届《步步高》高考生物总复习文科 第十单元 现代生物科技专题 第37讲 基因工程.docx

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届《步步高》高考生物总复习文科第十单元现代生物科技专题第37讲基因工程

第十单元现代生物科技专题

第37讲　基因工程

[考纲要求]　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）。

考点一　基因工程的操作工具

1．基因工程的概念

（1）供体：

提供目的基因。

（2）操作环境：

体外。

（3）操作水平：

分子水平。

（4）原理：

基因重组。

（5）受体：

表达目的基因。

（6）本质：

性状在受体体内的表达。

（7）优点：

克服远缘杂交不亲和的障碍，定向改造生物的遗传性状。

2．DNA重组技术的基本工具

（1）限制性核酸内切酶（简称：

限制酶）

①来源：

主要是从原核生物中分离纯化出来的。

②作用：

识别特定的核苷酸序列并切开特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。

③结果：

产生黏性末端或平末端。

④下图中的图1和图2分别表示的是EcoRⅠ限制酶和SmaⅠ限制酶的作用示意图。

EcoRⅠ限制酶识别的碱基序列是GAATTC，切割位点在G和A之间；SmaⅠ限制酶识别的碱基序列是CCCGGG，切割位点在G和C之间；说明限制酶具有专一性。

（2）DNA连接酶

①种类：

按来源可分为E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶。

②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。

③DNA连接酶和限制酶的关系

（3）载体

①种类：

质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。

②质粒的特点

[思维诊断]

（1）限制酶只能用于切割目的基因（　×　）

（2）DNA连接酶能将两碱基间通过形成的氢键连接起来（　×　）

（3）E·coliDNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端（　×　）

（4）质粒是小型环状DNA分子，是基因工程常用的载体（　√　）

（5）载体的作用是携带目的基因导入受体细胞中，使之稳定存在并表达（　√　）

题组一　限制性核酸内切酶、DNA连接酶等酶的作用

1．如图为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

答案　C

解析　限制酶可在特定位点对DNA分子进行切割；DNA聚合酶在DNA分子复制时将脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链；DNA连接酶可将限制酶切开的磷酸二酯键连接在一起；解旋酶的作用是将DNA双链解开螺旋，为复制或转录提供模板。

2．若要利用某目的基因（见图甲）和P1噬菌体载体（见图乙）构建重组DNA（见图丙），限制性核酸内切酶的酶切位点分别是BglⅡ（A↓GATCT）、EcoRⅠ（G↓AATTC）和Sau3AⅠ（↓GATC）。

下列分析合理的是（　　）

A．用EcoRⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体

B．用BglⅡ和EcoRⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体

C．用BglⅡ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体

D．用EcoRⅠ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体

答案　D

解析　解答本题的关键是要看清切割后目的基因插入的方向，只有用EcoRⅠ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体，构建的重组DNA中RNA聚合酶在插入的目的基因上的移动方向才一定与图丙相同。

归纳提升

确定限制酶的种类

（1）根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类

①应选择切点位于目的基因两端的限制酶，如图甲可选择PstⅠ。

②不能选择切点位于目的基因内部的限制酶，如图甲不能选择SmaⅠ。

③为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接，也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒，如图甲也可选择用PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶（但要确保质粒上也有这两种酶的切点）。

（2）根据质粒的特点确定限制酶的种类

①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶相一致，以确保具有相同的黏性末端。

②质粒作为载体必须具备标记基因等，所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因；如果所选酶的切点不止一个，则切割重组后可能丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则切割重组后的片段进入受体细胞后不能自主复制。

题组二　载体的作用及特点分析

3．下列关于载体的叙述中，错误的是（　　）

A．载体与目的基因结合后，实质上就是一个重组DNA分子

B．对某种限制酶而言，载体最好只有一个切点，但还要有其他多种酶的切点

C．目前常用的载体有质粒、λ噬菌体的衍生物和动植物病毒

D．载体具有某些标记基因，便于对其进行切割

答案　D

解析　载体必须具备的条件有：

①对受体细胞无害，不影响受体细胞正常的生命活动；②具有自我复制能力，或能整合到受体细胞的染色体DNA上，随染色体DNA的复制而同步复制；③具有一个至多个限制酶切点，以便目的基因可以插入到载体中；④带有特殊的标记基因，如抗生素抗性基因，以便于对外源基因是否导入进行检测；⑤载体DNA分子大小适合，以便于提取和进行体外操作。

4．如图是表达新基因用的质粒的示意图，若要将目的基因插入到质粒上的A处，则切割基因时可用的是（　　）

A．HindⅢB．EcoRⅠC．EcoBD．PstⅠ

答案　C

解析　A处有BamHⅠ、EcoB、ClaⅠ限制酶的切点，使用A～D中的EcoB切割时，才能让目的基因插入到A处。

归纳提升

载体上标记基因的标记原理

载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。

目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。

当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞后，抗性基因在受体细胞内表达，使受体细胞能够抵抗相应抗生素，所以在受体细胞的培养体系中加入该种抗生素就可以只保留转入载体的受体细胞，原理如下图所示：

考点二　基因工程的操作过程与应用及蛋白质工程

1．基因工程的操作过程与应用

（1）基因工程的操作步骤

①

—

②

—组成

③

—方法

④

（2）实例分析——抗虫棉的培育

①图示：

②分析：

从图中可以看出，目的基因是Bt毒蛋白基因，使用的载体是Ti质粒，将目的基因表达载体导入受体细胞的方法是农杆菌转化法，请写出两种检测目的基因是否表达的方法：

抗原—抗体杂交法、用棉叶饲喂棉铃虫。

（3）基因工程的应用：

培育转基因植物和转基因动物，生产基因工程药物，进行基因治疗。

（4）目的基因导入不同受体细胞的过程

生物种类

植物

动物

微生物

常用方法

农杆菌转化法

显微注射技术

感受态细胞法

受体细胞

体细胞或

受精卵

受精卵

原核细胞

转化过程

将目的基因插入到Ti质粒的TDNA上→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞染色体的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

（5）基因治疗与基因诊断的不同点

原理

操作过程

进展

基因

治疗

基因表达

利用正常基因导入有基因缺陷的细胞中，以表达出正常性状来治疗（疾病）

临床

实验

基因

诊断

碱基互补

配对

制作特定DNA探针与病人样品DNA混合，分析杂交带情况

临床

应用

2.蛋白质工程

（1）流程图：

写出流程图中字母代表的含义：

A．转录，B.翻译，C.分子设计，D.多肽链，E.预期功能。

（2）结果：

改造了现有蛋白质或制造出新的蛋白质。

（3）应用：

主要集中应用于对现有蛋白质进行改造，改良生物性状。

[思维诊断]

（1）抗虫基因即使成功地插入到植物细胞染色体上也未必能正常表达（2014·江苏，23D）（　√　）

（2）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（2011·四川，5D）（　×　）

（3）将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株（　√　）

（4）利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品，如人的血清白蛋白，这是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中（　×　）

（5）为培育抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体（　×　）

（6）蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构（　×　）

（7）目前在抗菌性和溶血性均较强的多肽P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽（2013·广东3C）（　√　）

题组一　目的基因的获取及基因表达载体的构建

1．下图表示用化学方法合成目的基因Ⅰ的过程。

据图分析，下列叙述正确的是（　　）

A．过程①需要DNA连接酶

B．过程②需要限制性核酸内切酶

C．目的基因Ⅰ的碱基序列是已知的

D．若某质粒能与目的基因Ⅰ重组，则该质粒和目的基因Ⅰ的碱基序列相同

答案　C

解析　题图所示为化学方法合成目的基因的过程。

①②过程依赖碱基互补配对原则进行。

质粒和目的基因的碱基序列一般不相同。

2．据图表回答问题：

限制酶

SmaⅠ

EcoRⅠ

PstⅠ

切割位点

CCC↓GGG

GGG↑CCC

G↓AATTC

CTTAA↑G

CTGCA↓G

G↑ACGTC

（1）假设所用的限制酶均能将所识别的位点完全切开，采用EcoRⅠ和PstⅠ酶切含有目的基因的DNA，能得到________种DNA片段。

如果将质粒载体和含目的基因的DNA片段只用EcoRⅠ酶切，酶切产物再加入DNA连接酶，其中由两个DNA片段之间连接形成的产物有__________________________、________________________、__________________________。

（2）为了防止目的基因和质粒表达载体酶切后的末端任意连接，酶切时应该选用的酶是________、________。

答案　

（1）4　质粒载体—质粒载体连接物　目的基因—目的基因连接物　质粒载体—目的基因连接物　

（2）EcoRⅠ　SmaⅠ

解析　

（1）含目的基因的DNA分子上含有2个EcoRⅠ和1个PstⅠ的酶切位点，3个切点全部切开，则形成4种DNA片段。

质粒与含目的基因的DNA片段都用EcoRⅠ切割，目的基因两端和质粒的切口处的黏性末端相同，只考虑两个DNA片段相连，则会形成3种连接产物，即质粒与质粒相连、质粒与目的基因相连、目的基因与目的基因相连。

（2）为了防止自身环化和任意连接，可选用EcoRⅠ和SmaⅠ两种酶同时切割。

归纳提升

1．几种目的基因获取方法的比较

方法

从基因文库中获取

人工合成

过程

从基因组文

库中获取

从部分基因文库，如cDNA文库中获取

化学合

成法

反转

录法

2.基因表达载体中启动子、终止子的来源

（1）如果目的基因是从自然界中已有的物种中分离出来的，在构建基因表达载体时，不需要在质粒上目的基因的前后端接上特定的启动子、终止子，因为目的基因中已含有启动子、终止子。

（2）如果目的基因是通过人工方法合成的，或通过cDNA文库获得的，则目的基因是不含启动子和终止子的。

若只将基因的编码序列导入受体生物中，目的基因没有启动子、终止子，是无法转录的，因此，在构建基因表达载体时，需要在与质粒结合之前，在目的基因的前后端接上特定的启动子、终止子。

题组二　基因工程的操作及应用实例分析

3．下列用于判断目的基因是否转移成功的方法中，不属于分子检测的是（　　）

A．通过害虫吃棉叶看其是否死亡

B．转基因生物基因组DNA与DNA探针能否形成杂交带

C．转基因生物中提取的mRNA与DNA探针能否形成杂交带

D．转基因生物中提取的蛋白质能否与抗体形成杂交带

答案　A

解析　分子水平的检测包括三个方面：

通过DNA分子杂交检测目的基因是否插入受体细胞染色体的DNA上；通过RNA与DNA杂交，检测目的基因是否转录；通过抗原—抗体杂交，检测目的基因是否翻译。

通过害虫吃棉叶看其是否死亡，属于个体生物学水平的检测。

4.

在某些深海鱼中发现的抗冻蛋白基因afp对提高农作物的抗寒能力有较高的应用价值。

如图所示是获得转基因莴苣的技术流程，请据图回答下列问题：

（1）获取目的基因的主要途径包括从自然界已有的物种中分离和______________。

（2）①过程需要的酶有____________________、__________。

（3）重组质粒除了带有抗冻蛋白基因afp以外，还必须含有启动子、终止子和________________________，这样才能构成一个完整的基因表达载体。

（4）如果受体细胞C1是土壤农杆菌，则将目的基因导入它的目的是利用农杆菌的________，使目的基因进入受体细胞C2，并将其插入到受体细胞C2中的____________上，使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达，形成转基因莴苣。

经②过程获得的转基因莴苣中的目的基因是否表达，在分子水平上可用______________法进行检测，如果出现杂交带，说明目的基因已经表达蛋白质产品，转基因莴苣培育成功。

答案　

（1）人工合成　

（2）限制性核酸内切酶　DNA连接酶　（3）标记基因　（4）转化作用　染色体DNA　抗原—抗体杂交

解析　

（1）获取目的基因的主要途径有从自然界已有的物种中分离和人工合成。

（2）①过程为基因表达载体的构建过程，需要用到限制性核酸内切酶和DNA连接酶。

（3）一个完整的基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子和标记基因。

（4）农杆菌转化法利用的是农杆菌的转化作用，将目的基因整合到受体细胞的染色体DNA上，进而使目的基因能够稳定遗传和表达。

检测目的基因是否成功表达可采用抗原—抗体杂交法。

技法提炼

基因工程中的几种检测方法

题组三　蛋白质工程概念和过程的辨析

5．胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射入人体后，会堆积在皮下，要经过较长时间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易分解，治疗效果受到影响。

如图是用蛋白质工程设计的速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题：

（1）构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是________________。

（2）图中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）新的胰岛素基因与载体（质粒）结合过程中需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶。

已知限制性核酸内切酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—。

请画出质粒被限制性核酸内切酶Ⅰ切割后所形成的黏性末端：

________________。

DNA连接酶对所连接的DNA两端碱基序列是否有专一性要求？

________（填“是”或“否”）。

（4）若将含有新的胰岛素基因的表达载体导入植物细胞中，最常用的方法是____________。

（5）若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有____________、____________和发酵工程。

答案　

（1）蛋白质的预期功能　

（2）根据新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成新的胰岛素基因

（3）

　否　（4）农杆菌转化法　（5）蛋白质工程　基因工程

解析　

（1）构建新的胰岛素模型的主要依据是蛋白质的预期功能。

（2）根据蛋白质的预期功能，推测新的胰岛素中氨基酸的序列，进而推断基因中的脱氧核苷酸序列来合成新的胰岛素基因。

（3）将目的基因导入植物细胞中，最常用的转化方法是农杆菌转化法。

（4）限制性核酸内切酶识别特定的核苷酸序列，产生特定的黏性末端或平末端，而DNA连接酶对所连接的DNA两端碱基序列却没有专一性要求。

（5）生产自然界中本来没有的蛋白质需要用到蛋白质工程、基因工程等技术。

归纳提升

蛋白质工程与基因工程的比较

（1）区别

项目

蛋白质工程

基因工程

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→基因表达载体的构建→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和生物产品

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

（2）联系

①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。

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。

网络构建

要语强记

1．限制酶具有特异性，即一种限制酶只能识别特定的碱基序列，并在特定的位点上进行切割。

2．DNA连接酶的作用部位是磷酸二酯键。

3．质粒是常用的载体，它是一种小型的环状DNA分子，具有一个至多个限制酶切割位点及标记基因。

4．目的基因的获取有从基因文库中获取和人工合成两类方法。

5．基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子和标记基因。

6．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法，导入微生物细胞常用感受态细胞法。

探究高考　明确考向

1．（2014·广东，25）利用基因工程技术生产羧酸酯酶（CarE）制剂的流程如图所示，下列叙述正确的是（多选）（　　）

A．过程①需使用逆（反）转录酶

B．过程②需使用解旋酶和PCR获取目的基因

C．过程③使用的感受态细胞可用NaCl溶液制备

D．过程④可利用DNA分子杂交鉴定目的基因是否已导入受体细胞

答案　AD

解析　A项，过程①是通过反转录获取DNA，反转录过程需要用到反转录酶。

B项，过程②指的是从cDNA文库中获取目的基因，不需要利用PCR技术，也用不到解旋酶。

C项，过程③中使用的感受态细胞要用CaCl2溶液制备，而不是用NaCl溶液制备。

D项，过程④鉴定目的基因是否已经导入受体细胞，可以用标记的目的基因为探针来检测受体细胞中是否存在目的基因，即利用DNA分子杂交鉴定。

2．（2014·江苏，23）下列关于基因工程技术的叙述，错误的是（多选）（　　）

A．切割质粒的限制性核酸内切酶均特异性地识别6个核苷酸序列

B．PCR反应中温度的周期性改变是为了DNA聚合酶催化不同的反应

C．载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因

D．抗虫基因即使成功地插入到植物细胞染色体上也未必能正常表达

答案　ABC

解析　A项，限制性核酸内切酶大多特异性地识别6个核苷酸序列，但也有少数限制性核酸内切酶能识别4个、5个或8个核苷酸序列。

B项，PCR反应中温度周期性变化是为变性、复性和延伸创造条件。

另外，耐高温的DNA聚合酶只是在延伸阶段发挥催化作用，变性和复性过程不需要酶的催化。

C项，载体质粒上的抗生素抗性基因可作为标记基因，供重组DNA的鉴定和选择，而不是抗生素合成基因。

D项，目的基因导入受体细胞后不一定能正常表达。

3．（2013·新课标Ⅰ，40节选）材料甲　科学家将牛生长激素基因导入小鼠受精卵中，得到了体型巨大的“超级小鼠”；科学家采用农杆菌转化法培育出转基因烟草。

材料乙　T4溶菌酶在温度较高时易失去活性，科学家对编码T4溶菌酶的基因进行改造，使其表达的T4溶菌酶的第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，提高了T4溶菌酶的耐热性。

回答下列问题：

（1）材料甲属于基因工程的范畴。

将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用__________法。

构建基因表达载体常用的工具酶有__________和____________。

在培育转基因植物时，常用农杆菌转化法，农杆菌的作用是______________________________________。

（2）材料乙属于______________工程范畴。

该工程是指以分子生物学相关理论为基础，通过基因修饰或基因合成，对____________进行改造，或制造一种____________的技术。

在该实例中，引起T4溶菌酶空间结构改变的原因是组成该酶肽链的______________序列发生了改变。

答案　

（1）显微注射　限制酶　DNA连接酶　农杆菌可感染植物，将目的基因转移到受体细胞中

（2）蛋白质　现有的蛋白质　新蛋白质　氨基酸

4．（2014·新课标Ⅱ，40）植物甲具有极强的耐旱性，其耐旱性与某个基因有关。

若从该植物中获得该耐旱基因，并将其转移到耐旱性低的植物乙中，有可能提高后者的耐旱性。

回答下列问题：

（1）理论上，基因组文库含有生物的____________基因；而cDNA文库中含有生物的________基因。

（2）若要从植物甲中获得耐旱基因，可首先建立该植物的基因组文库，再从中________出所需的耐旱基因。

（3）将耐旱基因导入农杆菌，并通过农杆菌转化法将其导入植物________的体细胞中，经过一系列的过程得到再生植株。

要确认该耐旱基因是否在再生植株中正确表达，应检测此再生植株中该基因的____________，如果检测结果呈阳性，再在田间试验中检测植株的__________是否得到提高。

（4）假如用得到的二倍体转基因耐旱植株自交，子代中耐旱与不耐旱植株的数量比为3∶1时，则可推测该耐旱基因整合到了________________________（填“同源染色体的一条上”或“同源染色体的两条上”）。

答案　

（1）全部　部分　

（2）筛选　（3）乙　表达产物　耐旱性　（4）同源染色体的一条上

解析　

（1）基因组文库含有生物的全部基因，而cDNA文库中含有生物的部分基因。

（2）植物甲具有极强的耐旱性，其耐旱性与某个基因有关，若要从植物甲中获得耐旱基因，可首先建立该植物的基因组文库，包含该生物的所有基因，然后再从中筛选出所需的耐旱基因。

（3）若从植物甲中获得该耐旱基因，并将其转移到耐旱性低的植物乙中，通常采用的方法是农杆菌转化法。

将耐旱基因导入植物乙的体细胞后，经过植物组织培养得到再生植株。

要确认该耐旱基因是否在再生植株中正确表达，应检测该耐旱基因是否合成了相应的蛋白质，即检测此再生植株中该基因的表达产物，如果检测结果呈阳性，说明已经合成了相应的蛋白质，这时再进行个体生物学检测，即在田间试验中检测植株的耐旱性是否得到提高。

（4）假如用得到的二倍体转基因耐旱植株自交，子代中耐旱和不耐旱植株的数量比为3∶1，符合基因的分离定律，说明得到的二倍体转基因耐旱植株为杂合子，因此可推测该耐旱基因只整合到了同源染色体的一条上。

练出高分

1．如图为某种质粒的简图，小箭头所指分别为限制性核酸内切酶EcoRⅠ、BamHⅠ的酶切位点，P为转录的启动部位。

已知目的基因的两端有EcoRⅠ、BamHⅠ的酶切位点，受体细胞为无任何抗药性的原核细胞。

下列有关叙述正确的是（　　）

A．将含有目的基因的DNA与质粒分别用EcoRⅠ酶切，在DNA连接酶作用下，生成由两个DNA片段之间连接形成的产物有两种

B．DNA连接酶的作用是将酶切后得到的黏性末端连接起来，形成一个重组质粒时形成两个磷酸二酯键

C．为了防止目的基因反向粘连和质粒自行环化，酶切时可选用的酶是EcoRⅠ和BamHⅠ

D．能在含青霉素的培养基中生长的受体细胞表明该目的基因已成功