江蘇省徐州市高考生物總復習 選考專題一 基因工程學案

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1、 專題一 基因工程 第1課時 基因工程概述和基因工程工具 學習目標： 基因工程的原理及技術： 簡述基因工程的原理； 說出DNA重組技術的基本工具及其作用、特點； 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。②沃森與克里克闡明了DNA分子的雙螺旋結構。③尼倫貝格等破譯了遺傳密碼。 （2）技術支持：限制性核酸內切酶和DNA連接酶、質粒等載體和逆轉錄酶的發(fā)現(xiàn)，直接促使了基因工程的誕生。 （3）實例：1973年，美國科學家科恩等將不同來源的DNA分子進行體外重組，并首次實現(xiàn)了重組DNA分子在大腸桿菌中的表達，標志著定向改造生物的技術—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，轉基因小鼠誕生。 二、基因工程的概念 按照人們的愿望，進行嚴格的設計，并通過體外DNA重組和轉基因等技術，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品。由于基因工程在DNA分子水平上進行設計和施工的，因此又叫做重組DNA技術或轉基因技術。 是一種定向改造生物的技術，其原理為基因重組，會使生物產生定向的變異。 三、基因工程的工具 1．限制性核酸內切酶----“分子手術刀” （1）簡稱：限制酶。 （2）來源：主要從原核生物中分離純化出來。在原核生物中可以切斷外來的DNA，使異源DN

3、A的失去活力，這樣便保護了細胞原有的遺傳信息。限制酶不切割自身DNA的原因：原核生物鐘不存在該酶的識別序列或識別序列已經被修飾。 （3）特點：識別雙鏈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核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開。 注意：①限制酶是蛋白質類的酶，具有高效性、特異性、易變性（反應條件溫和性）等酶的特性。②限制酶的作用對象是DNA，不是RNA。③限制酶識別的核苷酸序列越短，目標DNA被切割的概率越大。④限制酶識別的核苷酸序列是個回文序列（回文結構序列是一種旋轉對稱結構，在軸兩側序列相同而反向。其特點是在該段堿基序列互補鏈之間正讀反讀都相同）。 （4）結果：產生黏性末

4、端或平末端 11 2．DNA連接酶----“分子縫合針” 恢復被限制酶切開的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵。DNA連接酶連接的是兩個DNA片段。 小結：幾種酶的比較辨析 比較項目 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 堿基對間的氫鍵 形成產物 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——“分子運輸車” （1）作用：①作為運載工具，將目的基因轉移到宿主細胞內。②利用它在宿主細胞內

5、對目的基因進行大量復制。 （2）必備條件：①能在宿主細胞內穩(wěn)定保存并大量復制。②有多鐘限制酶的切點，以便與外源基因連接。③具有特殊的標記基因，以便進行篩選。如四環(huán)素抗性基因，氨芐青霉素抗性基因等。 （3）種類：通常利用質粒作為載體，另外還有λ噬菌體的衍生物、某些動植物病毒等。一般來說，載體需根據(jù)人們的目的和需要進行人工改造。 補充：質粒的知識 一種裸露的、結構簡單、獨立于細菌擬核DNA之外，能夠自我復制的小型環(huán)狀DNA分子（細菌擬核中的DNA是大型環(huán)狀DNA）。 第2課時 基因工程的基本操作程序 學習目標：簡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：編碼蛋白質的結構基因。 補充：基因的結構 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聚合酶能識別開始轉錄的部位即啟動子；在非編碼區(qū)的下游有結束轉錄的部位即終止子。注意：啟動子與起始密碼，終止子與終止密碼的區(qū)別。啟動子在基因（DNA）上，是啟動轉錄，而起始密碼是在mRNA上，是啟動翻譯。終止子在基因（DNA）上，是終止轉錄，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，有外顯子和內含子相間排列。 注意：a.外顯子：是真核細胞的基因在表達過程中能編碼蛋白質的核苷酸序列。 內含子：是在轉錄后的加工中，從最初的轉錄產物中被除去的核苷酸序列（即不編碼蛋白質的核苷酸序列）。b.編碼區(qū)的兩側靠近非編碼區(qū)的部位始終是外顯子。 （2）獲取目的基因的方法 ①從基因文庫中獲取 a.概念：將含有某種生物不同基因的許多DNA片段，導入受體菌的群體中儲存，各個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（包含有一種生物所有的基因）和部分基因文庫（只包含了一種生物的一部分基因，如cDNA文庫） c.從基因文庫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、基因的轉錄產物mRNA，以及基因的表達產物蛋白質等。 ②用化學方法人工合成 a.反轉錄法。以目的基因轉錄成的mRNA為模板，在逆轉錄酶作用下，反轉錄成互補的單鏈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：該方法專一性強，目的基因不含內含子，可合成自然界不存在的新基因。 缺點：操作復雜，形成的mRNA為單鏈，生存時間短，很不穩(wěn)定，要求的技術條件也較高。 b.化學合成法。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技術擴增目的基因 a.PCR全稱：聚合酶鏈式反應。 b.原理：

9、DNA雙鏈復制 c.過程：變性→退火（復性）→鏈延伸 第一步：變性。加熱至90～95℃DNA解鏈。 第二步：退火（復性）。冷卻到55～60℃，引物結合到互補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)生堿基互補配對，且自身也不能通過折疊發(fā)生堿基互補配對；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的個數(shù)，n為循環(huán)的次數(shù)）。 2．基因表達載體的構建 ---- 是基因工程的核心 （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＋啟動子＋終止子＋標記基因（如抗生素基因）+復制原點 ①啟動子：是一段有特殊結構的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶識別和結合的部位，能驅動基因轉錄出mRNA，最終獲得所需的蛋白質。 ②終止子：也是一段有特殊結構的DNA片段 ，位于基因的尾端。 ③標記基因的作用：為了鑒定和篩選出含目的基因的受體細胞。常用的標記基因是抗生素基因。 （3）過程 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配對，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．將目的基因導入受體細胞 生物種類 植物細胞 動物細胞 微生物細胞 常用方法 農桿菌轉化法（最常用） 顯微注射技術 Ca2＋處理法 受體細胞 體細胞或受精卵 受精卵 原核細胞 轉化過程 將目的基因插入農桿菌Ti質

12、粒的T—DNA上→農桿菌侵染植物細胞→整合到受體細胞的染色體DNA上→表達 將含有目的基因的基因表達載體提純→取受精卵→顯微注射→受精卵發(fā)育→獲得具有新性狀的動物 Ca2＋處理細胞→微生物細 胞壁的通透性增加→重組 質粒與感受態(tài)細胞混合→ 感受態(tài)細胞吸收DNA分子 注意：①目的基因能在植物細胞穩(wěn)定存在依據(jù)：目的基因整合到植物細胞染色體DNA上。 ②對于植物，導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（我國獨創(chuàng)的一種十分經濟簡便的方法）。③原核生物具有獨特的特點：繁殖快、多為單細胞、遺傳物質相對較少等。 4．目的基因的檢測與鑒定 目的基因導入受體細胞后，是否

13、可以穩(wěn)定維持和表達其遺傳特性，只有通過檢測與鑒定才能知道，這是檢查基因工程是否做成功的一步。 （1）分子水平檢測 ①檢測生物染色體的DNA上是否插入了目的基因：DNA分子雜交技術。 即將轉基因生物的基因組DNA提取出來，在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素等作標記，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檢測目的基因是否轉錄出mRNA：分子雜交技術。 從生物中提取mRNA，用標記的目的基因作探針，與mRNA雜交，若顯示出雜交帶，則說明目的基因轉錄出了mRNA。 ③檢測目的基因是否翻譯：抗原—抗體雜交。 從轉基因生物中提取

14、蛋白質，用相應的抗體進行抗原——抗體雜交，若有雜交帶出現(xiàn)，表明目的基因已形成蛋白質產品。 （2）個體水平檢測 對轉基因生物進行抗蟲或抗病的接種實驗，以確定是否具有抗性以及抗性的程度。例如，對轉基因抗蟲棉進行個體檢測方法：讓害蟲吞食轉基因棉花的葉片，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 基因工程的應用 學習目標： 說出基因工程的應用： 舉例說出基因工程在農業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境保護等方面的廣泛應用及其發(fā)展前景； 關注基因工程的發(fā)展，認同基因工程的應用促進了生產力的提高

15、 1.植物基因工程的應用 植物基因工程技術主要用于提高農作物的抗逆能力（如抗除草劑、抗蟲、抗病、抗干旱和抗鹽堿等）以及改良農作物的品質和利用植物生產藥物等方面。 （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制酶基因；b.抗真菌基因有：幾丁質酶基因和抗毒素合成基因 ③其他抗逆基因：環(huán)境條件對農作物的生產會造成很大影響，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：抗鹽堿和干旱的調節(jié)細胞滲透壓基因、抗凍基因、抗除草劑基因等

16、等。 （2）改良植物品質 由于人們的食品含有的營養(yǎng)不平衡，不能滿足人們對食品的要求，這樣，可以通過轉基因技術，使植物能夠合成某些本來不能合成的物質。如科學家將必需氨基酸含量多的蛋白質編碼基因導入植物中，或者改變這些氨基酸合成途徑中某種關鍵酶的活性，以提高氨基酸的含量。 （3）生產藥物 基因工程不但促進了傳統(tǒng)技術的變革，也為人類提供了傳統(tǒng)產業(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現(xiàn)商品化。此外，還有促紅細胞生成素、白細胞介素－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階段。 2.動物基因工程的應用 （1）用于提高動物生長速度：由于外援生長激素基因的表達可以使轉基因動物生長得更快，將這類基因導入動物體內，以提高動物的生長速率。如：轉基因綿羊和轉基因鯉魚。 （2）用于改善畜產品的品質：基因工程可用于改善畜產品的品質。如：有些人對牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后會出現(xiàn)過敏、腹瀉、惡心等不適癥狀，科學家將腸乳糖酶基因導入奶?；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）用轉基因動物做器官移植的供體：目前，人體移植器官短缺是一個世界性的難題，用其它動物的器官替代，又會出現(xiàn)免疫排斥現(xiàn)象，現(xiàn)在，科學家正試圖利用基因

18、工程方法對一些動物的器官進行改造，培育出沒有免疫排斥反應的轉基因克隆器官。 3.基因治療 （1）概念：基因治療是把正?；驅氩∪梭w內，使該基因的表達產物發(fā)揮功能，從而達到治療疾病的目的，這是治療遺傳病的最有效的手段。 （2）方法 ①體外基因治療 先從病人體內獲得某種相關細胞，進行培養(yǎng)，然后在體外完成基因轉移，再篩選成功轉移的細胞擴增培養(yǎng)，最后重新輸入患者體內，這種方法叫做體外基因治療。 ②體內基因治療 直接向人體組織細胞中轉移基因的治療方法叫做體內基因治療。 說明：對于遺傳病的治療最根本的方法是進行基因替換或修復?；蛑委煹淖罴褧r期理論上是受精卵時期，這樣可以使個體的每個細胞

19、都含有正?；颍诂F(xiàn)實生活中是不可能的，因為不可能人人在受精卵時期進行基因檢查。其次是對患者進行相關細胞的基因替換，如：對于遺傳性糖尿病患者，只對胰腺的B細胞進行基因替換，該個體就能正常分泌胰島素，糖尿病得以治療；但這種局部細胞的基因替換，并沒有改變其它部位細胞的基因，如精原細胞，其后代很大可能還會患遺傳性糖尿病。 第4課時 蛋白質工程 -- 第二代基因工程 學習目標： 蛋白質工程： 舉例說出蛋白質工程崛起的緣由； 簡述蛋白質工程的原理；收集和處理資料，嘗試撰寫專題綜述報告 1.蛋白質工程的概念 通過物理化學與生物化學等技術了解蛋

20、白質的結構與功能，并借助計算機輔助設計、基因定點誘變和重組DNA技術改造基因，以定向改造天然蛋白質，甚至創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質的技術。屬于分子水平上的改造。 2．崛起的緣由 生物的長期進化過程中形成的天然蛋白質、結構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和生活的需要。 3.實施蛋白質工程的前提 是了解蛋白質的結構和功能的關系。 4．目標 根據(jù)人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行分子設計。由于蛋白質的空間結構極其復雜，人們無法直接改造蛋白質，一般先通過創(chuàng)造出適合人類需求的新基因，然后使其表達出具有特定結構和功能的蛋白質。其中關鍵技術是基因工程，因此，蛋白

21、質工程又被稱為第二代基因工程。 5.分類 （1）大改：設計并制造出自然界不存在的全新蛋白質。 （2）中改：在蛋白質中替代某一肽段或一個特定的結構域。 （3）小改：改造蛋白質分子中某活性部位的一個或幾個氨基酸殘基。其中基因的定點誘變技術是改變蛋白質結構的核心技術之一。基因定點誘變技術的方法很多，其中PCR技術是常用方法。 6．操作過程 預期蛋白質的功能→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（基因） 注意：由蛋白質的結構功能可推測出許多基因，原因是：編碼氨基酸的密碼子的簡并性。 7.實例 蛋白質工程是是項難度很大的工程，成功的例子不多，已成功的有：①通過對胰島素的改造，使其成為速效型藥品。②生產鼠-人嵌合抗體，既可殺傷癌細胞，又可減少人體的不良反應。③通過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)中的停留時間延長，從而更好的用于溶解血栓塊，醫(yī)治心肌梗死等疾病。④通過將酶肽鏈中的天門冬酰胺和谷氨酰胺轉變?yōu)樘K氨酸和異亮氨酸，從而提高酶的熱穩(wěn)定性。