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第2节基因工程及其应用学习目标核心素养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。1．理解遗传物质的研究为基因工程提供了理论基础。2．通过联想制作拼接画的过程，理解基因工程的操作工具。3．采用绘图方法逐步理解基因工程的基本操作。一、基因工程的基本操作工具1．基因工程的概念2．基因工程的操作工具(1)“剪刀”和“针线”项目名称作用“剪刀”限制酶识别特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子“针线”DNA连接酶连接脱氧核糖和磷酸之间的缺口(2)运载体①作用：将外源基因送入受体细胞。②种类噬菌体质粒分布：许多细菌以及酵母菌等生物细胞质中特性：能够自主复制实质：环状DNA分子动植物病毒二、基因工程的操作及应用1．基本操作步骤2．应用及安全性(1)应用应用内容作物育种目的培育出具有各种抗逆性的作物新品种实例抗虫的转基因抗虫棉意义减少了农药用量，而且还减少了农药对环境的污染药物研制实例生产人的胰岛素过程胰岛素基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并在大肠杆菌内成功表达环境保护实例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，分解泄漏的石油，处理工业废水等(2)安全性判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)1．基因工程能够定向地改造生物的性状。()2．基因工程导入了新的基因，其原理是基因突变。()3．一种限制酶可以识别多种核苷酸序列。()4．含有目的基因的运载体是否进入受体细胞需要检测。()5．基因工程中的运载体只有质粒。()6．转基因生物和转基因食品都是不安全的。()提示：1．√2．×基因工程导入的基因是自然界原来就存在的基因，原理是基因重组。3．×一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列。4．√5．×基因工程中常见的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒。6．×对于转基因生物和转基因食品的安全性问题不能片面地一概而论。基因工程的基本操作工具1．基因的“剪刀”——限制性核酸内切酶(简称限制酶)(1)存在：主要存在于微生物中。(2)作用：断裂两个核苷酸之间的磷酸二酯键。(3)特点：具有特异性，即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DNA分子。(4)作用结果：一般产生黏性末端。2．基因的“针线”——DNA连接酶(1)催化对象：两个具有相同末端的DNA片段。(2)催化位置：脱氧核糖与磷酸之间的缺口。(3)催化结果：形成重组DNA。(4)限制酶与DNA连接酶的比较比较项目作用应用限制酶使特定部位的磷酸二酯键断裂用于提取目的基因和切割载体DNA连接酶在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键用于重组DNA分子(重组质粒)构建两者的关系可表示为：(5)DNA连接酶与DNA聚合酶的比较项目比较DNA连接酶DNA聚合酶作用对象DNA片段将游离的脱氧核苷酸连接到脱氧核苷酸链上作用条件不需要模板需要模板作用部位连接相邻脱氧核苷酸的磷酸和脱氧核糖形成化学键磷酸二酯键3.运载体(1)质粒①存在：许多细菌及酵母菌等生物细胞中。②本质：拟核或细胞核外的环状DNA分子。③特点：能够自主复制。(2)运载体应具备的条件①能在宿主细胞内稳定保存并大量复制——保证目的基因能在细胞分裂过程中复制并传递给子细胞。②有一至多个限制酶切点——运载体能够接入多种目的基因所必备的条件。③有标记基因——检测目的基因是否导入受体细胞中的重要判断依据。1．下列有关基因工程和酶的相关叙述，正确的是()A．同种限制酶既可以切割目的基因又可以切割质粒，因此不具备专一性B．运载体的化学本质与载体蛋白相同C．限制酶不能切割烟草花叶病毒的核酸D．DNA连接酶可催化游离的脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链C[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，具备专一性，A错误；运载体的化学本质是DNA，与载体蛋白不同，B错误；限制酶能切割DNA，不能切割烟草花叶病毒的核酸RNA，C正确；DNA连接酶可催化不同的DNA片段连接在一起，不能催化游离的脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链，D错误。]2．限制性核酸内切酶是一种核酸切割酶，可辨识并切割DNA分子上特定的核苷酸序列，如图依次为4种限制酶BamHⅠ，EcoRⅠ，HindⅢ以及BglⅡ的辨识序列，箭头表示每一种限制酶的特定切割部位，其中哪两种限制酶所切割出来的DNA片段末端可以互补黏合？()BamHⅠEcoRⅠHindⅢBglⅡ↓↓↓↓GGATCCGAATTCAAGCTTAGATCTCCTAGGCTTAAGTTCGAATCTAGA↑↑↑↑A．BamHⅠ和EcoRⅠB．BamHⅠ和HindⅢC．EcoRⅠ和HindⅢD．BamHⅠ和BglⅡD[BamHⅠ和EcoRⅠ切割形成的黏性末端不互补配对，因此不能互补黏合，A错误；BamHⅠ和HindⅢ切割形成的黏性末端不互补配对，因此不能互补黏合，B错误；EcoRⅠ和HindⅢ切割形成的黏性末端不互补配对，因此不能互补黏合，C错误；BamHⅠ和BglⅡ切割形成的黏性末端可以互补配对，因此能互补黏合，D正确。]基因工程的操作及应用[问题探究]下图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图，请据图回答。1．能否利用人的皮肤细胞进行过程①？过程②特别需要的酶是哪一种？提示：不能，皮肤细胞中胰岛素基因不表达；过程②是逆转录，需要逆转录酶。2．如何将A和B连接成C？操作后的产物只有C吗？提示：用同一种限制酶切割A和B，再加入DNA连接酶，才能形成C。操作后的产物除了C，还可能有A与A结合、B与B结合的产物。3．人的胰岛素基因能够在大肠杆菌细胞中表达的基础是什么？提示：所有生物共用一套遗传密码。4．该方法和诱变育种相比，有什么优点？提示：可以定向改造生物的遗传性状。[归纳总结]1．基因工程操作的基本步骤知识拓展：(1)在基因工程操作过程中，将目的基因导入受体细胞的过程不涉及碱基互补配对。(2)受体细胞常选用微生物的原因：微生物繁殖快、代谢快、目的产物多。(3)培育转基因动物时，常采用显微注射法将目的基因导入受精卵，原因是受精卵的全能性高。(4)培育转基因植物时，受体细胞可用受精卵和其他高度分化的细胞，因为高度分化的植物细胞仍具有全能性。可用植物组织培养技术将其培育成个体。2．基因工程成功的基础3．基因工程的应用4．转基因育种与杂交育种、诱变育种的比较(1)杂交育种能使位于不同个体上的多个优良性状集中于一个个体上，但育种周期长；诱变育种可以提高变异频率，大幅度改良某些性状，但有利变异个体不多，需要大量供试材料。(2)与杂交育种、诱变育种相比，转基因育种能克服传统育种方法的缺点，具有目的性强、育种周期短、能克服远缘杂交不亲和的障碍等优点。1．用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。下列叙述不正确的是()A．常用相同的限制酶切割目的基因和质粒B．DNA连接酶和RNA聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶C．质粒作为运载体应具有标记基因D．人和大肠杆菌在合成相关蛋白质时，转录和翻译的场所不同B[为得到相同的黏性末端，常用相同的限制酶切割目的基因和质粒，A正确。DNA连接酶是构建重组质粒必需的酶，而RNA聚合酶则用于DNA的转录过程，B错误。质粒作为运载体，应具有标记基因，以便重组后进行重组DNA的鉴定和选择，C正确。人是真核生物，大肠杆菌是原核生物，真核细胞的转录场所主要在细胞核，而原核细胞没有成形的细胞核，D正确。]2．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，使其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进入人体细胞内，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B[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。][课堂小结]知识网络构建核心语句归纳1．基因工程的优点是可定向改造生物的遗传性状。2．限制性核酸内切酶具有特异性，能识别特定的核苷酸序列，并在特定位点上切割DNA分子。3．DNA连接酶的作用是将两个DNA片段连接起来。4．质粒是最常用的运载体，是小型环状DNA分子。除此之外，噬菌体、动植物病毒也可充当运载体。5．基因工程的四个步骤：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。1．下列有关基因工程的叙述，正确的是()A．DNA重组技术所用的工具酶是限制酶、DNA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．目的基因只要进入受体细胞就能实现表达C[基因工程操作中的工具酶是限制酶、DNA连接酶，运载体是基因的运载工具，而不是工具酶。每种限制酶都只能识别特定的核苷酸序列，而并非同一种核苷酸序列。目的基因进入受体细胞后，只有受体细胞表现出特定的性状，才说明目的基因成功表达，基因工程的目的是让目的基因完成表达。]2．下图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，图中依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用的正确顺序是()A．①②③④B．①②④③C．①④②③D．①④③②C[限制性核酸内切酶用于切割DNA片段；而与之作用相反的是DNA连接酶，用于连接DNA片段；DNA聚合酶用于DNA的复制过程，它需要模板；解旋酶会使DNA双链解旋而分开，它作用于碱基对之间的氢键。]3．下列不属于利用基因工程技术制取药物的是()A．从大肠杆菌体内获取白细胞介素B．从酵母菌体内获得干扰素C．从青霉菌体内获取青霉素D．从大肠杆菌体内获取胰岛素C[基因工程是使外源基因在受体细胞中表达目的基因产品的技术，A、B、D均为外源基因的表达，而青霉菌产生青霉素是一种正常基因的正常表达，故青霉菌产生的青霉素不属于基因工程药物。]4．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．转基因食品的成分中含新的蛋白质时，这些异种蛋白有可能引起人食物过敏D．转基因必须在人为控制下才能完成，自然条件下基因污染是不增殖和不扩散的D[基因工程引起的基因污染，是可以增殖和扩散的。]5．1979年，科学家将鼠体内的能够产生胰岛素的基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌中发现了胰岛素的前体物质胰岛素原。如下图所示，请根据下图回答：(1)图中2、5、3、7表示通过从供体细胞的DNA中直接分离基因，获得________的过程。(2)图中3代表________，在它的作用下将目的基因和质粒切割获得相同的黏性末端。(3)经[9]________的作用可将7、6“缝合”形成[8]重组DNA分子。8往往含有________基因，以便将来检测。(4)图中10表示将重组DNA分子导入________的过程。(5)如在大肠杆菌细胞内发现了胰岛素原，说明成功导入了________，并使之完成了表达过程。[解析](1)图中的2、5、3、7过程是为了获取目的基因。(2)获取目的基因需要用限制酶对DNA进行切割。(3)将目的基因和运载体质粒连接起来构成重组质粒的过程中需要DNA连接酶。8中含有标记基因，便于初步筛选。(4)重组质粒需要导入受体中，在该工程中是导入了大肠杆菌体内，常用氯化钙处理得到感受态的大肠杆菌，图中10代表了该过程。(5)如果在大肠杆菌细胞内发现了胰岛素原，说明成功导入了目的基因，并且成功表达。[答案](1)目的基因(2)限制酶(3)DNA连接酶标记(4)受体细胞(5)目的基因教材课后习题(教师