2026届高三生物一轮复习课件专题6·重组DNA技术

专题6赋予生物新的遗传特性的基因工程 目录： 第4讲：重难点剖析（1）PCR实验中的温度设定 （2）通过精确设计引物实现特异性扩增 第5讲：蛋白质工程 第6讲：转基因产品的安全性第 7讲：关注生殖性克隆人和禁止生物武器 专题6赋予生物新的遗传特性的基因工程 第4讲：重难点剖析（1）PCR实验中的温度设定 【回顾】PCR的过程 步骤1、变性 步骤2：复性 步骤3：延伸 循环 ①实质： ②条件： ①实质： ②条件： 两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合的过程。 温度下降到50℃ ①实质： ②条件： 溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。 温度上升到72℃左右 双链DNA氢键断裂解聚为单链的过程。 温度超过90℃ 步骤1、变性 ①实质： ②条件： 双链DNA氢键断裂解聚为单链的过程。 温度超过90℃ 变性温度的一般规律： DNA长度偏长、GC含量偏高、甲基化修饰程度偏高，变性时均需消耗更多能量，则变性温度上升，但高温长时间变性可能导致DNA断裂或酶失活。 说明：温度对酶的伤害会随时间和温度积累，为了保持PCR的扩增效率，在不影响结果的情况下，尽可能使PCR的时长缩短 步骤2：复性 ①实质： ②条件： 两种引物分别通过碱基互补配对与两条单链模板DNA结合的过程。 温度下降到50℃ 【思考】怎样确保在复性时是引物与模板配对结合，而不是模板链之间配对结合呢？ 只要引物是过量的，模板与引物配对结合的概率就特别高，就能保证复性时是引物和模板链配对结合。 复性温度与哪些因素有关呢？ 拓展1：Tm值 1、Tm值=4(G+C)+2(A+T) 2、大量研究证实，在PCR的复性过程中，当复性温度接近Tm值时，引物与模板链之间形成的氢键稳定，形成的非特异性结合相对较少。 3、一般来说，复性温度会比Tm值低几度（如3-5℃），以确保引物能够在复性阶段充分结合到目标DNA上，同时避免过高的温度导致引物与模板DNA的解离。 拓展：非特异性结合是指引物部分匹配非目的基因的DNA序列，结合到错误位置。将产生杂带或不能得到目的基因。 拓展2：复性温度与特异性结合之间的关系 拓展：复性温度取决于引物的Tm值，一般比两条引物的平均Tm值低3°C为宜 【小结】步骤2：复性 1、引物的量：保证引物是过量的，使模板与引物配对结合的概率提高。 2、复性温度与扩增特异性的关系 引物中GC含量是影响复性温度的核心因素，通常：高GC需提复性高温度（降低taq酶活性），低GC需降低温度（导致非特异性结合或无法稳定结合）。 引物长度越长，越容易形成氢键，出现非特异性结合。通常：为避免出现错配，引物偏长时需要适当提高复性温度（降低taq酶活性），引物偏短时需降低温度（导致非特异性结合或无法稳定结合） ； 复性温度：复性温度高，扩增特异性强；复性温度低，扩增非特异性强。 3、引物对复性温度的影响 步骤3：延伸 ①实质： ②条件： 溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶（Taq酶）的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。 温度上升到72℃左右 一般规律： 延伸温度通常固定为72℃ 长片段需延长延伸时间。 原因1：保证Taq酶活性（72℃是Taq酶最适温度） 原因2：防止DNA变性（温度过高DNA易变性） 【小结】PCR三个步骤的温度要求 1、一般遵循教材的温度设定 2、当DNA分子在长度、CG含量、甲基化修饰等特点时需做调整。 （1）变性温度： 通常：DNA长度偏长、GC含量偏高、甲基化修饰程度偏高，变性时均需消耗更多能量，则变性温度上升，但高温长时间变性可能导致DNA断裂或酶失活。 （2）复性温度： GC含量是影响复性温度的核心因素，通常：高GC需提复性高温度，低GC需降低温度。 ②DNA长度、甲基化DNA对退火温度影响较小。 （3）延伸温度： 延伸温度通常固定为72℃（Taq酶最适温度）。 长片段需延长延伸时间，高GC需添加剂辅助，甲基化影响较小。 学情检测（2017年江苏卷）如果 PCR反应得不到任何扩增产物，可采取的改进措施有______（填序号）。 ①升高退火温度;②降低退火温度;③重新设计引物。 PCR扩增时，退火温度的设定是成败的关键。退火温度过高会破坏____________的碱基配对。退火温度的设定与引物长度、碱基组成有关，长度相同但____________的引物需要设定更高的退火温度。 ②③ 引物与模板 GC含量高 专题6赋予生物新的遗传特性的基因工程 第4讲：重难点剖析（2）通过精确设计引物实现特异性扩增 【分析】当温度已经设定准确后，扩增出的产物中仍有有一些错误的片段， 可能是什么原因导致的？ 【分析】当温度已经设定准确后，扩增出的产物中仍有有一些错误的片段， 可能是什么原因导致的？ 可能原因： 1、引物失效 2、引物特异性不高 3、模板数量太多 4、Mg²⁺缺失（或浓度不合适） 5、产物被污染 6、模板不纯 等 【重难点】引物设计的要求: 1、引物自身不应存在互补序列，没有连续的GC分布,避免引物自身因出现局部碱基互补配对（形成发夹结构）而失效. 2、引物之间不应存在互补序列，避免引物之间因出现局部碱基互补配对（形成引物二聚体） 而失效. 【重难点】引物设计的要求: 3、确保引物特异性：与非目的基因扩增区域要有明显差异 4、引物长度适中： 通常为20-30个核苷酸，以保证引物与模板的特异性结合。 （1）引物过短、过长均易发生非特异性结合 （2）引物过长： ①自身因局部发生碱基互补配对而失效 ②导致复性困难（复性温度升高） 使：PCR扩增特异性、扩增效率下降 （目标产物少） 有可能降低Taq酶的活性（或短暂失活） 真题链接（2021年全国卷）： “设计引物时通常选择20-24个碱基，主要目的是_______________。 保证特异性结合 【重难点】引物设计的要求: 5、引物的CG含量适中， （1）含量太高、太低均易发生非特异性结合 （2）含量太多 一般在40%~60%之间 自身因局部发生碱基互补配对而失效 ② 导致复性困难（复性温度升高） 有可能降低Taq酶的活性（或短暂失活） 使：PCR扩增特异性、扩增效率下降 （目标产物少） （3）上下游引物GC含量相差不能太大,保一对引物证退火温度差异不大。 扩增 特异性 扩增 高效性 引物 一般规律：特异性太强，扩增效率就会下降 提高扩增效率，扩增特异性就会下降 【思考】设计引物时应重点考虑特异性还是效率呢？ 特异性 【小结】引物设计的要求: 3、确保引物特异性：与非目的基因扩增区域要有明显差异 （不能有连续8个互补碱基同源） 4、引物长度适中： 通常为20-30个核苷酸，以保证引物与模板的特异性结合。 5、引物的CG含量适中，两种引物的CG含量不能有太大差异。 优先保证特异性 1、引物自身不应存在互补序列，没有连续的GC分布, 2、引物之间不应存在互补序列， 【思考】要保证目的基因能与载体相连接，可能还要对引物进行什么操作？ 要在两种引物的5′端分别添加上限制酶的识别序列。 【小结】引物5'端可以修饰，3'端不可修饰 引物5’端修饰包括：加酶切位点、加标记荧光、引入突变序列、引入启动子序列等。 专题6赋予生物新的遗传特性的基因工程 第5讲：蛋白质工程 p93 一、蛋白质工程的概念 ①基础： ②操作手段及对象： ③结果： ④地位： 为什么要进行蛋白质工程（第二代基因工程）的研究呢？ 思考 晶体学、分子生物学和计算机技术等 二、蛋白质工程崛起的缘由 3.目标： 4.结果:改造现有蛋白质或制造一种新的⑥________,以满足人类生产 和生活的需求。 p93 二、蛋白质工程的概念 1.基础:蛋白质分子的①__________及其与②__________的关系。 2.手段:③__________或④__________。 结构规律 生物功能 改造基因 合成基因 蛋白质 5.应用:主要集中应用于对⑦____________进行改造,改良生物性状。 现有蛋白质 必备知识 整合 蛋白质工程的概念 蛋白质分子 的结构规律 以满足人类生产和 生活的需求 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 思考：为什么蛋白质工程的实质是改造基因而不是直接改造蛋白质？ 注：蛋白质工程通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造的原因： (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。 四.蛋白质工程的基本流程 返回导航 27 【必背】蛋白质工程的基本流程 脱氧核苷酸序列 中心法则的逆推，与天然蛋白质合成的过程相反 返回导航 28 ①预期蛋白质的功能： 降低它的聚合作用并得到速效胰岛素类似物产品。 利用X射线晶体衍射，核磁共振等技术手段，充分了解胰岛素的空间结构。 ②设计预期的蛋白质结构： ③推测应有的氨基酸序列： ④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 天然胰岛素B链部分氨基酸序列： 酪氨酸 苏氨酸 脯氨酸 赖氨酸 苏氨酸 设计后胰岛素B链部分氨基酸序列： B28 B29 酪氨酸 苏氨酸 赖氨酸 脯氨酸 苏氨酸 B28 B29 mRNA mRNA 翻译 翻译 转录 天然胰岛素对应的部分基因： 改造后应得到的基因序列： 转录 由于人胰岛素 B 链基因较短，按照设计好的编码序列进行化学合成，是获取这种突变型目的基因的首选方法。 30 重点：PCR定点突变技术 5’ 3’ 3’ 5’ 拟突变位点 思考：如何实现定点突变？ 5’ 3’ 3’ 5’ 常规下游引物 突变上游引物 5’ 3’ 3’ 5’ 拟突变位点 例：通过大引物进行PCR实现定点突变 1、引物：需要用到三条引物进行两轮PCR， 这三条引物分别是：包含突变位点的上游引物、常规上游引物和常规下游引物。 2、过程： 第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增，得到不完整的含有突变位点的DNA片段； 第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条DNA链作为下游大引物，它与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段。 原理如图： 天然胰岛素对应的部分基因： 待突变位点 常规下游引物 突变上游引物 进行PCR 产物作为下一轮PCR的大引物 34 天然胰岛素对应的部分基因： 待突变位点 常规下游引物 突变上游引物 进行PCR 产物作为下一轮PCR的大引物 进行PCR 待突变位点 下游大引物 常规上游引物 35 天然胰岛素对应的部分基因： 待突变位点 常规下游引物 突变上游引物 进行PCR 产物作为下一轮PCR的大引物 进行PCR 待突变位点 下游大引物 常规上游引物 进行PCR 天然胰岛素对应的部分基因： 待突变位点 PCR 合成的人胰岛素突变基因 36 【小结】基因的定点突变技术1------重叠延伸PCR技术 ①该过程需要______种引物； ②PCR1的产物AB是引物___和引物___扩增的结果； ③PCR2的产物CD是引物___和引物___扩增的结果； ④产物AD的形成需要引物吗？___________________________________ ⑤需要改变的碱基位于引物___和引物___上 ⑥引物b和引物c之间有什么关系？__________________________________ ⑦PCR3中突变产物AD的扩增需要引物___ 和引物___ 4 a b c d b c 引物b和引物c应有部分碱基互补的关系 a d 不需要，但需要耐高温的DNA聚合酶 该过程需要三种引物，第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增；第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条链作为下游大引物，与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段。 补充：基因的定点突变技术2------大引物PCR技术 ④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 ⑤获得所需蛋白质 获得所需蛋白质： 酪氨酸 苏氨酸 赖氨酸 脯氨酸 苏氨酸 B28 B29 mRNA 翻译 改造后得到的基因序列： 转录 模拟：通过具体实例来熟悉蛋白质工程基本思路的应用 2、通过蛋白质工程解决 ①预期蛋白质的功能： ②设计预期的蛋白质结构： ③推测应有的氨基酸序列： 相关目的与技术： ①构建蛋白质三维结构图： ②获得蛋白质晶体： ③分析晶体的结构： ④碱基的替换： 借助计算机 通过X射线衍射技术 基因的定点突变技术 晶体学技术 讨论：确定目的基因的碱基序列以后，怎样才能合成或改造目的基因？ 可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。 返回导航 思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？ 返回导航 判断基因工程和蛋白质工程 (1)如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过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；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换、增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。 (2)如果合成的蛋白质是自然界中已存在的蛋白质(天然蛋白质)，则是基因工程；如果合成的蛋白质与天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。 返回导航 项目 蛋白质工程 基因工程 操作对象 操作起点 操作水平 操作流程 （高频考向·必背） 结果 实质 联系 基因 基因 DNA分子水平 DNA分子水平 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 可生产自然界没有的蛋白质 生产自然界已有的蛋白质 通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质 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 ①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程； ②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程的基本操作。 预期蛋白质功能 目的基因 小结：蛋白质工程和基因工程的比较 项目 蛋白质工程 基因工程 过程 从预期的蛋白质功能出发→设计预期的 →推测应有的 →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 目的基因的筛选与获取→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要的蛋白质 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 可生产_______________________ 只能生产______________________ 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 【小结】蛋白质工程与基因工程的异同 蛋白质结构 氨基酸序列 脱氧核苷酸序列 自然界中不存在的蛋白质 自然界中已存在的蛋白质 3.蛋白质工程的应用 (1)在医药方面 ①利用蛋白质工程研发 。 ②实例：如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成 ，在一定条件下，可以延长保存时间。 药物 丝氨酸 (2)在工业方面 ①蛋白质工程被广泛用于改进 或开发新的工业用酶。 ②实例：枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。 (3)在农业方面 科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物________的效率，增加粮食的产量。 酶的性能 光合作用 三 通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。 【重点】降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应 46 专题6赋予生物新的遗传特性的基因工程 第6讲：转基因产品的安全性 领域 成果 微生物 方面 ①减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的 ； ②构建高产、优质的基因工程菌生产氨基酸； ③用基因工程菌生产药物 转基因 动物方面 ①培育 、 的转基因家禽、家畜； ②培育抵抗相应病毒的动物新品种； ③建立某些人类疾病的转基因动物模型 转基因 植物方面 培育具有 、 、 和耐储藏等新性状的作物 1.转基因成果 必备知识 整合 发酵周期 生长迅速 营养品质优良 抗虫 抗病 抗除草剂 2.对转基因产品安全性的争论 经济发展水平 安全性 源于选择性必修3 P102“相关信息”：我国科学家将来自玉米的____ 基因与目的基因一起转入植物中，由于 基因可以阻断淀粉储藏使花粉失去活性，因而可以防止 的传播。 教材隐性知识 α-淀 粉酶 α-淀粉酶 转基因花粉 （防止造成“基因污染”） 拓展.叶绿体基因工程是将外源基因导入叶绿体中的一项工程技术，烟草叶绿体基因工程在基础研究、遗传改良以及生物反应器研究等方面都发挥了极为重要的作用，表现出巨大的应用前景。请回答下列间题: 与细胞核基因工程相比，叶绿体基因工程能防止细胞质内的蛋白酶对目标蛋白的消化作用。其原因是_______________________________________________________________________， 并且由于___________________________________，不会造成基因污染。 外源基因不会随花粉传播扩散 叶绿体具有双层膜，将表达的蛋白质束缚在叶绿体内,同时细胞质基质内的蛋白酶也不能进入叶绿体内。 总结：将外源基因导入叶绿体中可防止转基因植物的外源基因通过花粉扩散造成基因污染。 专题6赋予生物新的遗传特性的基因工程 第7讲：关注生殖性克隆人和禁止生物武器 类型 生殖性克隆 治疗性克隆 概念 利用克隆技术获得胚胎，并将胚胎孕育成为人类个体 利用克隆技术产生特定的细胞、组织和器官，用它们来修复或替代受损的细胞、组织和器官，从而达到治疗疾病的目的 目 的 _____________________ _________ 水平 _________ _______________ 联系 都属于无性生殖；产生新细胞、新组织或新个体，遗传信息相同 1.生殖性克隆人面临的伦理问题 (1)生殖性克隆和治疗性克隆的比较 必备知识 整合 产生独立生存的新个体 治疗疾病 个体水平 细胞或组织水平 利用克隆技术产生特定细胞、组织和器官，用它来修复或替代受损的细胞、组织和器官，从而达到治疗疾病的目的。 取核 去核卵母细胞 重构胚胎 各种细胞组织或器官 诱导 取出 体细胞 核移植 移植 胚胎干细胞 治疗性克隆 发育 发育 移植 代孕母体 分娩 克隆人 生殖性克隆 通过克隆技术产生独立生存的新个体。 有本质区别 1.生殖性克隆 与 治疗性克隆 2.对生殖性克隆的态度 ①生殖性克隆是科学研究，有内在发展规律，社会应该允许科学家研究； ②虽然现在人们的伦理道德观念不能接受，但是人的观念是可以的改变的。 伦理方面：①生殖性克隆有违人类尊严；②生殖性克隆是人为地制造心理上和社会地位上都不健全的人，严重地违反了人类伦理道德，是克隆技术的滥用。 技术方面：克隆技术还不成熟，构建重构胚成功率低，胚胎移植到母体子宫后着床率低、流产率高、胎儿畸形率高和出生后死亡率高等； 支持(少数) 反对(大多数) ①社会角度：克隆人只是某些人出于某种目的制造的”产品”，没有”父母”，这可能导致他们在心理上受到伤害。 ②健康角度：由于技术问题，可能孕育出有严重生理缺陷的克隆人 ③家庭角度：克隆人的家庭地位难以认定，这可能使以血缘为纽带的父子、兄弟和姐妹等人伦关系消亡。 ④伦理角度：生殖性克隆人冲击了现有的一些有关婚姻、家庭和两性关系的伦理道德观念。 ⑤尊严角度：生殖性克隆人是对人类尊严的侵犯。 ⑥进化角度：生殖性克隆人破坏了人类基因多样性的天然属性，不利于人类的生存和进化。 (2)关于生殖性克隆人的态度 我国政府 、 、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。原因如下： 不赞成 不允许 3.我国政府对治疗性克隆的态度 我国政府同样重视治疗性克隆所涉及的伦理问题，主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。 有效监控 严格审查 《人胚胎干细胞研究伦理指导原则》规定：利用体外受精、体细胞核移植等技术获得的囊胚，其体外培养期限自受精或核移植开始不得超过14d；不得将这样获得的已用于研究的人囊胚植入人或任何其他动物的生殖系统。 类型 试管婴儿 设计试管婴儿 技术手段 不需要进行__________ 胚胎移植前需要进行___________ 实践应用 解决 问题 用于 等疾病的 治疗 联系 二者都是体外受精，经体外 ，再进行_____ ，在生殖方式上都为_________ 2.试管婴儿和设计试管婴儿的比较 遗传学诊断 遗传学诊断 不孕不育 白血病、贫血症 早期胚胎发育 胚胎 移植 有性生殖 一般我们所说的试管婴儿技术，不必经过基因检测这一步骤。 所谓捐献骨髓，实际上只是从骨髓中分离出一部分造血干细胞供移植使用。造血干细胞在人的骨髓中相对较多、在外周血液中却很少。干细胞的一个重要特点是自我更新能力强，被分离的部分造血干细胞，很快就会被机体“补齐”，因此捐献骨髓不会影响捐献者的身体健康。 医生是在医学公认的安全条件下，分离出捐献者有限数量的造血干细胞，而且整个抽取分离的过程，都是在具有良好设备条件的医院中进行的，一般不会对捐献者造成意外伤害。捐献干细胞救人一命，对个人来说是一种美德，捐献者能够收获欣慰和快乐，这也是一种高尚的人道主义表现。 3.生物武器的种类和特点 (1)种类 致病菌类 生化毒剂类 （2）散布途径 将病原体直接或者通过食物、生活必需品等散布到敌方，会对军队和平民造成大规模杀伤后果。 生物战剂侵入人体的4条途径 ①吸入：生物战剂污染空气，通过呼吸道吸入，感染致病。 ②误食：食用被生物战剂污染的水、食物而得病(如霍乱、痢疾等)。 ③皮肤接触：生物战剂如炭疽杆菌、鼠疫杆菌，可以直接或间接经过皮肤、黏膜、伤口进入人体。 ④昆虫叮咬：人被带有生物战剂的昆虫叮咬后，会因血液被污染而患病。 (3)特点 ①致病性强；传染性强；人易感。 ②较隐蔽：不易被发现；易传播(如气溶胶)，发病有潜伏期，污染面积大、危害时间长。 ③易得到：制备容易，花费小。 ④传染途径多，治疗困难。 ⑤受自然条件影响大。 4.禁止生物武器公约 (1)1972年4月10日，苏联、美国、英国分别在其首都签署了《禁止试制、生产和储存并销毁细菌(生物)和毒剂武器公约》(简称 )，并于1975年3月26日生效。1984年11月15日，我国也加入了这一公约。 (2)我国在任何情况下 、 、 生物武器，并反对生物武器及其技术和设备的扩散。 《禁止生物武器公约》 不发展 不生产 不储存 $