2023届高三生物一轮复习课件第一讲 基因工程

高考生物一轮复习 讲 考纲考情 讲 核心素养 构 思维导图 真题再现 知识总结 内容导航 第十二单元 现代生物科技专题 第一讲 基因工程 讲考纲考情 1.最新考纲 （1）基因工程的诞生Ⅰ （2）基因工程的原理和技术（含PCR技术）Ⅱ （3）基因工程的应用Ⅱ （4）蛋白质工程Ⅱ 2.最近考情 2021全国卷甲(38)、2021全国卷乙(38) 2019全国卷Ⅰ(38)、2018全国卷Ⅰ(38) 2018全国卷Ⅱ(38)、2017全国卷Ⅰ(38) 2017全国卷Ⅱ(38)、2017全国卷Ⅲ(38) 讲核心素养 1.生命观念——结构与功能观：基因的结构与功能 2.科学思维——模型与建模：基因工程的操作流程图及蛋白质工程的流程图 3.科学探究——解决问题：基因工程的应用和蛋白质工程 4.社会责任——保护环境：正确看待转基因生物与环境安全问题 构思维导图 第一讲 基因工程 2 1 3 基因工程的基本工具 基因工程的基本操作程序 基因工程的应用和蛋白质工程 4 DNA粗提取与鉴定 5 基因工程的应用 真题再现 知识总结 生物 类型 生物 产品 人们的愿望 转基因 遗传 性状 按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组或转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。又叫DNA重组技术。 1.基因工程的概念 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 2.基因工程的理论基础 知识总结 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 限制酶是一类酶，而不是一种酶 核苷酸 序列 磷酸二酯键 一种特定的核苷酸 序列 黏性末端 提醒　①将一个基因从DNA分子上切割下来需要切两处，同时产生四个黏性末端或平末端。 ②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。 (1)限制性核酸内切酶 知识总结 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 知识总结 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 (1)限制性核酸内切酶(简称：限制酶) ①本质：蛋白质。 ②来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。 ③作用：识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，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。 ④结果：产生黏性末端或平末端。 统称： 限制酶是一类酶，而不是一种酶。 说明限制酶具有特异性 原核生物容易受到外源DNA的入侵，限制酶的作用:切割外源DNA,使之失效 例：如图所示，EcoRⅠ限制酶识别的碱基序列是—GAATTC—，切割位点在G和A之间；SmaⅠ限制酶识别的碱基序列是—CCCGGG—，切割位点在C和G之间 限制酶为何不切割自身DNA? 自身DNA中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。 “分子手术刀” 知识总结 【例】大肠杆菌(EcoRⅠ)的一种限制酶能识别GAATTC序列， 并在G和A之间切开。 限制酶 切点 切点 磷酸二酯键 氢键 限制酶是一类酶，而不是一种酶 (1)限制性核酸内切酶 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 知识总结 【例】大肠杆菌(EcoRⅠ)的一种限制酶能识别GAATTC序列， 并在G和A之间切开。 限制酶 切点 切点 限制酶是一类酶，而不是一种酶 (1)限制性核酸内切酶 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 知识总结 + + 粘性末端 平末端 限制酶是一类酶，而不是一种酶 (1)限制性核酸内切酶 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 知识总结 CGAATTCTA…ACCGGAATTCGAGCTC GCTTAAGAT…TGGCCTTAAGCTCGAG 【例】获取目的基因 目的基因 AATTCTA…ACCGG GAT…TGGCCTTAA 目的基因 粘性末端 粘性末端 限制酶是一类酶，而不是一种酶 (1)限制性核酸内切酶 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 知识总结 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 基因表达载体构建时 限制酶的选择 ①应选择切点位于目的基因两端的限制酶，如图甲可选择 。 ②不能选择切点位于目的基因或标记基因内部的限制酶，如图甲不能选择 。 ③为避免 ，也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒， 如图甲选择用 两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切点)。 ④切割质粒的限制酶要与切割目的基因的限制酶 相一致，以确保具有相同的黏性末端。 PstⅠ、PstⅠ和EcoRⅠ SmaⅠ 目的基因和质粒的自身环化和随意连接 PstⅠ和EcoRⅠ (也可以是能形成相同黏性末端的不同限制酶) 知识总结 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 利用图示质粒和目的基因培育转基因醋化醋杆菌。 图中标注了相关限制性核酸内切酶的识别序列 和酶切位点，其中酶切位点相同的酶不重复标注。 (1)利用图示质粒和目的基因构建重组质粒，应选用 两种限制酶切割。 若用Sau3AⅠ、BclⅠ与许多图示质粒混合，每个质粒将会有1个或多个位点被切开，最多可能获得 种大小不同的DNA片段。 BamH Ⅰ、HindⅢ 7 若用Sau3AⅠ、BclⅠ充分切割许多图示质粒 获得 种大小不同的DNA片段 3 知识总结 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 C G G C C G T A T A A T A T G C G C G C T A A T C G T A T A A T A T G C T A T A EcoRI EcoRI C G G C C G T T A A A A T T G C G C G C T A A T C G T T A A A A T T G C T A T A C G G C C G T T A A A A T T G C T A T A 切点 黏性末端 2 4 知识总结 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 目的基因DNA 重组质粒 质粒 DNA连接酶—— ——DNA连接酶 知识总结 (2)DNA连接酶 黏性 末端 限制酶 3.基因工程的基本工具 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 知识总结 (2)DNA连接酶 ①功能：将限制酶切割下来的DNA片段拼接成新的DNA分子。即恢 复被限制酶切开的两个核苷酸之间磷酸和脱氧核糖之间的磷酸 二酯键。 注：氢键自动连接 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 ②来源及差异 E·coliDNA连接酶：从大肠杆菌分离得到，只能作用于黏性末端 T4DNA连接酶：从T4噬菌体分离得到，可作用于平末端和黏性末端 知识总结 (2)DNA连接酶 ③DNA连接酶和限制酶之间的关系 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 【知识拓展】（一）相关酶的比较 名称 作用部位 底物 作用结果 限制酶 磷酸二酯键 DNA分子 将DNA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 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成DNA单链 DNA（水解）酶 磷酸二酯键 DNA分子 将DNA分子水解为单个脱氧核苷酸 解旋酶 氢键 DNA分子 将双链DNA分子局部解旋为单链 RNA聚合酶 磷酸二酯键 核糖核苷酸 将单个脱氧核苷酸依次连接成RNA单链 【知识拓展】（二）相关化学键的比较 断 裂 连 接 氢键 DNA复制：解旋酶 转录：RNA聚合酶 PCR技术：高温 获取目的基因：自动断裂 自动连接，不需要酶 磷酸二酯键 基因工程中切开DNA片段： 限制酶 水解DNA：DNA水解酶 DNA复制时连接单体：DNA聚合酶 RNA复制时连接单体：RNA聚合酶 基因工程中连接DNA片段：DNA连接酶 逆转录时连接单体：逆转录酶 质粒（常用）：一种裸露的，结构简单、独立于细菌拟核DNA之 处，并且有自我复制能力的小型环状DNA分子。 噬菌体的衍生物 动植物病毒 ②作用：携带外源DNA片段的质粒进入受体细胞后，在细胞中进行 自我复制，或整合到染色体DNA上，随染色体DNA进行同步复制。 ③特点及意义 （1）有一个至多个限制酶切割位点。 （可携带多个或多种外源基因） （2）能够在受体细胞中进行自我复制，并稳定保存。 （目的基因稳定存在，且数量可扩增） （3）有特殊的标记基因。 （供重组DNA的鉴定和选择，例如；抗性基因、荧光基因） 知识总结 （3）载体 ①种类 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 载体上标记基因的作用 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，原理如图所示： 考点一 基因工程的概念及基本工具【生命观念】 3.基因工程的基本工具 【知识拓展】1.要点突破 （1）限制酶是一类酶，而不是一种酶。 （2）将一个基因从DNA分子上切割下来，需要切两处，同时产生四个黏 性末端或平末端。 （3）不同DNA分子用同一种限制酶切割，产生的末端都相同，同一个DNA 分子用不同的限制酶切割，产生的末端一般不相同。 （4）限制酶切割位点应位于标记基因之外，不能破坏标记基因，以便进 行检测。 （5）目的基因的插入位点不是随意的：基因表达需要启动子与终止子的 调控，所以目的基因的插入位点应在启动子与终止子之间。 （1）根据你所掌握的知识，你能推测限制酶存在于原核生物中的作用是什么吗？ 提示：防止外来病原物的侵害，切割外源DNA，保护自身。 【知识拓展】2.教材深挖 （2）请据图回答下列问题： 据图可知EcoRⅠ限制酶的识别序列是_____________;切口类型是___________；切点是在________之间，由图解可以看出，限制酶的作用特点是识别________________________ 序列，并使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的_____________断开。 —GAATTC— 黏性末端 G—A 双链DNA分子的某种特定核苷酸 磷酸二酯键 【知识拓展】2.教材深挖 （3）（选修3 P6寻根问底）DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗？为什么？ 提示：不是。DNA连接酶发挥作用时不需要模板，连接的是两个DNA片段；DNA聚合酶发挥作用时需要模板，作用是将单个核苷酸依次连接到单链3′端。 （4）联系你已有的知识，想一想，为什么限制酶不剪切细菌本身的DNA? 提示：含有某种限制酶的细胞，自身DNA不具有这种酶的识别切割序列，或识别序列被修饰，使限制酶不能将其切开。 根据基因工程的有关知识，回答下列问题： (1)经BamHⅠ酶切后得到的目的基因可以与上述表达载体被________酶切后的产物连接，理由是______________ __________________________ (2)若某人利用图(b)所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组子，如图(c)所示。这三种重组子中，不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有________，不能表达的原因是_________________ ________________________________________ _____________________________________。 (3)DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来的酶，常见的有____________________和______________，其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是 。 Sau3AⅠ 两种酶切割后产生的片段具有相同的黏性末端 E·coliDNA连接酶 T4DNA连接酶 T4DNA连接酶 甲和丙 2．图(a)中的三个DNA片段上依次表示出了EcoRⅠ、 BamHⅠ和Sau3AⅠ三种限制性内切酶的识别序列与切割位点，图(b)为某种表达载体的示意图(载体上的EcoRⅠ、Sau3AⅠ的切点是唯一的)。 甲中目的基因插入在启动子的上游，丙中目的基因插入在终止子的下游，二者的目的基因均不能被转录 （1）若先用限制酶BamHI切开pZHZ11，然后灭活BamHI酶，再加DNA连接酶进行连接，最后将连接物导入足够数量的大肠杆菌细胞中，则含3.1 kb质粒的细胞颜色为_____；含3.6 kb质粒的细胞颜色为 。 白色和蓝色/白色或蓝色 白色 在图所示的质粒PZHZ11（总长为3.6 kb，1 kb=1000对碱基因）中，lacZ基因编码β-半乳糖苷酶，后者催化生成的化合物能将白色的大肠杆菌染成蓝色。 （2）若将两端分别用限制酶BamHI和BglHI切开的单个目的基因片段置换pZHZ11中0.5 kb的BamHI酶切片段，形成4.9 kb的重组质粒，则目的基因长度为_____kb。 （3）上述4.9 kb的重组质粒有两种形式，若用BamHI和EcoRI联合酶切其中一种，只能获得1.7 kb和3.2 kb两种DNA片段；那么联合酶切同等长度的另一种重组质粒，则可获得_____kb和_____kb两种DNA片段。 1.4　 1.8 3.5　 左图表示Ti质粒，其中Vir区的基因表达是基因工程成功的的必备条件;右图表示含有LYZ﹣GFP基因的DNA片段 如果LYZ-GFP基因和Ti质粒的大小分别为0.6kb和3.6kb（1kb=1000对碱基）,如果用限制酶II切割重组质粒，那么切割后线性片段大小应为________________。 A.大于4.2kb B.等于4.2kb C.小于4.2kb D.0kb C 将上述融合基因与图17中的质粒构建成重组质粒时，应选用的限制酶是____。 A．ClaⅠ B．SacⅠ和XbaⅠ C．ClaⅠ和XbaⅠ D．ClaⅠ和SacⅠ 若该融合基因长1.9kb，据图分析，此重组质粒大小为_________kb。 为了筛选含有目的基因的受体细胞，需要先将目的基因和标记基因连接形成融合基因。首先用_____________________限制酶切割正常腺苷脱氨酶基因与金属硫蛋白基因，然后用DNA连接酶将它们连接形成融合基因。 CLaⅠ、XbaⅠ和SacⅠ 严重联合性免疫缺陷症是一种T淋巴细胞缺乏腺苷脱氨酶（ADA）引起的疾病，通过基因工程的方法将正常ADA基因导入患者细胞中进行治疗。图分别表示正常ADA基因、金属硫蛋白基因（含有该基因的细胞能在含重金属镉的培养基中生长）和质粒（总长为3.8kb，lkb=1000对碱基），ClaⅠ、XbaⅠ和SacⅠ均为限制酶。 B 5.3 第一讲 基因工程 2 1 3 基因工程的基本工具 基因工程的基本操作程序 基因工程的应用和蛋白质工程 4 DNA粗提取与鉴定 5 基因工程的应用 真题再现 知识总结 主要包括四个步骤：目的基因的获取、_____________________、将目的基因导入受体细胞、_______________________。 (一）目的基因的获取 1）目的基因:主要指_____________的基因,也可以是一些具有调控作用的因子。 2）获取方法 方法 前提 基因文库获取 从自然界已有的物种中分离 PCR技术扩增 有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便合成引物 人工合成 基因比较小，核苷酸序列已知；用DNA合成仪 基因表达载体的构建 目的基因的检测与鉴定 编码蛋白质 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 利用mRNA反转录合成 通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成 从基因文库中获取目的基因 利用PCR技术扩增目的基因 人工合成 构建基因组文库：含有一种生物的全部基因 构建部分基因文库：含有一种生物的一部分基因 （如：cDNA文库） ③如何从基因文库中获取 根据目的基因的有关信息：如基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA、以及基因的表达产物蛋白质等特性来获取目的基因。 知识总结 供体 DNA 限制酶 许多 DNA片段 构建 表达 载体 导入 受体 菌群 目的基因的mRNA 反转录 反转录酶 单链 DNA 导入 受体 菌群 构建 表达 载体 合成 双链DNA（cDNA） （目的基因） DNA聚合酶 ①构建基因组文库 ②构建cDNA文库：反转录法（较原有目的基因短） 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 (一）目的基因的获取 （1）从基因文库中获取目的基因 【知识拓展】真核细胞的基因结构 非编码区 非编码区 编码区（转录区） 启动子 终止子 转录 起点 转录 终点 外显子 内含子 转 录 提醒：反转录法得到的cDNA比实际的DNA分子短。 剪 切 多肽链 翻译 反转录 cDNA ? 无内含子和启动子序列的基因序列。 (1)从基因文库中获取目的基因 基因组文库和cDNA文库的主要区别 文库类型 cDNA文库 基因组文库 文库大小 基因中启动子（具有启动作用的DNA片段） 基因中内含子(位于编码蛋白质序列的非编码DNA片段） 基因多少 物种间的基因交流 小 大 无 有 无 有 某种生物的部分基因 某种生物的全部基因 可以 部分基因可以 cDNA文库无启动子、终止子、内含子。 1.为什么cDNA文库的基因数少于基因组文库？ 答：cDNA文库中的基因是已转录或已表达的基因，而基因组文库含该种生物的全部基因。 2.为什么人的基因组文库中获取的胰岛素基因导入大肠杆菌中没有表达出胰岛素 答：大肠杆菌中无切割内含子转录的对应的核苷酸序列的酶或无剪接系统 3.在大肠杆菌中可以生产糖蛋白吗？ 答：蛋白质肽链上有的共价结合的糖链是在内质网和高尔基体复合体上加工完成的，但大肠杆菌不存在这两种细胞器。 根据基因的有关信息：如基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA、基因翻译产物蛋白质 4.怎样从基因文库中得到我们所需的目的基因？ 核酸杂交法：用带放射性标记的特异DNA作为探针，通过分子杂交与目的基因结合，产生杂交信号，从基因文库中把目的基因显示出来。 根据表达产物筛选目的基因：如通过抗原-抗体杂交检测目的基因的表达产物；检测表达产物功能活性（若产物是酶，可通过酶促反应来检测）；检测产物蛋白质的结构和性质（如产物的相对分子质量、肽谱等）。 知识总结 （一）目的基因的获取 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 (2)利用PCR技术扩增目的基因 1.概念：PCR全称为_______________，是一项在生物 复制_____________的核酸合成技术 多聚酶链式反应 体外 特定DNA片段 DNA双链复制 模板 （目的基因DNA） 原料(4种游离的脱氧核苷酸)dCTP、dATP、dGTP、dTTP 引物（人工合成的两条DNA单链片段(引物1，引物2)） Taq酶（热稳定DNA聚合酶）特点：耐高温、热稳定性高 温度控制 4.操作前提： 要有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物。 PCR扩增仪 提供原料和供能 2.原理：__________ 3.条件： 提醒　①在PCR过程中实际加入的为dNTP(即dATP、dGTP、dTTP、dCTP)，既可作为合成DNA子链的原料，又可为DNA的合成提供能量。 ②引物是一小段单链的DNA或RNA，作为新子链的合成起点，只能结合在母链的3′端，使DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸。 知识总结 （一）目的基因的获取 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 (2)利用PCR技术扩增目的基因 5.过程： 知识总结 （一）目的基因的获取 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 (2)利用PCR技术扩增目的基因 7.方式： 指数形式扩增(2n，n为扩增循环的次数) 在短时间内大量扩增目的基因 5.过程： a.变性 b.复性 c.延伸： 加热至90～95℃，目的基因DNA双链受热解链为单链 冷却至55～60℃，引物与DNA单链相应互补序列结合 加热至70℃-75℃，Taq酶从引物起始进行互补链的合成 8.引物： 扩增一次需要引物 个 2 2n+1-2 6.结果： 。 5’ 3’ G—G T—C 3’ 5’ A—G C—C 5’ 3’ G—G 引物Ⅰ 5’ 3’ A—G 引物Ⅱ 经观察：得到完整的目的基因至少需要完成3次扩增过程。 知识总结 （一）目的基因的获取 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 (2)利用PCR技术扩增目的基因 在DNA复制中引物所起的作用是 ______________________________ ______________________________。 若所用引物为Ⅱ和Ⅲ进行扩增可以获得________种序列不同的产物； 若用引物Ⅰ和Ⅳ可以获得________种序列不同的产物。 经过________次扩增循环可以 获取目的基因。 3 9.子链延伸方向：沿5'→3' 延伸 使DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸(作为复制的起点) 2 5 如果基因比较小，核苷酸序列又已知， 可以通过___________用化学方法直接 人工合成。 ①化学合成法（已知氨基酸序列合成DNA） DNA合成仪 氨基酸 脱氧 核苷酸 蛋白质的氨基酸序列 推测 基因的核苷酸序列 目的基因 化学合成 有多种mRNA和多种目的基因的原因？ 一种氨基酸可对应多种密码子（密码子的简并性）。 推测 mRNA的 核苷酸序列 （多种） （多种） 知识总结 （一）目的基因的获取 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 (3)人工合成目的基因 通过DNA合成仪直接人工合成 ②反转录法 DNA 1.目的：使目的基因在__________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。 受体细胞 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 (二）基因表达载体的构建——基因工程的核心 2.组成 启动子：RNA聚合酶识别和结合的部位，转录的起点。 终止子：转录的终点，在转录过程中起调控作用。 标记基因：鉴别和筛选含有目的基因的细胞（鉴定导入是否成功的标志，如：抗性基因、荧光基因） 目的基因：能够控制特定性状 此外，质粒上还具有复制原点，它是质粒自我复制的起点。真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 (二）基因表达载体的构建——基因工程的核心 3.基因表达载体的构建过程 ［思考］：会有哪几种重组的结果出现？ 目的基因自连接。 质粒自连接。 目的基因与质粒正常连接。 目的基因与质粒反向连接 . . . 同种 G C T T A A A A T T C G G C T T A A A A T T C G 用同种限制酶切割 G A A T T C C T T A A G G A A T T C C T T A A G G C T T A A A A T T C G DNA连接酶 【例】用同种限制酶切割 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 (二）基因表达载体的构建——基因工程的核心 3.基因表达载体的构建过程 【例】用相同的两种限制酶切割 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 (二）基因表达载体的构建——基因工程的核心 3.基因表达载体的构建过程 【例】用相同的两种限制酶切割 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 （三）将目的基因导入受体细胞 农杆菌转化法（双子叶和裸子植物） 基因枪法（单子叶植物，成本较高） 花粉管通道法将目的基因通过花粉管通道导入受体细胞，十分简便经济 受体细胞 植物细胞 动物细胞 微生物细胞 ——显微注射技术 ——Ca2+处理法 1.转化：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.常用的受体细胞：动植物细胞、大肠杆菌、土壤农杆菌、枯草杆菌等。 3.原理：借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 （三）将目的基因导入受体细胞 1.将目的基因导入植物细胞 ① ② ③ ④ 农杆菌能感染双子叶植物和祼子植物,对大多数单子叶植物没有感染能力 酚类化合物 受到损伤时，伤口处的细胞分泌 重组 Ti质粒 农杆菌 （受体1） 植物细胞 （受体2） 受体细胞染色体DNA上 目的基因得以稳定遗传和表达 （1）转化过程 目的基因插入Ti质粒的T-DNA上 转入 导入 整合 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 （三）将目的基因导入受体细胞 1.将目的基因导入植物细胞 （2）农杆菌特点 a.易感染双子叶和裸子植物 b.具有趋化性（趋向伤口分泌的酚类化合物） c.它的Ti质粒的T-DNA可转移至受体细胞，并整合到受体细胞染色 体DNA上。（这是目的基因在受体细胞中稳定遗传的关键） 农杆菌转化法是将目的基因插入到Ti质粒的_____上，通过农杆菌的转化作用， 就可以使目的基因进入植物细胞，并将目的基因_______________________。 T-DNA 插入到植物细胞染色体的DNA上 农杆菌的特点或者转化法原理：目的基因随农杆菌中Ti质粒上的T-DNA转移至受体细胞，并且整合到受体细胞染色体的DNA上。 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 （三）将目的基因导入受体细胞 2.将目的基因导入动物细胞 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 显微注射仪 获得转基因动物时，通常选择受精卵做受体细胞的原因？ 提示　受精卵全能性高，可使目的基因在相应的组织细胞内表达。 体外受精或者 体内受精 （1）导入动物细胞（受体细胞：受精卵） （2）方法：显微注射技术 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 （三）将目的基因导入受体细胞 3.将目的基因导入微生物细胞 Ca2+处理 大肠杆菌 感受态 细胞 感受态细胞 吸收DNA 重组表达载体DNA分子溶于缓冲液与感受态细胞混合 完成转化过程 （1）受体细胞：原核细胞 （2）微生物作受体细胞原因（原核生物特点： 繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对少 （3）常用菌：大肠杆菌 （4）常用法：Ca2+处理获得感受态细胞（细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态） （改变细胞壁的通透性） （5）过程： 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 （四）目的基因的检测与鉴定 目的：检测目的基因进入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性。 检测（分子水平） 鉴定（个体生物学水平） 目的基因是否转录出了mRNA 目的基因DNA是否插入 目的基因是否翻译成蛋白质 是否出现杂交带 抗虫或抗病接种实验 是否有抗性以及抗性的程度 活性比较 DNA分子杂交技术 分子杂交技术 抗原-抗体杂交 技术 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 （四）目的基因的检测与鉴定 1.DNA分子杂交技术（检测是否插入） 目的基因 放射性 标记 探针 探针与受体中的DNA分子杂交 出现杂交带：已插入 不出现杂交带：未插入 原理：碱基互补配对原则 目的基因的检测示意图 ①目的：检测转基因生物的DNA上是否插入了目的基因DNA。 ②操作：用带有放射性同位素标记的目的基因的DNA片段作为探针与基因组DNA杂交。 ③原理：碱基互补配对原则。 ④结果：如果出现杂交带，表明目的基因已插入染色体DNA中。 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 （四）目的基因的检测与鉴定 2.分子杂交技术（检测是否转录） 目的基因 放射性 标记 探针 探针与受体中的mRNA杂交 出现杂交带：已转录 不出现杂交带：未转录 原理：碱基互补配对原则 目的基因的检测示意图 ①目的：检测目的基因是否转录出了mRNA。 ②操作：用带有放射性同位素标记的目的基因的DNA片段作为探针与提取的mRNA杂交。 ③原理：碱基互补配对原则。 ④结果：如果出现杂交带，表明目的基因已转录出了mRNA。 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 （四）目的基因的检测与鉴定 3.抗原—抗体杂交技术（检测是否翻译） 相应抗体 放射性 标记 探针 探针与受体中的蛋白质杂交 出现杂交带：已翻译 不出现杂交带：未翻译 原理：抗原——抗体特异性结合 苏云金杆菌 Bt毒素蛋白 将Bt毒蛋白注射小鼠体内 从小鼠血管抽出血液分离出抗Bt毒素的抗体 抗体 蛋白质 脱分化 ①目的：检测目的基因是否翻译出蛋白质。 ②操作：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。 ③原理：抗原与抗体的特异性识别。 ④结果：如果出现杂交带，表明目的基因已表达出蛋白质。 组织培养 出现杂交带 知识总结 考点二 基因工程的基本操作程序【科学探究】 （四）目的基因的检测与鉴定 4.检测目的基因是否导入受体细胞（标记基因） 转化 不含重组质粒 的大肠杆菌 含有重组质粒 的大肠杆菌 不含重组质粒的大肠杆菌死亡 放入含四环素的 培养基中培养 平板筛选 含有重组质粒的大肠杆菌存活 重组质粒 目的基因的检测与鉴定【科学探究】 目的基因导入受体细胞后，是否可以维持稳定和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能知道。这是检验基因工程是否成功的重要一步。 目的基因 抗原－ 抗体 杂交带 抗性 归纳总结 知识拓展 一、重难突破 1.基因组文库与cDNA文库比较 文库类型 cDNA文库 基因组文库 构建基因文库的过程 文库大小 小 大 基因中启动子 无 有 基因中内含子 无 有 知识拓展 一、重难突破 1.基因组文库与cDNA文库比较 文库类型 cDNA文库 基因组文库 基因多少 某种生物的部分基因 某种生物的全部基因 物种间的基因交流 可以 部分基因可以 说明 基因文库的组建过程就包含基因工程的基本操作步骤。从基因文库中获取目的基因的优点是操作简便，缺点是工作量大，具有一定的盲目性 知识拓展 一、重难突破 2.启动子、起始密码子、终止子、终止密码子的区别 位置 作用 启动子 位于DNA分子上 RNA聚合酶识别和结合位点，启动转录过程 起始密码子 位于mRNA分子上 决定翻译的开始 终止子 位于DNA分子上 决定转录的结束 终止密码子 位于mRNA分子上 决定翻译的结束 知识拓展 一、重难突破 3.PCR技术和DNA复制的比较 知识拓展 一、重难突破 4.DNA分子杂交技术的基本步骤 1）将待测的转基因生物的基因组DNA提取出来，经适当的酶切后并电泳，将大小不同的DNA片段分开； 2）制备探针（在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素等做标记）； 3）使探针与待测的转基因生物的基因组DNA杂交。 4）结果与结论：如果出现杂交带（即杂交分子），则说明目的基因已插入染色体DNA中。 知识拓展 一、重难突破 5.抗原—抗体杂交的基本步骤 1）制备抗体：将目的基因在大肠杆菌中表达出蛋白质；将表达出的蛋白质注射给动物进行免疫，产生相应的抗体，并提取抗体； 2）从转基因生物中提取蛋白质； 3）使制备的抗体与提取的蛋白质进行杂交。 4）结果与结论：如果出现杂交带（即杂交分子），则说明目的基因已表达出相应蛋白质。 知识拓展 二、教材深挖拓展 1. 为什么要构建基因文库？直接从含目的基因的生物体内提取不行吗？ 提示：构建基因文库是获取目的基因的方法之一。如果所需要的目的基因序列已知，就可以通过PCR直接获得；如果目的基因序列完全不知，或只知道一段序列，或想获得许多基因等，往往就需要构建基因文库。 2. 将生物的所有DNA直接导入受体细胞不是更简便吗？如果这么做，结果会怎样？ 提示：有人采用总DNA注射法进行遗传转化，没有进行表达载体的构建，这种方法针对性差，完全靠运气，也无法确定什么基因导入了受体细胞，严格来讲不算基因工程。 知识拓展 二、教材深挖拓展 3. 根据农杆菌可将目的基因导入双子叶植物的机理，你能分析出农杆菌不能将目的基因导入单子叶植物的原因吗?若想将一个抗病基因导入单子叶植物，理论上应该怎么做？ 提示：农杆菌具有趋化性，农杆菌不能将目的基因导入单子叶植物的原因是单子叶植物通常不能产生分类诱导物，有一些能产生诱导物的单子叶植物也可以被农杆菌侵染。若想将一个抗病基因导入单子叶植物，应该选择合适的农杆菌菌株，因为不是所有的农杆菌都可侵染单子叶植物；加趋化和诱导的物质，使农杆菌向植物组织的受伤部位靠拢。 知识拓展 二、教材深挖拓展 4.你能推测出mRNA反转录形成cDNA的过程大致分为哪些步骤吗？ 提示　第1步：mRNA在反转录酶的作用下形成RNA—DNA杂交分子；第2步：在RNA酶的作用下将RNA—DNA杂交分子中的RNA水解掉，形成DNA单链；第3步：以DNA单链为模板，在DNA聚合酶的作用下形成双链的DNA。 5.cDNA文库的基因中为什么不含有启动子和内含子？ 提示　cDNA文库是以某一发育时期细胞中的mRNA为模板反转录形成的，mRNA中不含有启动子和内含子对应的碱基序列。 知识拓展 二、教材深挖拓展 6.PCR是多聚酶链式反应的缩写,利用PCR技术可对目的基因进行扩增。请根据教材PCR原理示意图回答有关问题: 1） PCR技术使DNA解链是通过___________实现的,DNA的这种解链现象在一定条件下是_________（填“可逆的”或“不可逆的”）。 高温加热 可逆的 2） DNA解链后冷却的目的是___________________________。 让引物与互补DNA链相结合 3） 当温度加热至70~75 ℃时,是_________________酶把单个脱氧核苷酸通过 ___________键连接到引物的3′端。如此逐渐延伸形成互补链,进而使目的基因加倍。 热稳定DNA聚合 磷酸二酯 4） 该反应体系中_________（填“需要”或“不需要”）加入ATP；通过重复循环过程,使目的基因以_______形式扩增。 不需要 指数 第一讲 基因工程 2 1 3 基因工程的基本工具 基因工程的基本操作程序 基因工程的应用和蛋白质工程 4 DNA粗提取与鉴定 5 基因工程的应用 真题再现 知识总结 1）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_______。 外源基因类型及举例 成果举例 抗虫转基因植物 Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因 抗虫水稻、抗虫棉、抗虫玉米 抗病转基因植物 ①抗病毒基因：病毒外壳蛋白基因、病毒复制酶基因 ②抗真菌基因：几丁质酶基因、抗毒素合成基因 抗病毒烟草、抗病毒小麦、抗病毒番茄、抗病毒甜椒 抗逆转基因植物 调节细胞渗透压基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因 抗盐碱和抗干旱烟草、抗寒番茄、抗除草剂大豆和玉米 改良品质转基因植物 提高必需氨基酸含量的蛋白质编码基因、控制番茄成熟的基因、与花青素代谢有关的基因 高赖氨酸玉米、耐储存番茄、新花色矮牵牛 品质 考点三 基因工程的应用【社会责任】 1）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 抗虫棉 转基因玉米 转基因牵牛花 植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力(如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等)，以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。 知识总结 考点三 基因工程的应用【社会责任】 2）动物基因工程:提高动物___________，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_______等。 种类 目的基因 实例 提高生长速度的转基因动物 外源生长激素基因 转基因绵羊、转基因鲤鱼等 改善畜产品品质的转基因动物 肠乳糖酶基因 乳糖含量较少的乳汁 生产药物的转基因动物 药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件 乳腺生物反应器 作器官移植供体的转基因动物 抑制抗原决定基因表达的调节因子 无免疫排斥反应的转基因克隆猪器官 生长速度 供体 知识总结 考点三 基因工程的应用【社会责任】 转基因 低乳糖奶牛 转基因鱼 转基因生产 人乳铁蛋白的奶牛 转基因动物 动物基因工程在动物品种改良、建立生物反应器、器官移植等方面显示了广阔的应用前景。 知识总结 考点三 基因工程的应用【社会责任】 ①受体细胞：多为原核细胞 工程菌 3）基因工程药物 ③成果:利用“工程菌”可生产细胞因子、抗体、疫苗、激素等。 ④工程菌：用基因工程的方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系。 提醒　(1)青霉素是青霉菌产生的，不是通过基因工程产生的。 (2)动物基因工程主要是为了改善畜产品的品质，而不是为了产生体型巨大的个体。 (3)原核生物的基因(如抗虫基因)可以作为真核生物(棉花)的目的基因。 (4)Bt毒蛋白基因产生的Bt毒蛋白只在某些昆虫肠道的碱性环境中才能表现出毒性，而人和牲畜的胃液呈酸性，肠道细胞也无特异性受体，因此，Bt毒蛋白不会对人畜产生危害。 ⑤作用：用于预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、遗传病、各种 传染病、糖尿病、类风湿等疾病 ②方式:利用基因工程培育“_________”来生产药品。 知识总结 考点三 基因工程的应用【社会责任】 4）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。这是治疗遗传病最有效的手段。 ②种类 a.体外基因治疗：培养某种病人细胞→体外基因转移→筛选成功转移的细胞扩增培养→输入患者体内。 b.体内基因治疗：直接向人体组织细胞中转移基因的治疗方法。 ③效果：治疗遗传病的最有效的手段。 原理 操作过程 进展 基因治疗 基因表达 把正常基因导入受体细胞内，使该基因的表达产物发挥作用，以达到治疗疾病的目的 临床实验 基因诊断 碱基互补配对 制作特定DNA探针与病人样品DNA混合，分析杂交带情况，以达到检测疾病的目的 临床应用 知识总结 考点三 基因工程的应用【社会责任】 1.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，以满足人类生产和生活的需求，又称为第二代基因工程。 2.蛋白质工程崛起的缘由：①基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质。 ②天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需求 3.蛋白质工程设计基本途径：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 4.直接操作的对象：基因序列。 5.基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 6.手段：基因修饰或基因合成 7.目的：对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求 8.原理：通过基因改造实现对蛋白质结构的设计改造 9.设计思路：中心法则的逆推过程。 考点四 蛋白质工程【生命观念、社会责任】 知识总结 【知识拓展】1.蛋白质工程与基因工程的区别与联系 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→找到相应的脱氧核苷酸序列 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 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 生产自然界中没有的蛋白质 生产自然界中已有的蛋白质 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，是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。 【知识拓展】2.教材深挖拓展 1、 用动物乳腺作为反应器，生产高价值的蛋白质比工厂化生产的优越之处有哪些？ 提示：产量高、质量好、成本低。 2、 如何操作才能实现目的基因的产物在乳腺产生？ 提示：要在编码目的蛋白质的基因序列前加上只在乳腺组织中表达的启动子来构建基因表达载体。 3 、用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程是怎样的？ 提示：获取目的基因→构建基因表达载体（在目的基因前加只在乳腺组织中表达的启动子）→显微注射导入哺乳动物受精卵中→形成胚胎→将胚胎送入母体→发育成转基因动物。 4、蛋白质工程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。 获取 目的基因 基因表达载体的构建 目的基因导入受体细胞 目的基因的 检测与鉴定 基因工程的 应用 运载体的选择及改造 构建表达载体的工具 检测目的基因是否 导入受体细胞 检测目的基因是否转录和翻译 终端检测是否达到转基因的目标 农杆菌转化法 Ca2+处理法 显微注射技术 转基因植物 转基因产物 转基因动物 基因治疗 基因组文库 cDNA文库 PCR技术扩增 人工化学合成 第一讲 基因工程 2 1 3 基因工程的基本工具 基因工程的基本操作程序 基因工程的应用和蛋白质工程 4 DNA粗提取与鉴定 5 基因工程的应用 真题再现 1.实验原理 0.14 NaCl 考点四 DNA粗提取与鉴定【科学探究】 知识总结 2.操作流程 NaCl溶 液的浓度 95% 二苯胺 蓝色 考点四 DNA粗提取与鉴定【科学探究】 知识总结 3.DNA和蛋白质在不同浓度的NaCl溶液中溶解度的比较 考点四 DNA粗提取与鉴定【科学探究】 知识总结 4.DNA的粗提取与鉴定中的“2、3、4” 考点四 DNA粗提取与鉴定【科学探究】 知识总结 考向 PCR技术和DNA的粗提取与鉴定 1. [2019课标全国Ⅰ，38，15分]基因工程中可以通过PCR技术扩增目的基因。回答下列问题。 1） 基因工程中所用的目的基因可以人工合成，也可以从基因文库中获得。基因文库包括_____________和____________。 基因组文库 cDNA文库 2） 生物体细胞内的DNA复制开始时，解开DNA双链的酶是_________。在体外利用PCR技术扩增目的基因时，使反应体系中的模板DNA解链为单链的条件是__________________。上述两个解链过程的共同点是破坏了DNA双链分子中的_______。 解旋酶 加热至90～95 ℃ 氢键 3） 目前在PCR中使用Taq酶而不使用大肠杆菌DNA聚合酶的主要原因是_______________________________________________________。 Taq酶热稳定性高，而大肠杆菌DNA聚合酶在高温下会失活 2. DNA提取过程中可以选用鸡血或者菜花作为实验材料。请回答下列关于DNA粗提取和鉴定的问题： 1） 使用鸡血提取DNA时，需在鸡血中加入柠檬酸钠，目的是_______________；在鸡血细胞液中加入蒸馏水，目的是_________________。 防止血液凝固 使鸡血细胞破裂 2） 使用菜花提取DNA时，需要研磨，研磨时可加入一定的洗涤剂和食盐，其作用分别是_____________和___________。 瓦解细胞膜 溶解DNA 3） DNA在浓度为_______ mol/L的氯化钠溶液中溶解度最低。使用体积分数为95%的冷却酒精可使DNA_______（填“析出”或“溶解”）。 0.14 析出 4） 使用二苯胺鉴定DNA时，需要在_________条件下进行，DNA与二苯胺反应呈现_____色。 沸水浴 蓝 第一讲 基因工程 2 1 3 基因工程的基本工具 基因工程的基本操作程序 基因工程的应用和蛋白质工程 4 DNA粗提取与鉴定 5 基因工程的应用 真题再现 1. [2020课标全国Ⅲ，38，15分]W是一种具有特定功能的人体蛋白质。某研究小组拟仿照制备乳腺生物反应器的研究思路，制备一种膀胱生物反应器来获得W，基本过程如图所示。回答下列问题： 1） 步骤①中需要使用的工具酶有_______________________________。步骤②和③所代表的操作分别是___________和___________。步骤④称为___________。 限制性核酸内切酶、DNA连接酶 显微注射 体外培养 胚胎移植 2） 与乳腺生物反应器相比，用膀胱生物反应器生产W的优势在于不受转基因动物的_____________（答出2点即可）的限制。 性别、年龄 3） 一般来说，在同一动物个体中，乳腺上皮细胞与膀胱上皮细胞的细胞核中染色体DNA所含的遗传信息_______（填“相同”或“不同”），原因是________________________________________________。 相同 两种上皮细胞都是体细胞，且来源于同一个受精卵 4） 从上述流程可知，制备生物反应器涉及胚胎工程，胚胎工程中所用到的主要技术有_____________________（答出2点即可）。 体外受精、胚胎移植 2. [2021全国甲卷，38，15分]PCR技术可用于临床的病原菌检测。为检测病人是否感染了某种病原菌，医生进行了相关操作:①分析PCR扩增结果；②从病人组织样本中提取DNA;③利用PCR扩增DNA片段;④采集病人组织样本。回答下列问题: 1） 若要得到正确的检测结果，正确的操作顺序应该是___________（用数字序号表示）。 ④②③① 2） 操作③中使用的酶是_____________。PCR反应中的每次循环可分为变性、复性、_______三步， 其中复性的结果是_____________________________________。 DNA聚合酶 延伸 引物通过碱基互补配对与单链DNA结合 3） 为了做出正确的诊断，PCR反应所用的引物应该能与_____________特异性结合。 病原菌DNA 4） PCR（多聚酶链式反应）技术是指_______________________________________。该技术目前被广泛地应用于疾病诊断等方面。 在生物体外大量快速扩增特定DNA片段的技术 3. [2021全国乙卷，38，15分]用DNA重组技术可以赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人类需要的生物产品。在此过程中需要使用多种工具酶，其中4种限制性核酸内切酶的切割位点如图所示。回答下列问题： 1） 常用的DNA连接酶有E.coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶。上图中_____________ 酶切割后的DNA片段可以用E.coli DNA连接酶连接。上图中__________________________酶切割后的DNA片段可以用T4 DNA连接酶连接。 EcoRⅠ、PstⅠ EcoRⅠ、SmaⅠ、PstⅠ、EcoRⅤ 2） DNA连接酶催化目的基因片段与质粒载体片段之间形成的化学键是_________。 磷酸二酯键 3） DNA重组技术中所用的质粒载体具有一些特征。如质粒DNA分子上有复制原点，可以保证质粒在受体细胞中能___________；质粒DNA分子上有__________________，便于外源DNA插入；质粒DNA分子上有标记基因（如某种抗生素抗性基因），利用抗生素可筛选出含质粒载体的宿主细胞，方法是_________________________________ ______________________________________。 自我复制 限制酶切割位点 将待筛选的宿主细胞接种到含该抗生素的培养基中，能够生长的是含有质粒载体的宿主细胞 4） 表达载体含有启动子，启动子是指_____________________________________。 RNA聚合酶识别、结合并启动转录的DNA片段 谢谢观看! $$