届高考生物一轮复习 第十一单元 现代生物科技专题 第35讲 基因工程及其安全性学案.docx

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届高考生物一轮复习第十一单元现代生物科技专题第35讲基因工程及其安全性学案

第35讲　基因工程及其安全性

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

　基因工程的操作工具

1．基因工程的概念理解

（1）供体：

提供目的基因。

（2）操作环境：

无菌。

（3）操作水平：

DNA分子水平。

（4）原理：

基因重组。

（5）受体：

表达目的基因。

（6）本质：

性状在受体生物体内表达。

（7）优点：

克服远缘杂交不亲和障碍，定向改造生物的遗传性状。

2．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分子的某种特定核苷酸序列，并使每条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。

（3）结果：

产生黏性末端或平末端。

3．DNA连接酶

（1）功能：

缝合被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。

（2）不同DNA连接酶的比较[连一连]

（选修3P6“寻根问底”改编）DNA连接酶和DNA聚合酶的作用相同吗？

试简要说明。

答案：

不相同。

DNA连接酶连接的是两个DNA片段，而DNA聚合酶连接的是单个的脱氧核苷酸。

4．载体

（1）常用载体：

质粒，其化学本质是独立于拟核之外的双链环状DNA分子。

（2）其他载体：

λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。

（3）特点及意义

特点

意义

稳定并能复制

目的基因稳定存在且数量可扩大

有一个至多个限制酶切割位点

可携带多个或多种外源基因

具有特殊的标记基因

便于重组DNA的鉴定和选择

限制性核酸内切酶MunⅠ和限制性核酸内切酶EcoRⅠ的识别序列及切割位点分别是

和

。

如图表示四种质粒和目的基因，其中箭头所指部位为限制性核酸内切酶的识别位点，质粒的阴影部分表示标记基因。

适于作为图示目的基因载体的质粒是哪一种？

并指明理由。

答案：

适合的质粒是①。

由图可知，质粒②上无标记基因，不适合作为载体；质粒③和④的标记基因上都有限制性核酸内切酶的识别位点，使用该酶后将会导致标记基因遭破坏，故均不宜选作载体。

考向1　限制性核酸内切酶、DNA连接酶等酶的作用

1．（2016·高考全国卷Ⅲ）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）。

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________________。

解析：

（1）由图（a）可知，尽管BamHⅠ和Sau3AⅠ两种限制酶的识别位点不相同，但两种酶切割后产生的DNA片段具有相同的黏性末端，故被BamHⅠ酶切后得到的目的基因可以与图（b）中表达载体被Sau3AⅠ酶切后的产物连接。

（2）运载体上的启动子和终止子具有调控目的基因表达的作用，由于甲和丙的目的基因分别插入在启动子的上游和终止子的下游，故这两个运载体上的目的基因都不能被转录和翻译。

（3）常见的DNA连接酶是E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶，但作用有所差别，T4DNA连接酶既能连接黏性末端，又能连接平末端，而E·coliDNA连接酶只能连接黏性末端。

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

（3）E·coliDNA连接酶　T4DNA连接酶　T4DNA连接酶

考向2　载体的作用和特点分析

2．（2016·高考全国卷Ⅰ）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________。

解析：

（1）质粒载体作为基因工程的工具，应具备的基本条件有：

具有一个或多个限制酶酶切位点、具有标记基因、能够在宿主细胞中复制表达等。

（2）由于未被转化的和仅含有环状目的基因的细胞，均不含氨苄青霉素抗性基因，因而在含有氨苄青霉素的培养基上都不能生长，所以是不能区分的；含有质粒载体和含有插入了目的基因的重组质粒的细胞，因二者都含氨苄青霉素抗性基因，在含有氨苄青霉素的培养基上都能生长，因此也是不能区分的。

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，还需使用含有四环素的固体培养基；因目的基因插入后，导致四环素抗性基因（Tetr）失活，含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌在该培养基中不能生长，而含有质粒载体的则能正常生长。

（3）噬菌体侵染细菌时，其进入细菌的DNA，利用细菌细胞中的物质合成子代噬菌体的DNA和蛋白质外壳。

据此推知：

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受体细胞。

答案：

（1）能自我复制、具有标记基因、具有一个至多个限制酶切割位点（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

载体上标记基因的标记原理

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，原理如图所示：

　基因工程的基本操作

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

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

项目

植物细胞

动物细胞

微生物细胞

常用方法

农杆菌转化法

显微注射法

转化法

受体细胞

体细胞或受精卵

受精卵

原核细胞

过程

将目的基因插入到Ti质粒的TDNA上→导入农杆菌→侵染植物细胞→整合到受体细胞的染色体DNA上→表达

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

4.目的基因的检测与鉴定

如图为抗虫棉的培育过程，请据图回答下列问题：

（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？

（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？

（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？

答案：

（1）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）采用的方法是农杆菌转化法。

由于Ti质粒上的TDNA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TDNA上，所以目的基因可以整合到受体细胞的染色体DNA上。

（3）抗原—抗体杂交法、用棉叶饲喂棉铃虫。

1．（2017·高考全国卷Ⅰ）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）人为真核生物，从人的基因组文库中获取的基因A含有内含子，基因A转录出的产物中有与内含子对应的RNA序列。

大肠杆菌为原核生物，没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制，因此以大肠杆菌作为受体细胞，不能切除内含子对应的RNA序列，无法表达出蛋白A。

（2）噬菌体和动物病毒均可作为基因工程的载体，但它们的宿主细胞不同。

题中受体为家蚕，是一种昆虫，因此，选择昆虫病毒作为载体；噬菌体的宿主是细菌，不适合作为该实验的载体。

（3）大肠杆菌具有繁殖快、容易培养、单细胞、遗传物质少等优点，因此，常作为基因工程的受体细胞。

（4）常用抗原—抗体杂交的方法检测目的基因是否表达，故能用于检测蛋白A的物质为蛋白A的抗体。

（5）艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验中，S型菌的DNA转移到了R型菌体内，其对基因工程理论的建立提供的启示是DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体。

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

2．农杆菌侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的TDNA插入植物基因组中。

图示为利用农杆菌培育转基因植物的基本流程，请据图回答下列问题：

（1）剪除Ti质粒的某些片段、替换复制原点O与添加抗生素的抗性基因T的过程①中，需用多种限制酶处理，原因是________________________________________________，

需用________“缝合”双链DNA片段的平末端。

（2）目的基因是指________________和一些具调控作用的因子。

由过程②形成的基因表达载体中，目的基因的首端具有________识别和结合的部位。

（3）过程③常用________处理使农杆菌成为感受态细胞。

抗生素抗性基因T的作用是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）在过程⑤⑥前，常采用________________技术检测农杆菌和愈伤组织细胞中是否含有目的基因。

答案：

（1）不同的限制酶识别并切割不同的碱基序列　T4DNA连接酶　

（2）编码蛋白质的基因　RNA聚合酶　（3）Ca2＋（CaCl2溶液）　用于检测受体细胞中是否含有基因表达载体　（4）DNA分子杂交

　基因工程的应用与蛋白质工程

1．动物基因工程与植物基因工程

（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。

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：

将腺苷酸脱氨酶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

3．蛋白质工程

（1）概念

（2）基本流程

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。

（3）结果：

改造了现有蛋白质或制造出新的蛋白质。

（4）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。

考向1　基因工程的应用分析

1．（2018·济宁曲阜一中模拟）利用动物乳腺生产产品的技术称为动物乳腺反应器技术。

青岛“崂山奶山羊乳腺生物反应器的研制”项目通过鉴定，该项目生产的药用蛋白具有表达效率高、成本低、安全性高、易于分离纯化的优点，可产生乙肝表面抗原及抗凝血酶Ⅲ等医药产品，造福人类健康。

下图为利用生物技术获得这一生物新品种和抗虫棉的过程，据图回答下列问题：

（1）在基因工程中，A表示________，如果直接从苏云金芽孢杆菌中获得抗虫基因，①过程使用的酶区别于其他酶的特点是__________________________________________，B表示________。

（2）在研究过程中，研究人员首先从相关基因组中获取了目的基因，并采用________技术对目的基因进行了扩增，然后将目的基因与质粒等载体组合形成了重组载体。

在重组载体的构建过程中需要的工具酶有__________________________________________________。

（3）基因表达载体的构建是基因工程的核心，一个完整的基因表达载体至少包括哪几部分？

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）将目的基因导入受体细胞的过程中，在③过程中一般是采用________________法，在②过程中一般采用________________。

（5）由于转基因表达产物存在于山羊的乳汁中，检测其体内是否出现药用蛋白，在分子水平上的检测方法及结果是什么？

_____________________________________________。

解析：

限制酶具有特异性，即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且在特定的位点上切割DNA分子。

经限制酶切割后露出黏性末端或平末端，而DNA连接酶则能把目的基因和运载体连接起来构成重组DNA。

一个完整的基因表达载体至少包括目的基因、启动子、终止子、标记基因等部分。

将目的基因导入受体细胞的过程中，受体细胞若是植物细胞可以用农杆菌转化法、花粉管通道法和基因枪法；若是动物细胞一般用显微注射技术。

目的基因的检测与鉴定的方法有四种，蛋白质的鉴定一般采用抗原—抗体检测。

答案：

（1）目的基因　一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且在特定的位点上切割DNA分子　重组DNA分子

（2）PCR（多聚酶链式反应）　限制酶、DNA连接酶

（3）目的基因、启动子、终止子、标记基因等

（4）农杆菌转化　显微注射技术

（5）从转基因羊的乳汁中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原—抗体杂交。

如果出现杂交带，表明奶羊中出现了抗原蛋白；如果不出现杂交带，表明奶羊中未出现抗原蛋白

考向2　蛋白质工程的概念和过程的辨析

2．（2015·高考全国卷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）（其他答案合理也可）

（2）P　P1　DNA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

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

　PCR技术和DNA粗提取与鉴定

1．PCR技术

（1）原理：

DNA双链复制。

（2）条件

（3）过程

2．DNA的粗提取与鉴定

（1）实验原理

①DNA与蛋白质在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同

项目

溶解规律

2mol/LNaCl溶液

0.14mol/LNaCl溶液

DNA

溶解

析出

蛋白质

NaCl溶液物质的量浓度从2mol/L逐渐降低的过程中，溶解度逐渐增大

部分发生盐析沉淀

溶解

②DNA不溶于酒精溶液，但是细胞中的某些蛋白质则溶于酒精，利用这一原理可将DNA与蛋白质进一步分离。

③DNA与二苯胺沸水浴加热，呈蓝色。

（2）操作流程

材料的选取：

选用DNA含量相对较高的生物组织

破碎细胞（以鸡血为例）：

去除杂质：

利用DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，通过控制NaCl溶液的浓度去除杂质

DNA的析出：

将处理后的溶液过滤，加入与滤液体积相等的、冷却的体积分数为95%的酒精溶液

DNA的鉴定：

在溶有DNA的溶液中加入二苯胺试剂，混合均匀后将试管置于沸水中加热5min，溶液变成蓝色

下图为“DNA粗提取和鉴定”实验的相关操作，请仔细观察并分析：

（1）操作①和④都是加入蒸馏水，其目的一样吗？

（2）操