第十二单元现代生物科技专题

第十二单元　现代生物科技专题第1讲__基因工程[考纲导学]　1.基因工程的诞生(Ⅰ)2．基因工程的原理及技术(含PCR技术)(Ⅱ)3．基因工程的应用(Ⅱ)　4.蛋白质工程(Ⅰ)知识梳理|夯实高考双基回扣教材一、基因工程的概念及优点1．概念：按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。2．优点(1)与杂交育种相比：克服了远缘杂交不亲和的障碍。(2)与诱变育种相比：定向改造生物的遗传性状。二、基因工程的基本操作工具1．限制性核酸内切酶——“分子手术刀”(1)来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。(2)特点：能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。(3)结果：产生黏性末端或平末端。2．DNA连接酶——“分子缝合针”(1)作用：将切下来的DNA片段拼接成新的DNA分子。(2)种类3．基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”(1)种类：质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。(2)质粒特点三、基因工程的操作程序12 ―→―→―→四、基因工程的应用1．植物基因工程：主要用于提高农作物的抗逆能力。以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。2．动物基因工程：主要应用于动物品种改良、建立生物反应器、器官移植等方面。3．基因工程药物：来源于转基因的工程菌。4．基因治疗：把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能。五、蛋白质工程1．流程图写出流程图中字母代表的含义：A．转录，B.翻译，C.分子设计，D.多肽链，E.预期功能。2．结果：改造了现有蛋白质或制造出新的蛋白质。3．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。网络记忆12 重点突破|领悟高考方向重点1　基因工程的操作工具[典例导悟1]下列有关基因工程和酶的相关叙述，正确的是(　　)A．同种限制酶既可以切割目的基因又可以切割质粒，因此不具备专一性B．载体的化学本质与载体蛋白相同C．限制酶不能切割烟草花叶病毒的核酸D．DNA连接酶可催化脱氧核苷酸链间形成氢键【解析】　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，因此具有专一性；载体有质粒、λ噬菌体的衍生物和动植物病毒等，成分为DNA，载体蛋白的化学本质是蛋白质；烟草花叶病毒的核酸为RNA，限制酶不能切割它；DNA连接酶可催化DNA片段间磷酸二酯键的形成。【答案】　C[考点精讲]1．与DNA分子相关的酶(1)五种DNA相关酶的比较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DNADNA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(2)限制酶与DNA连接酶的关系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。12 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．载体的作用和条件(1)作用①作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞内。②利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。(2)具备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DNA的鉴定和选择[命题视角]视角　基因工程操作工具的分析1．(2016·全国丙卷)图(a)中的三个DNA片段上依次表示出了EcoRⅠ、BamHⅠ和Sau3AⅠ三种限制性内切酶的识别序列与切割位点，图(b)为某种表达载体的示意图(载体上的EcoRⅠ、Sau3AⅠ的切点是唯一的)。图(a)图(b)根据基因工程的有关知识，回答下列问题：(1)经BamHⅠ酶切后得到的目的基因可以与上述表达载体被________酶切后的产物连接，理由是_____________________________________________________________________________________________________________。12 (2)若某人利用图(b)所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组子，如图(c)所示。这三种重组子中，不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有________，不能表达的原因是___________________________________________________________________________________________________。图(c)(3)DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来的酶，常见的有________和________，其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是________。【解析】　(1)由题图可知，BamHⅠ和Sau3AⅠ两种限制性内切酶的共同识别序列是，二者切割可以形成相同的黏性末端，因此经BamHⅠ酶切得到的目的基因可以与图(b)所示表达载体被Sau3AⅠ酶切后的产物连接。(2)在基因表达载体中，启动子应位于目的基因的首端，终止子应位于目的基因的尾端，这样基因才能顺利地转录，再完成翻译过程，即顺利表达。图中甲所示的目的基因插入在启动子的上游，丙所示目的基因插入在终止子的下游，二者的目的基因均不能被转录，因此目的基因不能表达。(3)常见的DNA连接酶有E.coliDNA连接酶和T4DNA连接酶，其中T4DNA连接酶既能连接黏性末端又能连接平末端。【答案】　(1)Sau3AⅠ　两种酶切割后产生的片段具有相同的黏性末端　(2)甲和丙　甲中目的基因插入在启动子的上游，丙中目的基因插入在终止子的下游，二者的目的基因均不能被转录(其他合理答案可酌情给分)(3)E.coliDNA连接酶　T4DNA连接酶　T4DNA连接酶(其他合理答案可酌情给分)重点2　基因工程的操作过程及应用[典例导悟2]为获得抗病的马铃薯，往往采用转基因技术，将相关抗病基因转移到马铃薯体内。其过程大致如下图所示。下列相关叙述，正确的是(　　)12 A．图中①过程涉及两种工具酶，目的基因插入的位置为TDNA所在的区段B．图中②过程，农杆菌需经镁离子溶液处理，处理后的细胞处于感受态C．图中③④过程，所用培养基中应添加两种激素，添加顺序对细胞的分化方向无影响D．检测相关抗病基因是否在受体细胞内转录，可采用抗原—抗体杂交法【解析】　图中②过程，农杆菌需经钙离子溶液处理，B错误；植物组织培养所用激素的使用先后顺序及其比例都会影响细胞的分化方向，C错误；检测相关基因是否在受体细胞内转录，可采用DNA－RNA杂交法，而抗原－抗体杂交法检测的是目的基因是否翻译为蛋白质，D错误。【答案】　A[考点精讲]1．基因工程操作的基本步骤(1)目的基因的获取目前有两种途径：一是直接提取目的基因，如从基因文库中获取。二是人工合成目的基因，常用的方法有化学合成法和反转录法。(2)基因表达载体的构建①基因表达载体的组成②构建过程12 (3)将目的基因导入受体细胞细胞类型常用方法受体细胞转化过程植物细胞农杆菌转化法体细胞将目的基因插入Ti质粒的T－DNA上→转入农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的DNA上动物细胞显微注射技术受精卵将含有目的基因的表达载体提纯→取卵→获得受精卵→显微注射→早期胚胎培养→胚胎移植→发育成为具有新性状的动物微生物细胞Ca2＋处理增大细胞壁通透性原核细胞或酵母菌用Ca2＋处理细胞→感受态细胞→重组表达载体DNA分子与感受态细胞混合→感受态细胞吸收(4)目的基因的检测与鉴定2．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(来自苏云金芽孢杆菌)。②抗虫原理：Bt毒蛋白水解成的多肽与肠上皮细胞受体结合，会导致细胞膜穿孔，细胞肿胀裂解，最后造成害虫死亡。③受体细胞12 ④方法：花粉管通道法(也可用农杆菌转化法或基因枪法)。(2)动物反应器①目的基因：药用蛋白基因②表达条件：药用蛋白基因＋乳腺蛋白基因的启动子等③受体细胞——牛、羊的受精卵等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。(3)工程菌①定义：用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系。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。(4)基因诊断与基因治疗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，分析杂交带情况进展临床实验临床应用[命题视角]视角　基因工程的操作程序与应用分析2．(2016·全国乙卷)某一质粒载体如图所示，外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因，Tetr表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载体用BamHⅠ酶切后，与用BamHⅠ12 酶切获得的目的基因混合，加入DNA连接酶进行连接反应，用得到的混合物直接转化大肠杆菌。结果大肠杆菌有的未被转化，有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种，分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列问题：(1)质粒载体作为基因工程的工具，应具备的基本条件有________(答出两点即可)，而作为基因表达载体，除满足上述基本条件外，还需具有启动子和终止子。(2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选，在上述四种大肠杆菌细胞中，未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的，其原因是________________；并且________________和________________的细胞也是不能区分的，其原因是________。在上述筛选的基础上，若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落，还需使用含有________的固体培养基。(3)基因工程中，某些噬菌体经改造后可以作为载体，其DNA复制所需的原料来自于________。【解析】　(1)质粒作为载体，应具备的基本条件有：有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段(基因)插入其中；在受体细胞中能自我复制，或能整合到染色体DNA上，随染色体DNA进行同步复制；有特殊的标记基因，供重组DNA的鉴定和选择；等等。(2)在培养基中加入氨苄青霉素进行筛选，其中未被转化的大肠杆菌和仅含环状目的基因的大肠杆菌，因不含氨苄青霉素抗性基因而都不能在此培养基上存活，二者不能区分。含有质粒载体的大肠杆菌和含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌中都含有氨苄青霉素抗性基因，都能在此培养基上存活，二者也不能区分。若要将含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌进一步筛选出来，还需要使用含有四环素的固体培养基。(3)某些噬菌体经改造后作为载体，导入受体细胞后，其DNA复制所需的原料来自于受体细胞。【答案】　(1)能自我复制、具有标记基因(答出两点即可)(2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因，在该培养基上均不生长　含有质粒载体　含有插入了目的基因的重组质粒(或答含有重组质粒)　二者均含有氨苄青霉素抗性基因，在该培养基上均能生长　四环素　(3)受体细胞[心有灵犀]基因工程操作程序易错点(1)基因表达载体≠载体：基因表达载体与载体相比增加了目的基因。12 (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的调控，所以目的基因应插入启动子与终止子之间的部位，若目的基因插入启动子内部，启动子将失去原功能。(3)启动子≠起始密码子，终止子≠终止密码子：启动子和终止子位于DNA片段上，分别控制转录过程的启动和终止；起始密码子和终止密码子位于mRNA上，分别控制翻译的启动和终止。(4)切割目的基因和载体并非只能用同一种限制酶。如果用两种不同限制酶切割后形成的黏性末端相同时，在DNA连接酶的作用下目的基因与载体也可以连接起来。重点3　蛋白质工程[典例导悟3](2013·广东高考)从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是(　　)A．合成编码目的肽的DNA片段B．构建含目的肽DNA片段的表达载体C．依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽D．筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽【解析】　紧扣蛋白质工程的流程(基本途径)进行分析。由题可知，多肽P1为抗菌性和溶血性均较强的多肽，要设计出抗菌性强但溶血性弱的多肽，即在P1的基础上设计出自然界原本不存在的蛋白质，用蛋白质工程技术可以实现。蛋白质工程的基本途径是：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→找到相对应的脱氧核苷酸序列。故要想在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是依据P1的氨基酸序列设计出多条模拟肽，然后进行改造，从而确定抗菌性强但溶血性弱的多肽的氨基酸序列。【答案】　C[考点精讲]蛋白质工程与基因工程的比较项目蛋白质工程基因工程12 区别过程预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相应的脱氧核苷酸序列(基因)获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定实质定向改造或生产人类所需的蛋白质定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品结果生产自然界中没有的蛋白质生产自然界中已有的蛋白质联系蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程，是对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因修饰或基因合成实现[命题视角]视角　蛋白质工程的过程及应用3．胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下，并要经过较长的时间才能进入血液中，而进入血液的胰岛素又容易被分解，因此，治疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题：(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)人工合成的DNA与________结合后，被转移到________________中才能得到准确表达。(3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有________、________和发酵工程。(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？(5)下列关于蛋白质工程的说法错误的是________。A．蛋白质工程能定向改造蛋白质的结构，使之更加符合人类的需要12 B．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变其结构C．蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子D．蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程【答案】　(1)蛋白质的预期功能　(2)载体　大肠杆菌等受体细胞　(3)蛋白质工程　基因工程　(4)根据新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出其脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因　(5)B[心有灵犀](1)蛋白质工程中，蛋白质的改造是通过基因的改造来实现的，这样的改造可遗传。(2)改造基因时，要进行基因合成或对基因进行修饰，因此，需要用到基因工程中的有关酶，如限制酶、DNA连接酶等。(3)改造后的基因需要表达出相应的蛋白质，可将改造或合成的基因导入受体细胞中让其表达，导入时，仍然需要构建基因表达载体。可见，基因工程技术是蛋白质工程技术的基础，因此，蛋白质工程也叫作第二代基因工程。12