高考生物总复习鸭专题一基因工程学案

专题一基因工程

第1 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：①艾弗里证明了DNA是遗传物质。②沃森与克里克阐明了DNA分子的双螺旋结构。③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D NA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：①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。

②限制酶的作用对象是DNA，不是RNA。③限制酶识别的核苷酸序列越短，目标DNA被切割的概率越大。④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

2．DNA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DNA

3.载体“分子运输车”

（1）作用：①作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞内。②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：①能在宿主细胞内稳定保存并大量复制。②有多钟限制酶的切点，以便与外源基因连接。③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λ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 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

①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。

②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

①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。

②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。

③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90～95℃DNA解链。

第二步：退火（复性）。冷却到55～60℃，引物结合到互补DNA链。

第三步：链延伸。加热至70～75℃，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：α.TaqDNA聚合酶的特点是耐高温。

β.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(3…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

①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。

②终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的尾端。

③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