第3章 基因工程（考点串讲）-2023-2024学年高二生物下册期中期末专题高分突破

这是一份第3章 基因工程（考点串讲）-2023-2024学年高二生物下册期中期末专题高分突破，共12页。

[主干知识]
一、基因工程(重组DNA技术)的概念
二、基因工程的诞生和发展
1．基础理论
(1)DNA是遗传物质的证明。
(2)DNA双螺旋结构的提出和半保留复制的证明。
(3)中心法则的确立。
(4)遗传密码的破译。
2．技术支持
(1)基因转移载体和工具酶的发现。
(2)DNA体外重组的实现。
(3)重组DNA表达实验的成功。
(4)DNA测序和合成技术的发明。
(5)PCR技术的发明。
三、重组DNA技术的基本工具
1．限制性内切核酸酶(限制酶)——“分子手术刀”
(1)来源：主要从原核生物中分离纯化出来。
(2)作用：识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。
(3)作用结果：产生黏性末端或平末端。
2．DNA连接酶——“分子缝合针”
(1)种类
(2)作用
将双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的磷酸二酯键。
3．基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
(1)作用：携带外源DNA片段进入受体细胞。
(2)种类：质粒、噬菌体、动植物病毒等。
(3)条件eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(能自我复制,有一个至多个限制酶切割位点,有特殊的标记基因))
四、DNA的粗提取与鉴定
1．实验原理
DNA、RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面存在差异，可以利用这些差异，选用适当的物理或化学方法对它们进行提取。
(1)DNA不溶于酒精。
(2)DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，它能溶于2_ml/L的NaCl溶液。
(3)在一定温度下，DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。
2．实验流程
eq \x(取材、研磨)―→eq \x(过滤或离心)―→eq \x(粗提取)―→eq \x(鉴定)
[易错辨析]
(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氢键连接起来(×)
(3)E.cli DNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端(×)
(4)用作载体的质粒DNA分子上至少含一个限制酶识别位点(√)
(5)载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因(×)
(6)在溶有DNA的 NaCl溶液中，加入二苯胺试剂即呈蓝色(×)
第2节 基因工程的基本操作程序
[主干知识]
基因工程的基本操作程序
eq \x(\a\al(目的基因的,筛选与获取))→eq \x(\a\al(基因表达载,体的构建))→eq \x(\a\al(将目的基因导,入受体细胞))→eq \x(\a\al(目的基因的,检测与鉴定))
一、目的基因的筛选与获取
1．目的基因：在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因就是目的基因，它主要是指编码蛋白质的基因。
2．筛选合适的目的基因
从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选是较为有效的方法之一。
3．利用PCR获取和扩增目的基因
(1)PCR(聚合酶链式反应)：是一项根据DNA半保留复制的原理，在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。
(2)PCR反应的条件：一定的缓冲溶液、DNA模板、2种引物、4种脱氧核苷酸、耐高温的DNA聚合酶，以及能自动调控温度的仪器。
(3)PCR扩增的过程
(4)PCR产物的鉴定：常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定。
二、基因表达载体的构建
1．目的
(1)使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代。
(2)使目的基因能够表达和发挥作用。
2.组成及作用(连线)
三、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，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。
2．将目的基因导入不同受体细胞的方法(连线)
四、目的基因的检测与鉴定(连线)
[易错辨析]
(1)表达载体的复制和胰岛素基因的表达均起始于启动子(×)
(2)目的基因导入双子叶植物细胞一般采用农杆菌转化法(√)
(3)为培育抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体(×)
(4)抗虫基因即使成功地插入植物细胞染色体上也未必能正常表达(√)
(5)检测目的基因是否导入受体细胞可用抗原抗体杂交技术(×)
第3节 基因工程的应用
[主干知识]
一、基因工程在农牧业方面的应用
二、基因工程在医药卫生领域的应用
三、基因工程在食品工业方面的应用
利用基因工程菌还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。
1．凝乳酶
(1)目的基因：编码牛凝乳酶的基因。
(2)受体细胞：大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌。
(3)应用：生产奶酪。
2．加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品用到的脂酶等也都可以通过基因工程技术生产。
[易错辨析]
(1)转基因抗虫植物培育成功后可防治各种害虫(×)
(2)将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株(√)
(3)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(×)
(4)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用(×)
第4节 蛋白质工程的原理和应用
[主干知识]
一、蛋白质工程的概念
蛋白质工程是指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，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
二、蛋白质工程崛起的缘由
1．基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。
2．基因工程的不足：原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，但这些蛋白质不一定符合人类生产和生活的需要。
三、蛋白质工程的基本原理
1．目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。
2．基本思路：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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
四、蛋白质工程的应用
1．进展
(1)通过对胰岛素的改造，研发速效胰岛素类似物。
(2)延长干扰素的保存时间。
(3)降低小鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度。
(4)改进酶的性能或开发新的工业用酶。
2．面临困难：蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构十分复杂。
[易错辨析]
(1)蛋白质工程可以合成自然界中不存在的蛋白质(√)
(2)蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构(×)
(3)蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是现有基因的脱氧核苷酸序列(×)
(4)蛋白质工程在实施中遇到的最大难题是对大多数蛋白质的高级结构不清楚(√)
本章重难点讲解
一．对基因工程概念的理解
二．与DNA有关的酶的比较
三．作为载体必需具备的条件
(1)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。
(2)能够在受体细胞中保留下来，且载体DNA必须具备自我复制能力；或能够整合到受体DNA上，并随受体DNA同步复制。
(3)带有特殊的标记基因，便于重组DNA分子的筛选，常用的标记基因有抗生素抗性基因、荧光蛋白基因等。
(4)对受体细胞无害，不影响受体细胞的正常生命活动。
四．载体上标记基因的标记原理
载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因，目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞后，抗生素抗性基因在受体细胞内表达，使受体细胞能够抵抗相应抗生素，所以在受体细胞的培养体系中加入该种抗生素就可以只保留转入载体的受体细胞，原理如下图所示：

五．DNA的粗提取与鉴定实验的注意事项
(1)本实验不能用哺乳动物成熟的红细胞作实验材料，原因是哺乳动物成熟的红细胞无细胞核(无DNA)，可选用鸡血细胞作材料。
(2)二苯胺试剂要现配现用，否则会影响鉴定的效果。
(3)提取植物细胞的DNA，在研磨时加入NaCl的目的是溶解DNA。
(4)在DNA进一步提纯时，选用冷却的体积分数为95%的酒精溶液的作用是溶解杂质和析出DNA。
六．聚合酶链式反应(PCR)
(1)PCR反应的过程
PCR一般要经历三十多次循环，每次循环可以分为变性、复性和延伸三步。在循环之前，常要进行一次预变性，以便增加大分子模板DNA彻底变性的概率。
①变性：当温度超过到90 ℃时，双链DNA解聚为单链。
②复性：当温度下降到50 ℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。
③延伸：当温度上升到72 ℃左右时，溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。
(2)PCR反应的结果
从第二轮循环开始，上一次循环的产物也作为模板参与反应，并且由引物Ⅰ延伸而成的DNA单链会与引物Ⅱ结合，进行DNA的延伸，这样，耐高温的DNA聚合酶只能特异地复制处于两个引物之间的DNA序列，使这段固定长度的序列呈指数式扩增。
七．生物体内DNA复制与PCR反应的比较
八．目的基因导入不同受体细胞的过程
九．目的基因的检测与鉴定的方法
十．DNA片段的扩增及电泳鉴定的注意事项
(1)为避免外源DNA等因素的污染，PCR实验中使用的微量离心管、枪头、蒸馏水等在使用前必须进行高压灭菌处理。
(2)缓冲液和酶应分装成小份，并在－20 ℃储存。使用前，将所需试剂从冰箱拿出，放在冰块上缓慢融化。
(3)在向微量离心管中添加反应组分时，每吸取一种试剂后，移液器上的枪头都必须更换。
(4)在进行操作时，一定戴好一次性手套。
十一．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别
十二．蛋白质工程与基因工程的区别和联系
手段
通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性
目的
按照人们的愿望，进行严格的设计，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品
操作水平
DNA分子水平
项目
E.cli DNA连接酶
T4 DNA连接酶
来源
大肠杆菌
T4噬菌体
特点
只能“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端
既可以“缝合”黏性末端，又可以“缝合”平末端
应用
基因来源
成果
转基因抗虫植物
具有抗虫功能的基因
转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等
转基因抗病植物
某些病毒、真菌等的抗病基因
转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等
转基因抗除草剂植物
降解或抵抗某种除草剂的基因
转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等
改良植物的品质
某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因、与植物花青素代谢相关的基因
赖氨酸含量高的转基因玉米、具有新花色的转基因矮牵牛等
提高动物的生长速率
外源生长激素基因
转基因鲤鱼
改善畜产品的品质
肠乳糖酶基因
乳汁中乳糖含量少的转基因牛
应用
基因来源或处理
成果
转基因微生物或动植物细胞生产药物
对微生物或动植物的细胞进行基因改造
生产包括细胞因子、抗体、疫苗和激素等的药物
乳腺(或乳房)生物反应器生产药物
药用蛋白基因＋乳腺中特异表达的基因的启动子
生产抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α抗胰蛋白酶等
转基因动物作器官移植的供体
抑制抗原决定基因的表达或除去抗原决定基因
结合克隆技术培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官
基因工程的别名
基因拼接技术或重组DNA技术
操作环境
生物体外
操作对象
基因
操作水平
DNA分子水平
基本过程
剪切→拼接→导入→表达
原理
基因重组
结果
获得符合人们需要的新的生物类型和生物产品
优点
克服远缘杂交不亲和的障碍；定向改造生物的遗传性状
名称
作用部位
作用底物
作用结果
限制酶
磷酸二酯键
DNA
将DNA分子切成两个片段
DNA连接酶
磷酸二酯键
DNA片段
将两个DNA片段连接为一个DNA分子
耐高温的
DNA聚合酶
磷酸二酯键
脱氧核苷酸
将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端
DNA
(水解)酶
磷酸二酯键
DNA
将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸
解旋酶
碱基对之间的氢键
DNA
将双链DNA分子局部解旋为单链，形成两条长链
RNA聚合酶
磷酸二酯键
核糖核苷酸
将单个核糖核苷酸依次连接到单链末端
比较项目
体内DNA复制
PCR反应
解旋
在解旋酶作用下，细胞提供能量，部分DNA双链解开
90 ℃以上高温下解旋，DNA双链全部解开，不需要解旋酶
酶
解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶
耐高温的DNA聚合酶
引物
一小段RNA
可以是RNA或单链DNA分子片段
合成子链
在引物基础上，一条链连续合成；另一条链不连续合成，再由DNA连接酶连接
分别从两条链的引物的3′端开始延伸，都是连续合成
过程
循环次数
受生物体自身控制
30多次
产物
完整DNA
两个引物之间的DNA片段
相同点
都需要DNA模板、4种脱氧核苷酸、分别与两条模板链相结合的两种引物；都是半保留复制，严格遵循碱基互补配对原则
项目
植物
动物
微生物
常用方法
农杆菌转化法
显微注射技术
感受态细胞法
受体细胞
体细胞或受精卵
受精卵
原核细胞
转化过程
将目的基因插入到Ti质粒的TDNA上→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞染色体的DNA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
Ca2＋处理细胞→感受态细胞→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子
类型
检测内容
方法
结果显示
分子水平检测
目的基因是否插入转基因生物的DNA上
DNA分子杂交技术(DNA和DNA之间)或PCR等
是否成功
显示出杂交带
目的基因是否转录出mRNA
核酸分子杂交技术(DNA和mRNA之间)或PCR等
目的基因是否翻译成蛋白质
抗原抗体杂交(蛋白质和蛋白质之间)
个体生物
学水平
鉴定
是否具有抗性及抗性程度
对转基因生物进行抗性的接种实验
是否赋予了
预期抗性或
蛋白质活性
基因工程产品与天然产品的功能活性是否相同
比较基因工程产品与天然产品的功能活性
项目
乳腺生物反应器
工程菌
含义
将外源基因在哺乳动物的乳腺中特异性表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白
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
基因结构
动物基因结构与人类的基因结构基本相同
细菌和酵母菌的基因结构与人类的基因结构有较大差异
基因表达
合成的药物蛋白与天然蛋白质相同
细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质可能不具有生物活性
受体细胞
动物受精卵
微生物细胞
目的基因导入方式
显微注射法
感受态细胞法
生产条件
不需严格灭菌；温度等外界条件对其影响不大
需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
药物提取
从动物乳汁中提取
从微生物细胞或其培养液中提取
项目
蛋白质工程
基因工程
区别
过程
预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需蛋白质
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
可生产自然界没有的蛋白质
只能生产自然界已有的蛋白质
联系
①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
②基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造