第三章 基因工程章节复习课件2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第三章 基因工程 复习课 限制酶 DNA连接酶 载体 对受体细胞无害； ①有一个至多个限制酶切割位点； ②有特殊的标记基因； ③能自我复制或能整合到宿主DNA上随受体DNA同步复制。 质粒、噬菌体 、动植物病毒等 基因工程的基本工具 作为载体的条件 种类： 磷酸二酯键 来源： 主要来源于原核生物 特点： 作用部位： 识别特定核苷酸序列 结果： 形成黏性末端或平末端 连接部位：磷酸二酯键 种类：E.coliDNA连接酶（黏）、T4 DNA连接酶（平、黏） 作用： 把两条双链DNA片段拼接起来 Q1：为什么原核细胞中的核酸序列不会被限制酶破坏？ Q2：原核细胞中含有限制酶的意义？ “分子手术刀” “分子缝合针” “分子运输车“ 便于重组DNA分子的筛选 来源不同，在大小、结构、复制方式以及插入外源DNA片段的大小有差异。 关于目的基因的筛选 标记基因—— 便于重组质粒的筛选； 便于筛选目的基因是 否导入受体细胞 其实重组质粒是无法通过标记基因筛选的，用工具酶处理后得到的重组质粒溶液中有多种，接着去转化，就会转化出各种各样的细胞，利用标记基因的特性，使用选择培养基就可以把不含标记基因的其他非正常转化细胞去掉，这时候只剩下两种细胞（含普通质粒的、含重组质粒的），再通过DNA分子杂交技术（PCR技术）把含有目的基因的筛选出来，接着再用分子杂交技术把能够转录的筛选出来。 名称 作用部位 作用结果 限制酶 DNA连接酶 DNA聚合酶 DNA(水解)酶 解旋酶 磷酸二酯键 碱基对之间的氢键 将DNA切成两个片段 磷酸二酯键 将两个DNA片段连接为一个DNA分子 磷酸二酯键 将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端 磷酸二酯键 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸 将双链DNA分子局部解旋为单链 Q：在切割含“目的基因”的DNA分子时，需用限制酶切割___次此DNA分子，断4个磷酸二酯键, 产生____个末端。 2 4 5 04 DNA的粗提取与鉴定 称取 ，切碎，放入研钵，倒入 ，充分研磨。 在漏斗中垫上纱布过滤研磨液，4℃冰箱中静置后取 ；或将研磨液倒入塑料离心管中离心，取 。 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 。 2.去除杂质—— 3.DNA的析出—— 1.破碎细胞—— 洋葱 研磨液 上清液 上清液 预冷的95%酒精 白色丝状物 方法步骤 用玻璃棒沿一个方向搅拌，卷起丝状物；或将溶液倒入塑料离心管中离心，取沉淀物晾干。 析出DNA Q：破碎动物细胞与植物细胞的方法一样吗？ Q：能否选择猪血？ Q：如果是体积分数为70%的冷酒精进行提取会怎样？ 6 04 DNA的粗提取与鉴定 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 4.DNA的鉴定—— 二苯胺 2mol/L的NaCl 方法步骤 空白对照组： 在等体积的NaCl溶液中加入二苯胺试剂，将试管置于同等沸水浴中加热5min。 思考：如何评价结果？ ——看提取物颜色 ——看与二苯胺反应颜色的深浅 DNA纯度 DNA的量 （DNA在2mol/L的NaCl溶液中溶解度最高，也可以溶解于其他浓度NaCl中） 总结 1.目的基因的筛选和获取-前提 利用PCR获取和扩增 化学方法人工合成 2.构建基因表达载体-核心 目的基因、启动子、终止子、标记基因 3.将目的基因导入受体细胞-关键 农杆菌转化法(植物)、显微注射法(动物) 、 感受态细胞转化法(微生物); 4.目的基因的检测与鉴定-保证 分子检测：是否插入、转录、翻译 个体水平：是否具有抗性以及抗性强度等。 基因工程的基本操作程序（4个步骤） 有了目的基因，我们才能赋予一种生物以另一种生物的遗传特性。 使目的基因在受体细胞中稳定存在，并可进行遗传、表达和发挥作用。 载体进入受体细胞稳定表达，才能实现一种生物的基因在另一种生物中的转化。 才能确定目的基因是否真正在受体细胞中稳定遗传和正确表达。 1.目的基因的概念 2.可作为目的基因的实例有哪些（了解） 3.筛选适合的目的基因： 4.利用PCR获取和扩增目的基因： 1）依据什么进行筛选 2）Bt抗虫蛋白的抗虫原理（了解） 3）Bt抗虫蛋白为什么不会对人畜产生危害（了解） 4）获取目的基因的具体方法有哪些？ 1）PCR的概念； 2）DNA复制所需的基本条件；3）引物的概念；4）PCR反应的条件； 5）描述PCR反应的过程；6）变性、复性、延伸温度是多少；7）PCR反应的场所？ 8）用PCR可以直接扩增mRNA吗？ 9）DNA体内复制与体外复制（PCR技术）条件的比较； 10）什么是dNTP（知道既可以，不用记住） 11）设计引物的依据是什么；使用的一对引物的序列能相同吗；引物设计有什么要求（或引物失效的原因）；每种引物内部不能发生局部碱基互补配对的原因是什么；两种引物之间不能在局部发生碱基互补配对的原因是什么；两种引物都结合在DNA模板链的_____端，脱氧核苷酸连接在引物的_____端进行延伸？ 12）变性过程破坏的是哪种化学键？是否需要酶？延伸过程是否需要ATP供能？PCR为什么需要引物？PCR扩增的结果？为什么呈指数形式扩增？复制多少次能得到完整的目的基因？ 10 01 目的基因的筛选和获取 思考：3. PCR技术获取目的基因时至少要经过几次循环才能从DNA分子中分离出目的基因？【导学案P51】 5’ 3’ 5’ 5’ 第一次循环 第二次循环 3’ 5’ 第三次循环 3’ 3’ 11 02 基因表达载体的构建 目的：确保基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代；使目的基因能够表达和发挥作用。 （核心工作） 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 目的基因：能控制表达所需要的特殊性状 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。 12 02 基因表达载体的构建 （核心工作） 如何构建抗虫棉的基因表达载体？ ① 用一定的限制酶切割载体，使其出现一个切口。 ② 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 将切下的Bt基因片段拼接到载体的切口处，再加入适量DNA连接酶，形成了一个重组DNA分子。 载体 基因表达载体 使用一种DNA限制酶进行切割，共有几种连接情况？ 问题探讨 载体 目的基因 自连 片段间的连接 目的基因自连 质粒自连 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 1 1’ 2 2’ 1 2 2’ 1’ 2 2’ 1’ 1 Q：用同一种限制酶切割，若考虑两两相连，则DNA连接酶连接DNA片段会出现几种情况？ 问题探讨 选择两种不同的限制酶同时对目的基因和质粒切割 -G -CTTAA -A -TCTAG -G -CTTAA 如何防止目的基因和质粒的自身环化以及目的基因的反向连接？ 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 花粉管通道法 -- Ca2+转化法 -- 显微注射法 目的基因导入细胞方法 农杆菌转化法 我国科学家独创 常用 受精卵或 卵细胞 受精卵或 体细胞 受精卵 构建表达载体 导入农杆菌 导入植物细胞 新性状植株 （2）农杆菌转化法操作程序 1.目的基因导入植物细胞 植物组织培养 Ti-DNA将目的基因插入植物细胞染色体DNA 将目的基因插入到Ti质粒上的T-DNA中 03 2.目的基因导入动物细胞 （1）常用方法： （2）受体细胞: 显微注射法 受精卵 ①体积大，易操作。②易表现出全能性。 （3) 过程： 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 18 （1）常用方法： Ca2+转化法 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。 3.目的基因导入微生物细胞 03 Ca2+ 感受态细胞 吸收 种类 项目 植物细胞 动物细胞 微生物细胞 常用方法       受体细胞       转化 过程 目的基因插入Ti质粒的T­DNA上→导入植物细胞→整合到受体细胞的染色体DNA中→表达 目的基因表达载体提纯→取卵（受精卵）→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物 Ca2＋处理细胞→能吸收周围环境中DNA分子的生理状态细胞→重组的基因表达载体导入细胞中 农杆菌转化法 显微注射法 Ca2＋处理法 体细胞或受精卵 受精卵 原核细胞 目的基因导入细胞方法 19 20 04 目的基因的检测与鉴定 思考：结合基因表达的过程，推测可以从哪些方面进行检测与鉴定？ 类型 检测内容 方法 分子水平的检测 个体生物学水平的鉴定 受体细胞的染色体DNA上是否插入了目的基因 目的基因是否转录出了mRNA PCR等技术 目的基因是否翻译成蛋白质 抗原-抗体杂交技术 个体是否具有相应性状 抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等 一、基因工程在农牧业方面的应用 基因工程的应用 1.转基因抗虫植物 2.转基因抗病植物 3.转基因抗除草剂植物 4.改良植物的品质 5.提高动物的生长速率 6.改善畜产品的品质 二、基因工程在医药卫生领域的应用 1.利用基因工程能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。 2.利用基因工程培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染。 3.优点：相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术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。 三、基因工程在食品工业方面的应用 动物基因工程 植物基因工程 1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物。 2.利用基因工程技术，可以让哺乳动物批量生产药物，如乳腺生物反应器。 3.用转基因动物作器官移植的供体等。 单元知识网络 1.抗虫基因（Bt蛋白基因） 2.抗病基因（从某些真菌、病毒获取） 3.抗除草剂基因 4.必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因、 植物花青素代谢相关的基因 5.外源生长激素基因 6.肠乳糖酶基因（乳糖不耐受） 对应的目的基因？ 比较项目 乳腺（房）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 与天然蛋白质几乎完全相同 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 分析比较： DNA片段的扩增及电泳鉴定 1.DNA体外扩增的原理 PCR利用了DNA热变性原理，通过调节温度来控制DNA双链的解聚与结合。 PCR仪实质上就是一台能够自动调控温度的仪器，一次PCR一般要经历30次循环。 2.DNA片段电泳鉴定的原理 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，可以在波长为300nm的紫外灯下被检测出来。 探究.实践 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 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 只能生产自然界已有的蛋白质 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 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 蛋白质工程和基因工程的比较 四、蛋白质工程的应用 1.研发速效胰岛素类似物（了解） 2.延长干扰素体外保存时间（了解） 3.降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应（了解） 4.其他相关内容（了解） 5.蛋白质工程的现状：蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要原因是什么？ ◆蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。 6.为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？（熟悉） 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。 基础判断 (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( ) (2)载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因( ) (3)限制酶只能用于切割目的基因( ) (4)DNA连接酶能将两碱基间通过氢键连接起来( ) (5)限制性内切核酸酶、DNA连接酶和质粒是基因工程中常用的三种工具酶( ) (6)E.coli DNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端( ) (7)当作载体的质粒DNA分子上至少含一个限制酶切割位点( ) 错 错 错 错 错 错 对 基础判断 (8)载体的作用是携带目的基因导入受体细胞中，使之稳定存在并表达( ) (9)用PCR方法扩增目的基因时不必知道基因的全部序列( ) (10)外源DNA必须位于重组质粒的启动子和终止子之间才能进行复制( ) (11)表达载体的复制和胰岛素基因的表达均启动于复制原点( ) (12)将目的基因导入双子叶植物一般采用农杆菌转化法( ) (13)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( ) (14)抗虫基因即使成功地插入植物细胞染色体上也未必能正常表达( ) 对 对 错 错 对 错 对 基础判断 (15)转基因抗虫棉植株抗虫效果的鉴定必须通过分子检测( ) (16)检测目的基因是否导入受体细胞用抗原—抗体杂交技术( ) (17)将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株( ) (18)利用乳腺生物反应器能够获得干扰素，这是因为将干扰素基因导入了动物的乳腺细胞中( ) (19)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用( ) (20)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质( ) (21)蛋白质工程可以合成自然界中不存在的蛋白质( ) 错 错 对 错 错 对 对 (22)蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构( ) (23)转基因作物被动物食用后，目的基因会转入动物体细胞中( ) (24)种植转基因植物有可能因基因扩散而影响野生植物的遗传多样性( ) (25)转抗虫基因的植物，不会导致昆虫群体抗性基因频率增加( ) (26)如转基因植物的外源基因来源于自然界，则不会存在安全性问题( ) (27)转入到油菜的抗除草剂基因，可能通过花粉传入环境中( ) (28)中国政府禁止生殖性克隆，但不反对治疗性克隆( ) 错 错 对 错 错 对 对 基础判断 考向一　基因工程工具酶的应用 1.某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶(Amy)基因a，通过基因工程的方法，将基因a与载体结合后导入马铃薯植株中，经检测发现Amy在成熟块茎细胞中存在。结合图形分析下列有关这一过程的叙述，正确的是 A.获取基因a的限制酶的作用部位是图中的① B.基因工程所用的工具酶是限制酶、DNA连 　接酶、质粒 C.连接基因a与载体的DNA连接酶的作用部位是图中的② D.一种限制酶只能识别一种特定的核糖核苷酸序列，并在特定的切点上 　切割DNA分子 √ 考向二　基因工程载体的应用 2.质粒是基因工程最常用的载体，下列有关质粒的说法正确的是 A.质粒不仅存在于细菌中，也存在于某些病毒中 B.细菌的基因只存在于质粒上 C.质粒为小型环状DNA分子，存在于细菌拟核DNA之外的细胞质中 D.质粒是基因工程中的重要工具酶之一 √ 考向三　目的基因的获取 3.(2020·中国人民大学附中高三摸底)在核酸分子杂交技术中，常常使用已知序列的单链核酸片段作为探针(探针是指以放射性同位素、生物素或荧光染料等进行标记的已知核苷酸序列的核酸片段)。为了获得B链作探针，可应用PCR技术进行扩增，应选择的引物种类是 A.引物1与引物2 B.引物3与引物4 C.引物2与引物3 D.引物1与引物4 √ 考向四　基因工程的基本操作程序 4.土壤农杆菌侵染植物细胞时，Ti质粒上的T－DNA片段转入植物细胞的基因组中。利用农杆菌以Ti质粒作为载体进行转基因，下列相关叙述正确的是 A.目的基因应插入T－DNA片段外，以防止破坏T－DNA B.用Ca2＋处理农杆菌，以利于其侵染植物细胞 C.Ti质粒是一种环状DNA分子，属于细菌的拟核DNA D.T－DNA片段有利于介导外源DNA整合到植物细胞的染色体DNA上 √ 考向五　基因工程的应用 5..红细胞生成素(EPO)是体内促进红细胞生成的一种激素物质，是当今最成功的基因工程药物，可用于治疗肾衰性贫血等疾病。由于天然EPO来源极为有限，目前临床使用的红细胞生成素主要来自基因工程技术生产的重组人红细胞生成素(rhEPO)。其简要生产流程如图，下列相关叙述正确的是 A.过程①用到的工具酶有DNA聚合酶、 　限制酶和DNA连接酶 B.构建的重组表达载体中终止子的作用是终止翻译过程 C.检测重组细胞是否表达出rhEPO常用抗原—抗体杂交技术 D.用乳腺生物反应器生产EPO可将人EPO基因导入哺乳动物体细胞获得 √ 考向六　蛋白质工程 6.某生物中发现一种基因的表达产物是具有较强抗菌性和溶血性的多肽P1，科研人员预期在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的蛋白质药物，下一步要做的是 A.合成编码多肽P1的DNA片段 B.构建含目的肽DNA片段的表达载体 C.设计抗菌性强但溶血性弱的蛋白质结构 D.利用抗原—抗体杂交的方法对表达产物进行检测 √ 考向七　DNA的粗提取与鉴定 7.(2020·江苏海安高级中学高三月考)下列有关“DNA粗提取与鉴定”实验的叙述，正确的是 A.新鲜猪血、菜花等动植物材料均可用于DNA的粗提取 B.植物材料需先研磨破碎细胞 C.DNA只能溶于2 mol/L的NaCl溶液 D.溶有DNA的NaCl溶液中加入二苯胺试剂后，颜色呈紫色 √ 考向八　DNA片段的扩增及电泳鉴定 8.利用PCR可以在体外进行DNA片段的扩增，下列有关“DNA片段的扩增及电泳鉴定”实验的相关叙述，错误的是 A.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 B.PCR利用了DNA的热变性原理 C.PCR所用的缓冲液和酶从冰箱拿出之后，迅速融化 D.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 √ 深挖教材 1.限制酶具有特异性，即一种限制酶只能识别______________________，并在特定 的位点进行切割。限制酶主要来源于原核生物，不能切割原核细胞自身DNA分子的 原因是____________________________________________________________。 一种特定的核苷酸序列 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.识别DNA分子中不同核苷酸序列，但能切割产生相同黏性末端的不同限制酶，被 称为同尾酶。在基因工程中使用同尾酶的意义是______________________________ ________________。 在构建基因表达载体时，扩大切割位点的选择范围 3.构建基因表达载体的目的是_______________________________________________ __________________________________________。 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 38 4.不能将目的基因插入载体的标记基因中，是因为_____________________________ ________________________________________________________________________ _____________________________________________________。 标记基因可用于鉴定目的基因是否成功导入受体细胞，以便将含目的基因的细胞筛选出来，若标记基因中有目的基因插入，则标记基因被破坏，无法进行后续的鉴定和筛选 5.基因工程不能完全满足人们生产和生活的需要，是因为基因工程原则上_________ _______________________。 只能生产自然界中已存在的蛋白质 6.通过对基因进行操作来实现对天然蛋白质的改造的原因有_____________________ ________________________________________________________________________ ___________________________________。 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；改造后的基因可以遗传给下一代，直接对蛋白质进行改造无法遗传给后代 39 7.转入生长激素基因的鱼生长速度快，饵料转化率高。但鱼类易于逃逸、扩散，因此转基因鱼存在生态安全性问题，我国科学家只将三倍体的转基因鱼投入自然系统。请根据材料思考回答下列问题： （1）转基因鱼成功的物质基础是______________________________________。 各种细胞生物都以DNA分子作为遗传物质 （2）从保障生态安全性上分析，只投放三倍体鱼的原因是_____________________ ___________________________________________________________。 三倍体鱼不能繁殖，可以人工控制养殖数量和范围，避免发生杂交、竞争，引起生态危机 40 $