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1、选修三选修三 现代生物科技专题现代生物科技专题专题一专题一 基因工程基因工程考考 纲纲 下下 载载1.基基因工程的诞生因工程的诞生2.基因工程的原理及技术基因工程的原理及技术3.基因工程的应用基因工程的应用4.蛋白质工程蛋白质工程实验：实验：DNA的粗提取与鉴定的粗提取与鉴定热热 点点 提提 示示1.基基因工程的因工程的实质2.基因工程操作的四步曲及其操作基因工程操作的四步曲及其操作实例例3.基因工程在基因工程在农业、医、医药生生产、疾病、疾病诊断和治断和治疗中的中的应用用4.蛋白蛋白质工程的一般操作工程的一般操作过程程答案：答案： DNA重重组组体外体外DNA重组重组转基因转基因遗传特性遗传
2、特性生生物类型物类型生物产品生物产品限制酶限制酶(限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶)某种特定核苷某种特定核苷酸序列酸序列特定部位的磷酸二酯键特定部位的磷酸二酯键 黏性末端黏性末端 平末端平末端 答案：答案： DNA连连接接酶 磷酸二磷酸二酯键 质粒粒 小型小型双双链环状状DNA 限制限制酶 复制并复制并稳定保存定保存 标记基基因因 噬菌体的衍生物噬菌体的衍生物议一议：议一议：限制酶主要存在于原核生物中，它有什么意义？限制酶主要存在于原核生物中，它有什么意义？答案：答案：限制酶在原核生物中主要是切割外源限制酶在原核生物中主要是切割外源DNA，使之失效，使之失效，从而达到保护自己的目的。从而达到保
3、护自己的目的。答案：答案： 编编码蛋白蛋白质 PCR技技术 启启动子子 终止子止子答案：答案： 农杆菌转化法农杆菌转化法 显微注射法显微注射法 插入了目的基因插入了目的基因 转录出了转录出了mRNA 将目的基将目的基因导入受因导入受体细胞体细胞（转化）（转化）想一想：想一想：什么叫基因文库？建立基因文库有什么意义什么叫基因文库？建立基因文库有什么意义？答案：答案：将含有某种生物不同基因的许多将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，片段，导入受体细菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这导入受体细菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因，称为基因文库。建立基因文库，种生物的不同基因，称为
4、基因文库。建立基因文库，便于随时获取目的基因。便于随时获取目的基因。看一看看一看：某研究小组在利用基因工程改造棉花时，发某研究小组在利用基因工程改造棉花时，发现转入的目的基因始终不表达，其原因可能是什么？现转入的目的基因始终不表达，其原因可能是什么？ 答案：答案：构建基因表达载体时，可能没有加入启动子。构建基因表达载体时，可能没有加入启动子。 抗抗病病抗逆抗逆生长速度生长速度品质品质药物药物器官移植器官移植 想一想：想一想：基因治疗是针对什么样的病进行的？基因治疗是针对什么样的病进行的？答案：答案：基因治疗一般针对很难用一般药物进行治疗的由基因异常基因治疗一般针对很难用一般药物进行治疗的由基因
5、异常引起的引起的 遗传病。遗传病。答案：答案： 蛋蛋白白质 蛋白蛋白质 氨基酸氨基酸 脱氧核苷脱氧核苷酸酸1与与DNA分子相关的酶分子相关的酶(1)几种酶的比较几种酶的比较 种类种类项目项目限制酶限制酶DNA连连接酶接酶DNA聚合酶聚合酶解旋酶解旋酶作用底作用底物物DNA分子分子DNA分子分子片段片段脱氧核苷酸脱氧核苷酸DNA分子分子作用部作用部位位磷酸二磷酸二酯键酯键磷酸二磷酸二酯键酯键磷酸二磷酸二酯键酯键碱基对间碱基对间的氢键的氢键作用特作用特点点切割目的基因及载体，切割目的基因及载体，能专一性识别双链能专一性识别双链DNA分子的某种特定分子的某种特定的核苷酸序列，并且的核苷酸序列，并且使
6、每一条链中特定部使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开的磷酸二酯键断开将双链将双链DNA片片段段“缝合缝合”起来，恢复起来，恢复被限制酶切被限制酶切开了的两个开了的两个核苷酸之间核苷酸之间的磷酸二酯的磷酸二酯键键只能将单个脱只能将单个脱氧核苷酸添氧核苷酸添加到脱氧核加到脱氧核苷酸链上苷酸链上将将DNA两条链之两条链之间的氢键间的氢键打开打开作用结作用结果果形成黏性末端或平末端形成黏性末端或平末端形成重组形成重组DNA分子分子形成新的形成新的DNA分子分子形成单链形成单链DNA分子分子(2)限制限制酶与与DNA连接接酶的关系的关系限限制制酶酶不不切切割割自自身身D
7、NA的的原原因因是是：原原核核生生物物中中不不存存在在该该酶酶的的识识别序列或识别序列已经被修饰。别序列或识别序列已经被修饰。DNA连接酶起作用时不需要模板。连接酶起作用时不需要模板。2载体载体(1)作用作用作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞内。作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞内。利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。(2)具备的条件具备的条件能在宿主细胞内稳定保存并大量复制。能在宿主细胞内稳定保存并大量复制。有多个限制酶切割位点，以便与外源基因连接。有多个限制酶切割位点，以便与外源基因连接。具有特殊的标记基因，以便进行筛选。具有特殊的标
8、记基因，以便进行筛选。(3)种种类质粒粒：一一种种祼祼露露的的、结构构简单、独独立立于于细菌菌拟核核DNA之之外外，能能够自我复制的很小的双自我复制的很小的双链环状状DNA分子。分子。噬菌体的衍生物。噬菌体的衍生物。动植物病毒。植物病毒。特特别别提提醒醒：一一般般来来说说，天天然然载载体体往往往往不不能能满满足足人人类类的的所所有有要要求求，因因此此人人们们根根据据不不同同的的目目的的和和需需要要，对对某某些些天天然然的的载载体体进行人工改造。进行人工改造。限限制制酶酶切切割割位位点点所所处处的的位位置置必必须须是是在在所所需需的的标标记记基基因因之之外外，这样才能保证标记基因的完整性，有利于
9、对目的基因的检测。这样才能保证标记基因的完整性，有利于对目的基因的检测。1下下列列有有关关基基因因工工程程中中限限制制性性内内切切酶的的描描述述，错误的的是是()A一一种种限限制制性性内内切切酶只只能能识别一一种种特特定定的的脱脱氧氧核核苷苷酸酸序列序列B限制性内切限制性内切酶的活性受温度影响的活性受温度影响C限制性内切限制性内切酶能能识别和切割和切割RNAD限制性内切限制性内切酶可从原核生物中提取可从原核生物中提取解解析析：考考查查基基因因工工程程中中工工具具酶酶的的有有关关知知识识。大大部部分分酶酶的的化化学学成成分分是是蛋蛋白白质质，少少数数酶酶的的化化学学成成分分是是RNA。酶酶的的活
10、活性性受受到到温温度度和和pH的的影影响响；限限制制性性内内切切酶酶的的特特点点是是能能识识别别双双链链DNA中中特特定定的的核核苷苷酸酸序序列列，可可在在特特定定的的位位点点进进行行切切割割；限限制性内切酶主要是从原核生物体内分离出来的。制性内切酶主要是从原核生物体内分离出来的。答案：答案：C2(2010潍坊模拟潍坊模拟)质质粒作粒作为“分子运分子运输车”的条件是的条件是()能能够自自我我复复制制双双链环状状DNA分分子子有有多多个个限限制制酶切点切点有有标记基因基因真核真核细胞中没有胞中没有A BC D解解析析：载载体体具具备备的的条条件件是是：能能自自我我复复制制；有有标标记记基基因因；
11、最最好好有有多多个个限限制制酶酶切切点点；能能在在宿宿主主细细胞胞内内稳稳定定存存在在并并大大量量复复制。制。答案：答案：C基因工程技术生产凝乳酶的过程基因工程技术生产凝乳酶的过程1基因工程的操作程序分析基因工程的操作程序分析(1)目的基因的获取途径目的基因的获取途径从从自自然然界界中中已已有有的的物物种种中中分分离离出出来来，如如从从基基因因组组文文库库或或cDNA文库中获取。文库中获取。人工合成目的基因人工合成目的基因常用的方法有反转录法和化学合成法。常用的方法有反转录法和化学合成法。利用利用PCR技术扩增目的基因技术扩增目的基因通通过过PCR技技术术可可对对已已获获取取的的目目的的基基因
12、因进进行行扩扩增增，以以获获取取大量的目的基因。大量的目的基因。特特别别提提醒醒：插插入入的的目目的的基基因因的的表表达达需需要要调调控控序序列列，因因而而用用作作载载体体的的质质粒粒的的插插入入基基因因部部位位之之前前需需有有启启动动子子，之之后后需需有有终终止止子。子。两次使用的限制酶为同一种酶，这样形成的黏性末端碱基两次使用的限制酶为同一种酶，这样形成的黏性末端碱基之间互补，便于连接。之间互补，便于连接。(2)基因表达载体的构建基因表达载体的构建(3)将目的基因导入受体细胞转化将目的基因导入受体细胞转化生物种类生物种类植物细胞植物细胞动物细胞动物细胞微生物细胞微生物细胞常用方法常用方法农
13、杆菌转化法农杆菌转化法显微注射技术显微注射技术Ca2处理法处理法受体细胞受体细胞体细胞体细胞卵裂卵裂原核细胞原核细胞转化过程转化过程将目的基因插入将目的基因插入Ti质粒的质粒的T-DNA上上农农杆菌杆菌导入植导入植物细胞物细胞整合整合到受体细胞的到受体细胞的DNA上上表表达达将含有目的基将含有目的基因的表达载因的表达载体提纯体提纯取取卵卵(卵裂卵裂)显微注射显微注射卵裂发育卵裂发育获得具有新获得具有新性状的动物性状的动物Ca2处理细胞处理细胞感感受态细胞受态细胞重组重组表达载体表达载体DNA分分子与感受态细胞子与感受态细胞混合混合感受态细感受态细胞吸收胞吸收DNA分子分子(4)目的基因的检测与
14、鉴定目的基因的检测与鉴定类型类型检测内容检测内容方法方法结果显示结果显示分子分子检检测测导入导入检检测测目的基因是否进入受体目的基因是否进入受体细胞细胞DNA分子杂交分子杂交(DNA和和DNA之间之间)杂交带杂交带转录转录检测检测目的基因是否转录出目的基因是否转录出mRNA分子杂交分子杂交(DNA和和mRNA之间之间)杂交带杂交带翻译翻译检测检测目的基因是否翻译成蛋目的基因是否翻译成蛋白质白质抗原抗原抗体杂交抗体杂交杂交带杂交带个体水个体水平检测平检测包括做抗虫、抗病的接种实验，以确定是否有抗性以及抗包括做抗虫、抗病的接种实验，以确定是否有抗性以及抗性的程度；对基因工程产品与天然产品的功能进行
15、活性性的程度；对基因工程产品与天然产品的功能进行活性比较，以确定功能活性是否相同比较，以确定功能活性是否相同2. 基因工程与蛋白质工程的比较基因工程与蛋白质工程的比较 项目项目区别区别 与联系与联系 蛋白质工程蛋白质工程基因工程基因工程区区别别过程过程预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计预期设计预期的蛋白质结构的蛋白质结构推测应推测应有的氨基酸序列有的氨基酸序列找到找到相对应的脱氧核苷酸序相对应的脱氧核苷酸序列列获取目的基因获取目的基因构建基因表构建基因表达载体达载体将目的基因导入将目的基因导入受体细胞受体细胞目的基因的检目的基因的检测与鉴定测与鉴定实质实质定向改造或生产人类所需的定向改造或生产人
16、类所需的蛋白质蛋白质定向改造生物的遗传特性，定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类以获得人类所需的生物类型或生物产品型或生物产品结果结果可生产自然界没有的蛋白质可生产自然界没有的蛋白质只能生产自然界已有的蛋白只能生产自然界已有的蛋白质质联系联系(1)蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程因工程(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、改造饰、改造3(2010南南通通调调研研)下下列列关关于于基基因因表表达达载体体构构建建的的相相关关叙叙述述，不正确的是不正确的
17、是()A需要限制需要限制酶和和DNA连接接酶B必必须在在细胞内胞内进行行C抗生素抗性基因可作抗生素抗性基因可作为标记基因基因D启启动子位于目的基因的首端子位于目的基因的首端解解析析：基基因因表表达达载载体体是是目目的的基基因因与与载载体体的的结结合合，在在此此过过程程中中需需用用同同一一种种限限制制酶酶切切割割目目的的基基因因与与载载体体，用用DNA连连接接酶酶将将相相同同的的末末端端连连接接起起来来；基基因因表表达达载载体体的的构构建建是是在在细细胞胞外外进进行行的的；基基因因表表达达载载体体包包括括启启动动子子(位位于于基基因因首首端端使使转转录录开开始始)、终终止止子、目的基因和标记基因
18、。子、目的基因和标记基因。答案：答案：B4(2010南南京京调调研研)下下列列关关于于蛋蛋白白质工工程程的的说法法，正确的是正确的是()A蛋蛋白白质工工程程是是在在分分子子水水平平上上对蛋蛋白白质分分子子直直接接进行操作行操作B蛋蛋白白质工工程程能能生生产出出自自然然界界中中不不曾曾存存在在过的的新型蛋白新型蛋白质分子分子C对蛋蛋白白质的的改改造造是是通通过直直接接改改造造相相应的的mRNA来来实现的的D蛋蛋白白质工工程程的的流流程程和和天天然然蛋蛋白白质合合成成的的过程程是相同的是相同的解解析析：蛋蛋白白质质工工程程通通过过对对基基因因改改造造实实现现对对蛋蛋白白质质的改造；蛋白质工程可生产
19、自然界中没有的蛋白质。的改造；蛋白质工程可生产自然界中没有的蛋白质。答案：答案：B【例例1】(2009江苏高考江苏高考)苏苏云金杆菌云金杆菌(Bt)能能产生具有生具有杀虫能虫能力的毒素蛋白。下力的毒素蛋白。下图是是转Bt毒素蛋白基因植物的培育毒素蛋白基因植物的培育过程示程示意意图(ampr为抗氨抗氨苄青霉素基因青霉素基因)，据，据图回答下列回答下列问题。(1)将将图中中的的DNA用用Hind、BamH完完全全酶切切后后，反反应管管中有中有_种种DNA片段。片段。(2)图中中表表示示Hind与与BamH酶切切、DNA连接接酶连接接的的过程程，此此过程程可可获得得_种种重重组质粒粒；如如果果换用用
20、Bst与与BamH酶切切，目目的的基基因因与与质粒粒连接接后后可可获得得_种种重重组质粒。粒。(3)目的基因插入目的基因插入质粒后，不能影响粒后，不能影响质粒的粒的_。(4)图中中的的Ti质粒粒调控控合合成成的的vir蛋蛋白白，可可以以协助助带有有目目的的基基因因的的T-DNA导入入植植物物细胞胞，并并防防止止植植物物细胞胞中中_对T-DNA的降解。的降解。(5)已已知知转基基因因植植物物中中毒毒素素蛋蛋白白只只结合合某某些些昆昆虫虫肠上上皮皮细胞胞表表面面的的特特异异受受体体，使使细胞胞膜膜穿穿孔孔，肠细胞胞裂裂解解，昆昆虫虫死死亡亡。而而该毒毒素素蛋蛋白白对人人类的的风险相相对较小小，原原
21、因因是是人人类肠上上皮皮细胞胞_。(6)生生产上上常常将将上上述述转基基因因作作物物与与非非转基基因因作作物物混混合合播播种种，其目的是降低害虫种群中的其目的是降低害虫种群中的_基因基因频率的增率的增长速率。速率。思路点拨：思路点拨：本题考查基因工程的相关知识。本题考查基因工程的相关知识。(1)由于上述两种由于上述两种酶形成的末端不一样，所以被两种不同的限制酶切割之后所酶形成的末端不一样，所以被两种不同的限制酶切割之后所形成的片段有形成的片段有AA、AB、BA、BB四种切法形成的四种片段。四种切法形成的四种片段。(A表示表示Hind，B表示表示BamH)(2)同时被两种限制酶切割有同时被两种限
22、制酶切割有两种不同的目的基因，即两种不同的目的基因，即AB和和BA，所以重组质粒有两种。，所以重组质粒有两种。Bst与与BamH酶切割的末端一样，同时用这两种限制酶切割酶切割的末端一样，同时用这两种限制酶切割只能形成一种目的基因，所以只能形成一种重组质粒。只能形成一种目的基因，所以只能形成一种重组质粒。(3)质质粒要进行复制才能更多地表达出产物，所以重组之后要能复粒要进行复制才能更多地表达出产物，所以重组之后要能复制。制。(4)酶酶具具有有专专一一性性，对对TDNA的的降降解解酶酶为为DNA水水解解酶酶。(5)生生物物的的细细胞胞表表面面的的受受体体具具有有特特异异性性，人人类类肠肠上上皮皮细
23、细胞胞没没有有昆昆虫虫肠肠上上皮皮细细胞胞表表面面的的特特异异受受体体，所所以以该该毒毒素素蛋蛋白白对对人人类类的的风风险险相相对对较较小小。(6)自自然然选选择择是是普普遍遍存存在在的的，纯纯种种种种植植自自然然选选择择会会使使害害虫虫抗抗性性基基因因频频率率快快速速增增长长。所所以以混混合合种种植植可可降降低低害害虫虫的抗性基因频率的增长速率。的抗性基因频率的增长速率。答案：答案：(1)4(2)21(3)复复制制(4)DNA水解水解酶(5)表面无相表面无相应的特异性受体的特异性受体(6)抗性抗性【例例2】(2009广广东东高高考考)(1)饲饲料料加加工工过程程温温度度较高高，要要求求植植酸
24、酸酶具具有有较好好的的高高温温稳定定性性。利利用用蛋蛋白白质工工程程技技术对其其进行行改改造造时，首首先先必必须了了解解植植酸酸酶的的_，然然后后改改变植植酸酸酶的的_，从而得到新的植酸，从而得到新的植酸酶。(2)培培育育转植植酸酸酶基基因因的的大大豆豆，可可提提高高其其作作为饲料料原原料料时磷磷的的利利用用率率。将将植植酸酸酶基基因因导入入大大豆豆细胞胞常常用用的的方方法法是是_。请简述述获得得转基因植株的完整基因植株的完整过程。程。(3)为了了提提高高猪猪对饲料料中中磷磷的的利利用用率率，科科学学家家将将带有有植植酸酸酶基基因因的的重重组质粒粒通通过_转入入猪猪的的卵卵裂裂中中。该卵卵裂裂
25、培培养养至至一一定定时期期后后可可通通过_方方法法，从从而而一一次次得得到到多多个个转基基因因猪个体。猪个体。(4)若若这些些转基基因因动、植植物物进入入生生态环境境中中，对生生态环境境有有何何影响？影响？思路点拨：思路点拨：(1)蛋白质工程的原理是从预期的蛋白质的功能出蛋白质工程的原理是从预期的蛋白质的功能出发推测出蛋白质的结构，从而推测出相应的氨基酸序列，再发推测出蛋白质的结构，从而推测出相应的氨基酸序列，再对基因进行改造从而得到新的蛋白质，而不能直接改造蛋白对基因进行改造从而得到新的蛋白质，而不能直接改造蛋白质，因为它不能遗传。质，因为它不能遗传。(2)基因导入植物细胞常用的方法叫农基因
26、导入植物细胞常用的方法叫农杆菌转化法。转基因植株培育的完整过程必须包含四个步骤，杆菌转化法。转基因植株培育的完整过程必须包含四个步骤，即基因工程的四个操作步骤。即基因工程的四个操作步骤。(3)导入动物细胞的方法叫显微导入动物细胞的方法叫显微注射法，想得到多个具有相同遗传物质的个体的方法是胚胎注射法，想得到多个具有相同遗传物质的个体的方法是胚胎分割移植。分割移植。(4)转基因生物进入生态环境，对生态环境的影响转基因生物进入生态环境，对生态环境的影响应从正反两方面评价，只要答案合理就可以。应从正反两方面评价，只要答案合理就可以。答案：答案：(1)空空间结构氨基酸序列构氨基酸序列(2)农杆杆菌菌转化化法法外外源源植植酸酸酶基基因因农杆杆菌菌大大豆豆细胞胞大豆植株再生大豆植株再生鉴定定(3)显微注射法胚胎分割移植微注射法胚胎分割移植(4)减少减少环境中磷的境中磷的污染，但基因可能染，但基因可能扩散到散到环境中。境中。
