新版高中生物第六章第25课时基因工程及其应用课时作业新人教版必修2.docx
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新版高中生物第六章第25课时基因工程及其应用课时作业新人教版必修2
第25课时基因工程及其应用
[目标导读] 1.结合教材图文，概述基因工程的基本原理和基本步骤。
2.结合具体实例，了解基因工程的应用及其安全性。
[重难点击] 基因工程的基本原理和基本步骤。
1．基因是有遗传效应的DNA片段，由于DNA分子具有多样性和特异性，因此基因是多种多样的，其中的脱氧核苷酸的排列顺序就是遗传信息。
2．中心法则揭示了生物遗传信息由DNA向蛋白质传递与表达的过程。
（1）a、b、c、d所表示的四个过程依次分别是复制、转录、翻译、逆转录。
（2）真核生物中，过程a的主要场所是细胞核，过程b的原料是4种核糖核苷酸。
（3）在不同的生物体内，同一种mRNA经过c过程产生的蛋白质中的氨基酸排列顺序是相同的，因为所有生物共用一套遗传密码。
3．基因对性状的控制方式及实例
（1）直接途径：
基因控制,蛋白质的结构控制,生物体的性状，如镰刀型细胞贫血症、囊性纤维病的病因。
（2）间接途径：
基因控制,酶的合成控制,细胞代谢控制,生物体的性状，如白化病、豌豆的粒形。
课堂导入
科幻电影《蜘蛛侠》中的男主角意外被转基因的蜘蛛咬伤，蜘蛛的基因整合到了他的基因上，并且在他体内表达，从而使他成了具有特殊本领的超级英雄。
现实中，我们已经运用类似的技术来改造生物的性状，获得人们所需要的品种，这就是基因工程。
探究点一 基因工程的原理
基因工程是在分子水平上改造DNA分子，需要特殊的工具和操作步骤，分析下列问题。
1．基因工程的概念
（1）基因工程，又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。
通俗地说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。
（2）基因工程是把一种生物的某种基因转移到另一种生物体的细胞内，基因的结构基本没有变化，只是位置发生了变化，所以应该属于基因重组。
2．基因工程的基本工具
（1）限制性核酸内切酶
在大肠杆菌中，有一种叫做EcoRⅠ的限制酶，能够专一识别GAATTC的序列，并在G和A之间将这段序列切开。
如图所示：
可见，限制性核酸内切酶的作用特点是识别特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子，形成2个黏性末端。
小贴士 限制酶切割的是脱氧核苷酸之间的化学键，不是碱基之间的氢键；切割后不一定都产生黏性末端，也可能产生平末端。
（2）DNA连接酶
同种限制酶切割不同DNA分子后形成的黏性末端是可以通过碱基互补配对连接起来的，但是脱氧核糖和磷酸之间的缺口要靠DNA连接酶进行连接。
（3）运载体
①作用：
将外源基因送入受体细胞。
②种类：
质粒、噬菌体和动植物病毒等。
质粒存在于许多细菌以及酵母菌等生物细胞中（如图），是拟核或细胞核外能够自主复制的很小的环状DNA分子。
上面通常含有的抗性基因可以作为标记基因用于目的基因导入受体细胞的检测依据。
3．基因工程的操作步骤
结合教材图6－6归纳：
——目的基因：
人们所需要的特定基因
↓
目的基因与运载体结合
↓
将目的基因导入受体细胞：
主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的方法
↓
目的基因的检测与鉴定
（1）DNA解旋酶和限制酶都作用于DNA，试分析这两种酶的作用部位相同吗？
答案 不相同。
DNA解旋酶作用于碱基之间的氢键，而限制酶作用于磷酸与脱氧核糖之间的化学键，即磷酸二酯键。
（2）切割运载体和目的基因为什么常用同一种限制酶？
答案 因为只有用同一种限制酶才能切割出相同的黏性末端，利于目的基因与运载体结合。
（3）限制酶和DNA连接酶作用的化学键相同吗？
答案 相同，均作用于磷酸二酯键。
（4）若用DNA连接酶将目的基因与运载体两两结合时，可能有哪些产物？
答案 产物可能有三种：
目的基因与目的基因结合、运载体与运载体结合、目的基因与运载体结合。
（5）目的基因能够在受体细胞中表达的基础是什么？
答案 所有生物共用一套遗传密码。
归纳提炼
基因工程操作中应注意的问题
（1）四个步骤中只有第三步将目的基因导入受体细胞不涉及碱基互补配对。
（2）目的基因必须与运载体结合后才能导入受体细胞，才能稳定地保存，并进行复制。
（3）受体细胞常用微生物的原因：
繁殖快、代谢快、目的产物多。
（4）培育转基因动物，受体细胞一般选用受精卵。
活学活用
1．某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶（Amy）基因a，通过基因工程的方法，将基因a与运载体结合后导入马铃薯植株中，经检测发现Amy在成熟块茎细胞中存在。
结合图形分析下列有关这一过程的叙述，不正确的是（ ）
A．获取基因a的限制酶的作用部位是图中的①
B．连接基因a与运载体的DNA连接酶的作用部位是图中的②
C．基因a进入马铃薯细胞后，可随马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞
D．通过该技术人类实现了定向改造马铃薯的遗传性状
问题导析
（1）限制酶和DNA连接酶均作用于磷酸二酯键，即①处，二者作用相反，分别是打开和连接该化学键。
（2）目的基因进入受体细胞后，会随着马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞，使之产生定向变异，从而改变其遗传性状。
答案 B
解析 限制酶和DNA连接酶均作用于磷酸二酯键，即①处，二者作用相反，分别是打开和连接该化学键；目的基因进入受体细胞后，会随着马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞，使之产生定向变异，从而改变其遗传性状。
探究点二 基因工程的应用及转基因生物和转基因食品的安全性
转基因技术已经在生产中有了广泛的应用，对其安全性也存在着争议，请分析讨论：
1．基因工程的应用
（1）基因工程与作物育种
①目的：
获得高产、稳产和具有优良品质的农作物，培育出具有各种抗逆性的作物新品种。
②实例：
抗棉铃虫的转基因抗虫棉。
③意义：
抗虫基因作物的使用，不仅减少了农药的用量、大大降低了生产成本，而且还减少了农药对环境的污染。
（2）基因工程与药物研制
①实例：
用基因工程方法生产胰岛素。
②过程：
胰岛素基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌内获得成功的表达。
（3）基因工程与环境保护
实例：
利用转基因细菌降解有毒有害的化合物，吸收环境中的重金属，分解泄漏的石油、处理工业废水等。
2．转基因生物和转基因食品的安全性
结合教材的“资料分析”，分正方、反方组辩论转基因生物和转基因食品的安全性。
正方观点：
安全，应大力推广
参考论据
（1）解决粮食短缺问题；
（2）减少农药使用，避免环境污染；
（3）节省生产成本，降低食物售价；
（4）增加食物营养，提高附加值；
（5）增加食物种类，提升食物品质。
反方观点：
不安全，要严格控制
参考论据
（1）产生新毒素和新过敏原；
（2）产生抗除草剂的杂草；
（3）使疾病的散播跨越物种障碍；
（4）会损害农作物的生物多样性；
（5）干扰生态系统的稳定性。
结合以上观点和论据，搜集资料，发表你个人的意见，言之成理即可。
归纳提炼
基因重组和基因工程的比较
比较项目
基因重组
基因工程
不同
点
重组方式
同一种生物不同基因
不同生物不同基因
繁殖方式
有性生殖
无性生殖
变异大小
小
大
意义
生物变异的主要来源，对生物进化有重要意义
使人类有可能按自己的意愿定向改造生物
相同点
都实现了不同基因间的重新组合，都能使生物产生变异
活学活用
2．由于乙肝病毒不能用动物细胞来培养，因此无法用细胞培养的方法生产疫苗，但可用基因工程的方法进行生产，现已知病毒的核心蛋白和表面抗原蛋白的氨基酸序列，生产示意图如下，下列相关说法不正确的是（ ）
乙肝病毒
有关基因
细菌
大量生产疫苗
A．生产乙肝疫苗的过程也达到了定向改造细菌的目的
B．在①②过程中需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶
C．用于生产疫苗的目的基因为编码核心蛋白的基因和表面抗原蛋白基因
D．这种转基因的细菌一定是安全的，不用担心其扩散到自然界
答案 D
解析 上述过程应用了基因工程技术，能定向改造生物性状，在操作时要应用限制酶来获得目的基因，并用DNA连接酶使之与运载体结合，该过程的目的基因为表面抗原蛋白基因和编码核心蛋白的基因，转基因生物的安全性还存在争议，无法判断其安全性，应避免其扩散进入自然界。
1．基因工程技术也称为DNA重组技术，其实施必须具备的四个必要条件是（ ）
A．目的基因、限制酶、运载体、体细胞
B．重组DNA、RNA聚合酶、限制酶、连接酶
C．模板DNA、信使RNA、质粒、受体细胞
D．工具酶、目的基因、运载体、受体细胞
答案 D
解析 基因工程必须用到限制酶、DNA连接酶等工具酶，需要将目的基因与运载体结合，并导入受体细胞，所以基因工程必须具备的四个必要条件是工具酶、目的基因、运载体和受体细胞。
2．下列关于基因工程的叙述，错误的是（ ）
A．目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物
B．限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶
C．人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性
D．运载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达
答案 D
解析 基因工程中目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物；常用的工具酶是限制性核酸内切酶和DNA连接酶；人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性，只有经过一定的物质激活以后，才能有生物活性。
载体上的抗性基因主要是有利于筛选含重组DNA的细胞，不能促进目的基因的表达，所以D错误。
3．基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的。
在基因工程操作的基本步骤中，不涉及碱基互补配对的是（ ）
A．人工合成目的基因
B．目的基因与运载体结合
C．将目的基因导入受体细胞
D．目的基因的检测与鉴定
答案 C
解析 人工合成目的基因是将单个的核苷酸在相关的模板、酶、ATP的作用下，按照碱基互补配对原则合成双链DNA，目的基因与运载体结合的过程就是将黏性末端的碱基互补配对结合。
目的基因的检测与鉴定过程中，当然也要遵循碱基互补配对原则。
将目的基因导入受体细胞主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径，与碱基互补配对原则没有关系。
4．下列关于基因工程安全性的说法中，不正确的是（ ）
A．转基因作物的基因可通过花粉扩散到它的近亲作物上，可能出现对农业不利的“超级植物”
B．杂草、害虫从它的近亲获得抗性基因，可能破坏生态系统的稳定性
C．转基因必须在人为控制下才能完成，自然条件下基因污染是不增殖和不扩散的
D．转基因食品转入的蛋白质是新蛋白时，这些异种蛋白有可能引起人食物过敏
答案 C
解析 转基因食品、生物的安全性是有待讨论的，像抗除草剂的杂草是由于基因污染而产生的。
5．通过DNA重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。
运用这一技术可使羊奶中含有人体蛋白质，如图表示这一技术的基本过程，在该工程中所用的基因“剪刀”能识别的序列和切点是—G↓GATCC—，请据图回答下列问题：
（1）从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是________，人体蛋白质基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中需要的酶是________________。
（2）人体蛋白质基因之所以能连接到羊的染色体DNA中，原因是________________，
人体蛋白质基因导入羊细胞时常用的工具是__________________________________。
（3）此过程中目的基因的检测与表达中的表达是指______________________________
________________________________________________________________________。
答案
（1）限制性核酸内切酶 DNA连接酶
（2）具有相同的物质基础和结构基础（有互补的碱基序列） 细菌质粒或病毒 （3）人体蛋白质基因在羊体细胞内控制合成人体蛋白质
解析
（1）剪取目的基因的酶是限制性核酸内切酶，将不同的DNA片段连接起来的酶是DNA连接酶。
（2）不同生物的DNA化学组成和空间结构相同，即具有相同的物质基础和结构基础。
目的基因导入受体细胞需先与运载体结合，最常用的运载体是质粒，也可以用动物病毒的DNA。
（3）基因的表达是指基因通过控制蛋白质的合成来控制生物体的性状，即通过转录和翻译过程合成相应的蛋白质。
基础过关
知识点一 基因工程的原理
1．DNA整合到细胞染色体中的过程，属于（ ）
A．基因突变B．基因重组
C．基因分离D．染色体变异
答案 B
解析 基因是有遗传效应的DNA片段，染色体由DNA和蛋白质组成，DNA整合到细胞染色体上，实现了DNA上的基因与细胞染色体内DNA上基因的重组，因此属于基因重组。
2．科学家们经过多年的努力创立了一种新兴生物技术——基因工程，实施该工程的最终目的是（ ）
A．定向提取生物体的DNA分子
B．定向地对DNA分子进行人工“剪切”
C．在生物体外对DNA分子进行改造
D．定向地改造生物的遗传性状
答案 D
解析 基因工程就是通过对生物体的基因进行修饰改造，使之按照人们的意愿表现出人们所需要的性状，产生人类所需要的基因产物，可见基因工程的目的是要定向改造生物的遗传性状。
3．在基因工程中，科学家常采用细菌、酵母菌等微生物作为受体细胞，原因是（ ）
A．结构简单，操作方便B．繁殖速度快
C．遗传物质含量少D．性状稳定，变异少
答案 B
解析 基因工程的操作步骤之一是将目的基因导入受体细胞，以获得该目的基因的产物，因此在选择受体细胞时，考虑的一个重要条件是受体细胞的繁殖速度要快，以便得到大量的含目的基因的细胞及产生更多的基因产物。
4．要将目的基因与运载体连接起来，在基因操作上应选用（ ）
A．只需DNA连接酶
B．同一种限制酶和DNA连接酶
C．只需限制酶
D．不同的限制酶与DNA连接酶
答案 B
解析 要将目的基因与运载体连接起来，应选用同一种限制酶切割目的基因和运载体，两者暴露出相同的黏性末端，用DNA连接酶连接时，碱基之间才会按碱基互补配对原则形成氢键，相邻两个脱氧核苷酸之间在DNA连接酶的作用下形成化学键。
5．据图所示，下列有关工具酶功能的叙述，不正确的是（ ）
A．限制酶可以切断a处
B．DNA连接酶可以连接a处
C．解旋酶可以使b处解开
D．DNA连接酶可以连接b处
答案 D
解析 限制酶和DNA连接酶作用的部位是磷酸二酯键即a处，解旋酶作用的部位是氢键即b处。
6．采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的做法正确的是（ ）
①将毒素蛋白注射到棉受精卵中 ②将编码毒素蛋白的DNA序列注射到棉受精卵中 ③将编码毒素蛋白的DNA序列与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养 ④将编码毒素蛋白的DNA序列与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵
A．①②B．②③
C．③④D．①④
答案 C
解析 基因工程中，在导入目的基因前，要将目的基因与运载体结合即与细菌质粒重组。
以后才将目的基因导入受体细胞即棉的体细胞或受精卵中，目的基因导入受体细胞后，可随受体细胞的繁殖而复制。
将毒素蛋白直接注射到棉受精卵中，没有获得目的基因，子代细胞不会有抗虫性状。
将编码毒素蛋白的DNA序列，直接注射到棉受精卵中而没有将目的基因与运载体结合，这样的目的基因是不会被保留下来的，很容易被酶水解掉。
知识点二 基因工程的应用及转基因生物和转基因食品的安全性
7．某种转基因玉米能高效合成一种多肽类的蛋白酶抑制剂，积累于茎叶中，让取食它的害虫的消化酶受抑制无法消化食物而死亡。
下列就该玉米对人类安全性的评论中，不符合生物学原理的是（ ）
A．不安全。
这种玉米的果实（种子）中也可能含有蛋白酶抑制剂，使人食用后因无法消化食物而患病
B．不安全。
该玉米的蛋白酶抑制剂基因可通过食物链富集并在人体细胞内表达，使人体无法消化食物而患病
C．安全。
因为人与害虫消化酶的结构存在差异，玉米的蛋白酶抑制剂对人体很可能无影响
D．安全。
人类通常食用煮熟的玉米食品，玉米的蛋白酶抑制剂已被高温破坏，不会影响人的消化
答案 B
解析 基因是有遗传效应的DNA片段，属于大分子有机物，外源基因进入动物和人体的消化道后会被消化成小分子物质，不能直接进入动物和人体细胞内，更谈不上通过食物链富集并在细胞内表达。
8．下列关于转基因生物与环境安全的叙述中，错误的是（ ）
A．重组的微生物在降解污染物的过程中可产生二次污染
B．种植抗虫棉可以减少农药的使用量，对环境没有任何负面影响
C．如果转基因花粉中含有毒蛋白或过敏蛋白，可能会通过食物链传递到人体内
D．转基因生物有可能对生态系统的稳定性和人类的生活环境造成破坏
答案 B
解析 种植抗虫棉虽然可以减少农药的使用量，但由于抗虫害的转基因作物的长期大量种植，会使目标害虫发生群体改变，产生抗性，更难杀灭。
能力提升
9．下图表示一项重要生物技术的关键步骤，字母X可能代表（ ）
A．不能合成胰岛素的细菌细胞
B．能合成抗体的人类细胞
C．能合成胰岛素的细菌细胞
D．不能合成抗生素的人类细胞
答案 C
解析 在此过程中目的基因为人类的胰岛素基因，导入细菌细胞后，可使细菌细胞合成胰岛素。
10．下列黏性末端由同一种限制酶切割而成的是（ ）
A．①②B．①③C．①④D．②③
答案 B
解析 同一种限制酶切割出的黏性末端应是互补的，而且两者的序列相同，①③是互补的，切点都是在G与A之间，识别序列为GAATTC。
11．下列关于基因工程的叙述，正确的是（ ）
A．通常用一种限制性核酸内切酶处理含目的基因的DNA，用另一种处理质粒的DNA
B．DNA连接酶和运载体是构建重组质粒必需的工具酶
C．可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒
D．质粒是广泛存在于细菌细胞质中的一种颗粒状的细胞器
答案 C
解析 为了使目的基因与运载体能完美地结合，必须用同一种限制性核酸内切酶切出相同的黏性末端；运载体是基因工程的工具之一，不属于酶；质粒是存在于许多细菌以及酵母菌等生物的细胞中的小型环状DNA分子，不属于细胞器。
12．如图是基因工程主要技术环节的一个基本步骤，这一步骤需用到的工具是（ ）
A．DNA连接酶和解旋酶
B．DNA聚合酶和限制性核酸内切酶
C．限制性核酸内切酶和DNA连接酶
D．DNA聚合酶和RNA聚合酶
答案 C
解析 该步骤是基因工程的第二步——目的基因与运载体结合。
切割质粒要用限制性核酸内切酶，目的基因与切割后的质粒结合要用DNA连接酶。
13．近几年，基因污染已经引起人们的广泛关注。
基因污染是指在天然物种的DNA中嵌入了人工重组基因，这些外来基因可随被污染生物的繁殖、传播而发生扩散。
下列叙述错误的是（ ）
A．基因工程间接导致了基因污染
B．基因工程破坏了生物原有的基因组成
C．基因工程是通过染色体的重组发生基因交换，从而获得了生物的新性状
D．人类在发展基因工程作物时，没有充分考虑生物和环境之间的相互影响
答案 C
解析 基因工程的原理是基因重组，不是染色体重组。
14．人们试图利用基因工程的方法，用乙种生物生产甲种生物的一种蛋白质，请根据下面的示意图回答下列问题：
获得甲种生物合成该蛋白质的信使RNA
目的基因
与质粒DNA重组
导入乙种生物细胞
获得甲种生物的蛋白质
（1）①操作过程需要加入的四种核苷酸是______________________________________
________________________________________________________________________。
（2）质粒是常用的运载体，它存在于许多细菌以及酵母菌等生物中。
它常含有__________基因，这种基因有助于对受体细胞是否导入了目的基因进行检测。
②过程首先要用______________酶切断质粒DNA，再用______________酶将目的基因与质粒DNA连接重组在一起。
（3）在②操作过程中，若目的基因的黏性末端为
，则其运载体（质粒）与之相对应的黏性末端是________________________________________________________。
（4）经过③过程导入受体细胞的质粒是否能够自主复制？
______________。
答案
（1）腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸
（2）抗药（答出具体抗菌素的抗性也可） 限制性核酸内切 DNA连接 （3）
（4）能
解析 第
（1）问考查的是利用人工合成的方法合成目的基因，基因的基本组成单位是脱氧核苷酸（4种）；第
（2）问，基因工程中最常用的运载体是大肠杆菌的质粒；目的基因和运载体的连接，需要产生相同的黏性末端，所以要用同一种限制性核酸内切酶切割，再在DNA连接酶的作用下连接起来；质粒带着目的基因在宿主细胞中能够自主复制。
15．棉铃虫是一种严重危害棉花的害虫。
我国科学工作者发现一种生活在棉铃虫消化道内的苏云金芽孢杆菌能分泌一种毒蛋白使棉铃虫致死，而这种毒蛋白对人畜无害。
通过基因工程方法，我国已将毒蛋白基因转入棉花植株并成功表达。
由于棉铃虫吃了这种转基因棉花的植株后就会死亡，所以该棉花新品种在1998年推广后，已取得了很好的经济效益。
请根据上述材料回答下列问题：
（1）毒蛋白对人畜无害，但能使棉铃虫致死，从蛋白质特性来看，是因为蛋白质具有__________。
（2）利用苏云金芽孢杆菌防治棉铃虫属于生物防治，它突出的优点是______________________
________________________________________________________________________。
（3）转基因棉花的抗虫变异来源属于可遗传变异类型中的__________。
（4）从苏云金芽孢杆菌中切割抗虫基因所用的工具是____________，其特点是
________________________________________________________________________。
（5）进行基因工程操作一般要经过的四个步骤是___________________、__________________、________________________、____________________。
（6）“毒蛋白基因转入棉花植株内并成功表达”的含义是__________________________。
答案
（1）特异性
（2）不用农药或少用农药，减少环境的污染 （3）基因重组 （4）限制酶 一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子 （5）提取目的基因 目的基因与运载体结合 将目的基因导入受体细胞 目的基因的检测与鉴定 （6）棉花植株产生了苏云金芽孢杆菌的毒蛋白
解析 每种蛋白质分子往往都有特定的结构和功能，具有特异性。
区别于化学防治，生物防治的优点可以减少农药的用量，减少对环境的污染。
转基因技术的原理是基因重组，所谓基因的表达就是基因在受体细胞内通过转录和翻译合成蛋白质的过程。
个性拓展
16．质粒是基因工程中最常用的运载体，质粒上有标记基因，如图所示，通过标记基因可推知外源基因插入的位置，插入位置不同，细菌在培养基上的生长情况也不同。
如图表示外源基因的插入位置（插入点有a、b、c）。
Ⅰ.
（1）质粒的基本组成单位是_________
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