生物教材梳理第六章第节基因工程及其应用

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精庖丁巧解牛知识·巧学一、基因工程的原理1。什么是基因工程基因工程又叫基因拼接技术或DNA重组技术。通俗地说,就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造,然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的，需要有专门的工具.基因工程的最大优势是能按照人们的意愿，定向地改造生物，满足人们的需要，同时，基因工程也有一定的潜在危险性。2。基因操作的工具（1）基因的“剪刀”:指的是限制性核酸内切酶(简称限制酶）。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列,并在特定的切点上切割DNA分子。例如某种限制酶能够将苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因切割下来。知识拓展限制酶是生物体内的一类酶,它们能将外来的DNA切断，但对自己的DNA无损害作用，这样可以保护细胞原有的遗传信息。限制酶具有“特异性”，主要存在于微生物中，现在科学家已经从原核生物中分离出了许多限制酶，并且已经商品化，在基因工程中广泛应用。目前已经发现了200多种限制酶。（2）基因的“针线”：是指DNA连接酶，两种来源不同的DNA用同种限制酶切割后，末端可以相互黏合，但是这种黏合只能使互补的碱基连接起来，脱氧核糖和磷酸交替连接而构成的DNA骨架上的缺口，需要靠DNA连接酶来“缝合”.(3)基因的运载体：是指基因工程中的运输工具。包括质粒、噬菌体和动植物病毒等.最常用的运载体是质粒,它存在于细菌体内的小型环状DNA分子上。质粒存在于许多细菌以及酵母菌等生物中，是细胞除染色体外能够自主复制的很小的环状DNA分子，最常用的质粒是大肠杆菌的质粒。知识拓展作为运载体必须具有三个条件：①能够在宿主细胞中复制并稳定地保存;②具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接；③具有某些标记基因，便于进行筛选.大肠杆菌质粒中常含有抗药性基因，如抗四环素的基因,可作为标记基因.一般地，质粒的存在与否对宿主细胞的生存没有决定性作用。但是，质粒的复制必须在宿主细胞内完成。运载体与质粒不能等同。运载体是基因的运输工具，能将目的基因送到宿主细胞中，并能大量复制;基因操作中常用的运载体有的是细菌的质粒，有的是噬菌体，还有的是经过人工改造的大肠杆菌的质粒。现在人们还在不断寻找新的运载体，如叶绿体或线粒体DNA等也可能成为运载体。3。基因工程操作的一般步骤基因工程的操作一般要经历四个步骤：提取目的基因；目的基因与运载体结合；将目的基因导入受体细胞;目的基因的表达和检测。（1）获得目的基因的方法①“鸟枪法"：具体做法是用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段,将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞所提供的DNA的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制,从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来。②信使RNA反转录法：是以目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的基因。人工合成基因还有另一种方法是根据已知的蛋白质氨基酸序列,推测出相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则,推测出它的结构基因的核苷酸序列，再通过化学方法以单核苷酸为原料合成目的基因。如合成人的胰岛素基因等。(2）将目的基因导入受体细胞的方法用人工的方法将体外重组的DNA分子转移到受体细胞，主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径.例如，如果运载体是质粒，受体细胞是细菌，一般是将细菌用氯化钙处理,以增大细菌细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞，目的基因导入受体细胞后，就可以随受体细胞的繁殖而复制.二、基因工程的应用1。基因工程与作物育种利用基因工程的方法，获得高产、稳产和具有优良品质的农作物，培育出具有各种抗逆性的作物新品种。基因工程培育新品种有下列优势：能按人们的意愿培育新品种；培育出的新品种具有高产、稳产、优良品质等特点；应用范围广泛。2.基因工程与药物研制用基因工程方法制造的“工程菌”,可以高效率地生产出各种高质量、低成本的药品，如胰岛素、干扰素和乙肝疫苗等.基因工程药品是制药工业上的重大突破。1979年，科学家将动物体内能够产生胰岛素的基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌内表达获得成功。这样，用2000L大肠杆菌培养液就可以提取100g胰岛素，相当于从2吨猪胰腺中提取的量。1997年，我国自己生产的白细胞介素2、干扰素、乙肝疫苗、人生长激素等几种基因工程药物也已经投产。利用基因工程制药具有高效率、高质量、高产量的特点，最大限度地满足了人们的需要。3.用于基因诊断和基因治疗基因诊断是用放射性同位素(如32P)、荧光分子等标记的DNA分子作探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息,达到检测疾病的目的。基因治疗是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。用基因治疗的方法治疗疾病，为许多疑难病症，如恶性肿瘤、艾滋病、心血管疾病以及糖尿病等的治疗展现了美好的前景。三、转基因生物和转基因食品的安全性1。转基因生物实例转基因生物包括转基因植物、转基因动物和转基因微生物。用转基因生物生产或制造的食品、食品原料以及食品添加剂等,都可称为转基因食品.①1983年世界上第一例转基因生物——含抗生素药物类抗体的烟草在美国诞生。②1993年第一种市场化转基因食品-—可以延迟成熟的番茄出现。难点剖析培育转基因动物的方法步骤通过基因工程培育转基因动物的过程如下图所示：通过重组DNA技术获得转基因羊的流程图2.转基因生物可能带来的风险主要表现在以下方面(1）转基因作物与其野生亲缘种间的杂交,把具抗性的基因转到野生亲缘种，可能使野生亲缘种成为具抗性的杂草，或者由于转移基因在野生种群中的固定导致野生等位基因的丢失，最终造成遗传多样性的降低。(2）转基因生物中的抗病毒基因可能与其他病毒发生重组，产生超级病毒，给生物界带来巨大的灾难.（3)转基因植物及其产物进入土壤后，可能会与土壤中的微生物发生相互作用，影响一些微生物的活动过程,从而对地球化学循环产生重要影响。转基因生物可能带来的潜在风险，会影响或威胁到生物多样性及生态环境。因此，慎重对待转基因生物是非常必要的。要点提示转基因食品的优、缺点优点：(1）解决粮食短缺问题；（2)减少农药使用，从而减少环境污染;(3）节省生产成本，降低粮食售价；（4）增加食物营养,提高附加价值；(5）增加食物种类，提升食物品质；(6)促进生产效率，带动相关产业发展。缺点：(1）可能产生新毒素和新过敏原；（2)可能产生抗除草剂的杂草；(3)可能使疾病的散播跨越物种障碍;(4）可能会损害农作物的生物多样性；(5）可能干扰生态系统的稳定性.问题·探究问题1重组DNA技术的理论基础是什么？探究:重组DNA技术的理论基础是生物的基因重组。因为这项技术产生的结果是使细胞中的遗传物质组成发生了改变,同时加入的是已经存在的某基因,而不是突变产生的新基因，所以属于生物变异中的基因重组。问题2通过基因工程改变生物性状和常规育种相比较，有什么突出的优势?探究:由于基因工程是在分子水平上进行操作，最终是为了创造出人们所需要的新品种，因而它可以突破物种间的遗传障碍,大跨度地超越物种间的不亲和性。比如在基因工程中最常使用的大肠杆菌，它是一种原核生物，但它却能大量表达来自于人类的某些基因，例如各种人的多肽生长因子基因就可用大肠杆菌来生产，如果用常规的育种技术来做同一项工作，那么成功的机会应为零。因此，科学家们可以利用基因工程实现人类的各种物种改良的愿望。基因工程的最大优势在于其克服了种间杂交的不亲和性.问题3细菌和人是差异非常大的两种生物,为什么通过基因重组后，细菌能够合成人体的某些蛋白质呢?探究：这是因为在基因水平上，人和细菌的遗传机制是一致的。细菌和人的遗传物质都是DNA,都使用同一套遗传密码子，都遵循中心法则.因此，通过基因重组,细菌能够合成人体的某些蛋白质。典题·热题例1上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带白蛋白的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍。“转基因动物"是指()A.提供基因的动物B。基因组中增加外源基因的动物C。能产生白蛋白的动物D.能表达基因信息的动物思路解析：提供基因的动物是一个正常的动物，而不是转基因工程的产物，而且也含有白蛋白基因,因此能产生白蛋白，在产生过程中必然也就完成了该基因的信息表达,因此A、C、D三个选项均是错误的.答案：B深化升华基因工程培育新品种有下列优势:能按人们的意愿培育新品种；培育出的新品种具有高产、稳产、优良品质等特点；应用范围广泛。例2要使目的基因与对应的运载体重组,所需的两种酶是(）①限制酶②连接酶③解旋酶④还原酶A。①② B。③④C。①④ D.②③思路解析：目的基因与对应的运载体结合起来的过程是：先用限制酶分别处理目的基因和运载体，使之露出相同的黏性末端；将切下的目的基因的片段插入到质粒切口处，再用DNA连接酶将处理好的目的基因和运载体的黏性末端接好,就完成了基因的重组.答案：A深化升华目的基因之所以可以和运载体结合，是因为它们具有共同的结构基础和物质基础：都是DNA双螺旋结构,都是由四种脱氧核苷酸组成.例3科学家通过基因工程培育抗虫棉时，需要从苏云金芽孢杆菌中提取出抗虫基因，“放入”棉的细胞中与棉的DNA结合起来并发挥作用，请完成下列有关问题：(1)从苏云金芽孢杆菌中切割抗虫基因所用的工具是__________,此工具主要存在于__________中，其特点是______________________________.(2)苏云金芽孢杆菌一个DNA分子上有许多基因，获得抗虫基因常采用的方法是“鸟枪法”。具体做法是：用__________将苏云金芽孢杆菌的__________切成许多片段，然后将这些片段__________，再通过__________转入不同的受体细胞,让它们在各个受体细胞中大量__________，从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把____________________分离出来。（3)进行基因操作一般要经过的四个步骤是：________________,________________，________________，________________.思路解析：基因工程是一项非常精细的工作，必须有专门的工具,基因操作的工具有基因的“剪刀”——DNA限制性内切酶，基因的“针线"-—DNA连接酶，基因的运输工具——运载体.DNA限制性内切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，并且能在特定的切点上切割DNA分子.直接获得目的基因的方法是“鸟枪法”,其具体做法是用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段,将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体