（天津专用）2020届高考生物一轮复习 专题25 基因工程（包括PCR技术）教师用书（PDF，含解析

第十一单元现代生物科技专题专题２５　基因工程（包括ＰＣＲ技术）对应学生用书起始页码Ｐ２６２考点１基因工程的工具与操作程序　　一、基因工程的工具１．限制酶（１）存在：主要在原核生物中。（２）作用：识别双链ＤＮＡ分子的某种特定核苷酸序列，并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）形成末端类型在识别序列中心轴线两侧切开→黏性末端在识别序列中心轴线处切开→平末端{２．ＤＮＡ连接酶（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间的磷酸二酯键。（２）种类种类Ｅ·ｃｏｌｉＤＮＡ连接酶Ｔ４ＤＮＡ连接酶来源大肠杆菌Ｔ４噬菌体特点只“缝合”黏性末端黏性末端和平末端都可“缝合”　　３．载体（１）条件：能在受体细胞中复制并稳定保存；具有一至多个限制酶切点；具有标记基因。（２）种类最常用：质粒其他：λ噬菌体的衍生物、动植物病毒{（３）作用：携带外源ＤＮＡ片段进入受体细胞。（４）特点：可在受体细胞中进行自我复制或整合到染色体ＤＮＡ上，随染色体ＤＮＡ进行同步复制。　　（１）限制酶来源于原核生物，为什么不能切割自己的ＤＮＡ分子？提示：限制酶具有特异性，即一种限制酶只能识别特定的碱基序列，并在特定的位点上进行切割。限制酶不切割自身ＤＮＡ的原因是原核生物ＤＮＡ分子中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。（２）切取目的基因与切割载体时“只能”使用“同一种酶”吗？提示：①在获取目的基因和切割载体时通常用同一种限制酶，以获得相同的黏性（或平）末端。但如果用两种不同的限制酶切割后形成的末端相同，在ＤＮＡ连接酶的作用下目的基因与载体也可以连接起来。②为了避免目的基因和载体的自身环化和随意连接，可使用不同的限制酶切割目的基因和载体，使目的基因和载体各具有两个不同的末端。　　二、基因工程的基本操作程序１．目的基因的获取（１）从基因文库中获得基因文库类型基因组文库部分基因文库（ｃＤＮＡ文库）构建基因文库的过程某种生物全部ＤＮＡ　　限制酶↓许多ＤＮＡ片段分别与载体连接导入↓受体菌群体某种生物发育的某个时期的ｍＲＮＡ　　反转录↓ｃＤＮＡ与载体连接导入↓　受体菌群体　　（１）如何构建基因文库？提示：　　（２）从基因文库中获取目的基因有哪些方法？提示：核酸杂交法、ＰＣＲ筛选法、免疫筛选法。　　（２）人工合成目的基因①反转录法：ｍＲＮＡ反转录→单链ＤＮＡ合成→双链ＤＮＡ（目的基因）。②化学合成：已知蛋白质的氨基酸序列推测→ｍＲＮＡ的核苷酸序列推测→目的基因的脱氧核苷酸序列化学合成ＤＮＡ合成仪→目的基因（３）利用ＰＣＲ技术扩增目的基因①原理：ＤＮＡ复制。②前提：已知目的基因的一段核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物。③条件：ＤＮＡ模板、引物、热稳定ＤＮＡ聚合酶和４种脱氧核苷酸。􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋④扩增过程过程说明图解变性当温度上升到９０℃以上时，双链ＤＮＡ解聚为单链复性温度下降到５０℃左右，两种引物通过碱基互补配对与两条单链ＤＮＡ结合延伸７２℃左右时，ＴａｑＤＮＡ聚合酶活性高，可使ＤＮＡ新链由５′端向３′端延伸　　⑤目的：通过指数式扩增获取大量的目的基因。２．ＰＣＲ技术操作的一般过程（１）配制ＰＣＲ反应体系１０×扩增缓冲液１０μＬ４种ｄＮＴＰ混合物（终浓度）各１００～２５０μｍｏｌ／Ｌ引物（终浓度）各５～２０μｍｏｌ／Ｌ模板ＤＮＡ０．１～２μｇＴａｑＤＮＡ聚合酶５～１０ＵＭｇ２＋（终浓度）１～３ｍｍｏｌ／Ｌ补加双蒸水１００μＬ　　（２）设定并运行反应程序（３）ＰＣＲ产物的检测———琼脂糖凝胶电泳技术。３．基因表达载体的构建———基因工程的核心（１）目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。（２）基因表达载体的组成基因表达载体目的基因复制原点：载体自我复制的起点启动子：ＲＮＡ聚合酶识别和结合部位，驱动基因转录终止子：ＲＮＡ聚合酶脱离部位，终止转录标记基因：鉴别受体细胞中是否含有目的基因（３）构建过程４．将目的基因导入受体细胞生物种类植物细胞动物细胞微生物细胞常用方法农杆菌转化法显微注射法感受态细胞法（Ｃａ２＋参与的转化法）受体细胞体细胞或受精卵受精卵原核细胞过程将目的基因插入Ｔｉ质粒的Ｔ－ＤＮＡ上→导入农杆菌→侵染植物细胞→整合到受体细胞的染色体ＤＮＡ上→表达基因表达载体　　　显微注射↓受精卵　　　发育　　↓新性状个体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　　５．目的基因的检测与鉴定　　（１）目的基因的插入位点是随意的吗？提示：不是。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，若目的基因插入启动子内部，启动子将失去原功能。（２）ＤＮＡ连接酶和ＤＮＡ聚合酶的作用相同吗？提示：不相同。ＤＮＡ连接酶连接的是两个ＤＮＡ片段，而ＤＮＡ聚合酶连接的是单个的脱氧核苷酸。（３）启动子＝起始密码子？终止子＝终止密码子？提示：启动子≠起始密码子，终止子≠终止密码子。①启动子是一段有特殊结构的ＤＮＡ片段，位于基因的首端，它是ＲＮＡ聚合酶识别、结合的部位。终止子是一段有特殊结构的ＤＮＡ短片段，位于基因的尾端，作用是使转录过程停止。②起始密码子和终止密码子位于ｍＲＮＡ上，分别控制翻译过程的启动和终止。􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋考点２基因工程的应用与蛋白质工程　　一、动物基因工程与植物基因工程１．动物基因工程：用于提高动物生长速度从而提高产品产量；用于改善畜产品品质；用转基因动物生产药物；用转基因动物作器官移植的供体等。２．植物基因工程：培育抗虫转基因植物、抗病转基因植物和抗逆转基因植物；利用转基因改良植物的品质。　　二、基因诊断与基因治疗１．基因诊断：又称为ＤＮＡ诊断，是采用基因检测的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体。２．基因治疗（１）概念：把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。（２）成果：将腺苷酸脱氨酶基因转入取自患者的淋巴细胞中，使淋巴细胞能产生腺苷酸脱氨酶，然后，再将这种淋巴细胞转入患者体内，从而治疗复合型免疫缺陷症。３．类型体外基因治疗→从病人体内获得某种细胞，在体外完成基因转移，再输回患者体内体内基因治疗→直接向人体组织细胞中转移基因　　三、蛋白质工程１．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：在原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。２．蛋白质工程的基本原理　　３．蛋白质工程的基本途径　　　　（１）既然存在基因工程，为什么还要改造蛋白质？提示：基因工程只能产生自然界已存在的蛋白质。（２）蛋白质工程中为什么通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造？提示：①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋对应学生用书起始页码Ｐ２６５一　辨认、比较基因工程的基本术语（科学思维）１．与ＤＮＡ有关的几种酶名称作用作用部位作用结果参与过程限制酶切割某种特定的脱氧核苷酸序列磷酸二酯键形成黏性末端或平末端ＤＮＡ连接酶连接两个ＤＮＡ片段磷酸二酯键形成重组ＤＮＡ分子基因工程ＤＮＡ聚合酶在脱氧核苷酸链上添加单个脱氧核苷酸　磷酸二酯键形成新的ＤＮＡ分子ＤＮＡ复制解旋酶使碱基间氢键断裂碱基间氢键形成脱氧核苷酸链ＤＮＡ复制逆转录酶以ＲＮＡ为模板合成ＤＮＡ磷酸二酯键形成新的ＤＮＡ分子逆转录、基因工程　　２．蛋白质工程与基因工程的比较与判断（１）二者的比较项目蛋白质工程基因工程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，因为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→推测脱氧核苷酸序列获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→得到转基因生物→目的基因检测与鉴定实质定向改造或生产人类所需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（基因的异体表达）结果生产自然界没有的蛋白质生产自然界中已有的蛋白质　　（２）二者的判断方法①根据对基因的操作方法如果仅将基因用限制酶从ＤＮＡ片段中切割下来，没有对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因进行了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基对替换或增添或去除，则属于蛋白质工程。②根据目的基因的合成方式基因工程和蛋白质工程都可以逆转录合成目的基因，或根􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋据蛋白质的氨基酸序列先合成ｍＲＮＡ，再合成目的基因。如果合成时ｍＲＮＡ或氨基酸序列没有经过改造，则为基因工程；如果ｍＲＮＡ或氨基酸序列经过了改造、ｍＲＮＡ或氨基酸序列是根据蛋白质预期的功能人工设计的，则为蛋白质工程。③根据合成的蛋白质种类如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中没有的，则为蛋白质工程。３．注意点（１）基因文库中不是直接保管相应基因，而是将基因保存在受体菌中。（２）获取目的基因和切割载体时，经常使用同一种限制酶（也可使用能切出相同末端的不同限制酶），目的是产生相同的黏性末端或平末端。①限制性核酸内切酶主要切割外源ＤＮＡ，对自身的ＤＮＡ不起作用，具有自身保护的特点。②在基因工程中被同一种限制性核酸内切酶切割的目的基因和载体，具有相同的末端，将它们的末端连接起来，就可以形成重组ＤＮＡ分子。形成重组ＤＮＡ分子需要ＤＮＡ连接酶，而且这是基因工程中构建重组载体的必要环节。③质粒ＤＮＡ分子上限制性核酸内切酶切割位点的选择，必须保证至少有一个标记基因是完整的，如果标记基因全部被切开则不便于鉴定与选择。④用ＤＮＡ连接酶连接时，可形成３种不同的连接物：目的基因—载体连接物、载体—载体连接物、目的基因—目的基因连接物，将连接物导入受体细胞后，可利用抗性基因的差异进行筛选。⑤ＤＮＡ连接酶连接的是磷酸和脱氧核糖之间的磷酸二酯键，而不是两条链之间互补配对碱基之间的氢键。它与限制性核酸内切酶的作用是相反的，二者的关系可用下图表示：据图所示，有关工具酶功能的叙述不正确的是（　　）　　Ａ．限制性核酸内切酶可以切断ａ处Ｂ．ＤＮＡ聚合酶可以连接ａ处Ｃ．解旋酶可以使ｂ处解开Ｄ．ＤＮＡ连接酶可以连接ｃ处思路导引　思路分析题图，确定字母所代表的含义明确限制酶、ＤＮＡ聚合酶、ＤＮＡ连接酶及解旋酶的作用位置解析　图中ａ处表示磷酸二酯键，限制性核酸内切酶能够识别双链ＤＮＡ分子的某种特定的核苷酸序列，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，Ａ项正确；ＤＮＡ聚合酶可将游离的单个脱氧核苷酸加到正在合成的ＤＮＡ子链上，使之形成磷酸二酯键，Ｂ项正确；ｂ处表示氢键，解旋酶可以使氢键断开，Ｃ项正确；ＤＮＡ连接酶能将两个ＤＮＡ片段连接起来，使它们之间形成磷酸二酯键，而ｃ处为一个脱氧核苷酸中的普通磷酸键，Ｄ项错误。答案　Ｄ１－１　下列物质或过程不使磷酸二酯键数目发生变化的是（　　）Ａ．ＲＮＡ聚合酶、逆转录酶、Ｔａｑ酶Ｂ．ＤＮＡ聚合酶、ＤＮＡ连接酶、ＤＮＡ酶Ｃ．遗传信息的翻译、ＰＣＲ中ＤＮＡ解链Ｄ．ｃＤＮＡ文库的构建、基因突变过程１－１答案　Ｃ　磷酸二酯键连接一条ＤＮＡ链中两个相邻脱氧核苷酸的磷酸与脱氧核糖。逆转录酶、Ｔａｑ酶、ＤＮＡ聚合酶均催化ＤＮＡ分子合成过程，ＤＮＡ酶可将ＤＮＡ水解为单个脱氧核苷酸，ＤＮＡ连接酶连接