高三生物基因工程的基本内容人教版知识精讲

高三生物基因工程的基本内容人教版
【本讲教育信息】
一本周教学内容：
基因工程的基本内容
二学习内容：
本周复习基因工程的操作过程，理解基因工程操作的基本步骤，理解如何提取目的基因，怎样将目的基因导入受体细胞，怎样鉴定试验的成果等等。

了解基因工程对现代社会的贡献及基因工程应用的发展。

三学习重点：
1 运载体的基本条件
2 基因工程的基本操作步骤
3 基因工程的应用和发展
四学习难点：
1 基因工程的操作步骤
2 基因工程应用的两面性
五学习过程：
（一）概念：基因工程——又叫基因拼接技术或DNA重组技术。

是指在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物。

（二）基因操作的工具
1 抗虫棉的培育：将抗虫的基因从某种生物（如苏云金芽孢杆菌）中提取出来，“插入”到棉花的细胞中，与棉细胞中的DNA结合起来，在棉中发挥作用。

2 技术要点
首先：从苏云金芽孢杆菌的一个DNA分子上辨别出所需要的基因，并且把它切割下来其次：将切割下来的抗虫基因与棉的DNA“缝合”起来
A 基因的剪刀——限制性内切酶
全称：DNA限制性内切酶（以下简称限制酶）。

经发现了200多种限制酶）
特点：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
例如：从大肠杆菌中发现的一种限制酶只能识别GAATTC序列，并在G和A间切开。

补充知识：
（1）限制性内切酶可以水解侵入细菌的外源性DNA分子，保护细菌自身
（2）每种限制性内切酶能识别DNA中4－6个核苷酸的特殊序列
（3）细菌自身相同序列被修饰（甲基化）而不被水解
（4）限制酶能产生交错切口，形成黏性末端
B 基因的针线——DNA连接酶
黏性末端：被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，它们之间正好互补配对，这样的切口叫做黏性末端。

DNA连接酶：两种切割，然后让两者的黏性末端通过互补的碱基黏合起来，DNA连接酶在断口处把两条DNA末端之间的缝隙“缝合”起来——形成共价键
C 基因的运输工具——运载体
作用：要将一个外源基因，送入受体细胞。

条件：
①能够在宿主细胞中复制并稳定地保存进行复制、表达
②具有多个限制酶切点以便与外源基因连接
③具有某些标记基因便于进行筛选
常用运载体：质粒、噬菌体和动植物病毒等。

质粒：是基因工程最常用的运载体，最常用的质粒是大肠杆菌的质粒
存在于许多细菌以及酵母菌等生物中，是细胞染色体外能够自主复制的很小的环状DNA分子。

特点：①含有抗性基因：大肠杆菌质粒中常含抗药基因如：抗四环素的标记基因
②基因组很小：细菌质粒的大小只有普通细菌染色体DNA的百分之一
③质粒能够“友好”地“借居”在宿主细胞中。

一般来说，质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性的作用。

④质粒的复制则只能在宿主细胞内完成。

杆菌等细菌中都有质粒。

（土壤农杆菌很容易感染植物细胞，使细胞生有瘤状物。

培
育转基因植物时，常常用土壤农杆菌中的质粒做运载
体。

）
（三）基因操作的基本步骤
A 提取目的基因
目的基因：是人们所需要的特定基因
苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因
植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因
种子的贮藏蛋白的基因
人的胰岛素基因、干扰素基因等
主要途径：① 从供体细胞的DNA 中直接分离基因 ② 人工合成基因。

（1）直接分离基因：最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“散弹射击法”。

具体操作：供体细胞中的DNA −−−→−限制酶切成许多片段−−−→−运载体重组DNA →受体
细胞（大量复制）→基因扩增→分离含有目的基因的细胞→把带有目的基因的DNA 片段分离出来
优点：操作简便
缺点：① 工作量大，具有一定的盲目性
② 真核细胞的基因含有不表达的DNA 片段，不能直接用于基因的扩增和表达 主要应用：如许多抗虫、抗病毒的基因都可以用上述方法获得。

（2）人工合成基因：
① 逆转录法
以目的基因转录成的信使RNA 为模板，反转录成互补的单链DNA ，然后在酶的作用下合成双链DNA ，从而获得所需要的基因。

目的基因mRNA −−−→−逆转录单链DNA −−−−→−人工合成双链DNA （目的基因序列）
② 化学合成法
根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA 序列，然后按照碱基互补配对原则，推测出它的结构基因的核苷酸序列，再通过化学方法，以单核苷酸为原料合成目的基因
蛋白质氨基酸序列−−→−推导mRNA 序列−−→−推导DNA 序列−−−−→−人工合成目的基因
优点：目的性强，比较容易获得真核基因序列
缺点：操作技术性强，不容易获取，基因表达不容易控制
主要应用：如人的血红蛋白基因、胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得。

重要发展：DNA序列自动测序仪对提取出来的基因进行核苷酸序列分析，扩增DNA
技术（也叫
−→
−氯化钙−
−繁殖
−
−
−→
g干扰素/300L血液20～40mg干扰素/1g细菌培养物比较基因工程方法生产产量高、效果稳定、成本低，适于工厂化生产
基因工程药物：
蛋白质产品：胰岛素、干扰素、白细胞介素、溶血栓剂、凝血因子、人造血液代用品等
疫苗产品：预防乙肝、狂犬病、百日咳、霍乱、伤寒、疟疾等疾病的各类疫苗。

B基因诊断与基因治疗
基因工程技术还可以直接用于基因的诊断和治疗。

（1）基因诊断：用放射性同位素（如）、荧光分子等标记的DNA分子做探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。

基本原理：分子杂交
诊断病例：
①病毒性疾病：利用DNA探针可以迅速地检出肝炎患者的肝炎病毒、肠道病毒、单纯疱疹病毒等多种病毒。

②诊断遗传性疾病：用β－珠蛋白的DNA探针检测出镰刀状细胞贫血症，苯丙氨酸羟化酶基因探针检测出苯丙酮尿症。

③肿瘤诊断中的应用：用白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的DNA探针，可以用来检测白血病。

（2）基因治疗：把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的病例试验：
半乳糖血症：常染色体单基因隐性遗传病
病理：乳糖代谢异常
由于细胞内半乳糖苷转移酶基因缺陷而缺少半乳糖苷转移酶，因此当乳糖分解成半乳糖后，不能继续转化为葡萄糖，过多的半乳糖在体内积聚，会引起肝、脑等功能受损治疗：体外试验水平
用带有半乳糖苷转移酶基因的噬菌体侵染患者的离体组织细胞，结果发现这些组织细胞能够利用半乳糖了
结论：用基因替换的方法治疗这种遗传病是可能的
基因治疗并非对致病基因进行修复
该种治疗方法并不能稳定遗传
（五）基因工程与农牧业、食品工业
1 主要应用：培育高产、优质或具有特殊用途的动植物新品种。

（1）通过基因工程技术获得高产、稳产和具有优良品质的农作物。

如：用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量。

实验：将菜豆储存蛋白的基因转移到向日葵中，培育出了“向日葵豆”植株
前景：如果以此作为技术基础，把大豆蛋白的基因转移到水稻、小麦等粮食作物中，就可以提高这些作物的蛋白质含量，改善它们的品质。

（2）用基因工程的方法培育出具有各种抗逆性的作物新品种。

原理：抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。

如抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等（自然界中细菌身上几乎可以找到植物所需要的各种抗性）
例如：抗虫的烟草、番茄、马铃薯、玉米、大豆、油菜、棉等作物，抗黄瓜花叶病毒、苜蓿花叶病毒的作物，以及抗除草剂的植物等
（3）基因工程在畜牧养殖业上的应用：
实验前景：
①特殊动物：
将人生长素基因和牛生长素基因分别注射到小白鼠的受精卵，得到体型巨大的“超级小鼠”
②乳房反应器
利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内的表达，从这些动物的乳腺细胞中获得人类所需要的各类物质，如激素、抗体及酶类等。

③开辟新的食物物中获得人们所需要的糖类、脂肪和维生素等产品。

转基因西红柿：西红柿的成熟需要一种起催化作用的蛋白酶参与反应，他们先将编码这种蛋白酶的基因从西红柿植株中克隆出来，接着又克隆了它的互补基因，将互补基因转入西红柿植株后即转录生成了一种互补的mRNA，它与原来该蛋白酶基因正常转录的mRNA碱基互补配对形成双链片段，使后者不能正常地翻译合成催化西红柿成熟作用需要的蛋白酶，末成熟的西红柿有利于长期保存、保鲜和运输。

需要供应市场时，只要用微量的乙烯气体对未成熟的西红柿熏一次，很快就能获得成熟的西红柿
（六）基因工程与环境保护
1 用于环境监测——用DNA探针可以检测饮用水中病毒的含量
方法：使用一个特定的DNA片段制成探针，与被检测的病毒DNA杂交，从而把病毒检测出来
特点：快速、灵敏
（用传统方法进行检测，一次需要耗费几天或几个星期的时间，精确度也不高。

用DNA 探针只需要花费一天的时间，并且能够大幅度地提高检测精度，据报道，1t水中有10个病毒也能检测出来。

）
2 用于被污染环境的净化——工程菌分解环境污染物
“超级细菌”：把能分解三种烃类的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”
假单胞杆菌：异养需氧型
【模拟试题】
一选择题
1 科学家们经过多年的努力，创立了一种新兴的生物技术——基因工程，实施该工程的最终目的是（）
A 定向提取生物体DNA分子
B 定向对DNA分子进行人工“剪切”
C 定向改造生物的遗传性状
D 在生物体外对DNA分子进行改造
2 下列哪项不是基因工程中用来运载目的基因的载体（）
A 细菌质粒
B 噬菌体
C 动植物病毒
D 细菌核区的DNA
3 基因工程中，常用的细菌、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
4 质粒是基因工程中最常用的运载体，它的主要特点是（）
①能自主复制②不能自主复制③结构很小
④蛋白质⑤环状RNA ⑥环状DNA
⑦能“友好”地“借居”
A ①③⑤⑦
B ②④⑥
C ①③⑥⑦
D ②③⑥⑦
5 在基因工程中用来修饰改造生物基因的工具是（）
A 限制酶和连接酶
B 限制酶和水解酶
C 限制酶和运载体
D 连接酶和运载体
6 有关基因工程的叙述正确的是（）
A 限制性内切酶只在获得目的基因时才用
B 重组质粒的形成在细胞内完成
C 质粒都可作运载体
D 蛋白质的结构可为合成目的基因提供资料
7 不属于目的基因与运载体结合过程的是（）
A 用一定的限制酶切割质粒露出黏性末端
B 用同种限制酶切割目的基因露出黏性末端
C 将切下的目的基因的片段插入到质粒切口处
D 将重组DNA导入受体细胞中进行扩增
8 科学家将含有人的抗胰蛋白酶基因的DNA片段注射到羊的受精卵中，该受精卵发育的羊能分泌含抗胰蛋白酶的奶。

这一过程涉及（）
①DNA按照碱基互补配对原则自我复制
②DNA以其一条链为模板合成RNA
③RNA以自身为模板自我复制
④按照RNA密码子的排列顺序合成蛋白质
A ①③
B ③④
C ①②③
D ①②④
9 实施基因工程第一步的一种方法是把所需的基因从供体细胞内分离出来，这要利用限制性内切酶。

从大肠杆菌中提取的一种限制性内切酶ECORI，能识别DNA分子中的GAA TTC 序列，切点在G与A之间。

这是应用了酶的（）
A 高效性
B 专一性
C 多样性
D 催化活性受外界条件影响
10 基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的，在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的步骤是（）
A 人工合成目的基因
B 目的基因与运载体结合
C 将目的基因导入受体细胞
D 目的基因的检测和表达
11 下列有关基因工程技术的叙述中正确的是（）
A 重组DNA技术所用的工具酶是限制酶、连接酶和运载体
B 所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列
C 选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细菌繁殖快
D 只要目的基因进入了受体细胞就能成功实现表达
12 下列说法正确的是（）
A DNA连接酶最初是从人体细胞中发现的
B 限制酶的切口一定是GAA TTC碱基序列
C 质粒是基因工程中惟一用作运载目的基因的运载体
D 利用运载体在宿主细胞内对目的基因进行大量复制的过程可称为“克隆”
13 下列关于限制酶的说法不正确的是（）
A 限制酶广泛存在于各种生物中，微生物中很少分布
B 一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列
C 不同的限制酶切割DNA的切点不同
D 限制酶的作用是用来提取目的基因
二非选择题
1 番茄在运输和贮藏过程中，由于过早成熟而易腐烂。

应用基因工程技术，通过抑制某种促进果实成熟激素的合成能力，可使番茄贮藏时间延长，培育成耐贮藏的番茄新品种，这种转基因番茄已于1993年在美国上市。

请回答：
（1）促进果实成熟的重要激素是_______。

（2）在培育转基因番茄的基因操作中，所用的基因的“剪刀”是__________，基因的“针线”是________，基因的“运输工具”是__________。

（3）与杂交育种、诱变育种相比，通过基因工程来培育新品种的主要优点是________、__________和_________。

2 科学家通过基因工程培育抗虫棉时，需要从苏云金芽孢杆菌中提取出抗虫基因，“放入”棉的细胞中与棉的DNA结合起来并发挥作用，请回答下列有关问题：
（1）从苏云金芽孢杆菌中切割抗虫基因所用的工具是______，此工具主要存在于______，其特点是______________ 。

（2）苏云金芽孢杆菌一个DNA分子上有许多基因，获得抗虫基因常采用的方法是“鸟枪法”。

具体做法是：用______将苏云金芽孢杆菌的_____切成许多片段，然后将这些片段再通过_________转入不同的受体细胞，让它们在各个受体细胞中大量__________，从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把______分离出来。

（3）进行基因操作一般要经过的四个步骤是：_______、_______、_______、_______。

3 干扰素是治疗癌症的重要物质，人血液中每升只能提取干扰素，因而其价格昂贵，平民百姓用不起。

但美国有一家公司用遗传工程方法合成了价格低廉、药性一样的干扰素，其具体做法是：
（1）从人的淋巴细胞中提取能指导干扰素合成的_____ ，并使之与一种叫质粒的DNA 结合，然后移植到酵母菌内，从而让酵母菌来_____ 。

（2）酵母菌能用_____方式繁殖，速度很快，所以能在较短的时间内大量生产____。

利用这种方法不仅产量高，并且成本较低。

（3）科学家陈炬在这方面也做出突出贡献，他成功地把人的干扰素基因嫁接到了烟草的DNA分子上，其物质基础和结构基础是___________。

（4）烟草具有了抗病毒能力，这表明烟草体内产生了___________，由此可见，烟草和人体合成蛋白质的方式是_________，从进化的角度来考虑，证明了人和植物的起源是_____________。

4 利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，基因中碱基配对的规律都是_____。

（3）人的基因在异种生物细胞中表达成蛋白质时，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ATRNA的分子量应为_______；若氨基酸的平均分子量为90，该胰岛素的分子量约为_______。

（2）不同生物间基因移植成功，说明生物共有_____套，从进化的角度看，这些生物具有_________________。

（3）某个DNA分子被“嫁接”上或“切割”掉某个基因，实际并不影响遗传信息的表达功能。

这说明________________。

（4）该工程应用于实践，将给农业、医药等诸多领域带来革命，目前已取得了许多成就，请你列举你所知道的或你所设想应用该工程的三个具体实例：。

8 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，对农作物危害仍然很严重，如近年来，棉铃虫在我国大面积爆发成灾，造成经济损失每年达100亿元以上，针对这一情况，江苏农科院开展“转基因抗虫棉”的科技攻关研究，成功地将抗虫基因导入棉花细胞中，得到的棉花新品种批准正式启动。

请回答：
①害虫抗药性的增强是_________的结果。

②“转基因抗虫棉”抗害虫的遗传信息传递过程可以表示为。

③该项科技成果在环境保护上的重要作用是 _____________________
④科学家们预言，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_______。

【试题答案】
一选择题
1 C
2 D
3 B
4 C
5 A
6 D
7 D
8 D
9 B 10 C
11 C 12 D 13 A
二非选择题
1
（1）乙烯
（2）限制性内切酶；DNA连接酶；运载体
（3）目的性强；育种周期短；克服远缘杂交的障碍
2
（1）限制性内切酶；微生物；一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的位点切割
（2）限制性内切酶；DNA；运载体结合；复制带有目的基因的DNA片断
（3）提取目的基因；目的基因与载体结合；将目的基因导入受体细胞；目的基因的检测与表达
3
（1）干扰素基因；合成干扰素
（2）出芽生殖；干扰素
（3）都是脱氧核苷酸组成的，都具有双螺旋结构
（4）人的干扰素基因；相同的；相同的
4
（1）蛋白质的合成
（2）脱氧核苷酸；A对T、C对G
（3）转录；信使RNA ；转运RNA；核糖体；4 ；20；转运RNA
（4）雌、雄
5
（1）线粒体是细胞的能量工厂，能为卵细胞提供足够能量
（2）不对。

虽然线粒体中含有DNA，卵细胞的细胞质具有捐赠妇女的DNA，但由于卵细胞的遗传物质主要在细胞核上，细胞质中的线粒体只含有很少量的DNA （3）美国科学家的观点是正确的。

婴儿细胞内只是加入了捐赠者少量的线粒体DNA，并没有改变原不育母亲的DNA
（4）（合理即可）如：支持者认为，此项技术可防止人类多种先天性遗传病。

反对者认为：违反自然规律，带来基因歧视，重演纳粹德国汰弱留强，制造“优良人种”之暴行。

6
（1）蛋白质
（2）限制性内切酶；DNA连接酶
（3）人和植物的DNA分子，具有相同的结构（双螺旋结构）和化学组成（基本组成单位）
（4）人的干扰素基因；遗传密码；都是转录和翻译
（5）亲缘
7
（1）306；51×3×300=459000；5×90－49×18=3708。

（2）一套；遗传密码；有着共同的原始祖先。

（3）因为基因是有遗传效应的DNA片段。

（4）将抗病毒基因嫁接到水稻体中，形成抗病毒水稻新品种；将人的血型基因移入猪体内，培育人血的猪；将干扰素基因移入细菌体内，培育出能产生干扰素的细菌。

8
（1）农药对害虫抗药性的变异进行定向的选择，使抗药性强的个体生存下来，经过逐代积累，使害虫的抗药性得以增强。

（2）DNA（基因）→RNA→蛋白质
（3）减少农药对环境的污染，保护生态平衡
（4）基因突变。