2025版高考生物一轮总复习教案选择性必修3第十单元生物技术与工程第七讲基因工程的基本操作程序和应用及蛋白质工程考点一基因工程的基本操作程序

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考点一 基因工程的基本操作程序
必备知识·夯实基础
知|识|巩|固
1．目的基因的筛选与获取
(1)目的基因：在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。
(2)筛选合适的目的基因
①从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选是较为有效的方法之一。
②利用序列数据库和序列比对工具进行筛选。
(3)目的基因的获取
①人工合成目的基因。
②常用PCR特异性地快速扩增目的基因。
2．基因表达载体的构建——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，并且可以遗传给下一代，同时，使目的基因能够表达和发挥作用。
(2)基因表达载体的组成及作用
(3)构建过程
3．将目的基因导入受体细胞
辨析
(1)转化：目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。此处“转化”与肺炎链球菌转化实验中的“转化”含义相同，实质都是基因重组。
(2)农杆菌转化法中的两次拼接和两次导入：第一次拼接是将目的基因拼接到Ti质粒的T－DNA上，第二次拼接(非人工操作)是指插入目的基因的T－DNA拼接到受体细胞的染色体DNA上；第一次导入是将含目的基因的Ti质粒导入农杆菌，第二次导入(非人工操作)是指含目的基因的T－DNA导入受体细胞。
(3)农杆菌特点
①能在自然条件下侵染双子叶植物和裸子植物，而对大多数单子叶植物没有侵染能力。
②农杆菌细胞内含有Ti质粒，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的T－DNA转移到被侵染的细胞，并且将其整合到该细胞的染色体DNA上。
4．目的基因的检测与鉴定
思|维|辨|析
易错整合，判断正误。
(1)引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。( √ )
(2)构建基因表达载体是基因工程的核心工作。( √ )
(3)启动子是一段有特殊序列结构的DNA片段，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动DNA的复制过程。( × )
(4)将生物的所有DNA通过注射或花粉管通道法转入植物细胞中，就可获得具有理想性状的转基因植物。( × )
(5)转化是指目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。( √ )
(6)Ti质粒上的T－DNA可携带目的基因进入受体细胞，并可将目的基因整合到该细胞的染色体DNA中。( √ )
延|伸|探|究
1．利用PCR扩增目的基因时，为什么要用2种不同的引物？
提示：DNA是两条反向平行的双链结构，而复制时只能从固定的方向(模板链的3′端)开始，所以引物的碱基序列是不同的。
2．为什么切割含有目的基因的DNA片段和载体要选用同一种限制酶？是否只能用同一种限制酶？
提示：选用同一种限制酶切割会产生相同的末端，可以在DNA连接酶的作用下将切割的目的基因和载体连接起来。也可以使用能产生相同末端的限制酶切割。
3．在用土壤农杆菌转化法将目的基因导入植物细胞的过程中，为什么一定要将目的基因插入到Ti质粒的T－DNA上？
提示：Ti质粒上的T－DNA也称为可转移的DNA，可转移至受体细胞，并且整合到受体细胞染色体DNA上。
剖析难点·考点突破
重|难|精|讲
1．PCR技术和DNA复制的比较
归纳总结：(1)在PCR过程中实际加入的为dNTP(即dATP、dGTP、dTTP、dCTP)，既可作为合成DNA子链的原料，又可为DNA的合成提供能量。
(2)引物既可以是DNA单链，也可以为RNA单链。细胞内的DNA进行复制时，也需要引物，一般为RNA片段。
(3)真核细胞和细菌的DNA聚合酶都需要Mg2＋激活。因此，PCR反应缓冲溶液中一般要添加Mg2＋。
(4)PCR扩增过程中的循环图示与规律
2.如何筛选出含有目的基因的受体细胞
(1)原理：将目的基因插入含有两种抗生素抗性基因的载体时，如果目的基因插入某种抗生素抗性基因内部，则会导致该抗生素抗性基因失活。如图，目的基因插入了四环素抗性基因内部，则四环素抗性基因失活。
(2)被转化的大肠杆菌有三种：含环状目的基因的大肠杆菌、含重组质粒的大肠杆菌、含质粒的大肠杆菌。
(3)筛选方法：将大肠杆菌先放在含氨苄青霉素的培养基上培养，能生长的是含重组质粒的大肠杆菌和含质粒的大肠杆菌，如图1、2、3、4、5菌落，再利用灭菌的绒布影印到含有四环素的培养基上，如图能生长的菌落为2、3、4，则在含四环素培养基上不生长的即为含有目的基因的菌落，如图1、5菌落。最后，可在含氨苄青霉素的培养基上挑取1、5菌落进行培养。
3．启动子、终止子、起始密码子、终止密码子对比
精|准|命|题
考向一 结合PCR技术的操作和应用，考查科学思维能力
》例1 (2024·天津模拟)PCR技术是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，使目的DNA得以迅速扩增。其简要过程如图所示。下列关于PCR技术叙述错误的是 ( C )
A．PCR反应中新合成的DNA又可以作为下一轮反应的模板
B．PCR技术制备大量DNA时引物要被不断消耗
C．DNA的合成方向总是从子链的3′端向5′端延伸
D．应用PCR技术与探针杂交技术可以检测特定的基因
解析： PCR反应中新合成的DNA又可以作为下一轮反应的模板，A正确；PCR 技术制备大量DNA 时引物要被不断消耗，B正确；DNA的合成方向总是从子链的5′端向3′端延伸，C错误；应用PCR技术与探针杂交技术可以检测特定的基因，D正确。
〔变式训练〕 (2024·江苏百校联考)重叠延伸PCR技术是一种通过寡聚核苷酸链之间重叠的部分互相搭桥、互为模板，经过多次PCR扩增，获得目的基因的方法。该技术在扩增较长片段的DNA、不同来源的DNA片段拼接、基因的定点诱变等方面具有广泛的应用前景，下图表示利用重叠延伸PCR技术扩增某目的基因的过程。下列叙述正确的是( B )
A．引物中G＋C的含量越低，引物与模板DNA结合的稳定性越高
B．在第一阶段由于引物2和引物3发生碱基互补配对，因此两者置于不同反应系统中
C．引物1、2组成的反应系统和引物3、4组成的反应系统中均进行一次复制后，共产生4种双链DNA分子
D．在引物1、2组成的反应系统中，经第一阶段要形成图示双链DNA，至少要经过3次复制
解析：C与G之间有3个氢键，A与T之间有2个氢键，因此引物中G＋C的含量越高，引物与模板DNA结合的稳定性越高，A错误；由图可知，引物2和引物3分别作用于同一段DNA的两条链，二者会发生碱基互补配对，因此需将它们置于不同反应系统中，B正确；引物1、2组成的反应系统和引物3、4组成的反应系统中均进行一次复制后，各产生2种双链DNA分子，由于引物1和引物4合成的DNA属于同一种DNA，因此共产生了3种双链DNA分子，C错误；在引物1、2组成的反应系统中，经第一阶段要形成题图所示双链DNA，至少要经过2次复制，D错误。
考向二 围绕基因工程的基本操作程序，考查科学思维能力
》例2 (2024·中原名校联盟)某质粒上有SalⅠ、HindⅢ、BamHⅠ三种限制酶切割位点，同时还含有抗四环素基因和抗氨苄青霉素基因。利用此质粒获得转基因抗盐烟草的过程，如下图所示。请回答下列问题：
(1)将目的基因导入植物细胞，采用最多的方法是农杆菌转化法。其中用到的质粒是Ti质粒；该质粒含有一段特殊的DNA片段，称为T－DNA。该方法中农杆菌的作用是感染烟草细胞，把目的基因插入到烟草细胞的染色体DNA上。
(2)在构建重组质粒时，和只用一种酶切割目的基因的两端及质粒相比，选用HindⅢ和SalⅠ两种酶的好处是防止目的基因自连和质粒自连，以提高带有目的基因的重组质粒的合成效率；防止目的基因与质粒反向连接。
(3)含有目的基因的农杆菌可根据标记基因进行筛选。若农杆菌在含有氨苄青霉素和四环素的培养基上都可以生长繁殖，农杆菌中是否已含有目的基因？否(填“是”或“否”)。为什么？含有目的基因的质粒中抗四环素基因被破坏。
(4)将已经转化的农杆菌进行如下操作，筛选出符合要求的农杆菌。先把转化的农杆菌接种到A培养基中培养，长出菌落后，用无菌牙签挑取A上的单个菌落，分别接种到B(含氨苄青霉素)和C(含四环素和氨苄青霉素)两个培养基的相同位置上，一段时间后，菌落的生长状况如图所示。含目的基因的菌落位于B或C上的哪些菌落中？请在图中相应的位置上圈出来。
答案：(4)
课标要求
核心素养
1.阐明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的筛选与获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞和目的基因的检测与鉴定等步骤。
2．举例说明基因工程在农牧食品及医药等行业的广泛应用改善了人类生活品质。
3．概述人们根据基因工程原理进行蛋白质设计和改造、可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。
4．举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。
5．活动：利用聚合酶链式反应(PCR)扩增DNA片段并完成电泳鉴定，或运用软件进行虚拟PCR实验。
1.构建基因工程和蛋白质工程操作模型，明确原理。(科学思维)
2．通过“DNA片段的扩增及电泳鉴定”实验，培养实验与探究能力。(科学探究)
3．通过分析基因工程的应用，明确基因工程技术中的安全性问题。(社会责任)
生物
种类
植物
动物
微生物
常用
方法
农杆菌转化法、花粉管通道法
显微注射法
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Ti质粒的T－DNA中→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的染色体DNA上→表达
将含有目的基因的表达载体提纯→取卵(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→细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态→基因表达载体导入
循环次数
1
2
3
n
DNA分子数
2
4
8
2n
含引物A(或
B)的DNA
分子数
1
3
7
2n－1
同时含引
物A、B的
DNA分子数
0＝21－2
2＝22－2
6＝23－2
2n－2
共消耗的
引物数量
2＝21＋1－2
6＝22＋1－2
14＝23＋1－2
2n＋1－2
项目
启动子
终止子
起始密码子
终止密码子
本质
DNA
DNA
mRNA
mRNA
位置
目的基
因上游
目的基
因下游
mRNA
首端
mRNA
尾端
功能
RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA
使转录在所需要的地方停下来
翻译的起始信号(编码氨基酸)
翻译的结束信号(不编码氨基酸)