江蘇省徐州市高考生物總復(fù)習(xí) 選考專題一 基因工程學(xué)案

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1、 專題一 基因工程 第1課時(shí) 基因工程概述和基因工程工具 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 基因工程的原理及技術(shù)： 簡(jiǎn)述基因工程的原理； 說(shuō)出DNA重組技術(shù)的基本工具及其作用、特點(diǎn)； 一、基因工程的誕生與發(fā)展 1.誕生 （1）理論支持：①艾弗里證明了DNA是遺傳物質(zhì)。②沃森與克里克闡明了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)。③尼倫貝格等破譯了遺傳密碼。 （2）技術(shù)支持：限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶、質(zhì)粒等載體和逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)，直接促使了基因工程的誕生。 （3）實(shí)例：1973年，美國(guó)科學(xué)家科恩等將不同來(lái)源的DNA分子進(jìn)行體外重組，并首次實(shí)現(xiàn)了重組DNA分子在大腸桿菌中的表達(dá)，標(biāo)志著定向改造生物的技術(shù)—基因工

2、程的誕生。 2.發(fā)展1978年，人胰島素在大腸桿菌中成功合成。1980，轉(zhuǎn)基因小鼠誕生。 二、基因工程的概念 按照人們的愿望，進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，并通過(guò)體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，賦予生物以新的遺傳特性，從而創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。由于基因工程在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的，因此又叫做重組DNA技術(shù)或轉(zhuǎn)基因技術(shù)。 是一種定向改造生物的技術(shù)，其原理為基因重組，會(huì)使生物產(chǎn)生定向的變異。 三、基因工程的工具 1．限制性核酸內(nèi)切酶----“分子手術(shù)刀” （1）簡(jiǎn)稱：限制酶。 （2）來(lái)源：主要從原核生物中分離純化出來(lái)。在原核生物中可以切斷外來(lái)的DNA，使異源DN

3、A的失去活力，這樣便保護(hù)了細(xì)胞原有的遺傳信息。限制酶不切割自身DNA的原因：原核生物鐘不存在該酶的識(shí)別序列或識(shí)別序列已經(jīng)被修飾。 （3）特點(diǎn)：識(shí)別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開(kāi)。 注意：①限制酶是蛋白質(zhì)類的酶，具有高效性、特異性、易變性（反應(yīng)條件溫和性）等酶的特性。②限制酶的作用對(duì)象是DNA，不是RNA。③限制酶識(shí)別的核苷酸序列越短，目標(biāo)DNA被切割的概率越大。④限制酶識(shí)別的核苷酸序列是個(gè)回文序列（回文結(jié)構(gòu)序列是一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在軸兩側(cè)序列相同而反向。其特點(diǎn)是在該段堿基序列互補(bǔ)鏈之間正讀反讀都相同）。 （4）結(jié)果：產(chǎn)生黏性末

4、端或平末端 11 2．DNA連接酶----“分子縫合針” 恢復(fù)被限制酶切開(kāi)的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵。DNA連接酶連接的是兩個(gè)DNA片段。 小結(jié)：幾種酶的比較辨析 比較項(xiàng)目 限制酶 DNA連接酶 DNA聚合酶 解旋酶 作用底物 DNA分子 DNA分子片段 脫氧核苷酸 DNA分子 作用部位 磷酸二酯鍵 磷酸二酯鍵 磷酸二酯鍵 堿基對(duì)間的氫鍵 形成產(chǎn)物 黏性末端或平末端 形成重組DNA分子 新的DNA分子 形成單鏈DNA 3.載體——“分子運(yùn)輸車” （1）作用：①作為運(yùn)載工具，將目的基因轉(zhuǎn)移到宿主細(xì)胞內(nèi)。②利用它在宿主細(xì)胞內(nèi)

5、對(duì)目的基因進(jìn)行大量復(fù)制。 （2）必備條件：①能在宿主細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定保存并大量復(fù)制。②有多鐘限制酶的切點(diǎn)，以便與外源基因連接。③具有特殊的標(biāo)記基因，以便進(jìn)行篩選。如四環(huán)素抗性基因，氨芐青霉素抗性基因等。 （3）種類：通常利用質(zhì)粒作為載體，另外還有λ噬菌體的衍生物、某些動(dòng)植物病毒等。一般來(lái)說(shuō)，載體需根據(jù)人們的目的和需要進(jìn)行人工改造。 補(bǔ)充：質(zhì)粒的知識(shí) 一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、獨(dú)立于細(xì)菌擬核DNA之外，能夠自我復(fù)制的小型環(huán)狀DNA分子（細(xì)菌擬核中的DNA是大型環(huán)狀DNA）。 第2課時(shí) 基因工程的基本操作程序 學(xué)習(xí)目標(biāo)：簡(jiǎn)述基因工程基本操作程序

6、，以及各步驟的一般方法、原理； 模擬重組DNA分子的操作過(guò)程 基因工程的基本操作程序： 1．目的基因的獲取 （1）目的基因：編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因。 補(bǔ)充：基因的結(jié)構(gòu) ①原核生物的基因（如右圖所示） 原核生物基因的編碼區(qū)是連續(xù)的；在非編碼區(qū)的上游，有RNA聚合酶能識(shí)別開(kāi)始轉(zhuǎn)錄的部位即啟動(dòng)子；在非編碼區(qū)的下游有結(jié)束轉(zhuǎn)錄的部位即終止子。注意：?jiǎn)?dòng)子與起始密碼，終止子與終止密碼的區(qū)別。啟動(dòng)子在基因（DNA）上，是啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，而起始密碼是在mRNA上，是啟動(dòng)翻譯。終止子在基因（DNA）上，是終止轉(zhuǎn)錄，而終止密碼是在mRNA上，是終止翻譯。 ②真核生物的基因（如右圖所示） 相比原核生物，真

7、核生物的編碼區(qū)是不連續(xù)的，有外顯子和內(nèi)含子相間排列。 注意：a.外顯子：是真核細(xì)胞的基因在表達(dá)過(guò)程中能編碼蛋白質(zhì)的核苷酸序列。 內(nèi)含子：是在轉(zhuǎn)錄后的加工中，從最初的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中被除去的核苷酸序列（即不編碼蛋白質(zhì)的核苷酸序列）。b.編碼區(qū)的兩側(cè)靠近非編碼區(qū)的部位始終是外顯子。 （2）獲取目的基因的方法 ①?gòu)幕蛭膸?kù)中獲取 a.概念：將含有某種生物不同基因的許多DNA片段，導(dǎo)入受體菌的群體中儲(chǔ)存，各個(gè)受體菌分別含有這種生物的不同的基因。 b.分類：基因組文庫(kù)（包含有一種生物所有的基因）和部分基因文庫(kù)（只包含了一種生物的一部分基因，如cDNA文庫(kù)） c.從基因文庫(kù)中獲取目的基因方法：根據(jù)

8、基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色體上的位置、基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA，以及基因的表達(dá)產(chǎn)物蛋白質(zhì)等。 ②用化學(xué)方法人工合成 a.反轉(zhuǎn)錄法。以目的基因轉(zhuǎn)錄成的mRNA為模板，在逆轉(zhuǎn)錄酶作用下，反轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)的單鏈DNA（cDNA），然后在酶的作用下合成雙鏈DNA，從而獲取所需的基因。 優(yōu)點(diǎn)：該方法專一性強(qiáng)，目的基因不含內(nèi)含子，可合成自然界不存在的新基因。 缺點(diǎn)：操作復(fù)雜，形成的mRNA為單鏈，生存時(shí)間短，很不穩(wěn)定，要求的技術(shù)條件也較高。 b.化學(xué)合成法。利用DNA合成儀，合成已知序列的較短的核苷酸序列。 ③利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因 a.PCR全稱：聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 b.原理：

9、DNA雙鏈復(fù)制 c.過(guò)程：變性→退火（復(fù)性）→鏈延伸 第一步：變性。加熱至90～95℃DNA解鏈。 第二步：退火（復(fù)性）。冷卻到55～60℃，引物結(jié)合到互補(bǔ)DNA鏈。 第三步：鏈延伸。加熱至70～75℃，熱穩(wěn)定DNA聚合酶從引物起始互補(bǔ)鏈的合成。 d.條件：模板（目的基因）、原料（4種游離的脫氧核苷酸）、酶（TaqDNA聚合酶），引物。 注意：α.TaqDNA聚合酶的特點(diǎn)是耐高溫。 β.加入兩種引物；這兩種引物彼此間不能發(fā)生堿基互補(bǔ)配對(duì)，且自身也不能通過(guò)折疊發(fā)生堿基互補(bǔ)配對(duì)；加入的引物可以是一小段單鏈DNA或RNA，常用DNA；加入引物的數(shù)量為m(2+22+23+…+2n）其中m

10、為起始DNA的個(gè)數(shù)，n為循環(huán)的次數(shù)）。 2．基因表達(dá)載體的構(gòu)建 ---- 是基因工程的核心 （1）目的：使目的基因在受體細(xì)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(dá)和發(fā)揮作用。 （2）組成：目的基因＋啟動(dòng)子＋終止子＋標(biāo)記基因（如抗生素基因）+復(fù)制原點(diǎn) ①啟動(dòng)子：是一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位，能驅(qū)動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，最終獲得所需的蛋白質(zhì)。 ②終止子：也是一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段 ，位于基因的尾端。 ③標(biāo)記基因的作用：為了鑒定和篩選出含目的基因的受體細(xì)胞。常用的標(biāo)記基因是抗生素基因。 （3）過(guò)程 注意：①用同種限制

11、酶分別切割載體和外源DNA的目的：使二者切割后形成的黏性末端可以堿基互補(bǔ)配對(duì)，以便于連接。②帶有黏性末端切口的載體，與帶有相同黏性末端的目的基因片段用DNA連接酶連接后，形成的DNA種類（只考慮兩兩連接）：3種，即目的基因--目的基因；載體--載體；基因表達(dá)載體。③用相兩種限制酶分別切割載體和外源DNA（如上圖）的目的：防止目的基因和載體的自身環(huán)化。 3．將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 生物種類 植物細(xì)胞 動(dòng)物細(xì)胞 微生物細(xì)胞 常用方法 農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法（最常用） 顯微注射技術(shù) Ca2＋處理法 受體細(xì)胞 體細(xì)胞或受精卵 受精卵 原核細(xì)胞 轉(zhuǎn)化過(guò)程 將目的基因插入農(nóng)桿菌Ti質(zhì)

12、粒的T—DNA上→農(nóng)桿菌侵染植物細(xì)胞→整合到受體細(xì)胞的染色體DNA上→表達(dá) 將含有目的基因的基因表達(dá)載體提純→取受精卵→顯微注射→受精卵發(fā)育→獲得具有新性狀的動(dòng)物 Ca2＋處理細(xì)胞→微生物細(xì) 胞壁的通透性增加→重組 質(zhì)粒與感受態(tài)細(xì)胞混合→ 感受態(tài)細(xì)胞吸收DNA分子 注意：①目的基因能在植物細(xì)胞穩(wěn)定存在依據(jù)：目的基因整合到植物細(xì)胞染色體DNA上。 ②對(duì)于植物，導(dǎo)入方法還有基因槍法（成本較高，單子葉植物常用）和花粉管通道法（我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的一種十分經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方法）。③原核生物具有獨(dú)特的特點(diǎn)：繁殖快、多為單細(xì)胞、遺傳物質(zhì)相對(duì)較少等。 4．目的基因的檢測(cè)與鑒定 目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞后，是否

13、可以穩(wěn)定維持和表達(dá)其遺傳特性，只有通過(guò)檢測(cè)與鑒定才能知道，這是檢查基因工程是否做成功的一步。 （1）分子水平檢測(cè) ①檢測(cè)生物染色體的DNA上是否插入了目的基因：DNA分子雜交技術(shù)。 即將轉(zhuǎn)基因生物的基因組DNA提取出來(lái)，在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素等作標(biāo)記，以此作探針，使探針與基因組DNA雜交，如果顯示出雜交帶，表明目的基因已插入染色體DNA中。 ②檢測(cè)目的基因是否轉(zhuǎn)錄出mRNA：分子雜交技術(shù)。 從生物中提取mRNA，用標(biāo)記的目的基因作探針，與mRNA雜交，若顯示出雜交帶，則說(shuō)明目的基因轉(zhuǎn)錄出了mRNA。 ③檢測(cè)目的基因是否翻譯：抗原—抗體雜交。 從轉(zhuǎn)基因生物中提取

14、蛋白質(zhì)，用相應(yīng)的抗體進(jìn)行抗原——抗體雜交，若有雜交帶出現(xiàn)，表明目的基因已形成蛋白質(zhì)產(chǎn)品。 （2）個(gè)體水平檢測(cè) 對(duì)轉(zhuǎn)基因生物進(jìn)行抗蟲或抗病的接種實(shí)驗(yàn)，以確定是否具有抗性以及抗性的程度。例如，對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉進(jìn)行個(gè)體檢測(cè)方法：讓害蟲吞食轉(zhuǎn)基因棉花的葉片，觀察害蟲的存活情況，以確定其是否具有抗蟲性狀。 第3課時(shí) 基因工程的應(yīng)用 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 說(shuō)出基因工程的應(yīng)用： 舉例說(shuō)出基因工程在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等方面的廣泛應(yīng)用及其發(fā)展前景； 關(guān)注基因工程的發(fā)展，認(rèn)同基因工程的應(yīng)用促進(jìn)了生產(chǎn)力的提高

15、 1.植物基因工程的應(yīng)用 植物基因工程技術(shù)主要用于提高農(nóng)作物的抗逆能力（如抗除草劑、抗蟲、抗病、抗干旱和抗鹽堿等）以及改良農(nóng)作物的品質(zhì)和利用植物生產(chǎn)藥物等方面。 （1）提高抗逆性 ①常用抗蟲基因：用于抗蟲（殺蟲）的基因主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因、淀粉酶抑制劑基因、植物凝集素基因等。 ②常用抗病基因：a.抗病毒基因有：病毒外殼蛋白基因和病毒的復(fù)制酶基因；b.抗真菌基因有：幾丁質(zhì)酶基因和抗毒素合成基因 ③其他抗逆基因：環(huán)境條件對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)會(huì)造成很大影響，并且這些影響是多方面的，因此，抗逆性基因也有多種多樣，如：抗鹽堿和干旱的調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓基因、抗凍基因、抗除草劑基因等

16、等。 （2）改良植物品質(zhì) 由于人們的食品含有的營(yíng)養(yǎng)不平衡，不能滿足人們對(duì)食品的要求，這樣，可以通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，使植物能夠合成某些本來(lái)不能合成的物質(zhì)。如科學(xué)家將必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫参镏校蛘吒淖冞@些氨基酸合成途徑中某種關(guān)鍵酶的活性，以提高氨基酸的含量。 （3）生產(chǎn)藥物 基因工程不但促進(jìn)了傳統(tǒng)技術(shù)的變革，也為人類提供了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)難以得到的許多昂貴藥品，并已形成基因工程制藥業(yè)的雛形。目前諸如人胰島素、人生長(zhǎng)激素、人腦激素、α－干擾素、乙肝疫苗、蛋白C、組織血纖維蛋白溶酶原激活劑等數(shù)十種基因工程藥物已實(shí)現(xiàn)商品化。此外，還有促紅細(xì)胞生成素、白細(xì)胞介素－2、腎素、心鈉素等一大批珍貴

17、藥品正處于試用或臨床試驗(yàn)階段。 2.動(dòng)物基因工程的應(yīng)用 （1）用于提高動(dòng)物生長(zhǎng)速度：由于外援生長(zhǎng)激素基因的表達(dá)可以使轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生長(zhǎng)得更快，將這類基因?qū)雱?dòng)物體內(nèi)，以提高動(dòng)物的生長(zhǎng)速率。如：轉(zhuǎn)基因綿羊和轉(zhuǎn)基因鯉魚。 （2）用于改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)：基因工程可用于改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)。如：有些人對(duì)牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后會(huì)出現(xiàn)過(guò)敏、腹瀉、惡心等不適癥狀，科學(xué)家將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M，這樣所獲得的牛奶其成分不受影響，但乳糖的含量大大減低。 （3）用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物做器官移植的供體：目前，人體移植器官短缺是一個(gè)世界性的難題，用其它動(dòng)物的器官替代，又會(huì)出現(xiàn)免疫排斥現(xiàn)象，現(xiàn)在，科學(xué)家正試圖利用基因

18、工程方法對(duì)一些動(dòng)物的器官進(jìn)行改造，培育出沒(méi)有免疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因克隆器官。 3.基因治療 （1）概念：基因治療是把正常基因?qū)氩∪梭w內(nèi)，使該基因的表達(dá)產(chǎn)物發(fā)揮功能，從而達(dá)到治療疾病的目的，這是治療遺傳病的最有效的手段。 （2）方法 ①體外基因治療 先從病人體內(nèi)獲得某種相關(guān)細(xì)胞，進(jìn)行培養(yǎng)，然后在體外完成基因轉(zhuǎn)移，再篩選成功轉(zhuǎn)移的細(xì)胞擴(kuò)增培養(yǎng)，最后重新輸入患者體內(nèi)，這種方法叫做體外基因治療。 ②體內(nèi)基因治療 直接向人體組織細(xì)胞中轉(zhuǎn)移基因的治療方法叫做體內(nèi)基因治療。 說(shuō)明：對(duì)于遺傳病的治療最根本的方法是進(jìn)行基因替換或修復(fù)?；蛑委煹淖罴褧r(shí)期理論上是受精卵時(shí)期，這樣可以使個(gè)體的每個(gè)細(xì)胞

19、都含有正?；?，但在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的，因?yàn)椴豢赡苋巳嗽谑芫褧r(shí)期進(jìn)行基因檢查。其次是對(duì)患者進(jìn)行相關(guān)細(xì)胞的基因替換，如：對(duì)于遺傳性糖尿病患者，只對(duì)胰腺的B細(xì)胞進(jìn)行基因替換，該個(gè)體就能正常分泌胰島素，糖尿病得以治療；但這種局部細(xì)胞的基因替換，并沒(méi)有改變其它部位細(xì)胞的基因，如精原細(xì)胞，其后代很大可能還會(huì)患遺傳性糖尿病。 第4課時(shí) 蛋白質(zhì)工程 -- 第二代基因工程 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 蛋白質(zhì)工程： 舉例說(shuō)出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由； 簡(jiǎn)述蛋白質(zhì)工程的原理；收集和處理資料，嘗試撰寫專題綜述報(bào)告 1.蛋白質(zhì)工程的概念 通過(guò)物理化學(xué)與生物化學(xué)等技術(shù)了解蛋

20、白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，并借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、基因定點(diǎn)誘變和重組DNA技術(shù)改造基因，以定向改造天然蛋白質(zhì)，甚至創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)的技術(shù)。屬于分子水平上的改造。 2．崛起的緣由 生物的長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的天然蛋白質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。 3.實(shí)施蛋白質(zhì)工程的前提 是了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。 4．目標(biāo) 根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。由于蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，人們無(wú)法直接改造蛋白質(zhì)，一般先通過(guò)創(chuàng)造出適合人類需求的新基因，然后使其表達(dá)出具有特定結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)。其中關(guān)鍵技術(shù)是基因工程，因此，蛋白

21、質(zhì)工程又被稱為第二代基因工程。 5.分類 （1）大改：設(shè)計(jì)并制造出自然界不存在的全新蛋白質(zhì)。 （2）中改：在蛋白質(zhì)中替代某一肽段或一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)域。 （3）小改：改造蛋白質(zhì)分子中某活性部位的一個(gè)或幾個(gè)氨基酸殘基。其中基因的定點(diǎn)誘變技術(shù)是改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)之一?；蚨c(diǎn)誘變技術(shù)的方法很多，其中PCR技術(shù)是常用方法。 6．操作過(guò)程 預(yù)期蛋白質(zhì)的功能→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因） 注意：由蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)功能可推測(cè)出許多基因，原因是：編碼氨基酸的密碼子的簡(jiǎn)并性。 7.實(shí)例 蛋白質(zhì)工程是是項(xiàng)難度很大的工程，成功的例子不多，已成功的有：①通過(guò)對(duì)胰島素的改造，使其成為速效型藥品。②生產(chǎn)鼠-人嵌合抗體，既可殺傷癌細(xì)胞，又可減少人體的不良反應(yīng)。③通過(guò)改造纖維蛋白溶解酶原激活因子（t-PA），使t-PA在血液循環(huán)中的停留時(shí)間延長(zhǎng)，從而更好的用于溶解血栓塊，醫(yī)治心肌梗死等疾病。④通過(guò)將酶肽鏈中的天門冬酰胺和谷氨酰胺轉(zhuǎn)變?yōu)樘K氨酸和異亮氨酸，從而提高酶的熱穩(wěn)定性。