高中生物第六章从杂交育种到基因工程第2节基因工程及其应用学案新人教版必修2.docx

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高中生物第六章从杂交育种到基因工程第2节基因工程及其应用学案新人教版必修2

第2节　基因工程及其应用

[学习导航]

1．概述基因工程的原理和应用。

　2.了解转基因生物和转基因食品的安全性。

一、基因工程的原理（阅读教材P102～P103）

1．含义

2．操作工具

（1）

（2）

（3）运载体

①作用：

将外源基因导入受体细胞。

②

⊙点拨　①限制酶具有特异性，DNA连接酶能连接任意两个DNA片断，不具有特异性。

②运载体与细胞膜中的载体不同。

运载体是DNA分子，而膜载体是蛋白质。

3．基因工程的步骤

（1）提取目的基因；

（2）目的基因与运载体结合；

（3）将目的基因导入受体细胞；

（4）目的基因的检测与鉴定。

二、基因工程的应用及安全性（阅读教材P104～P106）

1．基因工程与作物育种

（1）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。

（2）实例：

抗棉铃虫的转基因抗虫棉。

2．基因工程与药物研制

（1）实例：

用基因工程方法生产胰岛素。

（2）过程：

胰岛素基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌体内获得成功的表达。

3．基因工程的安全性

判断

（1）基因工程的原理是基因突变。

（×）

分析：

基因工程的原理是基因重组。

（2）基因工程能够定向的改变生物的性状。

（√）

分析：

基因工程可以向受体细胞中导入目的基因，让其表达，定向地改变生物的性状。

（3）所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列。

（×）

分析：

一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列。

（4）基因工程中的运载体只有质粒。

（×）

分析：

基因工程中常见的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒。

（5）只要目的基因进入了受体细胞就能成功实现表达。

（×）

分析：

目的基因进入受体细胞不一定能进行转录、翻译。

（6）转基因生物和转基因食品都是不安全的。

（×）

分析：

对于转基因生物和转基因食品的安全性问题不能片面地一概而论。

主题一　基因工程的操作工具

1．结合下图，探究以下问题：

（1）①过程需要限制酶，②过程需要DNA连接酶。

（2）限制性核酸内切酶的作用特点是识别特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子，形成2个黏性末端。

（3）同种限制酶切割不同DNA分子后形成的黏性末端是可以通过碱基互补配对连接起来的，但是脱氧核糖和磷酸之间的缺口要靠DNA连接酶进行连接。

2．结合下面大肠杆菌质粒的分子结构示意图分析：

质粒存在于许多细菌以及酵母菌等生物细胞中，是拟核或细胞核外能够自主复制的很小的环状DNA分子。

上面的标记基因为抗生素抗性基因，其作用为用于目的基因是否导入受体细胞的检测依据。

同时还含有多个酶切位点，其作用是便于质粒接入目的基因。

1．DNA连接酶与DNA聚合酶的比较

比较项目

DNA连接酶

DNA聚合酶

不同点

作用对象

连接DNA片段

连接游离的脱氧核苷酸

作用条件

不需要模板

需要模板

相同点

作用部位

连接不同脱氧核苷酸之间的磷酸和脱氧核糖之间的磷酸二酯键

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——这是保证目的基因能在细胞分裂过程中复制并传递给子代细胞的基础。

（2）有多个限制酶切点——这是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——这是检测目的基因是否导入受体细胞中的重要判断依据。

1．如图所示为一项重要生物技术的关键步骤，X是获得外源基因并能够表达的细胞。

下列有关说法不正确的是（　　）

A．X是能合成胰岛素的细菌细胞

B．质粒具有多个标记基因和多个限制酶切点

C．外源基因与运载体的重组只需要DNA连接酶

D．该细菌的性状被定向改造

解析：

选C。

根据图示，重组质粒导入的是细菌细胞，所以X是能合成胰岛素的细菌细胞。

质粒作为运载体需要有多个限制酶切点以便转运多种目的基因，同时具有标记基因以便检测目的基因是否导入受体细胞内。

基因与运载体的重组需要限制酶和DNA连接酶。

基因工程的特点是能够定向改造生物的性状。

2．下图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，图中依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用的正确顺序是（　　）

A．①②③④B．①②④③

C．①④②③D．①④③②

解析：

选C。

限制性核酸内切酶用于切割DNA片段；而与之作用相反的是DNA连接酶，用于连接DNA片段；DNA聚合酶用于DNA的复制过程，它需要模板；解旋酶会使DNA双链解旋而分开，它作用于碱基对之间的氢键。

方法技巧

　根据作用部位判断与DNA分子有关的酶

（1）断开氢键的酶：

解旋酶。

（2）断开（相邻核苷酸之间的）磷酸二酯键的酶：

若结果生成若干DNA片段，可判定为限制酶；若生成其基本单位——核苷酸，可判定为DNA水解酶。

（3）生成（相邻核苷酸之间的）磷酸二酯键的酶：

若将两个DNA片段连接在一起，可判定为DNA连接酶；若作用于DNA复制的过程中，或将游离的脱氧核苷酸连接到DNA链上，可判定为DNA聚合酶。

主题二　基因工程的操作步骤

结合下图探究以下问题：

1．图中①过程为提取目的基因，采用直接分离的方法，目的基因是指人们所需要的外源基因。

2．如图中②过程属于目的基因与运载体结合。

（1）从图中可以看出，提取目的基因B和切开质粒A所用的是同一种限制酶。

（2）DNA连接酶用于质粒A与目的基因B的结合过程，形成重组DNA分子C。

3．图中③过程属于将目的基因导入受体细胞，此过程不存在碱基互补配对。

4．目的基因的检测与鉴定

（1）检测：

根据标记基因或分子杂交技术检测目的基因是否导入受体细胞。

（2）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。

小组讨论

1转基因抗虫棉有性繁殖产生的后代都具有抗虫特性吗？

为什么？

提示：

不一定。

因为性状分离或变异，抗虫棉的子代可能会失去抗虫特性。

2基因工程中，为什么目的基因在不同物种中均能成功表达？

提示：

因为不同的生物体共用一套遗传密码，控制合成相同的蛋白质。

基因工程的基本操作程序

1．提取目的基因。

2．目的基因与运载体结合，如图：

3．将目的基因导入受体细胞。

4．目的基因的检测与鉴定。

3．由于乙肝病毒感染的宿主范围很窄，仅限于人和灵长类动物，因此无法用细胞培养的方法生产疫苗，但可用基因工程的方法进行生产，现已知乙肝病毒的核心蛋白和表面抗原蛋白的氨基酸序列，生产示意图如下。

下列相关说法不正确的是（　　）

乙肝病毒有关基因细菌大量生产疫苗

A．生产乙肝疫苗的过程也达到了定向改造细菌的目的

B．在①②过程中需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶

C．用于生产疫苗的目的基因为编码核心蛋白的基因和表面抗原蛋白基因

D．这种转基因的细菌一定是安全的，不用担心其扩散到自然界

解析：

选D。

上述过程应用了基因工程技术，能定向改造生物的遗传性状；在操作时要应用限制酶来获得目的基因，并用DNA连接酶使之与运载体结合；该过程的目的基因为表面抗原蛋白基因和编码核心蛋白的基因；转基因生物的安全性还存在争议。

无法判断其安全性，应避免其扩散进入自然界。

4．下图是应用基因工程技术获得转基因动物和植物的过程，相关叙述不正确的是（　　）

A．通过①过程形成重组质粒只需要两种工具

B．②是重组质粒导入受体细胞的过程

C．通过③过程产生的转基因牛的细胞中都含有人的生长激素基因

D．通过④⑤过程培育的抗虫棉需要检测抗虫效果

解析：

选A。

①是目的基因与运载体结合的过程，既需要限制酶和DNA连接酶，也需要载体质粒。

————————————[核心知识小结]————————————

[网络构建]

[关键语句]

1．基因工程的原理是基因重组。

2．基因工程的操作工具有限制酶、DNA连接酶和运载体。

3．限制性核酸内切酶具有特异性，能识别特定的核苷酸序列，并在特定位点上切割DNA分子。

4．DNA连接酶的作用是将目的基因和运载体连接成重组DNA分子。

5．常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等。

6．基因工程的四个步骤是：

提取目的基因、目的基因与运载体结合、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。

[随堂检测]

知识点一　基因工程概念及操作工具

1．以下有关基因工程的叙述，正确的是（　　）

A．基因工程是细胞水平上的生物工程

B．基因工程的产物对人类都是有益的

C．基因工程产生的变异属于人工诱变

D．基因工程育种的优点之一是目的性强

解析：

选D。

基因工程是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造（目的性强）和重新组合（基因重组），然后导入受体细胞内进行复制，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物和新的生物类型，但并不是所有的基因工程产物对人类都是有益的。

2．下图为DNA分子的某一片段，其中①②③分别表示某种酶的作用部位，则相应的酶依次是（　　）

A．DNA连接酶、限制酶、解旋酶

B．限制酶、解旋酶、DNA连接酶

C．解旋酶、限制酶、DNA连接酶

D．限制酶、DNA连接酶、解旋酶

解析：

选C。

使碱基对内氢键断裂的是解旋酶；限制酶将特定部位的相邻两脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键断开；连接DNA片段间磷酸二酯键的是DNA连接酶。

3．（2015·长沙高一检测）下列有关基因工程中运载体的说法，正确的是（　　）

A．在进行基因工程的操作中，作为运载体的质粒都是天然质粒

B．所有的质粒都可以作为基因工程的运载体

C．质粒是一种独立于细菌拟核DNA外的链状DNA分子

D．作为运载体的质粒DNA分子上应有对重组DNA分子进行鉴定和选择的标记基因

解析：

选D。

作为运载体的质粒，都是经过修饰的质粒；并不是所有质粒都能作为运载体，能作为运载体的质粒必须具备一定的条件；质粒是环状DNA分子。

知识点二　基因工程的操作过程

4．下列关于基因工程的叙述，错误的是（　　）

A．目的基因和受体细胞均可来自动植物或微生物

B．限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶

C．人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性

D．运载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达

解析：

选D。

基因工程中目的基因和受体细胞均可来自动植物或微生物；常用的工具酶是限制性核酸内切酶和DNA连接酶；人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性，只有经过一定的物质激活以后，才能有生物活性。

运载体上的抗性基因主要是有利于筛选含重组DNA的细胞，不能促进目的基因的表达，所以D错误。

5．水母发光蛋白由236个氨基酸构成，其中Asp（天冬氨酸）、Gly（甘氨酸）、Ser（丝氨酸）构成发光环，现已将这种蛋白质的基因作为生物转基因的标记，在转基因技术中，这种蛋白质的作用是（　　）

A．促使目的基因导入受体细胞

B．使目的基因容易被检测出来

C．促使目的基因在受体细胞内复制

D．使目的基因容易成功表达

解析：

选B。

该发光蛋白的作用是使目的基因容易被检测出来，从而确认目的基因是否已经成功导入受体细胞中。

6．干扰素是一种糖蛋白，过去从人的白细胞中提取，产量很低。

我国的科研人员成功运用基因工程技术提高了其产量，如图为其原理过程图。

请据图回答下面的问题：

（1）图中①过程叫________________________________________________________________________。

（2）图中②物质的化学本质是________________________________________________________________________，

它作为运