛋白A，可选用大肠杆菌作为受体，因为与家蚕相比，大肠杆菌具有________________（答出两点即可）等优点。

（4）若要检测基因A是否翻译出蛋白A，可用的检测物质是________________（填“蛋白A的基因”或“蛋白A的抗体”）。

（5）艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献，也可以说是基因工程的先导，如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示，那么，这一启示是____________________________。

解析　

（1）细菌是原核生物，原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制，将完整的基因A导入大肠杆菌后，无法表达出蛋白A。

（2）噬菌体是细菌病毒，专门寄生在细菌体内；

家蚕是动物。

因此用家蚕作为表达基因A的受体，不选用噬菌体作为载体。

（3）原核生物作为基因工程中的受体细胞的原因是繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少，最常用的原核细胞是大肠杆菌。

（4）检测目的基因是否翻译成蛋白质，方法是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。

（5）艾弗里实验表明加热杀死的S型细菌的DNA可转入R菌中，这充分显示“DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体，”因此，可为基因工程理论的建立提供启示。

答案　

（1）基因A有内含子，在大肠杆菌中，其初始转录产物中与内含子对应的RNA序列不能被切除，无法表达出蛋白A

（2）噬菌体　噬菌体的宿主是细菌，而不是家蚕

（3）繁殖快、容易培养

（4）蛋白A的抗体

（5）DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体

（1）诠释基因组文库与部分基因文库

基因文库类型

基因组文库

部分基因文库（cDNA文库）

构建基因文库的过程

（2）诠释PCR技术

①原理：

体外DNA复制。

②需要条件：

模板DNA、引物、四种脱氧核苷酸、热稳定DNA聚合酶（Taq酶）。

③过程：

DNA受热（90～95℃）变性解旋为单链、冷却（55～60℃）后引物与单链相应互补序列结合，然后在DNA聚合酶作用下延伸（70～75℃）合成互补链。

（3）诠释基因表达载体

（4）农杆菌转化法原理

植物受损伤时伤口处分泌物可吸引农杆菌→农杆菌中Ti质粒上的T－DNA可转移至受体细胞并整合到受体细胞染色体DNA上（若将目的基因插入到Ti质粒的T－DNA上，则目的基因将被一起带入）。

（5）标记基因的种类和作用

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（表达产物为带颜色的物质）等。

（6）受体细胞的选择

受体细胞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。

要合成糖蛋白、有生物活性的胰岛素则必须用真核生物酵母菌（需内质网、高尔基体的加工、分泌）；

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的红细胞，原因是它无细胞核，也没有核糖体等细胞器，不能合成蛋白质。

考点二　基因工程的应用及蛋白质工程（5年11考）

1.基因工程的应用

（1）动物基因工程：

用于提高动物生长速度从而提高产品产量；

用于改善畜产品品质；

用转基因动物生产药物；

用转基因动物作器官移植的供体等。

（2）植物基因工程：

培育抗虫转基因植物（如抗虫棉）、抗病转基因植物（如转基因烟草）和抗逆转基因植物（如抗寒番茄）；

利用转基因改良植物的品质（如新花色矮牵牛）。

2.基因诊断与基因治疗

（1）基因诊断：

又称为DNA诊断，是采用基因检测的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体。

（2）基因治疗

①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。

②成果：

将腺苷酸脱氨酸基因转入取自患者的淋巴细胞中，使淋巴细胞能产生腺苷酸脱氨酶，然后，再将这种淋巴细胞转入患者体内，从而治疗复合型免疫缺陷症。

3.蛋白质工程

（1）概念理解

（2）基本流程

→

1.既然存在基因工程，为什么还要改造蛋白质？

提示　基因工程只能产生自然界已存在的蛋白质。

2.蛋白质工程中为什么通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造？

提示　①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；

②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。

3.用限制酶切割时要注意哪些问题？

提示　①获取目的基因和切割载体时，经常使用同一种限制酶（也可使用能切出相同末端的不同限制酶），目的是产生相同的黏性末端或平末端。

②获取一个目的基因需限制酶切割两次，共产生4个黏性末端或平末端。

③限制酶切割位点的选择，必须保证标记基因的完整性，以便于检测。

4.将目的基因导入受体细胞时，能否仅把目的基因整合到线粒体DNA或叶绿体DNA上？

为什么？

提示　一般不能。

如果仅把目的基因整合到线粒体DNA或叶绿体DNA上，由于细胞分裂可能导致目的基因丢失，无法稳定遗传。

全国卷Ⅱ，38）几丁质是许多真菌细胞壁的重要成分，几丁质酶可催化几丁质水解。

通过基因工程将几丁质酶基因转入植物体内，可增强其抗真菌病的能力。

（1）在进行基因工程操作时，若要从植物体中提取几丁质酶的mRNA，常选用嫩叶而不选用老叶作为实验材料，原因是__________________________________。

提取RNA时，提取液中需添加RNA酶抑制剂，其目的是_________。

（2）以mRNA为材料可以获得cDNA，其原理是________________________。

（3）若要使目的基因在受体细胞中表达，需要通过质粒载体而不能直接将目的基因导入受体细胞，原因是____________________________________（答出两点即可）。

（4）当几丁质酶基因和质粒载体连接时，DNA连接酶催化形成的化学键是____________________________________。

（5）若获得的转基因植株（几丁质酶基因已经整合到植物的基因组中）抗真菌病的能力没有提高，根据中心法则分析，其可能的原因是

_______________________________。

答案　

（1）嫩叶中几丁质酶转录的mRNA较多　防止提取的mRNA被RNA酶分解　

（2）mRNA根据碱基互补配对原则逆转录为cDNA　（3）质粒载体中有启动子、终止子，便于目的基因的表达；

质粒中有标记基因便于筛选；

质粒中含有复制原点等　（4）磷酸二酯键　（5）几丁质酶基因没有转录或转录的mRNA没有翻译

1.蛋白质工程与基因工程的比较

项目

蛋白质工程

基因工程

实质

定向改造或生产人类所需蛋白质

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（基因的异体表达）

生产自然界中没有的蛋白质

生产自然界中已有的蛋白质

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

2.突破基因工程应用的5个易错点

（1）农杆菌转化法原理：

农杆菌在自然条件下易感染双子叶植物和裸子植物，并将其Ti质粒上的T－DNA转移并整合到受体细胞染色体DNA上。

（2）用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系一般称为“工程菌”，如含有人干扰素基因的酵母菌。

而青霉素是由人工诱变后的高产青霉菌产生的，不是通过基因工程改造的工程菌产生的。

（3）用基因工程生产的药品，从化学成分上分析都应该是蛋白质类。

（4）动物基因工程的实施主要是为了改善畜产品的品质，不是为了产生体型巨大的个体。

（5）并非所有个体都可作为乳腺生物反应器，制备乳腺生物反应器通常是针对雌性个体进行的操作。

考点三　PCR技术与DNA的粗提取与鉴定（5年3考）

1.PCR技术

（1）PCR原理：

DNA复制原理，即：

（2）PCR反应过程

过程

说明

图解

变性

当温度上升到90__℃以上时，双链DNA解聚为单链

复性

温度下降到50__℃左右，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合

延伸

72℃左右时，TaqDNA聚合酶有最大活性，可使DNA新链由5′端向3′端延伸

（3）结果：

上述三步反应完成后，一个DNA分子就变成了两个DNA分子，随着重复次数的增多，DNA分子就以2n的形式增加。

PCR的反应过程都是在PCR扩增仪中完成的。

2.DNA的粗提取与鉴定

（1）实验原理

（2）操作流程

（1）为什么加入蒸馏水能使鸡血细胞破裂？

提示　蒸馏水对于鸡血细胞来说是一种低渗液体，水分可以大量进入血细胞内，使血细胞破裂，再加上搅拌的机械作用，就加速了鸡血细胞的破裂（细胞膜和核膜的破裂），从而释放出DNA。

（2）若用植物细胞提取DNA需加入洗涤剂和食盐，其作用是什么？

提示　洗涤剂是一些离子去污剂，能溶解细胞膜，有利于DNA的释放；

食盐的主要成分是NaCl，有利于DNA的溶解。

（3）为什么反复地溶解与析出DNA，能够去除杂质？

提示　用高盐浓度的溶液溶解DNA，能除去在高盐中不能溶解的杂质；

用低盐浓度使DNA析出，能除去溶解在低盐溶液中的杂质。

因此，通过反复溶解与析出DNA，就能够除去与DNA溶解度不同的多种杂质。

全国卷Ⅲ，38）编码蛋白甲的DNA序列（序列甲）由A、B、C、D、E五个片段组成，编码蛋白乙和丙的序列由序列甲的部分片段组成，如图1所示。

（1）现要通过基因工程的方法获得蛋白乙，若在启动子的下游直接接上编码蛋白乙的DNA序列（TTCGCTTC－T……CAGGAAGGA），则所构建的表达载体转入宿主细胞后不能翻译出蛋白乙，原因是_______________________________。

（2）某同学在用PCR技术获取DNA片段B或D的过程中，在PCR反应体系中加入了DNA聚合酶、引物等，还加入了序列甲作为________，加入了________作为合成DNA的原料。

（3）现通过基因工程方法获得了甲、乙、丙三种蛋白，要鉴定这三种蛋白是否具有刺激T淋巴细胞增殖的作用，某同学做了如下实验：

将一定量的含T淋巴细胞的培养液平均分成四组，其中三组分别加入等量的蛋白甲、乙、丙，另一组作为对照，培养并定期检测T淋巴细胞浓度，结果如图2。

①由图2可知：

当细胞浓度达到a时，添加蛋白乙的培养液中T淋巴细胞浓度不再增加，此时若要使T淋巴细胞继续增殖，可采用的方法是____________。

细胞培养过程中，培养箱中通常要维持一定的CO2浓度，CO2的作用是________。

②仅根据图1、图2可知，上述甲、乙、丙三种蛋白中，若缺少________（填“A”“B”“C”“D”或“E”）片段所编码的肽段，则会降低其刺激T淋巴细胞增殖的效果。

解析　

（1）因为编码乙的DNA序列起始端无ATG，转录出的mRNA无起始密码子，因此所构建的表达载体转入宿主细胞后不能翻译出蛋白乙。

（2）PCR技术扩增目的基因的条件需要：

模板DNA、四种脱氧核苷酸、一对引物、热稳定DNA聚合酶（Taq酶）。

序列甲作为模板DNA，DNA的原料为四种游离的脱氧核苷酸。

（3）①动物细胞可以通过细胞培养（传代培养）继续增殖。

细胞培养过程中，需要气体环境，其中气体CO2的作用是维持培养箱中的pH。

②分析坐标图：

对比甲和乙蛋白刺激T淋巴细胞增殖情况发现：

最终效果相当，只是增殖时间不同，可以推断出A、E片段编码的肽段不会降低T淋巴细胞增殖效果。

将丙蛋白分别与甲和乙蛋白刺激T淋巴细胞增殖情况比较发现：

丙蛋白降低了T淋巴细胞增殖效果。

丙序列与甲和乙序列相比较，缺少了C片段，也就是说若缺少C片段所编码的肽段，则会降低其刺激T淋巴细胞增殖的效果。

答案　

（1）编码乙的DNA序列起始端无ATG，转录出的mRNA无起始密码子　

（2）模板　四种游离的脱氧核苷酸　（3）①进行细胞传代培养　维持培养箱中的pH　②C

生物体内DNA复制与PCR反应的区别

体内DNA复制

PCR反应

解旋

在解旋酶作用下，细胞提供能量，部分解开

加热至90℃，双链全部解开，不需要解旋酶

引物

一小段RNA

可以是RNA或单链DNA分子片段

合成子链

在引物基础上，一条链连续合成，另一条链不连续合成

分别从两条链的引物端开始，都是连续合成，控制温度72℃

特点

边解旋边复制，半保留复制

体外迅速扩增

TaqDNA聚合酶

不需要

需要

循环次数

受生物体自身控制

30多次

相同点

生物体内的DNA复制和PCR体外DNA扩增都需要模板、四种脱氧核苷酸，且都需要在一定的缓冲溶液中进行

【即学即练】

安徽四校联考）回答下列有关PCR过程的问题：

（1）PCR的每次循环可以分为________三步。

假设在PCR反应中，只有一个DNA片段作为模板，请计算在5次循环后，反应物中大约有________个这样的DNA片段。

（2）请用简图表示出一个DNA片段在PCR反应中第二轮的产物。

（3）简述PCR技术的主要应用（要求3项以上）。

___。

解析　

（1）DNA复制时两条链均作为模板，进行半保留复制，所以复制5次后得到的子代DNA分子数为25＝32。

（2）新合成的DNA链带有引物，而最初的模板DNA的两条链不带有引物。

（3）PCR技术可以对DNA分子进行扩增，所以可用于遗传疾病的诊断、刑侦破案、古生物学、基因克隆和DNA序列测定等方面。

答案　

（1）变性、复性和延伸　32　

（2）如图所示

（3）遗传疾病的诊断、刑侦破案、古生物学、基因克隆和DNA序列测定（其中3项即可）

易错·

防范清零

[易错清零]

易错点1　误认为目的基因的插入是“随意”的

点拨　目的基因的插入位点不是随意的：

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，若目的基因插入到启动子内部，启动子将失去原功能。

易错点2　混淆启动子与起始密码子，终止子与终止密码子，不明确标记基因的作用

点拨　启动子≠起始密码子，终止子≠终止密码子

（1）启动子：

一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端。

它是RNA聚合酶识别、结合的部位。

（2）终止子：

一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的尾端。

作用是使转录过程停止。

（3）起始密码子和终止密码子位于mRNA上，分别控制翻译过程的启动和终止。

（4）标记基因：

一般为抗生素抗性基因或荧光基因等，其作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因（目的基因是否导入成功），从而将含目的基因的细胞筛选出来。

易错点3　误认为切取目的基因与切取载体时“只能”使用“同一种酶”

点拨　

（1）在获取目的基因和切割载体时通常用同种限制酶，以获得相同的黏性末端。

但如果用两种不同限制酶切割后形成的黏性末端相同时，在DNA连接酶的作用下目的基因与载体也可以连接起来。

（2）为了防止载体或目的基因的黏性末端自己连接即所谓“环化”，可用不同的限制酶分别处理目的基因和载体，使目的基因两侧及载体上具有两个不同的黏性末端。

易错点4　误认为基因工程可导致受体细胞或生物产生“新基因”或“新蛋白质”

点拨　基因工程的实质是“基因重组”，它是将外源基因导入受体细胞，使该基因在受体细胞中表达——由于“外源基因”是自然界已存在的“现成”基因，故基因工程并未产生新基因，由此目的基因表达时也未产生新蛋白质，基因工程只不过是让受体细胞（或生物）“实现了外源基因的表达”。

[规范答题]

下表中列出了几种限制性核酸内切酶识别序列及其切割位点，图1、图2中箭头表示相关限制性核酸内切酶的酶切位点。

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，分别含有几个游离的磷酸基团？

________。

（2）组建理想的载体需要对天然的质粒进行改造，人工改造质粒时，要使目的基因能成功表达，还应插入________。

若对图中质粒进行改造，插入的SmaⅠ酶切位点越多，质粒的热稳定性越低还是越高？

____________________。

（3）用图中的质粒和外源DNA构建重组质粒，能否使用SmaⅠ切割？

_____________________________________。

（4）构建重组质粒时能否使用BamHⅠ和HindⅢ两种限制酶同时处理质粒、外源DNA？

__________，理由是___________________________。

（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。

答卷采样

错因分析

考虑问题不全面，没有认真分析题中的图示质粒。

正确答案是启动子和终止子。

思维定势，理解错误，误认为构建重组质粒时只能使用同一种限制酶切割。

正确答案是：

能，可以阻止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化。

课堂小结

思维导图

晨读必背

1.限制酶具有特异性，即一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列，并在特定的位点上切割DNA分子。

2.基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子和标记基因。

3.培育转基因动物时，受体细胞必须是受精卵，培育转基因植物时的受体细胞可以是受精卵，也可以是体细胞。

4.目的基因导入植物细胞常用农杆菌转化法；

导入动物细胞常用显微注射技术，导入微生物细胞常用感受态细胞法。

5.利用基因工程技术产生的目的基因产物均为自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程产生的蛋白质均已被改造，为新蛋白质。

随堂·

真题&

预测

1.（2015·

全国卷Ⅱ，40）已知生物体内有一种蛋白质（P），该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。

如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质（P1）不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。

（1）从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的________________进行改造。

（2）以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰________基因或合成________基因，所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括_______________________

的复制，以及遗传信息在不同分子之间的流动，即：

_________________________________。

（3）蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过_______________________________________和____________________，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对合成蛋白质的生物________进行鉴定。

答案　

（1）氨基酸序列（或结构）

（2）P　P1　DNA和RNA（或遗传物质）　DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质（或转录、逆转录、翻译）

（3）设计蛋白质的结构　推测氨基酸序列　功能

2.（2019·

高考预测）口蹄疫是由口蹄疫病毒引起的一种偶蹄动物传染病，目前常用接种弱毒疫苗的方法预防。

疫苗的主要成分是该病毒的一种结构蛋白VPI。

科学家尝试利用转基因番茄来生产口蹄疫疫苗，过程如下图所示。

请据图回答。

（1）口蹄疫病毒的VPI蛋白进入动物体内，能引起机体产生特异性免疫反应。

VPI蛋白在免疫中称为________。

（2）口蹄疫病毒的遗传物质为RNA，要获得VPI基因可用________的方法合成DNA，再用限制性核酸内切酶将VPI基因片段切下。

（3）下图中将VPI基因插入质粒，可以只用EcoRⅠ酶同时切割质粒和VPI基因，也可以使用BamHⅠ和HindⅢ两种限制酶同时酶切质粒和VPI基因，后一个方法的优点在于可以防止________。

（4）构建重组质粒，不能使用SmaⅠ酶切割，原因是__________________________。

（5）若对上图中质粒进行改造，插入的SmaⅠ酶切位点越多，质粒的热稳定性如何变化，为什么？

________________________________________。

（6）番茄组织细胞具有________性，因此，可以利用植物组织培养技术将导入目的基因的番茄组织细胞培育成完整植株。

（7）如何检测目的基因是否成功导入番茄？

_____________________。

答案　

（1）抗原　

（2）逆转录（反转录）　（3）自身环化（及反向连接）　（4）如果使用SmaⅠ酶切割，将会破坏质粒的抗性基因（标记基因），同时也会破坏目的基因片段

（5）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Sma