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2019-2020年高考生物二輪復習 1.1《基因工程和蛋白質工程》教案 中圖版選修3 考綱要求： 1、基因工程的誕生 Ⅰ 2、基因工程的原理及技術Ⅱ 3、基因工程的應用Ⅱ 4、蛋白質工程Ⅰ 一、基因工程的概念 基因工程是指按照人們的愿望，通過體外DNA重組和轉基因技術，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產品?；蚬こ淌窃? 水平上進行設計和施工的，又叫做DNA重組技術。 （一）基因工程的基本工具 1.“分子手術刀”—— （1）來源：主要是從原核生物中分離純化出來的。 （2）功能：能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定的核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的 ，因此具有專一性。 （3）結果：經限制酶切割產生的DNA片段末端通常有兩種形式： 2.“分子縫合針”—— （1）功能：縫合 （2）與DNA聚合酶作用的異同:DNA聚合酶只能將單個核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯鍵。DNA連接酶是連接兩個DNA片段的末端，形成磷酸二酯鍵。 3.“分子運輸車”—— （1）載體具備的條件：①能在受體細胞中復制并穩(wěn)定保存。②具有一至多個限制酶切點，供外源DNA片段插入。③具有標記基因，供重組DNA的鑒定和選擇。 （2）最常用的載體是 ,它是一種有自我復制能力的雙鏈環(huán)狀DNA分子。 （3）其它載體： 噬菌體、動植物病毒 (二)基因工程的基本操作程序 第一步：目的基因的獲取 1.目的基因是指： 編碼蛋白質的基因 。 2.原核基因采取直接分離法獲得，真核基因是人工合成法。人工合成目的基因的常用方法有反轉錄法_和化學合成法_。 限制酶 運載體 直接分離法：供體細胞中的DNA→ DNA片段→ 受體細胞→DNA片段擴增 反轉錄法：逆轉錄 合成 mRNA → 單鏈DNA → 雙鏈DNA 化學合成法：根據已知的蛋白質的氨基酸序列，推測出相應的mRNA 序列，推測出結構基因的核苷酸序列，再通過化學方法，合成目的基因。 第二步：重組載體的構建 1.目的：使目的基因在受體細胞中穩(wěn)定存在，并且可以遺傳至下一代，使目的基因能夠表達和發(fā)揮作用 2.組成：目的基因＋標記基因 標記基因的作用：是為了鑒定受體細胞中是否含有目的基因，從而將含有目的基因的細胞篩選出來。常用的標記基因是抗生素基因。 第三步：將目的基因導入受體細胞_ 常用的轉化方法： 將目的基因導入植物細胞：采用最多的方法是 農桿菌轉化法，其次還有 基因槍法和 花粉管通道法等。受體細胞可以是卵細胞（受精卵）、體細胞（經組織培養(yǎng)成為完整個體） 將目的基因導入動物細胞：最常用的方法是 顯微注射技術。此方法的受體細胞多是 受精卵。 將目的基因導入微生物細胞：用氯化鈣處理大腸桿菌， 3.重組細胞導入受體細胞后，篩選含有基因表達載體受體細胞的依據是標記基因是否表達。 第四步：目的基因的檢測和表達 1.首先要檢測 轉基因生物的染色體DNA上是否插入了目的基因，方法是采用 DNA分子雜交技術。 2.其次還要檢測 目的基因是否轉錄出了mRNA，方法是采用 用標記的目的基因作探針與mRNA雜交。 3.最后檢測 目的基因是否翻譯成蛋白質，方法是從轉基因生物中提取 蛋白質，用相應的 抗體進行 抗原－抗體雜交。 4.有時還需進行 個體生物學水平的鑒定。如 轉基因抗蟲植物是否出現抗蟲性狀。 （三）基因工程的應用 1.植物基因工程：抗蟲、抗病、抗逆轉基因植物，利用轉基因改良植物的品質。 2.動物基因工程：提高動物生長速度、改善畜產品品質、用轉基因動物生產藥物。 3.基因治療：把正常的外源基因導入病人體內，使該基因表達產物發(fā)揮作用。 （四）蛋白質工程的概念、基本途徑 蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規(guī)律及其生物功能的關系作為基礎，通過基因修飾或基因合成，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生 活的需求。（基因工程在原則上只能生產自然界已存在的蛋白質） 基本途徑：從預期的蛋白質功能出發(fā)→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到相對應的脫氧核苷酸序列 例１、豇豆對多種害蟲具有抗蟲能力，根本原因是豇豆體內具有胰蛋白酶抑制劑基因(CpTI基因)?？茖W家將其轉移到水稻體內后，卻發(fā)現效果不理想，主要原因是CpTI蛋白質的積累量不足。經過在體外對CpTI基因進行了修飾后，CPTI蛋白質在水稻中的積累量就得到了提高。修飾和表達過程如下圖所示： 請根據以上材料，回答下列問題： (1)CpTI基因是該基因工程中的 基因，“信號肽，序列及“內質網滯留信號”序列的基本組成單位是 。在①過程中，首先要用 酶切開，暴露出 ，再用 酶連接。 (2)在該基因工程中，供體細胞是 ，受體細胞是 。 (3)②過程稱為 。 (4)檢測修飾后的CpTI基因是否表達的最好方法是 。 （5）與雜交育種、誘變育種相比，通過基因工程來培育新品種的主要優(yōu)點是 和 。 （6）當前，轉基因大豆，轉基因棉花等已經進入了我們的生活。請你談談轉基因農作物可能帶來的利與弊。（各一條） 利 弊：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　? 例２、番茄果實成熟過程中，某種酶（PG）開始合成并顯著增加，促使果實變紅變軟。 但不利于長途運輸和長期保鮮?？茖W家利用反義RNA技術（見圖解），可有效解決此問題。該技術的核心是，從番茄體細胞中獲得指導PG合成的信使RNA，繼而以該信使RNA為模板人工合成反義基因并將之導入離體番茄體細胞，經組織培養(yǎng)獲得完整植株。新植株在果實發(fā)育過程中，反義基因經轉錄產生的反義RNA與細胞原有mRNA（靶mRNA）互補形成雙鏈RNA，阻止靶mRNA進一步翻譯形成PG，從而達到抑制果實成熟的目的。請結合圖解回答： （1）反義基因像一般基因一樣是一段雙鏈的DNA分子，合成該分子的第一條鏈時，使用的模板是細胞質中的信使RNA，原料是四種 ，所用的酶是 。 （2）開始合成的反義基因第一條鏈是與模板RNA連在一起的雜交雙鏈，通過加熱去除RNA，然后再以反義基因第一條鏈為模板合成第二條鏈，這樣一個完整的反義基因被合成。若要以完整雙鏈反義基因克隆成百上千的反義基因，所用復制方式為 （3）如果指導番茄合成PG的信使RNA的堿基序列是—A—U—C—C—A—G—G—U—C—，那么，PG反義基因的這段堿基對序列是 。 （4）將人工合成的反義基因導入番茄葉肉細胞原生質體的運輸工具是 ，該目的基因與運輸工具相結合需要使用的酶有 ，在受體細胞中該基因指導合成的最終產物是 。 例３、隨著科學技術的發(fā)展，化學農藥的產量和品種逐年增加，但害蟲的抗藥性也不斷增強，對農作物危害仍然很嚴重。如近年來，棉鈴蟲在我國大面積暴發(fā)成災，造成經濟損失每年達100億以上。針對這種情況，江蘇農科院開展“轉基因抗蟲棉”的科技攻關研究，成功地將某種能產生抗蟲毒蛋白細菌的抗蟲基因導入棉花細胞中，得到的棉花新品種對棉鈴蟲的毒殺效果高達80%以上。就以上材料，分析回答：（1）抗蟲基因之所以能接到植物體內去，原因是___________________。 （2）“轉基因抗蟲棉”具有抗害蟲的能力，這表明棉花體內產生了抗蟲的_____________物質。這個事實說明，害蟲和植物共用一套_____________，蛋白質合成的方式是_____________的。 （3）“轉基因抗蟲棉”抗害蟲的遺傳信息傳遞過程可表示為__________________。 （4）該項科技成果在環(huán)境保護上的作用是___________________。 （5）科學家預言，此種“轉基因抗蟲棉”獨立種植若干代以后，也將出現不抗蟲的植株，此現象來源于___________。 鞏固練習： 一、選擇題： 每小題只有一個選項最符合題意。 1、下列四條DNA分子，彼此間間具有粘性末端的一組是 （ ） T A G G C C A T T A C C G G T A ① ② ③ ④　 A．①②　　　B．②③　　　C．③④　　　D．②④ 2、運用現代生物技術，將蘇云金芽孢桿菌的抗蟲基因整合到棉花細胞中，為檢測實驗是否成功，最方便的方法是檢測棉花植株是否有( ) A、抗蟲基因 B、抗蟲基因產物 C、新的細胞核 D、相應性狀 3、（xx深圳一?？碱}）研究人員想將生長激素基因通過質粒介導入大腸桿菌細胞內，以表達產生生長激素。已知質粒中存在兩個抗性基因：A是抗鏈霉素基因，B是抗氨芐青霉素基因，且目的基因不插入到基因A、B中，而大腸桿菌不帶任何抗性基因，則篩選獲得“工程菌”的培養(yǎng)基中的抗抗生素首先應該 A、僅有鏈霉素 B、僅有氨芐青霉素 　　C、同時有鏈霉素和氨芐青霉素 D、無鏈霉素和氨芐青霉素 4、（05全國Ⅰ）鐮刀型細胞貧血癥的病因是血紅蛋白基因的堿基序列發(fā)生了改變。檢測這種堿基序列改變必須使用的酶是 A. 解旋酶B. DNA連接酶 C. 限制性內切酶 D、RNA聚合酶 5、人的糖蛋白必須經內質網和高爾基體進一步加工合成，通過轉基因技術，可以使人的糖蛋白基因得以表達的受體細胞是( ) A、大腸桿菌 B、酵母菌 C、T4噬菌體 D、質粒DNA 6．下列關于各種酶作用的敘述，不正確的是 （ ） A．DNA連接酶能使不同脫氧核苷酸的磷酸與脫氧核糖連接 B．RNA聚合酶能與基因的特定位點結合，催化遺傳信息的轉錄 C．一種DNA限制酶能識別多種核苷酸序列，切割出多種目的基因 D．胰蛋白酶能作用于離體的動物組織，使其分散成單個細胞 7、科學家通過基因工程的方法，能使馬鈴薯塊莖含有人奶蛋白。以下有關該基因工程的敘述錯誤的是( ) A．采用反轉錄的方法得到的目的基因有內含子 B．基因非編碼區(qū)對于目的基因在塊莖中的表達是不可缺少的 C．馬鈴薯的葉肉細胞可作為受體細胞 D．同一種限制酶處理質粒和含有目的基因的DNA，可產生黏性末端而形成重組DNA分子 8．堿基互補配對發(fā)生在下列哪些生理過程或生物技術中 （ ） ①種子的萌發(fā) ②病毒的增殖過程 ③細菌的二分裂過程 ④目的基因與運載體的結合 ⑤DNA探針的使用 ⑥分泌蛋白的加工和運輸 a A．①②③④⑤　　B．①②③④⑤⑥C．②④⑤ D．②③⑤⑥ 9．蛋白質工程是新崛起的一項生物工程，又稱第二代基因工程。下圖示意蛋白質工程流程，圖中A、B在遺傳學上依次表示 A．轉錄和翻譯 B．翻譯和轉錄 C．復制和轉錄 D．傳遞和表達 10．隨著轉基因技術的發(fā)展，“基因污染”應運而生，關于基因污染的下列說法不正確的是 A．轉基因作物可通過花粉散落到它的近親作物上，從而污染生物基因庫 B．基因污染是一種不可以擴散的污染 C．雜草、害蟲從它的近親獲得抗性基因，可能破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 D．轉基因生物有可能成為“入侵的外來物種”，威脅生態(tài)系統(tǒng)中其他生物的生存 二．非選擇題： 11. 糖尿病是種常見病，且發(fā)病率有逐年增加的趨勢，以致發(fā)達國家把它列為第三號“殺手”。（1）目前對糖尿病Ⅰ型的治療，大多采用激素療法，所用激素為_____________，由_________________細胞分泌。 （2）讓一健康人和糖尿病患者于空腹時同時口服葡萄糖，服用量按每人每千克體重1克計算，隨后每隔一段時間，測定各人的血糖濃度，如圖6—1所示，圖中表示糖尿病患者的曲線是_________。 （3）這種治療用的激素過去主要是從動物的內臟中提取，數量有限，20世紀70年代后，開始采用基因工程的方法生產，如圖所示，請回答： ①指出圖中2、4、6、7的名稱: 2_____________，4_____________，6_____________，7_____________。 ②一般獲取4采用的方法是_____________。 ③6的獲得必須用_____________切割3和4，使它們產生相同的_____________，再加入適量的_____________酶，才可形成。 12、在藥品生產中，有些藥品如干擾素，白細胞介素，凝血因子等，以前主要是從生物體的組織、細胞或血液中提取的，由于受原料來源限制，價價十分昂貴，而且產量低，臨床供應明顯不足。自70年代遺傳工程發(fā)展起來以后，人們逐步地在人體內發(fā)現了相應的目的基因，使之與質粒形成重組DNA，并以重組DNA引入大腸桿菌，最后利用這些工程菌，可以高效率地生產出上述各種高質量低成本的藥品，請分析回答： （1）在基因工程中，質粒是一種最常用的 ，它廣泛地存在于細菌細胞中，是一種很小的環(huán)狀 分子。 （2）在用目的基因與質粒形成重組DNA過程中，一般要用到的工具酶是 和 。 （3）將含有“某激素基因”的質粒導入細菌細胞后，能在細菌細胞內直接合成“某激素”，則該激素在細菌體內的合成包括 和 兩個階段。 （4）在將質粒導入細菌時，一般要用 處理細菌，以增大 。 13、用基因工程生產蛋白質藥物，經歷了三個發(fā)展階段。第一階段，將人的基因轉入細菌細胞；第二階段，將人的基因轉入小鼠等動物的細胞。前兩個階段都是進行細胞培養(yǎng)，提取藥物。第三階段，將人的基因轉入活的動物體，飼養(yǎng)這些動物，從乳汁或尿液中提取藥物。 （1）將人的基因轉入異種生物的細胞或個體內，能夠產生藥物蛋白的原理是基因能控制　　　　　　　　　　　　。 （2）人的基因能和異種生物的基因拼接在一起，是因為它們的分子都具有雙螺旋結構，都是由四種____________構成，基因中堿基配對的規(guī)律都是　　　　　__________。 （3）人的基因在異種生物細胞中表達成蛋白質時，需要經過　　　和翻譯兩個步驟。在翻譯中需要的模板是　　　　　，原料是氨基酸，直接能源是ATP，搬運工兼裝配工是　　　　　　，將氨基酸的肽鍵連接成蛋白質的場所是________，“翻譯”可理解為將由____個“字母”組成的核酸“語言”翻譯成由　　　　個“字母”組成的蛋白質“語言”，從整體來看　　　　　　在翻譯中充任著“譯員”。 （4）利用轉基因牛、羊乳汁提取藥物工藝簡單，甚至可直接飲用治病。如果將藥物蛋白基因移到動物如牛、羊的膀胱上皮細胞中，利用轉基因牛羊尿液生產提取藥物比乳汁提取藥物的更大優(yōu)越性在于：處于不同發(fā)育時期的　　　　　動物都可生產藥物。 人胰島細胞 大腸桿菌 胰島素 mRNA A ① 人胰島素 人胰島素 大量的A 重復進行 ③ ④ ② ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ B C D 14、下圖是利用基因工程技術生產人胰島素的操作過程示意圖，請據圖作答。 （1）能否利用人的皮膚細胞來完成①過程？ ，為什么？ 。 （2）過程②必需的酶是 酶，過程③必需的酶是 酶。 （3）與人體細胞中胰島素基因相比，通過②過程獲得的目的基因不含有非編碼區(qū)和 。 （4）若A中共有a個堿基對，其中鳥嘌呤有b個，則③④⑤過程連續(xù)進行4次，至少需要 提供胸腺嘧啶 個。 （5）在利用AB獲得C的過程中，必須用 切割A和B，使它們產 生 ，再加入 ，才可形成C。 （6）為使過程⑧更易進行，可用 （藥劑）處理D。 15、某科學家從細菌中分離出耐高溫淀粉酶(Amy)基因a，通過基因工程將a轉移到馬鈴薯植物中。經檢測，Amy在成熟塊莖細胞的細胞間隙中發(fā)現。請回答： (1)在基因工程中，a叫______________，提取它的一個必要步驟是__________________。它與基因運載工具_________結合前還必須經過的處理步驟是________________________。 (2)Amy在成熟塊莖細胞間隙中的發(fā)現，說明細菌的基因a已整合到上圖中的［ ］_________或［ ］_________結構中。 (3)合成Amy的過程分為轉錄和翻譯兩大步驟，Amy合成并分泌到細胞外，定位在細胞間隙中，參與該過程的細胞器有____________________________， (4)Amy的基本組成單位是_________，各組成單位間靠_________相連。 (5)以本圖比作馬鈴薯塊莖的缺陷細胞是該圖多畫了［ ］_________。 16.根據實驗原理和材料用具，設計實驗選擇運載體質粒，明確質粒的抗菌素基因所抗的抗菌素類別。 ①實驗原理：作為運載體的質粒，須有標記基因，這一標記基因是抗菌素抗性基因。故凡有抗菌素抗性的細菌，其質粒才可用作運載體。 ②材料用具：青霉素、四環(huán)素的10萬單位溶液、菌種試管、滅菌的含細菌培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿、酒精燈、接種環(huán)、一次性注射器、蒸餾水、恒溫箱。 ③方法步驟： 第一步：取三個含細菌培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿并標為1、2、3號，在酒精燈旁，用三支注射器，分別注入1mL蒸餾水、青霉素液、四環(huán)素液，并使之分布在整個培養(yǎng)基表面。 第二步：將接種環(huán)在酒精燈上灼燒，并在酒精燈火旁取菌種，對三個培養(yǎng)皿分別接種。 第三步：將接種后的三個培養(yǎng)皿放入37℃恒溫箱培養(yǎng)24h。 ④預期結果：_____________________________________________________________________ ________________________________________ ___________________________ ___________________________________________________________________ ______________________________________________________________ 17、限制性內切酶Ⅰ的識別序列和切點是—G↓GATCC—，限制性內切酶Ⅱ的識別序列和切點是—↓GATC—。在質粒上有酶Ⅰ的一個切點，在目的基因的兩側各有一個酶Ⅱ的切點。 （1）請畫出質粒被限制酶Ⅰ切割后所形成的黏性末端。 （2）請畫出目的基因兩側被限制酶Ⅱ切割后所形成的黏性末端。 （3）在DNA連接酶作用下，上述兩種不同限制酶切割后形成的黏性末端能否連接？為什么？ 答案 例1：1）脫氧核苷酸；逆轉錄酶 （2）半保留復制 （3）—T—A—G—G—T—C—C—A—G— —A—T—C—C—A—G—G—T—C— （4）質粒（或運載體、病毒）；限制性內切酶和DNA連接酶；（反義）RNA 例２、目的 四種脫氧核苷酸 限制性內切酶 黏性末端（2）豇豆細胞 水稻細胞（3）轉錄（4）讓多種害蟲吞食水稻葉片（５）目的明確，培育周期短。（６）可以讓人類獲得具有優(yōu)良品質的作物，如蛋白質含量更高、抗逆性更強；打破傳統(tǒng)育種界限，如植物表達微生物的抗蟲性狀。弊：轉基因農作物也可能變異成為對人類或環(huán)境有害的物種，如抗逆性極強的“超級雜草”；造成基因污染；影響食品安全。 例３、（1）細菌與棉花的DNA結構相同 （2）毒蛋白 遺傳密碼 相同 （3）DNA（基因）→RNA→蛋白質 （4）減少農藥對環(huán)境的污染，保護生態(tài)環(huán)境或生態(tài)平衡 （5）基因突變 選擇：1-10 DDCCB CAAAB 11．（1）胰島素 胰島B （2）B （3）①質粒 目的基因（或胰島素基因） 重組質粒 受體細胞（或大腸桿菌） ②人工合成 ③同一種限制性內切酶 黏性末端 DNA連接 12、（1）基因的運載體 DNA （2）限制性內切酶 DNA連接酶 （3） 轉錄 翻譯 （4） 氯化鈣 細菌細胞壁的通透性 13（1）蛋白質的合成（2）脫氧核苷酸 A與T G與C （3）轉錄 信使RNA 轉運RNA 核糖體 4 20 轉運RNA（4）雌雄 14．（1）不能， 皮膚細胞中的胰島素基因未表達（或未轉錄），不能形成胰島素mRNA 。 （2）逆轉錄 ， 解旋。 （3）內含子。 （4）15（a－b）。 （5）同一種限制性內切酶 ， 相同的黏性末端， DNA連接酶。（6）CaCl2 。 15 (1) 目的基因 用限制酶切出粘性末端 運載體 限制酶使質粒露出粘性末端 (2)⑤ 細胞核 ⑧ 線粒體 (3) ⑦⑥④⑧ 核糖體、內質網、高爾基體、線粒體 (4)氨基酸 肽鍵 (5)③ 葉綠體 16①1號培養(yǎng)皿細菌正常生長； ②2、3號培養(yǎng)皿中，僅2中細菌能存活，說明細菌有青霉素抗性基因，而沒有四環(huán)素抗性基因。 ③2、3號培養(yǎng)皿中，僅3中細菌能存活，說明細菌有四環(huán)素抗性基因，而沒有青霉素抗性基因。 ④2、3號培養(yǎng)皿中都有存活，說明該菌質粒上有兩種抗菌素的抗性基因。 ⑤2、3號培養(yǎng)皿中都不存活，說明該菌質粒上沒有這兩種抗菌素的抗性基因。 17、（1） （2） （3）可以連接。因為由兩種不同限制酶切割后形成的黏性末端是相同的（或是可以互補的）