高考生物一轮总复习33基因工程学案含答案完美.docx

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高考生物一轮总复习33基因工程学案含答案完美

第33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（含PCR技术）（Ⅱ）。

3.基因工程的应用（Ⅱ）。

4.蛋白质工程（Ⅰ）。

5.实验：

DNA的粗提取与鉴定。

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。

（2）DNA连接酶

①作用：

将限制酶切割下来的DNA片段拼接成DNA分子。

②类型

常用类型

E·coliDNA连接酶

T4DNA连接酶

来源

大肠杆菌

T4噬菌体

功能

只缝合黏性末端

缝合黏性末端和平末端

结果

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

归纳提升　与DNA相关的五种酶的比较

名称

作用部位

作用结果

限制酶

磷酸二酯键

将DNA切成两个片段

DNA连接酶

磷酸二酯键

将两个DNA片段连接为一个DNA分子

DNA聚合酶

磷酸二酯键

将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端

DNA（水解）酶

磷酸二酯键

将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸

解旋酶

碱基对之间的氢键

将双链DNA分子局部解旋为单链，形成两条长链

（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

深化拓展　载体上标记基因的作用

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：

1．有关工具酶的判断

（1）限制酶只能用于切割目的基因（　×　）

（2）切割质粒的限制性核酸内切酶均能特异性地识别6个核苷酸序列（　×　）

（3）DNA连接酶能将两碱基间通过氢键连接起来（　×　）

（4）E·coliDNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端（　×　）

（5）限制酶也可以识别和切割RNA（　×　）

（6）限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒是基因工程中常用的三种工具酶（　×　）

2．有关载体的判断

（1）载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因（　×　）

（2）每个质粒DNA分子上至少含一个限制酶识别位点（　√　）

（3）质粒是小型环状DNA分子，是基因工程常用的载体（　√　）

（4）载体的作用是将携带的目的基因导入受体细胞中，使之稳定存在并表达（　√　）

（5）外源DNA必须位于重组质粒的启动子和终止子之间才能进行复制（　×　）

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，据图分析：

（1）请说出EcoRⅠ限制酶和SmaⅠ限制酶识别的碱基序列及切割的位点。

提示　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。

（2）以上实例说明限制酶有何特性？

提示　说明限制酶具有专一性。

命题点一　工具酶的应用分析

1．下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．EcoRⅠ

C．EcoBD．PstⅠ

答案　C

解析　A处有3处（BamHⅠ、EcoB、ClaⅠ）限制酶的切点，只有使用EcoB限制酶切割时，才能让目的基因插入到A处且使原有基因失活。

2．用限制酶EcoRⅤ单独切割某普通质粒，可产生14kb（1kb即1000个碱基对）的长链，而同时用限制酶EcoRⅤ、MboⅠ联合切割该质粒，可得到三种长度的DNA片段，见下图（其中*表示EcoRⅤ限制酶切割后的一个黏性末端）。

若用MboⅠ限制酶单独切割该普通质粒，则产生的DNA片段的长度为（　　）

A．2.5和5.5B．2.5和6

C．5.5和8D．6和8

答案　D

解析　依图示可知，该质粒上有1个EcoRⅤ限制酶的切点、2个MboⅠ限制酶的切点，故用限制酶MboⅠ单独切割该质粒时，将产生长度为6和8的两种片段。

3．（2016·全国Ⅲ，40）图（a）中的三个DNA片段上依次表示出了EcoRⅠ、BamHⅠ和Sau3AⅠ三种限制性核酸内切酶的识别序列与切割位点，图（b）为某种表达载体的示意图（载体上的EcoRⅠ、Sau3AⅠ的切点是唯一的）。

根据基因工程的有关知识，回答下列问题：

（1）经BamHⅠ酶切后得到的目的基因可以与上述表达载体被________酶切后的产物连接，理由是______________________________________。

（2）若某人利用图（b）所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组子，如图（c）所示。

这三种重组子中，不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有________，不能表达的原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来的酶，常见的有______________和______________，其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是__________________。

答案　

（1）Sau3AⅠ　两种酶切割后产生的片段具有相同的黏性末端　

（2）甲、丙　甲中目的基因插入在启动子的上游，丙中目的基因插入在终止子的下游，二者的目的基因均不能被转录　（3）E·coliDNA连接酶　T4DNA连接酶　T4DNA连接酶

解析　

（1）分析图（a）可知，限制酶Sau3AⅠ与BamHⅠ切割DNA后形成的黏性末端相同，故经这两种酶切割得到的产物可以用DNA连接酶进行连接。

（2）构建基因表达载体时，为保证目的基因能在宿主细胞中成功表达，目的基因应插入在启动子和终止子之间，据此可判断甲、丙均不符合要求，目的基因均不能表达。

（3）常见的DNA连接酶有E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶，其中T4DNA连接酶既能连接黏性末端又能连接平末端。

限制酶的选择方法

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）。

命题点二　载体的应用分析

4．质粒是基因工程中最常用的载体，它存在于许多细菌体内。

质粒上有标记基因如图所示，通过标记基因可以推知外源基因（目的基因）是否转移成功。

外源基因插入的位置不同，细菌在培养基上的生长情况不同，如图表示外源基因插入位置（插入点有a、b、c），请根据表中提供细菌的生长情况，推测①②③三种重组后细菌的外源基因插入点，正确的一组是（　　）

细菌在含氨苄青霉素培养基上生长情况

细菌在含四环素培养基上生长情况

①

能生长

能生长

②

能生长

不能生长

③

不能生长

能生长

A．①是c；②是b；③是a

B．①是a和b；②是a；③是b

C．①是a和b；②是b；③是a

D．①是c；②是a；③是b

答案　A

解析　第①组中重组后细菌能在含氨苄青霉素和含四环素培养基上生长，说明抗氨苄青霉素基因和抗四环素基因没有被破坏，因此外源基因插入点是c。

第②组中重组后细菌能在含氨苄青霉素培养基上生长，说明抗氨苄青霉素基因没有被破坏；细菌不能在含四环素培养基上生长，说明抗四环素基因被破坏，因此外源基因插入点是b。

第③组重组后细菌不能在含氨苄青霉素培养基上生长，说明抗氨苄青霉素基因被破坏；细菌能在含四环素培养基上生长，说明抗四环素基因没有被破坏，因此外源基因插入点是a。

5．（2016·全国Ⅰ，40）某一质粒载体如图所示，外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活（Ampr表示氨苄青霉素抗性基因，Tetr表示四环素抗性基因）。

有人将此质粒载体用BamHⅠ酶切后，与用BamHⅠ酶切获得的目的基因混合，加入DNA连接酶进行连接反应，用得到的混合物直接转化大肠杆菌，结果大肠杆菌有的未被转化，有的被转化。

被转化的大肠杆菌有三种，分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。

回答下列问题：

（1）质粒载体作为基因工程的工具，应具备的基本条件有______________________________

（答出两点即可），而作为基因表达载体，除满足上述基本条件外，还需具有启动子和终止子。

（2）如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选，在上述四种大肠杆菌细胞中，未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的，其原因是___________________________________

________________________________________________________________________；并且________________和____________________________________的细胞也是不能区分的，其原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

在上述筛选的基础上，若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌的单菌落，还需使用含有________的固体培养基。

（3）基因工程中，某些噬菌体经改造后可以作为载体，其DNA复制所需的原料来自于________________________________________________________________________。

答案　

（1）能自我复制、具有标记基因　

（2）二者均不含有氨苄青霉素抗性基因，在该培养基上均不生长　含有质粒载体　含有插入了目的基因的重组质粒（或答含有重组质粒）　二者均含有氨苄青霉素抗性基因，在该培养基上均能生长　四环素　（3）受体细胞

解析　

（1）质粒作为载体应具备的基本条件有：

能自我复制、具有标记基因、含有一个至多个限制酶切割位点等。

（2）由题意可知，未被转化的和仅含环状目的基因的细胞中均不含有氨苄青霉素抗性基因，所以在含有氨苄青霉素的培养基上均不能生长。

质粒载体上含有氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基因，插入了目的基因的重组质粒中仅含有氨苄青霉素抗性基因，所以含有质粒载体和含有插入了目的基因的重组质粒的细胞均能在含有氨苄青霉素的培养基上生长，但前者可以在含有四环素的培养基上生长而后者不能，所以可用含有四环素的培养基，筛选出含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落。

（3）噬菌体属于病毒，病毒增殖过程中所需的原料、酶等均来自于受体细胞。

考点二　基因工程的操作过程与应用

1．基因工程的基本操作过程

（1）目的基因的获取

①目的基因：

主要是指编码蛋白质的基因。

②获取目的基因的方法

a．直接分离法：

从自然界已有的物种中分离，如从基因组文库或cDNA中获取。

b．人工合成：

如果基因比较小，核苷酸序列又已知，可以通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成；以RNA为模板，在逆转录酶的作用下人工合成。

③扩增目的基因：

利用PCR技术扩增目的基因。

（2）基因表达载体的构建——基因工程的核心

①目的：

使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时，使目的基因能够表达和发挥作用。

②基因表达载体的组成

小贴士　启动子≠起始密码子，终止子≠终止密码子

（1）启动子：

一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端。

它是RNA聚合酶识别、结合的部位。

（2）终止子：

一段有特殊结构的DNA短片段，位于基因的尾端。

作用是使转录过程停止。

（3）起始密码子和终止密码子位于mRNA上，分别控制翻译过程的启动和终止。

③构建过程

（3）将目的基因导入受体细胞

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

（4）目的基因的检测与鉴定

2．基因工程的应用

（1）动物基因工程：

用于提高动物生长速度从而提高产品产量；用于改善畜产品品质；用转基因动物生产药物；用转基因动物作器官移植的供体等。

（2）植物基因工程：

培育抗虫转基因植物、抗病转基因植物和抗逆转基因植物；利用转基因改良植物的品质。

（3）比较基因治疗与基因诊断

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

3.蛋白质工程

（1）流程图

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。

1．有关基因工程原理与操作的判断

（1）设计扩增目的基因的引物时不必考虑表达载体的序列（　×　）

（2）用PCR方法扩增目的基因时不必知道基因的全部序列（　√　）

（3）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（　×　）

（4）抗虫基因即使成功地插入植物细胞染色体上也未必能正常表达（　√　）

（5）检测目的基因是否成功表达可用抗原—抗体杂交技术（　√　）

（6）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是否完全表达

（　×　）

2．有关基因工程的应用及蛋白质工程的判断

（1）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（　√　）

（2）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（　×　）

（3）由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用（　×　）

（4）蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质（　√　）

（5）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（　×　）

据图分析抗虫棉的培育过程

（1）该基因工程中的目的基因和载体分别是什么？

一般情况下，为什么要用同一种限制酶处理目的基因和载体？

提示　目的基因是Bt毒蛋白基因，载体是Ti质粒。

用同一种限制酶处理目的基因和载体，可以获得相同的黏性末端，便于构建基因表达载体。

（2）该实例中，采用何种方法导入目的基因？

为什么目的基因可以整合到染色体的DNA上？

提示　采用的方法是农杆菌转化法，由于Ti质粒上的T－DNA可转移到受体细胞且能整合到受体细胞的染色体DNA上，而目的基因又插入到了T－DNA上，所以目的基因可以整合到受体细胞的染色体DNA上。

（3）该实例中，检测目的基因是否成功表达的常见方法有哪两种？

提示　抗原—抗体杂交法、用棉叶饲喂棉铃虫。

1．基因组文库与cDNA文库的比较

文库类型

cDNA文库

基因组文库

构建基因文库的过程

文库大小

小

大

基因中启动子

无

有

基因中内含子

无

有

基因多少

某种生物的部分基因

某种生物的全部基因

物种间的基因交流

可以

部分基因可以

说明

基因文库的组建过程就包含基因工程的基本操作步骤。

从基因文库中获取目的基因的优点是操作简便，缺点是工作量大，具有一定的盲目性

2.利用PCR技术扩增目的基因

（1）PCR的含义：

是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。

（2）目的：

短时间内大量扩增目的基因。

（3）原理：

DNA双链复制。

（4）前提：

有一段已知目的基因的核苷酸序列。

（5）过程

第一步：

加热至90～95℃，DNA解链为单链；

第二步：

冷却至55～60℃，引物结合到互补DNA链；

第三步：

加热至70～75℃，热稳定DNA聚合酶（Taq酶）从引物起始进行互补链的合成。

如此重复循环多次。

3．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。

命题点一　基因工程操作程序的分析

1．（2017·全国Ⅰ，38）真核生物基因中通常有内含子，而原核生物基因中没有，原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。

已知在人体中基因A（有内含子）可以表达出某种特定蛋白（简称蛋白A）。

回答下列问题：

（1）某同学从人的基因组文库中获得了基因A，以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A，其原因是__________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）若用家蚕作为表达基因A的受体，在噬菌体和昆虫病毒两种载体中，不选用________作为载体，其原因是__________________________________。

（3）若要高效地获得蛋白A，可选用大肠杆菌作为受体。

因为与家蚕相比，大肠杆菌具有______________________________________（答出两点即可）等优点。

（4）若要检测基因A是否翻译出蛋白A，可用的检测物质是________________（填“蛋白A的基因”或“蛋白A的抗体”）。

（5）艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献，也可以说是基因工程的先导，如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示，那么，这一启示是________________________________________________________________________。

答案　

（1）基因A有内含子，在大肠杆菌中，其初始转录产物中与内含子对应的RNA序列不能被切除，无法表达出蛋白A　

（2）噬菌体　噬菌体的宿主是细菌，而不是家蚕　（3）繁殖快、容易培养　（4）蛋白A的抗体

（5）DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体

解析　

（1）从人的基因组文库中获得的基因A中含有内含子，而大肠杆菌属于原核生物，不能切除基因A初始转录产物中与内含子对应的RNA序列，故基因A在大肠杆菌中无法表达出蛋白A。

（2）由于病毒对宿主细胞的感染具有特异性，噬菌体只能寄生在细菌细胞中，不能感染家蚕细胞，故应选用可感染家蚕的昆虫病毒作为载体。

（3）与真核生物相比，大肠杆菌等原核生物具有繁殖快、容易培养、遗传物质相对较少等优点。

（4）检测基因A是否翻译出蛋白A，一般用抗原—抗体杂交的方法，即用蛋白A的抗体与从细胞中提取的蛋白质进行杂交，观察是否出现杂交带。

（5）肺炎双球菌转化实验的实质是S型细菌的DNA进入R型细菌体内，并可在R型细菌体内完成表达，这证明了DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体，为基因工程奠定了基础。

2．2,4－D作为除草剂在农田中大量使用，研究认为它是某种淋巴癌的致病因子。

为降低2,4－D的危害，科研人员通过基因工程技术构建了能高效降解2,4－D的基因工程菌。

请回答下列问题：

（1）在农业生产上常会使用________浓度2,4－D对麦田进行除草，在杀死杂草的同时却不会对小麦生长造成损害，原因是_____________________________________________。

（2）从被2,4－D污染的土壤中得到能降解2,4－D的细菌，从该细菌中提取RNA，构建____________文库，进一步获得目的基因。

（3）PCR技术扩增目的基因的过程：

含目的基因的DNA受热变性后解旋为单链，引物与单链相应互补序列结合，然后在________________酶作用下进行延伸，如此重复循环多次，使目的基因的量呈____________形式扩增。

（4）一个基因表达载体的组成中要有标记基因，标记基因的作用是鉴别受体细胞中__________________。

欲知基因工程成功与否，需要进行________水平的检测，有时还需进行____________水平的鉴定。

答案　

（1）高　不同植物对2,4－D的敏感程度不同　

（2）cDNA（部分基因）　（3）热稳定DNA聚合酶（或Taq）　指数　（4）是否含有目的基因　分子　个体生物学（个体）

解析　

（1）2,4－D是生长素类似物，利用不同植物对其敏感程度不同，可用其除去麦田杂草。

（2）从工程菌中提取RNA构建成的基因文库是部分基因文库（cDNA文库）。

（3）PCR技术用热稳定DNA聚合酶（Taq酶）延伸，多次循环，目的基因的量呈指数（2n）增长。

（4）标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因，欲知基因工程成功与否，需要进行分子水平的检测，有时还需要进行个体生物学水平的鉴定。

命题点二　基因工程与蛋白质的关系的分析

3．（2015·全国Ⅱ，40）已知生物体内有一种蛋白质（P），该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。

如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质（P1）不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。

回答下列问题：

（1）从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的____________________进行改造。

（2）以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰________基因或合成________基因，所获得的基因表达是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括______________的