2026届高三生物一轮复习课件-第1课时 基因工程的基本工具和基本操作程序

基因工程 1 第1课时 基因工程的基本工具和基本操作程序 2 课标要求 1.概述基因工程是在遗传学、微生物学、生物化学和分子生物学等学科基础上发展而来的 2.阐明重组技术的实现需要利用限制性内切核酸酶、 连接酶和载体三种基本工具 3.阐明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的获取、基因表达载体的构建、目的基因导入受体细胞和目的基因及其表达产物的检测鉴定等步骤 3 考点一 重组 技术的基本工具（固本·识记类） 4 1.基因工程 （1）概念理解 基因重组 受体 分子 遗传性状 必备知识·精梳理 5 （2）基因工程能够实现的理论基础 项目 理论基础 外源基因 在受体细 胞内表达 ①基因是控制生物性状的遗传物质的结构和功能单位 ②遗传信息的传递都遵循中心法则 ③生物界共用一套遗传密码 基因拼接 的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸 分子的复制都遵循碱基互补配对原则 ③双链 分子的空间结构都是规则的双螺旋结构 必备知识·精梳理 6 2.重组 技术的基本工具 （1）“分子手术刀”——限制性内切核酸酶（限制酶） 原核生物 数千 特定核苷酸序列 磷酸二酯键 黏性末端 必备知识·精梳理 7 （2）“分子缝合针” 连接酶 磷酸二酯键 大肠杆菌 平末端 平末端 必备知识·精梳理 8 （3）“分子运输车”——载体 质粒 限制酶切割位点 必备知识·精梳理 9 【考点易错】（明辨析） （1）切割质粒的限制性内切核酸酶均能特异性地识别6个核苷酸序列。 （ ） × [解析] 大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成,也有少数限制酶 的识别序列由4个、8个或其他数量的核苷酸组成。 （2）若受体大肠杆菌含有构建重组质粒时用到的限制性内切核酸酶, 则一定有利于该重组质粒进入受体并保持结构稳定。（ ） × [解析] 此时该限制酶会对进入该受体细菌的重组质粒进行切割,不利 于其保持结构稳定。 必备知识·精梳理 10 （3） 连接酶能将两碱基通过氢键连接起来。（ ） × [解析] 连接酶连接的是磷酸二酯键。 （4）限制酶可以识别和切割 。（ ） × [解析] 酶具有专一性,限制酶只能识别和切割 。 （5）若两种限制酶的识别序列相同,则形成的末端一定能通过 连 接酶相互连接。（ ） × [解析] 两种限制酶的识别序列相同,若切点不同,形成的末端将不能正 常配对,故不一定能通过 连接酶相互连接。 必备知识·精梳理 11 （6）获取一个目的基因需限制酶切割2次,共产生2个游离的磷酸基团。 （ ） × [解析] 限制酶切割2次,共产生4个游离的磷酸基团。 必备知识·精梳理 12 【长句拓展】（练思维） 1.［选择性必修 “拓展应用”］ 限制酶来源于原核生物,不切割自 己的 分子的原因是________________________________________ _____________________。 原核生物分子中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰 2.不能直接把目的基因导入受体细胞而要用载体的原因是___________ ____________________________________________________________ ________________________________________________。 游离的片段进入受体细胞,一般会直接被分解；即使不分解也无法随着细胞分裂而进行复制,导致子代细胞中不再含有目的基因 必备知识·精梳理 13 3.实践中常用某些病毒载体作为基因工程工具,除具备普通“质粒载体” 的条件外,还应具有的条件是____________________________________ ___________________________________________（答出两点即可）。 对靶细胞具有较高的转化效率,不能增殖, 对细胞无害，在宿主细胞中引起的免疫反应较弱 必备知识·精梳理 14 1.[2024·辽宁沈阳二模] 同尾酶是一类识别不同核苷酸序列但切割后产 生相同黏性末端的限制酶，依靠同尾酶的这种特性，可以根据需要将 不同的 片段进行灵活重组。下列叙述正确的是（ ） A.产生限制酶的生物大多没有核膜包被的细胞核 B.限制酶能识别和 中特定的核苷酸序列 C.限制酶可为磷酸二酯键水解提供所需活化能 D.同尾酶是一类限制酶，每种限制酶都存在其同尾酶 √ 典型例题·提能力 15 [解析] 限制酶主要从原核生物中分离纯化得到，原核生物没有核膜 包被的细胞核，A正确；限制酶识别双链 分子的特定核苷酸序列， B错误；限制酶起催化作用，作用机理为降低化学反应所需的活化能， 但不提供能量，C错误； 分子经限制酶切割后可形成黏性末端或 平末端，产生平末端的限制酶不存在同尾酶，D错误。 典型例题·提能力 16 2.［2023· 新课标全国卷］ 某同学拟用限制酶（酶1、酶2、酶3和酶 4）、 连接酶为工具，将目的基因（两端含相应限制酶的识别序 列和切割位点）和质粒进行切割、连接，以构建重组表达载体。限制 酶的切割位点如图所示。 典型例题·提能力 17 下列重组表达载体构建方案合理且效率最高的是（ ） A.质粒和目的基因都用酶3切割，用 连接酶连接 B.质粒用酶3切割、目的基因用酶1切割，用 连接酶连接 C.质粒和目的基因都用酶1和酶2切割，用 连接酶连接 D.质粒和目的基因都用酶2和酶4切割，用 连接酶连接 √ 典型例题·提能力 18 [解析] 酶3切割产生的是平末端， 连接酶连接具有平末端 的片段的效率要远远低于 连接酶，A错误；酶3和酶1切 割产生的末端不互补，在 连接酶的作用下不能连接，B错误； 连接酶可以连接黏性末端和平末端，质粒和目的基因都用酶1 和酶2切割后，再用 连接酶连接，可以防止目的基因自身环化 或反向连接，也可防止切割后的质粒再次环化，是效率比较高的选 择，C正确；酶4会破坏抗生素抗性基因，即破坏了标记基因，且酶2 和酶4切割得到的黏性末端相同，目的基因会发生自身环化或反向连 接，切割后的质粒也易发生环化，D错误。 典型例题·提能力 19 与<m></m>有关的几种酶的比较 酶种类 作用底物 作用部位 作用结果 限制酶 分子 磷酸二酯键 将 切成两个或多个片段 连接酶 分子片 段 磷酸二酯键 将两个 片段连接为一个 分子 聚合酶 脱氧核苷酸 磷酸二酯键 以 单链为模板，将单个 脱氧核苷酸依次连接到已有 的 片段末端 [题后归纳] 典型例题·提能力 20 酶种类 作用底物 作用部位 作用结果 解旋酶 分子 碱基对中的 氢键 将双链 分子局部解旋为 单链 水解酶 分子 磷酸二酯键 将 片段水解为单个脱氧 核苷酸 （续表） 典型例题·提能力 21 考点二 基因工程的基本操作程序（固本·应用类） 22 1.目的基因的筛选与获取 （1）筛选合适的目的基因 ①目的基因:在基因工程的设计和操作中,用于改变______________或 获得______________等的基因。主要是指____________的基因。 受体细胞性状 预期表达产物 编码蛋白质 ②筛选目的基因: .从相关的已知________________的基因中进行筛选是较为有效的方 法之一。 .利用__________________________进行筛选。 结构和功能清晰 序列数据库和序列比对工具 必备知识·精梳理 23 ③获取目的基因的方法：_______________、__________、构建基因 文库。 获取和扩增 人工合成 （2）利用 获取和扩增目的基因 ①名称：________________。 ②原理：________________。 ③仪器： 扩增仪。 ④特点：使 复制在体外反复进行，特异性地快速扩增目的基因。 聚合酶链式反应 半保留复制 必备知识·精梳理 24 ⑤条件 模板 __________ 原料 _______________ 酶 ____________________（ 聚合酶） 引物 一小段能与________________________互补配对的短单链 核酸，需2种引物 缓冲液 含______ （真核细胞和细菌的 聚合酶都需要______激 活） 母链 4种脱氧核苷酸 耐高温的聚合酶 母链的一段碱基序列 必备知识·精梳理 25 ⑥过程 两种引物 碱基互补配对 耐高温的聚合酶 必备知识·精梳理 26 ⑦结果：扩增两引物之间的 片段。 ⑧鉴定：________________法。 琼脂糖凝胶电泳 必备知识·精梳理 27 <m></m>技术和体内<m></m>复制的比较 技术 复制 场所 体外（ 扩增仪中） 细胞内（主要是细胞核 内） 解旋方式 在高温下变性解旋 解旋酶催化 酶 耐高温的 聚合酶 解旋酶、 聚合酶 温度条件 在较高温度下进行，需控制 温度 细胞内温和条件 合成对象 片段 分子 相同点 均需要模板、原料（四种脱氧核苷酸）、能量 [重点拓展] 必备知识·精梳理 28 2.基因表达载体的构建（核心步骤） （1）目的：让基因在受体细胞中________________________________。 稳定存在、遗传、表达和发挥作用 必备知识·精梳理 29 （2）组成 聚合酶 转录 抗生素抗性 重组 分子 必备知识·精梳理 30 ［辨析］区分启动子、终止子、起始密码子、终止密码子 项目 位置 功能 启动子（其上有一个重要的位点: 聚 合酶结合位点） 驱动转录 起始密码子 驱动翻译 终止子 终止转录 终止密码子 终止翻译 必备知识·精梳理 31 （3）构建过程 用同种限制酶或能______________的限制酶切割基因表达载体和含 __________的 片段，再利用____________连接。 产生相同末端 目的基因 连接酶 必备知识·精梳理 32 3.将目的基因导入受体细胞 生物 种类 常用 方法 转化过程 受体 细胞 植物 农杆 菌转 化法 将①__________插入质粒的中 农 杆菌 导入植物细胞 整合到受体细胞的染色 体上 在体细胞或受精卵中表达 ③___________________ ②___ _____ _____ 法 .用微量注射器将含目的基因的 溶液 （直接）注入子房中 .可以在植物受粉后的一定时间内，剪去柱 头，将 溶液滴加在花柱切面上，使目的基 因借助花粉管通道进入胚囊 目的基因 花粉管通道 体细胞或受精卵 必备知识·精梳理 33 生物 种类 常用 方法 转化过程 受体 细胞 动物 ④___ _____ ____ 法 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 ⑤___ _____ 微生 物 ⑥___ ___处 理法 处理细胞 细胞处于一种能吸收周围环境 中分子的生理状态 基因表达载体导入 原核 细胞 显微注射 受精卵 （续表） 必备知识·精梳理 34 ［注意］农杆菌转化法的两次拼接和两次导入 第一次拼接: ___________________________________; 第二次拼接（非人工操作）:____________________________________ ________________； 第一次导入：_______________________________; 第二次导入（非人工操作）：_________________________________。 将目的基因拼接到质粒的上 插入目的基因的拼接到受体细胞的染色体上 将含目的基因的质粒导入农杆菌 含目的基因的导入受体细胞 必备知识·精梳理 35 4.目的基因的检测与鉴定 （1）检测与鉴定的目的：检测和鉴定目的基因进入受体细胞后，是 否__________________________. 稳定维持和表达其遗传特性 必备知识·精梳理 36 （2）检测与鉴定的方法 类型 检测与鉴定内容 方法 分子水平检 测 目的基因是否插入转基因生 物的 上 技术、抗原—抗体杂 交等 目的基因是否转录出 目的基因是否翻译成蛋白质 个体生物学 水平鉴定 是否具有抗性及抗性程度等 对转基因生物进行抗虫或 抗病的接种实验 基因工程产品与天然产品的 功能活性是否相同 比较基因工程产品与天然 产品的功能活性 必备知识·精梳理 37 【考点易错】（明辨析） （1）启动子位于基因的上游，是 聚合酶识别和结合的部位，驱 动基因转录出 。（ ） × [解析] 启动子位于基因的上游，是 聚合酶识别和结合的部位， 驱动基因转录出 。 （2）标记基因的作用是鉴别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。（ ） √ （3）用 技术扩增目的基因时，要有一段已知目的基因的核苷酸序 列，以便合成引物。（ ） √ 必备知识·精梳理 38 （4）农杆菌可以侵染双子叶和单子叶植物，对大多数裸子植物没有 侵染能力。（ ） × [解析] 农杆菌可以侵染双子叶植物和裸子植物，对大多数单子叶植 物没有侵染能力。 （5）外源基因必须位于重组质粒的启动子和终止子之间才能进行复 制。（ ） × [解析] 外源基因必须位于重组质粒的启动子和终止子之间才能进行 转录。 必备知识·精梳理 39 （6）可通过 技术检测目的基因是否成功插入或目的基因是否转录 出了 ，也可以检测目的基因是否翻译成蛋白质。 （ ） × [解析] 蛋白质的检测用抗原—抗体杂交法。 （7）为培育抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受 精卵为受体。（ ） × [解析] 转基因植物的受体细胞可以是体细胞，也可以是受精卵。 必备知识·精梳理 40 【长句拓展】（练思维） 1. 过程中需要引物的原因是_________________________________ _____________________________________________________。 需要设计两种引物的原因是____________________________________ ____________________________________________________________ ________________________。 聚合酶不能从头开始合成，只能从引物的端开始连接脱氧核苷酸，从而延伸子链 基因的两条链都作为模板，其碱基序列不同，且聚合酶只能从引物的端延伸子链，用两种引物才能确保两条链同时被扩增 必备知识·精梳理 41 3.生产上常将获得的转基因抗虫棉与普通棉花混合播种，其目的是 ______________________________________。 降低害虫种群中抗性基因频率的增长速率 2.构建基因的表达载体时使用不同的限制酶切割目的基因和质粒的两 端的原因是__________________________________________________ _________。 防止质粒和目的基因的自身环化以及目的基因与载体的反向连接 必备知识·精梳理 42 命题角度一 考查 技术及其应用 1.[2024·江苏盐城模拟] 引物的 端有结合模板的关键碱基， 端 A.图中两条子链合成一定都是从端向 端延伸 B.图示表示复性阶段，该过程的温度与引物的长短有关 C.用图示引物扩增5次后，可以产生22个目标产物 D. 每次循环都消耗引物和原料，在实验过程中需要及时补充 无严格限制，可用于添加限制酶识别序列。下列相关叙述错误的是 （ ） √ 典型例题·提能力 43 [解析] 聚合酶只能从引物 的端开始延伸 子链，所以两条 子链合成一定都是从端向 端延伸，A正确；题图中引物与模板链 碱基互补配对，故该图表示复性阶段，该过程的温度与引物的长短、 碱基组成等有关，引物长度越长或者 、C碱基含量越高，则复性的 温度越高，B正确；经过5次循环后会产生个 分子，其中双链 不等长的分子有 （个），因此经过5次复制产生的目 标产物有（个），C正确； 所需要的引物和原料是 一次性添加的，在实验过程中不需要补充，D错误。 典型例题·提能力 44 2.[2025·浙江杭州模拟] 反向 是一种通过已知序列设计引物对未知 序列进行扩增的技术，其过程如下图所示。下列叙述正确的是 （ ） A.应选择引物2和引物3进行 扩增 B.设计的引物中 、C碱基含量越高，变性的温 度越高 C. 产物是包含所有已知序列和未知序列的 链状 分子 D.整个过程需用到限制酶、 连接酶、耐高 温的 聚合酶及逆转录酶 √ 典型例题·提能力 45 [解析] 子链合成的方向为端到 端，因 此要通过已知序列设计引物对未知序列进行扩 增应选择引物1和引物4，A错误；复性过程中 引物与模板链结合， 、C碱基含量越高，碱基 对间氢键的含量越多，复性的温度越高，B错 误；根据题意和图示可知， 分子被限制酶 切割，然后环化并加入根据已知序列合成的引物， 再通过 扩增得到的是中间是未知序列、两侧是已知序列的分子，故 产物是包含所有已知序列和未知序列的链状 分子，C正确；整个过程需用到限制酶、连接酶和耐高温的 聚合酶，不需要逆转录酶，D错误。 典型例题·提能力 46 命题角度二 考查基因工程的基本操作程序 3.[2024·福建福州联考] 科研人员将寒 带地区海鱼中的抗冻基因转入千禧果 细胞中，成功培育出抗冻千禧果。下 图为培育过程中使用的 质粒示意图， 其中区的基因活化能促进 的加工和转移，下列叙述正确的是（ ） 典型例题·提能力 47 A.构建基因表达载体时，最好选择限 制酶Ⅱ和Ⅲ来切割质粒 B.利用 扩增抗冻基因，需提前检测 抗冻基因的全部碱基序列 C. 区的基因活化促进抗冻基因整合 到千禧果细胞的染色体 上 D.利用含卡那霉素的培养基可筛选出 成功导入抗冻基因的千禧果细胞 √ 典型例题·提能力 48 [解析] 使用限制酶 Ⅱ 会破坏 区的基 因，区的基因活化能促进 的加 工和转移，因此不能选限制酶 Ⅱ，A错误； 使用 技术扩增抗冻基因，只需要知道抗 冻基因两端碱基序列并据此设计引物即可，B错误；农杆菌侵染植物 细胞后，质粒上的 能转移到被侵染的细胞,并整合到该细 胞的染色体上，所以 区基因活化可促进抗冻基因整合到千禧 果细胞的染色体上，C正确；转化成功的植物细胞染色体 上 只整合了片段， 上含有四环素抗性基因，不含卡那 霉素抗性基因，可利用含四环素的培养基筛选成功导入抗冻基因的 千禧果细胞，D错误。 典型例题·提能力 49 4.[2024·湖北黄石一模] 如图所示，研究 人员将雪花莲凝集素基因 和尾穗苋 凝集素基因（）与载体 结 合，然后导入棉花细胞。下列操作不符 合实验目的的是（ ） A.用技术可检测和 基因是否导入棉花细胞中 B.将棉花细胞接种在含氨苄青霉素的培养基上可筛选出转基因细胞 C.用限制酶Ⅰ和连接酶处理两种基因可获得 融合 基因 D.与只用 Ⅰ 相比， Ⅰ 和 Ⅰ 联合处理融合基因和载体可保 证基因转录方向正确 √ 典型例题·提能力 50 [解析] 根据 融合基因的两端 序列设计合适的引物，可以利用 技 术检测和 基因是否导入棉花细 胞，A正确；由于重组质粒含有卡那霉 素抗性基因，故将棉花细胞接种在含卡那霉素的培养基上可筛选出 转基因细胞，B错误；雪花莲凝集素基因 和尾穗苋凝集素基因 均有限制酶Ⅰ 的酶切位点，所以用限制酶 Ⅰ 和 连 接酶处理两种基因可获得 融合基因，C正确；题图中载 体与上都含有 Ⅰ 和 Ⅰ 的酶切位点，与只用 Ⅰ 相比， Ⅰ 和 Ⅰ 联合处理融合基因和载体可保证基因转录 方向正确，D正确。 典型例题·提能力 51 限制酶的选择原则 （1）根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类 ①应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶，如图 Ⅰ 可选择 Ⅰ。 ②不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶，如图 Ⅰ 不能选择 Ⅰ。 [题后归纳] 典型例题·提能力 52 （2）根据常规质粒的结构确定限制酶的种类 典型例题·提能力 53 ①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶一致，以确保产生相同的黏 性末端。 ②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 Ⅰ 也可选择用 Ⅰ 和 Ⅰ 两种限 制酶（但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点）。 典型例题·提能力 54 （3）若质粒上标出 片段, 则所选限制酶切割位点应位于 片段中。设切割目的基因 的限制酶为 Ⅰ 和 Ⅰ ,则下 图中甲、乙、丁 质粒均不宜选取, 而丙 质粒宜选取,分析如下: 典型例题·提能力 55 $$