届高三生物一轮复习 第1讲 基因工程讲义 新人教版选修3doc.docx
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届高三生物一轮复习第1讲基因工程讲义新人教版选修3doc
2019届高三生物一轮复习第1讲基因工程讲义新人教版选修3
1．基因工程的概念及优点
（1）概念：
按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。
（2）优点
①与杂交育种相比：
克服了远缘杂交不亲和的障碍。
②与诱变育种相比：
定向改造生物的遗传性状。
2．基因工程的基本工具
（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：
识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并切开特定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
（3）载体
①常用载体——质粒有一个至多个限制酶切割位点有特殊的标记基因
②其他载体：
λ噬菌体衍生物、动植物病毒等。
（1）切割目的基因和载体时用同一种限制酶的目的是产生相同的黏性末端。
（2）将一个基因从DNA分子上切割下来，需要切两处，同时产生4个黏性末端。
1．限制酶
（1）识别序列的特点：
呈现碱基互补对称，无论是奇数个碱基还是偶数个碱基，都可以找到一条中心轴线，如
，以中心线为轴，两侧碱基互补对称；CCAGG以A为轴，两侧碱基互补对称。
（2）切割后末端的种类
2．限制酶和DNA连接酶的关系
（1）限制酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。
（2）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。
（3）DNA连接酶起作用时，不需要模板。
3．载体的作用
（1）目的
①目的基因稳定存在且数量可扩大。
②可携带多个或多种外源基因。
③便于重组DNA的鉴定和选择。
（2）作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞内。
（3）利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。
视角1结合基因工程的过程考查三种操作工具
1．（2016·全国丙卷）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）。
图（a）
图（b）
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____________________________________
______________________________________________________________。
图（c）
（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________。
【解析】
（1）由题图可知，BamHⅠ和Sau3AⅠ两种限制性内切酶的共同识别序列是—GATC——CTAG—，二者切割可以形成相同的黏性末端，因此经BamHⅠ酶切得到的目的基因可以与图（b）所示表达载体被Sau3AⅠ酶切后的产物连接。
（2）在基因表达载体中，启动子应位于目的基因的首端，终止子应位于目的基因的尾端，这样基因才能顺利地转录，再完成翻译过程，即顺利表达。
图中甲所示的目的基因插入在启动子的上游，丙所示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，因此目的基因不能表达。
（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。
【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）甲和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（其他合理答案可酌情给分）
（3）E.coliDNA连接酶T4DNA连接酶T4DNA连接酶（其他合理答案可酌情给分）
2．（2012·新课标全国卷）根据基因工程的有关知识，回答下列问题：
（1）限制性内切酶切割DNA分子后产生的片段，其末端类型有________和________。
（2）质粒运载体用EcoRⅠ切割后产生的片段如下：
AATTC……G
G……CTTAA
为使运载体与目的基因相连，含有目的基因的DNA除可用EcoRⅠ切割外，还可用另一种限制性内切酶切割，该酶必须具有的特点是________________。
（3）按其来源不同，基因工程中所使用的DNA连接酶有两类，即________DNA连接酶和________DNA连接酶。
（4）反转录作用的模板是________，产物是________。
若要在体外获得大量反转录产物，常采用________技术。
（5）基因工程中除质粒外，________和________也可作为运载体。
（6）若用重组质粒转化大肠杆菌，一般情况下，不能直接用未处理的大肠杆菌作为受体细胞，原因是________________________________________
______________________________________________________________。
【解析】限制性内切酶切割DNA分子形成的末端通常有两种，即黏性末端和平末端。
为使运载体和目的基因连接，二者必须具有相同的黏性末端，因而当使用除EcoRⅠ之外的其他酶进行切割时，应该产生相同的黏性末端。
DNA连接酶的来源有两个：
一是大肠杆菌，二是T4噬菌体。
反转录是由RNA形成DNA的过程，获得大量反转录产物时常用PCR扩增技术。
基因工程常用的运载体是质粒，除此以外，噬菌体和动植物病毒也可作为运载体。
如果用大肠杆菌作受体细胞，必须用钙离子处理，使其处于感受态（此状态吸收外源DNA的能力增强）。
【答案】
（1）黏性末端平末端
（2）切割产生的DNA片段末端与EcoRⅠ切割产生的相同（3）大肠杆菌T4（4）mRNA（或RNA）cDNA（或DNA）PCR（5）噬菌体动植物病毒（6）未处理的大肠杆菌吸收质粒（外源DNA）的能力极弱
几种酶的比较
比较项目
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
形成产物
有黏性末端或平末端的DNA片段
形成重组DNA分子
新的DNA分子
形成单链DNA
考点二|基因工程的操作程序及应用
1．基因工程的操作程序
（1）目的基因的获取
①目的基因：
主要指编码蛋白质的基因，也可以是一些具调控作用的因子。
②方法通过DNA合成仪用化学方法人工合成
（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
③构建过程
（3）将目的基因导入受体细胞
①转化：
目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。
②常用方法（连线）：
受体细胞导入方法
a.农杆菌转化法b.显微注射法
Ⅱ植物细胞d.感受态细胞法（Ca2＋处理法）
Ⅲ微生物细胞e．花粉管通道法
【提示】ⅠbⅡa、c、eⅢd
（4）目的基因的检测与鉴定
方法
检测或鉴定目的
水平
DNA分子杂交技术
检测目的基因的有无
分子水平
分子杂交技术
目的基因是否转录
抗原－抗体杂交
目的基因是否翻译
抗虫或抗病接种实验
是否具有抗虫抗病特性
个体水平
2.基因工程的应用
技术名称
应用
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
动物基因工程
提高动物生长速度，改善畜产品的品质，用转基因动物生产药物，用转基因动物作器官移植的供体
基因治疗
把正常基因导入病人体内，使其表达产物发挥作用，从而治疗疾病，分为体内基因治疗和体外基因治疗
1．基因表达载体的构建过程
（1）一般情况下，用同一种限制酶切割质粒和含有目的基因的片段，有时可用两种限制酶分别切割质粒和目的基因，这样可避免质粒和质粒之间、目的基因和目的基因之间的连接。
（2）基因表达载体的构建在体外进行。
（3）常见的标记基因有：
固氮基因、抗生素抗性基因、色素基因等，其作用是鉴定和筛选含目的基因的受体细胞。
2．将目的基因导入受体细胞的转化过程
生物种类
植物细胞
动物细胞
微生物细胞
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→整合到受体细胞的染色体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→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子
3.目的基因的检测与鉴定
1．目的基因的插入位点不是随意的，基因表达需要启动子与终止子的调控，所以目的基因应插入启动子与终止子之间的部位。
2．基因工程操作过程中只有第三步（将目的基因导入受体细胞）没有碱基互补配对现象。
3．农杆菌转化法原理：
农杆菌易感染植物细胞，并将其Ti质粒上的TDNA转移并整合到受体细胞染色体DNA上。
4．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较
比较项目
乳腺生物反应器
工程菌
基因结构
动物基因的结构与人类基因的结构基本相同
细菌和酵母菌等生物基因的结构与人类基因的结构有较大差异
基因表达
合成的药物蛋白与天然蛋白质相同
细菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器，产生的药物蛋白可能没有活性
受体细胞
动物的受精卵
微生物细胞
导入目的基因的方式
显微注射法
感受态细胞法
生产条件
不需严格灭菌，温度等外界条件对其影响不大
需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
药物提取
从动物乳汁中提取
从微生物细胞中提取
视角1基因工程的原理及应用
1．（2014·海南高考）下图是将某细菌的基因A导入大肠杆菌内，制备“工程菌”的示意图。
据图回答：
（1）获得A有两条途径：
一是以A的mRNA为模板，在________酶的催化下，合成互补的单链DNA，然后在__________的作用下合成双链DNA，从而获得所需基因；二是根据目标蛋白质的________序列，推测出相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测其DNA的________序列，再通过化学方法合成所需基因。
（2）利用PCR技术扩增DNA时，需要在反应体系中添加的有机物质有________、________、4种脱氧核糖核苷三磷酸和耐热性的DNA聚合酶，扩增过程可以在PCR扩增仪中完成。
（3）由A和载体B拼接形成的C通常称为________。
（4）在基因工程中，常用Ca2＋处理D，其目的是______________。
【解析】
（1）利用逆转录法合成目的基因的过程是：
以mRNA为模板，在逆转录酶的催化作用下合成单链DNA，然后在DNA聚合酶作用下，合成双链DNA分子；根据蛋白质工程合成目的基因的过程是：
根据目标蛋白质的氨基酸序列，推测相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测DNA中脱氧核苷酸的排列顺序，通过化学方法合成。
（2）PCR过程中需要酶、底物、模板、引物和能量等条件。
（3）目的基因和运载体结合，形成重组DNA（基因表达载体）。
（4）在利用大肠杆菌做受体细胞时，需要先用Ca2＋处理，使之成为感受态细胞，有利于其吸收重组DNA分子。
【答案】
（1）逆转录DNA聚合酶氨基酸脱氧核苷酸
（2）引物模板DNA（重组载体或基因表达载体）
（3）重组DNA
（4）提高受体细胞的转化率
视角2基因工程与胚胎工程、胚胎工程等综合考查
2．（2017·山东济宁一模）图示方案为人们获得生物新品种的过程，请回答下列问题：
方案Ⅰ：
抗冻蛋白基因――→导入烟草细胞―→抗冻烟草
方案Ⅱ：
A基因――→导入免疫过的B细胞―→体外培养―→单克隆抗体
方案Ⅲ：
人的生长激素基因――→导入牛的受精卵―→早期胚胎――→移植受体母牛―→转基因牛
（1）基因工程的核心步骤是____________。
农杆菌转化法中，根据农杆菌的特点，如果将抗冻蛋白基因插入____________上，通过农杆菌的转化作用，就可以使目的基因进入植物细胞，并将其插入植物细胞中____________上。
（2）推测方案Ⅱ中A基因所起的作用是____________，请写出该方案获得的细胞中遗传信息传递时所遵循的法则____________。
（3）方案Ⅲ中的转基因牛可以通过分泌乳汁来生产人的生长激素。
这需要将人的生长激素基因与____________的启动子等调控组件重组在一起。
该方案中的早期胚胎在移植入受体母牛子宫之前，必须进行性别鉴定，一般是取处于____________时期的____________细胞进行检测。
【解析】
（1）基因表达载体的构建是基因工程的核心步骤。
农杆菌转化法中，将抗冻蛋白基因插入Ti质粒的TDNA上，通过农杆菌的转化作用，就可以使目的基因插入植物细胞中染色体DNA上。
（2）方案Ⅱ中将A基因导入免疫过的B淋巴细胞生产单克隆抗体，说明A基因使得细胞无限增殖，即A基因能够调控细胞无限增殖，该基因在受体细胞中能够复制、转录和翻译。
（3）方案Ⅲ中将人的生长激素基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，使得转基因牛可以通过分泌乳汁来生产人的生长激素。
囊胚中的内细胞团将来发育成胎儿的各种组织，滋养层细胞发育成胎盘和胎膜，将早期胚胎移植入受体母牛子宫之前，一般取处于囊胚时期的滋养层细胞进行性别检测。
【答案】
（1）基因表达载体的构建Ti质粒的TDNA染色体DNA
（2）调控细胞无限增殖
（3）乳腺蛋白基因囊胚滋养层
考点三|蛋白质工程
1．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。
2．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。
视角综合考查蛋白质工程的原理及应用
（2015·全国卷Ⅱ）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。
所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括________的复制，以及遗传信息在不同分子之间的流动，即：
_________
______________________________________________________________。
（3）蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过________和________，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物________进行鉴定。
【解析】
（1）从题中所述资料可知，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后，该蛋白质的功能发生了改变，此过程是通过对构成蛋白质的氨基酸的排列顺序进行改造，进而改变了蛋白质的结构，从而改变了蛋白质的功能。
（2）在蛋白质工程中，目的基因可以以P基因序列为基础，对生物体内原有P基因进行修饰，也可以通过人工合成法合成新的P1基因。
中心法则的内容如下图所示：
由图可知，中心法则的全部内容包括：
DNA以自身为模板进行的复制，DNA通过转录将遗传信息传递给RNA，最后RNA通过翻译将遗传信息表达成蛋白质；在某些病毒中RNA可自我复制（如烟草花叶病毒等），在某些病毒中能以RNA为模板逆转录合成DNA（如HIV），这是对中心法则的补充。
（3）蛋白质工程的基本途径是预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→合成DNA→表达出蛋白质，经过该过程得到的蛋白质，需要对其生物功能进行鉴定，以保证其发挥正常作用。
【答案】
（1）氨基酸序列（或结构）
（2）PP1DNA和RNA（或遗传物质）DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质（或转录、逆转录、翻译）
（3）设计蛋白质的结构推测氨基酸序列功能
真题验收|感悟高考淬炼考能
1．（2016·全国乙卷）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________。
【解析】
（1）质粒作为载体，应具备的基本条件有：
有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段（基因）插入其中；在受体细胞中能自我复制，或能整合到染色体DNA上，随染色体DNA进行同步复制；有特殊的标记基因，供重组DNA的鉴定和选择；等等。
（2）在培养基中加入氨苄青霉素进行筛选，其中未被转化的大肠杆菌和仅含环状目的基因的大肠杆菌，因不含氨苄青霉素抗性基因而都不能在此培养基上存活，二者不能区分。
含有质粒载体的大肠杆菌和含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌中都含有氨苄青霉素抗性基因，都能在此培养基上存活，二者也不能区分。
若要将含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌进一步筛选出来，还需要使用含有四环素的固体培养基。
（3）某些噬菌体经改造后作为载体，导入受体细胞后，其DNA复制所需的原料来自于受体细胞。
【答案】
（1）能自我复制、具有标记基因（答出两点即可）
（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
2．（2015·全国卷Ⅰ）HIV属于逆转录病毒，是艾滋病的病原体。
回答下列问题：
（1）用基因工程方法制备HIV的某蛋白（目的蛋白）时，可先提取HIV中的________，以其作为模板，在________的作用下合成________，获取该目的蛋白的基因，构建重组表达载体，随后导入受体细胞。
（2）从受体细胞中分离纯化出目的蛋白，该蛋白作为抗原注入机体后，刺激机体产生的可与此蛋白结合的相应分泌蛋白是________，该分泌蛋白可用于检测受试者血清中的HIV，检测的原理是________。
（3）已知某种菌导致的肺炎在健康人群中罕见，但是在艾滋病患者中却多发。
引起这种现象的根本原因是HIV主要感染和破坏了患者的部分________细胞，降低了患者免疫系统的防卫功能。
（4）人的免疫系统有________癌细胞的功能。
艾滋病患者由于免疫功能缺陷，易发生恶性肿瘤。
【解析】
（1）HIV的遗传物质是RNA，所以要想获得相应的目的基因，应以HIV的RNA为模板，在逆转录酶的作用下合成cDNA（或DNA）。
（2）目的蛋白注入机体后相当于抗原。
在抗原的刺激下，机体进行体液免疫，由浆细胞产生相应抗体（分泌蛋白），由于该抗体能与目的蛋白（抗原）发生特异性结合，所以可通过抗体检测出有无目的蛋白，从而确定体内有无HIV。
（3）HIV主要攻击人体的T（或T淋巴）细胞，从而降低机体免疫系统的防卫功能。
（4）癌细胞在机体中属于抗原，人体的免疫系统能够监控和清除癌细胞。
【答案】
（1）RNA逆转录酶cDNA（或DNA）
（2）抗体抗原抗体特异性结合（3）T（或T淋巴）（4）监控和清除
3．（2014·全国卷Ⅱ）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”）。
【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
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