学年高中生物 第一章 基因工程 第一节 基因工程概述 第1课时 基因工程的发展历程和工具知能.docx

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学年高中生物第一章基因工程第一节基因工程概述第1课时基因工程的发展历程和工具知能

第1课时基因工程的发展历程和工具

[随堂检测]

知识点一　基因工程的发展历程

1．下列有关基因工程诞生的说法，不正确的是（　　）

A．基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科的基础上发展起来的

B．工具酶和载体的发现使基因工程的实施成为可能

C．遗传密码的破译为基因的分离和合成提供了理论依据

D．基因工程必须在同物种间进行

解析：

选D。

基因工程可在不同物种间进行，它可打破生殖隔离的界限，定向改造生物遗传性状。

知识点二　基因工程的工具

2．下面是3种限制性核酸内切酶对DNA分子的识别序列和剪切位点图（箭头表示切点，切出的断面为黏性末端）。

相关叙述错误的是（　　）

限制酶1：

↓GATC　限制酶2：

CCC↓GGG

限制酶3：

G↓GATCC

A．不同的限制酶有不同的识别序列和切割位点，体现了酶的专一性

B．限制酶2和3识别的序列都包含6个碱基对

C．限制酶1和酶3剪出的黏性末端相同

D．能够识别和切割RNA分子内一小段核苷酸序列的酶只有限制酶2

解析：

选D。

酶具有专一性，不同的限制酶有不同的识别序列和切割位点，A项正确；据图可知，限制酶2和3识别的序列分别是CCCGGG和GGATCC，均为6个碱基对，故B项正确；限制酶1和酶3剪出的黏性末端相同，均为GATC，C项正确；限制酶只能识别特定的DNA序列，因此三种限制酶均不能识别和切割RNA中核糖核苷酸序列，故D项错误。

3．对DNA连接酶的功能描述，正确的是（　　）

A．将碱基、脱氧核糖、磷酸之间的化学键连接起来

B．在基因工程中只作用于一个切口处的两个黏性末端

C．用于DNA复制时母链与子链间形成氢键

D．与DNA聚合酶作用的部位相同，作用对象不同

解析：

选D。

DNA连接酶作用部位为磷酸二酯键，在基因工程中作用于两个切口的黏性末端，DNA聚合酶也是作用于磷酸二酯键，作用对象为游离的脱氧核苷酸。

4．下图表示某种质粒和人的胰岛素基因，其中a表示标记基因，b表示胰岛素基因，E1表示某限制酶的酶切位点，现用该种限制酶分别切割质粒和胰岛素基因，后用DNA连接酶连接切割后的质粒和胰岛素基因，下列选项中不可能出现的是（　　）

答案：

C

5．如图为重组质粒形成示意图。

将此重组质粒导入大肠杆菌，然后将大肠杆菌放在四种培养基中培养：

a——无抗生素的培养基，b——含四环素的培养基，c——含氨苄青霉素的培养基，d——含四环素和氨苄青霉素的培养基。

含重组质粒的大肠杆菌能生长的是（　　）

A．a　　　　　　　　B．a和c

C．a和bD．b和c

解析：

选B。

从图中可以看出人的生长激素基因插入到抗四环素基因中，导致抗四环素基因结构被破坏，无法表达，重组质粒只有抗氨苄青霉素基因能够表达，导入此重组质粒的大肠杆菌只能够在无抗生素或含有氨苄青霉素的培养基上生长，不能在含有四环素的培养基上生长。

6．下图表示两种限制性核酸内切酶识别DNA分子的特定序列，并在特定位点对DNA进行切割的示意图，请回答以下问题：

（1）图中甲和乙代表______________________________。

（2）EcoRⅠ、HpaⅠ代表__________________________。

（3）图中甲和乙经过相应操作均形成两个片段，切口的类型分别为________、________。

甲中限制性核酸内切酶的切点是______之间，乙中限制性核酸内切酶的切点是________之间。

（4）由图解可以看出，限制性核酸内切酶的作用特点是__________________________。

（5）如果甲中G碱基发生基因突变，可能发生的情况是_________________________。

解析：

从图解可以看出，甲和乙代表的是不同的DNA片段，在相应的限制性核酸内切酶（EcoRⅠ、HpaⅠ）的作用下，在特定的位点被切割成两部分。

前者是在识别序列的中心轴线两侧分别切开，形成的末端是黏性末端；后者是在识别序列的中心轴线处切开，形成的末端是平口末端。

答案：

（1）有特殊脱氧核苷酸序列的DNA片段　

（2）两种不同的限制性核酸内切酶　（3）黏性末端　平口末端　G、A　A、T　（4）能识别双链DNA分子的特定脱氧核苷酸序列，并从特定的位点将DNA分子切割　（5）限制性核酸内切酶不能识别切割位点

[课时作业]

一、选择题

1．下列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繁殖，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。

但并不是所有的基因产物对人类都有益。

基因工程是分子水平上的生物工程。

2．下列四条DNA片段，可以由同一种限制性核酸内切酶切割而成的是（　　）

A．①②　　　　　　　　　B．②③

C．③④D．②④

解析：

选D。

只有②和④两个黏性末端的碱基是互补的，可能是由同一种限制性核酸内切酶切割而成的。

3．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．限制性核酸内切酶D．RNA聚合酶

解析：

选C。

解旋酶是在DNA复制时要用的酶，A错误；DNA连接酶是用来连接目的基因与质粒的工具酶，B错误；检测过程中必须用到限制性核酸内切酶，C正确；RNA聚合酶是转录过程用的酶，D错误。

4．PU和GATA可以识别基因的特定序列，继而激活相关基因的表达，由此推测，PU和GATA的结构更接近下列选项中的（　　）

A．限制酶B．蛋白酶

C．淀粉酶D．DNA连接酶

解析：

选A。

由于PU和GATA可以识别基因的特定序列，从这方面来分析，其结构应该接近限制酶，因为限制酶也能识别基因中特定的脱氧核苷酸序列，故A正确。

5．下列各选项中，a、b、c、d代表的结构说法正确的是（　　）

A．a—质粒RNAB．b—DNA连接酶

C．c—限制酶D．d—外源基因

解析：

选D。

a代表质粒DNA，故A错误；b代表限制酶，故B错误；c代表DNA连接酶，故C错误；d代表外源基因，即目的基因，故D正确。

6．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。

图示中①表示该酶切割DNA分子双链产生黏性末端的过程，用到的酶是限制性核酸内切酶，②是黏性末端连接的过程，用到的酶是DNA连接酶，③是DNA分子解旋的过程，要用解旋酶，④是DNA分子复制时子链的形成过程，需要DNA聚合酶。

7．下列不可作为基因工程中的标记基因的是（　　）

A．抗性基因

B．发光基因

C．产物具有颜色反应的基因

D．贮藏蛋白的基因

解析：

选D。

标记基因的作用是方便之后的筛选，所以标记基因一定要有一定的鉴别筛选能力，比如抗性基因，可以通过加入对应抗生素杀死未成功转化的细胞，而发光基因和有颜色反应的基因，也可以通过其发光或产生某种颜色的反应，筛选转化成功的细胞，但是贮藏蛋白的基因，无法设计简便的实验对转化的成功与否进行检测，故不能作为基因工程的标记基因，故选D。

8．如图为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、限制性核酸内切酶、解旋酶

B．限制性核酸内切酶、解旋酶、DNA连接酶

C．解旋酶、限制性核酸内切酶、DNA连接酶

D．限制性核酸内切酶、DNA连接酶、解旋酶

解析：

选C。

限制酶能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，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；DNA连接酶是在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键；解旋酶能使DNA分子双螺旋结构解开，氢键断裂，所以①处是解旋酶作用部位，②处是限制性核酸内切酶作用部位，③处是DNA连接酶作用部位。

9．针对如图的叙述，错误的是（　　）

A．限制酶将a处切断，一定形成相同的黏性末端

B．DNA连接酶将a处连接会脱去一分子水

C．DNA复制时需要解旋酶切断b处，基因工程操作中不需要

D．b处的化学键是氢键

解析：

选A。

限制酶会将DNA切出具有黏性末端或平口末端的两个片段，A项错误；磷酸二酯键的形成是一个脱水缩合的反应，B项正确；DNA复制需要解旋酶，而基因工程不需要，C项正确；观察该图，可以确定b处为碱基对之间形成的氢键，D项正确。

10．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：

选C。

A项正确，大肠杆菌成功表达出腺苷酸脱氨酶，说明每个大肠杆菌都至少含一个重组质粒；B项正确，每个重组质粒应至少含一个限制性核酸内切酶识别位点，以便ada的插入；C项错误，质粒pET28b作为载体，可有多个不同的限制酶酶切位点，并不是每个位点都插入了ada，这要看限制酶切割后的黏性末端是否与目的基因的黏性末端相同；D项正确，由于这些目的基因成功表达，所以每个ada至少表达一个腺苷酸脱氨酶分子。

11．构建重组质粒时可选用四种限制酶，其识别序列如图。

为防止酶切片段的自身环接，不可选用的限制酶组合是（　　）

A．①②B．②③

C．①④D．③④

解析：

选C。

为防止酶切片段的自身环接，需要用不同的限制酶进行切割，而且不同的限制酶切割后产生的黏性末端不同。

限制酶①和②切割后产生的黏性末端不同，可选用，与题意不符，A项错误；限制酶②和③切割后产生的黏性末端也不同，可选用，与题意不符，B项错误；限制酶①和④切割后产生的黏性末端相同，不可选用，与题意相符，C项正确；限制酶③和④切割后产生的黏性末端不同，可选用，与题意不符，D项错误。

12．如图为某种质粒的简图，小箭头所指分别为限制酶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，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导入该细胞

解析：

选C。

如果将含有目的基因的DNA与质粒分别用EcoRⅠ酶切，那么酶切后二者的黏性末端相同，在DNA连接酶作用下，由两个DNA片段之间连接形成的产物有三种，只有一种符合基因工程的需求；DNA连接酶的作用是将酶切后的目的基因和质粒的黏性末端连接起来形成重组质粒，该过程形成4个磷酸二酯键；为了防止目的基因和质粒自行环化，酶切时可选用的酶是EcoRⅠ和BamHⅠ，这样切割后得到的DNA片段两侧的黏性末端不同；由于受体细胞为无任何抗药性的原核细胞，因此能在含青霉素的培养基中生长，可能是受体细胞成功导入了目的基因，也可能是只导入了不含目的基因的载体。

二、非选择题

13．如图为体外对DNA分子进行切割和拼接的示意图，请据图回答以下问题：

（1）EcoRⅠ是一种________________酶，其识别序列是____________，切割位点是________与________之间的________键，切割产生的DNA片段末端形式为________________。

（2）将不同来源的DNA片段“缝合”起来，需要________酶或________酶。

它们均属于________酶，作用是____________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

其中能“缝合”两个双链DNA片段的平口末端的酶是________________。

解析：

图解表示EcoRⅠ将两个DNA分子在特定序列的特定位点切开并通过DNA连接酶进行拼接的过程。

E·coliDNA连接酶只能“缝合”两个互补的黏性末端，而T4DNA连接酶既可以“缝合”两个互补的黏性末端，也可以“缝合”平口末端。

答案：

（1）限制性核酸内切　—GAATTC—　鸟嘌呤脱氧核苷酸（或G）　腺嘌呤脱氧核苷酸（或A）　磷酸二酯　黏性末端　

（2）E·coliDNA连接　T4DNA连接　DNA连接　催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键，将两个双链DNA片段“缝合”起来　T4DNA连接酶

14．啤酒酵母菌是啤酒生产上常用的典型的发酵酵母菌。

除用于酿造啤酒及其他的饮料酒外，还可发酵面包。

菌体维生素、蛋白质含量高，可作食用、药用和饲料。

科学家将大麦细胞的LTP1基因植入啤酒酵母菌中，获得的啤酒酵母菌种可产生LTP1蛋白，并酿出泡沫丰富的啤酒。

基本的操作过程如下：

（1）该技术定向改变了啤酒酵母菌的性状，这在可遗传变异的来源中属于________。

（2）为了将LTP1基因导入酵母菌细胞内，所用的载体是________。

（3）要使载体与LTP1基因连接，首先应使用________进行切割。

假如载体被切割后，得到的分子末端序列为

，则能与该载体连接的抗病基因分子末端有____________（多选），其中跟

是同一种限制酶切割的是________。

（4）有C进入的啤酒酵母菌分别在含有青霉素、四环素的两种选择培养基上的生长情况是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：

（1）由图可知该技术属于基因工程，该变异属于基因重组。

（2）据图可以看出，载体来自大肠杆菌，一定是质粒。

（3）跟

具有相同黏性末端的是A、B、C，它们能相互连接，但来自同一种限制酶切割的是A。

（4）由于质粒上抗四环素基因被破坏，所以含有C的酵母菌在含有青霉素的培养基上能存活，但在含有四环素的培养基上不能存活。

答案：

（1）基因重组　

（2）（大肠杆菌的）质粒

（3）限制酶　A、B、C　A

（4）在含有青霉素的培养基上能存活，但在含有四环素的培养基上不能存活

15．目前基因工程所用的质粒载体主要是以天然细菌质粒的各种元件为基础重新组建的人工质粒，pBR322质粒是较早构建的质粒载体，其主要结构如图所示，请据图回答下列问题：

（1）构建人工质粒时要有抗性基因，以便于___________________________________

________________________________________________________________________。

（2）pBR322分子中有单个EcoRⅠ限制酶作用位点，EcoRⅠ只能识别序列—GAATTC—，并只能在G与A之间切割。

若在某目的基因的两侧各有1个EcoRⅠ的切点，请画出目的基因两侧被限制酶EcoRⅠ切割后所形成的黏性末端：

________________________________

________________________________________________________________________。

（3）pBR322分子中另有单个的BamHⅠ限制酶作用位点，现将经BamHⅠ处理后的质粒与另一种限制酶BglⅡ处理得到的目的基因，通过DNA连接酶作用恢复________键，成功获得了重组质粒，说明________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）为了检测上述重组质粒是否导入原本无ampr和tetr的大肠杆菌，将大肠杆菌在含氨苄青霉素的培养基上培养，得到如图二的菌落。

再将灭菌绒布按到培养基上，使绒布面沾上菌落，然后将绒布按到含四环素的培养基上培养，得到如图三的结果（空圈表示与图二对照无菌落的位置）。

与图三空圈相对应的图二中的菌落表现型是_______________________________，

图三结果显示，多数大肠杆菌导入的是_____________________________________。

解析：

（1）质粒作为基因表达载体的条件之一是要有抗性基因，以便于筛选（鉴别）目的基因是否导入受体细胞。

（2）同一限制酶切割DNA分子产生的黏性末端相同，根据题意可知：

该目的基因两侧被限制酶EcoRⅠ切割后所形成的黏性末端为：

（3）DNA连接酶催化两个DNA片段形成磷酸二酯键；而通过DNA连接酶作用能将两个DNA分子片段连接，表明经两种限制酶（BamHⅠ和BglⅡ）切割得到的DNA片段，其黏性末端相同。

（4）由题意知：

由于与图三空圈相对应的大肠杆菌能在含氨苄青霉素的培养基上生长，而不能在含四环素的培养基上生长，故可推知与图三空圈相对应的图二中的菌落能抗氨苄青霉素，但不能抗四环素。

由图二、图三结果显示，多数大肠杆菌都能抗氨苄青霉素和四环素，而经限制酶BamHⅠ作用后，标记基因tetr已被破坏，故重组质粒不能抗四环素，故多数大肠杆菌导入的是pBR322质粒。

答案：

（1）筛选（鉴别）目的基因是否导入受体细胞

（2）

（3）磷酸二酯　两种限制酶（BamHⅠ和BglⅡ）切割得到的黏性末端相同

（4）能抗氨苄青霉素，但不能抗四环素　pBR322质粒

16．下表中列出了几种限制酶识别序列及其切割位点，图1、图2中箭头表示相关限制酶的切位点。

请回答下列问题：

限制酶

BamHⅠ

HindⅢ

EcoRⅠ

SmaⅠ

识别序列

及切割

位点

↓　

GGATCC

CCTAGG

↑

↓

AAGCTT

TTCGAA

↑

↓

GAATTC

CTTAAG

↑

↓

CCCGGG

GGGCCC

↑

（1）一个图1所示的质粒分子经SmaⅠ切割前后，分别含有________和________个游离的磷酸基团。

（2）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________。

（3）用图中的质粒和外源DNA构建重组质粒，不能使用SmaⅠ切割，原因是________

________________________________________________________________________。

（4）与只使用EcoRⅠ相比较，使用BamHⅠ和HindⅢ两种限制酶同时处理质粒、外源DNA的优点在于可以防止____________________________________________________。

（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__________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：

（1）一个图1所示的质粒分子经SmaⅠ切割前后，分别含有0、2个游离的磷酸基团。

（2）若对图中质粒进行改造，插入的SmaⅠ酶切位点越多，含有的C—G碱基对越多，质粒的热稳定性越高。

（3）用图中的质粒和外源DNA构建重组质粒，不能使用SmaⅠ切割，原因是SmaⅠ会破坏质粒的抗性基因、外源DNA中的目的基因。

（4）与只使用EcoRⅠ相比较，使用BamHⅠ和HindⅢ两种限制酶同时处理质粒、外源DNA的优点在于可以防止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化。

（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DNA连接酶。

（6）重组质粒中抗生素抗性基因的作用是为了鉴别和筛选含有目的基因的细胞。

答案：

（1）0　2

（2）高

（3）SmaⅠ会破坏质粒的抗性基因、外源DNA中的目的基因

（4）质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化

（5）DNA连接

（6）鉴别和筛选含有目的基因的细胞