1、第19课时基因工程及其应用学习目标1.说出基因工程的概念；2.说出基因工程的基本工具(重点)；3.阐述基因工程的基本操作(重难点)；4.举例说明基因工程的应用。|基础知识|一、基因工程的原理1.概念(1)操作对象：基因。(2)操作水平：DNA分子。(3)优点：可定向改造生物的遗传性状。2.3.操作步骤提取目的基因目的基因与运载体结合将目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定。二、基因工程的应用及安全性1.基因工程的应用(1)作物育种：目的是培育出具有抗逆性的作物新品种，如抗虫棉的培育，不仅减少了农药用量，大大降低了生产成本，而且还减少了农药对环境的污染。(2)药物研制：如生产人的胰岛素，将胰岛
2、素基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并在大肠杆菌细胞中成功表达。(3)环境保护：利用转基因细菌降解有毒有害的化合物，吸收环境中的重金属，分解泄露的石油等。2.基因工程的安全性|自查自纠|1.基因工程可以定向地改造生物的遗传性状()2.基因工程是在染色体水平上操作的一种技术()3.限制酶和其他酶一样也具有专一性(特异性)()4.限制酶和DNA连接酶作用的部位相同()5.基因工程中使用的载体包括质粒、噬菌体和动植物病毒等()6.基因工程的操作步骤包括提取目的基因、目的基因与运载体结合、将目的基因导入受体细胞和目的基因的检测与鉴定()答案1.2.3.4.5.6.|图解图说|限制酶的“剪切”与DNA连接
3、酶的“缝合”作用。转基因抗虫棉，专门破坏害虫的消化系统，导致其死亡。转基因食品安全性的争论。处理目的基因和运载体时为什么要用同一种限制酶？提示：用同一种限制酶处理目的基因和运载体，可以获得相同的黏性末端，便于将目的基因和运载体结合起来。探究点一基因工程的操作工具1.在大肠杆菌中，有一种叫做EcoR的限制酶，能够专一识别GAATTC的序列，并在G和A之间将这段序列切开。如图所示：请思考下列问题：(1)限制酶作用的部位是哪里？作用后得到的产物是什么？提示：每条脱氧核苷酸链上的磷酸二酯键。黏性末端。(2)为什么说限制酶具有专一性(特异性)?提示：一种限制酶可以识别特定的核苷酸序列，并在特定的位点上进
4、行切割。限制酶切割的是脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，不是碱基之间的氢键；切割后不一定都产生黏性末端，也可能产生平末端。2. 如图为DNA连接酶的作用示意图，请思考下列问题：(1)一般来说，要用同一种限制酶处理目的基因和运载体，其原因是什么？提示：用同一种限制酶处理目的基因和运载体，可以得到相同的黏性末端，便于DNA连接酶将它们连接起来。(2)DNA聚合酶和DNA连接酶都可形成磷酸二酯键，二者的主要区别是什么？提示：DNA聚合酶是将单个的脱氧核苷酸与脱氧核苷酸链连接起来，但DNA连接酶是将两段DNA片段连接起来。【典例1】 基因工程技术也称为DNA重组技术，其实施必须具备的四个必要条件是()A.目
5、的基因、限制酶、运载体、体细胞B.重组DNA、RNA聚合酶、限制酶、连接酶C.模板DNA、信使RNA、质粒、受体细胞D.工具酶、目的基因、运载体、受体细胞尝试解答_解析基因工程必须用到限制酶、DNA连接酶等工具酶，并且需要将目的基因与运载体结合，并导入受体细胞，所以基因工程必须具备的四个必要条件是工具酶、目的基因、运载体和受体细胞。答案D【跟踪训练】1.要将目的基因与运载体连接起来，在基因操作上应选用()A.只需DNA连接酶B.同一种限制酶和DNA连接酶C.只需限制酶D.不同的限制酶与DNA连接酶解析要将目的基因与运载体连接起来，应选用同一种限制酶切割目的基因和运载体，两者暴露出相同的黏性末端
6、，其次再用DNA连接酶将目的基因和运载体连接形成重组DNA分子。答案B探究点二基因工程的操作过程 1.基因工程的操作过程中核心步骤是什么？哪个阶段不会发生碱基互补配对？提示：目的基因与运载体结合。将目的基因导入受体细胞中。2.受体细胞为什么常采用微生物？提示：繁殖快、代谢快、目的产物多。3.如果培育转基因动物，常采用哪种受体细胞？提示：受精卵。【典例2】 某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶(Amy)基因a，通过基因工程的方法，将基因a与运载体结合后导入马铃薯植株中，经检测发现Amy在成熟块茎细胞中存在。结合图形分析下列有关这一过程的叙述，不正确的是()A.获取基因a的限制酶的作用部位是图中的B
7、.连接基因a与运载体的DNA连接酶的作用部位是图中的C.基因a进入马铃薯细胞后，可随马铃薯DNA分子的复制而复制，并传给子代细胞D.通过该技术人类实现了定向改造马铃薯的遗传性状尝试解答_解析限制酶和DNA连接酶均作用于磷酸二酯键，即处，二者作用相反，分别是打开和连接该化学键；目的基因进入受体细胞后，会随着马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞，使之产生定向变异，从而改变其遗传性状。答案B【跟踪训练】2.在基因工程中，科学家常采用细菌、酵母菌等微生物作为受体细胞，原因是()A.结构简单，操作方便B.繁殖速度快C.遗传物质含量少D.性状稳定，变异少解析基因工程的操作步骤之一是将目的基因导入受体
8、细胞，以获得该目的基因的产物，因此在选择受体细胞时，考虑的一个重要条件是受体细胞的繁殖速度要快，以便得到大量的含目的基因的细胞及产生更多的基因产物。答案B知识脉络要点晨背1.基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。2.基因工程可以按照人的意愿，定向地改造生物的遗传性状。3.基因工程的工具酶包括限制性内切酶和DNA连接酶，运输工具是运载体。4.限制酶可以识别特定的碱基序列，并在特定的位点上进行切割，限制酶切割DNA得到的产物是黏性末端。5.目的基因的受体细胞可以是微生物细胞、植物细胞及动物受精卵。1.下列关于基因工程的叙述，错误的是()A.目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物B.限制性
9、核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶C.人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性D.运载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达解析基因工程中目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物；常用的工具酶是限制性核酸内切酶和DNA连接酶；人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性，只有经过一定的物质激活以后，才能有生物活性。载体上的抗性基因主要是有利于筛选含重组DNA的细胞，不能促进目的基因的表达，所以D错误。答案D2.基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的。在基因工程操作的基本步骤中，不涉及碱基互补配对的是()A.人工合成目的基因B.目的基因与运载
10、体结合C.将目的基因导入受体细胞D.目的基因的检测与鉴定解析人工合成目的基因是将单个的核苷酸在相关的模板、酶、ATP的作用下，按照碱基互补配对原则合成双链DNA，目的基因与运载体结合的过程就是将黏性末端的碱基互补配对结合。目的基因的检测与鉴定过程中，当然也要遵循碱基互补配对原则。将目的基因导入受体细胞主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径，与碱基互补配对原则没有关系。答案C3.下列关于基因工程安全性的说法中，不正确的是()A.转基因作物的基因可通过花粉扩散到它的近亲作物上，可能出现对农业不利的“超级植物”B.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C.转基因必须在人为控制下才能完
11、成，自然条件下基因污染是不增殖和不扩散的D.转基因食品转入的蛋白质是新蛋白时，这些异种蛋白有可能引起人食物过敏解析转基因食品、生物的安全性是有待讨论的，像抗除草剂的杂草是由于基因污染而产生的。答案C4.通过DNA重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。运用这一技术可使羊奶中含有人体蛋白质，如图表示这一技术的基本过程，在该工程中所用的基因“剪刀”能识别的序列和切点是GGATCC，请据图回答下列问题：(1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是_，人体蛋白质基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中需要的酶是_。(2)人体蛋白质基因之所以能连接到羊的染色体DNA中，原因是_，人体蛋白质基因导入羊
12、细胞时常用的工具是_。(3)此过程中目的基因的检测与表达中的表达是指_。解析(1)剪取目的基因的酶是限制性核酸内切酶，将不同的DNA片段连接起来的酶是DNA连接酶。(2)不同生物的DNA化学组成和空间结构相同，即具有相同的物质基础和结构基础。目的基因导入受体细胞需先与运载体结合，最常用的运载体是质粒，也可以用动物病毒的DNA。(3)基因的表达是指基因通过控制蛋白质的合成来控制生物体的性状，即通过转录和翻译过程合成相应的蛋白质。答案(1)限制性核酸内切酶DNA连接酶(2)具有相同的物质基础和结构基础(有互补的碱基序列)细菌质粒或病毒(3)人体蛋白质基因在羊体细胞内控制合成人体蛋白质课后跟踪分层训
13、练(时间：30分钟)1.DNA整合到细胞染色体中的过程，属于()A.基因突变B.基因重组C.基因分离 D.染色体变异解析基因是有遗传效应的DNA片段，染色体由DNA和蛋白质组成，DNA整合到细胞染色体上，实现了DNA上的基因与细胞染色体内DNA上基因的重组，因此属于基因重组。答案B2.科学家们经过多年的努力创立了一种新兴生物技术基因工程，实施该工程的最终目的是()A.定向提取生物体的DNA分子B.定向地对DNA分子进行人工“剪切”C.在生物体外对DNA分子进行改造D.定向地改造生物的遗传性状解析基因工程就是通过对生物体的基因进行修饰改造，使之按照人们的意愿表现出人们所需要的性状，产生人类所需要
14、的基因产物，可见基因工程的目的是要定向改造生物的遗传性状。答案D3.据图所示，下列有关工具酶功能的叙述，不正确的是()A.限制酶可以切断a处B.DNA连接酶可以连接a处C.解旋酶可以使b处解开D.DNA连接酶可以连接b处解析限制酶和DNA连接酶作用的部位是磷酸二酯键即a处，解旋酶作用的部位是氢键即b处。答案D4.采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的做法正确的是()将毒素蛋白注射到棉受精卵中将编码毒素蛋白的DNA序列注射到棉受精卵中将编码毒素蛋白的DNA序列与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养将编码毒素蛋白的DNA序列与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵
15、A. B.C. D.解析在基因工程中，在导入目的基因前，要将目的基因与运载体结合即与细菌质粒重组。以后才能将目的基因导入受体细胞即棉的体细胞或受精卵中，目的基因导入受体细胞后，可随受体细胞的繁殖而复制。将毒素蛋白直接注射到棉受精卵中，没有获得目的基因，子代细胞不会有抗虫性状。将编码毒素蛋白的DNA序列，直接注射到棉受精卵中而没有将目的基因与运载体结合，这样的目的基因是不会被保留下来的，很容易被酶水解掉。答案C5.某种转基因玉米能高效合成一种多肽类的蛋白酶抑制剂，积累于茎叶中，让取食它的害虫的消化酶受抑制无法消化食物而死亡。下列就该玉米对人类安全性的评论中，不符合生物学原理的是()A.不安全。这
16、种玉米的果实(种子)中也可能含有蛋白酶抑制剂，使人食用后因无法消化食物而患病B.不安全。该玉米的蛋白酶抑制剂基因可通过食物链富集并在人体细胞内表达，使人体无法消化食物而患病C.安全。因为人与害虫消化酶的结构存在差异，玉米的蛋白酶抑制剂对人体很可能无影响D.安全。人类通常食用煮熟的玉米食品，玉米的蛋白酶抑制剂已被高温破坏，不会影响人的消化解析基因是有遗传效应的DNA片段，属于大分子有机物，外源基因进入动物和人体的消化道后会被消化成小分子物质，不能直接进入动物和人体细胞内，更谈不上通过食物链富集并在细胞内表达。答案B6.下列关于转基因生物与环境安全的叙述中，错误的是()A.重组的微生物在降解污染物
17、的过程中可产生二次污染B.种植抗虫棉可以减少农药的使用量，对环境没有任何负面影响C.如果转基因花粉中含有毒蛋白或过敏蛋白，可能会通过食物链传递到人体内D.转基因生物有可能对生态系统的稳定性和人类的生活环境造成破坏解析种植抗虫棉虽然可以减少农药的使用量，但由于抗虫害的转基因作物的长期大量种植，会使目标害虫发生群体改变，产生抗性，更难杀灭。答案B7.下列黏性末端由同一种限制酶切割而成的是()A. B.C. D.解析同一种限制酶切割出的黏性末端应是互补的，而且两者的序列相同，是互补的，切点都是在G与A之间，识别序列为GAATTC。答案B8.下列关于基因工程的叙述，正确的是()A.通常用一种限制性核酸
18、内切酶处理含目的基因的DNA，用另一种处理质粒的DNAB.DNA连接酶和运载体是构建重组质粒必需的工具酶C.可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒D.质粒是广泛存在于细菌细胞质中的一种颗粒状的细胞器解析为了使目的基因与运载体能完美地结合，必须用同一种限制性核酸内切酶切出相同的黏性末端；运载体是基因工程的工具之一，不属于酶；质粒是存在于许多细菌以及酵母菌等生物的细胞中的小型环状DNA分子，不属于细胞器。答案C9.近几年，基因污染已经引起人们的广泛关注。基因污染是指在天然物种的DNA中嵌入了人工重组基因，这些外来基因可随被污染生物的繁殖、传播而发生扩散。下列叙述错误的是()A.基因工
19、程间接导致了基因污染B.基因工程破坏了生物原有的基因组成C.基因工程是通过染色体的重组发生基因交换，从而获得了生物的新性状D.人类在发展基因工程作物时，没有充分考虑生物和环境之间的相互影响解析基因工程的原理是基因重组，不是染色体重组。答案C10.下图表示一项重要生物技术的关键步骤，字母X可能代表()A.不能合成胰岛素的细菌细胞B.能合成抗体的人类细胞C.能合成胰岛素的细菌细胞D.不能合成抗生素的人类细胞解析在此过程中目的基因为人类的胰岛素基因，导入细菌细胞后，可使细菌细胞合成胰岛素。答案C11.如图是基因工程主要技术环节的一个基本步骤，这一步骤需用到的工具是()A.DNA连接酶和解旋酶B.DN
20、A聚合酶和限制性核酸内切酶C.限制性核酸内切酶和DNA连接酶D.DNA聚合酶和RNA聚合酶解析该步骤是基因工程的第二步目的基因与运载体结合。切割质粒要用限制性核酸内切酶，目的基因与切割后的质粒结合要用DNA连接酶。答案C12.由于乙肝病毒不能用动物细胞来培养，因此无法用细胞培养的方法生产疫苗，但可用基因工程的方法进行生产，现已知病毒的核心蛋白和表面抗原蛋白的氨基酸序列，生产示意图如下，下列相关说法不正确的是()乙肝病毒有关基因细菌大量生产疫苗A.生产乙肝疫苗的过程也达到了定向改造细菌的目的B.在过程中需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶C.用于生产疫苗的目的基因为编码核心蛋白的基因和表面抗原蛋白
21、基因D.这种转基因的细菌一定是安全的，不用担心其扩散到自然界解析上述过程应用了基因工程技术，能定向改造生物的遗传性状，在操作时要应用限制酶来获得目的基因，并用DNA连接酶使之与运载体结合，该过程的目的基因为表面抗原蛋白基因和编码核心蛋白的基因，转基因生物的安全性还存在争议，无法判断其安全性，应避免其扩散进入自然界。答案D13.人们试图利用基因工程的方法，用乙种生物生产甲种生物的一种蛋白质，请根据下面的示意图回答下列问题：获得甲种生物合成该蛋白质的信使RNA目的基因与质粒DNA重组导入乙种生物细胞获得甲种生物的蛋白质(1)操作过程需要加入的四种核苷酸是_。(2)质粒是常用的运载体，它存在于许多细
22、菌以及酵母菌等生物中。它常含有_基因，这种基因有助于对受体细胞是否导入了目的基因进行检测。过程首先要用_酶切断质粒DNA，再用_酶将目的基因与质粒DNA连接重组在一起。(3)在操作过程中，若目的基因的黏性末端为，则其运载体(质粒)与之相对应的黏性末端是_。(4)经过过程导入受体细胞的质粒是否能够自主复制？_。解析第(1)问考查的是利用人工合成的方法合成目的基因，基因的基本组成单位是脱氧核苷酸(4种)；第(2)问，基因工程中最常用的运载体是大肠杆菌的质粒；目的基因和运载体的连接，需要产生相同的黏性末端，所以要用同一种限制性核酸内切酶切割，再在DNA连接酶的作用下连接起来；质粒带着目的基因在宿主细
23、胞中能够自主复制。答案(1)腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸(2)抗药性(答出具体抗菌素的抗性也可)限制性核酸内切DNA连接(3)(4)能14.棉铃虫是一种严重危害棉花的害虫。我国科学工作者发现一种生活在棉铃虫消化道内的苏云金芽孢杆菌能分泌一种毒蛋白使棉铃虫致死，而这种毒蛋白对人畜无害。通过基因工程方法，我国已将毒蛋白基因转入棉花植株并成功表达。由于棉铃虫吃了这种转基因棉花的植株后就会死亡，所以该棉花新品种在1998年推广后，已取得了很好的经济效益。请根据上述材料回答下列问题：(1)毒蛋白对人畜无害，但能使棉铃虫致死，从蛋白质特性来看，是因为蛋白质具有_
24、。(2)利用苏云金芽孢杆菌防治棉铃虫属于生物防治，它突出的优点是_。(3)转基因棉花的抗虫变异来源属于可遗传变异类型中的_。(4)从苏云金芽孢杆菌中切割抗虫基因所用的工具是_，其特点是_。(5)进行基因工程操作一般要经过的四个步骤是_、_、_、_。(6)“毒蛋白基因转入棉花植株内并成功表达”的含义是_。解析每种蛋白质分子往往都有特定的结构和功能，具有特异性。区别于化学防治，生物防治的优点可以减少农药的用量，减少了对环境的污染。转基因技术的原理是基因重组，所谓基因的表达就是基因在受体细胞内通过转录和翻译合成蛋白质的过程。答案(1)特异性(2)不用农药或少用农药，减少了对环境的污染(3)基因重组(
25、4)限制酶一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子(5)提取目的基因目的基因与运载体结合将目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定(6)棉花植株产生了苏云金芽孢杆菌的毒蛋白15.质粒是基因工程中最常用的运载体，质粒上有标记基因，如图所示，通过标记基因可推知外源基因插入的位置，插入位置不同，细菌在培养基上的生长情况也不同。如图表示外源基因的插入位置(插入点有a、b、c)。.(1)质粒的基本组成单位是_。(2)将细菌放在含有四环素、氨苄青霉素的培养基中培养，属于基因工程操作中的_步骤。(3)在插入外源基因过程中用到的工具酶有_ _。.设计实验探究外源基因插入的位置。(
26、1)步骤：将导入外源基因的细菌进行培养产生大量细菌。分组：将细菌平均分成两组并标号为1、2。培养：将第1组细菌放入_中培养，将第2组细菌放入_中培养。观察并记录结果。(2)预测实验结果及结论：若第1组、第2组均能正常生长，则外源基因插入点是_。若第1组能正常生长，第2组不能生长，则外源基因插入点是_。若第1组不能生长，第2组能生长，则外源基因插入点是_。解析.质粒是一种小型环状DNA分子，含有标记基因是作为运载体的前提，它可以用于目的基因的检测与鉴定。.若目的基因插入b或c处时就会破坏运载体上原有的标记基因，使细菌不再具有相应的抗性性状，所以应放在含有不同抗生素的培养基上进行培养，观察结果得出相应结论。答案.(1)脱氧核苷酸(2)目的基因的检测与鉴定(3)限制性核酸内切酶、DNA连接酶.(1)含氨苄青霉素的培养基含四环素的培养基(2)acb