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2023-2024学年（人教版2019选择性必修3）高二生物下册期中复习第3章 基因工程知识点归纳
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这是一份2023-2024学年（人教版2019选择性必修3）高二生物下册期中复习第3章 基因工程知识点归纳，共7页。学案主要包含了DNA基因工程的基本工具，DNA的粗提取与鉴定等内容，欢迎下载使用。
第一节 重组DNA技术的基本工具
一、DNA基因工程的基本工具
DNA基因工程至少需要三种工具：“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）；“分子缝合针”——DNA连接酶；“分子运输车”——基因进入受体细胞的载体。
（1）“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）
①来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。
②功能：能识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，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，因此具有专一性。
③结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式：粘性末端和平末端。
（2）“分子缝合针”——DNA连接酶
①两种DNA连接酶（E·cliDNA连接酶和T4DNA连接酶）的比较：
a.相同点：都缝合磷酸二酯键。
b.区别：E·cli DNA连接酶来源于T4噬菌体，只能将双链DNA片段互补的粘性末端之间的磷酸二酯键连接起来；而T4DNA连接酶能缝合两种末端，但连接平末端的之间的效率较低。
②与DNA聚合酶作用的异同：DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯键。DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键。
（3）DNA连接酶——“分子缝合针”
①作用:将双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。
② 种类:
（4）“分子运输车”——载体
①载体具备的条件：
a.能在受体细胞中复制并稳定保存。
b.具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入。
c.具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。
②最常用的载体是质粒，它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌染色体之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。
③其它载体：噬菌体的衍生物、动植物病毒
二、DNA的粗提取与鉴定
1. 实验原理:
(1) DNA、 RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面有差异, 选用适当的物理或化学方法对它们进行提取。
①DNA 不溶于酒精, 某些蛋白质溶于酒精, 分离 DNA 和蛋白质。
②DNA 能溶于 2ml/L 的 NaCl 溶液。
(2) DNA 遇二苯胺试剂会呈现蓝色。
2. 方法步骤:
(1) 研磨:取 30g 洋葱切碎, 倒入 10 mL 研磨液研磨。
(2) 除杂: 漏斗中垫上纱布过滤后, 在 4 ℃冰箱静置后取上清液, 1 500 r/min 的转速下离心后取上清液。
(3) 提取: 加入体积相等、 体积分数 95%酒精, 溶液出现白色的丝状物是 DNA。
方法一: 用玻璃杯按一个(填“一个” 或“两个” ) 方向搅拌，卷起丝状物，用滤纸吸去上面的水分。
方法二: 10 000 r/min 的转速下离心 5 min, 取沉淀物晾干。
（4）鉴定:
DNA 的鉴定和还原糖的鉴定都需要加热, 它们有什么不同?
提示:还原糖加斐林试剂后, 置于 55～65 ℃热水中加热; 而 DNA 加二苯胺试剂后, 置于沸水中加热。
第二节 基因工程的基本操作程序
基因工程的基本操作程序主要包括四个步骤：目的基因的获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。
1.第一步：目的基因的获取
（1）目的基因是指： 编码蛋白质的结构基因 。
（2）原核基因采取直接分离获得，真核基因是人工合成。人工合成目的基因常用方法有反转录法和化学合成法
（3）PCR技术扩增目的基因
①原理：DNA双链复制
②过程：
a：加热至90-95℃DNA解链；
b：冷却到55-60℃，引物结合到互补DNA链；
c：加热至70-75℃，热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成。
2.第二步：基因表达载体的构建
（1）目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传至下一代，使目的基因能够表达和发挥作用。
（2）组成：目的基因＋启动子＋终止子＋标记基因
①启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。
②终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段 ，位于基因的尾端。
③标记基因的作用：是为了鉴定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。常用的标记基因是抗生素基因。
3.第三步：将目的基因导入受体细胞
（1）转化的概念：是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）常用的转化方法：
①将目的基因导入植物细胞：采用最多的方法是 农杆菌转化法，其次还有 基因枪法和 花粉管通道法等。
②将目的基因导入动物细胞：最常用的方法是 显微注射技术。此方法的受体细胞多是 受精卵。
③将目的基因导入微生物细胞：Ca2+处理法(感受态细胞法或CaCl2法)
（3）重组细胞导入受体细胞后，筛选含有基因表达载体受体细胞的依据是标记基因是否表达。
4.第四步：目的基因的检测和表达
（1）首先要检测 转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是采用 DNA分子杂交技术。
（2）其次还要检测 目的基因是否转录出了mRNA，方法是采用 用标记的目的基因作探针与mRNA杂交。
（3）最后检测 目的基因是否翻译成蛋白质，方法是从转基因生物中提取 蛋白质，用相应的抗体进行抗原－抗体杂交。
（4）有时还需进行 个体生物学水平的鉴定。如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。
第三节 胚胎工程基因工程的应用
1. 植物基因工程：抗虫、抗病、抗逆转基因植物，利用转基因改良植物的品质。
2. 动物基因工程：提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物。
3. 基因治疗：把正常的外源基因导入病人体内，使该基因表达产物发挥作用。
4.基因工程在农牧业方面的应用
(1)发展:
①农牧业:1996-2017 年, 全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍, 美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家。 2017 年, 我国转基因作物种植面积居世界第八位。
②动物: 第一种用于食用的转基因动物——转基因大西洋鲑在美国获得批准上市。
(2)实例:连一连: 基于基因工程在改良动植物品种、 提高作物和畜产品的产量等方面的应用, 将下列转基因生物和选用的目的基因连线
5.基因工程在医药卫生领域的应用
(1) 生产药物:
①常见的药物:细胞因子、 抗体、 疫苗和激素等。 我国生产的重组人干扰素、 血小板生成素、 促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市场。
② 批量生产药物:乳腺(房) 生物反应器。
a.目的基因:药用蛋白基因。
b.启动子:乳腺中特异性表达的基因的启动子。
c.受体细胞:受精卵。
(2)移植器官: 在器官供体的基因组中导入某种调节因子, 以抑制抗原决定基因的表达, 或设法除去抗原决定基因, 培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。
(3)培养乳腺生物反应器转基因动物时为什么要选用乳腺中特异性表达的基因的启动子?
乳腺生物反应器通过分泌的乳汁提取相应的基因表达的产品, 乳腺中特异性表达的启动子可让目的基因在乳腺细胞中表达。
6.基因工程在食品工业方面的应用
(1) 氨基酸: 利用转基因生物合成阿斯巴甜的原料——天冬氨酸和苯丙氨酸。
(2) 酶: 利用转基因生物生产奶酪的凝乳酶; 利用转基因生物加工转化糖浆的淀粉酶; 利用转基因生物加工烘烤食品、 制造生物能源的脂酶等。
(3) 维生素。
第四节 蛋白质工程的原理和应用
1.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生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。
基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质
2. 蛋白质工程崛起的缘由
(1)基因工程的实质和不足:
① 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基因工程存在的不足:原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
(3) 蛋白质工程的崛起:
①理论和技术条件:分子生物学、 晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
②天然蛋白质存在不足:天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要, 却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
③实例:
3.蛋白质工程的基本原理：
（1）它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代的基因工程。
（2）基本途径：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（基因）。下图中是蛋白质工程的循序的是E、F、G、A、B、C、D；
（3）设计中的困难：如何推测非编码区以及内含子的脱氧核苷酸序列
4.蛋白质工程的应用
（1） 医药工业方面:
①速效胰岛素类似物: 改变氨基酸序列, 抑制胰岛素的聚合。
②干扰素:一个半胱氨酸替换为丝氨酸, 延长保存时间。
③单克隆抗体:将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接” 到人的抗体上, 降低诱发免疫反应的强度。
（2）其他工业方面: 广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶。
（3）农业方面:
① 改造某些参与调控光合作用的酶, 提高植物光合作用的效率。
② 改造微生物蛋白质的结构, 增强防治病虫害的效果。
5.有关蛋白质工程的两点提醒：
(1) 改造对象是基因:任何一种天然蛋白质都是由基因编码的, 改造了基因即对蛋白质进行了改造, 而且改造过的蛋白质可以遗传下去。
(2) 基因突变的新基因中含有不编码蛋白质的序列, 而蛋白质工程中的新基因则没有。
种类
来源
特点
E.cliDNA连接酶
大肠杆菌
只能“缝合”具有互补粘性末端的双链DNA片段
T4DNA连接酶
T4噬菌体
既可以“缝合”双链DNA片段互补粘性末端，又可“缝合”双链DNA片段的平末端。
项目
A
B
2ml/L的Nacl溶液5mL
丝状物或沉淀物
不加
加入
二苯胺试剂4mL
沸水中加热5分钟
现象
无色
蓝色
蛋白质缺陷
改造措施
改造后果
玉米中赖氨酸含量低
赖氨酸合成中两种酶的氨基酸背替换
叶片和种子中游离的赖氨酸分别提高5倍和2倍
第一节 重组DNA技术的基本工具
一、DNA基因工程的基本工具
DNA基因工程至少需要三种工具：“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）；“分子缝合针”——DNA连接酶；“分子运输车”——基因进入受体细胞的载体。
（1）“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）
①来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。
②功能：能识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，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，因此具有专一性。
③结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式：粘性末端和平末端。
（2）“分子缝合针”——DNA连接酶
①两种DNA连接酶（E·cliDNA连接酶和T4DNA连接酶）的比较：
a.相同点：都缝合磷酸二酯键。
b.区别：E·cli DNA连接酶来源于T4噬菌体，只能将双链DNA片段互补的粘性末端之间的磷酸二酯键连接起来；而T4DNA连接酶能缝合两种末端，但连接平末端的之间的效率较低。
②与DNA聚合酶作用的异同：DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯键。DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键。
（3）DNA连接酶——“分子缝合针”
①作用:将双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。
② 种类:
（4）“分子运输车”——载体
①载体具备的条件：
a.能在受体细胞中复制并稳定保存。
b.具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入。
c.具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。
②最常用的载体是质粒，它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌染色体之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。
③其它载体：噬菌体的衍生物、动植物病毒
二、DNA的粗提取与鉴定
1. 实验原理:
(1) DNA、 RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面有差异, 选用适当的物理或化学方法对它们进行提取。
①DNA 不溶于酒精, 某些蛋白质溶于酒精, 分离 DNA 和蛋白质。
②DNA 能溶于 2ml/L 的 NaCl 溶液。
(2) DNA 遇二苯胺试剂会呈现蓝色。
2. 方法步骤:
(1) 研磨:取 30g 洋葱切碎, 倒入 10 mL 研磨液研磨。
(2) 除杂: 漏斗中垫上纱布过滤后, 在 4 ℃冰箱静置后取上清液, 1 500 r/min 的转速下离心后取上清液。
(3) 提取: 加入体积相等、 体积分数 95%酒精, 溶液出现白色的丝状物是 DNA。
方法一: 用玻璃杯按一个(填“一个” 或“两个” ) 方向搅拌，卷起丝状物，用滤纸吸去上面的水分。
方法二: 10 000 r/min 的转速下离心 5 min, 取沉淀物晾干。
（4）鉴定:
DNA 的鉴定和还原糖的鉴定都需要加热, 它们有什么不同?
提示:还原糖加斐林试剂后, 置于 55～65 ℃热水中加热; 而 DNA 加二苯胺试剂后, 置于沸水中加热。
第二节 基因工程的基本操作程序
基因工程的基本操作程序主要包括四个步骤：目的基因的获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。
1.第一步：目的基因的获取
（1）目的基因是指： 编码蛋白质的结构基因 。
（2）原核基因采取直接分离获得，真核基因是人工合成。人工合成目的基因常用方法有反转录法和化学合成法
（3）PCR技术扩增目的基因
①原理：DNA双链复制
②过程：
a：加热至90-95℃DNA解链；
b：冷却到55-60℃，引物结合到互补DNA链；
c：加热至70-75℃，热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成。
2.第二步：基因表达载体的构建
（1）目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传至下一代，使目的基因能够表达和发挥作用。
（2）组成：目的基因＋启动子＋终止子＋标记基因
①启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。
②终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段 ，位于基因的尾端。
③标记基因的作用：是为了鉴定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。常用的标记基因是抗生素基因。
3.第三步：将目的基因导入受体细胞
（1）转化的概念：是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）常用的转化方法：
①将目的基因导入植物细胞：采用最多的方法是 农杆菌转化法，其次还有 基因枪法和 花粉管通道法等。
②将目的基因导入动物细胞：最常用的方法是 显微注射技术。此方法的受体细胞多是 受精卵。
③将目的基因导入微生物细胞：Ca2+处理法(感受态细胞法或CaCl2法)
（3）重组细胞导入受体细胞后，筛选含有基因表达载体受体细胞的依据是标记基因是否表达。
4.第四步：目的基因的检测和表达
（1）首先要检测 转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是采用 DNA分子杂交技术。
（2）其次还要检测 目的基因是否转录出了mRNA，方法是采用 用标记的目的基因作探针与mRNA杂交。
（3）最后检测 目的基因是否翻译成蛋白质，方法是从转基因生物中提取 蛋白质，用相应的抗体进行抗原－抗体杂交。
（4）有时还需进行 个体生物学水平的鉴定。如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。
第三节 胚胎工程基因工程的应用
1. 植物基因工程：抗虫、抗病、抗逆转基因植物，利用转基因改良植物的品质。
2. 动物基因工程：提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物。
3. 基因治疗：把正常的外源基因导入病人体内，使该基因表达产物发挥作用。
4.基因工程在农牧业方面的应用
(1)发展:
①农牧业:1996-2017 年, 全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍, 美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家。 2017 年, 我国转基因作物种植面积居世界第八位。
②动物: 第一种用于食用的转基因动物——转基因大西洋鲑在美国获得批准上市。
(2)实例:连一连: 基于基因工程在改良动植物品种、 提高作物和畜产品的产量等方面的应用, 将下列转基因生物和选用的目的基因连线
5.基因工程在医药卫生领域的应用
(1) 生产药物:
①常见的药物:细胞因子、 抗体、 疫苗和激素等。 我国生产的重组人干扰素、 血小板生成素、 促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市场。
② 批量生产药物:乳腺(房) 生物反应器。
a.目的基因:药用蛋白基因。
b.启动子:乳腺中特异性表达的基因的启动子。
c.受体细胞:受精卵。
(2)移植器官: 在器官供体的基因组中导入某种调节因子, 以抑制抗原决定基因的表达, 或设法除去抗原决定基因, 培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。
(3)培养乳腺生物反应器转基因动物时为什么要选用乳腺中特异性表达的基因的启动子?
乳腺生物反应器通过分泌的乳汁提取相应的基因表达的产品, 乳腺中特异性表达的启动子可让目的基因在乳腺细胞中表达。
6.基因工程在食品工业方面的应用
(1) 氨基酸: 利用转基因生物合成阿斯巴甜的原料——天冬氨酸和苯丙氨酸。
(2) 酶: 利用转基因生物生产奶酪的凝乳酶; 利用转基因生物加工转化糖浆的淀粉酶; 利用转基因生物加工烘烤食品、 制造生物能源的脂酶等。
(3) 维生素。
第四节 蛋白质工程的原理和应用
1.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生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。
基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质
2. 蛋白质工程崛起的缘由
(1)基因工程的实质和不足:
① 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基因工程存在的不足:原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
(3) 蛋白质工程的崛起:
①理论和技术条件:分子生物学、 晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
②天然蛋白质存在不足:天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要, 却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
③实例:
3.蛋白质工程的基本原理：
（1）它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代的基因工程。
（2）基本途径：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（基因）。下图中是蛋白质工程的循序的是E、F、G、A、B、C、D；
（3）设计中的困难：如何推测非编码区以及内含子的脱氧核苷酸序列
4.蛋白质工程的应用
（1） 医药工业方面:
①速效胰岛素类似物: 改变氨基酸序列, 抑制胰岛素的聚合。
②干扰素:一个半胱氨酸替换为丝氨酸, 延长保存时间。
③单克隆抗体:将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接” 到人的抗体上, 降低诱发免疫反应的强度。
（2）其他工业方面: 广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶。
（3）农业方面:
① 改造某些参与调控光合作用的酶, 提高植物光合作用的效率。
② 改造微生物蛋白质的结构, 增强防治病虫害的效果。
5.有关蛋白质工程的两点提醒：
(1) 改造对象是基因:任何一种天然蛋白质都是由基因编码的, 改造了基因即对蛋白质进行了改造, 而且改造过的蛋白质可以遗传下去。
(2) 基因突变的新基因中含有不编码蛋白质的序列, 而蛋白质工程中的新基因则没有。
种类
来源
特点
E.cliDNA连接酶
大肠杆菌
只能“缝合”具有互补粘性末端的双链DNA片段
T4DNA连接酶
T4噬菌体
既可以“缝合”双链DNA片段互补粘性末端，又可“缝合”双链DNA片段的平末端。
项目
A
B
2ml/L的Nacl溶液5mL
丝状物或沉淀物
不加
加入
二苯胺试剂4mL
沸水中加热5分钟
现象
无色
蓝色
蛋白质缺陷
改造措施
改造后果
玉米中赖氨酸含量低
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叶片和种子中游离的赖氨酸分别提高5倍和2倍
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