2023届高三生物一轮复习第一讲基因工程

现代生物科技专题(选修3) 第一讲 基因工程 2023年2月3日星期五 闺哥 考点一 基因工程的操作工具 1．基因工程的概念 基因工程是指按照人们的意愿，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征，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。 别名 DNA重组技术（或基因拼接技术） 原理 基因重组 操作环境 生物体外 操作对象 基因（DNA） 操作水平 DNA分子水平 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 【此处变异定向】 缺点 技术复杂，操作精细，难度大 基因工程能实现的前提：①不同生物基因能够“拼接”是因为不同生物DNA化学组成和空间结构相同。即都具有相同的物质基础和结构基础。 ②外源DNA能在异种生物体内表达相同的蛋白质理论基础是因为生物体内基因的传递和表达均遵循“中心法则”，且所有生物共用一套遗传密码。 2．基因工程的操作工具 (1)限制性核酸内切酶(简称限制酶)——“分子手术刀” ①来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。如细菌，另外霉菌等内也含有。现在已经从约300种微生物中分离出了约4000种限制性内切酶(限制酶)。 拓展：原核生物易受自然界外源DNA的入侵，但生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，以防止外来病原物的侵害。限制酶就是细菌的一种防御性工具，当外源DNA侵入时，会利用限制酶将外源DNA切割掉，以保证自身的安全。所以，限制酶在原核生物中能切割外源DNA、使之失效，从而达到保护自身的目的。 思考：为什么限制酶不剪切细菌本身的DNA？ 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（如通过甲基化酶将甲基转移到所识别序列的碱基上）。 ②化学本质：蛋白质 ③作用的化学键：磷酸二酯键 ④作用特点：特异性【一种限制酶只能识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并切开特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。】 （所有的酶都具有专一性） 限制酶特异性识别回文序列【大多数6个核苷酸，少数4、5、8个核苷酸】，无论是6个碱基还是4个碱基，都可以找到一条中轴线（如图），中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称、重复排列的。 ⑤切割方式及结果 错位切，当限制酶从识别序列的中心轴线两侧切开时，产生的是黏性末端。 平切，当限制酶从识别序列的中心轴线处切开时，产生的是平末端。 被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，它们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。 ⑥应用时注事项 1）在获取目的基因和切割载体时通常用同一种限制酶，以获得相同的黏性末端。但如果用两种不同限制酶切割后形成的黏性末端相同，在DNA连接酶的作用下目的基因与载体也可以连接起来。 2）可用不同的限制酶分别处理含目的基因的DNA和载体，使目的基因两侧及载体上各自具有两个不同的黏性末端。 作用：防止载体或目的基因的黏性末端自己连接（即所谓“环化”），还可以使目的基因定向连接到载体上。 3）选择限制酶的技巧 (1)根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类 ①应选择切点位于目的基因两端的限制酶，如图甲可选择PstⅠ。 ②不能选择切点位于目的基因内部的限制酶，如图甲不能选择SmaⅠ。 ③为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接，也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒，如图甲也可选择用PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切点)。 (2)根据质粒的特点确定限制酶的种类 ①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶一致，以确保具有相同的黏性末端。 ②质粒作为载体必须具备标记基因等，所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因。 (2)DNA连接酶——“分子缝合针” ①化学本质：蛋白质 ②作用（实质）：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。【不是恢复氢键，氢键是分子间的作用力】 注意：a. 左右两边的DNA片段可能是不同来源的（如分别为质粒和目的基因的DNA），也可能是相同来源的。 b. DNA连接酶连接之后的序列不一定为回文序列。 c. 迄今为止，所发现的DNA连接酶都不具有连接单链DNA的能力，原因不明。 ③种类 种类 E·coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶 来源 大肠杆菌 T4噬菌体 特点 只缝合黏性末端 缝合黏性末端和平末端（效率较低） ④区分与DNA有关的酶 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切成两个片段 DNA连接酶 磷酸二酯键 DN