1、选修三第一单元生物技术与生物工程第一章基因工程和蛋白质工程第一节基因工程的原理【考纲考情【考纲考情】最新考纲及要求三年考情(以山东高考卷为例)20142014年20132013年20122012年基因工程的诞生无无无基因工程的原理和技术T36T36非选择题无T36T36非选择题实验：DNADNA的粗提取与鉴定无无无【知识梳理【知识梳理】考点一考点一 基因工程的工具基因工程的工具1.1.限制性内切酶和限制性内切酶和DNADNA连接酶的关系：连接酶的关系：(1)(1)限制性内切酶和限制性内切酶和DNADNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。(2)(2)限制性内切酶不切
2、割自身限制性内切酶不切割自身DNADNA的原因是原核生物中不存在该酶的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。识别序列或识别序列已经被修饰。(3)DNA(3)DNA连接酶起作用时，不需要模板。连接酶起作用时，不需要模板。2.2.作为载体的条件：作为载体的条件：条件适应性稳定并能复制目的基因稳定存在且数量可扩大有一个至多个限制性内切酶切割位点可携带多个或多种外源基因具有特殊的标记基因便于重组DNADNA的鉴定和选择【提分技法【提分技法】与与DNADNA有关的五种酶的比较有关的五种酶的比较作用底物作用部位形成产物限制性内切酶DNADNA分子磷酸二酯键黏性末端DNADNA连接酶D
3、NADNA片段磷酸二酯键重组DNADNA分子DNADNA聚合酶脱氧核苷酸磷酸二酯键子代DNADNA解旋酶DNADNA分子碱基对间的氢键形成脱氧核苷酸单链DNA(DNA(水解)酶DNADNA分子磷酸二酯键游离的脱氧核苷酸考点二考点二 基因工程的基本操作程序基因工程的基本操作程序1.1.目的基因的获得：目的基因的获得：(1)(1)直接分离法：最常用的方法是直接分离法：最常用的方法是“鸟枪法鸟枪法”。目的基因获得后可用。目的基因获得后可用PCRPCR进一步扩增。进一步扩增。(2)(2)人工合成法：反转录法或通过人工合成法：反转录法或通过DNADNA合成仪用化学方法直接合成目合成仪用化学方法直接合成目
4、的基因。的基因。2.2.重组载体的构建：重组载体的构建：(1)(1)重组载体组成。重组载体组成。启动子、终止子：是基因转录的起点和终点，在转录过程中起调启动子、终止子：是基因转录的起点和终点，在转录过程中起调控作用。控作用。标记基因：作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，标记基因：作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来，如抗生素抗性基因。从而将含有目的基因的细胞筛选出来，如抗生素抗性基因。目的基因：能控制特定性状的外源基因。目的基因：能控制特定性状的外源基因。(2)(2)重组载体的构建步骤：重组载体的构建步骤：3.3.重组载体的导入和筛选：重组载体的导入
5、和筛选：生物种类植物动物微生物常用方法农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法显微注射技术感受态细胞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TiTi质粒的T-T-DNADNA上农杆菌导入植物细胞整合到受体细胞的DNADNA上表达将含有目的基因的表达载体提纯取卵(受精卵)显微注射受精卵发育获得具有新性状的动物CaCa2+2+处理细胞感受态细胞重组表达载体DNADNA分子与感受态细胞混合感受态细胞吸收DNADNA分子4.4.目的基因的表达与鉴定：目的基因的表达与鉴定：【高考警示【高考警示】(1)(1)限制性内切酶剪切目的基因与质粒的次数不同：获取一个目的基限制性内切酶剪切目的基因与质粒的
6、次数不同：获取一个目的基因需限制性内切酶剪切因需限制性内切酶剪切2 2次，共产生次，共产生4 4个黏性末端，切割质粒则只需个黏性末端，切割质粒则只需要限制性内切酶剪切要限制性内切酶剪切1 1次，因为质粒是环状次，因为质粒是环状DNADNA分子，而目的基因在分子，而目的基因在DNADNA分子链上。分子链上。(2)(2)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，所以目的基因应插入到启动子与终止子之间的部位。的调控，所以目的基因应插入到启动子与终止子之间的部位。(3)(3)基因工程操作过程中只有第三步基因工程操作过程中只有
7、第三步(重组载体的导入和筛选重组载体的导入和筛选)没有没有碱基互补配对现象：第一步存在反转录法获得碱基互补配对现象：第一步存在反转录法获得DNADNA，第二步存在黏，第二步存在黏性末端连接现象，第四步存在检测分子水平杂交。性末端连接现象，第四步存在检测分子水平杂交。(4)(4)并非所有个体都可作为乳腺生物反应器：操作成功的应该是雌并非所有个体都可作为乳腺生物反应器：操作成功的应该是雌性个体，个体本身的繁殖速度较高，泌乳量、蛋白含量等都是应该性个体，个体本身的繁殖速度较高，泌乳量、蛋白含量等都是应该考虑的因素。考虑的因素。考点三考点三 尝试尝试DNADNA的提取与鉴定的提取与鉴定1.1.实验原理
8、：实验原理：(1)DNA(1)DNA的粗提取。的粗提取。十二烷基磺酸钠十二烷基磺酸钠(SDS)(SDS)能使蛋白质变性，在研磨液中加入能使蛋白质变性，在研磨液中加入SDSSDS可使可使蛋白质与蛋白质与DNADNA分离；乙二胺四乙酸二钠分离；乙二胺四乙酸二钠(EDTA)(EDTA)可防止细胞破碎后可防止细胞破碎后DNADNA分子被降解。分子被降解。DNADNA不溶于酒精溶液，而许多其他物质可溶于酒精溶液，利用这一不溶于酒精溶液，而许多其他物质可溶于酒精溶液，利用这一原理可提取出含杂质较少的原理可提取出含杂质较少的DNADNA。(2)DNA(2)DNA的鉴定：的鉴定：DNADNA遇二苯胺遇二苯胺(
9、沸水浴沸水浴)会染成蓝色。会染成蓝色。2.2.实验步骤：实验步骤：(1)DNA(1)DNA的粗提取：的粗提取：材料准备：新鲜菠菜和体积分数为材料准备：新鲜菠菜和体积分数为95%95%的酒精溶液，冷冻至少的酒精溶液，冷冻至少24 h24 h 研磨：称取研磨：称取30 g30 g新鲜菠菜叶切碎，置于研钵中，加新鲜菠菜叶切碎，置于研钵中，加10 mL10 mL研磨液，研磨液，迅速研磨成糊状迅速研磨成糊状过滤：在漏斗中垫尼龙纱布，将研磨液滤入塑料烧杯中过滤：在漏斗中垫尼龙纱布，将研磨液滤入塑料烧杯中离心：将滤液倒入离心：将滤液倒入5 mL5 mL塑料离心管中，以塑料离心管中，以1 000 r/min1
10、 000 r/min的速度离心的速度离心 10 min10 min加冷酒精：取出上清液，倒入加冷酒精：取出上清液，倒入50 mL50 mL塑料烧杯中，加入两倍体塑料烧杯中，加入两倍体 积的体积分数为积的体积分数为95%95%的冷酒精，并用玻璃棒沿一个的冷酒精，并用玻璃棒沿一个 方向缓缓搅拌方向缓缓搅拌白色丝状物白色丝状物类型一类型一 基因工程的基本工具基因工程的基本工具【典例【典例1 1】(2015(2015德州模拟德州模拟)如图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式如图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，据图回答下列问题。图，据图回答下列问题。(1)a(1)a代表的物质和质粒的化学本质都是代表的物质和
11、质粒的化学本质都是_，二者还，二者还具有其他共同点，如具有其他共同点，如_，_(_(写出两条写出两条即可即可)。(2)(2)若质粒若质粒DNADNA分子的切割末端为分子的切割末端为 ，则与之连接的目的基，则与之连接的目的基因切割末端应为因切割末端应为_；可使用；可使用_把质把质粒和目的基因连接在一起。粒和目的基因连接在一起。(3)(3)氨苄青霉素抗性基因在质粒氨苄青霉素抗性基因在质粒DNADNA上称为上称为_，其作用是，其作用是_。(4)(4)下列常在基因工程中用为载体的是下列常在基因工程中用为载体的是()A.A.苏云金芽孢杆菌抗虫基因苏云金芽孢杆菌抗虫基因B.B.土壤农杆菌环状土壤农杆菌环状
12、RNARNA分子分子C.C.大肠杆菌的质粒大肠杆菌的质粒D.D.动物细胞的染色体动物细胞的染色体【解题指南【解题指南】解答本题需注意两点：解答本题需注意两点：(1)(1)质粒的化学本质是小型环状质粒的化学本质是小型环状DNADNA分子。分子。(2)(2)质粒作为载体的条件以及载体的种类。质粒作为载体的条件以及载体的种类。【解析【解析】(1)a(1)a代表的物质是大型环状代表的物质是大型环状DNADNA分子，质粒是一种裸露的、分子，质粒是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核之外的小型环状结构简单、独立于细菌拟核之外的小型环状DNADNA分子，两者都能自我分子，两者都能自我复制，并蕴含遗传信息。复
13、制，并蕴含遗传信息。(2)(2)与质粒与质粒DNADNA分子的切割末端能够连接的目的基因切割末端之间能够分子的切割末端能够连接的目的基因切割末端之间能够发生碱基互补配对，可使用发生碱基互补配对，可使用DNADNA连接酶将它们连接在一起。连接酶将它们连接在一起。(3)(3)质粒质粒DNADNA分子上的氨苄青霉素抗性基因可以作为标记基因，便于对分子上的氨苄青霉素抗性基因可以作为标记基因，便于对重组重组DNADNA进行鉴定和筛选。进行鉴定和筛选。(4)(4)作为载体必须具备的条件：作为载体必须具备的条件：在宿主细胞中能保存下来并能大量在宿主细胞中能保存下来并能大量复制；复制；有多个限制性内切酶切点；
14、有多个限制性内切酶切点；有一定的标记基因，便于筛选。有一定的标记基因，便于筛选。常用的载体有质粒、常用的载体有质粒、噬菌体的衍生物、动植物病毒等。苏云金芽孢噬菌体的衍生物、动植物病毒等。苏云金芽孢杆菌抗虫基因一般作为目的基因；土壤农杆菌环状杆菌抗虫基因一般作为目的基因；土壤农杆菌环状RNARNA分子不容易在分子不容易在宿主细胞内保存；动物细胞染色体的主要成分是宿主细胞内保存；动物细胞染色体的主要成分是DNADNA和蛋白质，不能和蛋白质，不能被限制性内切酶切割，因此不能用作载体。被限制性内切酶切割，因此不能用作载体。答案：答案：(1)DNA(1)DNA能够自我复制具有遗传特性能够自我复制具有遗传
15、特性(2)(2)DNADNA连接酶连接酶(3)(3)标记基因供重组标记基因供重组DNADNA的鉴定和选择的鉴定和选择(4)C(4)C【延伸探究【延伸探究】(1)(1)从自然界中获取的题中图示结构能不能直接应用于基因工程？为从自然界中获取的题中图示结构能不能直接应用于基因工程？为什么？什么？提示：提示：不能。一般来说，天然载体往往不能满足人类的所有要求，因不能。一般来说，天然载体往往不能满足人类的所有要求，因此人们根据不同的目的和需要，对某些天然的载体进行人工改造。此人们根据不同的目的和需要，对某些天然的载体进行人工改造。(2)(2)目的基因能否插入氨苄青霉素抗性基因处？为什么？目的基因能否插入
16、氨苄青霉素抗性基因处？为什么？提示：提示：不能。标记基因的作用是用于重组不能。标记基因的作用是用于重组DNADNA的鉴定和筛选，若插入的鉴定和筛选，若插入标记基因处，则无法保证标记基因的完整，进而影响进一步的鉴定和标记基因处，则无法保证标记基因的完整，进而影响进一步的鉴定和筛选。筛选。【加固训练【加固训练】据图表回答问题：据图表回答问题：限制性内切酶SmaSmaEcoREcoRPstPst切割位点CCCGGGCCCGGGGGGCCCGGGCCCGAATTCGAATTCCTTAAGCTTAAGCTGCAGCTGCAGGACGTCGACGTC(1)(1)假设所用的限制性内切酶均能将所识别的位点完全
17、切开，采用假设所用的限制性内切酶均能将所识别的位点完全切开，采用EcoREcoR和和PstPst酶切含有目的基因的酶切含有目的基因的DNADNA片段，能得到片段，能得到_种种DNADNA片段。如果将质粒和含目的基因的片段。如果将质粒和含目的基因的DNADNA片段只用片段只用EcoREcoR酶切，酶切产酶切，酶切产物再加入物再加入DNADNA连接酶，其中由两个连接酶，其中由两个DNADNA片段之间连接形成的产物有片段之间连接形成的产物有_、_、_。(2)(2)为了防止目的基因和质粒表达载体酶切后的末端任意连接，酶切为了防止目的基因和质粒表达载体酶切后的末端任意连接，酶切时应该选用的酶是时应该选用
18、的酶是_、_。【解析【解析】(1)(1)含目的基因的含目的基因的DNADNA分子上含有分子上含有2 2个个EcoREcoR和和1 1个个PstPst的酶的酶切位点，三个切点全部切开，则形成切位点，三个切点全部切开，则形成4 4种种DNADNA片段。质粒与含目的基因片段。质粒与含目的基因的的DNADNA片段都用片段都用EcoREcoR切割，目的基因两端和质粒的切口处的黏性末切割，目的基因两端和质粒的切口处的黏性末端相同，只考虑两个端相同，只考虑两个DNADNA片段相连，则会形成三种连接产物，即质粒片段相连，则会形成三种连接产物，即质粒与质粒相连、质粒与目的基因相连、目的基因与目的基因相连。与质粒
19、相连、质粒与目的基因相连、目的基因与目的基因相连。(2)(2)为了防止自连，可选用为了防止自连，可选用EcoREcoR和和SmaSma两种酶同时切割，因为质粒两种酶同时切割，因为质粒和和DNADNA片段均有这两种酶存在。片段均有这两种酶存在。答案：答案：(1)4(1)4质粒质粒质粒连接物目的基因质粒连接物目的基因目的基因连接物质目的基因连接物质粒粒目的基因连接物目的基因连接物(2)EcoR(2)EcoRSmaSma类型二类型二 基因工程的操作过程基因工程的操作过程【典例【典例2 2】(2015(2015淄博模拟淄博模拟)在某些深海鱼中发现的抗冻蛋白基因在某些深海鱼中发现的抗冻蛋白基因afpaf
20、p对提高农作物的抗寒能力有较好的应用价值。下图所示是获得对提高农作物的抗寒能力有较好的应用价值。下图所示是获得转基因莴苣的技术流程，请据图回答下列问题：转基因莴苣的技术流程，请据图回答下列问题：(1)(1)获取目的基因的主要途径包括从自然界已有的物种中分离和获取目的基因的主要途径包括从自然界已有的物种中分离和_。(2)(2)过程需要的酶有过程需要的酶有_、_。(3)(3)重组载体除了带有抗冻蛋白基因重组载体除了带有抗冻蛋白基因afpafp以外，还必须含有启动子、以外，还必须含有启动子、终止子和终止子和_，这样才能构成一个完整的重组载体。，这样才能构成一个完整的重组载体。(4)(4)如果受体细胞
21、如果受体细胞C C1 1是土壤农杆菌，则将目的基因导入它的目的是利是土壤农杆菌，则将目的基因导入它的目的是利用农杆菌的用农杆菌的_，使目的基因进入受体细胞，使目的基因进入受体细胞C C2 2，并将其插，并将其插入受体细胞入受体细胞C C2 2中的中的_上，使目的基因的遗传特性得以稳上，使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达，形成转基因莴苣。经定维持和表达，形成转基因莴苣。经过程获得的转基因莴苣中的目过程获得的转基因莴苣中的目的基因是否表达，在分子水平上可用的基因是否表达，在分子水平上可用_法进行检测，如法进行检测，如果出现杂交带，说明目的基因已经表达蛋白质产品，转基因莴苣培育果出现杂交带，说明
22、目的基因已经表达蛋白质产品，转基因莴苣培育成功。成功。【解题指南【解题指南】解答本题的关键是明确以下三点：解答本题的关键是明确以下三点：(1)(1)目的基因的获取方法。目的基因的获取方法。(2)(2)重组载体的组成。重组载体的组成。(3)(3)目的基因导入植物细胞的方法及检测方法。目的基因导入植物细胞的方法及检测方法。【解析【解析】(1)(1)获取目的基因的主要途径有从自然界已有的物种中分离获取目的基因的主要途径有从自然界已有的物种中分离和人工合成。和人工合成。(2)(2)过程为重组载体的构建过程，需要用到限制性内切酶和过程为重组载体的构建过程，需要用到限制性内切酶和DNADNA连接连接酶。酶
23、。(3)(3)一个完整的重组载体包括目的基因、启动子、终止子和标记基因。一个完整的重组载体包括目的基因、启动子、终止子和标记基因。(4)(4)农杆菌转化法利用的是农杆菌的转化作用，将目的基因整合到受农杆菌转化法利用的是农杆菌的转化作用，将目的基因整合到受体细胞的染色体体细胞的染色体DNADNA上，进而使目的基因能够稳定遗传和表达。检测上，进而使目的基因能够稳定遗传和表达。检测目的基因是否成功表达可采用抗原目的基因是否成功表达可采用抗原抗体杂交法。抗体杂交法。答案：答案：(1)(1)人工合成人工合成(2)(2)限制性内切酶限制性内切酶DNADNA连接酶连接酶(3)(3)标记基因标记基因(4)(4
24、)转化作用染色体转化作用染色体DNADNA抗原抗原抗体杂交抗体杂交【延伸探究【延伸探究】如何对该转基因莴苣进行个体水平的检测？请设计简单如何对该转基因莴苣进行个体水平的检测？请设计简单检测思路。检测思路。提示：提示：可以将该转基因莴苣种植在寒冷环境中，若能够正常生长，说可以将该转基因莴苣种植在寒冷环境中，若能够正常生长，说明目的基因已经表达出蛋白质产品，否则，说明没有表达。明目的基因已经表达出蛋白质产品，否则，说明没有表达。【加固训练【加固训练】基因工程是在现代生物学、化学和工程学基础上建立和基因工程是在现代生物学、化学和工程学基础上建立和发展起来的，并有赖于微生物学理论和技术的发展运用。基因
25、工程基发展起来的，并有赖于微生物学理论和技术的发展运用。基因工程基本操作流程如下图，请据图分析回答问题。本操作流程如下图，请据图分析回答问题。(1)(1)图中图中A A是是_；在基因工程中，需要在；在基因工程中，需要在_酶的作用下才能完成剪接过程。酶的作用下才能完成剪接过程。(2)(2)在上述基因工程的操作过程中，可以遵循碱基互补配对原则的步在上述基因工程的操作过程中，可以遵循碱基互补配对原则的步骤有骤有_(_(用图解中序号表示用图解中序号表示)。(3)(3)不同种生物之间的基因移植成功，从分子水平分析，进行基因工不同种生物之间的基因移植成功，从分子水平分析，进行基因工程的主要理论依据是程的主
26、要理论依据是_，也说明了生物，也说明了生物共用一套共用一套_。(4)(4)研究中发现，番茄体内的蛋白酶抑制剂对害虫的消化酶有抑制作研究中发现，番茄体内的蛋白酶抑制剂对害虫的消化酶有抑制作用，导致害虫无法消化食物而被杀死，人们成功地将番茄的蛋白酶抑用，导致害虫无法消化食物而被杀死，人们成功地将番茄的蛋白酶抑制剂基因导入玉米体内，玉米获得了与番茄相似的抗虫性状，玉米这制剂基因导入玉米体内，玉米获得了与番茄相似的抗虫性状，玉米这种变异的来源是种变异的来源是_。(5)(5)科学家在某种植物中找到了抗枯萎病的基因，并用基因工程的方科学家在某种植物中找到了抗枯萎病的基因，并用基因工程的方法将该基因导入金茶
27、花叶片细胞的染色体法将该基因导入金茶花叶片细胞的染色体DNADNA上，经培养长成的植株上，经培养长成的植株具备了抗病性，这说明目的基因具备了抗病性，这说明目的基因(抗枯萎病的基因抗枯萎病的基因)已已_。如果把该基因导入叶绿体如果把该基因导入叶绿体DNADNA中，将来产生的配子中中，将来产生的配子中_(填填“一定一定”或或“不一定不一定”)含有抗病基因。含有抗病基因。【解析【解析】(1)(1)在基因工程中常用的工具酶是限制性内切酶和在基因工程中常用的工具酶是限制性内切酶和DNADNA连接酶。连接酶。(2)(2)基因工程的操作步骤包括获取目的基因，重组载体的构建，将目基因工程的操作步骤包括获取目的
28、基因，重组载体的构建，将目的基因导入受体细胞，目的基因的检测与鉴定。只有将目的基因导入的基因导入受体细胞，目的基因的检测与鉴定。只有将目的基因导入受体细胞过程不遵循碱基互补配对原则。受体细胞过程不遵循碱基互补配对原则。(3)(3)基因工程的操作基础是不同生物的基因工程的操作基础是不同生物的DNADNA结构基本形式相同，且共用结构基本形式相同，且共用一套遗传密码子。一套遗传密码子。(4)(4)基因工程又称基因工程又称DNADNA重组技术，其变异原理为基因重组。重组技术，其变异原理为基因重组。(5)(5)如果把抗枯萎病的基因导入叶绿体如果把抗枯萎病的基因导入叶绿体DNADNA中，将来产生的雌配子中可中，将来产生的雌配子中可能含有抗病基因，雄配子中不含抗病基因。能含有抗病基因，雄配子中不含抗病基因。答案：答案：(1)(1)载体限制性内切酶和载体限制性内切酶和DNADNA连接连接(2)(2)(3)(3)不同生物的不同生物的DNADNA结构基本形式相同密码子结构基本形式相同密码子(4)(4)基因重组基因重组(5)(5)表达不一定表达不一定
