高考年模拟高三生物一轮基因工程

高考年模拟高三生物一轮基因工程第1页/共51页知识一基因工程的工具与操作程序一、基因工程的工具1.限制酶知识梳理(1)存在:①原核生物

中。(2)作用:②识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列

,并使每一条

链中特定部位的两个核苷酸之间的③磷酸二酯键

断开。第2页/共51页(3)形成末端类型

2.DNA连接酶(1)种类

(2)功能:将双链DNA片段“缝合”起来,恢复被限制酶切开的两个核苷c酸间的磷酸二酯键。第3页/共51页3.载体(1)条件:能在受体细胞中复制并稳定保存;具有一至多个限制酶切点;具

有标记基因。(2)种类

(3)作用:⑩携带外源DNA片段进入受体细胞

。(4)特点:可在细胞中进行自我复制或整合到染色体DNA上随染色体DNA

进行同步复制。第4页/共51页1.获得目的基因(目的基因的获取)(1)方法:从①基因文库

中获取;人工合成。(2)人工合成的方法:②反转录

法和③化学合成

法。(3)目的基因的扩增方法:④PCR技术

。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⑤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=⑥

目的基因

+启动子+终止子+标记基因等。启动子:⑦RNA聚合酶识别和结合的部位,驱动基因转录出mRNA

。终止子:使转录终止的一段有特殊结构的DNA短片段。二、基因工程的基本操作程序第5页/共51页标记基因:鉴定受体细胞中是否含有⑧目的基因

,从而将⑨含有目

的基因的细胞

筛选出来。(3)构建过程:

第6页/共51页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

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DNA上→表达基因表达载体

受精卵

新性状个体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3.将目的基因导入受体细胞第7页/共51页4.目的基因的检测与鉴定

第8页/共51页

1.萤火虫体内的荧光素酶催化的系列反应导致萤火虫发光。如果荧光素

酶存在于植物体内,也可以使植物体发光。一直以来荧光素酶的唯一来源

是从萤火虫腹部提取。但科学家成功地通过基因工程将荧光素酶基因导

入大肠杆菌体内,使其产生荧光素酶。请分析回答下列问题:(1)在此基因工程中,目的基因是

,获得目的基因的常用方法

有:

、人工合成和PCR技术扩增目的基因。(2)将此目的基因导入受体细胞内需要载体的帮助。下列各项在选取载体

时不必考虑的是

。(用字母表示)A.能够在宿主细胞内复制并稳定保存第9页/共51页B.具1至多个限制性核酸内切酶的切点C.具有与目的基因相同的碱基片段D.具有某些标记基因(3)在基因表达载体构建的过程中,需要

、

等多

种酶的参与。载体中启动子的化学本质是

。(4)在此基因工程中受体细胞为

。(5)为检测目的基因是否导入受体细胞,可利用放射性同位素标记的

作探针与受体细胞基因组DNA杂交。(6)通过基因工程来培育新品种的主要优势是

。第10页/共51页

答案

(1)荧光素酶基因从基因文库中获取(2)C(3)限制性核酸内切酶(或限制酶)DNA连接酶DNA片段(4)大肠杆菌(5)目的基因(6)定向地改造生物的遗传性状

解析

(1)要转入植物细胞内的荧光素酶基因即为目的基因。获得目的基因的常用方法有:从基因文库中获取、人工合成和PCR技术扩增目的基

因。(2)选择载体时一般要考虑三个因素:①能够在宿主细胞内复制并稳定

保存;②具有1至多个限制性核酸内切酶的切点;③具有某些标记基因。(3)第11页/共51页基因表达载体的构建需用到限制性核酸内切酶和DNA连接酶。(5)欲利用

DNA杂交的原理检测目的基因是否导入受体细胞,则要求探针是一段能与

目的基因中的一条链互补配对的DNA单链(即目的基因)。(6)相对诱变育

种而言,基因工程育种的优势在于对生物品种进行定向改造。第12页/共51页2.(2011海南单科,31,15分)回答有关基因工程的问题:(1)构建基因工程表达载体时,用不同类型的限制酶切割DNA后,可能产生

黏性末端,也可能产生

末端。若要在限制酶切割目的基因和质粒后

使其直接进行连接,则应选择能使二者产生

(相同、不同)黏性末端

的限制酶。(2)利用大肠杆菌生产人胰岛素时,构建的表达载体含有人胰岛素基因及其

启动子等,其中启动子的作用是

。在用表达载

体转化大肠杆菌时,常用

处理大肠杆菌,以利于表达载体进入;为了

检测胰岛素基因是否转录出了mRNA,可用标记的胰岛素基因片段作探针

与mRNA杂交,该杂交技术称为

。为了检测胰岛素基因转录的mR-第13页/共51页NA是否翻译成

,常用抗原—抗体杂交技术。(3)如果要将某目的基因通过农杆菌转化法导入植物细胞,先要将目的基因

插入农杆菌Ti质粒的

中,然后用该农杆菌感染植物细胞,通过DNA重

组将目的基因插入植物细胞的

上。

答案(1)平相同(2)驱动胰岛素基因转录出mRNA(其他合理答案也给分)CaCl2溶液(或Ca

2+)分子杂交技术蛋白质(其他合理答案也给分)(3)T-DNA染色体DNA(其他合理答案也给分)

解析(1)DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式:黏性末端和平末端。当限制酶在它识别序列的中心轴两侧将DNA切开时,第14页/共51页产生的是黏性末端,而当限制酶在它识别序列的中心轴线处将DNA切开时,

产生的是平末端。要使目的基因和质粒直接进行连接,应使用同种限制酶

切割目的基因和质粒,使二者产生相同黏性末端。(2)一个基因表达载体的

组成,除含有目的基因外,还必须有启动子、终止子和标记基因等。启动子

是一段有特殊结构的DNA片段,位于基因首端,是RNA聚合酶识别和结合

部位,可以驱动目的基因转录出mRNA。在用表达载体转化大肠杆菌时,为

便于表达载体进入,常用CaCl2处理大肠杆菌。要检测目的基因是否转录出

对应的mRNA,可采用分子杂交技术,即用标记的目的基因片段作探针,与

mRNA杂交,如果显示出杂交带,则表明目的基因转录出了mRNA。(3)运用

农杆菌转化法将目的基因导入植物细胞时,要先将目的基因插入农杆菌Ti质粒的T-DNA中,然后用该农杆菌感染植物细胞,通过DNA重组将目的基

因插入植物细胞的染色体DNA上。第15页/共51页3.(2014河北唐山一中期中,51)下图是从酵母菌获取某植物需要的某种酶基

因的流程,结合所学知识及相关信息回答下列问题:

(1)图中cDNA文库

基因组文库(填“大于”、“等于”或者“小

于”)。(2)①过程提取的DNA需要

的切割,B过程是

。(3)为在短时间内大量获得目的基因,可用

扩增的方法。目的基因

获取之后,需要进行

,其组成必须有

第16页/共51页

以及标记基因等,此步骤是基因工程的核心。(4)将该目的基因导入某双子叶植物细胞,常采用的方法是

,其能否

在此植物体内稳定遗传可以用

技术进行检测。

答案

(1)小于(2)限制酶反转录(或逆转录)(3)PCR技术基因表达载体的构建启动子、终止子、目的基因(4)农杆菌转化法DNA分子杂交

解析

(1)cDNA文库小于基因组文库。(2)提取目的基因需要限制酶,逆转录法获得目的基因需要逆转录酶。(3)短时间内大量获得目的基因,可用

PCR技术扩增的方法。基因表达载体组成必须有目的基因、标记基因、第17页/共51页启动子和终止子等,基因表达载体的构建是基因工程的核心。(4)将目的基

因导入某双子叶植物细胞常采用的方法是农杆菌转化法,目的基因只有整

合到植物细胞的染色体DNA上才能在植物体内稳定遗传,可通过DNA分子

杂交的方法对目的基因是否整合到染色体上进行检测。第18页/共51页知识二基因工程的应用与蛋白质工程

一、基因工程的应用与蛋白质工程1.转基因生物(1)概念:是指利用基因工程技术导入①

外源基因

培育出的能够将新

性状稳定地遗传给后代的基因工程生物。(2)优点:运用基因工程改良动植物品种最突出的优点是能打破常规育种

难以突破的②

物种之间的界限

。第19页/共51页2.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③

产量

;用于

改善畜产品品质;用转基因动物生产④

药物

;用转基因动物作器官移

植的⑤

供体

等。(2)植物基因工程:培育抗虫转基因植物、抗病转基因植物和抗逆转基因

植物;利用转基因改良植物的⑥

品质

。(3)基因诊断:又称为DNA诊断,是采用⑦

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。(4)基因治疗:指利用⑧

正常基因

置换或弥补缺陷基因的治疗方法。

实例:ADA基因缺陷症的基因治疗。第20页/共51页3.蛋白质工程(1)概念:以蛋白质分子的结构规律及其与⑨

生物功能的关系

作为基

础,通过⑩

基因修饰或基因合成

,对现有蛋白质进行改造,或制造一种

新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。(2)基本途径:预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的

氨基酸

序列→找到对应的

脱氧核苷酸

序列(基因)。二、转基因生物的安全性与生物武器1.转基因生物存在安全性问题的原因(1)目前对①

基因的结构

、基因间的相互作用及基因的调控机制等

都了解得相当有限。(2)目的基因往往是②

异种生物

的基因。第21页/共51页(3)外源基因插入宿主基因组的部位往往是③

随机

的。2.对转基因生物安全性的争论:主要在④

食物安全、生物安全、环境

安全

三个方面存在激烈的争论。3.理性对待转基因技术:⑤

趋利避害,不能因噎废食

。4.基因身份证(1)否定的理由:个人基因资讯的泄露造成⑥

基因歧视

,势必造成遗传

学失业大军、个人婚姻困难和人际关系疏远等。(2)肯定的理由:一些遗传性疾病在后代中复现率很高,通过基因检测可以

⑦

及早预防,适时治疗

,达到挽救患者生命的目的。第22页/共51页(1)种类:致病菌、⑧

病毒

、生化毒剂,以及经过⑨

基因重组

的致

病菌。(2)中国政府的态度:在任何情况下⑩

不发展、不生产、不储存

生物

武器,并反对

生物武器及其技术和设备

的扩散。5.生物武器第23页/共51页

1.胰岛素是治疗依赖型糖尿病的特效药物,但是天然胰岛素在人体内寿命

只有几小时,重症病人每天得注射好几次药物。通过蛋白质工程可改变胰

岛素的空间结构,以延长胰岛素的半衰期,得到长效胰岛素;还可以在不改

变胰岛素活性部位结构的前提下,增强其他部位的结合强度,使之难以被酶

破坏,从而增强其稳定性,如图是用蛋白质工程设计长效胰岛素的生产过程。第24页/共51页能得到准确表达。(3)用蛋白质工程生产的胰岛素,与天然胰岛素比较,显著的优点是

。(4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是什么?

。

答案

(1)蛋白质的预期功能(2)载体大肠杆菌等受体细胞(3)具有长效性(4)根据新的胰岛素中氨基酸的序列,推测出其基因中的脱氧核苷酸序列,然

后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因

解析

(1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋a(1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键,图中构建新的胰岛素模型的

主要依据是

。(2)通过DNA合成形成的新基因应与

结合后转移到

中才第25页/共51页白质结构进行分子设计,因此,图中构建新的胰岛素模型的依据是胰岛素的

预期功能。(2)合成的目的基因应与载体构建成基因表达载体后导入受体

细胞中才能得以表达。(3)由题中信息可知,利用蛋白质工程技术生产的胰

岛素解决了天然胰岛素在体内不能长期起作用的问题。(4)由新的蛋白质

模型构建新的基因,其基本思路是根据新的蛋白质中氨基酸的序列,推测出

其基因中的脱氧核苷酸序列,然后用DNA合成仪直接合成出新的基因。第26页/共51页2.普通番茄细胞中含有多聚半乳糖醛酸酶基因,控制细胞产生多聚半乳糖

醛酸酶,该酶能破坏细胞壁,使番茄软化,不耐贮藏。科学家们通过基因工

程技术,培育出了抗软化、保鲜时间长的番茄新品种,操作流程如图。请回

答:

第27页/共51页(1)该过程需要的工具酶有

和DNA连接酶。(2)在番茄新品种培育过程中,将目的基因导入受体细胞采用最多的方法是

,筛选含重组DNA的土壤农杆菌时通常要看质粒上的

是

否表达。(3)多聚半乳糖醛酸酶基因和抗多聚半乳糖醛酸酶基因转录产生的mRNA

能相互配对,导致

无法合成,最终使番茄获得了抗软化的性状。(4)转基因生物安全性主要在

、

和

三个方面存

在激烈的争论。(5)除了图示培育方法外,还可通过蛋白质工程技术,对

的结构进行特定的改变,从而获得抗软化的番茄品种,关键的操作是对第28页/共51页

进行定向改造。(6)为防止转基因番茄通过花粉将抗多聚半乳糖醛酸酶基因传播给其他植

物而造成基因污染,可将抗多聚半乳糖醛酸酶基因导入番茄植物细胞的

(结构)中。

答案

(1)限制性核酸内切酶(2)农杆菌转化法标记基因(3)多聚半乳糖醛酸酶(4)食物安全生物安全环境安全(5)多聚半乳糖醛酸酶多聚半乳糖醛酸酶基因(6)线粒体或叶绿体第29页/共51页

解析

(1)基因工程的工具酶有限制酶和DNA连接酶。(2)利用基因工程培育转基因植物时常用农杆菌转化法将目的基因导入受体细胞。(3)据题

意可知,两种基因转录产生的mRNA相互配对,可导致翻译过程无法进行,即

多聚半乳糖醛酸酶不能合成,而使番茄获得抗软化性状。(4)目前对基因的

结构、基因间的相互作用及基因的调控机制等都了解得相当有限;加上目

的基因虽然是功能已知的基因,但不少是异种生物的基因;同时由于外源基

因插入宿主基因组的部位是随机的,因此在转基因生物中有时候会出现一

些人们意想不到的后果,这一切引发了人们在食物安全、生物安全和环境

安全三个方面发生了激烈的争论。(5)蛋白质工程应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→找到相对应的第30页/共51页脱氧核苷酸序列(基因)。(6)为防止转基因番茄通过花粉将抗多聚半乳糖

醛酸酶基因传播给其他植物而造成基因污染,生产上可利用母系遗传的特

点,将相关基因导入细胞质的线粒体或叶绿体中。第31页/共51页突破一基因工程中的工具酶与目的基因1.与DNA相关的酶(1)五种DNA相关酶的比较重难突破

作用底物作用部位形成产物限制酶DNA分子磷酸二酯键黏性末端或平末端DNA连接酶DNA片段磷酸二酯键重组DNA分子DNA聚合酶脱氧核苷酸磷酸二酯键子代DNA解旋酶DNA分子碱基对间的氢键形成脱氧核苷酸单链DNA(水解)酶DNA分子磷酸二酯键游离的脱氧核苷酸第32页/共51页(2)DNA连接酶与限制酶的关系①限制酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。②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限制酶是一类酶,而不是一种酶。④DNA连接酶起作用时不需要模板。2.基因、目的基因和基因文库(1)基因是有遗传效应的DNA片段,是控制生物性状的遗传物质的结构和第33页/共51页功能的基本单位,基因的脱氧核苷酸序列代表遗传信息。(2)目的基因是指基因工程操作中需要的外源基因,它是编码某种蛋白质

的结构基因,如生物的抗逆性基因、抗虫基因等。(3)基因文库:是将含有某种生物不同基因的许多DNA片段,导入受体菌

的群体中储存,各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因。

易混辨析

(1)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,目的基因应插入启动子与终止子之间的部位。(2)基因工程操作过程中只有第三步(将目的基因导入受体细胞)没有碱

基互补配对现象。第34页/共51页(3)农杆菌转化法原理:农杆菌易感染植物细胞,并将其Ti质粒上的T-DNA

转移并整合到受体细胞染色体DNA上。

典例1下列关于生物工程中常见的几种酶的叙述,正确的是

(

)A.DNA连接酶可把目的基因与载体的黏性末端的碱基黏合,形成重组DNAB.限制性核酸内切酶将一个DNA分子片段切成两个片段需消耗两个水分子C.Taq酶是用PCR仪对DNA分子扩增过程中常用的一种耐高温的DNA连接酶D.纤维素酶和果胶酶处理植物细胞获得原生质体,便于植物杂交育种第35页/共51页

解析DNA连接酶起作用的部位是磷酸二酯键;DNA分子是双链,因此切割DNA分子时需要消耗两分子的水;Taq酶是热稳定DNA聚合酶,是连接单

个脱氧核苷酸的,不是DNA连接酶;植物杂交育种是借助有性生殖实现的,

纤维素酶和果胶酶处理植物细胞获得原生质体应用于细胞工程。

答案

B第36页/共51页1-1通过DNA重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。运

用这一技术使羊奶中含有人体蛋白质,下图表示了这一技术的基本过程,在

该工程中所用的基因“剪刀”能识别的序列和切点是—G↓GATCC—,请

回答:

第37页/共51页(1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是

。人体蛋白质基

因“插入”羊体细胞染色体中时需要的酶是

。(2)请画出质粒被切割形成黏性末端的过程图。—G↓GATCC—→(3)人体蛋白质基因之所以能“插入”到羊的染色体内,原因是

。

答案

(1)限制性核酸内切酶DNA连接酶(2)—G↓GATCC——CCTAG↑G—

—GGATCC——CCTAGG—第38页/共51页(3)人的遗传物质(基因)与羊的都为DNA,其物质组成和空间结构相同

解析本题考查基因工程的基本操作,在基因工程中用到的工具酶有限制性核酸内切酶和DNA连接酶,在对载体和目的基因进行切割的时候,一定

要用同种限制性核酸内切酶,才能切出相同的黏性末端,当插入目的基因

时,常用DNA连接酶。第39页/共51页突破二基因工程的应用

1.抗虫棉的培育(1)目的基因:Bt毒蛋白基因(2)抗虫原理:Bt毒蛋白水解成多肽与肠上皮细胞结合,会导致细胞膜穿

孔,细胞肿胀裂解,最后造成害虫死亡。注:Bt毒蛋白基因来自苏云金芽孢杆菌。(3)受体细胞

(4)方法:花粉管通道法(也可用农杆菌转化法或基因枪法)第40页/共51页2.动物反应器(1)外源基因:药用蛋白基因(2)表达条件:药用蛋白基因+乳腺蛋白基因(膀胱内表达的相应基因)+启动

子(3)受体生物——牛、羊等(4)方法:显微注射法(5)种类:乳腺反应器和膀胱反应器。前者受动物性别(只能是雌性)和年龄

(哺乳期)限制,优点是不用提取直接服用;后者需提取后服用,但不受动物性

别和年龄的限制。第41页/共51页3.工程菌(1)概念:用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类细胞系。(2)外源基因:控制合成抗体、疫苗、激素等的基因。(3)受体细胞:微生物细胞。(4)特点:细菌内没有内质网、高尔基体等,产生的药物可能没有活性。(5)药物提取:从微生物细胞中提取。第42页/共51页

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,以达到治疗的目的制作特定DNA探针与病人样品DNA混合分析,根据碱基互补配对原则,分析杂交带情况进展临床实验临床应用4.基因检测和基因治疗的比较第43页/共51页典例2植物生物反应器是指通过基因工程途径,以常见的农作物作为

“化学工厂”,通过大规模种植,生产具有重要功能的蛋白,如人或动物的

疫苗、抗体、工农业用酶等各种高价值的生物制品的方法。列举几例如

表,请据此回答问题:第44页/共51页反应器名称药物名称作用芜菁生物反应器干扰素抗病毒烟草生物反应器Ⅰ生长激素促进生长烟草生物反应器Ⅱ核糖体抑制蛋白抑制HIV增殖番茄生物反应器狂犬病病毒糖蛋白(G蛋白)疫苗马铃薯生物反应器人血清白蛋白(HSA)维持渗透压、pH缓冲、营养等第45页/共51页(1)从基因工程的角度分析,将目的基因导入植物受体细胞的最常用的方法

是

,载体是

,目的基因能在植物体内稳定遗传的关键是

。在检测受体细胞中是否已经导入目的基

因时,分子水平上的检测方法名称是

。(2)从细胞工程的角度分析,建立“化学工厂”的理论基础是

。从

生态学角度考虑操作过程需要

。(3)分析说明烟草生物反应器Ⅱ生产的药物作用机理是

。(4)从细胞膜的结构和功能上分析,生长激素不能使烟草细胞生长的原因是

;吃G蛋白基因已有效表达的番茄果实

(能、不能)预防狂犬病。第46页/共51页

解析

(1)植物转基因常用的方法是农杆菌转化法,农杆菌中含有Ti质粒,其上的T-DNA能