2026届高三生物一轮复习课件第53讲：基因工程以及生物技术的安全性和伦理问题

2026届高考一轮复习 第53讲 基因工程和生物技术的安全性与伦理问题 考情分析 1．从命题题型和内容上看，高考中基因工程和生物技术的安全性与伦理问题，核心以选择题、非选择题（填空题、简答题、论述题） 呈现，偶见图文结合题（如结合流程图、表格分析）。 选择题：侧重基础概念辨析，选项多围绕具体技术的安全风险（如转基因食品）、伦理争议点（如生殖性克隆）设置，考查对核心知识点的精准记忆。非选择题：常结合实际案例（如基因编辑婴儿、转基因作物推广），要求分析风险、阐述伦理立场，部分需结合基因工程技术原理（如CRISPR-Cas9），考查逻辑推理和文字表达能力。 2．从命题思路上看，从以下几个方面进行考查 (1)限制酶、DNA连接酶、载体（质粒等）的作用特点与选择依据，常结合具体情境判断工具使用合理性； (2)转基因作物（抗虫、抗逆）、转基因动物（生物反应器）、基因治疗（遗传病治疗）、DNA探针（疾病诊断）等，结合案例分析技术优势与潜在问题； (3)与基因重组、中心法则、细胞工程等知识点的综合考查，如转基因植物培育与植物组织培养的结合。 复习目标 1．阐明基因工程的基本操作程序主要包括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和目的基因的检测与鉴定等步骤。(生命观念) 2．掌握人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。(科学思维) 3．举例说明历史上生物武器对人类造成严重的威胁与伤害以及转基因产品对人类生活的帮助。(社会责任) 考情解码·考点定标 指按照人们的愿望，通过 等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的 和生物制品。从技术操作层面看，由于基因工程是在DNA 上进行设计和施工的，因此又叫作 。 转基因 新的生物类型 分子水平 重组DNA技术 基因重组 ②操作水平： ⑤操作结果： ①操作原理： DNA分子水平 获得新的生物类型和生物产品 ③操作环境： 生物体外 ④操作对象： 基因 ⑥优点： 克服远缘杂交不亲和障碍、定向改造生物性状。 一、重组DNA技术的基本工具 拼接的基础 1. DNA的基本组成单位 。 表达的基础 2. 都遵循 原则 3. DNA分子的空间结构都是规则的 结构 1. 基因是控制生物 的结构与功能单位 2. 遗传信息的传递都遵循 法则 基因在空间上转移并成功表达 3. 生物界共用 。（相同的遗传信息在不同的生物体内表达出相同的蛋白质）。 相同（四种脱氧核苷酸） 碱基互补配对 双螺旋 中心 一套遗传密码 性状 一、重组DNA技术的基本工具 DNA RNA 蛋白质 转录 翻译 复制 “分子手术刀” “分子缝合针” “分子运输车” 重组DNA技术的基本工具 剪 接 运 准确切割DNA分子 将DNA片段连接起来 将体外重组好的DNA分子导入受体细胞 一、重组DNA技术的基本工具 来源： 特点： 结果： 主要是从原核生物中分离纯化来的 识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。 ②产生平末端 ①产生黏性末端 黏性末端 G C A A T T T A T A C G 5' 3' 3' 5' G C T T A A A A T T C G 平末端 C G C C G G G C G C G C 1、限制性内切核酸酶（限制酶）——“分子手术刀” 酶的专一性 一般为6个核苷酸；少数为4个、8个或其他数量。 识别序列的特点:两条单链从5´—3´的碱基排列顺序是一样的，即回文序列。 一、重组DNA技术的基本工具 EcoR Ⅰ(只能识别GAATTC序列，在G与A之间切割) Sam Ⅰ(只能识别CCCGGG序列，在C与G之间切割) ①要想获得目的基因需要限制酶切几个切口？可产生几个黏性末端？ 思考 ②(源于选必3 P74“拓展应用”) 限制酶不切割原核生物本身DNA分子的原因： 要切两个切口，产生四个黏性末端 ③(源于选择性必修3 P71“旁栏思考”) 原核生物中存在限制酶的意义： 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。 当遭受外源DNA(如噬菌体)的入侵时，限制酶可切割外源DNA使之失效，以保证自身安全。 一、重组DNA技术的基本工具 1.写出下列限制酶切割形成的黏性末端 BamH Ⅰ: EcoR Ⅰ: Hind Ⅲ: Bgl Ⅱ: GATC AATT AGCT GATC 同种限制酶切割产生的黏性末端是否相同？ 不同限制酶切割产生的黏性末端是否一定不同？ 相同 可能会相同 一、重组DNA技术的基本工具 2.请结合右图，推断EcoR Ⅰ限制酶 切一次可断开 个磷酸二酯键， 产生 个游离的磷酸基团， 消耗 分子水， 产生 个黏性末端。 2 2 2 2 A A A T T T C T A G A T A T C G 3.要想获得目的基因需要限制酶切几个切口？ 可产生几个黏性末端？ 产生几个游离的磷酸基团？ 要切两个切口，产生四个黏性末端， 产生四个游离的磷酸基团。 一、重组DNA技术的基本工具 拓展： 限制酶的选择 1.不破坏目的基因：应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶 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：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。 一、重组DNA技术的基本工具 若载体上有两个及以上的标记基因，则可合理对其中一些标记基因进行酶切破坏，从而达到比一个标记基因更高的筛选成功率，防止只有一个标记基因时出现的“假阳性”(即未成功导入目的基因的载体也能正常表达标记基因，造成无效筛选)。 3.确保目的基因与质粒出现相同黏性末端： 一般选择与切割目的基因相同的限制酶切割质粒，如图中PstⅠ； 为避免目的基因和质粒自身环化和方向连接，需要选择在目的基因所在序列和载体上都存在切割位点的两种不同的限制酶，对目的基因所在序列和载体进行剪切，即“双酶切法”。如选择PstⅠ和EcoR Ⅰ两种限制酶。 4.确保目的基因能表达： 选择切割位点位于启动子和终止子之间的限制酶，如选择KpnⅠ和PstⅠ。 作用： 类型： 将两个DNA片段连接起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。 E.coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶 缝合黏性末端和平末端 缝合黏性末端和平末端 来源： 大肠杆菌 作用： 来源： 作用： T4噬菌体 E.coli DNA连接酶连接平末端的DNA片段效率要远远低于T4 DNA连接酶 一、重组DNA技术的基本工具 2、DNA连接酶——“分子缝合针” 注意：不是连接氢键（氢键的形成不需要酶的催化） DNA连接酶 DNA聚合酶 相同 作用实质 化学本质 不 同 点 模板 作用对象 作用结果 用途 都能催化形成磷酸二酯键 都是蛋白质 不需要 需要DNA的一条链作模板 形成完整的重组DNA分子 形成DNA的一条链 DNA复制、基因工程 DNA复制、基因工程 在两个DNA片段间形成磷酸二酯键 将单个核苷酸连接到已有DNA片段，形成磷酸二酯键 DNA连接酶 vs DNA聚合酶 一、重组DNA技术的基本工具 题后归纳 与DNA有关的酶的比较 名称 作用部位 作用对象 作用结果 限制酶 DNA连接酶 DNA聚合酶 DNA(水解)酶 解旋酶 RNA聚合酶 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸 碱基对之 间的氢键 DNA 将双链DNA分子局部解旋为单链，形成两条长链 磷酸二酯键 核糖核苷酸 将单个核糖核苷酸依次连接到RNA单链末端 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 DNA 脱氧核苷酸 DNA片段 DNA 将DNA切成两个片段 将两个DNA片段连接为一个DNA分子 将单个脱氧核苷酸依次连接到DNA单链末端 一、重组DNA技术的基本工具 ①DNA连接酶连接的是两个DNA片段，而DNA聚合酶是把单个的脱氧核苷酸连接到已有的DNA片段上。 ②DNA聚合酶起作用时需要以一条DNA链为模板，而DNA连接酶不需要模板。　　　 环状双链DNA分子 种类： 特点： 作用： 质粒(常用载体)： 将外源基因送入受体细胞, 在受体细胞内对目的基因进行大量复制。 动植物病毒 噬菌体 ①在受体细胞中稳定存在并能自我复制或整合到受体DNA上，随受体DNA同步复制； ②有一个至多个限制酶切割位点，便于插入（携带）目的基因； ③具有特殊的标记基因，便于重组DNA分子的筛选 3、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” ④对受体细胞无害、易分离。 一、重组DNA技术的基本工具 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。 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。其基因属于细胞质基因。 标记基因的筛选原理 (1)前提：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。 (2)过程：含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞，抗性基因在受体细胞内表达，受体细胞对该抗生素产生抗性，然后在培养基中加入该抗生素。 (3)结果：在培养基上，被抗生素杀死的是没有抗性的受体细胞，未被杀死的具有抗性的受体细胞得以筛选出来。 一、重组DNA技术的基本工具 [温馨提示]　(1)将外源基因直接导入受体细胞是不可行的，因为如果没有载体，导入受体细胞后，目的基因无法进行自我复制和稳定存在以及表达。 (2)质粒上的一些抗生素抗性基因作为标记基因，作用是检测目的基因是否导入受体细胞。 一、重组DNA技术的基本工具 一、实验原理 1.粗提取DNA的原理 DNA、RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面存在差异，可以利用这些差异，选用适当的物理或化学方法去除其他成分，对DNA进行提取。 ①在酒精溶液中的溶解性： ②在NaCl溶液中的溶解性： DNA不溶于酒精，但某些蛋白质溶于酒精。 DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，能溶于2mol/L NaCl溶液。 2.鉴定DNA的原理 在一定温度下，DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。 二、实验：DNA的粗提取与鉴定 DNA含量相对较高的生物组织，如新鲜洋葱、香蕉、菠菜、菜花和猪肝等。 二、材料用具 1.选材： 【思考】能否选用牛、羊、马、猪等哺乳动物的红细胞做实验材料？ 不能 哺乳动物成熟的红细胞中无细胞核和线粒体，几乎不含DNA 。 【思考】能否选用鸡血细胞做实验材料？ 能 鸡是鸟类动物 二、实验：DNA的粗提取与鉴定 取材研磨 过 滤 DNA析出 DNA鉴定 称取30g洋葱，切碎，放入研钵中，倒入10mL研磨液，充分研磨。 破碎细胞，使核物质容易溶解在研磨液中 防止研磨时产生的热量影响DNA的提取量 (1)研磨的目的： (2)研磨时间不宜太长： 研磨液成分 作用 SDS(洗涤剂) EDTA Tris-HCl缓冲液 使蛋白质变性 抑制DNA酶 维持pH稳定 三、方法步骤 二、实验：DNA的粗提取与鉴定 SDS（十二烷基硫酸钠）：溶解细胞膜和核膜，释放DNA；同时使蛋白质变性，便于后续分离。 EDTA（乙二胺四乙酸）：螯合金属离子（如Mg²⁺、Ca²⁺），抑制核酸酶活性，防止DNA被酶解。 Tris-HCl：维持溶液的pH稳定，通常调节至7.5-8.0。DNA对pH变化敏感，稳定的pH环境可防止DNA降解。 取材研磨 过 滤 DNA析出 DNA鉴定 方法一：在漏斗中垫上 过滤研磨液，4℃冰箱中静置后取 ； 方法二：将研磨液倒入塑料离心管中离心，取 。 纱布 上清液 上清液 Q1：过滤的纱布能用滤纸代替吗？ 不可以，因为DNA会被吸附到滤纸上而大量损失。 Q2：上清液中除DNA之外，可能含有哪些杂质？ 可能含有核蛋白、多糖等杂质 二、实验：DNA的粗提取与鉴定 4℃冰箱：降低DNA 酶的活性，防止DNA被降解 由于玻璃表面带电荷，DNA易被吸附于玻璃表面，故实验中应尽量不使用或少使用玻璃器皿，且玻璃棒不能直插烧杯底部。 DNA析出 DNA鉴定 取材研磨 过 滤 Q1：此步骤的目的是？ 使蛋白质等溶解在酒精中，DNA不溶于酒精而析出。 Q2：酒精预冷的作用？ ①可抑制核酸水解酶的活性，进而抑制DNA降解； ②抑制分子运动，使DNA易形成沉淀析出； ③低温有利于增加DNA分子的柔韧性，减少其断裂。 Q3：为什么搅拌时应轻缓、并沿一个方向目的？ 减少DNA断裂，以便获得较完整的DNA分子 在上清液中加入体积相等的 溶液,静置2~3min，溶液中出现的 就是粗提取的DNA 。 预冷的酒精 白色丝状物 二、实验：DNA的粗提取与鉴定 实验组 对照组 沸水浴加热 DNA析出 DNA鉴定 取材研磨 过 滤 加入2mol/L氯化钠溶液 不加入丝状物 加入4ml二苯胺试剂 加入2mol/L氯化钠溶液 加入丝状物 加入4ml二苯胺试剂 将丝状物或沉淀物溶于 溶液中，加 入 试剂，混合均匀后，将试管置于沸水中加热5min。 二苯胺 2mol/L的NaCl 二、实验：DNA的粗提取与鉴定 例1．限制酶和DNA连接酶是基因工程的工具酶，以下说法正确的是(　　) A．DNA连接酶能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段上形成磷酸二酯键 B．限制酶只能切割双链DNA片段，不能切割烟草花叶病毒的核酸 C．T4 DNA连接酶只能连接黏性末端 D．限制酶主要从原核生物中分离纯化而来所以也能剪切自身的DNA A.DNA连接酶连接的是两个DNA片段 B.T4 DNA连接酶既能连接黏性末端也能连接平末端。 C.限制酶主要从原核生物中分离纯化而来，但是因为原核生物DNA分子中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰，所以不能剪切自身的DNA。 习题巩固 例2．下列有关基因工程中载体的说法，正确的是(　　) A．被用作载体的质粒都是未经人工改造的天然质粒 B．所有的质粒都可以作为基因工程中的载体 C．质粒是一种独立于细菌拟核外的链状DNA分子 D．作为载体的质粒DNA分子上应有对重组DNA进行鉴定和选择的标记基因 A.在基因工程操作中，被用作载体的质粒是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。 B.作为基因工程的载体，必须具备一定的条件，而自然界中的质粒不一定具备相应的条件，因此不是所有的质粒都可以作为基因工程中的载体。 C.质粒是一种独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外的环状双链DNA分子。 习题巩固 抗虫棉 重组DNA分子 1.目的基因的筛选与获取 2.基因表达载体的构建 3.将目的基因导入受体细胞 苏云金杆菌 Bt蛋白基因 棉花细胞 （核心） 4.目的基因的检测与鉴定 三、基因工程的基本操作程序 一、培育转基因抗虫棉主要需要四个步骤： 编码区：编码蛋白质的合成 非编码区 非编码区 启动子：RNA聚合酶的识别和结合位点 开始转录 编码区 原核细胞基因 终止子：终止转录 非编码区 组成：编码区上游与编码区下游 功能：不能编码蛋白质，调控遗传信息的表达 启动子：RNA聚合酶结合位点，转录起始的信号 终止子：终止RNA的合成 三、基因工程的基本操作程序 编码区 非编码区 非编码区 启动子：RNA聚合酶的识别和结合位点 开始转录 编码区 真核细胞基因 终止子：终止转录 非编码区 组成：编码区上游与编码区下游 功能：不能编码蛋白质，调控遗传信息的表达 启动子：RNA聚合酶结合位点，转录起始的信号 终止子：终止RNA的合成 1 2 3 4 5 外显子 内含子 外显子： 内含子： 能编码蛋白质的序列 不能编码蛋白质的序列 三、基因工程的基本操作程序 非编码区 非编码区 启动子：RNA聚合酶的识别和结合位点 开始转录 编码区 真核细胞基因 终止子：终止转录 1 2 3 4 5 外显子 内含子 mRNA前体 成熟mRNA 转录 加工 三、基因工程的基本操作程序 启动子、终止子、起始密码子、终止密码子的比较 启动子 终止子 起始密码子 终止密码子 本质 位置 功能 DNA片段 DNA片段 mRNA上 三个相邻的碱基 mRNA上 三个相邻的碱基 目的基因上游 目的基因下游 mRNA首端 mRNA尾端 RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA 终止转录 翻译的起始信号（编码氨基酸） 翻译的结束信号（不编码氨基酸） 三、基因工程的基本操作程序 1. 非编码序列： 包括非编码区和内含子 2. 如果把一个真核生物的基因导入原核细胞中表达，一定会产生原来的蛋白质吗？ 一般不能产生原来的蛋白质 原核细胞与真核细胞的基因结构比较 原核细胞 真核细胞 不同点 编码区是_______的 编码区是间隔的、________的 相同点 都由能够编码蛋白质的________和具有调控作用的________区组成的 连续 不连续 编码区 非编码 原因：①原核生物细胞里没有相应的酶来去除内含子； ②原核生物没有真核的蛋白质加工系统（如内质网、高尔基体等） 三、基因工程的基本操作程序 (1)目的基因： ①从相关的已知 的基因中进行筛选是较为有效的方法之一 结构和功能清晰 序列数据库 在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。 (2)明确目的基因的方法： ②利用 和序列比对工具进行筛选。 三、基因工程的基本操作程序 二、目的基因的筛选与获取： ②通过构建基因文库来获取目的基因 前提： DNA合成仪 基因比较小、核苷酸序列已知 通过DNA合成仪用化学方法直接合成 ③利用PCR特异性地快速扩增目的基因 ①人工合成目的基因 方法： (3)获取目的基因的方法 三、基因工程的基本操作程序 基因组文库 部分基因文库（主要是cDNA文库） 基因文库： 从基因文库中直接获取： 基因组文库：含有某种生物全部基因片段的重组DNA的克隆群体。 部分基因文库：含有某种生物部分基因片段的重组DNA的克隆群体。 三、基因工程的基本操作程序 与载体连接 导入受体菌群 用适当 限制酶切割 （1）基因组文库的构建 提取某生物 全部DNA 许 多 DNA片段 该生物 基因组文库 （每个受体菌含有一段不同的DNA片段） （2）cDNA文库的构建——mRNA逆转录形成 （某一发育时期） 基因组文库中的基因含有启动子、终止子、内含子。cDNA文库中的基因不含以上结构 mRNA 杂交双链 单链DNA 双链cDNA (cDNA) 该生物 cDNA文库 与载体连接 导入受体菌群 逆转录酶 核酸酶H DNA聚合酶 三、基因工程的基本操作程序 文库类型 cDNA文库 基因组文库 文库大小 基因中启动子 基因中内含子 基因多少 物种间基因交流 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 三、基因工程的基本操作程序 1.PCR是聚合酶链式反应的缩写。它是一项根据 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 的技术。 DNA半保留复制 大量复制 PCR扩增仪 源于P79旁栏思考 用PCR可以扩增mRNA吗？ 名师提醒  　mRNA不可以直接扩增，需要将它逆转录成cDNA 再进行扩增。 利用PCR特异性地快速扩增目的基因： 三、基因工程的基本操作程序 参与的组分 在DNA复制中的作用 含目的基因的DNA 4种脱氧核苷酸 耐高温的DNA聚合酶 引物（2种） 缓冲液 Mg2+ 高温 使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸 打开DNA双链 提供DNA复制的模板 合成DNA子链的原料 催化合成DNA子链 维持反应体系的pH 激活DNA聚合酶的活性 （PCR所用原料实为dNTP） （体外用高温代替解旋酶） (Taq DNA聚合酶) 三、基因工程的基本操作程序 聚合酶链式反应所需的基本条件 dNTP（即dATP、dGTP、dTTP、dCTP） 功能：①提供原料；②提供能量 CH O H H H H H OH HC N N N C C C NH2 C H H O P O－ O O P O－ O ～ O P O－ O ～ O－ CH O H H H OH H OH HC N N N C C C NH2 C H H O P O－ O O P O－ O ～ O P O－ O ～ O－ 核糖 腺嘌呤 脱氧核糖 腺嘌呤 腺苷 腺苷一磷酸(AMP) 腺嘌呤核糖核苷酸 腺苷二磷酸(ADP) 腺苷三磷酸(ATP) 腺嘌呤脱氧核糖核苷酸 dADP dATP 三、基因工程的基本操作程序 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的引物通常为20~30个核苷酸。 在细胞中为一段单链RNA，在PCR中为一段人工合成的单链DNA。 3’ 5’ DNA母链1 3’ 5’ DNA母链2 3’ 5’ DNA母链1 3’ 5’ DNA母链2 3’ 5’ 引物1 3’ 5’ 引物2 引物结合在模板链的3’端 子链的5’端向 3’端延伸 引物的作用：为DNA聚合酶提供了游离的3′端，使DNA聚合酶从引物的3′端延伸子链。（DNA聚合酶不具有从头合成子链的功能） 三、基因工程的基本操作程序 第一步：变性 5’- -3’ 3’- -5’ 3’- -5’ 5’- -3’ 待扩增的DNA片段 变性（不需要解旋酶）： 当温度上升到___________以上时，___________断裂，双链DNA解聚为两条__________________。 氢键 单链DNA 90℃ 因为变性的温度与氢键的数量有关。 当氢键数量越多时，所需温度就越高；反之，当氢键数量越少时，所需温度也就越低。 三、基因工程的基本操作程序 ④PCR的过程: 长度相同但C-G含量高的引物需要设定的变性温度较高 第二步：复性 3’- -5’ 5’- -3’ 5’- -3’ -5’ 3’- -5’ 5’- 引物1 引物2 3’- -3’ 复性：当温度下降到50℃左右时，两种引物通过 ____________________与两条单链DNA结合。 碱基互补配对 引物结合在DNA模板链 3’端位置，引导子链从 5’端→3’端方向复制 由于DNA两条链是反向平行的，序列不同，所以需要2种引物 三、基因工程的基本操作程序 第三步：延伸 5’- -3’ -5’ 3’- -5’ 5’- 5’- -3’ -5’ 3’- 3’- -5’ 5’- -3’ 延伸：当温度上升到_______左右时，溶液中的4种____________在耐高温的______________的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。 脱氧核苷酸 DNA聚合酶 72℃ 72℃是Taq酶的最适温度 Taq酶结合在引物的3’端 由dNTP水解供能 三、基因工程的基本操作程序 3′ 5′ 子链的延伸方向是5 ′→3 ′ DNA聚合酶 3′ 5′ 模板链 子链 因为DNA聚合酶不能直接将单个的核苷酸聚合成链 DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有链的3′-端 子链合成需要引物 三、基因工程的基本操作程序 较小的DNA片段在凝胶中移动较快 当电泳结束时，DNA样品所在的位置和一系列已知大小的DNA片段的位置(标准)进行比较。 DNA分子具有可解离的基团，在一定的pH下，这些基团可以带上正电荷或负电荷，在电场的作用下，这些带电分子会向看与它所带电荷相反的电极移动，这个过程就叫电泳。 琼脂糖凝胶电泳 思考3.如何对PCR产物进行鉴定？ 三、基因工程的基本操作程序 长链-中长链DNA____个 含有引物A的DNA____个 含有引物B的DNA____个 2 1 1 引物A 引物B 扩增一次 PCR相关计算 三、基因工程的基本操作程序 中长链-短链DNA____个 2 长链-中长链DNA____个 含有引物A的DNA____个 含有引物B的DNA____个 2 3 3 扩增两次 三、基因工程的基本操作程序 中长链-短链DNA____个 4 长链-中长链DNA____个 含有引物A的DNA____个 含有引物B的DNA____个 2 7 7 短链-短链DNA______个 2 出现完整的目的基因 扩增三次 三、基因工程的基本操作程序 第二轮循环的产物作为第三轮反应模板，经过变性、复性和延伸三步产生第三轮循环产物。 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 每次循环后目的基因的量可以增加一倍，即形成指数式扩增(2n)。 三、基因工程的基本操作程序 扩增次数 1次 2次 3次 4次 n次 DNA总数 21 22 23 24 2n 长链-中长链DNA 中长链-短链DNA 短链-短链DNA 含引物A(或B) 的DNA 2 0 0 2 2 2 4 0 2 2 6 8 2 2(n-1) 2n-2n 1 3 7 15 2n-1 PCR相关计算 三、基因工程的基本操作程序 项目 PCR技术 体内DNA复制 相同点 原则 原料 条件 不同点 场所 解旋方式 酶 引物 特点 是否需要能量 温度条件 结果 碱基互补配对原则 四种脱氧核苷酸 均需要模板、原料、能量、酶等 细胞外 （主要在PCR仪内） （主要在细胞核内） 细胞内 DNA在高温下变性解旋 解旋酶催化 耐高温的TaqDNA聚合酶 解旋酶、普通的DNA聚合酶 一小段单链DNA片段 一小段RNA 全解旋再复制 边解旋边复制 需要（dNTP） 需要（ATP） 需控制温度，在较高温度下进行 细胞内温和的条件 短时间内可形成大量的DNA片段 形成完整的DNA分子 比较体内DNA的复制与PCR技术 2、 基因表达载体的组成（载体≠表达载体） 目的基因：能控制表达所需要的特殊性状 启动子： 位置：基因的上游 功能：RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA。 复制原点： DNA复制的起始位点 终止子： 位置：基因的下游 功能：终止转录 标记基因：便于重组DNA分子的筛选和鉴定。 1、目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，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。 三、基因表达载体的构建——基因工程的核心： 三、基因工程的基本操作程序 质粒 限制酶 限制酶切割位点 首先，用一定的限制酶切割 载体，使它出现一个切口； 01 构建过程： 限制酶 限制酶切割位点 获取目的基因 目的基因 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 02 三、基因工程的基本操作程序 DNA 连接酶 重组 DNA分子 获取目的基因 质粒 利用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。 03 使用一种DNA限制酶进行切割，会得到几种重组DNA？有何缺点？ 三、基因工程的基本操作程序 载体 自身环化 片段间 的连接 目的基因自身环化 质粒自身环化 目的基因与质粒连接 目的基因与目的基因连接 质粒与质粒连接 正向连接 反向连接 目的基因 1 1’ 2 2’ 1 2 2’ 1’ 2 2’ 1’ 1 ①质粒、目的基因自身环化； ②质粒与目的基因反向连接。 单酶切法缺点 三、基因工程的基本操作程序 总结：如果用同一种限制酶分别切割目的基因和质粒，再用DNA连接酶处理后会出现几种产物？(只考虑两两结合) 如何防止目的基因和质粒自身环化以及目的基因反向连接？ a b a b 双酶切的优点: 防止质粒、目的基因自身环化 防止质粒与目的基因反向连接 选择两种不同的限制酶同时对目的基因和质粒切割，使基因两端产生两个不同的粘性末端 双酶切 a酶： b酶： 三、基因工程的基本操作程序 没办法避免目的基因和目的基因的反向连接 思考：若目的基因两端无合适的限制酶切割位点怎么办？ 5' 3' 3' 5' 5' 3' 3' 5' 5' 3' 5' 3' 5' 5' 3' 3' 3' 3' 引物1 引物2 引入限制酶识别序列 引入限制酶识别序列 5' 3' 3' 5' 3' 3' 5' 3' 3' 3' 5' 3' 3' 5' 3' 5' 3' 5' 3' 3' 5' 3' 5' 3' 3' 5' 3' 3' 使用引物设计引入酶切位点，通过PCR扩增实现突变。 引物与单链DNA的3'端结合 引入的限制酶识别序列在引物的5'端 三、基因工程的基本操作程序 若从平末端两侧，则需两次，如果目的基因两端还有序列，则需三次 将目的基因导入受体细胞的方法 将目的基因导入 植物细胞 将目的基因导入 动物细胞 将目的基因导入 微生物细胞 农杆菌转化法 花粉管通道法 ——Ca2+转化法 病毒介导法 显微注射法 四、将目的基因导入受体细胞： 三、基因工程的基本操作程序 花粉 外源DNA 花粉管 子房 胚珠 ①花粉管通道法： ②在植物授粉后一定时间内，剪去柱头，将DNA溶液滴在花柱切面，使目的基因通过花粉管通道进入胚囊。 ①用微量注射器将含目的基因的DNA溶液直接注入子房中； 植物花粉在柱头上萌发后，花粉管要穿过花柱直通胚囊。 我国科学家独创的一种方法 三、基因工程的基本操作程序 1.目的基因导入植物细胞 农杆菌是一种在土壤中生活的微生物，能在自然条件下侵染双子叶植物和裸子植物，而对大多数单子叶植物没有侵染能力。 农杆菌细胞内含有 ，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，并且将其整合到该细胞的 上。 Ti质粒 T－DNA 染色体DNA 表现出新性状的植株 ②农杆菌转化法： 三、基因工程的基本操作程序 注意：1.农杆菌转化法过程 Ti质粒 目的基因 构建基因表达载体 含目的基因的重组Ti质粒 转入 农杆菌 含重组Ti质粒的农杆菌 植物细胞 导入植物细胞 表现出新性状的植物 将目的基因插入染色体DNA中 T-DNA 植物组织培养 可转移DNA 将目的基因插入Ti质粒的T－DNA中→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的染色体DNA上→表达 三、基因工程的基本操作程序 什么是转化？ 转化：指目的基因进入受体细胞内，并在受体细胞内稳定维持和表达的过程。 此处“转化”与肺炎链球菌转化实验中的“转化”含义相同，实质都是基因重组。 农杆菌用于转化，有何特点？ (2)农杆菌细胞内含有_______，当它侵染植物细胞后，能将_______上的_____ _________ （__________）转移到被侵染的细胞，并且将其__________________ _____________________。 (1)能在自然条件下侵染___________和___________，而对大多数___________没有侵染能力； 双子叶植物 裸子植物 单子叶植物 Ti质粒 Ti质粒 T-DNA 可转移的DNA 整合到该细胞的染色体DNA上 三、基因工程的基本操作程序 辨析：①农杆菌转化法小结： Ti质粒 目的基因 构建 基因表达载体 转入 农杆菌 导入 植物细胞 T-DNA携带目的基因插入植物细胞染色体DNA中 表达 新性状 该过程经过____次拼接、____次导入？ (1)第一次拼接_____________________________________________ (2)第二次拼接_____________________________________________ (3)第一次导入_____________________________________________ (4)第二次导入_______________________________________ 将目的基因拼接到Ti质粒的T-DNA上 插入目的基因的T-DNA拼接到受体细胞染色体的DNA上（非人工操作） 两 两 将含目的基因的重组Ti质粒导入农杆菌 含目的基因的T-DNA导入受体细胞（非人工操作） 优先选择受伤的叶片与重组质粒的农杆菌培养，叶片伤口处的细胞可释放大量的酚类物质，可吸引农杆菌 三、基因工程的基本操作程序 （1）导入方法： （2）受体细胞: 显微注射法 受精卵 为什么常选用受精卵作为受体细胞呢？ （3）过程： 2.目的基因导入动物细胞 构建基因表达载体并提纯 利用显微注射将基因表达载体注入动物的受精卵中 早期胚胎培养 胚胎移植 获得具有新性状的动物 三、基因工程的基本操作程序 ①体积大，易操作。 ②易表现出全能性。 （1）常用方法： Ca2+处理 原核细胞（常选择大肠杆菌） 目的：可使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态。 （2）受体细胞： 优点：繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对较少，易于培养。 Ca2+ 感受态细胞 吸收 3.目的基因导入微生物细胞 三、基因工程的基本操作程序 科学家也用病毒DNA与目的基因一起构建的载体，去感染受体动物细胞，也能使目的基因导入动物细胞内。如用腺病毒载体，搭载新冠病毒S基因，进入人体内，使人体产生对S蛋白的免疫记忆。 知识拓展 三、基因工程的基本操作程序 检查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。 抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等 ①检测目的基因是否导入受体细胞 （1）分子水平的检测 （2）个体水平的检测 ②检测目的基因是否转录 ③检测目的基因是否翻译 五、目的基因的检测与鉴定： 三、基因工程的基本操作程序 转基因生物 提取DNA PCR操作 是否扩增出目的基因 电泳操作 M：marker； 1：阳性质粒； 2：原始品系； 3-9：转Bt品系； 转Bt基因品系PCR琼脂糖凝胶电泳检测结果 （1）分子水平检测 ①检测目的基因是否导入（插入） 如：检测棉花的染色体DNA上是否插入了Bt基因或检测Bt基因 三、基因工程的基本操作程序 ——通过PCR等技术检测 Bt M3 C0 T-9 T-2 T-51 T-5 T-23 T-11 T-20 T-21 T-34 T-10 10个PCR阳性棉花植株中，有四株Bt基因发生转录 转基因生物 提取mRNA PCR操作 是否扩增出目的基因 电泳操作 逆转录为cDNA，以cDNA为模板PCR ②检测目的基因是否转录 如：检测Bt基因是否翻译出mRNA 三、基因工程的基本操作程序 ——通过PCR等技术检测 ③DNA分子杂交技术—— 基因是否插入染色体DNA（存在）或基因是否转录 原因：带标记的基因探针，与目的基因DNA单链在一定条件互补配对，结合成双链，从而出现杂交带。 三、基因工程的基本操作程序 提取蛋白 电泳分离 苏云金芽孢杆菌 注射小鼠体内 提取抗体 标记抗体 抗原 抗体 杂交 提取Bt毒蛋白 ④检测目的基因是否翻译 ——通过抗原-抗体杂交检测 三、基因工程的基本操作程序 ——检测目的基因是否表现出相应的性状 进行抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等。 三、基因工程的基本操作程序 转基因生物 鉴定方法 成功标志 抗虫植物 抗病毒（菌）植物 抗盐植物 抗除草剂植物 获取目的基因产物的转基因生物 饲喂害虫（抗虫接种实验） 害虫死亡 病毒（菌）接种实验 未染病 盐水浇灌 正常生长 喷洒除草剂 正常生长 提取细胞产物与天然产品进行功能活性比较 功能、活性正常 （2）个体水平检测 例3、下列有关体内DNA复制与PCR比较的叙述，错误的是(　 　) A．二者子链的延伸方向相同，均为5′端→3′端 B．二者均需要解旋酶破坏氢键来实现解旋 C．体内DNA复制需要能量，PCR反应也需要能量 D．二者遵循的碱基互补配对方式相同 PCR扩增中DNA双链解开不需要解旋酶，在高温条件下氢键断裂 习题巩固 例4．下图为利用基因工程培育抗虫植物的示意图。以下相关叙述错误的是(　 　) A．②的构建需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶参与 B．③侵染植物细胞后，重组Ti质粒上的T-DNA整合到④的染色体DNA分子上 C．④的染色体上若含抗虫基因，则⑤就表现出抗虫性状 D．⑤只要表现出抗虫性状就表明植株发生了可遗传变异 染色体上含有目的基因，但目的基因也可能不能转录或者不能翻译，或者表达的蛋白质不具有生物活性 习题巩固 PCR 利用了 DNA 的热变性原理，通过调节温度来控制 DNA 双链的解聚与结合。一次 PCR 一般要经历 30 次循环。 1. 实验原理： DNA分子具有可解离的基团，在一定的PH下，这些基团可以带上正电荷或负电荷。在电场的作用下，这些带电分子会向着与它所带电荷相反的电极移动，这个过程就是电泳。 在凝胶中DNA分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA分子的大小和构像等有关。 凝胶中的DNA分子通过染色，可在波长为300nm的紫外灯下被检测出来。 （2）DNA 片段的电泳鉴定： 如何对PCR产物进行鉴定吗？ 琼脂糖凝胶电泳 （1）DNA 片段的扩增： 四、实验：DNA片段的扩增及电泳鉴定 PCR反应体系的配方 10倍浓缩的扩增缓冲液 5 μL 20 mmol/L的4种脱氧核苷酸的等量混合液 1 μL 20 μmol/L的引物Ⅰ 2.5 μL 20 μmol/L的引物Ⅱ 2.5 μL H2O 28～33 μL 1～5 U/μL的Taq DNA聚合酶 1～2 U 模板DNA 5～10 μL 总体积 50 μL 注：模板DNA的用量为1gp～1μg 用微量移液器按照PCR反应体系配方或PCR试剂盒的说明书，在微量离心管中依次加入各组分。 1.移液： 2. 方法步骤： 四、实验：DNA片段的扩增及电泳鉴定 （1）PCR实验操作步骤： 待所有组分都加入后，盖严离心管的盖子。将微量离心管放入离心机里，离心约10s，使反应液集中在离心管的底部。 循环程序 变性 复性 延伸 预变性 94℃，5min 30次 94℃，30s 55℃，30s 72℃，1min 最后1次 94℃，1min 55℃，30s 72℃，1min 2.离心： 3.扩增： 将装有反应液的微量离心管放入PCR仪中进行反应。 参照下表的参数，设置好PCR仪的循环程序。 Ⅰ.预变性的目的？ Ⅱ.最后一个循环结束后通常还需在 72℃维持几分钟，目的是？ 使子链充分延伸 使模板 DNA 充分变性 四、实验：DNA片段的扩增及电泳鉴定 微量离心管 微量移液器 1.配制琼脂糖溶液： （2）DNA的电泳鉴定： 根据待分离DNA片段的大小，用电泳缓冲液配制琼脂糖溶液，一般配制质量体积比0.8%-1.2%的琼脂糖溶液。在沸水浴或微波炉内加热至琼脂糖熔化。稍冷却后，加入适量的核酸染料混匀。 四、实验：DNA片段的扩增及电泳鉴定 将温热的琼脂糖溶液迅速倒入模具，并插入合适大小的梳子，以形成加样孔。 凝胶溶液完全凝固，小心拔出梳子，取出凝胶放入电泳槽内。 2.制备凝胶： 将电泳缓冲液加入电泳槽中，电泳缓冲液没过凝胶1mm为宜。 四、实验：DNA片段的扩增及电泳鉴定 电泳缓冲液用来维持pH值，使DNA带负电荷。 将扩增得到的PCR产物与凝胶载样缓冲液（内含指示剂）混合，再用微量移液器将混合液缓慢注入凝胶的加样孔内。留一个加样孔加入指示分子大小的标准参照物（Marker）。 3.电泳加样： 4.电泳、观察： 接通电源，根据电泳槽阳极至阴极之间的距离来设定电压，一般为1～5V/cm。待指示剂前沿迁移接近凝胶边缘时，停止电泳。取出凝胶置于紫外灯下观察和照相。 四、实验：DNA片段的扩增及电泳鉴定 【思考】用PCR技术可以扩增mRNA吗？ mRNA不可以直接扩增，需要将它逆转录成cDNA再进行扩增。 由mRNA逆转录形成cDNA的过程是：第一步，逆转录酶以RNA为模板合成一条与DNA链，形成RNA-DNA杂交分子；第二步，核酸酶H降解RNA-DNA杂交分子中的使之变成单链DNA；第三步，以单链DNA为模板，在DNA聚合酶的作用下合成另DNA链，形成双链DNA分子。 四、实验：DNA片段的扩增及电泳鉴定 将待测样品电泳条带与Marker(已知长度的DNA片段)进行对比，即可知道待测样品中DNA片段的长度，其中条带的宽度反映了DNA含量的多少。如下图所示：几个待测样品中DNA片段长度基本一致，约为 bp，其中 样品中DNA含量最少。 750 F2 四、实验：DNA片段的扩增及电泳鉴定 1.为避免外源DNA等因素的污染，PCR实验中使用的微量离心管、枪头和蒸馏水等在使用前必须进行高压灭菌处理。 2.该实验所需材料可以直接从公司购买，缓冲液和酶应分装成小份，并在-20℃储存。使用前，将所需试剂从冰箱拿出，放在冰块上缓慢融化。 3.在向微量离心管中添加反应组分时，每吸取一种试剂后，移液器上的枪头都必须更换。 4.在进行操作时，一定要戴好一次性手套。 5.PCR扩增不能随意加大试剂用量。 注意： 四、实验：DNA片段的扩增及电泳鉴定 （1）未出现扩增条带的主要原因 ① Taq DNA 聚合酶失活。② 引物出现质量问题。 ③ Mg2＋浓度过低。④ 变性时的温度低，变性时间短。 （2）出现非特异性扩增条带的主要原因 ① 模板 DNA 出现污染。 ② 引物特异性不强或形成引物二聚体。 ③ Mg2＋浓度过高。 ④ 复性时的温度过低等。 关键点拨： 四、实验：DNA片段的扩增及电泳鉴定 例5．下列关于琼脂糖凝胶电泳的叙述，错误的是(　 　) A．加热熔化的琼脂糖完全冷却后加入适量的核酸染料 B．电泳缓冲液加入电泳槽时，需没过凝胶1 mm为宜 C．可调容量的微量移液器应先做容量设定，再安装枪头 D．停止电泳后应将凝胶置于紫外灯下，观察和照相 需待凝胶溶液冷却至常温后(不能完全冷却后加入)，再加入适量的核酸染料搅拌混匀 习题巩固 (一）植物方面 1．转基因抗虫植物 (1)方法： 从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物。 Bt毒蛋白基因 、 蛋白酶抑制剂基因、 淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。 （2）主要杀虫基因： (3)成果： 转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。 转基因抗虫水稻（绿）与对照（黄） ①减少环境污染 ②减少对人类健康的损害 ③降低生产成本 ④提高产量 （4）优点： 五、基因工程的应用 转基因抗病毒甜椒 将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中， 培育出转基因抗病植物。 2.转基因抗病植物 （2）培育方法： （3）抗病基因： 抗病毒的目的基因 病毒外壳蛋白基因 病毒复制酶基因 抗真菌的目的基因 几丁质酶基因 抗毒素合成基因 （1）背景： 许多栽培作物由于自身缺少抗病基因，因此用常规育种的方法很难培育出抗病的新品种。 (4)成果： 五、基因工程的应用 3．转基因抗除草剂植物 (1)背景： 杂草常常危害农业生产，而大多数除草剂不仅能杀死田间杂草，还会损伤作物，导致作物减产 (2)方法： 将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可以培育出抗除草剂的作物品种 (3)成果： 转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等 种植转基因抗除草剂大豆的农田 用除草剂后的转基因抗除草剂玉来田 五、基因工程的应用 4．改良植物的品质 (1)培育方法： (2)实例： 利用转基因技术改良植物的营养价值、观赏价值等。 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，提 高氨基酸的含量，科学家培育的某种转基因玉米中赖氨 酸的含量比对照高30%。 将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高观赏价值。 高赖氨酸玉米 出现原本没有的花色变异，提升观赏价值 五、基因工程的应用 (二）动物方面 1、用于提高动物生长速度 原因：外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长更快 转入外源生长激素基因的“超级小鼠” 五、基因工程的应用 2、用于改善畜产品的品质 低乳糖奶牛 （1）导入肠乳糖酶基因的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖含量大大降低。 （2）优点：避免食物过敏、腹泻、恶心等不适。 五、基因工程的应用 我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市场。 细胞因子、抗体、疫苗和激素等 ①常见药物类型： ②实例： (1)对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物 干扰素基因 质粒 重组质粒 大肠杆菌或酵母菌 可大量生产干扰素的大肠杆菌或酵母菌 构建 导入 培养 (三）基因工程在医药卫生领域的应用 五、基因工程的应用 ①实例： 乳腺生物反应器或乳房生物反应器 ②培育过程： 药用蛋白基因 乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件 基因表达载体 受精卵 泌乳期 分泌乳汁 转基因动物 药物蛋白 显微注射 发育 (2)让转基因哺乳动物批量生产药物 获得乳腺生物反应器的步骤与培育普通转基因动物的步骤有什么区别？ 培育乳腺生 反应器时要选用乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件与药用蛋白基因重组在一起，目的是让药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达。 启动子具有物种和组织特异性 五、基因工程的应用 继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了成功。科学家培育出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。 在研制膀胱生物反应器时，应使药用蛋白基因在什么细胞中特异性表达？它与乳腺生物反应器相比，有什么优点？ 膀胱上皮细胞: 不受性别和生理期限制，且尿液蛋白质少，更容易分离药用蛋白 拓展：膀胱生物反应器 五、基因工程的应用 ①人体器官移植的难题： 人体移植器官短缺是世界性难题；免疫排斥 ②解决途径： 寻求可替代的移植器官，如用猪的器官来解决人类器官移植的来源问题 ③猪的优点： a.猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似 b.猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物 (2)用转基因动物作为器官移植的供体 五、基因工程的应用 培育无免疫排斥的转基因克隆猪器官 抑制抗原决定基因表达 或除去抗原决定基因 在器官供体基因组中导入某种调节因子 ④改造方法： b.设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。 a.在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达； 五、基因工程的应用 （1）概念 基因工程构建基因工程菌 工业发酵批量生产 基因工程菌 （2）步骤 用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。 （3）应用 阿斯巴甜 苯丙氨酸残基 天冬氨酸残基 利用基因工程菌，除了可以生产药物， 还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。 (四）在食品工业方面的应用 五、基因工程的应用 实例1：凝乳酶 基因工程技术： 大多数奶酪的生产需要使用凝乳酶来凝聚固化奶中的蛋白质。 传统制备方法： 杀死未断奶的小牛，将其第四胃的黏膜取出来提取。 将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉、酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。 五、基因工程的应用 基因工程获得的工业用酶的纯度更高，生产成本显著降低， 生产效率较高。 ①应用： ②制备方法： 加工转化糖浆需要淀粉酶，加工烘烤食物要用到脂酶。 构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。 ③优点： （4）其他： ①培育可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染； ②利用经过基因改造的微生物来生产能源。 3种淀粉酶基因 组成的复合基因 海底热泉古生菌 玉米 乙醇单位产量的利润提高8%~15% 实例2：淀粉酶、脂酶 五、基因工程的应用 比较项目 乳腺生物反应器 基因工程菌生产药物 基因结构 基因产物 受体细胞 导入方式 生产条件 产物提取 哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同。 细菌或酵母菌等生物的基因结构与人类基因结构有较大差异。 与天然蛋白质完全相同。 细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质可能不具有生物活性。 哺乳动物的受精卵 微生物细胞 显微注射法 Ca2+处理法（感受态细胞法） 不需要严格的灭菌，温度等外界条件对其影响不大。 需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件。 从动物乳汁中提取，相对简单。 （一般经过工业发酵后）从微生物细胞（或发酵液）中提取，相对复杂。 乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别（在生产人的药物蛋白方面） 1.基因工程的实质和不足： 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，进而表现出新性状。 六、蛋白质工程的应用 基因工程的缺陷 原则上只能产生自然界已存在的蛋白质(天然蛋白) 天然蛋白的缺陷 有时不完全符合人类生产和生活需要 蛋白质工程 对天然蛋白进行改造，产生更符合人类需要的蛋白质 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。 （1）改造蛋白质的方法 改造或合成基因 （2）蛋白质工程的基础 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 ☞第二代基因工程 2.蛋白质工程的概念： 六、蛋白质工程的应用 3.实质、目标和结果： 目标 实质 结果 根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。 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。 生产出自然界没有的蛋白质。 为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？ （1）蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大； （2）蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质； （3）基因可以遗传，蛋白质无法遗传； 六、蛋白质工程的应用 按照中心法则进行 基因 表达 形成具有特定氨基酸序列的多肽链 形成具有高级结构的蛋白质 行使生物功能 转录 翻译 4.天然蛋白质合成过程： 六、蛋白质工程的应用 ①预期的蛋白质功能 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 ⑤获得所需蛋白质 预期功能 生物功能 设计 推测 改造或合成 行使 折叠 目的基因 转录 mRNA 翻译 多肽链 蛋白质 (三维结构) 思 路 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 5.蛋白质工程的基本设计思路： 六、蛋白质工程的应用 比较项目 蛋白质工程 基因工程 区别 过程 实质 结果 联系 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 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 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 新的生物类型和生物产品 创造出自然界不存在的蛋白质 生产出自然界已有的蛋白质 ①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 ②基因工程中所利用的某些酶可以通过蛋白质工程进行修饰、改造 蛋白质工程与基因工程的比较 例6．基因工程自20世纪70年代兴起后，得到飞速的发展，下列相关叙述错误的是 (　 　) A．利用基因工程技术，可以让哺乳动物批量生产药用蛋白 B．基因工程经常以抗生素抗性基因作为目的基因 C．转基因抗虫作物的种植，能有效减少化学杀虫剂的施用量 D．将病原体的抗原基因转入适当的微生物细胞，可获得用作疫苗的表达产物 基因工程经常以抗生素抗性基因作为标记基因 习题巩固 例7．下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述，不正确的是(　 　) A．将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法 B．设计扩增目的基因的引物时，不必考虑表达载体的序列 C．蛋白质工程是通过改造或合成基因，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新蛋白质的技术 D．蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程有所差别 设计的引物应能与表达载体两端的序列互补配对 习题巩固 (1)转基因成果 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 发酵周期 生长迅速 营养品质优良 抗虫 抗病 抗除草剂 六、转基因产品的安全性 1．理性看待转基因技术的前提 (1)清晰地了解转基因技术的原理和操作规程。 (2)看到人们的观点受到许多复杂的政治、经济和文化等因素的影响。 (3)要靠确凿的证据和严谨的逻辑进行思考和辩论。 2．我国对转基因技术的态度 (1)研究上要大胆，坚持自主创新。 (2)推广上要慎重，做到确保安全。 (3)管理上要严格，坚持依法监管。 六、转基因产品的安全性 (2)理性看待转基因技术 优点 缺点 ①解决粮食短缺问题； ②大大减少农药的使用量，减少环境污染； ③增加食物营养，提高附加值； ④增加食物种类，提升食物品质； ⑤提高生产效率，带动相关产业发展 ①可能出现新的过敏原或重组形成新病原微生物； ②可能产生抗除草剂的超级杂草； ③可能使疾病的传播跨越物种的界限（基因污染）； ④可能会破坏生物多样性； ⑤可能会对人类生活环境造成二次污染。 六、转基因产品的安全性 (3)转基因生物的优缺点分析 基因污染：外源基因通过转基因作物或家养动物扩散到其他栽培作物或自然野生物种中，并成为后者基因的一部分，在环境生物学中称为基因污染。 基因污染主要是由基因重组引起的。 基因污染的途径 ①转基因植物的相关基因通过花粉传播而进入附近的野生植物或邻近的非转基因农作物。 ②转基因作物在自然条件下存活并发育成为野生的、杂草化的转基因植物。 ③土壤微生物或动物肠道微生物吸收转基因作物后获得外源基因。 六、转基因产品的安全性 (4)基因污染 防止基因污染的方法 ①我国科学家将来自于玉米的α-淀粉酶基因与目的基因一起转入植物中，由于α-淀粉酶基因可以阻断淀粉储藏使花粉 ，因而可以防止转基因花粉的传播。 失去活性 ②基因工程中，若将目的基因导入并整合到受体细胞的染色体DNA上，减数分裂形成的花粉中可能含有目的基因，通过传粉，可能造成基因污染。 花粉即为植物的精子，有细胞结构，所含的细胞器： 线粒体、内质网、中心体、高尔基体、核糖体等，但没有叶绿体。 可以把目的基因导入细胞质的叶绿体DNA上，避免基因污染。 六、转基因产品的安全性 取出 体细胞 取核 核移植 去核卵母细胞 重构胚胎 诱导 发育 移植 胚胎干细胞 诱导 各种细胞组织或器官 移植 代孕母体 分娩 克隆人 治疗性克隆 生殖性克隆 有本质区别 七、关注生殖性克隆人 (2)生殖性克隆和治疗性克隆的比较 类型 生殖性克隆 治疗性克隆 目的 _______________________ _________ 水平 __________ _________ 联系 产生独立生存的新个体 治疗疾病 个体水平 细胞水平 (1)概念: 生殖性克隆: 治疗性克隆: 是指通过克隆技术产生独立生存的新个体 指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 都属于无性生殖；产生新个体或新组织，遗传信息相同 七、关注生殖性克隆人 观点 理由 赞同 ①科学研究有 ，社会应该允许科学家研究； ②现在的伦理道德观念还不能接受，但是___ _______是可以改变的 大多数人反对 ①生殖性克隆人“ ”； ②在人为地制造在心理上和社会地位上都不健全的人，严重地违反了 ，是克隆技术的滥用； ③克隆技术还不成熟，面临着 等问题 (3)关于生殖性克隆人的争论 自己内在的发展规律 有违人类尊严 人类伦理道德 人的观念 流产、死胎和畸形儿 (4)四不原则： 不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验 七、关注生殖性克隆人 补充：试管婴儿和设计试管婴儿的比较 类型 试管婴儿 设计试管婴儿 技术手段 不需进行___________ 胚胎移植前需进行___________ 实践应用 解决　　　　问题 用于　　　　　。 联系 二者都是体外受精, 经体外　　　　　　, 再进行_________,在生殖方式上都为____________ 遗传学诊断 遗传学诊断 不孕不育 治疗疾病 早期胚胎培养 胚胎移植 有性生殖 七、关注生殖性克隆人 种类 ①致病菌类：炭疽杆菌、霍乱弧菌等； ②病毒类：天花病毒，某些动物的痘病毒、 通过基因工程改造的流感病毒等； ③___________类：肉毒杆菌毒素等。 特点 致病能力___；攻击范围___；传播途径多、范围大；成本低等 散布途径 可以直接或者通过食物、生活必需品和带菌昆虫等散布，经由呼吸道、消化道和皮肤等侵入人、畜体内，造成大规模伤亡，也能大量损害植物。 生化毒剂 强 广 八、禁止生物武器 《禁止生物武器公约》 彻底销毁生物武器是全世界爱好和平的人民的共同期望。1972年4月，苏联、美国、英国分别在其首都签署了《禁止发展、生产、储存细菌（生物）及毒素武器和销毁此种武器公约》（简称《禁止生物武器公约》），该公约于1975年3月生效。1984年11月，我国也加入了这一公约。 在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器， 并反对生物武器及其技术和设备的扩散。 八、禁止生物武器 例8．随着转基因技术的发展，“基因污染”应运而生，下列关于基因污染的叙述，不正确的是(　 　) A．外源基因可通过转基因作物的花粉散落到该作物的近亲作物上，从而污染生物基因库 B．基因污染是一种不可以扩散的污染 C．杂草、害虫从它的近亲处获得抗性基因，可能会破坏生态系统的稳定性 D．转基因生物有可能成为入侵的外来物种，威胁生态系统中其他生物的生存 基因可以通过复制而传播，故基因污染是一种可以通过复制传播给其他生物的可扩散污染 习题巩固 例9.下列关于治疗性克隆和生殖性克隆的说法，错误的是 (　 　) A．使用病人自己的细胞产生胰岛细胞以治疗糖尿病属于治疗性克隆 B．将一个克隆的胚胎移植到一个女性子宫中发育成婴儿的过程属于生殖性克隆 C．治疗性克隆属于无性生殖，生殖性克隆属于有性生殖 D．治疗性克隆和生殖性克隆均需要应用动物细胞培养和核移植技术 治疗性克隆是指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；生殖性克隆是指通过克隆技术产生独立生存的新个体。治疗性克隆和生殖性克隆均需要应用到动物细胞培养和核移植技术；无论治疗性克隆还是生殖性克隆，都属于无性生殖。 习题巩固 1.（2025·全国卷·高考真题）琼脂糖凝胶电泳常用于核酸样品的分析，样品1～4的电泳结果如图所示（“+”“-”分别代表电泳槽的阳极和阴极）。已知样品1和2中的DNA分子分别是甲和乙，甲只有限制酶R的一个酶切位点，样品3和4中有一个样品是甲的酶切产物。下列叙述错误的是（     ） A．配制琼脂糖凝胶时需选用适当的缓冲溶液 B．该实验条件下甲、乙两种DNA分子均带负电荷 C．甲、乙两种DNA分子所含碱基对的数量可能不同 D．据图推测样品3可能是甲被酶R完全酶切后的产物 真题感知·命题洞见 A、配制琼脂糖凝胶时选用适当缓冲溶液，可维持电泳过程中体系的pH稳定，保证核酸分子正常泳动，A正确； B、电泳时，样品向+极移动，说明在该实验条件下甲、乙两种 DNA 分子均带负电荷，符合核酸分子在电泳中的带电特性，B正确； C、电泳中，DNA分子的迁移速率与分子大小、电荷的多少等多种因素有关。甲、乙电泳条带位置虽然相同，但影响DNA分子的迁移速率的因素很多，所以碱基对的数量可能不同，C正确； D、甲只有限制酶R的一个酶切位点，若被酶R完全酶切，只会得到2种DNA片段（2个条带），这两个条带的碱基数量比甲要少，电泳跑的距离要比甲更远，所以据图推测样品4才是甲被酶R完全酶切后的产物，D 错误。 2.（2025·广东卷·高考真题）Solexa测序是一种将PCR与荧光检测相结合的高通量测序技术。为了确保该PCR过程中，DNA聚合酶催化一个脱氧核苷酸单位完成聚合反应后，DNA链不继续延伸，应保护底物中脱氧核糖结构上的（     ） A. 1'-碱基 B. 2'-氢 C. 3'-羟基 D. 5'-磷酸基团 DNA聚合酶催化延伸子链方向只能从5′→3′，原因是脱氧核苷酸的3'碳有羟基，可以结合下一个脱氧核苷酸的5′碳的磷酸基团，为了DNA聚合酶催化一个脱氧核苷酸单位完成聚合反应后，DNA链不继续延伸，应保护底物中脱氧核糖结构上的3'-羟基。 真题感知·命题洞见 3.（2025·四川卷）下列以土豆为材料的实验描述，错误的是（　　） A．土豆DNA溶于酒精后，与二苯胺试剂混合呈蓝色 B．向土豆匀浆中加入一定量的碘液后，溶液会呈蓝色 C．利用土豆匀浆制备的培养基，可用于酵母菌的培养 D．土豆中的过氧化氢酶可用于探究pH对酶活性的影响 DNA的鉴定需在沸水浴条件下与二苯胺试剂反应呈蓝色，题目中未提及沸水浴步骤，无法显色 真题感知·命题洞见 4.（2024·广东卷·高考真题）关于技术进步与科学发现之间的促进关系，下列叙述正确的是（　 　） A. 电子显微镜的发明促进细胞学说的提出 B. 差速离心法的应用促进对细胞器的认识 C. 光合作用的解析促进花期控制技术的成熟 D. RNA聚合酶的发现促进PCR技术的发明 电子显微镜的发明在细胞学说提出之后 光合作用的解析与花期控制技术的成熟关系不大 PCR 技术的发明并非由于 RNA 聚合酶的发现 真题感知·命题洞见 Lavf59.16.100 Lavf58.20.100 $