2020版高考生物一轮复习第1讲基因工程教学案苏教版选修.pdf
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1、 第 1 讲 基因工程 第 1 讲 基因工程 考纲展示 1.基因工程的诞生() 2.基因工程的原理及技术(含 PCR 技术)() 3. 基因工程的应用() 4.蛋白质工程() 考点一| 基因工程的基本工具 1基因工程的概念 (1)概念:是指在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法,对生物的基因进行改造和重 新组合,然后导入受体细胞,并使重组基因在受体细胞中表达,产生人类需要的基因产物的 技术。 (2)遗传原理:基因重组。 (3)优点 与杂交育种相比:克服了远缘杂交不亲和的障碍。 与诱变育种相比:定向改造生物的遗传性状。 2基因工程的基本工具 (1)限制性核酸内切酶(简称限制酶)。 来源:主要来自
2、原核生物。 特点:具有专一性,表现在两个方面: 识别双链 DNA 分子的某种特定核苷酸序列。 切割特定核苷酸序列中的特定位点。 作用:断裂特定的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。 结果:产生黏性末端或平末端。 (2)DNA 连接酶 种类Ecoli_DNA 连接酶T4DNA 连接酶 来源大肠杆菌T4噬菌体 特点缝合黏性末端缝合黏性末端和平末端 作用缝合双链 DNA 片段,恢复两个核苷酸之间的磷酸二酯键 (3)载体 种类:质粒、 噬菌体的衍生物、动植物病毒等。 质粒的特点 能自我复制 有一个至多个限制酶的切割位点 有特殊的标记基因) 作用:携带外源 DNA 片段进入受体细胞。 思考回答 1原核生物中限制
3、酶为什么不切割自身的 DNA? 提示:原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已被修饰等。 2图甲表示EcoR 限制酶及 DNA 连接酶的作用示意图,图乙表示Sma 限制酶的作用 示意图。请据图回答问题: (1)请写出EcoR 限制酶和Sma限制酶识别的碱基序列以及切割位点。 提示:EcoR 限制酶识别的碱基序列是 GAATTC,切割位点在 G 和 A 之间;Sma 限制酶 识别的碱基序列是 CCCGGG,切割位点在 G 和 C 之间。 (2)限制酶和 DNA 连接酶的作用部位相同吗?DNA 连接酶起作用时,是否需要模板? 提示:相同,都是磷酸二酯键。不需要模板。 1基因工程技术使用限制酶需注
4、意的四个问题 (1)获取目的基因和切割载体时,经常使用同一种限制酶(也可使用能切出相同末端的不 同限制酶),目的是产生相同的黏性末端或平末端。 (2)获取一个目的基因需限制酶切割两次,共产生 4 个黏性末端或平末端。 (3)限制酶切割位点的选择,必须保证标记基因的完整性,以便于检测。 (4)为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接,也可使用不同的限制酶切割目的基因 和质粒。 2限制酶和 DNA 连接酶的关系 (1)限制酶和 DNA 连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。 (2)限制酶不切割自身 DNA 的原因是原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被 修饰。 (3)DNA 连接酶起作用时,不需
5、要模板。 3载体 (1)条件与目的 条件目的 稳定并能复制目的基因稳定存在且数量可扩大 有一个至多个限制酶切 割位点 可携带多个或多种外源基因 具有特殊的标记基因便于重组 DNA 的鉴定和选择 (2)作用 作为运载工具,将目的基因转移到宿主细胞内。 利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。 考法 1 考查限制酶、DNA 连接酶等酶的作用 解题指导 确定选择限制酶种类的方法 1根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类 (1)应选择切点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择Pst。 (2)不能选择切点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择Sma。 (3)为避免目的基因和质粒的自身环化和随意
6、连接,也可使用不同的限制酶切割目的基因 和质粒, 如图甲也可选择用Pst和EcoR两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切点)。 2根据质粒的特点确定限制酶的种类 (1)所选限制酶要与切割目的基因的限制酶相一致,以确保具有相同的黏性末端。 (2)质粒作为载体必须具备标记基因等,所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构,如 图乙中限制酶Sma会破坏标记基因;如果所选酶的切点不止一个,则切割重组后可能丢失某 些片段,若丢失的片段含复制起点区,则切割重组后的片段进入受体细胞后不能自主复制。 1 (2016全国卷)图(a)中的三个 DNA 片段上依次表示出了EcoR 、BamH 和 Sau3A 三种限
7、制性内切酶的识别序列与切割位点,图(b)为某种表达载体的示意图(载体上 的EcoR、Sau3A的切点是唯一的)。 图(a) 图(b) 根据基因工程的有关知识,回答下列问题: (1)经BamH 酶切后得到的目的基因可以与上述表达载体被_酶切后的产物连接, 理由是 _ _。 (2)若某人利用图(b)所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组子,如 图(c)所示。这三种重组子中,不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有_,不能表达 的原因是 _ _。 图(c) (3)DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来的酶, 常见的有_和_, 其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是_。 解析:(1)由题图可
8、知,BamH 和Sau3A 两种限制性内切酶的共同识别序列是,二 者切割可以形成相同的黏性末端,因此经BamH 酶切得到的目的基因可以与图(b)所示表达 载体被Sau3A 酶切后的产物连接。(2)在基因表达载体中,启动子应位于目的基因的首端, 终止子应位于目的基因的尾端,这样基因才能顺利地转录,再完成翻译过程,即顺利表达。 图中甲所示的目的基因插入在启动子的上游,丙所示目的基因插入在终止子的下游,二者的 目的基因均不能被转录,因此目的基因不能表达。(3)常见的 DNA 连接酶有EcoliDNA 连接 酶和 T4DNA 连接酶,其中 T4DNA 连接酶既能连接黏性末端又能连接平末端。 答案:(1
9、)Sau3A 两种酶切割后产生的片段具有相同的黏性末端 (2)甲和丙 甲中目 的基因插入在启动子的上游,丙中目的基因插入在终止子的下游,二者的目的基因均不能被 转录 (3)EcoliDNA 连接酶 T4DNA 连接酶 T4DNA 连接酶 2 下表是几种限制酶识别序列及其切割位点, 图 1、 图 2 中标注了相关限制酶的酶切位点, 其中切割位点相同的酶不重复标注。请回答下列问题: 图 1 图 2 (1)用图中质粒和目的基因构建重组质粒,应选用_两种限制酶切割,酶切后的载 体和目的基因片段,通过_酶作用后获得重组质粒。为了扩增重组质粒,需将其转入 处于_态的大肠杆菌。 (2)为了筛选出转入了重组质
10、粒的大肠杆菌,应在筛选平板培养基中添加_,平板 上长出的菌落,常用 PCR 鉴定,所用的引物组成为图 2 中_。 (3)若BamH酶切的 DNA 末端与Bcl酶切的 DNA 末端连接,连接部位的 6 个碱基对序列 为_,对于该部位,这两种酶_(填“都能”“都不能”或“只有一种能”)切开。 (4)若用Sau3A切图 1 质粒最多可能获得_种大小不同的 DNA 片段。 解析:(1)选择的限制酶应在目的基因两端且在质粒中存在识别位点,故可以用来切割的 限制酶为Bcl、Hind、BamH和Sau3A,但由于BamH和Sau3A可能使质粒中的启动 子丢失或破坏抗性基因,所以应选用Bcl、Hind两种限制
11、酶切割。酶切后的载体和目的基 因片段,通过 DNA 连接酶作用后获得重组质粒。为了扩增重组质粒,需将其转入感受态的大 肠杆菌中,使其增殖。(2)根据质粒上抗性基因,为了筛选出转入了重组质粒的大肠杆菌,应 在筛选平板培养基中添加四环素。平板上长出的菌落,常用 PCR 鉴定,目的基因 DNA 受热变 性后解链为单链,引物需要与单链两端相应互补序列结合,故所用引物组成是图 2 中的引物 甲和引物丙。(3)若BamH酶切的 DNA 末端和Bcl酶切的 DNA 末端连接,连接部位的 6 个碱 基对序列为 ,由于两种酶均不能识别该部位的碱基对序列,所用两种酶都不能切 T GATC C A CTAG G(
12、G GATC A C CTAG T) 开该部位。(4)根据Bcl、BamH和Sau3A的酶切位点,Sau3A在质粒上有三个酶切位点, 完全酶切可得到记为 A、B、C 三种片段,若部分位点被切开,可得到 AB、AC、BC、ABC 四种 片段,所以用Sau3A切质粒最多可能获得 7 种大小不同的 DNA 片段。 答案:(1)Bcl和Hind DNA 连接 感受 (2)四环素 引物甲和引物丙 (3) 都不能 (4)7 T GATCC A CTAGG( G GATC A C CTAG T) 考法 2 考查载体的作用及特点等 3(2016全国卷)某一质粒载体如图所示,外源 DNA 插入到Ampr或Tet
13、r中会导致相 应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载 体用BamH 酶切后, 与用BamH 酶切获得的目的基因混合, 加入 DNA 连接酶进行连接反应, 用得到的混合物直接转化大肠杆菌。结果大肠杆菌有的未被转化,有的被转化。被转化的大 肠杆菌有三种,分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒 的大肠杆菌。回答下列问题: (1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有_(答 出两点即可),而作为基因表达载体,除满足上述基本条件外,还需具有启动子和终止子。 (2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选,在上述四种大肠杆
14、菌细胞中,未被转化的 和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的,其原因是_;并且 _和 _的 细 胞 也 是 不 能 区 分 的 , 其 原 因 是 _。 在上述筛选的基础上,若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落,还 需使用含有_的固体培养基。 (3)基因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其 DNA 复制所需的原料来自于 _。 解析 : (1)质粒作为载体, 应具备的基本条件有 : 有一个至多个限制酶切割位点, 供外源 DNA 片段(基因)插入其中;在受体细胞中能自我复制,或能整合到染色体 DNA 上,随染色体 DNA 进行同步复制;有特殊的标记基因,供重组 DNA 的鉴定和
15、选择等等。(2)在培养基中加入氨苄 青霉素进行筛选,其中未被转化的大肠杆菌和仅含环状目的基因的大肠杆菌,因不含氨苄青 霉素抗性基因而都不能在此培养基上存活,二者不能区分。含有质粒载体的大肠杆菌和含有 插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌中都含有氨苄青霉素抗性基因,都能在此培养基上存 活,二者也不能区分。若要将含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌进一步筛选出来, 还需要使用含有四环素的固体培养基。(3)某些噬菌体经改造后作为载体,导入受体细胞后, 其 DNA 复制所需的原料来自于受体细胞。 答案:(1)能自我复制、具有标记基因、具有一至多个限制酶切割位点(答出两点即可) (2)二者均不含有氨苄青
16、霉素抗性基因,在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插 入了目的基因的重组质粒(或答含有重组质粒) 二者均含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养 基上均能生长 四环素 (3)受体细胞 考点二| 基因工程的基本操作及其应用 1基因工程的基本程序 (1)目的基因的获取 从基因文库中获取 人工合成 利用mRNA反转录合成 通过DNA合成仪用化学方法人工合成) 利用 PCR 技术扩增 (2)基因表达载体的构建基因工程的核心 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。 基因表达载体的组成 (3)将目的基因导入受体细胞 转化含义:目的基因进入受体细胞内,并
17、且在受体细胞内遗传和表达的过程。 转化方法 生物类型植物动物微生物 受体细胞体细胞受精卵大肠杆菌或酵母菌等 常用方法 农杆菌转化法、基因枪 法、花粉管通道法 显微注射法感受态细胞法 (4)目的基因的检测与鉴定 方法检测或鉴定目的水平 DNA 分子杂交技术检测目的基因的有无 分子杂交技术目的基因是否转录 抗原抗体杂交目的基因是否翻译 分子水平 抗虫或抗病接种实验是否具有抗虫抗病特性个体水平 2.PCR 技术 (1)原理:DNA 双链复制。 (2)条件 模板:DNA母链 酶:Taq酶 引物:分别与单链相应序列相结合 原料:分别为dCTP、dATP、dGTP、dTTP。) (3)过程 变性:9095
18、 C条件下受热变性后解链为单链 复性:5560 C条件下,引物与单链相应互补序列结合 延伸:7075 C条件下在Taq酶作用下合成子链) (4)结果:上述三步反应完成后,一个 DNA 分子就变成了两个 DNA 分子,随着重复次数的 增多,DNA 分子就以 2n的形式增加。PCR 的反应过程都是在 PCR 扩增仪中完成的。 3乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较 (1)含义 乳腺生物反应器是指使外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达,利用动物的乳腺组织 生产药物蛋白。 工程菌是指用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系。 (2)两者区别 比较项目乳腺生物反应器工程菌 基因结构 动物基因
19、的结构与人类基因的结构 基本相同 细菌和酵母菌等生物基因的结构与 人类基因的结构有较大差异 基因表达合成的药物蛋白与天然蛋白质相同 细菌细胞内没有内质网、高尔基体 等细胞器,产生的药物蛋白可能没 有活性 受体细胞动物的受精卵微生物细胞 导入目的基 因的方式 显微注射法感受态细胞法 生产条件 不需严格灭菌,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 药物提取从动物乳汁中提取从微生物细胞中提取 思考回答 1将目的基因导入受体细胞整合到线粒体 DNA 或叶绿体 DNA 上,能否稳定遗传?说明理 由。 提示:一般不能。因为仅把目的基因整合到线粒
20、体 DNA 或叶绿体 DNA 上,细胞分裂可能 导致目的基因丢失,因此无法稳定遗传。 2用箭头及必要的文字简述基因组文库和部分基因文库构建过程。 提示:(1)基因组文库的构建过程为:某种生物全部 DNA许多 DNA 片段 限制酶 分别与载体 连接导入 受体菌群体。 (2)部分基因文库的构建过程为:某种生物发育的某个时期的 mRNAcDNA 反转录 与载体 连接导入 受体菌群。 1基因工程操作的四个易错点 (1)目的基因的插入位点不是随意的,基因表达需要启动子与终止子的调控,所以目的基 因应插入启动子与终止子之间的部位。 (2)基因工程操作过程中只有第三步(将目的基因导入受体细胞)没有碱基互补配
21、对现象。 (3)农杆菌转化法原理:农杆菌易感染植物细胞,并将其 Ti 质粒上的 TDNA 转移并整合 到受体细胞染色体 DNA 上。 (4)启动子起始密码子,终止子终止密码子 启动子和终止子位于 DNA 片段上,分别控制转录过程的启动和终止;起始密码子和终止 密码子位于 mRNA 上,分别控制翻译过程的启动和终止。 2基因表达载体的构建方法 3目的基因的检测与鉴定 考法 1 考查基因工程的基本操作程序 1(2018湖北武汉 2 月调研)如图是获得转基因抗虫棉的技术流程示意图。请回答: (1)AB 利用的技术称为_,其中过程需要热稳定的_酶才能完成。 (2)图中将目的基因导入棉花细胞需要经过 C
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