选修三 第32讲.docx

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选修三第32讲

第32讲　基因工程

[最新考纲]　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　基因工程的基本工具及操作过程（5年12考）

1.基因工程的基本工具

（1）限制酶

（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

（3）载体

②其他载体：

λ噬菌体衍生物、动植物病毒等。

③载体的作用：

携带外源DNA片段进入受体细胞。

2.基因工程的基本操作程序

1.基因工程2种工具酶的化学本质分别是什么？

运载体的种类有哪些？

提示　限制酶、DNA连接酶的化学本质均为蛋白质。

运载体的种类有质粒（常用）、λ噬菌体衍生物、动植物病毒等。

2.限制酶为何不切割自身DNA?

提示　限制酶具有特异性，即一种限制酶只能识别一种特定的碱基序列，并在特定的位点上进行切割；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.基因工程操作步骤中都涉及到碱基互补配对吗？

提示　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。

第一步用PCR或人工合成法合成DNA过程中存在碱基互补配对，第二步黏性末端连接时存在碱基互补配对，第四步分子杂交及基因表达时存在碱基互补配对。

（2019·全国卷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____________________________。

解析　

（1）细菌是原核生物，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，将完整的基因A导入大肠杆菌后，无法表达出蛋白A。

（2）噬菌体是细菌病毒，专门寄生在细菌体内；家蚕是动物。

因此用家蚕作为表达基因A的受体，不选用噬菌体作为载体。

（3）原核生物作为基因工程中的受体细胞的原因是繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少，最常用的原核细胞是大肠杆菌。

（4）检测目的基因是否翻译成蛋白质，方法是从转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原－抗体杂交。

（5）艾弗里实验表明加热杀死的S型细菌的DNA可转入R菌中，这充分显示“DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体，”因此，可为基因工程理论的建立提供启示。

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

（1）诠释基因组文库与部分基因文库

基因文库类型

基因组文库

部分基因文库（cDNA文库）

构建基因文库的过程

（2）诠释PCR技术

①原理：

体外DNA复制。

②需要条件：

模板DNA、引物、四种脱氧核苷酸、热稳定DNA聚合酶（Taq酶）。

③过程：

DNA受热（90～95℃）变性解旋为单链、冷却（55～60℃）后引物与单链相应互补序列结合，然后在DNA聚合酶作用下延伸（70～75℃）合成互补链。

（3）诠释基因表达载体

（4）农杆菌转化法原理

植物受损伤时伤口处分泌物可吸引农杆菌→农杆菌中Ti质粒上的T－DNA可转移至受体细胞并整合到受体细胞染色体DNA上（若将目的基因插入到Ti质粒的T－DNA上，则目的基因将被一起带入）。

（5）标记基因的种类和作用

标记基因的作用——筛选、检测目的基因是否导入受体细胞，常见的有抗生素抗性基因、发光基因（表达产物为带颜色的物质）等。

（6）受体细胞的选择

受体细胞常用植物受精卵或体细胞（经组织培养）、动物受精卵（一般不用体细胞）、微生物（大肠杆菌、酵母菌）等。

要合成糖蛋白、有生物活性的胰岛素则必须用真核生物酵母菌（需内质网、高尔基体的加工、分泌）；一般不用支原体，原因是它营寄生生活；一定不能用哺乳动物成熟的红细胞，原因是它无细胞核，也没有核糖体等细胞器，不能合成蛋白质。

考点二　基因工程的应用及蛋白质工程（5年11考）

1.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（如抗虫棉）、抗病转基因植物（如转基因烟草）和抗逆转基因植物（如抗寒番茄）；利用转基因改良植物的品质（如新花色矮牵牛）。

2.基因诊断与基因治疗

（1）基因诊断：

又称为DNA诊断，是采用基因检测的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体。

（2）基因治疗

①概念：

把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。

②成果：

将腺苷酸脱氨酸基因转入取自患者的淋巴细胞中，使淋巴细胞能产生腺苷酸脱氨酶，然后，再将这种淋巴细胞转入患者体内，从而治疗复合型免疫缺陷症。

3.蛋白质工程

（1）概念理解

（2）基本流程

→

→

→

1.既然存在基因工程，为什么还要改造蛋白质？

提示　基因工程只能产生自然界已存在的蛋白质。

2.蛋白质工程中为什么通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造？

提示　①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；

②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。

3.用限制酶切割时要注意哪些问题？

提示　①获取目的基因和切割载体时，经常使用同一种限制酶（也可使用能切出相同末端的不同限制酶），目的是产生相同的黏性末端或平末端。

②获取一个目的基因需限制酶切割两次，共产生4个黏性末端或平末端。

③限制酶切割位点的选择，必须保证标记基因的完整性，以便于检测。

4.将目的基因导入受体细胞时，能否仅把目的基因整合到线粒体DNA或叶绿体DNA上？

为什么？

提示　一般不能。

如果仅把目的基因整合到线粒体DNA或叶绿体DNA上，由于细胞分裂可能导致目的基因丢失，无法稳定遗传。

（2019·全国卷Ⅱ，38）几丁质是许多真菌细胞壁的重要成分，几丁质酶可催化几丁质水解。

通过基因工程将几丁质酶基因转入植物体内，可增强其抗真菌病的能力。

回答下列问题：

（1）在进行基因工程操作时，若要从植物体中提取几丁质酶的mRNA，常选用嫩叶而不选用老叶作为实验材料，原因是__________________________________。

提取RNA时，提取液中需添加RNA酶抑制剂，其目的是_________。

（2）以mRNA为材料可以获得cDNA，其原理是________________________。

（3）若要使目的基因在受体细胞中表达，需要通过质粒载体而不能直接将目的基因导入受体细胞，原因是____________________________________（答出两点即可）。

（4）当几丁质酶基因和质粒载体连接时，DNA连接酶催化形成的化学键是____________________________________。

（5）若获得的转基因植株（几丁质酶基因已经整合到植物的基因组中）抗真菌病的能力没有提高，根据中心法则分析，其可能的原因是

_______________________________。

答案　

（1）嫩叶中几丁质酶转录的mRNA较多　防止提取的mRNA被RNA酶分解　

（2）mRNA根据碱基互补配对原则逆转录为cDNA　（3）质粒载体中有启动子、终止子，便于目的基因的表达；质粒中有标记基因便于筛选；质粒中含有复制原点等　（4）磷酸二酯键　（5）几丁质酶基因没有转录或转录的mRNA没有翻译

1.蛋白质工程与基因工程的比较

项目

蛋白质工程

基因工程

实质

定向改造或生产人类所需蛋白质

定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品（基因的异体表达）

结果

生产自然界中没有的蛋白质

生产自然界中已有的蛋白质

联系

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，因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因修饰或基因合成实现

2.突破基因工程应用的5个易错点

（1）农杆菌转化法原理：

农杆菌在自然条件下易感染双子叶植物和裸子植物，并将其Ti质粒上的T－DNA转移并整合到受体细胞染色体DNA上。

（2）用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系一般称为“工程菌”，如含有人干扰素基因的酵母菌。

而青霉素是由人工诱变后的高产青霉菌产生的，不是通过基因工程改造的工程菌产生的。

（3）用基因工程生产的药品，从化学成分上分析都应该是蛋白质类。

（4）动物基因工程的实施主要是为了改善畜产品的品质，不是为了产生体型巨大的个体。

（5）并非所有个体都可作为乳腺生物反应器，制备乳腺生物反应器通常是针对雌性个体进行的操作。

考点三　PCR技术与DNA的粗提取与鉴定（5年3考）

1.PCR技术

（1）PCR原理：

DNA复制原理，即：

（2）PCR反应过程

过程

说明

图解

变性

当温度上升到90__℃以上时，双链DNA解聚为单链

复性

温度下降到50__℃左右，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合

延伸

72℃左右时，TaqDNA聚合酶有最大活性，可使DNA新链由5′端向3′端延伸

（3）结果：

上述三步反应完成后，一个DNA分子就变成了两个DNA分子，随着重复次数的增多，DNA分子就以2n的形式增加。

PCR的反应过程都是在PCR扩增仪中完成的。

2.DNA的粗提取与鉴定

（1）实验原理

（2）操作流程

（1）为什么加入蒸馏水能使鸡血细胞破裂？

提示　蒸馏水对于鸡血细胞来说是一种低渗液体，水分可以大量进入血细胞内，使血细胞破裂，再加上搅拌的机械作用，就加速了鸡血细胞的破裂（细胞膜和核膜的破裂），从而释放出DNA。

（2）若用植物细胞提取DNA需加入洗涤剂和食盐，其作用是什么？

提示　洗涤剂是一些离子去污剂，能溶解细胞膜，有利于DNA的释放；食盐的主要成分是NaCl，有利于DNA的溶解。

（3）为什么反复地溶解与析出DNA，能够去除杂质？

提示　用高盐浓度的溶液溶解DNA，能除去在高盐中不能溶解的杂质；用低盐浓度使DNA析出，能除去溶解在低盐溶液中的杂质。

因此，通过反复溶解与析出DNA，就能够除去与DNA溶解度不同的多种杂质。

（2019·全国卷Ⅲ，38）编码蛋白甲的DNA序列（序列甲）由A、B、C、D、E五个片段组