专题03 基因工程（知识清单）-2024-2025学年高二生物下学期期末考点大串讲（人教版2019）

专题03 基因工程 知识建构 1．(选择性必修3 P68科技探索之路)艾弗里等人通过肺炎链球菌的转化实验，不仅证明了遗传物质是DNA，还证明了 。 2．(选择性必修3 P74拓展应用1)限制酶不能切割细菌自身DNA分子的原因：原核生物DNA分子中 。 3．(选择性必修3 P77相关信息)真核细胞和细菌的DNA聚合酶都需要Mg2＋激活。因此，PCR反应缓冲液中一般要添加 。引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的 。用于PCR的引物长度通常为20～30个核苷酸。 4．(选择性必修3 P81资料卡)农杆菌细胞内含有Ti质粒，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的 (可转移的DNA)转移到被侵染的细胞中，并且将其 。 考点一 基因工程的基本工具 1.限制性内切核酸酶——“分子手术刀” （1）切割 DNA 分子的工具是 ，简称限制酶，这类酶主要是从 中分离纯化出来的。它们能够 的 ，并且使每一条链中 的 断开，产生 或 两种形式的末端。 （2）原核生物中的限制酶不切割自身DNA 的原因是 。 2.DNA 连接酶——“分子缝合针” （1）作用：将 “缝合 ”起来，恢复被限制酶切开的 。 （2）DNA 连接酶分为两类：一类是 ，另一类是 。 ① ：只能将具有互补 DNA 片段连接起来 ② ：既可以“缝合 ”双链 DNA 片段互补的 ，又可以“缝合 ”双链 DNA 片段的 ，但连接 的效率相对较低。 （3）连接酶和 DNA 聚合酶的区别 ①DNA 连接酶：催化形成 键，连接 。起作用时 以 DNA 链为模板。 ②DNA 聚合酶：催化形成 键，连接 形成单链。起作用时 模板 3.载体——“分子运输车” （1）质粒是一种 、 、独立于 细胞核或 拟核 DNA 之外，并具有 能力的 分子。 （2）在基因工程操作中，真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行过 的。这些质粒上常有特殊的 基因，如四环素抗性基因、氨芐青霉素抗性基因等，便于 （3）在基因工程中使用的载体除质粒外，还有 、 等。 （4）载体必须具备的条件：①能在受体细胞中保存下来并能 ；②具有 1 个或多个 ， 以便与外源基因连接。③具有 。 【易错提醒】 明辨限制酶的特点与使用特点 (1)限制酶具有特异性，即一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列，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)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。 考点二 基因工程的操作程序 1.利用 PCR 获取和扩增目的基因 （1）PCR 是聚合酶链式反应的缩写。它是一项根据 的原理，在 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 反应需要在一定的 中才能进行，需提供 ，2 种 （分别与两条模板链结合） ，4 种 和 酶。同时通过 使 DNA 复制在 反复进行。扩增的过程是： 目的基因 DNA 后解为 ，引物与单链相应互补序列结合；然后以 为模板，在 DNA 聚合酶作用下进行 ，即将 4 种脱氧核苷酸加到引物的 端，如此重复循环多次。 （3）引物在 DNA 复制中的作用： （4）PCR 技术可以分为 、 和 三步。 （5）PCR 反应过程可以在 PCR 扩增仪（PCR 仪） 中自动完成，完成以后，常采用 来鉴定 PCR 的产物。 （6）在凝胶中DNA 分子的迁移速率与凝胶的 、DNA 分子的 等有关。 2. （基因工程的核心） （1）构建基因表达载体的目的： 。 （2）基因表达载体要包括以下五个基本的结构： 、 、 、 、 。 ①启动子是一段具有特殊序列结构的 片段，位于目的基因的 ，它是 识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出 ，最终表达出人类需要的 有时为了满足应用需要，会在载体上人工构建 ，当 存在时，可以 目的基因的表达。 ② 相当于一盏红色信号灯，使转录在所需要的地方 ，它位于基因的 ，也是一段特殊序列的 3．基因表达载体的构建过程 （1）首先用一定的 切割载体（质粒），使它出现一个切口。 （2）然后用 限制酶或 的限制酶切割含有 的 DNA 片段。 （3）用 将目的基因片段拼接到载体的切口处，这样就形成了一个 （ 基因表达载体）。 （4）双酶切优点：①防止质粒自身环化②防止目的基因自身环化③防止质粒与目的基因反向连接 3.将目的基因导入受体细胞 （1）转化： 目的基因进入 内，并且在受体细胞内 和 的过程。 （2）将目的基因导入受体细胞的方法 受体细胞类型 方法 植物细胞 农杆菌转化法、 法（我国科学家独创） 动物细胞 （注射到 内） 微生物细胞 （3）农杆菌转化法 （1）农杆菌的特点： ①农杆菌能在自然条件下感染 植物和 植物，对大多数 植物没有感染能力。随着转化方法的突破，用农杆菌侵染水稻、玉米等多种 植物也取得了成功。 ②农杆菌细胞内含有 ，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上 （可转移的DNA）转移到被侵染的细胞，并且将其整合到 上。 （2）农杆菌转化法： 将目的基因插入 的 中，通过 的转化作用，就可以使目的基因 。 （3）农杆菌转化法中的两次拼接和两次导入 ①两次拼接 第一次拼接：将 拼接到 上。（人工操作） 第二次拼接：含 被拼接到 上。（非人工操作） ②两次导入 第一次导入：将含 重新导入 。（人工操作） 第二次导入：含 导入 。（非人工操作） （4）显微注射技术 将目的基因导入 最常用的一种方法是利用 将目的基因注入动物的 中，这个受精卵将发育成为具有新性状的动物。 （5） Ca2+处理法 ①受体细胞：常用 ，其中以 应用最为广泛 ②先用 Ca2+处理大肠杆菌，使细胞处于一种 ，然后再将重组的基因表达载体导入其中 4.目的基因的检测与鉴定 （1）分子水平的检测 ①检测目的基因是否插入受体细胞染色体 DNA 上： ②检测目的基因是否转录出相应的mRNA： ③检测目的基因是否翻译出蛋白质： 杂交技术 （2）个体生物学水平的检测 检测受体植株是否表达出相应的性状：进行 等接种实验 【易错提醒】 图解限制酶的选择原则 (1)不破坏目的基因原则：如图甲中可选择PstⅠ，而不选择SmaⅠ。 (2)保留标记基因、启动子、终止子、复制原点原则：质粒作为载体必须具备标记基因，所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中不选择SmaⅠ。 (3)确保出现相同黏性末端原则：通常选择与切割目的基因相同的限制酶，如图甲中PstⅠ；为避免目的基因和质粒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PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶。 考点三 蛋白质工程 1．定义：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 ，来改造现有蛋白质，或制造一种 ，以满足人类生产和生活的需求。可以说，蛋白质工程是在 工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是包含多学科的综合科技工程。 2.蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对 进行设计改造，生产符合人们需求的、自然界中 的蛋白质。 3.蛋白质工程的实质：由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成 来完成。 4.蛋白质工程的的流程：从预期的 出发→设计预期的蛋白质 →推测应有的 序列→找到并改变相对应的 (基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$ 专题03 基因工程 知识建构 1．(选择性必修3 P68科技探索之路)艾弗里等人通过肺炎链球菌的转化实验，不仅证明了遗传物质是DNA，还证明了DNA可以在同种生物的不同个体之间转移。 2．(选择性必修3 P74拓展应用1)限制酶不能切割细菌自身DNA分子的原因：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。 3．(选择性必修3 P77相关信息)真核细胞和细菌的DNA聚合酶都需要Mg2＋激活。因此，PCR反应缓冲液中一般要添加Mg2＋。引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。用于PCR的引物长度通常为20～30个核苷酸。 4．(选择性必修3 P81资料卡)农杆菌细胞内含有Ti质粒，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的T-DNA(可转移的DNA)转移到被侵染的细胞中，并且将其整合到该细胞的染色体DNA上。 考点一 基因工程的基本工具 1.限制性内切核酸酶——“分子手术刀” （1）切割 DNA 分子的工具是限制性内切核酸酶，简称限制酶，这类酶主要是从原核生物中分离纯化出来的。它们能够识别双链 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，产生黏性末端或平末端两种形式的末端。 （2）原核生物中的限制酶不切割自身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.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磷酸二酯键。 （2）DNA 连接酶分为两类：一类是 E.coli DNA 连接酶，另一类是 T4DNA 连接酶。 ①E.coli DNA 连接酶：只能将具有互补黏性末端的 DNA 片段连接起来 ②T4DNA 连接酶：既可以“缝合 ”双链 DNA 片段互补的黏性末端，又可以“缝合 ”双链 DNA 片段的平末端，但连接平末端的效率相对较低。 （3）连接酶和 DNA 聚合酶的区别 ①DNA 连接酶：催化形成磷酸二酯键，连接两个 DNA 片段。起作用时需要以 DNA 链为模板。 ②DNA 聚合酶：催化形成磷酸二酯键，连接单个脱氧核苷酸形成单链。起作用时不需要模板 3.载体——“分子运输车” （1）质粒是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核 DNA 之外，并具有自我复制能力的环状双链 DNA 分子。 （2）在基因工程操作中，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。这些质粒上常有特殊的标记基因，如四环素抗性基因、氨芐青霉素抗性基因等，便于重组 DNA 分子的筛选 （3）在基因工程中使用的载体除质粒外，还有噬菌体、动植物病毒等。 （4）载体必须具备的条件：①能在受体细胞中保存下来并能自我复制；②具有 1 个或多个限制酶切割位点， 以便与外源基因连接。③具有标记基因。 【易错提醒】 明辨限制酶的特点与使用特点 (1)限制酶具有特异性，即一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列，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)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。 考点二 基因工程的操作程序 1.利用 PCR 获取和扩增目的基因 （1）PCR 是聚合酶链式反应的缩写。它是一项根据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 反应需要在一定的缓冲溶液中才能进行，需提供DNA 模板，2 种引物（分别与两条模板链结合） ，4 种脱氧核糖核苷酸和耐高温的 DNA 聚合酶。同时通过控制温度使 DNA 复制在体外反复进行。扩增的过程是： 目的基因 DNA 受热变性后解为单链，引物与单链相应互补序列结合；然后以单链 DNA 为模板，在 DNA 聚合酶作用下进行延伸，即将 4 种脱氧核苷酸加到引物的 3 ′端，如此重复循环多次。 （3）引物在 DNA 复制中的作用：使 DNA 聚合酶能够从引物的 3 ′端开始连接脱氧核苷酸 （4）PCR 技术可以分为变性、复性和延伸三步。 （5）PCR 反应过程可以在 PCR 扩增仪（PCR 仪） 中自动完成，完成以后，常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定 PCR 的产物。 （6）在凝胶中DNA 分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA 分子的大小和构象等有关。 2.基因表达载体的构建（基因工程的核心） （1）构建基因表达载体的目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代，同时，使目的基因能够表达和发挥作用。 （2）基因表达载体要包括以下五个基本的结构：复制原点、 目的基因、启动子、终止子、标记基因。 ①启动子是一段具有特殊序列结构的 DNA 片段，位于目的基因的上游，它是RNA 聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA，最终表达出人类需要的蛋白质 有时为了满足应用需要，会在载体上人工构建诱导型启动子，当诱导物存在时，可以激活或抑制目的基因的表达。 ②终止子相当于一盏红色信号灯，使转录在所需要的地方停下来，它位于基因的下游，也是一段特殊序列的 DNA片段 3．基因表达载体的构建过程 （1）首先用一定的限制酶切割载体（质粒），使它出现一个切口。 （2）然后用同种限制酶或能产生相同末端的限制酶切割含有目的基因的 DNA 片段。 （3）用 DNA 连接酶将目的基因片段拼接到载体的切口处，这样就形成了一个重组 DNA 分子（ 基因表达载体）。 （4）双酶切优点：①防止质粒自身环化②防止目的基因自身环化③防止质粒与目的基因反向连接 3.将目的基因导入受体细胞 （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）将目的基因导入受体细胞的方法 受体细胞类型 方法 植物细胞 农杆菌转化法、花粉管通道法（我国科学家独创） 动物细胞 显微注射技术 （注射到受精卵内） 微生物细胞 Ca2＋处理法 （3）农杆菌转化法 （1）农杆菌的特点： ①农杆菌能在自然条件下感染双子叶植物和裸子植物，对大多数单子叶植物没有感染能力。随着转化方法的突破，用农杆菌侵染水稻、玉米等多种单子叶植物也取得了成功。 ②农杆菌细胞内含有Ti质粒，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上 T-DNA（可转移的DNA）转移到被侵染的细胞，并且将其整合到该细胞的染色体 DNA上。 （2）农杆菌转化法： 将目的基因插入Ti 质粒的 T-DNA 中，通过农杆菌的转化作用，就可以使目的基因进入植物细胞。 （3）农杆菌转化法中的两次拼接和两次导入 ①两次拼接 第一次拼接：将 目的基因拼接到Ti 质粒的 T-DNA 上。（人工操作） 第二次拼接：含 目的基因的 T-DNA 被拼接到受体细胞的染色体 DNA上。（非人工操作） ②两次导入 第一次导入：将含目的基因的 Ti 质粒重新导入农杆菌。（人工操作） 第二次导入：含 目的基因的 T-DNA 导入受体细胞。（非人工操作） （4）显微注射技术 将目的基因导入动物受精卵最常用的一种方法是利用显微注射将目的基因注入动物的受精卵中，这个受精卵将发育成为具有新性状的动物。 （5） Ca2+处理法 ①受体细胞：常用原核生物，其中以大肠杆菌应用最为广泛 ②先用 Ca2+处理大肠杆菌，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA 分子的生理状态，然后再将重组的基因表达载体导入其中 4.目的基因的检测与鉴定 （1）分子水平的检测 ①检测目的基因是否插入受体细胞染色体 DNA 上：PCR 技术 ②检测目的基因是否转录出相应的mRNA：PCR 技术 ③检测目的基因是否翻译出蛋白质：抗原-抗体杂交技术 （2）个体生物学水平的检测 检测受体植株是否表达出相应的性状：进行抗虫、抗病等接种实验 【易错提醒】 图解限制酶的选择原则 (1)不破坏目的基因原则：如图甲中可选择PstⅠ，而不选择SmaⅠ。 (2)保留标记基因、启动子、终止子、复制原点原则：质粒作为载体必须具备标记基因，所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中不选择SmaⅠ。 (3)确保出现相同黏性末端原则：通常选择与切割目的基因相同的限制酶，如图甲中PstⅠ；为避免目的基因和质粒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PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶。 考点三 蛋白质工程 1．定义：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。可以说，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，是包含多学科的综合科技工程。 2.蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的分子结构进行设计改造，生产符合人们需求的、自然界中不存在的蛋白质。 3.蛋白质工程的实质：由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。 4.蛋白质工程的的流程：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。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$