专题二十五基因工程PPT课件

1、专题专题二十五二十五 基因工程基因工程第九单元 生物技术与工程目 录考点1基因工程的基本工具与操作程序考点帮 必备知识通关考法帮 解题能力提升 考法1 基因工程的基本工具与操作程序分析考点2 基因工程的应用与蛋白质工程考点帮 必备知识通关考法帮 解题能力提升 考法2 基因工程的应用和蛋白质工程分析 考情解读课标要求1. 概述基因工程是在遗传学、微生物学、生物化学和分子生物学等学科基础上发展而来的;2. 阐明DNA重组技术的实现需要利用限制性内切核酸酶、 DNA连接酶和载体三种基本工具;3. 阐明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的获取、基因表达载体的构建、目的基因导入受体细胞和目的基因及其

2、表达产物的检测鉴定等步骤; 考情解读4. 举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质；5. 概述人们根据基因工程原理,进行蛋白质设计和改造,可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质;6. 举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。 考情解读核心考点核心命题角度考题取样命题情境素养能力基因工程的基本工具与操作程序基因工程的操作工具、操作程序分析2018全国卷,T38科研实践情境科学思维、科学探究,解决问题能力2020天津,T16科研实践情境科学探究、社会责任,解决问题能力PCR技术的基本操作和应用2019全国卷,T38学习探索情境生命观念、

3、科学思维,解决问题能力2020江苏,T33学习探索情境生命观念、科学思维,解决问题能力基因工程的应用与蛋白质工程结合实例考查基因工程的应用2018全国卷,T38科研实践情境生命观念、科学思维,解决问题能力2018天津理综,T10学习探索情境科学思维、科学探究,理解能力、解决问题能力基因工程与蛋白质工程的关系分析2019海南,T31学习探索情境科学思维、科学探究,理解能力、实验探究能力 考情解读高考怎么考1. 本专题中基因工程的操作工具、操作程序及应用等是高考的高频考点,对基因工程的操作工具、操作程序的考查主要侧重基础性和综合性,对于基因工程应用的考查高考则侧重创新性和应用性。新课标对情境创设和

4、实际应用的要求较高,高考也越来越注重考生的迁移运用能力和解决实际问题的能力。2. 预计2022年高考试题很可能结合科研实践或科学实践情境,分层设置问题,多角度培养考生的科学思维和科学探究等核心素养。考点1 基因工程的基本工具与操作程序 考点帮 必备知识通关一、基因工程的概念和基本工具名师提醒1.限制酶是一类酶,而不是一种酶。2.限制酶的本质为蛋白质,其作用的发挥需要适宜的理化条件,高温、强酸或强碱均易使之变性失活。二、基因工程的基本操作程序注意 启动子(DNA片段上)起始密码子(mRNA上);终止子(DNA片段上)终止密码子(mRNA上)。三、基因组文库与cDNA文库的比较文库类型cDNA文库

5、基因组文库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构建过程某种生物发育的某个时期的mRNA cDNA片段 受体菌群体某种生物全部DNA 许多DNA片段 受体菌群体名师提醒1.目的基因插入位点位于启动子和终止子之间,利于目的基因的表达。2.基因工程操作过程中,只有第三步和第四步的个体生物学水平的鉴定过程中没有发生碱基互补配对现象。3.农杆菌转化法适用于双子叶植物和裸子植物;基因枪法适用于单子叶植物。四、DNA的粗提取与鉴定五、PCR技术辨析比较体内DNA复制与PCR技术的比较体内DNA复制PCR技术区 别解旋方式解旋

6、酶催化DNA在高温作用下变性解旋(9095 )场所细胞内(主要在细胞核内)细胞外(主要在PCR扩增仪内)酶解旋酶、DNA聚合酶等热稳定DNA聚合酶(Taq酶)温度条件细胞内温和条件需控制温度,在较高温度下进行合成的对象DNA分子DNA片段或基因联系模板:均以脱氧核苷酸链作为模板进行物质合成;原料:均为四种脱氧核苷酸,但PCR中是以dNTP形式加入的;酶:均需要DNA聚合酶进行催化;引物:均需要引物,使DNA聚合酶从引物的3端开始连接脱氧核苷酸 考法帮 解题能力提升考法1 基因工程的基本工具与操作程序分析1.表格法辨析限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶等相关酶 项目 种类作用底物作用结果限制酶D

7、NA分子切开磷酸二酯键,形成黏性末端或平末端DNA连接酶 DNA分子片段 通过形成磷酸二酯键,进而形成新的DNA分子DNA聚合酶脱氧核苷酸通过形成磷酸二酯键,进而形成新的DNA分子DNA酶DNA分子断开磷酸二酯键,形成脱氧核苷酸解旋酶DNA分子断开碱基对间的氢键,形成单链DNA分子RNA聚合酶核糖核苷酸通过形成磷酸二酯键,进而形成单链RNA分子2.图解限制酶的选择依据(1)根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类应选择位于目的基因两端的限制酶,如图甲中可选择Pst。不能选择目的基因内部的限制酶,如图甲中不能选择Sma。(2)根据质粒的特点确定限制酶的种类通常选择与切割目的基因相同的限制

8、酶,以确保出现相同的黏性末端,如图乙中的Pst。在只有一种标记基因时,选择的限制酶不能破坏标记基因,如图乙中限制酶Sma会破坏标记基因。归纳总结四步法把控基因工程基本操作程序题命题角度1基因工程的操作工具、操作程序分析示例1 2016全国卷,40,15分图(a)中的三个DNA片段上依次表示出了EcoR、BamH和Sau3A三种限制性核酸内切酶的识别序列与切割位点,图(b)为某种表达载体的示意图(载体上的EcoR、Sau3A的切点是唯一的)。根据基因工程的有关知识,回答下列问题:(1)经BamH 酶切后得到的目的基因可以与上述表达载体被 酶切后的产物连接,理由是 。 (2)若某人利用图(b)所示

9、的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组子,如图(c)所示。这三种重组子中,不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有 ,不能表达的原因是 。 (3)DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来的酶,常见的有和 ,其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是。思路分析 解答本题需注意两个关键,一是关键信息:图(a)中三种酶的识别序列,图(b)中终止子、启动子的位置,图(c)中目的基因的插入位置。二是关键知识:图中只有两种限制性核酸内切酶切割后产生的DNA片段具有相同的黏性末端,才能被DNA连接酶连接;启动子是启动目的基因转录的,终止子终止转录过程,插入二者之间的目的基因才能正常表达。解析 (1)由图(a

10、)可知,尽管BamH和Sau3A两种限制酶的识别位点不相同,但两种酶切割后产生的DNA片段具有相同的黏性末端,故被BamH酶切后得到的目的基因可以与图(b)中表达载体被Sau3A酶切后的产物连接。(2)载体上的启动子和终止子具有调控目的基因表达的作用,由于甲和丙的目的基因分别插入在启动子的上游和终止子的下游,故这两个载体上的目的基因都不能被转录和翻译。(3)常见的DNA连接酶是Ecoli DNA连接酶和T4DNA连接酶,但作用有所差别,T4DNA连接酶既能连接黏性末端,又能连接平末端,而Ecoli DNA连接酶只能连接黏性末端。答案 (1)Sau3A两种酶切割后产生的片段具有相同的黏性末端(2

11、)甲和丙甲中目的基因插入在启动子的上游,丙中目的基因插入在终止子的下游,二者的目的基因均不能被转录(3)Ecoli DNA连接酶T4DNA连接酶T4DNA连接酶归纳总结对限制酶切割位点的三点要求1.位置要求:在只有一个标记基因的情况下,限制酶切割位点所处的位置必须在标记基因外,只有这样才能保证标记基因的完整性。2.数量要求:选择限制酶切割目的基因时,被选择的限制酶在目的基因的两侧都要有识别序列,这样才能切割出完整的目的基因。3.对象要求:为使目的基因与载体形成的DNA片段末端能够连接,通常使用同一种限制酶将二者切割,但如果不同的限制酶切割DNA分子所产生的末端相同,则两末端也可连接。 示例2

12、2018全国卷,38,15分回答下列问题:(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

13、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、真核生物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)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,使其处于感受态。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,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

14、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命题角度2DNA的粗提取与鉴定示例3 2019江苏,10,2分下列关于DNA粗提取与鉴定的叙述,错误的是A.用同样方法从等体积兔血和鸡血中提取的DNA量相近B.DNA析出过程中,搅拌操作要轻柔以防DNA断裂C.预冷的乙醇可用来进一步纯化粗提的DNAD.用二苯胺试剂鉴定DNA需要进行水浴加热解析 本题考查DNA粗提取与鉴定的相关知识,意在考查考生的理解能力。哺乳动物(如兔)成

15、熟的红细胞中无细胞核和细胞器,不能提取到DNA;鸡血、菜花、豌豆、菠菜等都具有细胞核,可以通过不同的方法提取DNA,用同样方法从等体积兔血和鸡血中提取的DNA量差异很大,A错误。为防止DNA断裂,在DNA析出过程中搅拌操作要轻柔且沿着一个方向,B正确。DNA不溶于酒精溶液,但是细胞中的某些蛋白质则溶于酒精溶液,预冷的酒精溶液可用来进一步纯化粗提的DNA,C正确。在沸水浴的条件下,DNA遇二苯胺会被染成蓝色,因此,用二苯胺试剂鉴定DNA需要进行水浴加热,D正确。答案 A命题角度3PCR技术的基本操作和应用示例4 2020江苏,33,8分如果已知一小段DNA的序列,可采用PCR的方法,简捷地分析出

16、已知序列两侧的序列,具体流程如图(以EcoR 酶切为例)所示:请据图回答问题:(1)步骤用的EcoR 是一种酶,它通过识别特定的切割特定位点。 (2)步骤用的DNA连接酶催化相邻核苷酸之间的3-羟基与5-磷酸间形成 ;PCR循环中,升温到95 是为了获得 ;Taq DNA聚合酶的作用是催化 。 (3)若下表所列为已知的DNA序列和设计的一些PCR引物,步骤选用的PCR引物必须是(从引物中选择,填编号)。 DNA序列(虚线处省略了部分核苷酸序列)已知序列 PCR引物5-AACTATGCGCTCATGA-35-GCAATGCGTAGCCTCT-35-AGAGGCTACGCATTGC-35-TCAT

17、GAGCGCATAGTT-3(4)对PCR产物测序,经分析得到了片段F的完整序列。下列DNA单链序列中(虚线处省略了部分核苷酸序列),结果正确的是。 A.5-AACTATGCG-AGCCCTT-3B.5-AATTCCATG-CTGAATT-3C.5-GCAATGCGT-TCGGGAA-3D.5-TTGATACGC-CGAGTAC-3解析 (1)根据题图可知,步骤是获取目的DNA片段,所用的酶EcoR 是一种限制酶,其能识别特定的核苷酸序列,并使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。(2)步骤是将目的DNA片段连接成环状,其中DNA连接酶的作用是催化相邻核苷酸之间的3-羟基和5-磷

18、酸间形成磷酸二酯键。PCR循环中,升高温度到95 是为了打开氢键使双链解开,获得DNA单链,Taq DNA聚合酶的作用是催化游离的脱氧核苷酸连接到引物3端,合成DNA子链。(3)引物的作用是使DNA聚合酶能够从引物的3端开始延伸DNA子链,因为DNA的合成方向总是从子链的5端向3端延伸,故为扩增未知序列,选择的与模板链相结合的引物应为5-TCATGAGCGCATAGTT-3(引物)和5-GCAATGCGTAGCCTCT-3(引物)。(4)分析题意可知,片段F的两端为限制酶EcoR 切割后产生的黏性末端,因此其5端序列应为AATT-,3端序列应为-TTAA,B正确。答案 (1)限制性核酸内切(或

19、限制)核苷酸序列(2)磷酸二酯键DNA单链以DNA为模板的DNA链的延伸(3)(4)B拓展延伸DNA复制需要引物的原因及其要求归纳1.需要引物的原因:引物为一段已知脱氧核苷酸序列的DNA单链或RNA,它是子链合成、延伸的基础。DNA复制时,DNA聚合酶不能从5端开始合成DNA,而只能从3端延伸DNA链,因此,DNA复制需要引物。2.引物必须符合的基本要求(1)与目的基因一端碱基互补;(2)3端不能进行任何修饰,因为引物的延伸是从3端开始的;(3)引物相互之间不能有多个连续的碱基互补;(4)引物自身不能有多个连续的碱基互补。考点2 基因工程的应用与蛋白质工程 考点帮 必备知识通关一、基因工程的应

20、用1.植物基因工程:培育抗虫、抗病、抗逆转基因植物,利用转基因改良植物的品质。2.动物基因工程:提高动物生长速度、改善畜产品的品质、用转基因动物生产药物、用转基因动物作器官移植的供体。3.基因治疗与基因诊断 基因治疗基因诊断原理基因重组及基因表达DNA分子杂交方法将正常基因导入有基因缺陷的细胞中,使该基因的表达产物发挥功能,以达到治疗的目的将特定DNA探针与病人样品DNA混合,分析杂交带情况进展临床实验临床应用链接新教材新教材在“基因工程的应用”部分增加了“基因工程在食品工业方面的应用”,需要引起考生关注。主要提到:(1)利用基因工程可以大规模生产组成阿斯巴甜(一种普遍使用的甜味剂)的主要氨基

21、酸天冬氨酸和苯丙氨酸。(2)奶酪是一种被广泛食用的发酵奶制品,大多数奶酪的生产需要使用凝乳酶,传统制备凝乳酶的方法无法满足日益增长的市场需求。科学家将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌基因组中,通过工业发酵批量生产凝乳酶,已经得到广泛应用。二、蛋白质工程链接新教材新教材在“蛋白质工程的应用”部分增加了一些蛋白质工程在医药工业和临床上的应用,这些很可能以新情境的形式出现在试题中。需要重点关注的有:(1)天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体,皮下注射胰岛素往往要经历一个逐渐解离为单体的过程。研究人员通过改变胰岛素基因使链第28位脯氨酸替换为天门冬氨酸或者使链第28位的脯氨酸与第29位的

22、赖氨酸交换位置,从而有效抑制了胰岛素的聚合。(2)小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应,从而导致治疗效果降低。科学家将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上,大大降低了抗体诱发免疫反应的强度。三、表格法比较蛋白质工程与基因工程项目蛋白质工程基因工程区别起点预期的蛋白质功能目的基因实质定向改造或生产人类所需的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,是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核心素养科学思维批判性思维 蛋白质工程为什么通

23、过基因工程来实现对天然蛋白质的改造?提示 (1)蛋白质具有十分复杂的空间结构,基因的结构相对简单,容易改造;(2)改造后的基因可以遗传给下一代,被改造的蛋白质无法遗传。 考法帮 解题能力提升考法2 基因工程的应用和蛋白质工程分析命题角度4结合实例考查基因工程的应用示例5 2018全国卷,38,15分某种荧光蛋白(GFP)在紫外光或蓝光激发下会发出绿色荧光,这一特性可用于检测细胞中目的基因的表达。某科研团队将某种病毒的外壳蛋白(L1)基因连接在GFP基因的5末端,获得了L1-GFP融合基因(简称为甲),并将其插入质粒P0,构建了真核表达载体P1,其部分结构和酶切位点的示意图如下,图中E1E4四种

24、限制酶产生的黏性末端各不相同。回答下列问题:(1)据图推断,该团队在将甲插入质粒P0时,使用了两种限制酶,这两种酶是。使用这两种酶进行酶切是为了保证,也是为了保证。 (2)将P1转入体外培养的牛皮肤细胞后,若在该细胞中观察到了绿色荧光,则说明L1基因在牛的皮肤细胞中完成了和过程。 (3)为了获得含有甲的牛,该团队需要做的工作包括:将能够产生绿色荧光细胞的移入牛的中、体外培养、胚胎移植等。 (4)为了检测甲是否存在于克隆牛的不同组织细胞中,某同学用PCR方法进行鉴定,在鉴定时应分别以该牛不同组织细胞中的(填“mRNA”“总RNA”或“核DNA”)作为PCR模板。思路分析 解答第(1)小题的关键是掌握目的基因在受体细胞内正确表达的条件:目的基因的首端应有启动子,尾端应有终止子。据此可确定只有使用E1和E4这两种限制酶才能保证甲的完整并使其与载体正确连接。解析 (1)据图示信息分析:将L1-GFP融合基因(甲)插入质粒时使用酶E1和E4进行酶切,既能保证L1-GFP融合基因的完整,又能保证L1-GFP融合基因与载体的正确连接。(2)目的基因在受体细胞中的表达包括转录和翻译两个过程。(3)将体外培养的含有目的基因的动物体细胞核移入该动