高考生物选修3选修1复习讲义.docx

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高考生物选修3选修1复习讲义

第34讲　基因工程

[最新考纲]　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。

1.基因工程的基本工具

（1）限制性核酸内切酶（限制酶）

①来源：

主要从原核生物中分离纯化而来。

②作用：

识别特定的核苷酸序列并切开特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。

③结果：

产生黏性末端或平末端。

如下图所示，EcoRⅠ限制酶识别的碱基序列是GAATTC，切割位点在G和A之间；SmaⅠ限制酶识别的碱基序列是CCCGGG，切割位点在G和C之间；说明限制酶具有专一性。

（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

①常用载体——质粒

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。

（1）基因工程2种工具酶的化学本质分别是什么？

运载体的种类有哪些？

提示　限制酶、DNA连接酶其化学本质均为蛋白质。

运载体的种类有质粒（常用）、λ噬菌体衍生物、动植物病毒等。

（2）限制酶为何不切割自身DNA?

提示　限制酶具有特异性，即一种限制酶只能识别特定的碱基序列，并在特定的位点上进行切割；限制酶不切割自身DNA的原因是原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。

（3）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。

提示　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。

2.基因工程的基本操作程序

（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获取方法

（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

受体细胞种类不同，导入方法不同

生物种类

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

转化过程

将目的基因插入到Ti质粒的T－DNA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

将含有目的基因的表达载体提纯→取卵（受精卵）→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物

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

1.下列物质或过程哪一项不影响磷酸二酯键数目变化？

请逐项分析说明。

①RNA聚合酶、逆转录酶、Taq酶　②DNA聚合酶、DNA连接酶、DNA酶

　③遗传信息的翻译、PCR中DNA解链④cDNA文库的构建、基因突变过程

提示　③　RNA聚合酶、逆转录酶和Taq酶的作用都会导致磷酸二酯键的数量增加，DNA聚合酶和DNA连接酶的作用都会导致磷酸二酯键的数量增加，而DNA酶的作用会导致磷酸二酯键的数量减小，遗传信息的翻译会增加肽键的数目，PCR中DNA解链会减少氢键的数目，这两个过程都不会影响磷酸二酯键的数目，cDNA文库的构建需要使用逆转录酶，这会导致磷酸二酯键数目增加，基因突变是指基因中碱基对的增添、缺失和替换，其中增添和缺失会导致磷酸二酯键数目改变。

2.（教材P4“寻根问底”改编）根据你所掌握的知识，你能分析出限制酶存在于原核生物中的作用是什么吗？

提示　原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，但是，生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，以防止外来病原物的侵害。

限制酶就是细菌的一种防御性工具，当外源DNA侵入时，会利用限制酶将外源DNA切割掉，以保证自身的安全。

所以，限制酶在原核生物中主要起到切割外源DNA使之失效，从而达到保护自身的目的。

3.（教材P6“旁栏思考题”解答）想一想，具备什么条件才能充当“分子运输车”？

提示　能自我复制、有一个或多个切割位点、有标记基因及对受体细胞无害等。

1.（2016·全国课标卷Ⅰ，40）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于___________________________________________________________。

解析　

（1）作为运载体必须具备如下特点：

①能自主复制，从而在受体细胞中稳定保存；②含标记基因，以供重组DNA的鉴定和选择；③具1或多个限制酶切割位点以便外源DNA插入。

（2）在含有氨苄青霉素的培养基上，只有具有Ampr的大肠杆菌才能够生长。

而Ampr位于质粒上，故未被转化的和仅含环状目的基因的大肠杆菌细胞中无Ampr，故不能在培养基中生长，而仅含有质粒载体的和含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌均具有Ampr因而能在培养基中生长。

目的基因的插入破坏了质粒载体的Tetr，故含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌不能在含有四环素的平板上生长，从而与仅含有质粒载体的大肠杆菌得以区分。

（3）噬菌体是病毒，无细胞结构，无法自主合成DNA，需借助宿主细胞完成DNA复制。

答案　

（1）能自我复制、具有标记基因

（2）二者均不含有氨芐青霉素抗性基因，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）　二者均含有氨芐青霉素抗性基因，在该培养基上均能生长　四环素

（3）受体细胞

2.如图为农杆菌转化法示意图。

请回答以下问题：

（1）图中①过程用到的工具酶的特点是________________

（2）图中②过程用到的工具酶是____________，该过程是基因工程最核心的步骤，即____________。

（3）图中③过程，需使用________溶液处理农杆菌使其成为感受态。

（4）图中④过程的原理是____________。

（5）检测基因工程是否成功。

首先，应检测________________________________，这是目的基因能否在真核细胞内稳定遗传的关键；其次，利用____________法检测目的基因是否转录出相应的mRNA；最后，利用____________法检测目的基因是否翻译成蛋白质。

答案　

（1）能识别特定的脱氧核苷酸序列并且在特定位点切开DNA分子　

（2）DNA连接酶　基因表达载体的构建　（3）氯化钙　（4）植物细胞的全能性　（5）转基因生物的染色体上是否插入目的基因　分子杂交　抗原—抗体杂交

（1）诠释基因组文库与部分基因文库

基因文库类型

基因组文库

部分基因文库（cDNA文库）

构建基因文库的过程

（2）诠释PCR技术

①原理：

体外DNA复制

②需要条件：

模板DNA、引物、四种脱氧核苷酸、热稳定DNA聚合酶（Taq酶）

③过程：

DNA受热（90～95℃）变性解旋为单链、冷却（55～60℃）后RNA引物与单链相应互补序列结合，然后在DNA聚合酶作用下延伸（70～75℃）合成互补链。

（3）诠释基因表达载体

（4）农杆菌转化法原理

植物受损伤时伤口处分泌物可吸引农杆菌→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）

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）。

（3）比较基因治疗与基因诊断：

原理

操作过程

进展

基因治疗

基因表达

利用正常基因导入有基因缺陷的细胞中，以表达出正常性状来治疗（疾病）

临床实验

基因诊断

碱基互补配对

制作特定DNA探针与病人样品DNA混合，分析杂交带情况

临床应用

2.蛋白质工程

（1）概念理解

①基础：

蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。

②操作：

基因修饰或基因合成。

③结果：

改造了现有蛋白质或制造出新的蛋白质。

④目的：

根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计。

（2）操作过程

从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）→基因表达→产生需要的蛋白质。

其流程图如下：

1.蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？

提示　基因工程是遵循中心法则，从DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。

蛋白质工程是按照以下思路进行的：

确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列。

2.（教材P26旁栏思考题解答）对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？

提示　毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下：

（1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。

如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。

（2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。

1.（2015·全国卷Ⅱ，40）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，之后还需要对合成蛋白质的生物________进行鉴定。

答案　

（1）氨基酸序列（或结构）　

（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

2.科学工作者将抗虫毒蛋白基因通过载体转入棉花细胞，对抵抗棉铃虫有很好的作用。

请回答与该抗虫棉培育有关的问题。

（1）抗虫毒蛋白基因是从苏云金芽孢杆菌中获得的，获得该基因需要使用的酶是____________，该酶作用的化学键是________。

（2）将含有抗虫毒蛋白基因的基因表达载体导入棉花体细胞中的常用方法是____________；要将已经成功接收基因表达载体的棉花体细胞培育成一个新的植株需要用到的生物技术是________。

（3）在研制抗虫棉的过程中，利用标记基因可以快速检测基因表达载体是否导入棉花细胞，然而，即使基因表达载体已经导入棉花细胞，也不能确定转基因过程已经取得成功。

因此，在该项工程的最后阶段，需要做一系列检测。

例如，用放射性同位素标记的____________作探针，可以分别检测棉花细胞中是否有________；向棉花细胞的匀浆中加入特定的________，可以检测棉花细胞中是否能够产生抗虫毒蛋白。

（4）我国西北的一些地区年降雨量很小，只适宜种植少数的草本植物，但却被硬性规定种植转基因的抗虫棉，结果造成减产。

这个案例主要违背了生态工程的________原理。

答案　

（1）限制性核酸内切酶（限制酶）　磷酸二酯键　

（2）农杆菌转化法　植物组织培养　（3）含有目的基因的DNA片段　目的基因和由目的基因转录而来的mRNA　抗体　（4）协调与平衡

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

1.PCR技术

（1）PCR原理：

DNA复制原理，即：

（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解聚为单链

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）为什么加入蒸馏水能使鸡血细胞破裂？

提示　蒸馏水对于鸡血细胞来说是一种低渗液体，水分可以大量进入血细胞内，使血细胞破裂，再加上搅拌的机械作用，就加速了鸡血细胞的破裂（细胞膜和核膜的破裂），从而释放出DNA。

（2）若用植物细胞提取DNA需加入洗涤剂和食盐，其作用是什么？

提示　洗涤剂是一些离子去污剂，能溶解细胞膜，有利于DNA的释放；食盐的主要成分是NaCl，有利于DNA的溶解。

（3）为什么反复地溶解与析出DNA，能够去除杂质？

提示　用高盐浓度的溶液溶解DNA，能除去在高盐中不能溶解的杂质；用低盐浓度使DNA析出，能除去溶解在低盐溶液中的杂质。

因此，通过反复溶解与析出DNA，就能够除去与DNA溶解度不同的多种杂质。

1.（2015·广东卷，3）关于DNA的实验，叙述正确的是（　　）

A.用兔的成熟红细胞可提取DNA

B.PCR的每个循环一般依次经过变性—延伸—复性三步

C.DNA溶液与二苯胺试剂混合，沸水浴后生成蓝色产物

D.用甲基绿对人的口腔上皮细胞染色，细胞核呈绿色，细胞质呈红色

解析　DNA的粗提取和提纯，所用原料一般是鸡血或者菜花，不能使用哺乳动物成熟的红细胞，因为其中不含细胞核和细胞器，极难提取到DNA，A不正确；PCR又称多聚酶链式反应，每个循环包括高温变性－低温复性－中温延伸三个步骤，而且顺序不能颠倒，B错误；在沸水浴的条件下，DNA与二苯胺反应呈现蓝色，因此，二苯胺可以作为鉴定DNA的试剂，C正确；甲基绿染液只能染DNA成绿色，细胞核中含有大量DNA分子，故用甲基绿对人的口腔上皮细胞染色，细胞核呈绿色，用甲基绿无法对细胞质进行染色，D错误。

答案　C

2.PCR技术是分子生物学实验室里的一种常规手段，其原理是利用DNA的半保留复制，在试管中进行DNA的人工复制（如图所示），在很短的时间内，将DNA扩增几百万倍甚至几十亿倍，使实验室所需要的遗传物质不再受限于活的生物体。

（1）PCR的全称是________，94℃高温使DNA双链打开，这一步是打开________键，称为________。

而这一过程在细胞内是通过________酶实现的。

（2）当温度降低时，引物与模板________端结合，在________的作用下，引物沿模板延伸，此过程中原料是________，遵循的原则是________。

（3）PCR技术的必要条件除模板、原料、ATP、酶以外，至少还需要三个条件，即液体环境、适宜的________和________，前者由PCR仪自动调控，后者则靠________来维持。

（4）DNA的复制需要引物，其主要原因是________________________。

引物的实质是________，若将1个DNA分子拷贝10次，则需要在缓冲溶液中至少加入________个引物。

解析　打开DNA双链需破坏碱基对间的氢键；引物的游离端为5′端，即合成DNA时从新链的5′→3′端延伸，故引物需与模板的3′端结合；PCR所用液体环境需保障适宜的温度和pH，其pH可借助缓冲液维持；DNA复制不能从头开始，故必须提供引物。

在DNA分子扩增时，需要2种引物，由于新合成的链都需要引物作为复制的起点，故所需的引物数目等于新合成的DNA链的数目，即2×210－2＝211－2。

答案　

（1）多聚酶链式反应　氢　变性　解旋

（2）3′　热稳定DNA聚合酶　四种脱氧核苷酸　碱基互补配对

（3）温度　pH　缓冲液

（4）DNA的复制不能从头开始，DNA聚合酶只能从引物的3′端延伸DNA链　单链RNA或者单链DNA分子　211－2

1.生物体内DNA复制与PCR反应的区别

体内DNA复制

PCR反应

解旋

在解旋酶作用下，细胞提供能量，部分解开

加热至90℃，双链全部解开，不需要解旋酶

引物

一小段RNA

可以是RNA或单链DNA分子片段

合成子链

在引物基础上，一条链连续合成，另一条链不连续合成

分别从两条链的引物端开始，都是连续合成，控制温度72℃

特点

边解旋边复制，半保留复制

体外迅速扩增

TaqDNA聚合酶

不需要

需要

循环次数

受生物体自身控制

30多次

相同点

生物体内的DNA复制和PCR体外DNA扩增都需要模板、四种脱氧核苷酸，且都需要在一定的缓冲溶液中进行

2.DNA的粗提取与鉴定中的“234”

加蒸馏水2次

①加到鸡血细胞液中，使血细胞吸收水破裂；

②加到含DNA的2mol/L的NaCl溶液中，使NaCl溶液的物质的量浓度下降到0.14mol/L，使DNA析出

用纱布过滤3次

①过滤血细胞破裂液，得到含细胞核物质的滤液；

②滤取0.14mol/L的NaCl溶液中析出的DNA（黏稠物）；

③过滤溶有DNA的2mol/L的NaCl溶液

用NaCl溶液4次

①加2mol/L的NaCl溶液，溶解提取的细胞核物质；

②用0.14mol/L的NaCl溶液使DNA析出；

③用2mol/L的NaCl溶液，溶解滤取的DNA黏稠物；

④用2mol/L的NaCl溶液，溶解丝状物用于鉴定DNA

易错·防范清零

[易错清零]

易错点1　误认为目的基因的插入是“随机”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　混淆启动子与起始密码子，终止子与终止密码子，不明确标记基因的作用

点拨　启动子≠起始密码子，终止子≠终止密码子

（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　误认为切取目的基因与切取载体时“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。

易错点4　误认为基因工程可导致受体细胞或生物产生“新基因”或“新蛋白质”

点拨　基因工程的实质是“基因重组”，它是将外源基因导入受体细胞，使该基因在受体细胞中表达——由于“外源基因”是自然界已存在的“现成”基因，故基因工程并未产生新基因，由此目的基因表达时也未产生新蛋白质，基因工程只不过是让受体细胞（或生物）“实现了外源基因的表达”。

[规范答题]

下图表示培育“华恢1号”抗虫水稻的主要流程，据图回答下列问题：

（1）杀虫基因通过①～④过程，最终在宿主细胞内维持稳定和表达的过程叫做________。

（2）杀虫基因（crylA）是根据几种Bt毒蛋白的分子结构，设计并人工合成的，这属于________工程的技术范畴。

（3）组建理想的载体需要对天然的质粒进行改造。

下图是天然土壤农杆菌Ti质粒结构示意图（示部分基因及部分限制酶作用位点），据图回答下列问题：

①人工改造质粒时，要使抗虫基因能成功表达，还应插入________。

②人工改造质粒时，用限制酶________（填Ⅰ或Ⅱ）处理，其目的是：

第一，去除质粒上的____________（基因），保证T－DNA进入水稻细胞后不会促进细胞的分裂和生长；第二，使质粒带有单一限制酶作用位点，有利于________。

第三，使质粒大小合适，可以提高转化效率等。

（4）若限制