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
注意：①用同种限制酶分别切割载体和外源DNA的目的：使二者切割后形成的黏性末端可以碱基互补配对，以便于连接。②带有黏性末端切口的载体，与带有相同黏性末端的目的基因片段用DNA连接酶连接后，形成的DNA种类（只考虑两两连接）：3种，即目的基因目的基因；载体载体；基因表达载体。③用相两种限制酶分别切割载体和外源DNA（如上图）的目的：防止目的基因和载体的自身环化。
3．将目的基因导入受体细胞
生物种类植物细胞动物细胞微生物细胞
常用方法
农杆菌转化法（最常
用）
显微注射技术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农杆菌
Ti质粒的T—DNA上→
农杆菌侵染植物细胞→
整合到受体细胞的染色
体DNA上→表达
将含有目的基因的基因
表达载体提纯→取受精
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→微生物细
胞壁的通透性增加→重组
质粒与感受态细胞混合→
感受态细胞吸收DNA分子
注意：①目的基因能在植物细胞稳定存在依据：目的基因整合到植物细胞染色体DNA上。
②对于植物，导入方法还有基因枪法（成本较高，单子叶植物常用）和花粉管通道法（我国独创的一种十分经济简便的方法）。③原核生物具有独特的特点：繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等。
4．目的基因的检测与鉴定
目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能知道，这是检查基因工程是否做成功的一步。
（1）分子水平检测
①检测生物染色体的DNA上是否插入了目的基因：DNA分子杂交技术。
即将转基因生物的基因组DNA提取出来，在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素等作标记，以此作探针，使探针与基因组DNA杂交，如果显示出杂交带，表明目的基因已插入染色体DNA 中。
②检测目的基因是否转录出mRNA：分子杂交技术。
从生物中提取mRNA，用标记的目的基因作探针，与mRNA杂交，若显示出杂交带，则说明目的基因转录出了mRNA。
③检测目的基因是否翻译：抗原—抗体杂交。
从转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原抗体杂交，若有杂交带出现，表明目的基因已形成蛋白质产品。
（2）个体水平检测
对转基因生物进行抗虫或抗病的接种实验，以确定是否具有抗性以及抗性的程度。例如，对转基因抗虫棉进行个体检测方法：让害虫吞食转基因棉花的叶片，观察害虫的存活情况，以确定其是否具有抗虫性状。
第3课时基因工程的应用
学习目标：
说出基因工程的应用：
举例说出基因工程在农业、医疗、环境保护等方面的广泛应用及其发展前景；
关注基因工程的发展，认同基因工程的应用促进了生产力的提高
1.植物基因工程的应用
植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力（如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等）以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。
（1）提高抗逆性
①常用抗虫基因：用于抗虫（杀虫）的基因主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。
②常用抗病基因：a.抗病毒基因有：病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因；b.抗真菌基因有：几丁质酶基因和抗毒素合成基因
③其他抗逆基因：环境条件对农作物的生产会造成很大影响，并且这些影响是多方面的，因此，抗逆性基因也有多种多样，如：抗盐碱和干旱的调节细胞渗透压基因、抗冻基因、抗除草剂基因等等。
（2）改良植物品质
由于人们的食品含有的营养不平衡，不能满足人们对食品的要求，这样，可以通过转基因技术，使植物能够合成某些本来不能合成的物质。如科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，或者改变这些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。
（3）生产药物
基因工程不但促进了传统技术的变革，也为人类提供了传统产业难以得到的许多昂贵药品，并已形成基因工程制药业的雏形。目前诸如人胰岛素、人生长激素、人脑激素、α－干扰素、乙肝疫苗、蛋白C、组织血纤维蛋白溶酶原激活剂等数十种基因工程药物已实现商品化。此外，还有促红细胞生成素、白细胞介素－2、肾素、心钠素等一大批珍贵药品正处于试用或临床试验阶段。
2.动物基因工程的应用
（1）用于提高动物生长速度：由于外援生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快，将这
类基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。如：转基因绵羊和转基因鲤鱼。
（2）用于改善畜产品的品质：基因工程可用于改善畜产品的品质。如：有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，这样所获得的牛奶其成分不受影响，但乳糖的含量大大减低。
（3）用转基因动物做器官移植的供体：目前，人体移植器官短缺是一个世界性的难题，用其它动物的器官替代，又会出现免疫排斥现象，现在，科学家正试图利用基因工程方法对一些动物的器官进行改造，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。
3.基因治疗
（1）概念：基因治疗是把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，这是治疗遗传病的最有效的手段。
（2）方法
①体外基因治疗
先从病人体内获得某种相关细胞，进行培养，然后在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内，这种方法叫做体外基因治疗。
②体内基因治疗
直接向人体组织细胞中转移基因的治疗方法叫做体内基因治疗。
说明：对于遗传病的治疗最根本的方法是进行基因替换或修复。基因治疗的最佳时期理论上是受精卵时期，这样可以使个体的每个细胞都含有正常基因，但在现实生活中是不可能的，因为不可能人人在受精卵时期进行基因检查。其次是对患者进行相关细胞的基因替换，如：对于遗传性糖尿病患者，只对胰腺的B细胞进行基因替换，该个体就能正常分泌胰岛素，糖尿病得以治疗；但这种局部细胞的基因替换，并没有改变其它部位细胞的基因，如精原细胞，其后代很大可能还会患遗传性糖尿病。
第4 蛋白质工程第二代基因工程
学习目标：
蛋白质工程：
举例说出蛋白质工程崛起的缘由；
简述蛋白质工程的原理；收集和处理资料，尝试撰写专题综述报告
1.蛋白质工程的概念
通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能，并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。属于分子水平上的改造。
2．崛起的缘由
生物的长期进化过程中形成的天然蛋白质、结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
3.实施蛋白质工程的前提
是了解蛋白质的结构和功能的关系。
4．目标
根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。由于蛋白质的空间结构极其复杂，人们无法直接改造蛋白质，一般先通过创造出适合人类需求的新基因，然后使其表达出具有特定结构和功能的蛋白质。其中关键技术是基因工程，因此，蛋白质工程又被称为第二代基因工程。
5.分类
（1）大改：设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质。
（2）中改：在蛋白质中替代某一肽段或一个特定的结构域。
（3）小改：改造蛋白质分子中某活性部位的一个或几个氨基酸残基。其中基因的定点诱变技术是改变蛋白质结构的核心技术之一。基因定点诱变技术的方法很多，其中PCR技术是常用方法。6．操作过程
预期蛋白质的功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸
序列（基因）
注意：由蛋白质的结构功能可推测出许多基因，原因是：编码氨基酸的密码子的简并性。
7.实例
蛋白质工程是是项难度很大的工程，成功的例子不多，已成功的有：①通过对胰岛素的改造，使其成为速效型药品。②生产鼠人嵌合抗体，既可杀伤癌细胞，又可减少人体的不良反应。③通过改造纤维蛋白溶解酶原激活因子（tPA使tPA在血液循环中的停留时间延长，从而更好的用于溶解血栓块，医治心肌梗死等疾病。④通过将酶肽链中的天门冬酰胺和谷氨酰胺转变为苏氨酸和异亮氨酸，从而提高酶的热稳定性。