選修3 現(xiàn)代生物科技專題 專題1 4基因工程 生物技術(shù)的安全性和倫理問題 考綱導(dǎo)讀 一 基因工程 DNA重組 體外DNA重組 1 概念 又叫 技術(shù) 是指按照人們的愿望 進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì) 通過 和 等技術(shù) 賦予生物以新的遺傳特性 從而創(chuàng)造出更符合人們需要的新的 生物類型和生物產(chǎn)品 轉(zhuǎn)基因 2 基本工具 1 限制性核酸內(nèi)切酶 分子手術(shù)刀 核苷酸序列 功能 能夠識(shí)別雙鏈DNA分子的某種特定 并使每一條鏈中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的 鍵 斷開 磷酸二酯 黏性 大腸桿菌 黏性末端或平 結(jié)果 形成 末端或平末端 2 DNA連接酶 分子縫合針 末端 3 基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體 分子運(yùn)輸車 特點(diǎn) 具有一個(gè)至多個(gè)限制酶切割位點(diǎn) 供外源DNA片段 基因 插入其中 攜帶外源DNA片段進(jìn)入受體細(xì)胞后 在細(xì)胞中進(jìn)行自我復(fù)制 或整合到染色體DNA上 隨染色體DNA進(jìn)行同步復(fù)制 有特殊的 供重組DNA的鑒定 和選擇 標(biāo)記基因 本質(zhì) 小分子雙鏈環(huán)狀DNA 質(zhì)粒 種類 常用 噬菌體的衍生物 動(dòng)植物病毒等 作用 攜帶 進(jìn)入受體細(xì)胞 外源基因 3 基本步驟 目的基因 1 的獲取 從基因文庫(kù)中獲取 利用PCR技術(shù)擴(kuò)增 人工合成 從基因文庫(kù)中獲取 DNA 基因文庫(kù)的含義 將含有某種生物不同基因的許多 導(dǎo)入受體菌的群體中儲(chǔ)存 各個(gè)受體菌分別含有這 種生物的不同的基因 DNA雙鏈復(fù)制 利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因 a 原理 片段 b 前提條件 要有一段已知目的基因的 以便根據(jù)這一序列合成引物 c 條件 目的基因 DNA聚合酶和4種脫氧 核苷酸 引物 d 擴(kuò)增過程 受熱 引物 DNA聚合酶 變性 目的基因DNA 變性解旋為單鏈 復(fù)性 冷卻后 結(jié)合到互補(bǔ)DNA鏈上 延伸 在 作用下 從引物起始進(jìn)行互補(bǔ)鏈的合成 核苷酸序列 e 結(jié)果 每一次循環(huán)后 目的基因的量可以 即成指數(shù)形式擴(kuò)增 約為2n n為擴(kuò)增循環(huán)的次數(shù) 人工合成法 如果基因比較小 核苷酸序列又已知 可 通過 用化學(xué)方法直接人工合成 DNA合成儀 2 基因表達(dá)載體的構(gòu)建 基因工程的核心 目的 使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在 并可以遺傳給下一代 使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用 基因表達(dá)載體的組成 目的基因 終止子 標(biāo)記基因 啟動(dòng)子 增加一倍 3 將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 導(dǎo)入植物細(xì)胞 采用 基因槍法 花 粉管通道法等 農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法 顯微注射 導(dǎo)入動(dòng)物細(xì)胞 主要采用 技術(shù) 導(dǎo)入微生物 先用 處理再融合 4 目的基因的檢測(cè)和鑒定 DNA分子雜交 技術(shù) DNA探針 轉(zhuǎn)基因生物DNA 檢測(cè)是否有目的基因 分子雜交技術(shù) DNA探針 轉(zhuǎn)基因生物mRNA 檢測(cè)目 的基因是否 轉(zhuǎn)錄 抗原 抗體 雜交 檢測(cè)目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì) 對(duì)生物進(jìn)行個(gè)體生物學(xué)水平的鑒定 Ca2 4 應(yīng)用 抗逆 藥物 工程菌 正常基因 二 蛋白質(zhì)工程 修飾 改造 1 概念 以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ) 通過基因 或基因合成 對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行 或制造一種新的蛋白質(zhì) 以滿足人類的生產(chǎn)和生活 的需求 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 氨基酸 脫氧核苷酸 2 過程 預(yù)期蛋白質(zhì)功能 設(shè)計(jì) 推測(cè)應(yīng)有的 序列 找到相對(duì)應(yīng)的 序列 基因 3 進(jìn)展 胰島素 耗電少和效率高 1 科學(xué)家通過對(duì) 的改造 已使其成為速效型藥品 2 生物和材料科學(xué)家正積極探索將蛋白質(zhì)工程應(yīng)用于微電子方面 用蛋白質(zhì)工程方法制成的電子元件 具有 的特點(diǎn) 三 生物技術(shù)的安全性和倫理問題 1 轉(zhuǎn)基因生物的安全性 生物多樣性 1 轉(zhuǎn)基因成果 基因工程藥物 轉(zhuǎn)基因家畜 家禽優(yōu)良品種 生物反應(yīng)器 生產(chǎn)細(xì)胞產(chǎn)品 轉(zhuǎn)基因抗性作物等 2 對(duì)安全性問題的爭(zhēng)論 生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性 食物安全 毒性蛋白 過敏原 營(yíng)養(yǎng)成分的改變等 生物安全 對(duì) 的影響 趨利避害 環(huán)境安全 對(duì) 和人類生活環(huán)境的影響 3 理性看待轉(zhuǎn)基因技術(shù) 正確的態(tài)度是 而不能因噎廢食 2 生物技術(shù)的倫理問題 1 克隆人 生殖性克隆人 中國(guó)政府的態(tài)度 禁止 四不原則 任何生殖性克隆人的實(shí)驗(yàn) 但中國(guó)不反對(duì)治療性克隆 2 設(shè)計(jì)試管嬰兒 不贊成 不允許 不支持 不接受 設(shè)計(jì)試管嬰兒需對(duì)胚胎進(jìn)行 基因檢測(cè) 多數(shù)人持認(rèn)可態(tài)度 3 基因檢測(cè) 基因 身份證 記錄某個(gè)人某些基因資訊的 身份證 人們對(duì)基因檢測(cè)的兩種觀點(diǎn) 3 禁止生物武器 1 生物武器的種類 致病菌 病毒 生化毒劑及經(jīng)基因重組的致病菌等 2 生物武器的散布方式 直接或通過食物 生活必需品等 散布到敵方 軍隊(duì)和平民 3 生物武器的危害 對(duì) 造成大規(guī)模殺傷 判斷正誤 1 切割質(zhì)粒的限制性核酸內(nèi)切酶均能特異性地識(shí)別6個(gè)核 苷酸序列 2 載體質(zhì)粒通常采用抗生素合成基因作為篩選標(biāo)記基因 3 限制酶只能用于切割目的基因 4 DNA連接酶能將兩堿基間通過氫鍵連接起來 5 中國(guó)政府禁止生殖性克隆人 但不反對(duì)治療性克隆 答案 1 2 3 4 5 考點(diǎn)一 DNA重組技術(shù)的基本工具 考點(diǎn)梳理 1 限制性核酸內(nèi)切酶 1 來源 多數(shù)來自原核生物 2 作用特點(diǎn) 主要切割外源DNA 而對(duì)自身的DNA不起作用 達(dá)到保護(hù)自身的目的 專一性 只能識(shí)別DNA分子中特定的核苷酸序列 且只能在每一條鏈中特定的部位進(jìn)行切割 3 識(shí)別序列的特點(diǎn) 限制酶識(shí)別的序列大多數(shù)為回文對(duì)稱結(jié)構(gòu) 切割位點(diǎn)在DNA兩條鏈相對(duì)稱的位置 4 作用結(jié)果 黏性末端和平末端 黏性末端 是限制酶在它識(shí)別序列的中軸線兩側(cè)將DNA 的兩條鏈分別切開時(shí)形成的 錯(cuò)位切 如下圖所示 平末端 是限制酶在識(shí)別序列的中軸線切開時(shí)形成的 平 切 如下圖所示 5 作用實(shí)質(zhì) 使特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵 斷開 6 限制酶選擇的注意事項(xiàng) 根據(jù)目的基因兩端的限制酶切點(diǎn)確定限制酶的種類a 應(yīng)選擇切點(diǎn)位于目的基因兩端的限制酶 如圖甲可選擇 Pst b 不能選擇切點(diǎn)位于目的基因內(nèi)部的限制酶 如圖甲不能 選擇Sma c 為避免目的基因和質(zhì)粒的自身環(huán)化和隨意連接 也可使用不同的限制酶切割目的基因和質(zhì)粒 如圖甲也可選擇用Pst 和EcoR 兩種限制酶 但要確保質(zhì)粒上也有這兩種酶的切點(diǎn) 根據(jù)質(zhì)粒的特點(diǎn)確定限制酶的種類 a 所選限制酶要與切割目的基因的限制酶相一致 以確保 具有相同的黏性末端 b 質(zhì)粒作為載體必須具備標(biāo)記基因等 所以所選擇的限制酶盡量不要破壞這些結(jié)構(gòu) 如圖乙中限制酶Sma 會(huì)破壞標(biāo)記基因 如果所選酶的切點(diǎn)不是一個(gè) 則切割重組后可能丟失某些片段 若丟失的片段含復(fù)制起點(diǎn)區(qū) 則切割重組后的片段進(jìn)入受體細(xì)胞后不能自主復(fù)制 2 DNA連接酶 1 作用實(shí)質(zhì) 恢復(fù)被限制酶切開的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸 二酯鍵 使兩個(gè)DNA分子連接成一個(gè)DNA 2 常用種類及作用 E coliDNA連接酶 來源于大腸桿菌 連接黏性末端 T4DNA連接酶 來源于T4噬菌體 連接黏性末端和平 末端 效率較低 3 基因的運(yùn)輸工具 載體 1 作用 作為運(yùn)載工具 將目的基因運(yùn)入宿主細(xì)胞中 利用它在宿主細(xì)胞內(nèi)對(duì)目的基因進(jìn)行大量復(fù)制 2 載體必須具備以下三個(gè)條件 3 種類 細(xì)菌質(zhì)粒 細(xì)菌擬核DNA以外的小型環(huán)狀DNA 噬菌體的衍生物和某些病毒的DNA 4 基因工程的基本原理和理論基礎(chǔ)概括 如下圖 基因工程操作基本工具的幾個(gè)易錯(cuò)點(diǎn) 1 限制酶是一類酶 而不是一種酶 2 限制酶的本質(zhì)為蛋白質(zhì) 其作用的發(fā)揮需要適宜的理化 條件 高溫 強(qiáng)酸或強(qiáng)堿均易使之變性失活 3 在切割目的基因和載體時(shí)一般要用同一種限制酶 目的 是產(chǎn)生相同的黏性末端 4 將一個(gè)基因從DNA分子上切割下來 需要切兩處 同 時(shí)產(chǎn)生4個(gè)黏性末端 5 不同DNA分子用同一種限制酶切割產(chǎn)生的黏性末端都相同 同一個(gè)DNA分子用不同的限制酶切割 產(chǎn)生的黏性末端一般不相同 6 限制酶切割位點(diǎn)應(yīng)位于標(biāo)記基因之外 不能破壞標(biāo)記基 因 以便進(jìn)行檢測(cè) 7 基因工程中的載體與細(xì)胞膜上物質(zhì)運(yùn)輸?shù)妮d體不同 基因工程中的載體是DNA分子 能將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞內(nèi) 膜載體是蛋白質(zhì) 與細(xì)胞膜的通透性有關(guān) 高考探究 考向1 限制性核酸內(nèi)切酶 典例1 2016年江蘇卷 下表是幾種限制酶識(shí)別序列及其切割位點(diǎn) 圖1 圖2中標(biāo)注了相關(guān)限制酶的酶切位點(diǎn) 其中切割位點(diǎn)相同的酶不重復(fù)標(biāo)注 請(qǐng)回答下列問題 圖1 圖2 1 用圖中質(zhì)粒和目的基因構(gòu)建重組質(zhì)粒 應(yīng)選用 兩種限制酶切割 酶切后的載體和目的基因片段 通過 酶作用后獲得重組質(zhì)粒 為了擴(kuò)增重組質(zhì)粒 需將其轉(zhuǎn)入處于 態(tài)的大腸桿菌 2 為了篩選出轉(zhuǎn)入了重組質(zhì)粒的大腸桿菌 應(yīng)在篩選平板培養(yǎng)基中添加 平板上長(zhǎng)出的菌落 常用PCR輔助鑒定 所用的引物組成為圖2中的 3 若BamH 酶切的DNA末端與Bcl 酶切的DNA末端連接 連接部位的6個(gè)堿基對(duì)序列為 對(duì)于該部位 這兩種酶 填 都能 都不能 或 只有一種能 切開 4 若用Sau3A 切割圖1質(zhì)粒最多可能獲得 種大 小不同的DNA片段 解析 1 選擇的限制酶應(yīng)在目的基因兩端存在識(shí)別位點(diǎn) 但BamH 會(huì)破壞質(zhì)粒中的抗性基因 因此選Bcl 和Hind 酶切后的載體和目的基因片段 通過DNA連接酶作用后獲得重組質(zhì)粒 為了擴(kuò)增重組質(zhì)粒 需將其轉(zhuǎn)入處于感受態(tài)的大腸桿菌中 2 為了篩選出轉(zhuǎn)入重組質(zhì)粒的大腸桿菌 根據(jù)質(zhì)粒上的抗性基因 應(yīng)在篩選平板培養(yǎng)基中添加四環(huán)素 PCR技術(shù)要求兩種引物分別和目的基因的兩條單鏈結(jié)合 沿相反的方向合成子鏈 3 根據(jù)BamH 和Bcl 的酶切位點(diǎn) BamH 酶切的DNA末端與Bcl 酶切的DNA末端連接 連接部位的6個(gè) 不同 4 根據(jù)BamH Bcl 和Sau3A 的酶切位點(diǎn)可知 Sau3A 在質(zhì)粒上有三個(gè)酶切位點(diǎn) 完全酶切可得到3種片段分別記為A B C 若部分位點(diǎn)被切開 可得到AB AC BC ABC4種片段 所以用Sau3A 切圖1質(zhì)粒最多可能獲得7種大小不同的DNA片段 答案 1 Bcl 和Hind DNA連接 感受 2 四環(huán)素 引物甲和引物丙 與DNA分子相關(guān)的酶 續(xù)表 考向2 基因工程的原理及工具 典例2 2014年海南卷 下圖是將某細(xì)菌的基因A導(dǎo)入大腸桿菌內(nèi) 制備 工程菌 的示意圖 據(jù)圖回答下列問題 1 獲得A有兩條途徑 一是以A的mRNA為模板 在 酶的催化下 合成互補(bǔ)的單鏈DNA 然后在 的作用下合成雙鏈DNA 從而獲得所需基因 二是根據(jù)目標(biāo)蛋白質(zhì)的 序列 推測(cè)出相應(yīng)的mRNA序列 然后按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則 推測(cè)其DNA的 序列 再通過化學(xué)方法合成所需基因 2 利用PCR技術(shù)擴(kuò)增DNA時(shí) 需要在反應(yīng)體系中添加的有機(jī)物質(zhì)有 4種脫氧核糖核苷三磷酸和耐熱性的DNA聚合酶 擴(kuò)增過程可以在PCR擴(kuò)增儀中完成 3 由A和載體B拼接形成的C通常稱為 4 基因工程中 常用Ca2 處理D 其目的是 解析 1 利用逆轉(zhuǎn)錄法合成目的基因是以mRNA為模板 在逆轉(zhuǎn)錄酶的催化作用下合成單鏈DNA 然后在DNA聚合酶作用下 合成雙鏈DNA分子 蛋白質(zhì)工程合成目的基因的過程是 根據(jù)目標(biāo)蛋白質(zhì)的氨基酸序列 推測(cè)相應(yīng)的mRNA序列 然后按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則 推測(cè)DNA中脫氧核苷酸的排列順序 再通過化學(xué)方法合成 2 PCR過程中需要酶 底物 模板 引物和能量等條件 3 目的基因和運(yùn)載體結(jié)合 形成重組DNA 基因表達(dá)載體 4 在利用大腸桿菌作受體細(xì)胞時(shí) 需要先用Ca2 處理 使之成為感受態(tài)細(xì)胞 有利于其吸收重組DNA 分子 答案 1 逆轉(zhuǎn)錄 DNA聚合酶 氨基酸 脫氧核苷酸 2 引物 模板DNA 3 重組DNA 基因表達(dá)載體 4 使其成為感受態(tài)細(xì)胞 有利于吸收重組DNA分子 考向預(yù)測(cè) 1 以下是兩種限制酶切割后形成的DNA片段 分析回答問題 GC CG AATTC G GC CG CTTAA G 1 其中 和 是由一種限制酶切割形成的 末端 兩者要重組成一個(gè)DNA分子 所用DNA連接酶通常是 2 和 是由另一種限制酶切割形成的 末端 兩者要形成重組DNA片段 所用DNA連接酶通常是 解析 1 根據(jù)題意和圖示分析可知 和 是由一種限制酶切割形成的平末端 兩者要重組成一個(gè)DNA分子 所用DNA連接酶通常是T4DNA連接酶 形成磷酸二酯鍵 2 和 是由另一種限制酶切割形成的黏性末端 兩者要形成重組DNA片段 所用DNA連接酶通常是E coliDNA連接酶 答案 1 平 T4DNA連接酶 2 黏性 E coliDNA連接酶 2 質(zhì)粒是基因工程中最常用的載體 質(zhì)粒上有標(biāo)記基因 如下圖所示 通過標(biāo)記基因可推知外源基因插入的位置 插入位置不同 細(xì)菌在培養(yǎng)基上的生長(zhǎng)情況也不同 下圖表示外源基因的插入位置 插入點(diǎn)有a b c 1 質(zhì)粒的基本組成單位是 2 將細(xì)菌放在含有四環(huán)素 氨芐青霉素的培養(yǎng)基中培養(yǎng) 屬于基因工程操作中的 步驟 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究外源基因插入的位置 3 步驟 將導(dǎo)入外源基因的細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng) 產(chǎn)生大量細(xì)菌 分組 將細(xì)菌平均分成兩組并標(biāo)號(hào)為1 2 培養(yǎng) 將第1組細(xì)菌放入 中培養(yǎng) 將第2組細(xì)菌放入 中培養(yǎng) 觀察并記錄結(jié)果 4 預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論 若1組 2組均能正常生長(zhǎng) 則外源基因插入點(diǎn)是 若1組能正常生長(zhǎng) 2組不能生長(zhǎng) 則外源基因插入點(diǎn) 是 若1組不能生長(zhǎng) 2組能正常生長(zhǎng) 則外源基因插入點(diǎn) 是 解析 1 質(zhì)粒是小型環(huán)狀DNA分子 其基本組成單位是脫氧核苷酸 2 抗四環(huán)素基因和抗氨芐青霉素基因都屬于標(biāo)記基因 其目的是便于目的基因的檢測(cè)與鑒定 3 分別將導(dǎo)入外源基因的細(xì)菌放在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基和含四環(huán)素的培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng) 觀察能否生長(zhǎng) 4 若目的基因插入a點(diǎn) 則受體細(xì)胞既具有抗四環(huán)素的能力 又具有抗氨芐青霉素的能力 若目的基因插入b點(diǎn) 則受體細(xì)胞只具有抗四環(huán)素的能力 若目的基因插入c點(diǎn) 則受體細(xì)胞只具有抗氨芐青霉素的能力 據(jù)此可判斷目的基因插入的位置 答案 1 脫氧核苷酸 2 目的基因的檢測(cè)與鑒定 3 含氨芐青霉素的培養(yǎng)基 含四環(huán)素的培養(yǎng)基 4 a c b 考點(diǎn)二 基因工程的基本操作程序 考點(diǎn)梳理 1 目的基因的獲取 1 目的基因 主要是編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因 人類所需的 2 獲取方法 說明 基因文庫(kù)相當(dāng)于某種生物的基因倉(cāng)庫(kù) 儲(chǔ)存著大量該物種的基因 2 基因表達(dá)載體的構(gòu)建 重組質(zhì)粒的構(gòu)建 1 構(gòu)建步驟 2 構(gòu)建載體主要考慮的因素 具有選擇性標(biāo)記基因 如抗生素抗性基因 以便選擇出 真正的轉(zhuǎn)基因生物 用作載體的質(zhì)粒的插入部位前須有啟動(dòng)子 后須有終止 子 使用與獲取目的基因相同的限制酶 這樣形成的黏性末 端堿基之間互補(bǔ) 便于連接 3 將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法 4 目的基因的檢測(cè)與鑒定 高考探究 考向 基因工程的基本操作程序 典例3 2015年海南卷 在體內(nèi) 人胰島素基因表達(dá)可合成出一條稱為前胰島素原的肽鏈 此肽鏈在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中經(jīng)酶甲切割掉氨基端一段短肽后成為胰島素原 進(jìn)入高爾基體的胰島素原經(jīng)酶乙切割去除中間片段C后 產(chǎn)生A B兩條肽鏈 再經(jīng)酶丙作用生成由51個(gè)氨基酸殘基組成的胰島素 目前 利用基因工程技術(shù)可大量生產(chǎn)胰島素 回答下列問題 1 人體內(nèi)合成前胰島素原的細(xì)胞是 合成胰高血糖素的細(xì)胞是 2 可根據(jù)胰島素原的氨基酸序列 設(shè)計(jì)并合成編碼胰島素原的 序列 用該序列與質(zhì)粒表達(dá)載體構(gòu)建胰島素原基因重組表達(dá)載體 再經(jīng)過細(xì)菌轉(zhuǎn)化 篩選及鑒定 即可建立能穩(wěn)定合成 的基因工程菌 3 用胰島素原抗體檢測(cè)該工程菌的培養(yǎng)物時(shí) 培養(yǎng)液無抗原 抗體反應(yīng) 菌體有抗原 抗體反應(yīng) 則用該工程菌進(jìn)行工業(yè)發(fā)酵時(shí) 應(yīng)從 中分離 純化胰島素原 胰島素原經(jīng)酶處理便可轉(zhuǎn)變?yōu)橐葝u素 解析 1 由題意可知 前胰島素原在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)加工后成為胰島素 人體合成胰島素的細(xì)胞是胰島B細(xì)胞 所以合成前胰島素原的細(xì)胞也是胰島B細(xì)胞 合成胰高血糖素的細(xì)胞是胰島A細(xì)胞 2 根據(jù)胰島素原的氨基酸序列 可設(shè)計(jì)并合成編碼胰島素原的DNA序列 即目的基因 用該序列與質(zhì)粒表達(dá)載體構(gòu)建胰島素原基因重組表達(dá)載體 再經(jīng)過細(xì)菌轉(zhuǎn)化 篩選及鑒定 即可建立能穩(wěn)定合成人胰島素原的基因工程菌 3 根據(jù)題意 培養(yǎng)液無抗原抗體反應(yīng) 菌體有抗原 抗體反應(yīng) 所以用該工程菌進(jìn)行工業(yè)發(fā)酵時(shí) 應(yīng)從菌體中分離 純化胰島素原 經(jīng)酶處理便可轉(zhuǎn)變?yōu)橐葝u素 答案 1 胰島B細(xì)胞 胰島A細(xì)胞 2 DNA 胰島素原 3 菌體 基因工程操作過程中的四個(gè)注意點(diǎn) 1 限制酶剪切目的基因與質(zhì)粒的次數(shù)不同 獲取一個(gè)目的基因需限制酶剪切2次 共產(chǎn)生4個(gè)黏性末端或平末端 切割質(zhì)粒則只需限制酶剪切1次 因?yàn)橘|(zhì)粒是環(huán)狀DNA分子 而目的基因在DNA分子鏈上 2 切割目的基因和載體并非只能用同一種限制酶 如果用兩種不同限制酶切割后形成的黏性末端相同時(shí) 在DNA連接酶的作用下目的基因與載體也可以連接起來 3 目的基因的插入點(diǎn)不是隨意的 基因表達(dá)需要啟動(dòng)子與終止子的調(diào)控 所以目的基因應(yīng)插入到啟動(dòng)子與終止子之間的部位 4 基因工程操作過程中只有第三步?jīng)]有堿基互補(bǔ)配對(duì)現(xiàn)象 第一步存在于用逆轉(zhuǎn)錄法等獲得DNA時(shí) 第二步存在于黏性末端連接時(shí) 第四步存在于檢測(cè)分子水平雜交時(shí) 考向預(yù)測(cè) 3 2017年新課標(biāo) 卷 幾丁質(zhì)是許多真菌細(xì)胞壁的重要成分 幾丁質(zhì)酶可催化幾丁質(zhì)水解 通過基因工程將幾丁質(zhì)酶基因轉(zhuǎn)入植物體內(nèi) 可增強(qiáng)其抗真菌病的能力 回答下列問題 1 在進(jìn)行基因工程操作時(shí) 若要從植物體中提取幾丁質(zhì)酶的mRNA 常選用嫩葉而不選用老葉作為實(shí)驗(yàn)材料 原因是 提取RNA時(shí) 提取液中需添加RNA酶抑制劑 其目的是 2 以mRNA為材料可以獲得cDNA 其原理是 3 若要使目的基因在受體細(xì)胞中表達(dá) 需要通過質(zhì)粒載體而不能直接將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 原因是 答出兩點(diǎn)即可 4 當(dāng)幾丁質(zhì)酶基因和質(zhì)粒載體連接時(shí) DNA連接酶催化形 成的化學(xué)鍵是 5 若獲得的轉(zhuǎn)基因植株 幾丁質(zhì)酶基因已經(jīng)整合到植物的基因組中 抗真菌病的能力沒有提高 根據(jù)中心法則分析 其可能的原因是 解析 1 在進(jìn)行基因工程操作時(shí) 若要從植物體中提取幾丁質(zhì)酶的mRNA 常選用嫩葉而不選用老葉作為實(shí)驗(yàn)材料 原因是嫩葉組織細(xì)胞易破碎 提取RNA時(shí) 提取液中需添加RNA酶抑制劑 其目的是防止RNA降解 2 以mRNA為材料可以獲得cDNA 其原理是在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下 以mRNA為模板按照堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則可以合成cDNA 3 若要使目的基因在受體細(xì)胞中表達(dá) 需要通過質(zhì)粒載體而不能直接將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 原因是目的基因無復(fù)制原點(diǎn) 目的基因無表達(dá)所需啟動(dòng)子和終止子 4 當(dāng)幾丁質(zhì)酶基因和質(zhì)粒載體連接時(shí) DNA連接酶催化形成的化學(xué)鍵是磷酸二酯鍵 5 若獲得的轉(zhuǎn)基因植株 幾丁質(zhì)酶基因已經(jīng)整合到植物的基因組中 抗真菌病的能力沒有提高 根據(jù)中心法則分析 其可能的原因是目的基因的轉(zhuǎn)錄或翻譯異常 答案 1 嫩葉組織細(xì)胞易破碎 防止RNA降解 2 在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下 以mRNA為模板按照堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則可以合成cDNA 3 目的基因無復(fù)制原點(diǎn) 目的基因無表達(dá)所需啟動(dòng)子 4 磷酸二酯鍵 5 目的基因的轉(zhuǎn)錄或翻譯異常 4 將富含賴氨酸的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胗衩准?xì)胞 并培育成富含賴氨酸的玉米植株 如下圖 請(qǐng)回答下列問題 1 過程為構(gòu)建基因表達(dá)載體 需用 切割目的基因 基因表達(dá)載體的組成 除了目的基因外 還必須有 2 過程為把重組質(zhì)粒導(dǎo)入土壤農(nóng)桿菌 首先必須用 處理土壤農(nóng)桿菌 使土壤農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)變?yōu)楦惺軕B(tài) 然后將 放在緩沖液中混合培養(yǎng)完成轉(zhuǎn)化過程 3 目的基因在玉米植株體內(nèi)穩(wěn)定遺傳的關(guān)鍵是 這需要通過檢測(cè)才能知道 檢測(cè)采用的方法是 4 過程為將玉米細(xì)胞培育成植株 該過程所用培養(yǎng)基中除添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外 還需要添加 填植物激素 添加植物激素的目的是誘導(dǎo)外植體發(fā)生 兩者連接起來 2 受體細(xì)胞為農(nóng)桿菌 需用Ca2 處理農(nóng)桿菌 解析 1 構(gòu)建基因表達(dá)載體時(shí) 需用同種限制酶分別切割載體和目的基因 產(chǎn)生相同的黏性末端 再用DNA連接酶把 使農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)變?yōu)楦惺軕B(tài) 然后將重組質(zhì)粒和感受態(tài)細(xì)胞放在緩沖液中完成轉(zhuǎn)化過程 3 目的基因在玉米植株體內(nèi)穩(wěn)定遺傳的關(guān)鍵是目的基因插入到受體細(xì)胞的染色體DNA分子上 可通過DNA分子雜交技術(shù)進(jìn)行檢測(cè) 4 植物組織培養(yǎng)過程中培養(yǎng)基中需要添加的植物激素是生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素 生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素是啟動(dòng)細(xì)胞分裂 脫分化和再分化的關(guān)鍵性激素 答案 1 限制酶 啟動(dòng)子 終止子 標(biāo)記基因 2 Ca2 重組質(zhì)粒和感受態(tài)細(xì)胞 DNA 3 目的基因插入到受體細(xì)胞的染色體DNA分子上分子雜交技術(shù) 4 生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素 脫分化和再分化 考點(diǎn)三 基因工程的應(yīng)用 生物技術(shù)的安全性及蛋白質(zhì)工程 考點(diǎn)梳理 1 基因工程的應(yīng)用 1 基因工程的應(yīng)用舉例 2 基因工程藥物 來源 主要來自轉(zhuǎn)基因的工程菌 也可來自各類生物反 應(yīng)器 成果 細(xì)胞因子 抗體 疫苗 激素等 作用 預(yù)防和治療人類腫瘤 心血管疾病 遺傳病 各 種傳染病 糖尿病 類風(fēng)濕等疾病 2 生物技術(shù)的安全性和倫理問題 1 轉(zhuǎn)基因生物的優(yōu)缺點(diǎn) 2 試管嬰兒與克隆人 試管嬰兒和設(shè)計(jì)試管嬰兒的比較 a 不同點(diǎn) 設(shè)計(jì)試管嬰兒在胚胎移植前需進(jìn)行遺傳學(xué)診斷或基因診斷 試管嬰兒不需進(jìn)行遺傳學(xué)診斷或基因診斷 圖中 是試管嬰兒的培育過程 是設(shè)計(jì)試管嬰兒的培育過程 應(yīng)用 試管嬰兒主要是解決不孕夫婦的生育問題 設(shè)計(jì)試 管嬰兒主要用于白血病 貧血癥等疾病的治療 b 相同點(diǎn) 都是體外受精 并進(jìn)行體外早期胚胎培養(yǎng) 都 要經(jīng)過胚胎移植 都屬于有性生殖 治療性克隆和生殖性克隆的比較 3 生物武器的特點(diǎn)及傳播途徑 特點(diǎn) a 傳染性強(qiáng) b 污染面廣 危害時(shí)間長(zhǎng) c 難以防 治 d 具有一定的潛伏期 e 受自然條件影響大 傳播途徑 a 經(jīng)食物和水傳播 b 空氣傳播 c 接觸傳播 d 蟲媒傳播 e 病原體直接傳播 3 蛋白質(zhì)工程 1 蛋白質(zhì)工程的流程圖 2 基因工程和蛋白質(zhì)工程的比較 續(xù)表 高考探究 考向1 基因工程的應(yīng)用 典例4 2016年寧夏銀川一模 人們預(yù)防與診療傳染性疾病經(jīng)常使用疫苗和抗體 已知禽流感傳染性疾病的病原體為一種RNA病毒 該病毒表面的A蛋白為主要抗原 相應(yīng)疫苗生產(chǎn)和抗體制備的流程之一如下圖所示 1 過程 代表基因工程操作步驟中的 基因工程的核心步驟是 填序號(hào) 該過程所需的工具酶有 2 通過過程 獲得的X稱為 3 對(duì)健康人進(jìn)行該傳染病免疫預(yù)防時(shí) 可選用圖中基因工程生產(chǎn)的 制備疫苗 對(duì)該傳染病疑似患者確診時(shí) 可以從疑似患者體內(nèi)分離出病毒 與已知病毒進(jìn)行 比較 或用圖中的 進(jìn)行特異性結(jié)合檢測(cè) 解析 1 分析圖解 過程表示逆轉(zhuǎn)錄 過程表示目的基因的獲取 過程表示構(gòu)建基因表達(dá)載體 基因工程的核心步驟 過程表示向受體細(xì)胞導(dǎo)入目的基因 基因工程中所需的工具酶有限制酶和DNA連接酶 2 過程表示A蛋白 抗原 刺激B細(xì)胞 過程表示B細(xì)胞增殖分化為漿細(xì)胞 過程表示動(dòng)物細(xì)胞的融合 獲得所需的雜交瘤細(xì)胞 過程表示培養(yǎng) 提取單克隆抗體 3 可用作疫苗的是能使機(jī)體產(chǎn)生特異性免疫的抗原物質(zhì) 由圖可知應(yīng)選A蛋白 確認(rèn)該種病毒可將其與已知病毒進(jìn)行核酸序列的比較 也可用抗原 抗體雜交法 即用制備的單克隆抗體與抗原發(fā)生特異性結(jié)合檢測(cè) 限制酶和DNA連接酶 答案 1 目的基因的獲取 2 雜交瘤細(xì)胞 核酸序列 或RNA序列等合理答案也可 抗A 3 A蛋白蛋白單克隆抗體 考向2 生物技術(shù)的安全性和倫理問題 典例5 2017年湖北模擬 如今 從土豆 草莓到西紅柿 各種各樣的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品已經(jīng)潛入尋常百姓家 更有資料顯示 我國(guó)餐桌上有50 以上的大豆色拉油屬于轉(zhuǎn)基因食品 然而近年來 有關(guān)轉(zhuǎn)基因食品是否影響健康的爭(zhēng)論不絕于耳 例如 1999年 美國(guó)康奈爾大學(xué)Losey等人將轉(zhuǎn)Bt基因 蘇云金牙孢桿菌殺蟲晶體蛋白基因 玉米花粉撒在苦芭菜上 喂食黑脈金斑蝶4天后死亡率達(dá)44 而對(duì)照組無一死亡 研究者認(rèn)為該轉(zhuǎn)基因玉米對(duì)非靶生物有毒 1 轉(zhuǎn)基因作物大面積種植已經(jīng)有若干年 食用轉(zhuǎn)基因食品的人群數(shù)以億計(jì) 至今沒有轉(zhuǎn)基因食品不安全的任何實(shí)例 轉(zhuǎn)基因食品是安全的 試分析原因 2 自1983年轉(zhuǎn)基因作物在美國(guó)問世以來 用生物技術(shù)改造農(nóng)產(chǎn)品的研究與應(yīng)用進(jìn)展飛快 2001年全球轉(zhuǎn)基因作物的種植面積達(dá)到了5000萬公頃 請(qǐng)分析 轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品到底有什么優(yōu)勢(shì) 3 你是怎樣理解轉(zhuǎn)Bt基因 蘇云金芽孢桿菌殺蟲晶體蛋白 基因 玉米花粉對(duì)非靶生物是有毒的 4 有人認(rèn)為轉(zhuǎn)基因生物會(huì)造成基因污染 危害生態(tài)系統(tǒng)的 穩(wěn)定性 你是怎樣理解的 答案 1 轉(zhuǎn)基因食物被煮熟之后 細(xì)胞就被破壞了 進(jìn)入人腸胃系統(tǒng)后 基因被消化成小分子物質(zhì)而失去遺傳作用 只要合理即可 2 可縮短育種時(shí)間 可定向改造生物的性狀 可提 高糧食產(chǎn)量 解決糧食問題 3 轉(zhuǎn)Bt基因玉米在培育過程中沒有對(duì)所有的生物進(jìn)行毒 性檢測(cè)實(shí)驗(yàn) 在邏輯判斷上屬于不完全歸納 4 轉(zhuǎn)基因生物中所含的外源基因可能會(huì)通過雜交在環(huán)境中傳遞 由此產(chǎn)生的超級(jí)雜草 超級(jí)害蟲以及其他超級(jí)動(dòng)物等 可能會(huì)使得生物多樣性受到破壞等 只要合理即可 考向3 蛋白質(zhì)工程 典例6 2015年新課標(biāo) 卷 已知生物體內(nèi)有一種蛋白質(zhì) P 該蛋白質(zhì)是一種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 由305個(gè)氨基酸組成 如果將P分子中158位的絲氨酸變成亮氨酸 240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸 改變后的蛋白質(zhì) P1 不但保留P的功能 而且具有了酶的催化活性 回答下列問題 1 從上述資料可知 若要改變蛋白質(zhì)的功能 可以考慮對(duì)蛋白質(zhì)的 進(jìn)行改造 2 以P基因序列為基礎(chǔ) 獲得P1基因的途徑有修飾 基因或合成 基因 所獲得的基因在表達(dá)時(shí)是遵循中心法則的 中心法則的全部?jī)?nèi)容包括 的復(fù)制 以及遺傳信息在不同分子之間的流動(dòng) 即 3 蛋白質(zhì)工程也被稱為第二代基因工程 其基本途徑是從預(yù)期蛋白質(zhì)功能出發(fā) 通過 和 進(jìn)而確定相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列 據(jù)此獲得基因 再經(jīng)表達(dá) 純化獲得蛋白質(zhì) 之后還需要對(duì)蛋白質(zhì)的生物 進(jìn)行鑒定 解析 1 對(duì)蛋白質(zhì)的氨基酸序列 或結(jié)構(gòu) 進(jìn)行改造 可達(dá)到改變蛋白質(zhì)的功能的目的 2 以P基因序列為基礎(chǔ) 獲得P1基因 可以對(duì)P基因進(jìn)行修飾改造 也可以用人工方法合成P1基因 中心法則的全部?jī)?nèi)容包括DNA的復(fù)制 RNA的復(fù)制 轉(zhuǎn)錄 翻譯 逆轉(zhuǎn)錄 3 蛋白質(zhì)工程的基本途徑是從預(yù)期蛋白質(zhì)功能出發(fā) 通過設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和推測(cè)氨基酸的序列 推測(cè)相應(yīng)的核苷酸序列 并獲取基因 經(jīng)表達(dá)的蛋白質(zhì) 要對(duì)其進(jìn)行生物功能鑒定 答案 1 氨基酸序列 或結(jié)構(gòu) 2 P P1 DNA和RNA 或遺傳物質(zhì) DNA RNA RNA DNA RNA 蛋白質(zhì) 或轉(zhuǎn)錄 逆轉(zhuǎn)錄 翻譯 3 設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 推測(cè)氨基酸的序列 功能 考向預(yù)測(cè) 5 SRY PCR是對(duì)移植前的人胚胎進(jìn)行性別鑒定的技術(shù) 基 本操作程序如下 1 從被測(cè)胚胎的 中取出幾個(gè)細(xì)胞 2 以Y染色體上SRY基因 性別決定基因 的一段序列作引物 用被測(cè)胚胎DNA作模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增 根據(jù)SRY基因序列設(shè)計(jì)的引物長(zhǎng)度一般為20 24個(gè)核苷酸 其長(zhǎng)度不宜過短的原因主要是 兩種引物中G C的含量相差不宜過大 原因主要是 3 最后可用放射性同位素標(biāo)記的含有SRY基因的特異性DNA序列作 利用 技術(shù)檢測(cè)擴(kuò)增產(chǎn)物 如果某早期胚胎檢測(cè)結(jié)果為陽(yáng)性 則可判斷該胚胎發(fā)育成的個(gè)體性別是 若該技術(shù)崗位上的操作人員為男性 要求一定要戴好手套 口罩和工作帽等 主要原因是 答案 1 滋養(yǎng)層 G C的含量 2 防止引物隨機(jī)結(jié)合 或引物的特異性差 差別過大 低溫復(fù)性溫度難以統(tǒng)一 3 探針 DNA分子雜交 雄性 男操作員的SRY基因可 能污染樣品 6 生物技術(shù)的迅猛發(fā)展挑戰(zhàn)了原有的社會(huì)倫理道德秩序 引起了激烈的爭(zhēng)論 1 支持者認(rèn)為 克隆人是一項(xiàng)科學(xué)研究 應(yīng)當(dāng)有它內(nèi)在的發(fā)展規(guī)律 允許有一定的發(fā)展 反對(duì)者則認(rèn)為 克隆人沖擊了現(xiàn)有的婚姻 家庭和兩性關(guān)系等傳統(tǒng)的倫理道德觀念 克隆人是在人為地制造 都不健全的人 2 在針對(duì)克隆技術(shù)的爭(zhēng)論中 我國(guó)政府態(tài)度明確 及時(shí)立法 規(guī)范了克隆技術(shù)的應(yīng)用 我國(guó)明確禁止生殖性克隆人 一再重申四不原則 不贊成 不允許 不支持 任何生殖性克隆人的實(shí)驗(yàn) 3 設(shè)計(jì)試管嬰兒與試管嬰兒在技術(shù)手段上的區(qū)別是 前者的生殖方式上是 答案 1 心理上和社會(huì)地位上 2 不接受 3 多了胚胎移植前進(jìn)行遺傳診斷這一環(huán)節(jié) 有性生殖 7 2017年新課標(biāo) 卷 真核生物基因中通常有內(nèi)含子 而原核生物基因中沒有 原核生物沒有真核生物所具有的切除內(nèi)含子對(duì)應(yīng)的RNA序列的機(jī)制 已知在人體中基因A 有內(nèi)含子 可以表達(dá)出某種特定蛋白 簡(jiǎn)稱蛋白A 回答下列問題 1 某同學(xué)從人的基因組文庫(kù)中獲得了基因A 以大腸桿菌作為受體細(xì)胞卻未得到蛋白A 其原因是 2 若用家蠶作為表達(dá)基因A的載體 在噬菌體和昆蟲病毒兩種載體中 不選用 作為載體 其原因是 3 若要高效地獲得蛋白A 可選用大腸桿菌作為受體 因?yàn)榕c家蠶相比 大腸桿菌具有 答出兩點(diǎn)即可 等優(yōu)點(diǎn) 4 若要檢測(cè)基因A是否翻譯出蛋白A 可用的檢測(cè)物質(zhì)是 填 蛋白A的基因 或 蛋白A的抗體 5 艾弗里等人的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)為證明DNA是遺傳物質(zhì)做出了重要貢獻(xiàn) 也可以說是基因工程的先導(dǎo) 如果說他們的工作為基因工程理論的建立提供了啟示 那么 這一啟示是 解析 1 基因A的編碼區(qū)中有內(nèi)含子和外顯子 真核生物細(xì)胞中 內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄來的mRNA會(huì)被切除 而原核生物細(xì)胞內(nèi)基因轉(zhuǎn)錄后不含內(nèi)合子轉(zhuǎn)錄來的mRNA 無需切除 轉(zhuǎn)錄后直接表達(dá) 所以翻譯形成的蛋白質(zhì)不是蛋白A 2 由于噬菌體是專門寄生在細(xì)菌體內(nèi)的病毒 無法侵染到真核生物家蠶細(xì)胞內(nèi) 所以不能用噬菌體作為運(yùn)載體 而家蠶屬于昆蟲 故可用昆蟲病毒作為運(yùn)載體 3 大腸桿菌作為受體菌具有繁殖周期短 易培養(yǎng) 產(chǎn)物易分離 不會(huì)造成基因污染等優(yōu)點(diǎn) 4 檢測(cè)目的基因是否表達(dá)的通常用抗原 抗體雜交技術(shù) 看是否出現(xiàn)雜交帶 若出現(xiàn)則說明基因表達(dá)了 5 艾弗里等人的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)為證明DNA是遺傳物質(zhì)做出了重要貢獻(xiàn) 不僅證明了生物的遺傳物質(zhì)是DNA 還證明了DNA可以從一種生物轉(zhuǎn)移到另一種生物個(gè)體 答案 1 基因A有內(nèi)含子 在大腸桿菌中 其初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中與內(nèi)含子對(duì)應(yīng)的RNA序列不能被切除 無法表達(dá)出蛋白A 2 噬菌體 噬菌體的宿主是細(xì)菌 而不是家蠶 3 繁殖快 容易培養(yǎng) 4 蛋白A的抗體 5 DNA可以從一種生物個(gè)體轉(zhuǎn)移到另一種生物個(gè)體 8 人類疾病的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型常用于致病機(jī)理的探討及治療藥物的篩選 利用正常大鼠制備遺傳性高血壓轉(zhuǎn)基因模型大鼠的流程如下圖所示 1 圖中的高血壓相關(guān)基因作為 質(zhì)粒作為 二者需用 切割后連接成重組載體 2 將該基因通過 法注入鼠的 細(xì)胞 3 子代大鼠如果檢測(cè)出 和表現(xiàn)出 即可分別在分子水平和個(gè)體水平上說明高血壓相關(guān)基因已在子代大鼠中成功表達(dá) 然后可用其建立高血壓轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型 解析 1 圖中的高血壓相關(guān)基因是目的基因 質(zhì)粒是該過程的運(yùn)載體 二者必須用同一種限制酶進(jìn)行切割才能露出相同的黏性末端 以便目的基因插入運(yùn)載體 2 把目的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞時(shí) 所用方法是顯微注射法 受體細(xì)胞是受精卵 3 子代大鼠如果檢測(cè)出相應(yīng)的與高血壓相關(guān)的蛋白質(zhì) 說明在分子水平上目的基因成功表達(dá) 如果表現(xiàn)出高血壓癥狀 則說明在個(gè)體水平上目的基因成功表達(dá) 答案 1 目的基因 載體 同一種限制酶 2 顯微注射 受精卵 3 與高血壓有關(guān)的蛋白質(zhì) 高血壓癥狀