201x年春高中生物 第6章 第2节基因工程及其应用名师 新人教版必修

1、第2节基因工程及其应用一、基因工程的原理一、基因工程的原理1.1.概念：概念： 基因基因DNADNA重组技术重组技术DNADNA分子分子定向定向2.2.三种工具：三种工具：(1)(1)剪刀与针线。剪刀与针线。 项目项目名称名称作用作用剪刀剪刀_( (简称限制酶简称限制酶) )识别特定的识别特定的_序列，并序列，并在特定的切点上切割在特定的切点上切割DNADNA分子分子针线针线_连接连接_和和_之间的之间的缺口缺口限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶核苷酸核苷酸DNADNA连接酶连接酶脱氧核糖脱氧核糖磷酸磷酸(2)(2)运载体。运载体。作用：将外源基因送入作用：将外源基因送入_。种类种类 受体细胞受

2、体细胞噬菌体噬菌体细菌细菌自主复制自主复制环状环状DNADNA分子分子动植物病毒动植物病毒3.3.操作步骤：操作步骤：目的基因目的基因运载体运载体受体细胞受体细胞检测与鉴定检测与鉴定二、基因工程的应用及安全性二、基因工程的应用及安全性1.1.基因工程的应用：基因工程的应用：(1)(1)作物作物 育种育种抗逆性抗逆性转基因抗虫棉转基因抗虫棉农药农药(2)(2)药物研制药物研制(3)(3)环境保护：利用环境保护：利用_降解有毒有害的化合物，吸收降解有毒有害的化合物，吸收环境中的重金属，分解泄漏的石油，处理工业废水等。环境中的重金属，分解泄漏的石油，处理工业废水等。大肠杆菌大肠杆菌 转基因细菌转基因

3、细菌2.2.基因工程的安全性：基因工程的安全性：严格控制严格控制大范围推广大范围推广【思考辨析】【思考辨析】1.1.判断正误：判断正误：(1)(1)基因工程的操作过程可以产生新的基因，从而产生了基因基因工程的操作过程可以产生新的基因，从而产生了基因突变。突变。( )( )【分析】【分析】基因工程的实质是基因重组，不能产生新的基因。基因工程的实质是基因重组，不能产生新的基因。(2)(2)基因工程是将目的基因导入受体细胞中并获得相应性状或基因工程是将目的基因导入受体细胞中并获得相应性状或基因产物，操作对象为基因，属于分子水平。基因产物，操作对象为基因，属于分子水平。( )( )(3)(3)一种限制

4、酶可以识别多种序列。一种限制酶可以识别多种序列。( )( )【分析】【分析】一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列。(4)(4)质粒是最为常用的运载体，它只能从原核生物中获取。质粒是最为常用的运载体，它只能从原核生物中获取。 ( )( )【分析】【分析】质粒存在于许多细菌及酵母菌等生物的细胞中，不是质粒存在于许多细菌及酵母菌等生物的细胞中，不是只能从原核生物中获取。只能从原核生物中获取。2.2.问题思考：问题思考：(1)(1)转基因抗虫棉有性繁殖产生的后代都具有抗虫特性吗？为转基因抗虫棉有性繁殖产生的后代都具有抗虫特性吗？为什么？什么？提示：提示：不一定

5、。因为性状分离或变异的原因，抗虫棉的子代可不一定。因为性状分离或变异的原因，抗虫棉的子代可能会失去抗虫特性。能会失去抗虫特性。(2)(2)转基因成功的标志是什么？转基因成功的标志是什么？提示：提示：产生了目的基因的产物或具有了相应的性状。产生了目的基因的产物或具有了相应的性状。一、基因工程工具的分析一、基因工程工具的分析1.1.几种工具酶的作用比较：几种工具酶的作用比较：(1)(1)限制酶与限制酶与DNADNA连接酶的比较：连接酶的比较： 作用作用应用应用限制酶限制酶使特定部位的磷酸二酯键使特定部位的磷酸二酯键断裂断裂用于提取目的基因和切用于提取目的基因和切割载体割载体DNADNA连连接酶接酶

6、在在DNADNA片段之间重新形成片段之间重新形成磷酸二酯键磷酸二酯键用于重组用于重组DNADNA分子分子( (重组重组质粒质粒) )构建构建(2)(2)两者的关系可表示为：两者的关系可表示为：(3)(3)四种酶的作用部位：四种酶的作用部位：作用于作用于a(a(磷酸二酯键磷酸二酯键) )的酶：限制酶、的酶：限制酶、DNADNA连接酶、连接酶、DNADNA聚合聚合酶。酶。作用于作用于b(b(氢键氢键) )的酶：解旋酶。的酶：解旋酶。2.2.运载体运载体质粒的作用：质粒的作用：(1)(1)与含有外源基因与含有外源基因( (即目的基因即目的基因) )的的DNADNA片段结合，形成重组片段结合，形成重组

7、DNADNA分子分子( (又称重组质粒又称重组质粒) )，将外源基因送入受体细胞中。，将外源基因送入受体细胞中。(2)(2)通过它在宿主细胞内的复制，使目的基因得到大量的复制。通过它在宿主细胞内的复制，使目的基因得到大量的复制。【警示钟】【警示钟】关于限制酶和关于限制酶和DNADNA连接酶作用的两点提醒连接酶作用的两点提醒(1)(1)氢键的断裂和重新形成与限制酶和氢键的断裂和重新形成与限制酶和DNADNA连接酶无关，氢键的连接酶无关，氢键的形成不需要酶的作用。形成不需要酶的作用。(2)DNA(2)DNA连接酶无识别的特异性，能恢复两核苷酸间的磷酸二酯连接酶无识别的特异性，能恢复两核苷酸间的磷酸

8、二酯键，将两个键，将两个DNADNA片段连接起来。片段连接起来。【学而后思】【学而后思】不同的限制酶切割形成的黏性末端一定不能连接在一起吗？为不同的限制酶切割形成的黏性末端一定不能连接在一起吗？为什么？什么？提示：提示：不一定。例如，限制酶不一定。例如，限制酶1 1的识别序列和切点分别是的识别序列和切点分别是GGATCCGGATCC、在、在G G与与G G之间切开，限制酶之间切开，限制酶2 2的识别序列和切点分别是的识别序列和切点分别是GATCGATC、在、在G G之前切开，两者形成的黏性末端是可以互补配对并之前切开，两者形成的黏性末端是可以互补配对并连接在一起的。连接在一起的。【典例训练【典

9、例训练1 1】现有一长度为现有一长度为1 0001 000碱基对碱基对(bp)(bp)的的DNADNA分子，用分子，用限制酶限制酶EcoREcoR酶切后得到的酶切后得到的DNADNA分子仍是分子仍是1 000 bp1 000 bp，用，用KpnKpn单单独酶切得到独酶切得到400 bp400 bp和和600 bp600 bp两种长度的两种长度的DNADNA分子，用分子，用EcoREcoR、KpnKpn同时酶切后得到同时酶切后得到200 bp200 bp和和600 bp600 bp两种长度的两种长度的DNADNA分子。该分子。该DNADNA分子的酶切图谱正确的是分子的酶切图谱正确的是( () )

10、【解题关键】【解题关键】通过题干中的三次酶切描述来判断两种限制酶在通过题干中的三次酶切描述来判断两种限制酶在DNADNA分子上的切点个数，同时通过只用分子上的切点个数，同时通过只用EcoREcoR酶切的结果来判酶切的结果来判断断DNADNA分子的存在形态。分子的存在形态。【解析】【解析】选选D D。通过用。通过用EcoREcoR酶切后酶切后DNADNA分子的碱基个数没有发分子的碱基个数没有发生变化，说明了生变化，说明了DNADNA分子是呈环状的；分子是呈环状的；KpnKpn单独酶切得到单独酶切得到400 400 bpbp和和600 bp600 bp两种长度的两种长度的DNADNA分子，说明该酶

11、在此分子，说明该酶在此DNADNA分子上有两分子上有两个切点；两种酶同时切割时会有三个切点，但出现了两种长度个切点；两种酶同时切割时会有三个切点，但出现了两种长度的的DNADNA分子，说明了分子，说明了EcoREcoR的切点正在的切点正在400 bp400 bp的中点上。的中点上。【变式备选【变式备选1 1】下列有关基因工程中限制酶的描述，错误的是下列有关基因工程中限制酶的描述，错误的是( () )【解析】【解析】选选C C。限制酶主要存在于微生物中。一种限制酶只能。限制酶主要存在于微生物中。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并能在特定的切点上切割识别一种特定的核苷酸序列，并能在特定的切

12、点上切割DNADNA分分子。其作用对象不是子。其作用对象不是RNARNA分子，而是分子，而是DNADNA分子。分子。二、基因工程的操作步骤二、基因工程的操作步骤1.1.提取目的基因：如图中提取目的基因：如图中过程，获取目的基因的方法为直接过程，获取目的基因的方法为直接分离的方法。分离的方法。2.2.目的基因与运载体结合：目的基因与运载体结合：(1)(1)图中图中表示的是目的基因与运载体的结合。表示的是目的基因与运载体的结合。(2)(2)工具：工具：限制酶：图中限制酶：图中EcoREcoR这种限制酶所识别的序列是这种限制酶所识别的序列是GAATTCGAATTC，切，切点位于点位于G G与与A A

13、之间；从图中能够看出提取目的基因之间；从图中能够看出提取目的基因B B和切开质粒和切开质粒A A所用的是同一种限制酶。所用的是同一种限制酶。DNADNA连接酶：此酶用于质粒连接酶：此酶用于质粒A A与目的基因与目的基因B B的结合过程，形成的结合过程，形成重组重组DNADNA分子分子C C。3.3.将目的基因导入受体细胞：图中将目的基因导入受体细胞：图中过程表示将目的基因导入过程表示将目的基因导入受体细胞中，此过程不存在碱基互补配对；有可能将目的基因受体细胞中，此过程不存在碱基互补配对；有可能将目的基因导入受体细胞的染色体导入受体细胞的染色体DNADNA上，目的基因将在宿主细胞中复制上，目的基

14、因将在宿主细胞中复制和表达。和表达。4.4.目的基因的检测与鉴定：目的基因的检测与鉴定：(1)(1)检测：根据标记基因或分子杂交技术检测目的基因是否导检测：根据标记基因或分子杂交技术检测目的基因是否导入受体细胞。入受体细胞。(2)(2)鉴定：受体细胞是否表现出特定性状，如棉花抗虫性状的鉴定：受体细胞是否表现出特定性状，如棉花抗虫性状的表现。表现。【警示钟】【警示钟】(1)(1)目的基因与运载体结合的过程中，形成的重组分子中不只目的基因与运载体结合的过程中，形成的重组分子中不只有目的基因和运载体的结合物，还有目的基因之间或运载体之有目的基因和运载体的结合物，还有目的基因之间或运载体之间的结合物。

15、间的结合物。(2)(2)对目的基因的检测和鉴定虽然是分子水平上的，但都是在对目的基因的检测和鉴定虽然是分子水平上的，但都是在体外进行的。体外进行的。 【学而后思】【学而后思】(1)(1)将目的基因与运载体结合时为什么用同一种限制酶，两者将目的基因与运载体结合时为什么用同一种限制酶，两者结合的原理是什么？结合的原理是什么？提示：提示：用同一种限制酶切割形成的是同一种黏性末端，可以通用同一种限制酶切割形成的是同一种黏性末端，可以通过碱基互补配对的形式结合到一起，并用过碱基互补配对的形式结合到一起，并用DNADNA连接酶将其连接酶将其“缝缝合合”。(2)(2)基因工程中，为什么目的基因在不同物种中均

16、能成功表达？基因工程中，为什么目的基因在不同物种中均能成功表达？提示：提示：不同的生物体共用一套遗传密码，控制合成相同的蛋白不同的生物体共用一套遗传密码，控制合成相同的蛋白质。质。【典例训练【典例训练2 2】酵母菌的维生素、蛋白质含量高，可用于生产酵母菌的维生素、蛋白质含量高，可用于生产食品和药品等。科学家将大麦细胞中的食品和药品等。科学家将大麦细胞中的LTP1LTP1基因植入啤酒酵母基因植入啤酒酵母菌中，获得的啤酒酵母菌可产生菌中，获得的啤酒酵母菌可产生LTP1LTP1蛋白，并酿出泡沫丰富的蛋白，并酿出泡沫丰富的啤酒。基本的操作过程如下：啤酒。基本的操作过程如下：(1)(1)该技术定向改变了

17、酵母菌的性状，这在可遗传的变异的来该技术定向改变了酵母菌的性状，这在可遗传的变异的来源中属于源中属于。(2)(2)本操作中为了将本操作中为了将LTP1LTP1基因导入酵母菌细胞内，所用的运载基因导入酵母菌细胞内，所用的运载体是体是。(3)(3)要使运载体与要使运载体与LTP1LTP1基因连接，首先应使用基因连接，首先应使用进进行切割。行切割。(4)(4)切割完成后，利用切割完成后，利用将运载体与将运载体与LTP1LTP1基因连接。基因连接。(5)(5)饮用转基因的酵母菌酿造的啤酒安全吗？饮用转基因的酵母菌酿造的啤酒安全吗？_。 【解题关键】【解题关键】根据基因工程的四个步骤，结合图中的信息，找

18、根据基因工程的四个步骤，结合图中的信息，找出运载体的类型，然后逐题解答。出运载体的类型，然后逐题解答。【解析】【解析】(1)(1)基因工程能克服远缘杂交不亲和的障碍，使原本基因工程能克服远缘杂交不亲和的障碍，使原本不在一起的基因组合到一起，使生物具有特定性状，其原理为不在一起的基因组合到一起，使生物具有特定性状，其原理为基因重组。基因重组。(2)(2)运载体是取自大肠杆菌的质粒运载体是取自大肠杆菌的质粒( (见图见图) )。(3)(4)(3)(4)基因工程中的基因工程中的“剪刀剪刀”为限制酶，两个序列相同、能互补配对为限制酶，两个序列相同、能互补配对的黏性末端可用的黏性末端可用DNADNA连接

19、酶连接酶“缝合缝合”。(5)(5)可以从正、反两个角可以从正、反两个角度考虑。转基因的酵母菌酿造的啤酒对人类的健康有害，因为：度考虑。转基因的酵母菌酿造的啤酒对人类的健康有害，因为：转基因产物中的毒素可引起人类急、慢性中毒或产生致癌、转基因产物中的毒素可引起人类急、慢性中毒或产生致癌、致畸、致突变作用；致畸、致突变作用；产物中可能含有致敏物质使人类机体产产物中可能含有致敏物质使人类机体产生过敏反应。或答对人体安全，因为：两种食品成分相同，目生过敏反应。或答对人体安全，因为：两种食品成分相同，目前还未找到不安全的证据。前还未找到不安全的证据。( (合理即可合理即可) )答案：答案：(1)(1)基

20、因重组基因重组 (2)(2)质粒质粒(3)(3)限制酶限制酶 (4)DNA(4)DNA连接酶连接酶(5)(5)反对观点：不安全，转基因食品可能会损伤人体的消化系反对观点：不安全，转基因食品可能会损伤人体的消化系统，破坏人体免疫系统统，破坏人体免疫系统赞成观点：安全，转基因食品与非转基因食品成分相同，毒性赞成观点：安全，转基因食品与非转基因食品成分相同，毒性分析不对人体健康产生影响，目前还未找到不安全的证据分析不对人体健康产生影响，目前还未找到不安全的证据( (回答上述两种观点之一即可回答上述两种观点之一即可) )【变式备选【变式备选2 2】若利用细菌大量生产人胰岛素，则下列叙述不若利用细菌大量

21、生产人胰岛素，则下列叙述不正确的是正确的是( () )C.C.重组后的重组后的DNADNA，需要在细菌体内转录，翻译成人胰岛素，需要在细菌体内转录，翻译成人胰岛素D.D.人胰岛素基因与运载体人胰岛素基因与运载体DNADNA混合，只得到一种混合，只得到一种DNADNA分子分子 【解析】【解析】选选D D。在利用细菌大量生产胰岛素时，要用合适的限。在利用细菌大量生产胰岛素时，要用合适的限制酶切割和制酶切割和DNADNA连接酶将目的基因和运载体连接在一起，在连连接酶将目的基因和运载体连接在一起，在连接时会形成不同的重组接时会形成不同的重组DNADNA分子，如目的基因和目的基因的连分子，如目的基因和目

22、的基因的连接产物，运载体和运载体之间的连接产物；重组后的接产物，运载体和运载体之间的连接产物；重组后的DNADNA分子分子在受体细胞中经转录和翻译后才能形成胰岛素。在受体细胞中经转录和翻译后才能形成胰岛素。课题：有关基因工程基本操作步骤的分析类题目课题：有关基因工程基本操作步骤的分析类题目【案例】【案例】继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了一定进展。最近，科学家培育出一种转基应器的研究也取得了一定进展。最近，科学家培育出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素，并分泌到尿因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激

23、素，并分泌到尿液中。请回答：液中。请回答：(1)(1)本例中提到的膀胱生物反应器的目的基因是本例中提到的膀胱生物反应器的目的基因是，获得目的基因所用的工具是获得目的基因所用的工具是，此工具的，此工具的特点是特点是。(2)(2)获得目的基因后，构建重组获得目的基因后，构建重组DNADNA分子所用的限制性核酸内切分子所用的限制性核酸内切酶作用于图中的酶作用于图中的处，处，DNADNA连接酶作用于连接酶作用于处。处。( (填填“a”a”或或“b”)b”) (3)(3)进行基因工程操作时，通常要将外源基因转入进行基因工程操作时，通常要将外源基因转入中，中，原因是此细胞的全能性最高，可使外源基因在相应组

24、织细胞中原因是此细胞的全能性最高，可使外源基因在相应组织细胞中表达。表达。【审题【审题抓准信息抓准信息快速推断】快速推断】关键信息关键信息推断结论推断结论信信息息1 1题干中小鼠膀胱上皮细题干中小鼠膀胱上皮细胞能合成人的生长激素胞能合成人的生长激素人的生长激素是由人的生长人的生长激素是由人的生长激素基因控制合成的，该基激素基因控制合成的，该基因是转基因小鼠的目的基因因是转基因小鼠的目的基因信信息息2 2图中提示图中提示a a、b b位置，设位置，设问问(2)(2)中限制性核酸内中限制性核酸内切酶和切酶和DNADNA连接酶作用连接酶作用的部位的部位限制性核酸内切酶和限制性核酸内切酶和DNADNA

25、连连接酶都作用于核苷酸之间的接酶都作用于核苷酸之间的磷酸二酯键，即磷酸二酯键，即a a处处信信息息3 3设问设问(3)(3)中将外源基因中将外源基因导入细胞中，提示导入细胞中，提示“细细胞的全能性最高胞的全能性最高”在动物细胞中受精卵的全能在动物细胞中受精卵的全能性最高，是理想的受体细胞性最高，是理想的受体细胞【答题【答题规范答案规范答案警示失误】警示失误】(1)(1)人的生长激素基因人的生长激素基因限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割上切割DNADNA分子分子( (专一性专一性) )

26、答题要点：答题要点：第二空答第二空答“限制酶限制酶”也可，第三空可答也可，第三空可答“此酶具有此酶具有专一性专一性”或或“此酶具有特异性此酶具有特异性”。(2)a(2)aa a(3)(3)受精卵受精卵1.(1.(基础理论辨析题基础理论辨析题) )与与DNADNA连接酶描述相关的是连接酶描述相关的是( () )；与限；与限制酶描述相关的是制酶描述相关的是( () )【解析】【解析】选选A A、C C、E E；A A、B B、D D、E E。DNADNA连接酶和限制酶的化学连接酶和限制酶的化学本质都为蛋白质，且都具有专一性；本质都为蛋白质，且都具有专一性；DNADNA连接酶能够缝合黏性连接酶能够缝

27、合黏性末端以连接两个末端以连接两个DNADNA片段；限制酶能够识别特定的片段；限制酶能够识别特定的DNADNA序列并在序列并在特定的位点切割获取黏性末端。特定的位点切割获取黏性末端。2.(20132.(2013临沂高一检测临沂高一检测) )下列关于基因工程及其产品的说法中，下列关于基因工程及其产品的说法中，不正确的是不正确的是( () )【解析】【解析】选选D D。基因工程的核心是运载体与目的基因的结合；。基因工程的核心是运载体与目的基因的结合；基因工程是在基因工程是在DNADNA分子水平上的操作，它可以定向地改变生物分子水平上的操作，它可以定向地改变生物的性状，属于基因重组。的性状，属于基因

28、重组。3.3.下列有关质粒的叙述，正确的是下列有关质粒的叙述，正确的是( () )【解析】【解析】选选B B。质粒是广泛存在于细菌内的一种环状。质粒是广泛存在于细菌内的一种环状DNADNA分子，分子，而且酵母菌中也含有质粒；质粒能够在宿主细胞内自主复制，而且酵母菌中也含有质粒；质粒能够在宿主细胞内自主复制，此过程不是在细胞外进行的。此过程不是在细胞外进行的。4.(20134.(2013衡水高一检测衡水高一检测) )下列关于基因工程安全性的说法中不下列关于基因工程安全性的说法中不正确的是正确的是( () )A.A.目的基因可通过花粉扩散到它的近亲作物上，可能出现对农目的基因可通过花粉扩散到它的近

29、亲作物上，可能出现对农业不利的业不利的“超级植物超级植物”B.B.杂草、害虫从它的近亲获得抗性基因，可能破坏生态系统的杂草、害虫从它的近亲获得抗性基因，可能破坏生态系统的稳定性稳定性C.C.转基因必须在人为控制下才能完成，自然条件下基因污染是转基因必须在人为控制下才能完成，自然条件下基因污染是不增殖和不扩散的不增殖和不扩散的【解析】【解析】选选C C。转基因作物中含有的目的基因有可能通过花粉。转基因作物中含有的目的基因有可能通过花粉的传播进入其近亲作物体中，有可能导致基因污染，并增殖和的传播进入其近亲作物体中，有可能导致基因污染，并增殖和进一步扩散。进一步扩散。5.(20135.(2013佛山

30、高一检测佛山高一检测) )下列属于基因工程工具酶的是下列属于基因工程工具酶的是( () )限制酶限制酶 DNADNA水解酶水解酶 DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA连接酶连接酶 RNARNA聚合酶聚合酶 解旋酶解旋酶A.A. B. B.C.C. D. D.【解析】【解析】选选A A。基因工程的过程中，需用限制酶切割目的基因。基因工程的过程中，需用限制酶切割目的基因所在所在DNADNA分子和运载体，形成相同黏性末端，并用分子和运载体，形成相同黏性末端，并用DNADNA连接酶将连接酶将目的基因与运载体结合形成重组目的基因与运载体结合形成重组DNADNA分子。分子。6.6.基因工程是在基因工程是在

31、DNADNA分子水平上进行设计操作的。在基因操作分子水平上进行设计操作的。在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的步骤是的基本步骤中，不进行碱基互补配对的步骤是( () )【解析】【解析】选选B B。在基因工程操作的。在基因工程操作的4 4个基本步骤中，目的基因与个基本步骤中，目的基因与运载体结合形成重组运载体结合形成重组DNADNA分子以及目的基因的检测和表达过程，分子以及目的基因的检测和表达过程，均存在碱基互补配对，只有目的基因导入受体细胞不需要碱基均存在碱基互补配对，只有目的基因导入受体细胞不需要碱基互补配对。互补配对。7.(20137.(2013杭州高一检测杭州高一检测) )将将ada(ada(腺苷酸脱氨酶基因腺苷酸脱氨酶基因) )通过质粒通过质粒pET28bpET28b导入大肠杆菌并成功表达腺苷酸脱氨酶。下列叙述错误导入大肠杆菌并成功表达腺苷酸脱氨酶。下列叙述错误的是的是( () ) 【解题指南】【解题指南】解答本题需要注意以下两点：解答本题需要注意以下两点：(1)(1)重组质粒上必须具备多个限制酶酶切位点；重组质粒上必须具备多个限制酶酶切位点；(2)(2)不是每个限制酶酶切位点都插入了目的基因。不是每个限制酶酶切位点都插入