选修3基因工程资料课件

选修3现代生物科技专题[展示考纲考频]

1.基因工程的诞生(Ⅰ)[☆]

2.基因工程的原理及技术(Ⅱ)[☆☆☆]

3.基因工程的应用(Ⅱ)[☆☆☆]

4.蛋白质工程(Ⅰ)[☆]

5.DNA的粗提取与鉴定(实验)[☆]专题1基因工程一、基因工程的工具1．限制酶(1)来源：主要从

中分离纯化。(2)特点：识别双链DNA中某种

，并且使特定部位的

断开。(3)类型形成：产生

或

两种形式。2．DNA连接酶(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酸间的

。特定核苷酸序列核苷酸之间的磷酸二酯键黏性末端平末端原核生物磷酸二酯键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

；具有

。(3)作用：

。(4)特点：可在细胞中

或整合到

上随染色体DNA进行同步复制。二、基因工程的操作程序1．获取目的基因(1)目的基因：主要指编码蛋白质的基因。限制酶切点标记基因携带外源DNA片段进入受体细胞染色体DNA自我复制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

，并且可以

，同时使目的基因能够表达和发挥作用。(2)基因表达载体组成：目的基因＋启动子＋终止子＋标记基因。启动子：

，能驱动基因转录出mRNA。终止子：使转录终止的一段有特殊结构的DNA短片段。标记基因：作用是鉴定受体细胞中是否含有

。稳定存在遗传给下一代RNA聚合酶识别和结合部位目的基因(3)构建过程3．将目的基因导入受体细胞(1)植物细胞：

。(2)动物细胞：

。(3)微生物细胞：

。4．目的基因的检测与鉴定农杆菌转化法显微注射法感受态细胞法三、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

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．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

；用于改善畜产品品质；用转基因动物生产

；用转基因动物作器官移植的

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

。(3)基因诊断：又称为DNA诊断，是采用

的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体。外源基因物种之间的界限产量药物供体品质基因检测(4)基因治疗：指利用

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。3．蛋白质工程(1)概念：以蛋白质分子的结构规律及其与

作为基础，通过

，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

序列→找到对应的

序列(基因)。正常基因生物功能的关系基因修饰或基因合成氨基酸脱氧核苷酸思考辨析1．判断关于基因工程工具及基本操作过程说法的正误。(1)限制酶只能用于切割目的基因(×)(2)DNA连接酶能将两碱基间通过形成氢键连接起来(×)(3)E·coliDNA连接酶既可以连接平末端，又可以连接黏性末端(×)(4)载体的作用是携带目的基因导入受体细胞中，使之稳定存在并表达(√)(5)质粒是小型环状DNA分子，是基因工程常用的载体(√)(6)检测目的基因是否导入受体细胞可用抗原—抗体杂交技术(×)(7)目的基因导入双子叶植物一般采用农杆菌转化法(√)2．判断关于基因工程的应用及蛋白质工程说法的正误。(1)蛋白质工程可按照人的意愿生产出自然界中不存在的蛋白质(√)(2)基因治疗是把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的(√)(3)利用PCR技术能合成目的基因(×)(4)利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品，如人的血清白蛋白，这是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中(×)(5)目前，植物基因工程技术主要应用于提高农作物的抗逆性、生产某些天然药物、改良农作物的品质、作器官移植的供体(×)1．基因工程的概念基因工程的概念与操作工具分析2.“分子手术刀”——限制性核酸内切酶(限制酶)(1)存在：主要存在于原核生物中。(2)特性：一种限制酶只能识别一种

，并且能在

切割DNA分子。(4)切割后末端的种类：DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式——

和平末端。特定的核苷酸序列特定的切点上黏性末端3．分子缝合针——DNA连接酶(1)常用的种类：E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶。(2)作用：把两个DNA片段的“缝隙”(末端)连接起来。(3)作用实质：使两个DNA单链末端之间形成

而连接成一个DNA分子。4．分子的运输车——载体(1)载体的作用：载体是基因运输工具，在基因操作过程中，使用载体有两个目的：一是用它作为运载工具，将目的基因送到宿主细胞中；二是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量

。(2)载体的种类：目前，基因工程中经常使用的载体主要有细菌的

、噬菌体、动植物病毒几类。(3)载体具备的条件①能在宿主细胞内

并

。②有多个限制酶切割位点，以便与外源基因连接。③具有某些

，以便进行筛选。磷酸二酯键复制质粒稳定保存大量复制遗传标记基因[特别提醒]

(1)获取目的基因和切割载体时使用同一种限制酶，目的是产生相同的黏性末端。(2)获取一个目的基因需限制酶剪切两次，共产生4个黏性末端或平末端。(3)限制酶切割位点的选择必须保证标记基因的完整性，以便于检测。1．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液中。请回答：(1)将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用方法是________。(2)在基因工程中，将目的基因与运载体结合时必须用________酶和________酶。常用的运载体有________等，而作为运载体必须具备相应的条件，例如应具有________以便进行筛选。进行基因转移时，通常要将外源基因转入________中，原因是_______________。(3)通常采用________技术检测外源基因是否插入了小鼠的基因组。(4)在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因在小鼠的________细胞中特异性表达。(5)为使外源基因在后代中长期保持，可将转基因小鼠体细胞的________转入小鼠去核卵母细胞中构成重组细胞，使其发育成与供体具有相同性状的个体。该技术称为________。解析：本题考查基因工程的过程及应用。将目的基因转移到动物或者植物体内，通过栽培转基因植物或饲养转基因动物来生产蛋白质类药物或者疫苗，这种方法称为生物反应器。常用的生物反应器是乳腺生物反应器。将目的基因转入动物体细胞的常用方法是显微注射法。形成重组质粒时，切割目的基因和载体要用同一种限制酶，然后再用DNA连接酶将目的基因与运载体相结合。培养转基因动物最常用的受体细胞是受精卵，因为受精卵是全能性最高的动物细胞。膀胱生物反应器是利用膀胱上皮细胞产生人的生长激素，所以目的基因表达的场所是膀胱上皮细胞。只有无性繁殖才可以稳定地保存该遗传性状，所以可以通过克隆的方法长期保存该外源基因。答案：(1)显微注射法(2)同种限制DNA连接质粒(或动植物病毒或噬菌体)标记基因受精卵受精卵具有全能性，可使外源基因在相应组织细胞中表达(3)DNA分子杂交(4)膀胱上皮(5)细胞核核移植(或克隆)1．目的基因的获取(1)目的基因的获取方法①从

中获取，包括从供体细胞直接获取和从基因文库中获取。②人工合成，包括

和

。(2)扩增目的基因①PCR技术的原理：DNA双链复制。②PCR过程：加热至90～95℃，DNA解链→冷却到55～60℃，引物结合到互补DNA链→加热至70～75℃，DNA聚合酶从引物起始进行互补链的合成。基因工程的基本操作程序生物材料反转录法化学合成法(3)基因文库、基因组文库、cDNA文库的概念及作用①基因组文库：含有一种生物的

。②cDNA文库：含有一种生物的

，一般由mRNA逆转录而来。③基因文库包括基因组文库和cDNA文库。④作用：有了基因文库，就可随时从中提取所需要的目的基因，导入受体细胞使之表达。

2．基因表达载体的构建全部基因部分基因(1)基因表达载体的组成①

：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短片段，位于基因的尾端。作用是使

停止。③标记基因：一般为抗生素

或荧光基因等，其作用是鉴别受体细胞中是否含有

(目的基因是否导入成功)。(2)基因表达载体的构建方法启动子转录过程抗性基因目的基因3．将目的基因导入受体细胞(1)转化的概念：目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内

和

的过程。(2)常用的转化方法(3)转化实质：目的基因整合到受体细胞

中。维持稳定表达基因组4．目的基因的检测和鉴定[特别提醒]

(1)只有第三步将目的基因导入受体细胞不需碱基互补配对，其余三个步骤都涉及碱基互补配对。(2)工具酶只有两种：限制酶在操作程序1、2中用到且要求用同一种，目的是产生相同的黏性末端；DNA连接酶只在操作程序2中用到。2．科学家通过基因工程方法，将苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因转入普通棉株细胞内，并成功实现了表达，从而培育出了能抗棉铃虫的棉花植株——抗虫棉。其过程大致如图所示：(1)基因工程的操作程序主要包括的四个步骤是___________、________、______________、________________。(2)Ti质粒是农杆菌中的一种质粒，其上有T­DNA，把目的基因插入Ti质粒的T­DNA中是利用T­DNA______________________________________________的特点。(3)Bt毒蛋白基因转入普通棉株细胞内并成功实现表达的过程，在基因工程中称为________。(4)将目的基因导入受体细胞的方法有很多种，该题中涉及的是________。(5)目的基因能否在棉株体内稳定维持和表达其遗传特性的关键是________________________，这需要通过检测才能知道，检测采用的方法是________。解析：解答本题需注意基因操作的四个步骤和相关的操作技术以及基因载体应具备的条件。答案：(1)目的基因的获取基因表达载体的构建将目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定(2)可转移至受体细胞并且整合到受体细胞染色体DNA上(3)转化(4)农杆菌转化法(5)目的基因是否插入了受体生物细胞的染色体DNA上DNA分子杂交技术1．植物基因工程的应用基因工程的应用2.动物基因工程的应用3.基因治疗的类型比较3．(2014年安徽合肥模拟)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。列举几例如下表，请据此回答问题：(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________，运载体是________，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。解析：(1)将目的基因导入植物受体细胞的常用方法是农杆菌转化法，农杆菌中含有Ti质粒，其上的TDNA能将目的基因整合到植物染色体DNA上去。目的基因在受体细胞中稳定遗传的关键是目的基因是否整合到受体细胞的染色体DNA上，可以利用DNA分子杂交技术来检测。(2)化学工厂指利用转基因植株生产人类所需功能蛋白，转基因植物细胞形成转基因植株过程是通过植物组织培养来实现的，其理论基础是植物细胞的全能性。植物组织培养整个过程应无菌操作。(3)烟草生物反应器Ⅱ生产的是核糖体抑制蛋白，能抑制HIV感染者的T细胞中核糖体功能，导致HIV蛋白质合成受阻，从而抑制HIV的增殖。(4)植物细胞膜上没有生长激素的受体，所以生长激素不能促进植物细胞生长。G蛋白是大分子的蛋白质，食用G蛋白后G蛋白被分解成氨基酸，不能达到预防狂犬病的目的。答案：(1)农杆菌转化法Ti质粒整合到受体细胞染色体的DNA上DNA分子杂交技术(2)细胞的全能性无菌操作(或预防微生物感染或预防杂菌污染)(3)该药物能抑制HIV感染者的T细胞(或被HIV感染的人体细胞)的核糖体合成HIV蛋白质(4)烟草细胞(膜)上无生长激素的受体不能1．概念：以蛋白质分子的结构及其与生物功能的关系作为基础，通过

或

，对现有蛋白质进行

，或制造一种

，以满足人类生产和生活的需求。2．基本原理：它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代基因工程。3．基本途径：从

蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的

→找到相对应的

(基因)，流程如图：蛋白质工程基因修饰基因合成改造新的蛋白质预期氨基酸序列脱氧核苷酸序列4．应用：主要集中应用于对现有蛋白质进行改造，改良生物性状。5．蛋白质工程与基因工程的比较4．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，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在70℃下保存半年，给广大患者带来福音。(1)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”的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”：(2)基因工程和蛋白质工程相比较，基因工程在原则上只能生产________的蛋白质，不一定符合________的需要。而蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过________或________，对现有蛋白质进行________，或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________结构。(4)对天然蛋白质进行改造，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？_______________________________。原因是_________________________________。解析：本题综合了蛋白质工程与基因工程的异同，并考查了蛋白质工程的原理及在生产实践中的应用。基因工程遵循中心法则，从DNA→mRNA→蛋白质折叠产生功能，从而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→蛋白质应有的空间结构→蛋白质应有的氨基酸序列→基因应有的碱基排列→创造出自然界不存在的蛋白质。蛋白质的结构是由基因决定的，基因可以遗传给后代，而蛋白质不能直接遗传下去。答案：(1)预期蛋白质的功能蛋白质三维结构应有的氨基酸序列相应的脱氧核苷酸序列(基因)(2)自然界已存在的人类生产和生活基因修饰基因合成改造(3)空间(4)应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因也就是对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去；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也无法遗传；②对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作，难度要小得多DNA分子的粗提取与鉴定1．DNA与蛋白质理化性质的区别(1)溶解度的区别(2)DNA对酶、高温、洗涤剂的耐受性与蛋白质的区别2.DNA的鉴定实验5．自博耶和科恩成功地使外源基因在原核细胞中表达开始，基因工程正式问世了，人们对DNA的关注也越来越多。分析并回答下列问题：(1)从生物组织中提取DNA时，若要获取含有DNA的滤液，需破碎细胞；若为鸡的成熟红细胞，可以加入一定量的蒸馏水，原因是细胞________而涨破；若为植物细胞可以加入一定量的洗涤剂。(2)利用DNA和RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面的差异，可以将它们分离。如DNA的溶解度在NaCl溶液浓度为________时最小，可以使DNA与其他杂质初步分离。(3)为了纯化提取的DNA，可以用95%的酒精去除滤液中的杂质。其原理是DNA不溶于酒精溶液，但细胞中的某些物质却可以溶于酒精溶液，可以推测溶于酒精中的物质可能有________。(4)一般DNA的鉴定试剂为________，沸水浴后溶液中有DNA则颜色为________。解析：(1)常采用吸水膨胀的方法使动物细胞涨破。(2)当NaCl溶液浓度为0.14mol·L－1时，DNA溶解度最低。(3)DNA不溶于酒精，而蛋白质、脂质等杂质溶于酒精。(4)DNA在沸水浴条件下与二苯胺呈蓝色反应。答案：(1)吸水膨胀(2)0.14mol·L－1

(3)蛋白质、脂质(4)二苯胺蓝色[例1]

(2014年上海闵行区模拟)回答下列有关遗传信息传递和表达的问题。Ⅰ.基因工程操作步骤中，需要从受体细胞群中筛选出已获得目的基因的细胞，图1中①～③表示一种筛选方法的过程。pBR322质粒含有两个抗性基因，分别是Ampr(氨苄青霉素)抗性基因和Tet(四环素)抗性基因，其中在Tet抗性基因上有下列目的基因的插入位点(插入将导致Tet抗性基因功能性失活)，请回答：图1基因工程的基本过程(1)图1中①过程所需的酶是___________________________。(2)经过①过程，pBR322质粒可能出现的两种结果：A是_____。(3)②过程表示用含四环素(使细胞停止生长，但不致死)和氨苄青霉素(使生长的细胞致死)的培养基培养细菌甲，则培养结果C表示在培养基中可能存活的细菌包括：______________________。(4)若要进一步筛选出符合要求的受体细胞D，则③过程需要做的处理是(请参照过程②的方法)____________________________。Ⅱ.基因工程中使用的Ⅱ型限制性核酸内切酶通常可以识别长度为4～8个核苷酸的特异序列。图2表示限制酶Sau3AⅠ对DNA片段切割的结果。(5)请分析，Sau3AⅠ的识别序列以及切割位点(用“↓”表示)是________。[解析]

本题考查基因工程的基本过程。(1)①过程为构建基因表达