（b版，浙江选考专用）2019版高考生物总复习 专题29 基因工程课件

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1、专题29 基因工程,生物（浙江选考专用）,考点 基因工程 基础知识 一、基因工程的含义与工具 1.基因工程与遗传工程:基因工程是狭义的遗传工程。广义的遗传工程 泛指把一种生物的遗传物质(细胞核、染色体脱氧核糖核酸等)移到另 一种生物的细胞中去,并使这种遗传物质所带的遗传信息在受体细胞中 表达。 2.基因工程的核心是: 构建重组DNA分子 。,考点清单,3.基因工程的工具 (1)限制性核酸内切酶 a.来源:主要是从 微生物 (如细菌)中分离纯化出来的。 b.功能:识别并切开每条链中两个脱氧核苷酸之间的 磷酸二酯键 。 c.特点:具有专一性,表现在以下两个方面: 识别DNA分子中 某种特定的核苷酸

2、序列 ;使每一条链中特定位 点的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。 d.作用结果:产生 粘性末端 或平末端。,(2)DNA连接酶 功能:将末端碱基互补的2个DNA片段连接起来。 (3)载体 a.最常用的载体质粒 实质:是能够 自主复制 的双链环状DNA分子,是一种特殊的遗传 物质,在细菌中以独立于拟核之外的方式存在。 b.其他载体:噬菌体、植物病毒和动物病毒等。,二、基因工程的基本操作步骤 1.获得目的基因 (1)目的基因:人们所需要的基因。如:人的胰岛素基因、植物的抗病基 因等。 (2)获取方法 2.形成重组DNA分子 一般用 相同的 限制性核酸内切酶分别切割含有目的基因的供体 DNA分子和载

3、体(如质粒),使其产生相同的粘性末端(或平末端),然后用 DNA连接酶将两者连接在一起,形成重组DNA分子。,3.将重组DNA分子导入受体细胞 常用的受体细胞:大肠杆菌、枯草杆菌、 酵母菌 和动植物细胞 等。 4.筛选含有目的基因的受体细胞 (1)筛选原因:并不是所有的细胞都接纳了重组DNA分子。 (2)筛选方法举例:质粒上有抗生素如四环素的抗性基因,所以含有这种 重组质粒的受体细胞就能够在有四环素的培养基上生长,而没有接纳重 组质粒的细胞在这种培养基上不能生长,这样就能筛选出含有重组 DNA分子的受体细胞。 5.目的基因的表达 目的基因在 宿主细胞 中表达,产生人们需要的功能物质。,三、基因

4、工程与遗传育种 1.转基因植物 培育优点 2.转基因动物 (1)含义:转入了 外源基因 的动物。 (2)培育优点:省时、省力。,四、基因工程与疾病治疗 1.基因工程药物,2.基因治疗指的是向目标细胞中引入 正常功能 的基因,以 纠正或补偿 基因的缺陷,达到治疗的目的。 五、基因工程与生态环境保护 1.利用转基因植物生产聚羟基烷酯,用于合成可降解的新型塑料。 2.改造分解石油的细菌,提高其分解石油的能力。 3.利用转基因微生物吸收环境中的重金属、降解有毒化合物和处理工 业废水。,重点难点 一、基因工程的三大操作工具 1.限制性核酸内切酶 (1)限制性核酸内切酶(限制酶)的作用 限制酶切割时断开的

5、是DNA分子中的磷酸二酯键(即相邻脱氧核苷酸 间的键),而不是两条链之间的氢键。如图:,(2)限制性核酸内切酶具有专一性,表现在两个方面: 识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列。 切割特定序列中的特定位点。如图:,2.DNA连接酶 (1)DNA连接酶的作用 两个来源不同的DNA用相同的限制性核酸内切酶切割,形成相同的粘 性末端(或平末端)。DNA连接酶能催化磷酸与脱氧核糖之间化学键的 形成,将两个DNA末端的缝隙“缝合”起来。如图:,(2)几种易混淆酶的比较,3.载体的种类及作用 (1)载体应具备的特征 能在宿主细胞内稳定保存并大量复制。 有1个或多个限制性核酸内切酶切点,以便与外源基因连接。

6、 具有某些标记基因,以便进行筛选。 (2)载体的种类 细菌质粒,最常用大肠杆菌质粒。 噬菌体和某些动植物病毒。 一般来说天然的载体往往不能满足人们的所有要求,因此人们根据不同 目的和需求,对某些天然的载体进行人工改建。,(3)作用 一是用它作为运载工具,将目的基因送到宿主细胞中去;二是利用它在 宿主细胞内对目的基因进行大量复制。,例1 已知甲种农作物因受到乙种昆虫危害而减产,乙种昆虫食用某种 原核生物分泌的丙种蛋白质后死亡。因此,可将丙种蛋白质基因转入甲 种农作物体内,使甲种农作物获得抗乙种昆虫危害的能力。 回答下列问题: (1)为了获得丙种蛋白质的基因,在已知丙种蛋白质氨基酸序列的基础 上,

7、推测出丙种蛋白质的 序列,据此可利用 方法合成目的 基因。获得丙种蛋白质的基因还可用 和 法。 (2)在利用上述丙种蛋白质基因和质粒载体构建重组质粒的过程中,常 需要使用 酶和 酶。,(3)将含有重组质粒的农杆菌与甲种农作物的愈伤组织共同培养,筛选 出含有丙种蛋白质的愈伤组织,由该愈伤组织培养成的再生植株可抵抗 的危害。 (4)若用含有重组质粒的农杆菌直接感染甲种农作物植株叶片伤口,则 该植株的种子 (填“含有”或“不含”)丙种蛋白质基因。,解析 本题考查抗虫作物培育过程的相关知识。(1)获取目的基因的方 法主要有基因文库获取法、PCR技术扩增法和化学合成法三种。已知 丙种蛋白质氨基酸序列,可

8、通过推测丙种蛋白质的基因序列,然后利用 化学方法人工合成丙种蛋白质基因。(2)在构建重组质粒的过程中,需 要使用限制性核酸内切酶和DNA连接酶,前者能识别特定的核苷酸序 列,使每条链特定部位的核苷酸之间的磷酸二酯键断开,使其形成粘性 末端(或平末端),被喻为“分子手术刀”;后者能将两个带有相同粘性末 端(或平末端)的DNA片段连接起来,被称为“分子针线”。(3)将含有重 组质粒的农杆菌与甲种农作物的愈伤组织共同培养,可筛选出含有丙种,蛋白质的愈伤组织,而后培养出抗乙种昆虫的植株。(4)若只用重组质 粒感染甲种农作物叶片伤口,可在叶片组织中筛选出含丙种蛋白质的细 胞,由于该重组质粒感染的是体细胞

9、,故该植株的种子中不含有丙种蛋 白质基因。 答案 (1)基因 化学 基因文库获取法 PCR技术扩增(其他合理答 案也给分) (2)限制 DNA连接 (3)乙种昆虫 (4)不含,知能拓展 (1)用限制酶切割DNA分子时,破坏的是DNA链中的磷酸 二酯键。 (2)粘性末端是指双链DNA分子被限制酶切开后,切口处的两个末端伸 出的由若干特定核苷酸组成的单链。 (3)质粒是基因工程中最常用的载体。大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆 菌等细菌中都有质粒,质粒上面一般含几个到几百个基因,控制着细菌 的抗药性、固氮、抗生素合成等性状。由于土壤农杆菌很容易感染植 物细胞,使细胞生有瘤状物,所以科学家培育转基因植物时

10、,常常用土壤 农杆菌中的质粒作载体。 (4)细菌在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制,其限制性核 酸内切酶可以识别和切割DNA上的特定的碱基序列,降解外源DNA,而 其自身的DNA并不受该核酸内切酶的作用。,二、基因工程基本操作步骤 1.基因工程基本操作“五步曲” (1)获得目的基因 序列未知:建立一个包括目的基因在内的基因文库,再从基因文库中 获取。 序列已知:化学方法(如逆转录法)合成或者用PCR扩增目的基因。,PCR技术与DNA复制的比较,(2)形成重组DNA分子,一般采用同种限制性核酸内切酶切割质粒和目的基因,以获得相同的 粘性末端(或平末端),以利于形成重组DNA分子,但有时用

11、不同的限制 性核酸内切酶处理也可以获得相同的粘性末端(或平末端)。 目的基因的插入可能会破坏转基因生物原有基因的结构,影响转基因 生物的正常生长,甚至致死。,限制性核酸内切酶只识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列,对 RNA不起作用。 用DNA连接酶连接时,可形成3种不同的连接物:目的基因载体连接 物、载体载体连接物、目的基因目的基因连接物,导入受体细胞 后,可利用抗性基因的差异进行筛选。,(3)将重组DNA分子导入受体细胞,(4)筛选含有目的基因的受体细胞 原理:质粒上有抗生素抗性基因等标记基因。 方法:利用选择培养基筛选。 举例: 所有受体细胞 含四环素培养基 活的受体细胞 重组DNA分子

12、 (质粒上有四环素抗性基因) 含重组DNA分子的受体细胞 在实际应用中还有:,a.检测是否插入目的基因,利用DNA分子杂交技术,目的基因DNA一条 链(作探针)与受体细胞中提取的DNA杂交,看是否有杂交带。 b.检测是否转录出了mRNA,利用核酸分子杂交技术,目的基因DNA一 条链(作探针)与受体细胞中提取的mRNA杂交,看是否有杂交带。 (5)目的基因的表达:看到目的性状或分离到目的基因表达产物 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。 个体生物学水平的鉴定:如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。,2.有关基因工程操作易错分析 (1)基因文库

13、中的基因保存在受体菌中。 (2)原核生物繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少,有利于目的基 因的复制与表达,因此常采用大肠杆菌等原核生物作为受体细胞。 (3)植物细胞的全能性较高,可经植物组织培养过程成为完整植物体,因 此受体细胞可以是受精卵也可以是体细胞;动物基因工程中的受体细胞 一般是受精卵。 (4)操作工具有三种,但常用工具酶有两种,载体不是酶;在基因工程操作 步骤“获得目的基因”和“形成重组DNA分子”两个过程中通常用同 种限制酶,目的是产生相同的粘性末端(或平末端);DNA连接酶只在 “形成重组DNA分子”操作中用到。,(5)一般情况下,用同一种限制性核酸内切酶切割质粒和含有目的基因

14、 的DNA片段,但有时可用两种限制性核酸内切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。 (6)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。,例2 浙江大学农学院喻景权教授课题组研究发现,一种植物激素 油菜素内酯能促进农药在植物体内的降解和代谢。用油菜素内酯处理 后,许多参与农药降解的基因(如P450基因和红霉素抗性基因)表达和酶 活性都得到提高,在这些基因“指导”下合成的蛋白酶能把农药逐渐转 化为水溶性物质或低毒甚至无毒物质,有的则被直接排出体外。某课题 组进

15、一步进行了如下的实验操作,请回答下列问题。,(1)获得油菜素内酯合成酶基因的方法有 、 。步骤用PCR技术扩增基因时用到的耐高温酶通 常是指 ;步骤用到的酶有 。 (2)图中导入重组质粒的方法是 ,在导入之前应用 处 理受体细菌。,(3)导入重组质粒2以后,往往还需要进行检测和筛选,可用 制成探针,检测是否导入了重组基因,在培养基中加入 可 将含有目的基因的细胞筛选出来。 (4)请你为该课题命名: 。,解题思路 解析 进行基因工程操作时,首先要获取目的基因,其方法有多种:从基 因文库中获取、人工合成目的基因或PCR合成等。在构建基因表达载 体的过程中,用到的工具酶有限制酶和DNA连接酶。图中的

16、受体细胞 是细菌,故用转化法导入重组质粒,导入后,需检测和筛选。从图中可以 看出,最终是通过对照实验来检验转基因细菌对土壤中残留农药的分解 能力。,答案 (1)从基因文库中获取 人工合成目的基因或PCR合成 耐热的 DNA聚合酶 限制酶和DNA连接酶 (2)转化法 氯化钙溶液 (3)红霉素抗性基因 红霉素 (4)油菜素内酯能否促进土壤中农药的分解,三、基因诊断与基因治疗 1.基因诊断 (1)方法:DNA分子杂交法(即DNA探针法),该方法是根据碱基互补配对 原则,把互补的双链DNA解开,把单链的DNA小片段用同位素、荧光分 子或化学发光催化剂等进行标记,之后同被检测的DNA中的同源互补 序列杂交,从而检出所要查明的DNA或基因。 (2)步骤:抽取病人的组织或体液作为