高考生物一轮复习讲义选修31基因工程.docx

高考生物一轮复习讲义选修31基因工程.docx

《高考生物一轮复习讲义选修31基因工程.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高考生物一轮复习讲义选修31基因工程.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高考生物一轮复习讲义选修31基因工程

最新考纲

1．基因工程的诞生Ⅰ

2．基因工程的原理及技术Ⅱ

3．基因工程的应用Ⅱ

4．蛋白质工程Ⅰ

实验：

DNA的粗提取与鉴定

考纲解读

1．基因工程的实质

2．基因工程操作的四步曲及其操作实例

3．基因工程在农业、医药生产、疾病诊断和治疗中的应用

4．蛋白质工程的一般操作过程

知识点一　基因工程的概念及基本工具

　议一议：

限制酶主要存在于原核生物中，它有什么意义？

知识点二　基因工程的基本操作程序

　想一想：

什么叫基因文库？

建立基因文库有什么意义？

看一看：

某研究小组在利用基因工程改造棉花时，发现转入的目的基因始终不表达，其原因可能是什么？

知识点三　基因工程的应用

　想一想：

基因治疗是针对什么样的病进行的？

知识点四　蛋白质工程

质粒载体

质粒是细菌拟核DNA外的环状DNA小分子，可在细菌间转移。

质粒是常用的转基因载体。

病毒载体

病毒很适合用于基因治疗。

病毒的蛋白质外壳内能容纳多达7500个碱基的DNA片段。

当病毒侵染宿主细胞并在细胞内增殖时，也将重组DNA带入到细胞中。

病毒已经多次用于基因治疗的临床实验。

这种方法存在的问题是宿主对病毒的免疫反应。

显微注射法

DNA可以通过显微注射法转入动物细胞中。

下图所示的是目的基因的多份拷贝正通过玻璃微型吸管注射到受精卵中。

转基因小鼠和家畜都是利用这种方法产生的，但是成功率很低；只有2%～3%的受精卵发育成转基因动物，在这些动物中只有一小部分表达了转入的基因。

基因枪法

这种方法是利用压缩气体产生的动力将包裹在金属颗粒表面的外源DNA打入生物组织中。

常用的金属颗粒有金粉粒子或钨粉粒子。

一些细胞能像表达自身基因一样表达导入的外源DNA。

学习笔记：

自我校对：

①DNA重组　②体外DNA重组　③转基因　④遗传特性　⑤生物类型　⑥生物产品　⑦限制酶（限制性核酸内切酶）　⑧某种特定核苷酸序列　⑨特定部位的磷酸二酯键　

黏性末端　⑪平末端　⑫DNA连接酶　⑬磷酸二酯键　⑭质粒　⑮小型双链环状DNA　⑯限制酶　⑰复制

⑱遗传标记基因　⑲λ噬菌体的衍生物　⑳编码蛋白质　

PCR技术　

启动子　

终止子　

农杆菌转化法　

显微注射法　

插入了目的基因　

转录出了mRNA　

抗病　

抗逆　

生长速度　

品质　

药物　

器官移植　

蛋白质　

蛋白质　

氨基酸　

脱氧核苷酸

议一议：

限制酶在原核生物中主要是切割外源DNA，使之失效，从而达到保护自己的目的。

想一想：

将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体细菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因，称为基因文库。

建立基因文库，便于随时获取目的基因。

看一看：

构建基因表达载体时，可能没有加入启动子。

想一想：

基因治疗一般针对很难用一般药物进行治疗的由基因异常引起的遗传病。

基因工程的基本操作工具

1．与DNA分子相关的酶

（1）几种酶的比较

　　种类

项目　　

限制酶

DNA连

接酶

DNA

聚合酶

解旋酶

作用底物

DNA分子

DNA分子

片段

脱氧核苷酸

DNA

分子

作用部位

磷酸二

酯键

磷酸二

酯键

磷酸二

酯键

碱基对间

的氢键

作用特点

切割目的基因及载体，能专一性识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且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

将双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开了的两个核苷酸之间的磷酸二酯键

只能将单个脱氧核苷酸添加到脱氧核苷酸链上

将DNA

两条链之

间的氢键

打开　　

作用结果

形成黏性末端或平末端

形成重组DNA分子

形成新的DNA分子

形成单链

DNA分子

（2）限制酶与DNA连接酶的关系

①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。

②DNA连接酶起作用时不需要模板。

2．载体

（1）作用

①作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞内。

②利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。

（2）具备的条件

①能在宿主细胞内稳定保存并大量复制。

②有多个限制酶切割位点，以便与外源基因连接。

③具有特殊的标记基因，以便进行筛选。

（3）种类

①质粒：

一种祼露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，能够自我复制的很小的双链环状DNA分子。

②λ噬菌体的衍生物。

③动植物病毒。

提醒　①一般来说，天然载体往往不能满足人类的所有要求，因此人们根据不同的目的和需要，对某些天然的载体进行人工改造。

②限制酶切割位点所处的位置必须是在所需的标记基因之外，这样才能保证标记基因的完整性，有利于对目的基因的检测。

★　本部分知识多以选择题的形式出现，并且与必修内容联系密切，也可在基因工程综合题中作为某一具体问题出现。

【典例1】►（2011·浙江卷）将ada（腺苷酸脱氨酶基因）通过质粒pET28b导入大肠杆菌并成功表达腺苷酸脱氨酶。

下列叙述错误的是（　　）。

A．每个大肠杆菌细胞至少含一个重组质粒

B．每个重组质粒至少含一个限制性核酸内切酶识别位点

C．每个限制性核酸内切酶识别位点至少插入一个ada

D．每个插入的ada至少表达一个腺苷酸脱氨酶分子

解析　将重组质粒导入大肠杆菌中并成功表达，说明大肠杆菌内至少含有一个重组质粒；每个重组质粒都含有目的基因ada，则该重组质粒至少含一个能被该限制性核酸内切酶切割的位点；限制性核酸内切酶具有特异性，种类不同，识别的位点不同，切割出的黏性末端也就不同，因此并不是每个位点都能插入ada；根据题干信息，导入重组质粒的大肠杆菌成功表达出腺苷酸脱氨酶，说明插入的ada至少表达出一个腺苷酸脱氨酶分子。

答案　C

【训练1】►下列有关基因工程中限制性核酸内切酶的描述，错误的是（　　）。

A．一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列

B．限制性核酸内切酶的活性受温度影响

C．限制性核酸内切酶能识别和切割RNA

D．限制性核酸内切酶可从原核生物中提取

解析　考查基因工程中工具酶的有关知识。

限制性核酸内切酶的化学成分是蛋白质，它的活性受到温度和pH的影响；限制性核酸内切酶的特点是能识别双链DNA中特定的核苷酸序列，可在特定的位点进行切割，但不能识别和切割RNA；限制性核酸内切酶主要是从原核生物体内分离出来的。

答案　C

【训练2】►如图是利用基因工程技术培育转基因植物，生产可食用疫苗的部分过程示意图，其中PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ为四种限制性核酸内切酶。

下列说法错误的是（　　）。

A．图示过程是基因工程的核心步骤

B．表达载体构建时需要用到限制酶SmaⅠ

C．抗卡那霉素基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来

D．除图示组成外，表达载体中还应该含有启动子和终止子等结构

解析　图示过程为基因表达载体的构建过程，是基因工程中的核心步骤。

构建过程中需要将目的基因完整切割下来，此时要用到限制酶PstⅠ、EcoRⅠ。

抗卡那霉素基因是标记基因，目的是便于鉴定和筛选含有目的基因的细胞。

基因表达载体包括启动子、目的基因、终止子和标记基因等。

答案　B

基因工程操作程序及与蛋白质工程的比较

　基因工程技术生产凝乳酶的过程

1．基因工程的操作程序分析

（1）目的基因的获取途径

①从自然界中已有的物种中分离出来，如从基因组文库或cDNA文库中获取。

②人工合成目的基因

常用的方法有反转录法和化学合成法。

③利用PCR技术扩增目的基因

通过PCR技术可对已获取的目的基因进行扩增，以获取大量的目的基因。

（2）基因表达载体的构建

提醒　①插入的目的基因的表达需要调控序列，因而用作载体的质粒的插入基因部位之前需有启动子，之后需有终止子。

②两次使用的限制酶为同一种酶，这样形成的黏性末端碱基之间互补，便于连接。

（3）将目的基因导入受体细胞（转化）

生物种类

植物细胞

动物细胞

微生物细胞

常用方法

农杆菌转化法

显微注射技术

Ca2＋处理法

受体细胞

体细胞

受精卵

原核细胞

转化过程

将目的基因插入Ti质粒的TDNA上→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的DNA上→表达

将含有目的基因的表达载体提纯→取卵（受精卵）→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物

Ca2＋处理细胞→感受态细胞→重组表达载体DNA分子与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子

（4）目的基因的检测与鉴定

类　型

检测内容

方　法

结果显示

分子

检测

导入

检测

目的基因是否进入受体细胞

DNA分子杂交（DNA和DNA之间）

杂交带

转录

检测

目的基因是否转录出mRNA

分子杂交（DNA和mRNA之间）

杂交带

翻译

检测

目的基因是否翻译成蛋白质

抗原—抗体杂交

杂交带

个体水

平检测

包括做抗虫、抗病的接种实验，以确定是否有抗性以及抗性的程度；对基因工程产品与天然产品的功能进行活性比较，以确定功能活性是否相同

2.基因工程与蛋白质工程的比较

　　项目

区别　　　

与联系　　

蛋白质工程

基因工程

区

别

过程

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

获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定

实质

定向改造或生产人类所需的蛋白质

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

结果

可生产自然界没有的蛋白质

只能生产自然界已有的蛋白质

联　系

（1）蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程

（2）基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造

★★★　本部分知识是高考的重点内容，特别是江苏卷年年都考，理综试题也多有涉及，各省对本部分内容考查要求不同，复习中应引起关注。

【典例2】►（2011·安徽）家蚕细胞具有高效表达外源基因的能力。

将人干扰素基因导入家蚕细胞并大规模培养，可提取干扰素用于制药。

（1）进行转基因操作前，需用________酶短时处理幼蚕组织，以便获得单个细胞。

（2）为使干扰素基因在家蚕细胞中高效表达，需要把来自cDNA文库的干扰素基因片段正确插入表达载体的________和________之间。

（3）采用PCR技术可验证干扰素基因是否已经导入家蚕细胞。

该PCR反应体系的主要成分应包含：

扩增缓冲液（含Mg2＋）、水、4种脱氧核糖核苷酸、模板DNA、________和________。

（4）利用生物反应器培养家蚕细胞时，贴壁生长的细胞会产生接触抑制。

通常将多孔的中空薄壁小玻璃珠放入反应器中，这样可以________，增加培养的细胞数量，也有利于空气交换。

解析　本题综合考查基因工程、细胞工程和PCR技术，意在考查考生对基础知识的理解。

胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理可以将动物组织分解成单个细胞；基因表达载体包括启动子、目的基因、终止子、标记基因等，其中启动子和终止子有利于目的基因的表达，标记基因有利于目的基因的检测；PCR技术中需要原料（4种脱氧核苷酸）、缓冲液、模板DNA、引物和耐热DNA聚合酶等；在生物反应器中放入多孔的中空薄壁小玻璃珠的目的：

一方面有利于细胞的贴壁生长，避免接触抑制；另一方面有利于气体交换。

答案　

（1）胰蛋白（或胶原蛋白）　

（2）启动子　终止子

（3）对干扰素基因特异的DNA引物对　TaqDNA聚合酶　（4）扩大细胞贴壁生长的附着面积

【训练3】►（2011·南京二模）下图表示利用基因工程培育抗虫棉的过程，请据图回答下列有关问题。

（1）若限制酶Ⅰ的识别序列和切点是—↓GATC—，限制酶Ⅱ识别序列和切点是—G↓GATCC—，那么在①过程中，应用限制酶________切割质粒，用限制酶________切割抗虫基因。

（2）将通过②过程得到的大肠杆菌涂布在含有________的培养基上，若能够生长说明已导入了普通质粒或重组质粒，反之则说明没有导入。

（3）要确定抗虫基因导入后，是否能稳定遗传并表达，需进行检测和鉴定工作，则在个体水平上的鉴定过程可简述为：

________。

经筛选分析，该植株细胞中含有一个携带抗虫基因的DNA片段，因此可以把它看作是杂合子。

理论上，该转基因植株自交产生的F1代中，仍具有抗虫特性的植株占总数的________。

（4）⑤过程所用的现代生物技术称为________，从遗传学角度来看，据细胞通过⑤过程，能形成棉植株的根本原因是细胞具有____________________。

解析　本题极易出错的部分有：

在第

（1）小题中没有看清目的基因插入的位置，从而不能确定用限制酶Ⅰ还是Ⅱ来切割质粒还是切割抗虫基因。

第（3）小题检测抗虫性状在个体水平上是否表达，应该让害虫吞食转基因棉花的叶片，观察害虫的存活情况，这个地方也有出错的，主要没有看清是在哪个水平上进行检测的。

在切割质粒时应遵循一个原则：

不能同时将两个标记基因切开，至少保留一个，所以只能用酶Ⅱ切割，而从目的基因两侧碱基序列可知，只能用酶Ⅰ才得到含目的基因的DNA片段。

如果导入了重组质粒，此时重组质粒中四环素抗性基因能正常表达，而氨苄青霉素抗性基因已被破坏，所以涂布在含有四环素的培养基上，能够生长的话，说明导入了重组质粒（普通质粒）。

如果把携带一个抗虫基因的DNA片段看作杂合子，可以认为是Aa，自交产生的F1中仍具有抗虫特性的植株占总数的比例为

。

把一个细胞培养成一个植株的技术称为植物组织培养。

答案　

（1）Ⅱ　Ⅰ　

（2）四环素　（3）让害虫吞食转基因棉花的叶片，观察害虫的存活情况，以确定其是否具有抗虫性状　

　（4）植物组织培养　发育成完整个体的全部遗传物质

选修三　高考必考教材实验——DNA的粗提取与鉴定

1．实验原理

（1）DNA在不同浓度的NaCl溶液中的溶解度不同，其中在物质的量浓度为0.14mol/L时最低。

（2）DNA不溶于酒精，但是细胞中的一些有机物如蛋白质则溶于酒精，可以用酒精提纯。

（3）DNA遇二苯胺（沸水浴）会与之反应呈现蓝色，可用来鉴定DNA分子。

2．实验流程

→取一定量的鸡血细胞液，注入到含有20mL蒸馏水的烧杯中，快速搅拌，加速细胞的破裂。

然后进行过滤。

DNA主要存在于滤液中。

→将物质的量浓度为2mol/L的NaCl溶液加入到滤液中，并搅拌使之混合均匀，使DNA充分溶解。

→贴壁缓缓加入蒸馏水，并轻轻地用玻璃棒沿一个方向搅拌。

调整NaCl溶液浓度为0.14mol/L，析出DNA。

→

→

→过滤后，加入预冷的体积分数为95%的酒精，并用玻璃棒沿一个方向缓慢均匀地搅拌，析出DNA丝状物。

→取两支试管，各加入物质的量浓度为2mol/L的NaCl溶液，将丝状物放入其中一支试管中，并用玻璃棒搅拌。

→向两支试管中分别加入二苯胺试剂，沸水中加热一段时间，待试管冷却后，看溶解有DNA的溶液是否变蓝。

1．做该实验时，不能用猪血代替鸡血，因为哺乳动物成熟的红细胞中没有细胞核，不能提取DNA。

2．制备鸡血细胞液时，要注意向鸡血中加柠檬酸钠，防止血液凝固。

3．涨破细胞的方法：

向血细胞中加入蒸馏水，血细胞溶液的浓度大于蒸馏水的浓度，从而使血细胞大量吸水而涨破。

不能用生理盐水：

因为血细胞溶液的浓度与生理盐水的浓度相当，所以血细胞在生理盐水中不能吸收水分。

4．两次加入蒸馏水，第一次是为了使血细胞吸水涨破；第二次是为了降低氯化钠的浓度，有利于DNA的析出。

5．两次析出DNA的方法：

第一次是加入蒸馏水，降低氯化钠的浓度，促使DNA析出；第二次是加入冷却的酒精，因为DNA不溶于酒精溶液。

6．鉴定DNA时要用两支试管，其中不加DNA的试管起对照作用，该试管溶液不变色，另一支加有DNA的试管溶液变蓝色。

提醒　选材时注意选用细胞易破碎、DNA含量相对较高的生物组织；鉴定DNA的二苯胺试剂要现配现用，否则会影响鉴定效果。

本实验为选修教材的唯一高考必考实验，命题多出现在江苏单科考卷中，但近年理综考试中也有所涉及，应引起关注。

【典例】►（2010·江苏卷）某生物兴趣小组开展DNA粗提取的相关探究活动，具体步骤如下：

材料处理：

称取新鲜的花菜、辣椒和蒜黄各2份，每份10g。

剪碎后分成两组，一组置于20℃、另一组置于－20℃条件下保存24h。

DNA粗提取：

第一步：

将上述材料分别放入研钵中，各加入15mL研磨液，充分研磨。

用两层纱布过滤，取滤液备用。

第二步：

先向6只小烧杯中分别注入10mL滤液，再加入20mL体积分数为95%的冷酒精溶液，然后用玻璃棒缓缓地向一个方向搅拌，使絮状物缠绕在玻璃棒上。

第三步：

取6支试管，分别加入等量的2mol/LNaCl溶液溶解上述絮状物。

DNA检测：

在上述试管中各加入4mL二苯胺试剂，混合均匀后，置于沸水中加热5min，待试管冷却后比较溶液的颜色深浅，结果如下表。

材料保存温度

花菜

辣椒

蒜黄

20℃

＋＋

＋

＋＋＋

－20℃

＋＋＋

＋＋

＋＋＋＋

（注：

“＋”越多表示蓝色越深）

分析上述实验过程，回答下列问题：

（1）该探究性实验的课题名称是________。

（2）第二步中“缓缓地”搅拌，这是为了减少________________________________________________________________________。

（3）根据实验结果，得出结论并分析。

①结论1：

与20℃相比，相同实验材料在－20℃条件下保存，DNA的提取量较多。

结论2：

________________________________________________________________________。

②针对结论1，请提出合理的解释：

________________________________________________________________________。

（4）氯仿密度大于水，能使蛋白质变性沉淀，与水和DNA均不相溶，且对DNA影响极小。

为了进一步提高DNA纯度，依据氯仿的特性，在DNA粗提取第三步的基础上继续操作的步骤是：

________________________________________________________________________，

然后用体积分数为95%的冷酒精溶液使DNA析出。

解析　本题主要考查DNA粗提取的相关知识，意在考查考生的实验与探究能力。

如果DNA断裂，就不容易被提取出来；温度主要是通过影响酶的活性来影响生理过程。

粗提取得到的DNA中含有少量的蛋白质，可以通过氯仿的特殊功能来去除蛋白质，提高DNA纯度。

答案　

（1）探究不同材料和不同保存温度对DNA提取量的影响　

（2）DNA断裂　（3）①等质量的不同实验材料，在相同的保存温度下，从蒜黄提取的DNA量最多　②低温抑制了相关酶的活性，DNA降解速度慢　（4）将第三步获得的溶液与等量的氯仿充分混合，静置一段时间，吸取上清液

【训练1】►（2011·江苏卷）在利用鸡血进行“DNA的粗提取与鉴定”的实验中，相关叙述正确的是（　　）。

A．用蒸馏水将NaCl溶液浓度调至0.14mol/L，滤去析出物

B．调节NaCl溶液浓度或加入木瓜蛋白酶，都可以去除部分杂质

C．将丝状物溶解在2mol/LNaCl溶液中，加入二苯胺试剂即呈蓝色

D．用菜花替代鸡血作为实验材料，其实验操作步骤相同

解析　用蒸馏水将NaCl溶液浓度调至0.14mol/L时，滤取析出物；将丝状物溶解在0.015mol/L的NaCl中，加入二苯胺试剂，需沸水浴加热几分钟，才呈蓝色；用菜花替代鸡血为实验材料，需要对材料的细胞壁进行处理，调节NaCl溶液浓度改变不同物质在其中的溶解度，加入木瓜蛋白酶分解蛋白质都可以去除部分杂质，故B正确。

答案　B

【训练2】►下图为一生物工程的流程图，下列叙述错误的是（　　）。

A．由d细胞形成杂种植株所使用技术的中心环节是形成愈伤组织

B．细胞a、b到细胞c反映出细胞膜的结构特点，即具有一定的流动性

C．同一物种的体细胞杂交与两个不同品种有性杂交，所得后代染色体数不相同

D．若用图示过程制备治疗“SARS病毒”的单克隆抗体，则B淋巴细胞应来自正常人

解析　制备治疗“SARS病毒”的单克隆抗体时，所需的B淋巴细胞应是经“SARS病毒”免疫过的，所以B淋巴细胞应来自“非典患者”。

答案　D

【训练3】►（改编题）如图所示为“DNA粗提取”实验的相关操作步骤，其操作目的错误的是（　　）。

A．①是洗涤红细胞，去除血细胞表面的杂质

B．④是稀释NaCl溶液至0.14mol/L，析出DNA

C．③是选用2mol/LNaCl溶液溶解黏稠物中的DNA

D．②是纯化DNA，去除溶于95%的酒精中的杂质

解析　本题考查DNA的提取，意在考查考生的识图能力和分析比较能力。

①是让血细胞与蒸馏水混合而使血细胞处于低渗的环境中，细胞因大量吸水而最终破裂，并释放出DNA。

答案　A

1．（2011·四川理综，5）北极比目鱼中有抗冻基因，其编码的抗冻蛋白具有11个氨基酸的重复序列，该序列重复次数越多，抗冻能力越强。

下图是获取转基因抗冻番茄植株的过程示意图，有关叙述正确的是（　　）。

A．过程①获取的目的基因，可用于基因工程和比目鱼基因组测序

B．将多个抗冻基因编码区依次相连成能表达的新基因，不能得到抗冻性增强的抗冻蛋白

C．过程②构成的重组质粒缺乏标记基因，需要转入农杆菌才能进行筛选

D．应用DNA探针技术，可以检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在及其完全表达

解析　将多个抗冻基因编码区相连成能表达的新基因，合成的蛋白质为新的蛋白质，不能得到抗冻性增强的抗冻蛋白，故选项B正确；过程①是利用反转录法合成目的基因，由于没有非编码区和编码区中的内含子，不能用于比目鱼基因组测序；用作载体的质粒，必须具有标记基因才能便于检测和筛选；应用DNA探针技术，可检测转基因抗冻番茄中目的基因的存在和转录，但不能检测是否成功表达，故选项A、C、D错误。

答案　B

2．（2010·全国Ⅱ，5）下列叙述符合基因工程概念的是（　　）。

A．B淋巴细胞与肿瘤细胞融合，杂交瘤细胞中含有B淋巴细胞中的抗体基因

B．将人的干扰素基因重组到质