版生物高考新素养总复习中图版讲义第30讲 基因工程 Word版含答案.docx

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版生物高考新素养总复习中图版讲义第30讲基因工程Word版含答案

第30讲　基因工程

最新考纲

近三年考情

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

2018·全国卷Ⅰ（38）、2018·全国卷Ⅱ（38）、

2017·全国卷Ⅰ（37）、2017·全国卷Ⅱ（37）、

2017·全国卷Ⅲ（37）、2016·全国卷Ⅰ（40）、

2016·全国卷Ⅲ（40）

考点一　基因工程的基本工具及操作过程

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.（2018·全国卷Ⅰ，38）回答下列问题：

（1）博耶（H.Boyer）和科恩（S.Cohen）将非洲爪蟾核糖体蛋白基因与质粒重组后导入大肠杆菌细胞中进行了表达。

该研究除证明了质粒可以作为载体外，还证明了_____________________________________________________________________

______________________________________________________________________（答出两点即可）。

（2）体外重组的质粒可通过Ca2＋参与的________方法导入大肠杆菌细胞；而体外重组的噬菌体DNA通常需与________组装成完整噬菌体后，才能通过侵染的方法将重组的噬菌体DNA导入宿主细胞。

在细菌、心肌细胞、叶肉细胞中，可作为重组噬菌体宿主细胞的是________。

（3）真核生物基因（目的基因）在大肠杆菌细胞内表达时，表达出的蛋白质可能会被降解。

为防止蛋白质被降解，在实验中应选用________的大肠杆菌作为受体细胞，在蛋白质纯化的过程中应添加________的抑制剂。

解析　

（1）两位科学家将非洲爪蟾核糖体蛋白基因与质粒重组后导入大肠杆菌细胞中并进行了表达，因此，该研究可以证明：

质粒可以作为载体，真核细胞的基因在原核细胞中也可以表达（不同生物共用一套密码子）、体外重组的质粒可以进入受体细胞等。

（2）目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程称为转化，将质粒导入大肠杆菌时，常用的转化方法是：

首先用Ca2＋处理大肠杆菌细胞，使其成为感受态细胞。

噬菌体DNA没有侵染能力，体外重组的噬菌体DNA通常需与外壳蛋白组装成完整噬菌体才能完成侵染过程。

噬菌体多寄生在细菌中，但不能寄生在心肌细胞和叶肉细胞中。

（3）若要使蛋白质不被降解，则大肠杆菌体内不能存在蛋白酶，因此，实验中应选用蛋白酶缺陷型的大肠杆菌作为受体细胞。

同理，在蛋白质纯化过程中，也不能使蛋白质降解，因此，应添加蛋白酶抑制剂。

答案　

（1）体外重组的质粒可以进入受体细胞；真核生物基因可在原核细胞中表达　

（2）转化　外壳蛋白（或答噬菌体蛋白）　细菌　（3）蛋白酶缺陷型　蛋白酶

2.（2019·广东深圳调研）据报道，美国科研人员通过基因转移技术，从根本上治愈了实验小鼠所患的Ⅰ型糖尿病，这种技术把选定的X基因输入胰腺，这些基因随后得到整合并促使消化系统和其他类型的细胞制造胰岛素，请回答下列问题：

（1）在基因工程中，X基因称为________。

利用PCR技术扩增X基因时，需要在反应体系中添加的有机物质是________、________、4种脱氧核糖核苷酸和耐热性的DNA聚合酶，扩增过程在PCR扩增仪中完成。

（2）将X基因导入小鼠体内之前，需要操作的核心步骤是________________，此步骤最常用的运载工具是________，所需要的酶是限制酶和________。

（3）X基因的检测可从分子水平和个体水平两方面进行，在分子水平上通常采用________技术检测X基因是否导入受体细胞，在个体水平上应检测________________________。

解析　

（1）根据题意分析，研究人员通过基因转移技术，将选定的X基因输入胰腺，说明X基因是目的基因；利用PCR技术扩增目的基因时，需要在反应体系中添加的有机物质有引物、模板DNA、4种脱氧核糖核苷酸等，还需要耐热的DNA聚合酶。

（2）基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建，该过程常用的运载体是质粒，需要先用限制酶切割目的基因和质粒，然后用DNA连接酶将目的基因和质粒连接起来。

（3）在分子水平上检测X基因是否导入受体细胞，可以利用DNA分子杂交技术；根据题干信息可知，X基因导入胰腺细胞后，可以治愈实验小鼠所患的Ⅰ型糖尿病，因此在个体水平上检测X基因是否导入受体细胞，应该检测实验小鼠所患的Ⅰ型糖尿病是否被根治。

答案　

（1）目的基因　引物　模板DNA　

（2）基因表达载体的构建　质粒　DNA连接酶　（3）DNA分子杂交　实验小鼠所患的Ⅰ型糖尿病是否被根治

（1）基因组文库与cDNA文库的比较

文库类型

cDNA文库

基因组文库

构建基因文库的过程

文库大小

小

大

基因中启动子

无

有

基因中内含子

无

有

基因多少

某种生物的部分基因

某种生物的全部基因

物种间的基因交流

可以

部分基因可以

说明

基因文库的组建过程就应用了基因工程的基本操作步骤。

从基因文库中获取目的基因的优点是操作简便，缺点是工作量大，具有一定的盲目性

（2）农杆菌转化法原理

植物受损伤时伤口处分泌物（酚类化合物）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）。

（3）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

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

→

→

→

1.科学家将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中，然后，将受精卵送入母体内，使其生长发育成转基因动物。

转基因动物进入泌乳斯后，可以通过分泌的乳汁来生产所需要的药品，因而称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。

2.用于基因治疗的基因有三类。

第一类是从健康人体上分离得到的功能正常的基因，用以取代病变基因，或依靠其表达产物，来弥补病变基因带来的生理缺陷，如对血友病和地中海贫血病的治疗。

第二类是反义基因，即通过产生的mRNA分子，与病变基因产生的mRNA进行互补，来阻断非正常蛋白质合成。

第三类是编码可以杀死癌变细胞的蛋白酶基因，又叫做自杀基因。

1.（2018·海南卷，31）甜蛋白是一种高甜度的特殊蛋白质。

为了改善黄瓜的品质，科学家采用农杆菌转化法将一种甜蛋白基因成功导入黄瓜细胞，得到了转基因植株。

回答下列问题：

（1）用农杆菌感染时，应优先选用黄瓜　　　　（填“受伤的”或“完好的”）叶片与含重组质粒的农杆菌共培养，选用这种叶片的理由是___________________________________________________________________。

（2）若在转基因黄瓜中检测到这种甜蛋白，则表明该重组质粒中　　　　已转移到植物细胞中且能够表达；用该转基因黄瓜的某一植株与一株非转基因植株杂交，发现子代中含甜蛋白个体数与不含甜蛋白个体数之比为1∶1，则说明甜蛋白基因已经整合到　　　　（填“核基因组”“线粒体基因组”或“叶绿体基因组”）中。

（3）假设某种转基因作物因为受到病毒感染而减产，若要以该转基因作物为材料获得脱毒苗，应选用　　　　作为外植体进行组织培养。

（4）通常，基因工程操作主要有4个步骤，即目的基因获取、重组表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。

因此，基因工程的含义可概括为_____________________________________________________________

____________________________________________________________________。

解析　

（1）当植物体受到损伤时，伤口处的细胞会分泌大量的酚类化合物，吸引农杆菌移向这些细胞，因此用农杆菌感染时，优先选用黄瓜受伤的叶片。

（2）若在转基因黄瓜中检测到这种甜蛋白，说明目的基因——甜蛋白基因在受体细胞中已经完成表达；若甜蛋白基因整合到线粒体基因组或叶绿体基因组中，在遗传时遵循母系遗传，不会出现固定的分离比，所以子代中含甜蛋白个体数与不含甜蛋白个体数之比为1∶1，则说明甜蛋白基因已经整合到核基因组。

（4）基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，从而创造出符合人们需要的新生物类型和生物产品。

答案　

（1）受伤的　叶片伤口处的细胞释放出大量酚类物质，可吸引农杆菌移向这些细胞

（2）甜蛋白基因　核基因组　（3）茎尖　（4）按照人们的愿望进行设计，并通过体外重组和转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出符合人们需要的新生物类型

2.（2019·河南顶级名校联考）如图表示利用乳腺生物反应器生产某种动物蛋白的流程示意图，请分析回答下列问题：

（1）该生产流程中应用到的现代生物技术有　　　　、　　　　（写出其中两种）。

（2）图中A、B分别表示　　　　　　　　、　　　　　　　　。

（3）为提高培育成功率，进行②过程之前，对早期胚胎的处理是取其部分细胞用目的基因探针进行　　　　　　检测，对受体动物的处理是用　　　　　　进行同期发情处理。

（4）蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质，原理是_________________________________。

解析　

（1）据图分析，涉及的现代生物技术有蛋白质工程、基因工程、早期胚胎培养技术、胚胎移植技术等。

（2）蛋白质工程基本途径：

预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列（基因）；基因工程技术的基本步骤：

目的基因的获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定。

（3）胚胎移植之前，采用DNA分子杂交技术对早期胚胎进行基因检测或基因诊断，可提高培育成功率。

为提高胚胎移植成功率，该过程可用促性腺激素对受体动物进行同期发情处理。

（4）蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质，原因是改造后的基因能够遗传，且改造基因易于操作。

答案　

（1）蛋白质工程　基因工程（胚胎移植技术）（任写两种）

（2）推测应有的氨基酸序列　基因表达载体

（3）DNA（核酸）分子杂交　促性腺激素

（4）改造后的基因能够遗传，改造基因易于操作

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

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

　　　考点三　PCR技术与DNA的粗提取与鉴定

1.PCR技术

（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解旋为单链

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.（2018·经典高考）为生产具有特定性能的α－淀粉酶，研究人员从某种海洋细菌中克隆了α－淀粉酶基因（1656个碱基对），利用基因工程大量制备α－淀粉酶，实验流程如图。

请回答下列问题：

（1）利用PCR技术扩增α－淀粉酶基因前，需先获得细菌的_____________________________________________________________________。

（2）为了便于扩增的DNA片段与表达载体连接，需在引物的　　　　端加上限制性酶切位点，且常在两条引物上设计加入不同的限制性酶切位点，主要目的是_____________________________________________________________________

____________________________________________________________________。

（3）进行扩增时，反应的温度和时间需根据具体情况进行设定，下列选项中　　　　的设定与引物有关，　　　　的设定与扩增片段的长度有关。

（填序号）

①变性温度　②退火温度　③延伸温度　④变性时间　⑤退火时间　⑥延伸时间

（4）如图表示筛选获得的工程菌中编码α－淀粉酶的mRNA的部分碱基序列：

5′－

U……－3′

图中虚线框内mRNA片段包含　　　　个密码子，如虚线框后的序列未知，预测虚线框后的第一个密码子最多有　　　　种。

（5）获得工程菌表达的α－淀粉酶后，为探究影响酶活性的因素，以浓度为1%的可溶性淀粉为底物测定酶活性，结果如表所示：

缓冲液

50（mmol·L－1）

Na2HPO4－KH2PO4

50（mmol·L－1）

Tris－HCl

50（mmol·L－1）

Gly－NaOH

pH

6.0

6.5

7.0

7.5

7.5

8.0

8.5

9.0

9.0

9.5

10.0

10.5

酶相对活性%

25.4

40.2

49.8

63.2

70.1

95.5

99.5

85.3

68.1

63.7

41.5

20.8

根据上述实验结果，初步判断该α－淀粉酶活性最高的条件为__________________________________________________________________。

解析　

（1）利用PCR技术扩增α－淀粉酶基因前，需先获得细菌的基因组DNA。

（2）构建重组DNA分子时，需用限制性核酸内切酶处理目的基因和载体，故需要在引物的5′端添加限制性酶切位点，且常在两条引物上设计添加不同的限制性酶切位点，这样可以使DNA片段按照一定方向插入表达载体，防止目的基因或载体自身的黏性末端之间相互连接以及目的基因与载体反向连接。

（3）利用PCR技术进行扩增时，退火温度的设定是成败的关键，退火温度过高会使引物无法与模板的碱基配对，所以退火温度的设定与引物有关；延伸时间的设定与扩增片段的长度有关。

（4）密码子由mRNA上相邻的3个碱基组成，所以该片段的24个碱基包含8个密码子。

该片段后面的第一个碱基为U，所以后面的密码子最多可能有4×4＝16（种），根据题干信息及题中给出的mRNA序列可知，虚线框后第一个密码子不可能是终止密码子，所以实际最多有13种密码子。

（5）由表格数据可知，该α－淀粉酶活性最高的条件是pH为8.5，缓冲液为50mmol/LTris－HCl。

答案　

（1）基因组DNA　

（2）5′　使DNA片段能定向插入表达载体，减少自连　（3）②　⑥　（4）8　13　（5）pH为8.5，缓冲液为50mmoL/LTris－HCl

2.（2019·汉中市质检）回答下列有关PCR过程的问题：

（1）PCR的每次循环可以分为　　　　三步。

假设在PCR反应中，只有一个DNA片段作为模板，请计算在5次循环后，反应物中大约有　　　　个这样的DNA片段。

（2）请用简图表示出一个DNA片段在PCR反应中第二轮的产物。

（3）简述PCR技术的主要应用（要求3项以上）。

__________________________________________________________________。

解析　

（1）DNA复制时两条链均作为模板，进行半保留复制，所以复制5次后得到的子代DNA分子数为25＝32。

（2）新合成的DNA链带有引物，而最初的模板DNA的两条链不带有引物。

（3）PCR技术可以对DNA分子进行扩增，所以可用于遗传疾病的诊断、刑侦破案、古生物学、基因克隆和DNA序列测定等方面。

答案　

（1）变性、复性和延伸　32　

（2）如图所示

（3）遗传疾病的诊断、刑侦破案、古生物学、基因克隆和DNA序列测定（其中3项即可）

澄清易错易混·强化科学思维

[易错易混]

易错点1　目的基因的插入不是“随意”的

点拨　目的基因的插入位点不是随意的：

基因表达需要启动子与终止子的调控，所以目的基因应插入到启动子与终止子之间的部位，若目的基因插入到启动子内部，启动子将失去原功能。

易错点2　启动子≠起始密码子，终止子≠终止密码子，对标记基因的作用不明确

点拨　

（1）启动子：

一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端。

它是RNA聚合酶识别、结合的部位。

（2）终止子：

一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的尾端。

作用是使转录过程停止。

（3）起始密码子和终止密码子位于mRNA上，分别控制翻译过程的启动和终止。

（4）标记基因：

一般为抗生素抗性基因或荧光基因等，其作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因（目的基因是否导入成功），从而将含目的基因的细胞筛选出来。

易错点3　切取目的基因与切取载体时并非“只能”使用“同一种酶”

点拨　

（1）在获取目的基因和切割载体时通常用同种限制酶，以获得相同的黏性末端。

但如果用两种不同限制酶切割后形成的黏性末端相同时，在DNA连接酶的作用下目的基因与载体也可以连接起来。

（2）为了防止载体或目的基因的黏性末端自己连接即所谓“环化”，可用不同的限制酶分别处理目的基因和载体，使目的基因两侧及载体上具有两个不同的黏性末端。

[规范答题]

下表中列出了几种限制性核酸内切酶识别序列及其切割位点，图1、图2中箭头表示相关限制性核酸内切酶的酶切位点。

请回答下列问题：

限制酶

BamHⅠ

HindⅢ

EcoRⅠ

SmaⅠ

识别序列

及切割位点

（1）组建理想的载体需要对天然的质粒进行改造，人工改造质粒时，要使目的基因能成功表达，还应插入　　　　。

若对图中质粒进行改造，插入的SmaⅠ酶切位点越多，质粒的热稳定性越低还是越高？

_________________________________。

（2）用图中的质粒和外源DNA构建重组质粒，能否使用SmaⅠ切割？

为什么？

____________________________________________________________________。

（3）构建重组质粒时能否使用BamHⅠ和HindⅢ两种限制酶同时处理质粒、外源DNA？

　　，理由是___________________________________________________

___________________________________________________________________。

（4）重组质粒中抗生素抗性基因的作用是为了_____________________________。

答卷采样

错因分析

考虑问题不全面，没有认真分析题中的图示质粒。

正确答案：

启动子和终止子

思维定势，理解错误，误认为构建重组质粒时只能使用同一种限制酶切割。

正确答案：

能，可以阻止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化

随堂·真题&预测

1.（2017·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_______________________

_________________________________________________________________。

解析　

（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