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1、第十一單元 生物技術(shù)實踐 第41講 基因工程,考綱要求 (1)基因工程的誕生() (2)基因工程的原理及技術(shù)() (3)基因工程的應(yīng)用() (4)蛋白質(zhì)工程(),教材導(dǎo)學(xué) 一、基因工程的概念及基本工具,二、基因工程的基本操作程序,三、基因工程的應(yīng)用,四、蛋白質(zhì)工程,自我校對 一、DNA重組 體外DNA重組 轉(zhuǎn)基因 遺傳特性 生物類型 生物產(chǎn)品 限制酶(限制性核酸內(nèi)切酶) 某種特定核苷酸序列 特定部位的磷酸二酯鍵 黏性末端 平末端 DNA連接酶 磷酸二酯鍵 質(zhì)粒 小型雙鏈環(huán)狀DNA 限制酶 復(fù)制 遺傳標(biāo)記基因 噬菌體的衍生物 二、編碼蛋白質(zhì) PCR技術(shù) 啟動子 終止子 農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法 顯
2、微注射法 插入了目的基因 轉(zhuǎn)錄出了mRNA 三、抗病 抗逆 生長速度 品質(zhì) 藥物 器官移植 四、蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì) 氨基酸 脫氧核苷酸,考點突破 考點一 基因工程的基本工具 1.限制酶和DNA連接酶的關(guān)系 (1)限制酶和DNA連接酶的作用部位都是磷酸二酯鍵。 (2)限制酶不切割自身DNA的原因是原核生物中不存在該酶的識別序列或識別序列已經(jīng)被修飾。 (3)限制酶是一類酶，而不是一種酶。 (4)DNA連接酶起作用時，不需要模板。,(1)一般來說，天然載體往往不能滿足人類的所有要求，因此人們根據(jù)不同的目的和需要，對某些天然的載體進行人工改造。 (2)限制酶切割位點所處的位置必須是在所需的標(biāo)記
3、基因之外，這樣才能保證標(biāo)記基因的完整性，有利于對目的基因的檢測。,【注意】 (1)在切割目的基因和載體時要求用同一種限制酶，目的是產(chǎn)生相同的黏性末端。 (2)將一個基因從DNA分子上切割下來，需要切兩處，同時產(chǎn)生4個黏性末端。 (3)不同DNA分子用同一種限制酶切割產(chǎn)生的黏性末端都相同，同一個DNA分子用不同的限制酶切割，產(chǎn)生的黏性末端一般不相同。 (4)限制酶切割位點應(yīng)位于標(biāo)記基因之外，不能破壞標(biāo)記基因，以便進行檢測。,(5)基因工程中的載體與細胞膜上物質(zhì)運輸?shù)妮d體不同?；蚬こ讨械妮d體是DNA分子，能將目的基因?qū)胧荏w細胞內(nèi)；膜載體是蛋白質(zhì)，與細胞膜的通透性有關(guān)。 (6)基因工程中有3種工
4、具，但工具酶只有2種。,【例1】 一環(huán)狀DNA分子，設(shè)其長度 為1，已知某種限制性核酸內(nèi)切酶在該 分子上有3個酶切位點，如圖中A、B、 C三處。如果該DNA分子在3個酶切位 點上都被該酶切斷，則會產(chǎn)生0.2、0.3、 0.5三種不同長度的DNA片段?，F(xiàn)有多 個上述DNA分子，若在每個分子上至少有1個酶切位點被該酶切斷；則從理論上講，經(jīng)該酶切后，這些DNA分子最多能產(chǎn)生長度不同的線狀DNA的種類數(shù)是( ) A.4 B.8 C.6 D.7,【解析】 本題考查限制酶的作用，在此環(huán)狀DNA上可以切1-3個位點，切1個位點得到長度為1的片段，切2個位點可以得到長度為0.5、0.2、0.
5、8、0.3、0.7共5種片段，切3個位點可以得到0.2、0.3、0.5共3種長度的片段，總共能獲得6種不同的DNA片段。 【答案】 C,【例2】 (多選)(2014廣東)利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)羧酸酯酶(CarE)制劑的流程如圖所示，下列敘述正確的是( ),A.過程需使用逆轉(zhuǎn)錄酶 B.過程需使用解旋酶和PCR獲取目的基因 C.過程使用的感受態(tài)細胞可用NaCl溶液制備 D.過程可利用DNA分子雜交鑒定目的基因是否已導(dǎo)入受體細胞,【解析】 過程是以RNA為模板合成DNA的過程，即逆轉(zhuǎn)錄過程，需要逆轉(zhuǎn)錄酶的催化，故A項正確；過程表示利用PCR擴增目的基因，在PCR過程中，不需要解旋酶，是通過控制溫度來達
6、到解旋的目的，故B項錯；利用氯化鈣處理大腸桿菌，使之成為感受態(tài)細胞，故C項錯；檢測目的基因是否成功導(dǎo)入受體細胞的染色體DNA中，可以采用DNA分子雜交技術(shù)，故D項正確。 【答案】 AD,考點二 基因工程的基本操作程序 1.目的基因的獲取 (1)從基因文庫中獲取目的基因：如從基因組文庫或cDNA文庫中獲取。 (2)利用PCR技術(shù)擴增目的基因：利用DNA復(fù)制的原理在體外特異性的復(fù)制某DNA片段以獲得呈指數(shù)方式增加的目的基因。 (3)人工合成法：通過DNA合成儀用化學(xué)方法直接人工合成。,【例3】 如圖表示化學(xué)方法合成目的基因的過程。據(jù)圖分析下列敘述正確的是( ),A.過程需要DNA連接酶 B.過程需
7、要限制性核酸內(nèi)切酶 C.目的基因的堿基序列是已知的 D.若某質(zhì)粒能與目的基因重組，則該質(zhì)粒與的堿基序列相同,【解析】 DNA連接酶是將兩個DNA分子的黏性末端或平末端的“縫隙”連接起來，而過程是兩條鏈的堿基互補配對，不需要DNA連接酶，A項錯誤；限制性核酸內(nèi)切酶是用來切割DNA的，而過程不需要，B項錯誤；當(dāng)某質(zhì)粒與目的基因用限制酶切割后有互補的黏性末端，就可以形成重組DNA分子，D項錯誤。 【答案】 C,2.基因表達載體的構(gòu)建 (1)基因表達載體的組成，如圖所示。,(2)基因表達載體的構(gòu)建方法。,【注意】 (1)插入的目的基因的表達需要調(diào)控序列，因而用作載體的質(zhì)粒的插入基因部位之前需有啟動子，
8、之后需有終止子。 (2)一般情況下，用同一種限制酶切割質(zhì)粒和含有目的基因的片段，便于連接。但有時可用兩種限制酶分別切割質(zhì)粒和目的基因，這樣可避免質(zhì)粒和質(zhì)粒之間、目的基因和目的基因之間的連接。,(3)標(biāo)記基因的種類和作用：標(biāo)記基因的作用篩選、檢測目的基因是否導(dǎo)入受體細胞，常見的有抗生素抗性基因、發(fā)光基因(表達產(chǎn)物為帶顏色的物質(zhì))等。 (4)還應(yīng)注意的問題有：基因表達載體中，啟動子(DNA片段)起始密碼子(RNA)；終止子(DNA片段)終止密碼子(RNA)?；虮磉_載體的構(gòu)建是最核心、最關(guān)鍵的一步，在體外進行。,【例4】 如圖為基因表達載體模式圖，下列相關(guān)敘述正確的是( ),A.甲表示啟動子，位于
9、基因的首端，它是DNA聚合酶識別、結(jié)合的部位 B.乙表示終止密碼子，位于基因的尾端，作用是使轉(zhuǎn)錄過程停止 C.丙表示目的基因，其作用是獲得人們所需要的性狀 D.復(fù)制原點的存在有利于目的基因在宿主細胞中擴增,【解析】 甲表示啟動子，位于基因的首端，它是RNA聚合酶識別、結(jié)合的部位，A項錯誤；乙表示終止子，位于基因的尾端，作用是使轉(zhuǎn)錄過程停止，B項錯誤；丙表示標(biāo)記基因，其作用是鑒定受體細胞中是否含有目的基因，C項錯誤。 【答案】 D,4.目的基因的檢測和鑒定,【注意】 (1)基因工程操作過程中只有第三步(將目的基因?qū)胧荏w細胞)沒有發(fā)生堿基互補配對現(xiàn)象。 (2)原核生物作為受體細胞的優(yōu)點：繁殖快、
10、多為單細胞、遺傳物質(zhì)相對較少。 (3)轉(zhuǎn)化的實質(zhì)是目的基因整合到受體細胞染色體基因組中。,【例5】 目的基因?qū)胧荏w細胞后，是否可以穩(wěn)定維持和表達其遺傳特性，只有通過鑒定和檢測才能知道。下列屬于目的基因檢測和鑒定的是( ) 檢測受體細胞是否有目的基因 檢測受體細胞是否有致病基因 檢測目的基因是否轉(zhuǎn)錄出mRNA 檢測目的基因是否翻譯出蛋白質(zhì) A. B. C. D.,【解析】 目的基因的檢測包括：檢測轉(zhuǎn)基因生物的染色體DNA上是否插入了目的基因，方法是用DNA分子雜交技術(shù)，使DNA探針與基因組DNA雜交；檢測目的基因是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA，方法是用基因探針與mRNA雜交；檢測目的基因是否翻譯
11、出了蛋白質(zhì)，方法是進行抗原抗體雜交。 【答案】 C,【例6】 轉(zhuǎn)基因生物作為生物反應(yīng)器，用于生產(chǎn)人們所需要的藥用蛋白，如激素、抗體、疫苗、酶等。下圖是通過生物工程培育能產(chǎn)生人胰島素?zé)煵莸倪^程。請據(jù)圖回答：,(1)構(gòu)建表達載體的A過程中，需要用到的工具酶有______ __和________。 (2)D過程采用的方法是________。若把重組質(zhì)粒導(dǎo)入動物細胞，常采用的方法是________。 (3)E過程采用的技術(shù)主要包括________和________兩個階段。 (4)如果利用DNA分子雜交原理對再生植株進行檢測，F(xiàn)過程應(yīng)該用________作為探針。,【解析】 構(gòu)建表達載體的A過程中，需
12、要用到的工具酶有限制酶和DNA連接酶。重組質(zhì)粒導(dǎo)入不同生物的受體細胞方法不同，微生物常用Ca2+處理，植物細胞常用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，動物細胞常用顯微注射法。植物組織培養(yǎng)技術(shù)的核心是脫分化和再分化。如果利用DNA分子雜交原理對再生植株進行檢測，F(xiàn)過程應(yīng)該用放射性同位素標(biāo)記的胰島素基因作為探針，因為目的基因是胰島素基因。 【答案】 (1)限制酶 DNA連接酶 (2)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法 顯微注射法 (3)脫分化 再分化 (4)放射性同位素標(biāo)記的胰島素基因,【例7】 某種微生物合成的蛋白酶與人體消化液中的蛋白酶的結(jié)構(gòu)和功能很相似，只是其熱穩(wěn)定性較差，進入人體后容易失效?，F(xiàn)要將此酶開發(fā)成一種片劑，臨床治療食物消化
13、不良，最佳方案是( ) A.替換此酶中的少數(shù)氨基酸，以改善其功能 B.將此酶與人蛋白酶進行拼接，形成新的蛋白酶 C.重新設(shè)計與創(chuàng)造一種蛋白酶 D.減少此酶在片劑中的含量,【解析】 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)包括一級結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，一級結(jié)構(gòu)是指組成蛋白質(zhì)的氨基酸的種類、數(shù)量、排列順序，蛋白質(zhì)的功能是由一級結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)共同決定的，特別是空間結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)的功能關(guān)系更密切。要想使蛋白酶熱穩(wěn)定性有所提高，就要改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，此類問題一般是對蛋白質(zhì)中的個別氨基酸進行替換。 【答案】 A,【例8】 干擾素是動物體內(nèi)合成的一種蛋白質(zhì)，可以用于治療病毒感染和癌癥，但體外保存相當(dāng)困難，如果將其分子中的一個半胱氨酸變成絲氨酸
14、，就可以在-70 條件下保存半年，給廣大患者帶來了福音。 (1)蛋白質(zhì)的合成是受基因控制的，因此獲得能夠控制合成“可以保存的干擾素”的基因是生產(chǎn)的關(guān)鍵，依據(jù)蛋白質(zhì)工程原理，設(shè)計實驗流程，讓動物生產(chǎn)“可以保存的干擾素”：,(2)基因工程和蛋白質(zhì)工程相比較，基因工程在原則上只能生產(chǎn)________的蛋白質(zhì)，不一定符合________的需要。而蛋白質(zhì)工程是以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)及其與生物功能的關(guān)系為基礎(chǔ)，通過________或________，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進行________，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活需要。 (3)蛋白質(zhì)工程實施的難度很大，原因是蛋白質(zhì)具有十分復(fù)雜的________結(jié)
15、構(gòu)。,(4)對天然蛋白質(zhì)進行改造，應(yīng)該直接對蛋白質(zhì)分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？_________________ ____________。 原因是：______________________________________ ___________________。,【解析】 (1)蛋白質(zhì)工程的基本流程為：根據(jù)預(yù)期的蛋白質(zhì)功能，設(shè)計出預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，推測應(yīng)有的氨基酸序列，合成相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列。 (2)蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)是通過對基因改造或基因合成，制造自然界不存在的、符合人們生產(chǎn)和生活需要的蛋白質(zhì)。 (3)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，很難根據(jù)預(yù)期功能來預(yù)測出空間結(jié)構(gòu)。 (4)
16、基因控制蛋白質(zhì)的合成，對基因的改造相當(dāng)于間接改造了蛋白質(zhì)。,【答案】 (1)預(yù)期蛋白質(zhì)的功能 預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 應(yīng)有的氨基酸序列 相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因) (2)自然界已存在 人類生產(chǎn)和生活 基因修飾 基因合成 改造 (3)空間(或高級) (4)應(yīng)該通過對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)的改造 首先，任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因也就是改造了蛋白質(zhì)，并且改造過的蛋白質(zhì)可以通過改造過的基因遺傳給下一代。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳；其次，對基因進行改造比對蛋白質(zhì)直接進行改造要容易操作，難度要小得多,考點四 基因工程的應(yīng)用 1.乳腺生物反應(yīng)
17、器與工程菌生產(chǎn)藥物的比較 (1)概念： 乳腺生物反應(yīng)器是指將外源基因在哺乳動物的乳腺中特異表達，利用動物的乳腺組織生產(chǎn)藥物蛋白。 工程菌是指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達的菌類細胞株系。,【例9】 下列有關(guān)基因診斷和基因治療的敘述，正確的是 ( ) A.基因工程可以直接在細胞內(nèi)修復(fù)有問題的基因 B.用基因替換的方法可治療21-三體綜合征 C.基因治療就是把缺陷基因誘變成正?；?D.應(yīng)用基因探針可以檢測出苯丙酮尿癥,【解析】 有缺陷的基因不能在細胞內(nèi)進行修復(fù)；21三-體綜合征是染色體疾病，用基因替換沒有治療效果；基因治療是用正?；颉把谏w”缺陷基因；苯丙酮尿癥是基因突變引起的遺傳病，
18、可以通過基因探針檢測出來。 【答案】 D,【例10】 下列關(guān)于轉(zhuǎn)基因動物的描述，不正確的是( ) A.可將外源生長激素基因?qū)雱游锛毎麅?nèi)，提高動物的生長速率 B.可將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M，降低乳汁中乳糖的含量，進而改善畜產(chǎn)品的品質(zhì) C.可利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)制成乳腺生物反應(yīng)器，使哺乳動物的產(chǎn)奶量增加 D.可以利用轉(zhuǎn)基因動物作為器官移植的供體,【解析】 可利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)制成乳腺生物反應(yīng)器，使哺乳動物本身變成“批量生產(chǎn)藥物的工廠”，選項C錯誤。 【答案】 C,課堂練習(xí) 1.下圖是獲得抗蟲棉的技術(shù)流程示意圖?？敲顾乜剐曰?kanR)常作為標(biāo)記基因，只有含卡那霉素抗性基因的細胞才能在卡那霉素培養(yǎng)基
19、上生長。下列敘述正確的是( ),A.構(gòu)建重組質(zhì)粒過程中需要限制性內(nèi)切酶和DNA連接酶 B.愈傷組織的分化產(chǎn)生了不同基因型的植株 C.卡那霉素抗性基因(kanR)中有該過程所利用的限制性內(nèi)切酶的識別位點 D.抗蟲棉有性生殖后代能保持抗蟲性狀的穩(wěn)定遺傳,解析 質(zhì)粒與目的基因結(jié)合時需要用同一種限制性內(nèi)切酶切割，切出的黏性末端相同，可用DNA連接酶連接；愈傷組織由相同的細胞分裂形成，分化后產(chǎn)生相同基因型的植株；卡那霉素抗性基因作為標(biāo)記基因不能有限制性內(nèi)切酶的切割位點，標(biāo)記基因被切斷后就不能再表達，從而失去作用；抗蟲棉為雜合子，其有性生殖后代可能會發(fā)生性狀分離，抗蟲性狀不一定能穩(wěn)定遺傳。 答案 A,2.
20、有關(guān)基因工程的敘述正確的是( ) A.限制酶只在獲得目的基因時才用 B.重組質(zhì)粒的形成是在細胞內(nèi)完成的 C.質(zhì)粒都可作為運載體 D.蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)可為合成目的基因提供資料,解析 如果以質(zhì)粒為運載體，首先要用一定的限制酶切割質(zhì)粒，使質(zhì)粒出現(xiàn)一個切口，露出黏性末端，然后用同一種限制酶切割目的基因，使其產(chǎn)生相同的黏性末端，所以運載體的切割也要用到限制酶，重組質(zhì)粒的形成是在生物體外完成的。只有具有標(biāo)記基因的質(zhì)粒才能作為運載體。 答案 D,3.下圖是將人的生長激素基因?qū)爰毦鶧細胞內(nèi)，產(chǎn)生“工程菌”的示意圖。所用的載體為質(zhì)粒A。若已知細菌D細胞內(nèi)不含質(zhì)粒A，也不含質(zhì)粒A上的基因，質(zhì)粒A導(dǎo)入細菌后，其上的基
21、因能得到表達。能表明目的基因已與載體結(jié)合，并被導(dǎo)入受體細胞的結(jié)果是( ),A.在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基和含四環(huán)素的培養(yǎng)基上均能生長繁殖的細菌 B.在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基和含四環(huán)素的培養(yǎng)基上都不能生長繁殖的細菌 C.在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上能生長繁殖，但在含四環(huán)素的培養(yǎng)基上不能生長繁殖的細菌 D.在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上不能生長繁殖，但在含四環(huán)素的培養(yǎng)基上能生長繁殖的細菌,解析 由題圖可知，人生長激素基因插入質(zhì)粒后將四環(huán)素抗性基因破壞，該基因不再表達。因此，含有重組質(zhì)粒的受體細胞在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上能生長繁殖，但在含四環(huán)素的培養(yǎng)基上不能生長繁殖。 答案 C,4.下列關(guān)于基因表達載體構(gòu)建的相關(guān)敘
22、述，不正確的是 ( ) A.需要限制酶和DNA連接酶 B.必須在細胞內(nèi)進行 C.抗生素抗性基因可作為標(biāo)記基因 D.啟動子位于目的基因的首端,解析 基因表達載體的構(gòu)建是目的基因與載體結(jié)合，在此過程中需用同一種限制酶切割目的基因與載體，用DNA連接酶將相同的末端連接起來；基因表達載體的構(gòu)建是在細胞外進行的；基因表達載體包括啟動子、目的基因、終止子和標(biāo)記基因，其中啟動子位于目的基因首端使轉(zhuǎn)錄開始，終止子在目的基因之后。 答案 B,5.甲、乙兩圖表示從細菌細胞中獲取目的基因的兩種方法，以下說法中錯誤的是( ),A.甲方法可建立該細菌的基因組文庫 B.乙方法可建立該細菌的cDNA文庫 C.甲方法要以脫氧
23、核苷酸為原料 D.乙方法需要逆轉(zhuǎn)錄酶參與,解析 首先要知道甲圖描述的為該細菌的基因組文庫，只要利用DNA限制性核酸內(nèi)切酶將其原有的DNA切斷即可，不需要以脫氧核苷酸為原料。乙圖描述的為細菌的部分基因文庫。乙方法需要逆轉(zhuǎn)錄酶參與，并需要以脫氧核苷酸為原料。 答案 C,6.在某些深海魚中發(fā)現(xiàn)的抗凍蛋白基因afp 對提高農(nóng)作物的抗寒能力有較好的應(yīng)用價值。 下圖所示是獲得轉(zhuǎn)基因萵苣的技術(shù)流程，請 據(jù)圖回答下列問題： (1)獲取目的基因的主要途徑包括從自然界已 有的物種中分離和________。 (2)過程需要的酶有________、________。 (3)重組質(zhì)粒除了帶有抗凍蛋白基因afp以外， 還
24、必須含有啟動子、終止子和________，這 樣才能構(gòu)成一個完整的基因表達載體。,(4)如果受體細胞C1是土壤農(nóng)桿菌，則將目的基因?qū)胨哪康氖抢棉r(nóng)桿菌的________，使目的基因進入受體細胞C2，并將其插入到受體細胞C2中________上，使目的基因的遺傳特性得以穩(wěn)定維持和表達，形成轉(zhuǎn)基因萵苣。經(jīng)過程獲得的轉(zhuǎn)基因萵苣中的目的基因是否表達，在分子水平上可用________法進行檢測，如果出現(xiàn)雜交帶，說明目的基因已經(jīng)表達出蛋白質(zhì)產(chǎn)品，轉(zhuǎn)基因萵苣培育成功。,解析 (1)獲取目的基因的主要途徑有從自然界已有的物種中分離和人工合成。 (2)過程為基因表達載體的構(gòu)建過程，需要用到限制酶和DNA連接酶。 (3)一個完整的基因表達載體包括目的基因、啟動子、終止子和標(biāo)記基因。 (4)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法利用的是農(nóng)桿菌的轉(zhuǎn)化作用，將目的基因整合到受體細胞的染色體DNA上，進而使目的基因能夠穩(wěn)定遺傳和表達。檢測目的基因是否成功表達可采用抗原抗體雜交法。,答案 (1)(用逆轉(zhuǎn)錄等方法進行)人工合成 (2)限制酶 DNA連接酶 (3)標(biāo)記基因 (4)轉(zhuǎn)化作用 染色體DNA 抗原抗體雜交,
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