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现代生物技术专题
选修三现代生物技术专题
专题一基因工程
本专题包括基因工程的发展过程；DNA重组技术的基本工具；基因工程的基本操作程序；基因工程的应用；蛋白质工程的崛起等部分。
基因工程是一门20世纪70年代以来新兴的生物科学与工程技术相结合的科学。
也叫DNA重组技术。
它是按照人类的意愿，将某种基因有计划地转移到另一种生物中去的新技术。
现已成为生命科学中发展最快、最前沿的学科，有关生物工程的内容，己成为近几年生物高考的热点内容。
其中基因工程的操作工具和基因工程操作的基本步骤以及基因工程的成果及应用前景将是近年命题的新热点
基因工程操作的三种基本工具，四项基本操作程序等内容将成为考查学生分析综合问题能力的材料；另外，针对生物工程在医药、食品、农林等高新技术产业中的应用，运用有关的生物知识指导生产和实践，对有关的生产方案、生产过程进行分析、综合评价，这也是高考的另一热点。
有关基因工程的备考，今后高考中可能涉及到本考题的热点问题，有如下几个方面：
1.基因工程的基本步骤：
目的基因的获取、基因表达运载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因表达的检测与鉴定几个步骤。
2.转基因技术的应用：
（1）转基因动植物，如抗虫、抗病、抗逆、抗除草剂，抗倒伏的植物；产肉、产蛋量高、生长快、耐粗饲料的动物；此外，转基因动物为人类异体器官移植提供了可能。
（2）基因药物：
如人造胰岛素、人造生长激素、溶血栓的尿激酶原等。
（3）基因治疗：
美国对复合型免疫缺陷症的治疗；糖尿病的治疗：
许多科学家希望利用基因工程手段将正常的合成胰岛素基因导入患者体内，并准确表达，以此来修复或替代失去正常功能的胰岛B细胞，从而维持机体血糖平衡。
（4）利用遗传工程培养转基因固氮绿色植物的展望。
地球上的固氮途径有三条：
生物固氮、工业固氮、高能固氮。
其中，生物固氮是植物可利用氮的主要来源。
固氮生物在农业生产及氮循环中的作用。
在氮循环中有特殊作用的几种微生物，要总结其作用。
在学习生物固氮在自然界中的意义时，要明确生物固氮是植物可利用氮的重要来源，对氮循环与碳循环加以比较，认识这两种物质循环的差异；同时，应具体分析氮循环中几种微生物的特殊作用及其在生态系统中的地位。
利用遗传工程培养基因固氮绿色植物有重要应用价值，这也是生物高考命题的一个方面。
本专题所涉及的内容大都是社会热点、焦点问题，很可能成为遵循大纲，但又不拘泥于大纲的高考题目的素材，要求我们要有足够的重视。
课标要求
1、知识要求
1）简述基因工程的诞生
2）简述基因工程的原理和技术
3）举例说出基因工程的应用
4）简述蛋白质工程
2、能力要求
1）运用所学的DNA重组技术，模拟制作重组DNA模型，提高动手能力
2）通过对书中插图、照片等的观察，学会科学的观察方法，培养观察能力。
3）通过讨论、收集资料等，提高收集资料、处理资料、撰写专题综合报告的能力
4）能利用课本以外的资料和信息解决课内学习中发现的问题，从而培养学生自主学习能力，为终身学习、后续学习打下坚实的基础。
5）通过对基本概念、基本原理、科学方法的正确理解和掌握，逐步形成比较、判断、推理、分析、综合等思维能力，具备能运用学到的生物学知识评价和解决某些实际问题的能力。
6）通过引导学生在网上的探究活动，改变学生传统的学习方式，引导学生主动参与，乐于探究，培养学生收集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力及交流与合作的能力。
7）通过学习了解我国基因工程的发展前景及成果，激发学生对于生物知识的兴趣，开阔学生的思路，培养学生的爱国主义热情，树立在学习上努力刻苦的决心。
8）尝试运用基因工程原理，提出解决某一生产、生活上实际问题的方案，
科技探索之路：
基础理论和技术的发展催生了基因工程
课标要求
1、知识要求
简述基因工程的诞生
2、能力要求
通过复习DNA是遗传物质的证明、DNA双螺旋结构和中心法则的确立、遗传密码的破译等基础知识，提高学习能力、分析能力、探究能力，树立不断学习、不断创新的的精神。
知识网络体系
科技探索之路基础理论和技术的发展催生了基因工程
基因工程概念——是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组技术和转基因等技术，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。
由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫DNA重组技术。
DNA是遗传物质的证明
理论基础DNA双螺旋结构和中心法则的确立
遗传密码的破译
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
工程技术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
重难热点归纳
理论基础与工程技术的联系
科学的发展离不开理论和实践的探究，科学研究是一个漫长的实践过程
知识拓展
基因工程
基因工程的别名
基因拼接技术或DNA重组技术
操作环境
生物体外
操作对象
基因
操作水平
DNA分子水平
基本过程
剪切→拼接→导入→表达
结果
人类需要的基因产物
经典例题剖析
［例1］切取牛的生长激素和人的生长激素基因，用显微注射技术将它们分别注入小鼠的受精卵中，从而获得了“超级鼠”，此项技术遵循的原理是
A．基因突变：
DNA→RNA→蛋白质
B．基因工程：
RNA→RNA→蛋白质
C．细胞工程：
DNA→RNA→蛋白质
D．基因工程：
DNA→RNA→蛋白质
【解析】此题既复习中心法则，又考察基因工程。
由题所述是把牛和人的生长素基因注入到鼠的受精卵中，应属于基因工程。
【答案】D
基础试题训练
１．把兔控制血红蛋白合成的信使RNA加入到大肠杆菌的提取液中，结果能合成出兔的血红蛋白，这说明（）
A.兔和大肠杆菌共用一套遗传密码子
B．大肠杆菌的遗传物质是RNA
C．兔的RNA和大肠杆菌的RNA携带相同的遗传信息
D．兔控制血红蛋白合成的基因能进人大肠杆菌
2．能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是（）
A．单倍体育种B．杂交育种C．基因工程育种D．多倍体育种
3．科学家用纳米技术制造出一种“生物导弹”，可以携带DNA分子。
把它注射入组织中，可以通过细胞的内吞作用的方式进入细胞内，DNA被释放出来，进入到细胞核内，最终整合到细胞染色体中，成为细胞基因组的一部分，DNA整合到细胞染色体中的过程，属于（）
A．基因突变B．基因重组C．基因互换D．染色体变异
4．下列何种技术能有效地打破物种的界限,定向地改造生物的遗传性状,培育新的农作物优良品种（）
A．基因工程技术 B．诱变育种技术
C．杂交育种技术 D．组织培养技术
5．生物细胞中含有细胞质基因的结构是（多选）（）
A.细胞核和染色体B．染色体和核糖体C．线粒体和质粒D．线粒体和叶绿体
创新应用训练
1.利用基因工程生产蛋白质药物，经历了三个发展阶段。
第一阶段，将人的基因转入细菌细胞；第二阶段，将人的基因转入小鼠等动物的细胞。
前两个阶段都是进行细胞培养，提取药物。
第三阶段，将人的基因转入活的动物体，饲养这些动物，从乳汁或尿液中提取药物。
（1）将人的基因转入异种生物的细胞或个体内，能够产生药物蛋白的原理是基因能控制 。
（2）人的基因能和异种生物的基因拼接在一起，是因为它们的分子都具有双螺旋结构，都是由四种 构成，基因中碱基配对的规律都是 。
（3）人的基因在异种生物细胞中表达成蛋白质时，需要经过 和翻译两个步骤。
在翻译中需要的模板是 ，原料是，直接能源是，搬运工兼装配工是 ，将氨基酸通过肽键连接成蛋白质的场所是 ，“翻译”可理解为将由 个“字母”组成的核酸“语言”翻译成由 个“字母”组成的蛋白质“语言”，从整体来看 在翻译中充任着“译员”。
2、如下图所示，在a、b试管内加入的DNA都含有30对碱基，四个试管内都有产物生成。
请回答：
RNA
ATP
酶
脱氧核苷酸
DNA
ATP
酶
核糖核苷酸
RNA
ATP
酶
核糖核苷酸
DNA
ATP
酶
脱氧核苷酸
abcd
（1）a、d两试管内的产物是相同的，但a试管内模拟的是过程；d试管内模拟
的是过程。
（2）b、c两试管内的产物都是，但b试管内模拟的是过
程；c试管内模拟的是过程；b试管的产物中1个分子中最多含有
碱基，有个密码子。
（3）d试管中与a试管相比，特有的酶是。
3、（2003年上海高考题）艾滋病病毒（HIV）是一种球形的RNA病毒，HIV侵染T淋巴细胞并繁殖新一代病毒的过程示意图如下。
请回答：
（1）图中①表示病毒正侵染淋巴细胞。
进入寄主细胞的是病毒的_________。
（2）遗传学上将过程②称为_________。
（3）③和④的信息传递过程分别称为____________________________。
（4）HIV有Ⅰ和Ⅱ两种类型，其中Ⅰ型又有7个亚型。
Ⅰ型的基因组中4个主要基因的变异率最高可达22%。
多达100种左右的HIV变异株是目前研制疫苗的主要困难，因此切断传播途径是惟一行之有效的预防措施。
HIV众多变异类型是_________的结果，这种变异特点与一般生物的不同之处是___________________________，其原因是________________________________。
（5）2002年12月1日是国际第15个____________________________日。
（6）据最近研究认为，引起“严重急性呼吸系统综合症”（SARS）的病原体可能是
__________________________________。
它和HIV一样，其遗传信息的传递是按照
_____________________________________________的规律进行的（可以用简图表达）。
4、有人提出“吃基因补基因”，你是否赞成这种观点？
试从新陈代谢的角度简要说明理由
。
５、（05上海）回答有关真核细胞中遗传信息及其表达的问题。
（1）将同位素标记的尿核苷（尿嘧啶和核糖的结合物）加入细胞培养液中，不久在细胞核中发现被标记的__________、__________、__________。
（2）将从A细胞中提取的核酸，通过基因工程的方法，转移到另一种细胞B中，当转入________时，其遗传信息在B细胞中得到表达并能够复制传给下一代；当转入________时，在B细胞中虽能合成相应的蛋白质，但性状不会遗传。
（3）已知某基因片段碱基排列如右图。
由它控制合成的多
①—GGCCTGAAGAGAAGT—
②—CCGGACTTCTCTTCA—
肽中含有“—脯氨酸—谷氨酸—谷氨酸—赖氨酸—”的氨基酸序列。
（脯氨酸的密码子是：
CCU、CCC、CCA、CCG；谷氨酸的是GAA、GAG；赖氨酸的是AAA、AAG；甘氨酸的是GGU、GGC、GGA、GGG。
）
（1）翻译上述多肽的mRNA是由该基因的______链转录的（以图中①或②表示），此mRNA的碱基排列顺序是：
__________________________________。
（2）若该基因由于一个碱基被置换而发生突变，所合成的多肽的氨基酸排列顺序成为“—脯氨酸—谷氨酸—甘氨酸—赖氨酸—”。
写出转录出此段多DNA单链的碱基排列顺序：
___________________________________________。
1、1DNA重组技术的基本工具
课标要求
简述基因工程的原理和技术
能力要求
1）通过学习ＤＮＡ重组技术的基本工具，模拟制作重组DNA模型，初步掌握基因工程的基本方法提高动手能力
2）通过对书中插图、照片等的观察，学会科学的观察方法，培养观察能力。
3）通过对基本概念、基本原理、科学方法的正确理解和掌握，逐步形成比较、判断、推理、分析、综合等思维能力，具备能运用学到的生物学知识评价和解决某些实际问题的能力。
知识网络体系
来源：
主要从原核生物中分离
功能：
能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，
限制性内切酶并使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷
（分子手术刀）酸二酯键断开。
切割后的DNA末端：
黏性末端
平末端
功能：
将切下来的DNA片段拼接成新的DNA分子
DNA连接酶T4DNA连接酶：
既能“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端，
（分子缝合针）种类也能“缝合”双链DNA的平末端
E·coliDNA连接酶：
只能将双链片段互补的黏性末端连接
能在宿主细胞中保存下来并大量复制
条件：
有一个至多个限制酶切割点，
基因进入受体细胞的载体有特殊的遗传标记基因，便于筛选。
（分子运输车）质粒（常用）
种类：
λ噬菌体的衍生物
动植物病毒
重难热点归纳
限制性内切酶的功能
黏性末端和平末端
DNA连接酶与DNA聚合酶的区别
载体必须具备的条件
质粒与质体的区别
常用的载体
经典例题剖析
下图表示限制酶切割某DNA的过程，从图中可知，该限制酶能识别的碱基序列及切点是（）
A．CTTAAG，切点在C和T之间B．CTTAAG，切点在G和A之间
C．GAATTC，切点在G和A之间D．CTTAAC，切点在C和T之间
【解析】由图不难看出该限制酶识别的碱基序列是GAATTC，切点是G与A之间。
答案C
基础试题训练
1．在基因工程中，科学家所用的“剪刀”、“针线”和“载体”分别是指（）
A.大肠杆菌病毒、质粒、DNA连接酶B.噬菌体、质粒、DNA连接酶
C.DNA限制酶、RNA连接酶、质粒D.DNA限制酶、DNA连接酶、质粒
2．不属于质粒被选为基因运载体的理由是（）
A．能复制 B.有多个限制酶切点 C．具有标记基因 D．它是环状DNA
3．下列四条DNA分子，彼此间间具有粘性末端的一组是（）
①②
③④
A．①② B．②③ C．③④ D．②④
４．质粒是基因工程中最常用的运载体，它的主要特点是
①能自主复制②不能自主复制③结构很小④蛋白质⑤环状RNA⑥环状DNA
⑦能“友好”地“借居”
A．①③⑤⑦B．①④⑥
C．①③⑥⑦D．②③⑥⑦
５．有关基因工程的叙述中，错误的是（ ）
A．DNA连接酶将黏性未端的碱基对连接起来
B．限制性内切酶用于目的基因的获得
C．目的基因须由载体导入受体细胞
D．人工合成目的基因不用限制性内切酶
６．实施基因工程第一步的一种方法是把所需的基因从供体细胞内分离出来，这要利用限性
内切酶。
一种限制性内切酶能识别DNA子中的GAATTC顺序，切点在G和A之间，
这是应用了酶的（ ）
A．高效性 B.专一性
C．多样性 D.催化活性受外界条件影响
７．人们常选用的细菌质粒分子往往带有一个抗菌素抗性基因，该抗性基因的主要作用是
A.提高受体细胞在自然环境中的耐药性
B.有利于对目的基因是否导入进行检测
C.增加质粒分子的分子量
D．便于与外源基因连接
8．下列属于基因运载体所必须具有的条件是（多选）（）
A、具有某些标志基因
B、具有环状的DNA分子
C、能够在宿主细胞内复制
D、具有多种限制性内切酶
9．下列哪些可作为基因工程技术中常用的基因运载工具（多选）（）
A．大肠杆菌B．质粒
C．动物病毒D．线粒体
10．在重组DNA技术中，不常用到的酶是
A、限制性内切酶 B、DNA聚合酶
C、DNA连接酶 D、反转录酶
11．多数限制性核酸内切酶切割后的DNA末端为
A、平头末端 B、3突出末端 C、5突出末端 D、粘性末端
12．在基因工程中通常所使用的质粒是
A、细菌的染色体DNA B、细菌染色体外的DNA
C、病毒染色体DNA D、噬菌体DNA
13．（2006深圳一模考题）研究人员想将生长激素基因通过质粒介导入大肠杆菌细胞内，以表达产生生长激素。
已知质粒中存在两个抗性基因：
A是抗链霉素基因，B是抗氨苄青霉素基因，且目的基因不插入到基因A、B中，而大肠杆菌不带任何抗性基因，则筛选获得“工程菌”的培养基中的抗抗生素首先应该
A、仅有链霉素 B、仅有氨苄青霉素
C、同时有链霉素和氨苄青霉素 D、无链霉素和氨苄青霉素
14．（05全国Ⅰ）镰刀型细胞贫血症的病因是血红蛋白基因的碱基序列发生了改变。
检测这种碱基序列改变必须使用的酶是
A.解旋酶B.DNA连接酶C.限制性内切酶D、RNA聚合酶
创新应用训练
1.番茄在运输和贮藏过程中，由于过早成熟而易腐烂。
应用基因工程技术，通过抑制某种促进果实成熟激素的合成，可使番茄贮藏时间延长，培育成耐贮藏的番茄新品种。
这种转基因番茄已于1993年在美国上市，请回答：
（1）促进果实成熟的重要激素是 。
（2）在培育转基因番茄的操作中，所用的基因的“剪刀”是 ，基因的“针线”是 ，基因的“运输工具”是 。
（3）与杂交育种、诱变育种相比，通过基因工程来培育新品种的主要优点是 、 和 。
2、（05天津理综）限制性内切酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—，限制性内切酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。
在质粒上有酶Ⅰ的一个切点，在目的基因的两侧各有一个酶Ⅱ的切点。
（1）请画出质粒被限制酶Ⅰ切割后所形成的黏性末端。
（2）请画出目的基因两侧被限制酶Ⅱ切割后所形成的黏性末端。
（3）在DNA连接酶作用下，上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接？
为什么？
1、2基因工程的基本操作程序
课标要求
简述基因工程的原理和技术
能力要求
（1）通过对书中插图、照片等的观察，学会科学的观察方法，培养观察能力。
（2）通过对基因工程的基本操作程序的学习，使学生在理解步骤的同时，举一反三，对于其他基因工程操作实例做到能理解、能介绍，从而培养学生对相关知识的理解能力及良好的语言表达能力。
（3）通过引导学生在网上的探究活动，引导学生主动参与，乐于探究，培养学生收集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力及交流与合作的能力。
知识网络体系
目的基因：
指编码蛋白质结构基因
基因文库
从基因文库中获取基因组文库
目的基因的获取方法 部分基因文库
人工合成
PCR：
是一项在生物体外复制特定
DNA片段的核酸合成技术。
利用PCR技术扩增目的基因目的：
获取大量的目的基因
原理：
DNA复制
过程
目的：
使目的基因在受体细胞中稳定存在，并可以遗传给下一代，
基因表达载体的构建并使目的基因能够表达和发挥作用。
（基因工程的核心）目的基因：
基因表达载体的组成：
启动子：
终止子：
标记基因：
转化：
目的基因进入受体细胞内并在受体细胞内维持稳定
和表达的过程
农杆菌转化法
导入植物细胞的方法：
基因枪法
将目的基因导入受体细胞方法：
花粉通道法
导入动物细胞的方法：
显微注射技术
导入微生物的方法：
检测转基因生物的染色体上是否插入了目的基因
检测：
方法：
分子杂交技术（DNA探针+转基因生物DNA）
目的基因的检测和鉴定检测目的基因是否转录
方法：
分子杂交技术（DNA探针+转基因生物mRNA）
检测目的基因是否翻译成蛋白质
抗原—抗体杂交
鉴定：
对生物进行个体水平的鉴定
重难热点归纳
提取目的基因的方法
目的基因导入受体细胞的途径。
知识拓展
1．外显子与内含子
一般来说，结构基因都是由外显子和内含子组成，但是，外显子和内含子的关系不是完全固定不变的。
有时同一条DNA链上的某一段DNA序列，当它作为编码某多肽链的基因时是外显子，而作为编码另一多肽链的基因时，则是内含子，结果是同一基因可以同时转录为两种或两种以上的mRNA。
2．原核细胞的基因结构与真核细胞的基因结构的异同点
原核细胞的基因
真核细胞的基因
不同点
编码区连续；结构简单
编码区有间隔，不连续；结构复杂
相同点
都有编码区和非编码区；编码区都有调控遗传信息表达的核苷酸序列；编码区上游都有与RNA聚合酶结合的位点
3．获取目的基因的方法
从基因文库中获取
鸟枪法
人工合成
3．目的基因与运载体结合（以质粒为运载体）
4．将目的基因导入受体细胞
受体细胞：
细菌
↓氯化钙
细胞壁的通透性增大
↓
重组质粒进入受体细胞
↓
目的基因随受体细胞的繁殖而复制
经典例题剖析
［例1］下列有关基因工程技术的正确叙述是
A．重组DNA技术所用的工具酶是限制酶、连接酶和运载体
B．所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列
C．选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细菌繁殖快
D．只要目的基因进入了受体细胞就能成功实现表达
【解析】基因操作的工具有限制酶、连接酶，一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列。
运载体是基因的运输工具，目的基因进入受体细胞后，受体细胞表现出特定的性状，才说明目的基因完成了表达，基因工程的结果是让目的基因完成表达，生产出目的基因的产物，选择受体细胞的重要条件就是能够快速繁殖。
【答案】C
［例2］应用基因工程技术诊断疾病的过程中必须使用基因探针才能达到探测疾病的目的。
基因探针是指
A．用于检测疾病的医疗器械
B．用放射性同位素或荧光分子等标记的DNA分子
C．合成β—球蛋白的DNA
D．合成苯丙羟化酶DNA片段
【解析】基因诊断是用放射性同位素、荧光分子等标记的DNA作探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。
基础试题训练
1、构建基因组DNA文库时，首先雷分离细胞的
A、染色体DNA B、线粒体DNA C、总mRNA D、tRNA
2．在基因工程中，把选出的目的基因（共1000个脱氧核苷酸对，其中腺嘌岭脱氧核苷酸是460个）放入DNA扩增仪中扩增4代，那么，在扩增仪中应放入胞嘧啶脱氧核苷酸的个数是（）
A.540个B.8100个C.17280个D.7560个
2．在基因工程中，科学家常用细菌、酵母菌等微生物作为受体细胞，原因是（）
A.结构简单，操作方便B.遗传物质含量少
C.繁殖速度快D.性状稳定，变异少
3．因工程的操作步骤：
①使目的基因与运载体相结合，②将目的基因导入受体细胞，③检测目的基因的表达是否符合特定性状要求，④提取目的基因，正确的操作顺序是（ ）
A．③②④① B.②④①③ C．④①②③ D．③④①②
4．工程是在DNA分子水平上进行设计施工的，在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的步骤是（ ）
A．人工合成基因 B．目的基因与运载体结合
C．将目的基因导入受体细胞D．目的基因的检测和表达
5．就分于
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