通用版高考生物二轮复习专题七现代生物科技第1讲基因工程和细胞工程教案.docx

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通用版高考生物二轮复习专题七现代生物科技第1讲基因工程和细胞工程教案

第1讲　基因工程和细胞工程

[考纲要求]　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.植物的组织培养（Ⅱ）。

6.动物细胞培养与体细胞克隆（Ⅱ）。

7.细胞融合与单克隆抗体（Ⅱ）。

8.实验：

DNA的粗提取与鉴定。

1．基因工程

（1）基因工程的3种基本工具

①限制性核酸内切酶：

识别特定核苷酸序列，并在特定位点上切割DNA分子。

②DNA连接酶：

a.E·coliDNA连接酶只能连接黏性末端；b.T4DNA连接酶能连接黏性末端和平末端。

③载体：

需具备的条件包括：

a.能在宿主细胞内稳定存在并大量复制；b.有一个至多个限制酶切割位点；c.具有特殊的标记基因，以便对含目的基因的受体细胞进行筛选。

（2）获取目的基因的途径：

①从基因文库中获取；②利用PCR技术扩增；③化学方法直接人工合成。

（3）基因表达载体的组成：

启动子、目的基因、终止子及标记基因等。

（4）将目的基因导入受体细胞

①植物：

体细胞或受精卵——常用农杆菌转化法（双子叶植物和裸子植物）、花粉管通道法、基因枪法（单子叶植物）。

②动物：

受精卵——显微注射技术。

③微生物：

细菌（常用大肠杆菌）——感受态细胞法（钙离子处理法）。

（5）目的基因的检测与鉴定方法

①检测目的基因是否插入转基因生物的DNA上：

DNA分子杂交技术。

②检测目的基因是否转录出mRNA：

分子杂交技术。

③检测目的基因是否翻译成蛋白质：

抗原—抗体杂交技术。

④个体生物学水平鉴定：

根据表达性状判断。

易混辨析

①限制酶≠DNA酶≠解旋酶

限制酶的作用是识别双链DNA分子上某种特定的核苷酸序列，并使两条链在特定的位置断开；DNA酶的作用是将DNA水解为基本组成单位；解旋酶的作用是将DNA两条链间的氢键打开形成两条单链。

②DNA连接酶≠DNA聚合酶

DNA连接酶能连接两个DNA片段，而DNA聚合酶只能将单个脱氧核苷酸添加到脱氧核苷酸链上。

③启动子（DNA片段）≠起始密码子（位于mRNA上）；

终止子（DNA片段）≠终止密码子（位于mRNA上）。

2．细胞工程

（1）植物组织培养

①培养基的组成：

大量元素、微量元素、有机物、蔗糖及植物激素、琼脂等。

添加蔗糖的目的是提供营养和调节渗透压。

②若生产人工种子，则培养到胚状体阶段；若提取细胞产物，则一般培养到愈伤组织阶段；若培育新个体，则应培养到试管苗阶段。

（2）植物体细胞杂交的关键

①酶解法——用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。

②促融剂——常用聚乙二醇。

③杂种细胞的形成标志——新细胞壁的形成。

④培养杂种植株的技术——植物组织培养。

⑤杂种植株培育成功的原理——离体的植物细胞具有全能性。

（3）动物细胞培养中两次使用胰蛋白酶的作用不同

第一次：

处理剪碎的组织，使其分散成单个细胞；

第二次：

使贴壁生长的细胞从瓶壁上脱落下来。

（4）原代培养与传代培养的区别

区分原代培养和传代培养的关键是是否分瓶培养。

细胞贴壁生长到一定程度需要用胰蛋白酶处理，然后再分瓶培养，让细胞继续增殖，这样的培养过程通常称为传代培养。

（5）克隆动物时选择受体细胞为去核卵母细胞的原因

①营养丰富；②体积大，易操作；③含有激发细胞核全能性表达的物质。

1．借助抗生素抗性基因可将含胰岛素基因的受体细胞筛选出来（　　）

2．启动子和终止密码子均在胰岛素基因的转录中起作用（　　）

3．转基因抗虫棉植株抗虫效果的鉴定必须通过分子检测（　　）

4．重组质粒与探针能进行分子杂交是因为DNA分子脱氧核糖和磷酸交替连接（　　）

5．细胞核移植主要在同种动物、同种组织的细胞之间进行（　　）

6．乳腺细胞比乳腺癌细胞更容易进行离体培养（　　）

7．PEG是促细胞融合剂，可直接诱导植物细胞融合（　　）

8．用原生质体制备人工种子，要防止细胞破裂（　　）

答案　1.√　2.×　3.×　4.×　5.×　6.×　7.×　8×

1．基因表达载体的构建过程中，使用两种识别序列不同的限制酶切割目的基因和质粒的目的是避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接。

2．核移植获得的克隆动物与提供细胞核的亲本性状可能不同的三个原因：

卵母细胞的细胞质中含有少量的遗传物质；发育过程中可能发生基因突变或染色体变异；外界环境可能引起不遗传的变异。

考点一　基因工程

1．真核生物的cDNA文库与基因组文库

文库类型

cDNA文库

基因组文库

基因中启动子和内含子

无

有

文库大小

小

大

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

2.PCR技术扩增

（1）原理：

DNA双链复制。

（2）条件：

模板DNA、引物、游离的dNTP（dCTP、dATP、dGTP、dTTP）、热稳定DNA聚合酶。

（3）过程

3．限制酶的选择方法

（1）选择的限制酶的切点不能位于目的基因内部，也不能位于标记基因内部，否则会破坏目的基因或标记基因，上图中不能选择SmaⅠ。

（2）应选择切点位于目的基因两端的限制酶，同时质粒上也有其切点，如上图中可选择PstⅠ。

（3）为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接，也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒，如上图也可选择用PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶。

4.蛋白质工程

5．DNA的粗提取与鉴定

考向一　基因工程的基本流程分析

1．（2019·甘肃张掖质检）请回答下列有关基因工程及其应用的问题：

（1）多种限制酶、__________________及逆转录酶的发现为DNA的切割、连接以及功能基因的获得创造了条件。

（2）基因工程的核心步骤是________________________________________________________；

重组Ti质粒载体结构中T－DNA的作用是___________________________________________

_______________________________________________________________________________。

（3）科学家设法使烟草细胞形成微创伤，受伤部位细胞产生的乙酰丁香酮可吸引农杆菌向受伤部位集中，这时农杆菌可携带某种目的基因进入烟草细胞。

获得的转基因烟草细胞通过__________________________技术最终获得转基因烟草，检测转基因生物的DNA上是否插入了目的基因的方法是__________________________。

（4）利用__________________处理植物体细胞可得到原生质体，将目的基因导入原生质体的方法中，除题（3）所述方法外，还可采用______________________。

答案　

（1）DNA连接酶　

（2）构建基因表达载体　携带目的基因进入植物细胞并整合到植物细胞中染色体的DNA上　（3）植物组织培养　DNA分子杂交技术　（4）纤维素酶和果胶酶　基因枪法

解析　

（1）切割目的基因需要用限制酶，利用反转录法获得目的基因需要用到逆转录酶，而将目的基因与载体相连需要用到DNA连接酶。

（2）基因工程的核心步骤是构建基因表达载体；重组Ti质粒载体结构中T－DNA为可转移DNA，可以携带目的基因进入植物细胞并整合到植物细胞中染色体的DNA上。

（3）将获得的转基因烟草细胞最终培养成转基因烟草需要用到植物组织培养技术；检测转基因生物的DNA上是否插入了目的基因，可以采用DNA分子杂交技术。

（4）植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，因此利用纤维素酶和果胶酶处理植物体细胞可得到原生质体；将目的基因导入原生质体的方法中，除了农杆菌转化法，还有基因枪法。

2．（2019·全国Ⅰ，38）基因工程中可以通过PCR技术扩增目的基因。

回答下列问题：

（1）基因工程中所用的目的基因可以人工合成，也可以从基因文库中获得。

基因文库包括____________________和______________。

（2）生物体细胞内的DNA复制开始时，解开DNA双链的酶是____________。

在体外利用PCR技术扩增目的基因时，使反应体系中的模板DNA解链为单链的条件是________________。

上述两个解链过程的共同点是破坏了DNA双链分子中的________。

（3）目前在PCR反应中使用Taq酶而不使用大肠杆菌DNA聚合酶的主要原因是________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________。

答案　

（1）基因组文库　cDNA文库　

（2）解旋酶　加热至90～95℃　氢键　（3）Taq酶热稳定性高，而大肠杆菌DNA聚合酶在高温下会失活

解析　

（1）基因文库包括基因组文库和cDNA文库。

（2）生物体细胞内DNA复制开始时是利用解旋酶进行解旋的，而在体外利用PCR技术扩增目的基因时，则是通过加热至90～95℃进行解旋的，二者都破坏了DNA双链分子中的氢键。

（3）在PCR反应中，要加热至90～95℃，所以使用热稳定性高的Taq酶，而不使用在高温下会失活的大肠杆菌DNA聚合酶。

考向二　基因工程的实践应用分析

3．（2019·广东珠海一模）α－抗胰蛋白酶可以治疗肺气肿等疾病。

下图是科学家培育含人α－抗胰蛋白酶基因（mAAT）的转基因山羊的流程图，请据图回答下列相关问题：

获取mAAT基因→构建基因表达载体→显微注射导入山羊受精卵→形成胚胎→将胚胎移入受体母羊→发育成转基因山羊

（1）利用PCR技术对mAAT基因进行扩增，前提是要有一段以mAAT基因的核苷酸序列为模板合成的____________________。

扩增过程中，该物质与DNA模板链的3′端结合，理由是________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________。

（2）目的基因可以直接从生物体分离得到，也可以通过人工合成获取。

请推测由mRNA反转录合成mAAT基因的大致过程：

_____________________________________________________

_____________________________________________________________（用文字和箭头表述）。

（3）构建基因表达载体的目的是_____________________________________________________

_______________________________________________________________________________。

为了使mAAT基因只在山羊乳腺细胞中表达，需要在构建表达载体时在mAAT基因前端加上在乳腺细胞中特异性表达的__________，同时还需要有标记基因，其作用是________________

____________________。

（4）胚胎移植中，应选择有________________________的个体作为受体母羊，并对受体母羊进行同期发情处理。

答案　

（1）引物　DNA合成只能从3′端延伸

（2）mRNA

DNA、RNA杂交双链→单链DNA

mAAT基因

（3）使目的基因在受体细胞中稳定存在并可遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用　启动子　为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来　（4）健康体质和正常繁殖能力

解析　

（1）利用PCR技术对mAAT基因进行扩增，前提是要有一段以mAAT基因的核苷酸序列为模板合成的引物。

由于DNA合成时只能从3′端延伸，因此扩增过程中，该物质应与DNA模板链的3′端结合。

（2）由mRNA反转录合成mAAT基因的大致过程：

mRNA

DNA、RNA杂交双链→单链DNA

mAAT基因。

（3）构建基因表达载体的目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在并可遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。

启动子是转录过程中RNA聚合酶的识别位点，为了使mAAT基因只在山羊乳腺细胞中表达，需要在构建表达载体时在mAAT基因前端加上在乳腺细胞中特异性表达的启动子；标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。

（4）胚胎移植中，应选择有健康体质和正常繁殖能力的个体作为受体母羊，并对受体母羊进行同期发情处理。

4．（2019·山东烟台模拟）用基因工程技术生产羧酸酯酶（CarE）制剂的流程如下图所示。

据图回答下列问题：

（1）①过程所需的酶是________________。

在构建基因表达载体过程中，构建的重组质粒上启动子的本质和作用分别是_________________________________________________________。

（2）实现②过程常用PCR技术，该技术的前提是要有___________________________________，以便合成引物。

（3）过程③将基因表达载体导入大肠杆菌时，首先用Ca2＋处理大肠杆菌，目的是_____________

_______________________________________________________________________________。

然后将________________溶于缓冲液中与该大肠杆菌混合，在一定温度下完成转化。

答案　

（1）逆转录酶　启动子的本质是一段有特殊结构的DNA片段；作用是供RNA聚合酶的识别、结合以驱动目的基因的转录　

（2）一段已知目的基因的核苷酸序列（3）使大肠杆菌处于能吸收周围环境中DNA分子的生理状态　重组表达载体DNA分子（或重组质粒）

解析　

（1）题图中过程①表示利用mRNA通过反转录法合成相应的DNA的过程，需要逆转录酶的催化；基因表达载体的组成包括目的基因、标记基因、启动子、终止子等，其中启动子的本质是一段有特殊结构的DNA片段，其作用是供RNA聚合酶的识别、结合以驱动目的基因的转录。

（2）利用PCR技术扩增目的基因的前提是要有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便合成引物。

（3）在将目的基因导入大肠杆菌时，需要先用Ca2＋处理大肠杆菌，使得大肠杆菌处于能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，然后将重组质粒溶于缓冲液中与该大肠杆菌混合，在一定温度下完成转化。

考向三　蛋白质工程及DNA的粗提取与鉴定过程分析

5．（2019·宝鸡期中）干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子中的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可以在－70℃条件下保存半年，给广大患者带来了福音。

蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是新型干扰素生产的关键，依据以上技术原理，回答下列问题：

（1）图中所示流程属于____________工程的范畴。

A是___________，B是__________________。

（2）基因工程在原则上只能生产__________的蛋白质，而该工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过__________或__________，对现有蛋白质进行改造，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，之后还需要对蛋白质的生物活性进行鉴定。

从而制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需要。

（3）蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的__________结构。

（4）对天然蛋白质进行改造，应该直接通过对__________（填“蛋白质分子”或“基因”）的操作来实现。

答案　

（1）蛋白质　预期的蛋白质功能　应有的氨基酸序列　

（2）自然界已存在　基因修饰　基因合成　功能（3）空间（或高级）　（4）基因

解析　

（1）题图所示流程属于蛋白质工程范畴。

流程中的A是预期的蛋白质功能，B是应有的氨基酸序列。

（2）基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，而该工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得功能基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物活性进行鉴定。

从而制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。

（3）蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的空间（或高级）结构。

（4）对天然蛋白质进行改造，应该直接通过对基因的操作来实现。

6．（2019·柳州质检）如图为鸡血细胞中DNA的粗提取和鉴定实验过程中的部分操作示意图，请据图分析，回答下列问题：

（1）图示操作的正确顺序是____________________（用图中序号与箭头表示）。

（2）在提取过程中使用不同浓度的NaCl溶液的目的是__________________________________

_______________________________________________________________________________。

（3）步骤A的目的是________________________，其依据原理是________________。

（4）滴加__________试剂，__________后，如果出现__________，则证明最终提取到的物质的主要成分为DNA。

（5）实验室利用洋葱等植物样品提取DNA时，须先破碎细胞，此时需添加食盐和__________进行研磨，添加该物质的目的是____________________。

（6）某学生试图用羊血代替鸡血进行实验，结果没有成功，其原因最可能是________________。

答案　

（1）C→B→E→D→A　

（2）利用DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度的不同，去除杂质　（3）析出并获得较纯净的DNA　DNA不溶于酒精，但细胞中的某些蛋白质则溶于酒精　（4）二苯胺　沸水浴加热　蓝色　（5）洗涤剂　溶解细胞膜　（6）羊血含DNA太少（或成熟的红细胞没有细胞核）

解析　

（1）题图中所示操作的正确顺序是C→B→E→D→A。

（2）DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，可据此去除DNA溶液中的杂质。

（3）步骤A的目的是利用DNA不溶于酒精的性质，除去细胞中溶于酒精的物质，得到较纯净的DNA。

（4）滴加二苯胺试剂，在沸水浴加热后，如果出现蓝色，则证明最终提取到的物质的主要成分为DNA。

（5）利用植物组织提取DNA时，须先破碎细胞，此时应添加食盐和洗涤剂进行研磨来溶解细胞膜。

（6）羊是哺乳动物，血液中的红细胞没有细胞核和细胞器，因此几乎不含DNA，用羊血代替鸡血来进行该实验难以取得成功。

考点二　细胞工程

1．细胞工程技术的原理

（1）植物组织培养：

细胞的全能性。

（2）植物体细胞杂交：

细胞的全能性、细胞膜的流动性。

（3）动物细胞培养：

细胞的增殖。

（4）动物体细胞核移植及克隆：

动物细胞核的全能性。

（5）动物细胞融合：

细胞膜的流动性。

（6）单克隆抗体的制备：

细胞膜的流动性、细胞的增殖。

2．植物细胞工程两大技术

（1）植物组织培养中植物激素的使用

生长素与细胞分裂素的比值

作用效果

高

促进根分化、抑制芽形成

低

促进芽分化、抑制根形成

适中

促进愈伤组织形成

（2）植物体细胞杂交

①植物细胞A和植物细胞B杂交获得的杂种细胞的类型有三种（只考虑细胞的两两融合）：

AA型、BB型、AB型，符合要求的只有AB型，需要进行筛选。

②杂种植株遗传物质的变化：

杂种植株的染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和，属于异源多倍体。

杂种植株的变异类型属于染色体变异。

3．克隆动物的培育

（1）所需技术手段：

动物细胞培养、动物细胞融合、早期胚胎培养和胚胎移植等。

（2）克隆动物遗传物质的来源：

绝大部分来自供体细胞核，少部分来自卵母细胞的细胞质。

4．单克隆抗体的制备

（1）3种细胞的特点

①经免疫处理的B淋巴细胞：

能分泌抗体，不能大量增殖。

②骨髓瘤细胞：

能大量增殖，不能分泌抗体。

③杂交瘤细胞：

既能分泌抗体，又能大量增殖。

（2）2次筛选的目的

①第1次筛选：

利用特定选择培养基筛选，获得杂交瘤细胞，即AB型细胞（A为经免疫处理的B淋巴细胞，B为骨髓瘤细胞）。

②第2次筛选：

利用多孔板法和抗原—抗体杂交法筛选，获得产生特定抗体的杂交瘤细胞。

考向一　植物细胞工程

7．（2019·广西钦州三模）红豆杉因其次生代谢产物紫杉醇对癌症的显著治疗效果而倍受关注。

为了获得紫杉醇，可以先用植物外植体获得愈伤组织，然后在生物反应器中悬浮培养。

请回答下列问题：

（1）以该植物的幼茎、树皮、针叶作为外植体，在一定条件下进行组织培养，均能获得试管苗，其原理是________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________。

研究发现，用幼嫩茎段比成年老枝更易产生愈伤组织，且时间早，诱导率高，原因是幼嫩茎段细胞分化程度较________（填“低”或“高”）。

（2）可采用________（部位）进行植物组织培养获得脱除病毒的红豆杉。

与从红豆杉树皮中直接提取相比，先通过茎段组织培养获得愈伤组织细胞，然后悬浮培养生产紫杉醇的优点是________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________。

（3）二倍体愈伤组织细胞经________________________处理，会产生染色体加倍的细胞。

（4）不同有机溶剂及其组合作为浸提溶剂对紫杉醇得率的影响如下图所示。

注：

1.甲醇；2.乙醇；3.丙酮；4.二氯甲烷；5.乙酸乙酯；6.甲醇＋乙醇；7.甲醇＋丙酮；8.甲醇＋二氯甲烷；9.甲醇＋乙酸乙酯；10.乙醇＋丙酮；11.乙醇＋二氯甲烷；12.乙醇＋乙酸乙酯；13.丙酮＋二氯甲烷；14.丙酮＋乙酸乙酯；15.二氯甲烷＋乙酸乙酯。

从溶剂单独和混合提取效果的角度分析，可得出的结论有：

单一溶剂作为提取紫杉醇的浸提溶剂时，__________的提取效果最佳；溶剂混合浸提时，__________________作为浸提溶剂提取紫杉醇效果最好。

答案　

（1）幼茎、树皮、针叶的细胞都具有全能性，在一定条件下能发育成完整的植株　低　

（2）茎尖　可以在生物反应器中大规模培养细胞，并且通过控制培养条件使培养细胞合成大量紫杉醇　（3）秋水仙素（或低温）　（4）甲醇　乙醇＋二氯甲烷

解析　

（1）以该植物的幼茎、树皮、针叶作为外植体，在一定条件下进行组织培养，均能获得试管苗，用