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基因工程和蛋白质工程复习课学案
李集中学高三生物备课组
考纲要求: 1、 基因工程的诞生 Ⅰ 2、 基因工程的原理及技术Ⅱ 3、 基因工程的应用Ⅱ4、 蛋白质工程Ⅰ
一、 基因工程的概念
基因工程是指按照人们的愿望, 经过体外DNA重组和转基因技术, 创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。基因工程是在 水平上进行设计和施工的, 又叫做DNA重组技术。
( 一) 基因工程的基本工具
1.”分子手术刀”——
( 1) 来源: 主要是从原核生物中分离纯化出来的。
( 2) 功能: 能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列, 而且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的 , 因此具有专一性。
( 3) 结果: 经限制酶切割产生的DNA片段末端一般有两种形式:
2.”分子缝合针”——
( 1) 功能: 缝合
( 2) 与DNA聚合酶作用的异同:DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端, 形成磷酸二酯键。DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端, 形成磷酸二酯键。
3.”分子运输车”——
( 1) 载体具备的条件: ①能在受体细胞中复制并稳定保存。②具有一至多个限制酶切点, 供外源DNA片段插入。③具有标记基因, 供重组DNA的鉴定和选择。
( 2) 最常见的载体是 ,它是一种有自我复制能力的双链环状DNA分子。
( 3) 其它载体: 噬菌体、 动植物病毒
(二)基因工程的基本操作程序
第一步: 目的基因的获取
1.目的基因是指: 编码蛋白质的基因 。
2.原核基因采取直接分离法获得, 真核基因是人工合成法。人工合成目的基因的常见方法有反转录法_和化学合成法_。
限制酶 运载体
直接分离法: 供体细胞中的DNA→ DNA片段→ 受体细胞→DNA片段扩增
反转录法: 逆转录 合成
mRNA → 单链DNA → 双链DNA
化学合成法: 根据已知的蛋白质的氨基酸序列, 推测出相应的mRNA 序列, 推测出结构基因的核苷酸序列, 再经过化学方法, 合成目的基因。
第二步: 重组载体的构建
1.目的: 使目的基因在受体细胞中稳定存在, 而且能够遗传至下一代, 使目的基因能够表示和发挥作用。
2.组成: 目的基因＋标记基因
标记基因的作用: 是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因, 从而将含有目的基因的细胞筛选出来。常见的标记基因是抗生素基因。
第三步: 将目的基因导入受体细胞_
常见的转化方法:
将目的基因导入植物细胞: 采用最多的方法是 农杆菌转化法, 其次还有 基因枪法和 花粉管通道法等。受体细胞能够是卵细胞( 受精卵) 、 体细胞( 经组织培养成为完整个体)
将目的基因导入动物细胞: 最常见的方法是 显微注射技术。此方法的受体细胞多是 受精卵。
将目的基因导入微生物细胞: 用氯化钙处理大肠杆菌,
3.重组细胞导入受体细胞后, 筛选含有基因表示载体受体细胞的依据是标记基因是否表示。
第四步: 目的基因的检测和表示
1.首先要检测 转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因, 方法是采用 DNA分子杂交技术。
2.其次还要检测 目的基因是否转录出了mRNA, 方法是采用 用标记的目的基因作探针与mRNA杂交。
3.最后检测 目的基因是否翻译成蛋白质, 方法是从转基因生物中提取 蛋白质, 用相应的 抗体进行 抗原－抗体杂交。
4.有时还需进行 个体生物学水平的鉴定。如 转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。
( 三) 基因工程的应用
1.植物基因工程: 抗虫、 抗病、 抗逆转基因植物, 利用转基因改良植物的品质。
2.动物基因工程: 提高动物生长速度、 改进畜产品品质、 用转基因动物生产药物。
3.基因治疗: 把正常的外源基因导入病人体内, 使该基因表示产物发挥作用。
( 四) 蛋白质工程的概念、 基本途径
蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础, 经过基因修饰或基因合成, 对现有蛋白质进行改造, 或制造一种新的蛋白质, 以满足人类的生产和生 活的需求。( 基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质)
基本途径: 从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列
例１、 豇豆对多种害虫具有抗虫能力, 根本原因是豇豆体内具有胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI基因)。科学家将其转移到水稻体内后, 却发现效果不理想, 主要原因是CpTI蛋白质的积累量不足。经过在体外对CpTI基因进行了修饰后, CPTI蛋白质在水稻中的积累量就得到了提高。修饰和表示过程如下图所示:

请根据以上材料, 回答下列问题:
(1)CpTI基因是该基因工程中的 基因, ”信号肽, 序列及”内质网滞留信号”序列的基本组成单位是 。在①过程中, 首先要用 酶切开, 暴露出 , 再用 酶连接。
(2)在该基因工程中, 供体细胞是 , 受体细胞是 。
(3)②过程称为 。
(4)检测修饰后的CpTI基因是否表示的最好方法是 。
( 5) 与杂交育种、 诱变育种相比, 经过基因工程来培育新品种的主要优点是
和 。
( 6) 当前, 转基因大豆, 转基因棉花等已经进入了我们的生活。请你谈谈转基因农作物可能带来的利与弊。( 各一条)
利
弊: 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
例２、 番茄果实成熟过程中, 某种酶( PG) 开始合成并显著增加, 促使果实变红变软。
但不利于长途运输和长期保鲜。科学家利用反义RNA技术( 见图解) , 可有效解决此问题。该技术的核心是, 从番茄体细胞中获得指导PG合成的信使RNA, 继而以该信使RNA为模板人工合成反义基因并将之导入离体番茄体细胞, 经组织培养获得完整植株。新植株在果实发育过程中, 反义基因经转录产生的反义RNA与细胞原有mRNA( 靶mRNA) 互补形成双链RNA, 阻止靶mRNA进一步翻译形成PG, 从而达到抑制果实成熟的目的。请结合图解回答:

( 1) 反义基因像一般基因一样是一段双链的DNA分子, 合成该分子的第一条链时, 使用的模板是细胞质中的信使RNA, 原料是四种 , 所用的酶是 。
( 2) 开始合成的反义基因第一条链是与模板RNA连在一起的杂交双链, 经过加热去除RNA, 然后再以反义基因第一条链为模板合成第二条链, 这样一个完整的反义基因被合成。若要以完整双链反义基因克隆成百上千的反义基因, 所用复制方式为
( 3) 如果指导番茄合成PG的信使RNA的碱基序列是—A—U—C—C—A—G—G—U—C—, 那么, PG反义基因的这段碱基对序列是 。
( 4) 将人工合成的反义基因导入番茄叶肉细胞原生质体的运输工具是 , 该目的基因与运输工具相结合需要使用的酶有 , 在受体细胞中该基因指导合成的最终产物是 。
例３、 随着科学技术的发展, 化学农药的产量和品种逐年增加, 但害虫的抗药性也不断增强, 对农作物危害依然很严重。如近年来, 棉铃虫在中国大面积暴发成灾, 造成经济损失每年达100亿以上。针对这种情况, 江苏农科院开展”转基因抗虫棉”的科技攻关研究, 成功地将某种能产生抗虫毒蛋白细菌的抗虫基因导入棉花细胞中, 得到的棉花新品种对棉铃虫的毒杀效果高达80%以上。就以上材料, 分析回答: ( 1) 抗虫基因之因此能接到植物体内去, 原因是___________________。
( 2) ”转基因抗虫棉”具有抗害虫的能力, 这表明棉花体内产生了抗虫的_____________物质。这个事实说明, 害虫和植物共用一套_____________, 蛋白质合成的方式是_____________的。
( 3) ”转基因抗虫棉”抗害虫的遗传信息传递过程可表示为__________________。
( 4) 该项科技成果在环境保护上的作用是___________________。
( 5) 科学家预言, 此种”转基因抗虫棉”独立种植若干代以后, 也将出现不抗虫的植株, 此现象来源于___________。
巩固练习:
一、 选择题: 每小题只有一个选项最符合题意。
1、 下列四条DNA分子, 彼此间间具有粘性末端的一组是 ( )
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、 运用现代生物技术, 将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因整合到棉花细胞中, 为检测实验是否成功, 最方便的方法是检测棉花植株是否有( )
A、 抗虫基因 B、 抗虫基因产物 C、 新的细胞核 D、 相应性状
3、 ( 深圳一模考题) 研究人员想将生长激素基因经过质粒介导入大肠杆菌细胞内, 以表示产生生长激素。已知质粒中存在两个抗性基因: A是抗链霉素基因, B是抗氨苄青霉素基因, 且目的基因不插入到基因A、 B中, 而大肠杆菌不带任何抗性基因, 则筛选获得”工程菌”的培养基中的抗抗生素首先应该
A、 仅有链霉素    B、 仅有氨苄青霉素
　　C、 同时有链霉素和氨苄青霉素    D、 无链霉素和氨苄青霉素
4、 ( 05全国Ⅰ) 镰刀型细胞贫血症的病因是血红蛋白基因的碱基序列发生了改变。检测这种碱基序列改变必须使用的酶是
A. 解旋酶B. DNA连接酶 C. 限制性内切酶 D、 RNA聚合酶
5、 人的糖蛋白必须经内质网和高尔基体进一步加工合成, 经过转基因技术, 能够使人的糖蛋白基因得以表示的受体细胞是( )
A、 大肠杆菌 B、 酵母菌 C、 T4噬菌体 D、 质粒DNA
6．下列关于各种酶作用的叙述, 不正确的是 ( )
A．DNA连接酶能使不同脱氧核苷酸的磷酸与脱氧核糖连接
B．RNA聚合酶能与基因的特定位点结合, 催化遗传信息的转录
C．一种DNA限制酶能识别多种核苷酸序列, 切割出多种目的基因
D．胰蛋白酶能作用于离体的动物组织, 使其分散成单个细胞
7、 科学家经过基因工程的方法, 能使马铃薯块茎含有人奶蛋白。以下有关该基因工程的叙述错误的是( )
A．采用反转录的方法得到的目的基因有内含子
B．基因非编码区对于目的基因在块茎中的表示是不可缺少的
C．马铃薯的叶肉细胞可作为受体细胞
D．同一种限制酶处理质粒和含有目的基因的DNA, 可产生黏性末端而形成重组DNA分子
8．碱基互补配对发生在下列哪些生理过程或生物技术中 ( )
①种子的萌发 ②病毒的增殖过程 ③细菌的二分裂过程 ④目的基因与运载体的结合
⑤DNA探针的使用 ⑥分泌蛋白的加工和运输 a
A．①②③④⑤　　B．①②③④⑤⑥C．②④⑤ D．②③⑤⑥
9．蛋白质工程是新崛起的一项生物工程, 又称第二代基因工程。下图示意蛋白质工程流程, 图中A、 B在遗传学上依次表示

A．转录和翻译 B．翻译和转录 C．复制和转录 D．传递和表示
10．随着转基因技术的发展, ”基因污染”应运而生, 关于基因污染的下列说法不正确的是
A．转基因作物可经过花粉散落到它的近亲作物上, 从而污染生物基因库
B．基因污染是一种不能够扩散的污染
C．杂草、 害虫从它的近亲获得抗性基因, 可能破坏生态系统的稳定性
D．转基因生物有可能成为”入侵的外来物种”, 威胁生态系统中其它生物的生存
二．非选择题:
11. 糖尿病是种常见病, 且发病率有逐年增加的趋势, 以致发达国家把它列为第三号”杀手”。( 1) 当前对糖尿病Ⅰ型的治疗, 大多采用激素疗法, 所用激素为_____________, 由_________________细胞分泌。

( 2) 让一健康人和糖尿病患者于空腹时同时口服葡萄糖, 服用量按每人每千克体重1克计算, 随后每隔一段时间, 测定各人的血糖浓度, 如图6—1所示, 图中表示糖尿病患者的曲线是_________。
( 3) 这种治疗用的激素过去主要是从动物的内脏中提取, 数量有限, 20世纪70年代后, 开始采用基因工程的方法生产, 如图所示, 请回答:
①指出图中2、 4、 6、 7的名称:
2_____________, 4_____________, 6_____________, 7_____________。
②一般获取4采用的方法是_____________。

③6的获得必须用_____________切割3和4, 使它们产生相同的_____________, 再加入适量的_____________酶, 才可形成。
12、 在药品生产中, 有些药品如干扰素, 白细胞介素, 凝血因子等, 以前主要是从生物体的组织、 细胞或血液中提取的, 由于受原料来源限制, 价价十分昂贵, 而且产量低, 临床供应明显不足。自70年代遗传工程发展起来以后, 人们逐步地在人体内发现了相应的目的基因, 使之与质粒形成重组DNA, 并以重组DNA引入大肠杆菌, 最后利用这些工程菌, 能够高效率地生产出上述各种高质量低成本的药品, 请分析回答:
( 1) 在基因工程中, 质粒是一种最常见的 , 它广泛地存在于细菌细胞中, 是一种很小的环状 分子。
( 2) 在用目的基因与质粒形成重组DNA过程中, 一般要用到的工具酶是
和 。
( 3) 将含有”某激素基因”的质粒导入细菌细胞后, 能在细菌细胞内直接合成”某激素”, 则该激素在细菌体内的合成包括 和 两个阶段。
( 4) 在将质粒导入细菌时, 一般要用 处理细菌, 以增大 。
13、 用基因工程生产蛋白质药物, 经历了三个发展阶段。第一阶段, 将人的基因转入细菌细胞; 第二阶段, 将人的基因转入小鼠等动物的细胞。前两个阶段都是进行细胞培养, 提取药物。第三阶段, 将人的基因转入活的动物体, 饲养这些动物, 从乳汁或尿液中提取药物。
( 1) 将人的基因转入异种生物的细胞或个体内, 能够产生药物蛋白的原理是基因能控制　　　　　　　　　　　　。
( 2) 人的基因能和异种生物的基因拼接在一起, 是因为它们的分子都具有双螺旋结构, 都是由四种____________构成, 基因中碱基配正确规律都是　　　　　__________。
( 3) 人的基因在异种生物细胞中表示成蛋白质时, 需要经过　　　和翻译两个步骤。在翻译中需要的模板是　　　　　, 原料是氨基酸, 直接能源是ATP, 搬运工兼装配工是　　　　　　, 将氨基酸的肽键连接成蛋白质的场所是________, ”翻译”可理解为将由____个”字母”组成的核酸”语言”翻译成由　　　　个”字母”组成的蛋白质”语言”, 从整体来看　　　　　　在翻译中充任着”译员”。
( 4) 利用转基因牛、 羊乳汁提取药物工艺简单, 甚至可直接饮用治病。如果将药物蛋白基因移到动物如牛、 羊的膀胱上皮细胞中, 利用转基因牛羊尿液生产提取药物比乳汁提取药物的更大优越性在于: 处于不同发育时期的　　　　　动物都可生产药物。
人胰岛细胞
大肠杆菌
胰岛素
mRNA
A
①
人胰岛素
人胰岛素
大量的A
重复进行
③
④
②
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
⑩
B
C
D
14、 下图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图, 请据图作答。

( 1) 能否利用人的皮肤细胞来完成①过程? , 为什么?
。
( 2) 过程②必须的酶是 酶, 过程③必须的酶是 酶。
( 3) 与人体细胞中胰岛素基因相比, 经过②过程获得的目的基因不含有非编码区和 。
( 4) 若A中共有a个碱基对, 其中鸟嘌呤有b个, 则③④⑤过程连续进行4次, 至少需要
提供胸腺嘧啶 个。
( 5) 在利用AB获得C的过程中, 必须用 切割A和B, 使它们产
生 , 再加入 , 才可形成C。
( 6) 为使过程⑧更易进行, 可用 ( 药剂) 处理D。
15、 某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶(Amy)基因a, 经过基因工程将a转移到马铃薯植物中。经检测, Amy在成熟块茎细胞的细胞间隙中发现。请回答:

(1)在基因工程中, a叫______________, 提取它的一个必要步骤是__________________。它与基因运载工具_________结合前还必须经过的处理步骤是________________________。
(2)Amy在成熟块茎细胞间隙中的发现, 说明细菌的基因a已整合到上图中的［ ］_________或［ ］_________结构中。
(3)合成Amy的过程分为转录和翻译两大步骤, Amy合成并分泌到细胞外, 定位在细胞间隙中, 参与该过程的细胞器有____________________________,
(4)Amy的基本组成单位是_________, 各组成单位间靠_________相连。
(5)以本图比作马铃薯块茎的缺陷细胞是该图多画了［ ］_________。
16.根据实验原理和材料用具, 设计实验选择运载体质粒, 明确质粒的抗菌素基因所抗的抗菌素类别。
①实验原理: 作为运载体的质粒, 须有标记基因, 这一标记基因是抗菌素抗性基因。故凡有抗菌素抗性的细菌, 其质粒才可用作运载体。
②材料用具: 青霉素、 四环素的10万单位溶液、 菌种试管、 灭菌的含细菌培养基的培养皿、 酒精灯、 接种环、 一次性注射器、 蒸馏水、 恒温箱。
③方法步骤:
第一步: 取三个含细菌培养基的培养皿并标为1、 2、 3号, 在酒精灯旁, 用三支注射器, 分别注入1mL蒸馏水、 青霉素液、 四环素液, 并使之分布在整个培养基表面。
第二步: 将接种环在酒精灯上灼烧, 并在酒精灯火旁取菌种, 对三个培养皿分别接种。
第三步: 将接种后的三个培养皿放入37℃恒温箱培养24h。
④预期结果: _____________________________________________________________________ ________________________________________ ___________________________
___________________________________________________________________
______________________________________________________________
17、 限制性内切酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—, 限制性内切酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。在质粒上有酶Ⅰ的一个切点, 在目的基因的两侧各有一个酶Ⅱ的切点。
( 1) 请画出质粒被限制酶Ⅰ切割后所形成的黏性末端。

( 2) 请画出目的基因两侧被限制酶Ⅱ切割后所形成的黏性末端。

( 3) 在DNA连接酶作用下, 上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接? 为什么?

答案
例1: 1) 脱氧核苷酸; 逆转录酶 ( 2) 半保留复制
( 3) —T—A—G—G—T—C—C—A—G—
—A—T—C—C—A—G—G—T—C—
( 4) 质粒( 或运载体、 病毒) ; 限制性内切酶和DNA连接酶; ( 反义) RNA
例２、 目的 四种脱氧核苷酸 限制性内切酶 黏性末端( 2) 豇豆细胞 水稻细胞( 3) 转录( 4) 让多种害虫吞食水稻叶片( ５) 目的明确, 培育周期短。( ６) 能够让人类获得具有优良品质的作物, 如蛋白质含量更高、 抗逆性更强; 打破传统育种界限, 如植物表示微生物的抗虫性状。弊: 转基因农作物也可能变异成为对人类或环境有害的物种, 如抗逆性极强的”超级杂草”; 造成基因污染; 影响食品安全。
例３、 ( 1) 细菌与棉花的DNA结构相同 ( 2) 毒蛋白 遗传密码 相同 ( 3) DNA( 基因) →RNA→蛋白质 ( 4) 减少农药对环境的污染, 保护生态环境或生态平衡 ( 5) 基因突变
选择: 1-10 DDCCB CAAAB
11．( 1) 胰岛素 胰岛B ( 2) B ( 3) ①质粒 目的基因( 或胰岛素基因) 重组质粒 受体细胞( 或大肠杆菌) ②人工合成 ③同一种限制性内切酶 黏性末端 DNA连接
12、 ( 1) 基因的运载体 DNA ( 2) 限制性内切酶 DNA连接酶 ( 3) 转录 翻译 ( 4) 氯化钙 细菌细胞壁的通透性
13( 1) 蛋白质的合成( 2) 脱氧核苷酸 A与T G与C
( 3) 转录 信使RNA 转运RNA 核糖体 4 20 转运RNA( 4) 雌雄
14．( 1) 不能, 皮肤细胞中的胰岛素基因未表示( 或未转录) , 不能形成胰岛素mRNA 。 ( 2) 逆转录 , 解旋。 ( 3) 内含子。 ( 4) 15( a－b) 。
( 5) 同一种限制性内切酶 , 相同的黏性末端, DNA连接酶。( 6) CaCl2 。
15 (1) 目的基因 用限制酶切出粘性末端 运载体 限制酶使质粒露出粘性末端 (2)⑤ 细胞核 ⑧ 线粒体 (3) ⑦⑥④⑧ 核糖体、 内质网、 高尔基体、 线粒体 (4)氨基酸 肽键 (5)③ 叶绿体
16①1号培养皿细菌正常生长;
②2、 3号培养皿中, 仅2中细菌能存活, 说明细菌有青霉素抗性基因, 而没有四环素抗性基因。
③2、 3号培养皿中, 仅3中细菌能存活, 说明细菌有四环素抗性基因, 而没有青霉素抗性基因。
④2、 3号培养皿中都有存活, 说明该菌质粒上有两种抗菌素的抗性基因。
⑤2、 3号培养皿中都不存活, 说明该菌质粒上没有这两种抗菌素的抗性基因。
17、 ( 1)

( 2)
( 3) 能够连接。因为由两种不同限制酶切割后形成的黏性末端是相同的( 或是能够互补的)