江苏省徐州市高考生物总复习 选考专题一 基因工程学案

专题一 基因工程第1课时 基因工程概述和基因工程工具学习目标：基因工程的原理及技术：简述基因工程的原理；说出DNA重组技术的基本工具及其作用、特点；一、基因工程的诞生与发展1.诞生（1）理论支持：艾弗里证明了DNA是遗传物质。沃森与克里克阐明了DNA分子的双螺旋结构。尼伦贝格等破译了遗传密码。（2）技术支持：限制性核酸内切酶和DNA连接酶、质粒等载体和逆转录酶的发现，直接促使了基因工程的诞生。（3）实例：1973年，美国科学家科恩等将不同来源的DNA分子进行体外重组，并首次实现了重组DNA分子在大肠杆菌中的表达，标志着定向改造生物的技术基因工程的诞生。2.发展1978年，人胰岛素在大肠杆菌中成功合成。1980，转基因小鼠诞生。二、基因工程的概念按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做重组DNA技术或转基因技术。 是一种定向改造生物的技术，其原理为基因重组，会使生物产生定向的变异。三、基因工程的工具1限制性核酸内切酶-“分子手术刀”（1）简称：限制酶。（2）来源：主要从原核生物中分离纯化出来。在原核生物中可以切断外来的DNA，使异源DNA的失去活力，这样便保护了细胞原有的遗传信息。限制酶不切割自身DNA的原因：原核生物钟不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。（3）特点：识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。注意：限制酶是蛋白质类的酶，具有高效性、特异性、易变性（反应条件温和性）等酶的特性。限制酶的作用对象是DNA，不是RNA。限制酶识别的核苷酸序列越短，目标DNA被切割的概率越大。限制酶识别的核苷酸序列是个回文序列（回文结构序列是一种旋转对称结构，在轴两侧序列相同而反向。其特点是在该段碱基序列互补链之间正读反读都相同）。（4）结果：产生黏性末端或平末端112DNA连接酶-“分子缝合针”恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。DNA连接酶连接的是两个DNA片段。小结：几种酶的比较辨析比较项目限制酶DNA连接酶DNA聚合酶解旋酶作用底物DNA分子DNA分子片段脱氧核苷酸DNA分子作用部位磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键碱基对间的氢键形成产物黏性末端或平末端形成重组DNA分子新的DNA分子形成单链DNA3.载体“分子运输车”（1）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。（2）必备条件：能在宿主细胞内稳定保存并大量复制。有多钟限制酶的切点，以便与外源基因连接。具有特殊的标记基因，以便进行筛选。如四环素抗性基因，氨苄青霉素抗性基因等。（3）种类：通常利用质粒作为载体，另外还有噬菌体的衍生物、某些动植物病毒等。一般来说，载体需根据人们的目的和需要进行人工改造。补充：质粒的知识一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，能够自我复制的小型环状DNA分子（细菌拟核中的DNA是大型环状DNA）。第2课时 基因工程的基本操作程序学习目标：简述基因工程基本操作程序，以及各步骤的一般方法、原理；模拟重组DNA分子的操作过程基因工程的基本操作程序：1目的基因的获取（1）目的基因：编码蛋白质的结构基因。补充：基因的结构原核生物的基因（如右图所示）原核生物基因的编码区是连续的；在非编码区的上游，有RNA聚合酶能识别开始转录的部位即启动子；在非编码区的下游有结束转录的部位即终止子。注意：启动子与起始密码，终止子与终止密码的区别。启动子在基因（DNA）上，是启动转录，而起始密码是在mRNA上，是启动翻译。终止子在基因（DNA）上，是终止转录，而终止密码是在mRNA上，是终止翻译。真核生物的基因（如右图所示）相比原核生物，真核生物的编码区是不连续的，有外显子和内含子相间排列。注意：a.外显子：是真核细胞的基因在表达过程中能编码蛋白质的核苷酸序列。内含子：是在转录后的加工中，从最初的转录产物中被除去的核苷酸序列（即不编码蛋白质的核苷酸序列）。b.编码区的两侧靠近非编码区的部位始终是外显子。（2）获取目的基因的方法从基因文库中获取a.概念：将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因。b.分类：基因组文库（包含有一种生物所有的基因）和部分基因文库（只包含了一种生物的一部分基因，如cDNA文库）c.从基因文库中获取目的基因方法：根据基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA，以及基因的表达产物蛋白质等。用化学方法人工合成a.反转录法。以目的基因转录成的mRNA为模板，在逆转录酶作用下，反转录成互补的单链DNA（cDNA），然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获取所需的基因。优点：该方法专一性强，目的基因不含内含子，可合成自然界不存在的新基因。缺点：操作复杂，形成的mRNA为单链，生存时间短，很不稳定，要求的技术条件也较高。b.化学合成法。利用DNA合成仪，合成已知序列的较短的核苷酸序列。利用PCR技术扩增目的基因a.PCR全称：聚合酶链式反应。b.原理：DNA双链复制c.过程：变性退火（复性）链延伸第一步：变性。加热至9095DNA解链。第二步：退火（复性）。冷却到5560，引物结合到互补DNA链。第三步：链延伸。加热至7075，热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成。d.条件：模板（目的基因）、原料（4种游离的脱氧核苷酸）、酶（TaqDNA聚合酶），引物。注意：.TaqDNA聚合酶的特点是耐高温。.加入两种引物；这两种引物彼此间不能发生碱基互补配对，且自身也不能通过折叠发生碱基互补配对；加入的引物可以是一小段单链DNA或RNA，常用DNA；加入引物的数量为m(2+22+23+2n）其中m为起始DNA的个数，n为循环的次数）。2基因表达载体的构建 - 是基因工程的核心（1）目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传至下一代，使目的基因能够表达和发挥作用。（2）组成：目的基因启动子终止子标记基因（如抗生素基因）+复制原点启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段 ，位于基因的尾端。标记基因的作用：为了鉴定和筛选出含目的基因的受体细胞。常用的标记基因是抗生素基因。（3）过程注意：用同种限制酶分别切割载体和外源DNA的目的：使二者切割后形成的黏性末端可以碱基互补配对，以便于连接。带有黏性末端切口的载体，与带有相同黏性末端的目的基因片段用DNA连接酶连接后，形成的DNA种类（只考虑两两连接）：3种，即目的基因-目的基因；载体-载体；基因表达载体。用相两种限制酶分别切割载体和外源DNA（如上图）的目的：防止目的基因和载体的自身环化。3将目的基因导入受体细胞 生物种类植物细胞动物细胞微生物细胞常用方法农杆菌转化法（最常用）显微注射技术Ca2处理法受体细胞体细胞或受精卵受精卵原核细胞转化过程将目的基因插入农杆菌Ti质粒的TDNA上农杆菌侵染植物细胞整合到受体细胞的染色体DNA上表达将含有目的基因的基因表达载体提纯取受精卵显微注射受精卵发育获得具有新性状的动物Ca2处理细胞微生物细胞壁的通透性增加重组质粒与感受态细胞混合感受态细胞吸收DNA分子注意：目的基因能在植物细胞稳定存在依据：目的基因整合到植物细胞染色体DNA上。对于植物，导入方法还有基因枪法（成本较高，单子叶植物常用）和花粉管通道法（我国独创的一种十分经济简便的方法）。原核生物具有独特的特点：繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等。4目的基因的检测与鉴定目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能知道，这是检查基因工程是否做成功的一步。（1）分子水平检测检测生物染色体的DNA上是否插入了目的基因：DNA分子杂交技术。即将转基因生物的基因组DNA提取出来，在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素等作标记，以此作探针，使探针与基因组DNA杂交，如果显示出杂交带，表明目的基因已插入染色体DNA中。检测目的基因是否转录出mRNA：分子杂交技术。从生物中提取mRNA，用标记的目的基因作探针，与mRNA杂交，若显示出杂交带，则说明目的基因转录出了mRNA。检测目的基因是否翻译：抗原抗体杂交。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，若有杂交带出现，表明目的基因已形成蛋白质产品。（2）个体水平检测对转基因生物进行抗虫或抗病的接种实验，以确定是否具有抗性以及抗性的程度。例如，对转基因抗虫棉进行个体检测方法：让害虫吞食转基因棉花的叶片，观察害虫的存活情况，以确定其是否具有抗虫性状。第3课时 基因工程的应用学习目标：说出基因工程的应用：举例说出基因工程在农业、医疗、环境保护等方面的广泛应用及其发展前景；关注基因工程的发展，认同基因工程的应用促进了生产力的提高1.植物基因工程的应用植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力（如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等）以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。（1）提高抗逆性常用抗虫基因：用于抗虫（杀虫）的基因主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。常用抗病基因：a.抗病毒基因有：病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因；b.抗真菌基因有：几丁质酶基因和抗毒素合成基因其他抗逆基因：环境条件对农作物的生产会造成很大影响，并且这些影响是多方面的，因此，抗逆性基因也有多种多样，如：抗盐碱和干旱的调节细胞渗透压基因、抗冻基因、抗除草剂基因等等。（2）改良植物品质由于人们的食品含有的营养不平衡，不能满足人们对食品的要求，这样，可以通过转基因技术，使植物能够合成某些本来不能合成的物质。如科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，或者改变这些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。（3）生产药物基因工程不但促进了传统技术的变革，也为人类提供了传统产业难以得到的许多昂贵药品，并已形成基因工程制药业的雏形。目前诸如人胰岛素、人生长激素、人脑激素、干扰素、乙肝疫苗、蛋白C、组织血纤维蛋白溶酶原激活剂等数十种基因工程药物已实现商品化。此外，还有促红细胞生成素、白细胞介素2、肾素、心钠素等一大批珍贵药品正处于试用或临床试验阶段。2.动物基因工程的应用（1）用于提高动物生长速度：由于外援生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快，将这类基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。如：转基因绵羊和转基因鲤鱼。（2）用于改善畜产品的品质：基因工程可用于改善畜产品的品质。如：有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，这样所获得的牛奶其成分不受影响，但乳糖的含量大大减低。（3）用转基因动物做器官移植的供体：目前，人体移植器官短缺是一个世界性的难题，用其它动物的器官替代，又会出现免疫排斥现象，现在，科学家正试图利用基因工程方法对一些动物的器官进行改造，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。3.基因治疗（1）概念：基因治疗是把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，这是治疗遗传病的最有效的手段。（2）方法体外基因治疗先从病人体内获得某种相关细胞，进行培养，然后在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内，这种方法叫做体外基因治疗。体内基因治疗直接向人体组织细胞中转移基因的治疗方法叫做体内基因治疗。说明：对于遗传病的治疗最根本的方法是进行基因替换或修复。基因治疗的最佳时期理论上是受精卵时期，这样可以使个体的每个细胞都含有正常基因，但在现实生活中是不可能的，因为不可能人人在受精卵时期进行基因检查。其次是对患者进行相关细胞的基因替换，如：对于遗传性糖尿病患者，只对胰腺的B细胞进行基因替换，该个体就能正常分泌胰岛素，糖尿病得以治疗；但这种局部细胞的基因替换，并没有改变其它部位细胞的基因，如精原细胞，其后代很大可能还会患遗传性糖尿病。第4课时 蛋白质工程 - 第二代基因工程学习目标：蛋白质工程：举例说出蛋白质工程崛起的缘由；简述蛋白质工程的原理；收集和处理资料，尝试撰写专题综述报告1.蛋白质工程的概念通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能，并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。属于分子水平上的改造。2崛起的缘由生物的长期进化过程中形成的天然蛋白质、结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。3.实施蛋白质工程的前提 是了解蛋白质的结构和功能的关系。4目标根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。由于蛋白质的空间结构极其复杂，人们无法直接改造蛋白质，一般先通过创造出适合人类需求的新基因，然后使其表达出具有特定结构和功能的蛋白质。其中关键技术是基因工程，因此，蛋白质工程又被称为第二代基因工程。5.分类（1）大改：设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质。（2）中改：在蛋白质中替代某一肽段或一个特定的结构域。（3）小改：改造蛋白质分子中某活性部位的一个或几个氨基酸残基。其中基因的定点诱变技术是改变蛋白质结构的核心技术之一。基因定点诱变技术的方法很多，其中PCR技术是常用方法。6操作过程预期蛋白质的功能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（基因）注意：由蛋白质的结构功能可推测出许多基因，原因是：编码氨基酸的密码子的简并性。7.实例蛋白质工程是是项难度很大的工程，成功的例子不多，已成功的有：通过对胰岛素的改造，使其成为速效型药品。生产鼠-人嵌合抗体，既可杀伤癌细胞，又可减少人体的不良反应。通过改造纤维蛋白溶解酶原激活因子（t-PA），使t-PA在血液循环中的停留时间延长，从而更好的用于溶解血栓块，医治心肌梗死等疾病。通过将酶肽链中的天门冬酰胺和谷氨酰胺转变为苏氨酸和异亮氨酸，从而提高酶的热稳定性。