1、单元提升课 专题1 知识体系思维导图 尝试填写图中序号代表的含义:A.DNA分子水平 B.基因重组 C.DNA连接酶 D.基因文库 E.基因表达载体 F.标记基因 G.受体细胞 H.分子水平 I.蛋白质功能 J.脱氧核苷酸 命题研析深化提升【典例示范】【典例1】(2019全国卷)基因工程中可以通过PCR技术扩增目的基因。回答下列问题。(1)基因工程中所用的目的基因可以人工合成,也可以从基因文库中获得。基因文库包括 和 。(2)生物体细胞内的DNA复制开始时,解开DNA双链的酶是 。在体外利用PCR技术扩增目的基因时,使反应体系中的模板DNA解链为单链的条件是 。上述两个解链过程的共同点是破坏了
2、DNA双链分子中的 。(3)目前在PCR反应中使用Taq酶而不使用大肠杆菌DNA聚合酶的主要原因是 。【解析】本题考查基因工程的相关知识。(1)基因文库包括基因组文库和部分基因文库(cDNA文库),前者包括一种生物的全部基因,后者只包括一种生物的部分基因。(2)体内进行DNA复制时,需要解旋酶和DNA聚合酶,解旋酶可以打开双链之间的氢键,DNA聚合酶可以催化磷酸二酯键的形成。在体外进行PCR扩增时,利用高温变性即加热至9095,破坏双链之间的氢键,使DNA成为单链。解旋酶和高温处理都破坏了DNA双链中碱基对之间的氢键。(3)由于在PCR过程中,需要不断地改变温度,该过程中涉及较高温度处理,大肠
3、杆菌DNA聚合酶在高温处理下会变性失活,因此PCR过程中需要用耐高温的Taq酶催化。答案:(1)基因组文库 cDNA文库(2)解旋酶 加热至9095 氢键(3)Taq酶热稳定性高,而大肠杆菌DNA聚合酶在高温下会失活【交汇分析】(1)考查基因文库,该考点联系必修2“基因库”交汇命题。(2)考查解旋酶和DNA分子结构,该考点联系必修2“DNA分子结构”交汇命题。(3)考查Taq酶的热稳定性,该考点联系必修1“影响酶活性的条件”交汇命题。【典例2】(2017江苏高考节选)金属硫蛋白(MT)是一类广泛存在的金属结合蛋白,某研究小组计划通过多聚酶链式反应(PCR)扩增获得目的基因,构建转基因工程菌,用
4、于重金属废水的净化处理。PCR扩增过程示意图如下,请回答下列问题:(1)设计一对与MT基因两端序列互补配对的引物(引物1和引物2),为方便构建重组质粒,在引物中需要增加适当的 位点。设计引物时需要避免引物之间形成 ,而造成引物自连。(2)PCR扩增时,退火温度的设定是成败的关键。退火温度过高会破坏_ 的碱基配对。退火温度的设定与引物长度、碱基组成有关,长度相同但_ 的引物需要设定更高的退火温度。【解析】(1)目的基因与质粒形成重组质粒时需要用限制性核酸内切酶切出相同的黏性末端,因此在设计一对与MT基因两端序列互补配对的引物(引物1和引物2)时,要在引物中增加适当的限制性核酸内切酶位点。设计引物
5、时,两种引物之间不能有互补性,否则引物之间会配对形成双链DNA。(2)PCR扩增时,退火步骤中引物与模板结合,因此退火温度过高会破坏引物与模板的碱基配对。由于A和T之间有2个氢键,而C和G之间有3个氢键,因此C和G的含量越高,DNA分子越稳定,所以引物中含C与G的碱基对较多时,需要采用较高的退火温度。答案:(1)限制性核酸内切酶 碱基互补配对(2)引物与模板 GC含量高【交汇分析】(1)考查PCR技术的原理。该考点联系必修2“DNA的复制”交汇命题。(2)考查PCR技术扩增目的基因的过程。该考点联系必修2“DNA的分子结构”交汇命题。【典例3】(2015江苏高考)荧光原位杂交可用荧光标记的特异
6、DNA 片段为探针,与染色体上对应的DNA 片段结合,从而将特定的基因在染色体上定位。请回答下列问题:(1)DNA 荧光探针的制备过程如图1 所示,DNA 酶随机切开了核苷酸之间的_ 键从而产生切口,随后在DNA 聚合酶作用下,以荧光标记的 为原料,合成荧光标记的DNA 探针。(2)图2 表示探针与待测基因结合的原理。先将探针与染色体共同煮沸,使DNA 双链中 键断裂,形成单链。随后在降温复性过程中,探针的碱基按照 原则,与染色体上的特定基因序列形成较稳定的杂交分子。图中两条姐妹染色单体中最多可有 条荧光标记的DNA 片段。(3)A、B、C 分别代表不同来源的一个染色体组,已知 AA 和 BB
7、 中各有一对同源染色体可被荧光探针标记。若植物甲(AABB)与植物乙(AACC)杂交,则其F1 有丝分裂中期的细胞中可观察到 个荧光点;在减数第一次分裂形成的两个子细胞中分别可观察到 个荧光点。【解析】本题考查基因工程中工具酶的作用机理、DNA分子杂交和减数分裂的 相关知识。(1)由图1可知,DNA酶使DNA链断裂,即作用于相邻脱氧核苷酸之 间的磷酸二酯键;DNA合成原料为脱氧核苷酸。(2)通过热变性,使DNA碱基对之 间的氢键断裂,复性时能重新形成氢键,并且遵循碱基互补配对原则,形成杂交 DNA分子。两条姐妹染色单体,含有4条模板链,最多可与4个被标记的DNA链结 合形成4个荧光标记杂交DN
8、A分子。(3)根据减数分裂,植物甲(AABB)形成的配 子染色体组成为(AB),与植物乙(AACC)的配子(AC)受精后,合子染色体组成为(AABC),又由于 AA 和 BB 中各有一对同源染色体可被荧光探针标记,则AABC 将会有3条染色体被标记,6条染色单体可以观察到6个荧光点。AABC减数分裂 时,AA两个染色体组可以正常联会,并且同源染色体分离,减数第一次分裂形成的两个子细胞分别获得一个A染色体组,而B染色体组内的染色体随机进入两个子细胞,因此其中一个子细胞含有A和B染色体组内2条能被标记的染色体,标记4个染色单体、可以看到4个荧光点,另一个子细胞只含有A中1条能被标记的染色体,2个染
9、色单体可以观察到2个荧光点。答案:(1)磷酸二酯 脱氧核苷酸(2)氢 碱基互补配对 4(3)6 2和4【交汇分析】(1)考查DNA荧光探针的制备过程。该考点联系必修2“DNA分子的结构”交汇命题。(2)考查DNA探针与待测基因结合的原理。该考点联系必修1“染色体的结构”、必修2“DNA分子的结构和复制”交汇命题。(3)综合考查DNA探针在染色体上定位特定基因的原理和过程。该考点联系必修1“有丝分裂”、必修2“减数分裂及染色体组的含义”交汇命题。【典例4】(2019启东中学高二检测)如图为培育转基因抗虫棉的两种思路,请据图回答问题:(1)与思路2相比,思路1的优点是筛选出的目的植株 。(2)构建
10、重组质粒时,需要使用的限制酶是 ,还需要使用的工具酶是 。(3)图中过程获取的完整的重组质粒,除了图中标出的特殊DNA片段外,还应该有 等部分;过程常用的方法是 ;过程常用的试剂为 ;培育获得棉株2 或棉株4采用的生物学技术是 。(4)为检测棉株3、棉株4的抗虫特性,常使用的方法是 。【解析】(1)思路1是采用单倍体育种方法,结合基因工程,培育出目的植株,与思路 2相比,该方法的优点是筛选出的目的植株是纯合子,能稳定遗传。(2)据图分析,如果用Sma 酶切割目的基因,会破坏目的基因,因此用图中的质粒和目的基因构建重组DNA分子时,不能使用Sma 酶切割,因此只能选用EcoR和BamH切割目的基
11、因和运载体,还需要使用的工具酶是DNA连接酶。(3)过程是构建基因表达载体,即重组质粒。基因表达载体中除了具有目的基因、启动子和终止子之外,还需具有标记基因(和复制原点)。过程是将目的基因导入受体细胞中,受体细胞是植物细胞,常用的方法是农杆菌转化法;棉株2是单倍体幼苗中外植体中细胞经过植物组织培养技术获得的,是单倍体。过程常用的试剂为秋水仙素,使植株2细胞中染色体数目加倍,获取纯合子植株3。(4)为检测棉株3、棉株4的抗虫特性,常使用的方法是接种害虫,观察棉株是否有抗虫能力。答案:(1)能稳定遗传(是纯合子)(2)EcoR 和BamH DNA连接酶(3)标记基因(和复制原点)农杆菌转化法 秋水
12、仙素 植物组织培养(4)接种害虫,观察棉株是否有抗虫能力【交汇分析】(1)思路1是采用单倍体育种方法,结合基因工程,培育出目的植株。该考点联系必修2“单倍体育种”交汇命题。(2)思路2是利用植物细胞的全能性,结合基因工程,培育出目的植株。该考点联系必修1“植物细胞的全能性”交汇命题。【知识深化】交汇点1:高中生物学中的“载体”,联系必修1“物质跨膜运输的载体”,必修1、2“遗传信息的载体”,必修3“细胞间信息传递的载体”交汇考查(1)物质跨膜运输的载体:细胞膜上的一种蛋白质。(2)血液中O2运输的载体:红细胞内一种含Fe2+的血红蛋白。(3)基因工程中目的基因的载体:种类有质粒、噬菌体的衍生物
13、和动植物病毒等。(4)细胞中遗传信息的载体:细胞生物遗传信息的载体是DNA。(5)细胞间信息传递的载体:细胞释放的信号分子,如:激素、神经递质等。交汇点2:基因表达载体中的启动子、终止子,联系必修2中“mRNA中的起始密码子、终止密码子”交汇考查(1)启动子、终止子是质粒上的具有特殊结构的DNA片段。(2)起始密码子、终止密码子是mRNA上的三个相邻碱基。交汇点3:基因工程工具酶限制性核酸内切酶,联系必修1“有关酶的本质和特性”交汇考查 限制性核酸内切酶相关知识:(1)本质:蛋白质。(2)特性:具有特异性。一种限制酶只能识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列。切割双链DNA分子每条链中特定序列中
14、的特定位点,使该位点的磷酸二酯键断开。(3)作用:断开连接两个核苷酸的磷酸二酯键。交汇点4:基因工程中目的基因的获取、检测和外源基因在受体中的表达,联系必修2“中心法则”交汇考查(1)目的基因的表达过程,不包含DNA的复制,只包含转录和翻译两个过程。中心法则:(2)基因文库中的cDNA的获取是特定mRNA在逆转录酶的作用下,按照碱基互补配对原则,逆转录合成cDNA。(3)利用分子杂交技术,根据DNARNA转录过程中遵循的碱基互补配对原则,进行分子检测。交汇点5:基因工程中目的基因、基因表达载体的化学组成及结构,联系必修2中“DNA分子的组成、结构”交汇考查(1)DNA分子的基本组成单位:脱氧核
15、糖核苷酸。(2)DNA分子结构:DNA是由脱氧核苷酸连接而成的长链,相邻脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接;在绝大多数生物的细胞中,DNA由两条脱氧核苷酸链构成,两条链通过碱基对之间的氢键相连;少数生物细胞中存在环状双链DNA分子。【类题精练】1.基因敲除是根据DNA重组原理发展起来的一门新兴技术。通常用设计好的DNA片段替代动物细胞内的基因片段,从而达到基因敲除的目的。运用基因敲除技术构建基因敲除动物模型是研究基因功能中较为普遍的一种方法,其基本原理如图所示:请回答下列问题:(1)在将目的基因导入受体细胞前,需要构建一个基因表达载体。一个理想的基因表达载体,通常由启动子、终止子、目的基因和 等组成
16、。(2)如果要获得一只含目的基因的小鼠,则选择的受体细胞通常为 。(3)上述途径所获得的动物,其后代并非每一个个体都含目的基因,原因是 。(4)假设通过基因敲除构建了一个非球形红细胞型贫血(型)模型动物,该动物因丙酮酸激酶缺陷或葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G-6-PD)缺陷,使红细胞膜变化引起红细胞自溶现象,但向该动物注射ATP后,自溶现象可明显降低。由此可表明,基因对生物性状的控制方式之一是 。(5)某实验小组向正常小鼠胚胎细胞内导入某“X基因”后,发现靶基因能正常转录形成mRNA,但细胞内却不再合成相应蛋白质,其原因最可能是_。【解析】(1)一个理想的基因表达载体,通常由启动子、终止子、目的基
17、因和标记基因等组成。(2)动物细胞中受精卵的全能性最高,因此常被用作基因表达载体的受体细胞。(3)转基因动物为杂合子,在形成生殖细胞时等位基因发生分离,因此有的配子中含目的基因,有的配子中不含目的基因。(4)从题干信息中可看出:该基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物性状。(5)靶基因能正常转录形成mRNA,但细胞内却不能合成相应蛋白质,说明转录出来的mRNA不能作为模板合成蛋白质,该情况发生在“X基因”导入小鼠胚胎细胞内之后,因此最可能的原因是“X基因”转录出来的mRNA与靶基因转录出来的mRNA形成了杂交分子,从而抑制其控制合成相应的酶。答案:(1)标记基因(2)受精卵(3)转基
18、因动物为杂合子,在形成生殖细胞时等位基因发生分离(4)基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物性状(5)“X基因”转录形成的mRNA与靶基因控制合成的mRNA杂交,抑制其控制合成相应的酶(蛋白质)(或抑制了目的基因的翻译过程)2.干扰素是治疗癌症的药物,成分是一种糖蛋白,它必须从血液中提取,每升人血中只能提取0.05 g,所以价格昂贵。现在美国加利福尼亚的基因公司用如图所示的方式生产干扰素,试分析回答下列问题:(1)从人的淋巴细胞中取出 ,将它同质粒相结合,然后移植到酵母菌体内,让酵母菌 。(2)有人尝试将干扰素基因与大肠杆菌的质粒重组,转入大肠杆菌体内后,形成工程菌,此种操作能制备出
19、干扰素吗?,请说明理由:。(3)中国青年科学家陈炬成功地把人的干扰素基因移植到烟草的DNA分子上,使烟草获得了抗病毒的能力,试分析:人的基因之所以能移接到植物体内,其物质基础是 。烟草有了抗病能力,这表明烟草体内产生了 。这个事实说明,人和植物共用一套 ,蛋白质合成方式 (填“基本相同”或“大不相同”)。【解析】(1)从人的淋巴细胞中获取干扰素基因(目的基因),将它同质粒相结合,然后移植到酵母菌体内,让酵母菌合成人的干扰素。(2)大肠杆菌是原核生物,细胞内无内质网、高尔基体等细胞器,无法合成糖蛋白,所以形成的工程菌无法制备出具有生物活性的人的干扰素。(3)人的基因之所以能够移接到植物体内,其原因是它们具有共同的物质基础和结构基础,即DNA分子的化学组成和结构相同。烟草有了抗病能力,这表明烟草体内产生了干扰素,这个事实说明,不同生物共用一套密码子,蛋白质合成方式基本相同。答案:(1)干扰素基因 合成干扰素(2)不能 大肠杆菌是原核生物,无内质网、高尔基体等细胞器,无法合成糖蛋白(3)DNA分子的化学组成和结构基本相同 干扰素 遗传密码 基本相同
