2024-2025學(xué)年高中生物專題1基因工程階段提升課學(xué)案新人教版選修3

PAGEPAGE9專題1嘗試填寫圖中序號代表的含義:A.DNA分子水平B.基因重組C.DNA連接酶D.基因文庫E.基因表達載體F.標(biāo)記基因G.受體細(xì)胞H.分子水平I.蛋白質(zhì)功能J.脫氧核苷酸【典例1】(2024·全國卷Ⅰ)基因工程中可以通過PCR技術(shù)擴增目的基因?；卮鹣铝袉栴}。(1)基因工程中所用的目的基因可以人工合成,也可以從基因文庫中獲得。基因文庫包括______________和____________。

(2)生物體細(xì)胞內(nèi)的DNA復(fù)制起先時,解開DNA雙鏈的酶是______________。在體外利用PCR技術(shù)擴增目的基因時,使反應(yīng)體系中的模板DNA解鏈為單鏈的條件是____________。上述兩個解鏈過程的共同點是破壞了DNA雙鏈分子中的______________。

(3)目前在PCR反應(yīng)中運用Taq酶而不運用大腸桿菌DNA聚合酶的主要緣由是__________________________。

【解析】本題考查基因工程的相關(guān)學(xué)問。(1)基因文庫包括基因組文庫和部分基因文庫(cDNA文庫),前者包括一種生物的全部基因,后者只包括一種生物的部分基因。(2)體內(nèi)進行DNA復(fù)制時,須要解旋酶和DNA聚合酶,解旋酶可以打開雙鏈之間的氫鍵,DNA聚合酶可以催化磷酸二酯鍵的形成。在體外進行PCR擴增時,利用高溫變性即加熱至90～95℃,破壞雙鏈之間的氫鍵,使DNA成為單鏈。解旋酶和高溫處理都破壞了DNA雙鏈中堿基對之間的氫鍵。(3)由于在PCR過程中,須要不斷地變更溫度,該過程中涉及較高溫度處理,大腸桿菌DNA聚合酶在高溫處理下會變性失活,因此PCR過程中須要用耐高溫的Taq酶催化。答案:(1)基因組文庫cDNA文庫(2)解旋酶加熱至90～95℃氫鍵(3)Taq酶熱穩(wěn)定性高,而大腸桿菌DNA聚合酶在高溫下會失活【交匯分析】(1)考查基因文庫,該考點聯(lián)系必修2“基因庫”交匯命題。(2)考查解旋酶和DNA分子結(jié)構(gòu),該考點聯(lián)系必修2“DNA分子結(jié)構(gòu)”交匯命題。(3)考查Taq酶的熱穩(wěn)定性,該考點聯(lián)系必修1“影響酶活性的條件”交匯命題。【典例2】(2017·江蘇高考節(jié)選)金屬硫蛋白(MT)是一類廣泛存在的金屬結(jié)合蛋白,某探討小組安排通過多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴增獲得目的基因,構(gòu)建轉(zhuǎn)基因工程菌,用于重金屬廢水的凈化處理。PCR擴增過程示意圖如下,請回答下列問題:(1)設(shè)計一對與MT基因兩端序列互補配對的引物(引物1和引物2),為便利構(gòu)建重組質(zhì)粒,在引物中須要增加適當(dāng)?shù)腳___________________位點。設(shè)計引物時須要避開引物之間形成__________________,而造成引物自連。

(2)PCR擴增時,退火溫度的設(shè)定是成敗的關(guān)鍵。退火溫度過高會破壞______________的堿基配對。退火溫度的設(shè)定與引物長度、堿基組成有關(guān),長度相同但______________的引物須要設(shè)定更高的退火溫度。

【解析】(1)目的基因與質(zhì)粒形成重組質(zhì)粒時須要用限制性核酸內(nèi)切酶切出相同的黏性末端,因此在設(shè)計一對與MT基因兩端序列互補配對的引物(引物1和引物2)時,要在引物中增加適當(dāng)?shù)南拗菩院怂醿?nèi)切酶位點。設(shè)計引物時,兩種引物之間不能有互補性,否則引物之間會配對形成雙鏈DNA。(2)PCR擴增時,退火步驟中引物與模板結(jié)合,因此退火溫度過高會破壞引物與模板的堿基配對。由于A和T之間有2個氫鍵,而C和G之間有3個氫鍵,因此C和G的含量越高,DNA分子越穩(wěn)定,所以引物中含C與G的堿基對較多時,須要采納較高的退火溫度。答案:(1)限制性核酸內(nèi)切酶堿基互補配對(2)引物與模板GC含量高【交匯分析】(1)考查PCR技術(shù)的原理。該考點聯(lián)系必修2“DNA的復(fù)制”交匯命題。(2)考查PCR技術(shù)擴增目的基因的過程。該考點聯(lián)系必修2“DNA分子的結(jié)構(gòu)”交匯命題?！镜淅?】(2024·湖北適應(yīng)性測試)某試驗室需構(gòu)建含增加型綠色熒光蛋白(eGFP)基因的表達載體用于科學(xué)探討。相關(guān)資料如下:(1)雙鏈DNA的每一條鏈有兩個末端,分別是5’端和3’端,從左到右的5’-3’DNA鏈?zhǔn)蔷幋a鏈,從左到右的3’(2)增加型綠色熒光蛋白(eGFP)在自然光下顯示綠色,已知該基因的DNA編碼序列如下:5’ATGGTGAGC……AAGTAA3’。(3)質(zhì)粒載體中含有EcoRⅠ、HindⅢ、BamHⅠ、XbaⅠ、和NotⅠ等酶的酶切位點(這些酶各自的識別序列不同),如下圖所示?；卮鹣铝袉栴}:(1)增加型綠色熒光蛋白基因轉(zhuǎn)錄的mRNA堿基序列為______________。

(2)通過PCR方法獲得eGFP目的片段,首先須要設(shè)計__________(填“一對”或“一個”)引物,在體外選擇性擴增eGFP目的片段,PCR反應(yīng)一般由95℃熱變性、55～60℃引物和模板配對、72℃延長三個步驟,經(jīng)過多次循環(huán)完成。延長階段選用72℃是綜合考慮了兩個因素,這兩個因素是__________和__________。

(3)eGFP的PCR產(chǎn)物兩端分別含有BamHⅠ和NotⅠ的酶切位點,構(gòu)建重組表達載體時,用這兩種酶酶切PCR產(chǎn)物和質(zhì)粒載體。與單一酶酶切相比,該試驗采納的雙酶切方法的優(yōu)點是________________(答一點即可)。

(4)將所構(gòu)建的表達載體轉(zhuǎn)入大腸桿菌,涂布含有卡那霉素的平板,若表達載體構(gòu)建勝利,可視察到多個______________單菌落。

【解析】本題主要考查基因工程、PCR技術(shù)、微生物培育等學(xué)問的運用實力。(1)已知DNA編碼序列為5’ATGGTGAGC……AAGTAA3’,則其模板鏈應(yīng)為3’TACCACTCG……TTCATT5’,基因轉(zhuǎn)錄時,以DNA的模板鏈為模板,依據(jù)堿基互補原則合成一條mRNA鏈,故增加型綠色熒光蛋白基因轉(zhuǎn)錄的mRNA堿基序列為5’AUGGUGAGC……AAGUAA3’。(2)DNA有兩條鏈,故利用PCR擴增目的基因時,應(yīng)依據(jù)與目的基因堿基序列互補,設(shè)計一對引物;72℃延長溫度應(yīng)考慮酶的活性以及利于模板與引物結(jié)合兩個因素。(3)與單一酶酶切相比,該試驗采納的雙酶切方法的優(yōu)點是目的基因和載體均可產(chǎn)生兩個不同末端,可有效防止目的基因自身環(huán)化(或防止目的基因與載體錯誤連接)。(4)卡那霉素抗性基因為標(biāo)記基因,用于重組DNA的篩選與鑒定,若表達載體構(gòu)建勝利,表達載體含eGFP(綠色熒光蛋白)基因,故在含卡那霉素的培育基中存活下來并形成的菌落應(yīng)當(dāng)在自然光照下顯示綠色。答案:(1)5’AUGGUGAGC……AAGUAA3’(2)一對酶的活性模板與引物結(jié)合(3)防止目的基因自身環(huán)化(或防止目的基因與載體錯誤連接)(4)綠色熒光【交匯分析】(1)考查PCR技術(shù)的操作過程。該考點聯(lián)系必修2“DNA分子的結(jié)構(gòu)”交匯命題。(2)考查基因工程的工具酶及特點。該過程聯(lián)系必修1“酶的特性”交匯命題?！镜淅?】如圖為培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的兩種思路,請據(jù)圖回答問題:(1)與思路2相比,思路1的優(yōu)點是篩選出的目的植株________________。

(2)構(gòu)建重組質(zhì)粒時,須要運用的限制酶是__________,還須要運用的工具酶是____________。

(3)圖中過程①獲得的完整的重組質(zhì)粒,除了圖中標(biāo)出的特別DNA片段外,還應(yīng)當(dāng)有__________等部分;過程②常用的方法是______________;過程③常用的試劑為____________;培育獲得棉株2或棉株4采納的生物學(xué)技術(shù)是__________。

(4)為檢測棉株3、棉株4的抗蟲特性,常運用的方法是____________。

【解析】(1)思路1是采納單倍體育種方法,結(jié)合基因工程,培育出目的植株,與思路2相比,該方法的優(yōu)點是篩選出的目的植株是純合子,能穩(wěn)定遺傳。(2)據(jù)圖分析,假如用SmaⅠ酶切割目的基因,會破壞目的基因,因此用圖中的質(zhì)粒和目的基因構(gòu)建重組DNA分子時,不能運用SmaⅠ酶切割,因此只能選用EcoRⅠ和BamHⅠ切割目的基因和運載體,還須要運用的工具酶是DNA連接酶。(3)過程①是構(gòu)建基因表達載體,即重組質(zhì)粒?；虮磉_載體中除了具有目的基因、啟動子和終止子之外,還需具有標(biāo)記基因(和復(fù)制原點)。過程②是將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞中,受體細(xì)胞是植物細(xì)胞,常用的方法是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法;棉株2是單倍體幼苗中外植體中細(xì)胞經(jīng)過植物組織培育技術(shù)獲得的,是單倍體。過程③常用的試劑為秋水仙素,使植株2細(xì)胞中染色體數(shù)目加倍,獲得純合子植株3。(4)為檢測棉株3、棉株4的抗蟲特性,常運用的方法是接種害蟲,視察棉株是否有抗蟲實力。答案:(1)能穩(wěn)定遺傳(是純合子)(2)EcoRⅠ和BamHⅠDNA連接酶(3)標(biāo)記基因(和復(fù)制原點)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法秋水仙素植物組織培育(4)接種害蟲,視察棉株是否有抗蟲實力【交匯分析】(1)思路1是采納單倍體育種方法,結(jié)合基因工程,培育出目的植株。該考點聯(lián)系必修2“單倍體育種”交匯命題。(2)思路2是利用植物細(xì)胞的全能性,結(jié)合基因工程,培育出目的植株。該考點聯(lián)系必修1“植物細(xì)胞的全能性”交匯命題。交匯點1:中學(xué)生物學(xué)中的“載體”,聯(lián)系必修1“物質(zhì)跨膜運輸?shù)妮d體”,必修1、2“遺傳信息的載體”,必修3“細(xì)胞間信息傳遞的載體”交匯考查(1)物質(zhì)跨膜運輸?shù)妮d體:細(xì)胞膜上的一種蛋白質(zhì)。(2)血液中O2運輸?shù)妮d體:紅細(xì)胞內(nèi)一種含F(xiàn)e2+的血紅蛋白。(3)基因工程中目的基因的載體:種類有質(zhì)粒、λ噬菌體的衍生物和動植物病毒等。(4)細(xì)胞中遺傳信息的載體:細(xì)胞生物遺傳信息的載體是DNA。(5)細(xì)胞間信息傳遞的載體:細(xì)胞釋放的信號分子,如:激素、神經(jīng)遞質(zhì)等。交匯點2:基因表達載體中的啟動子、終止子,聯(lián)系必修2中“mRNA中的起始密碼子、終止密碼子”交匯考查(1)啟動子、終止子是質(zhì)粒上的具有特別結(jié)構(gòu)的DNA片段。(2)起始密碼子、終止密碼子是mRNA上的三個相鄰堿基。交匯點3:基因工程工具酶——限制性核酸內(nèi)切酶,聯(lián)系必修1“有關(guān)酶的本質(zhì)和特性”交匯考查限制性核酸內(nèi)切酶相關(guān)學(xué)問:(1)本質(zhì):蛋白質(zhì)。(2)特性:具有特異性。①一種限制酶只能識別雙鏈DNA分子中特定的核苷酸序列。②切割雙鏈DNA分子每條鏈中特定序列中的特定位點,使該位點的磷酸二酯鍵斷開。(3)作用:斷開連接兩個核苷酸的磷酸二酯鍵。交匯點4:基因工程中目的基因的獲得、檢測和外源基因在受體中的表達,聯(lián)系必修2“中心法則”交匯考查(1)目的基因的表達過程,不包含DNA的復(fù)制,只包含轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個過程。中心法則:(2)基因文庫中的cDNA的獲得是特定mRNA在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下,依據(jù)堿基互補配對原則,逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA。(3)利用分子雜交技術(shù),依據(jù)DNA→RNA轉(zhuǎn)錄過程中遵循的堿基互補配對原則,進行分子檢測。交匯點5:基因工程中目的基因、基因表達載體的化學(xué)組成及結(jié)構(gòu),聯(lián)系必修2中“DNA分子的組成、結(jié)構(gòu)”交匯考查(1)DNA分子的基本組成單位:脫氧核糖核苷酸。(2)DNA分子結(jié)構(gòu):DNA是由脫氧核苷酸連接而成的長鏈,相鄰脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵連接;在絕大多數(shù)生物的細(xì)胞中,DNA由兩條脫氧核苷酸鏈構(gòu)成,兩條鏈通過堿基對之間的氫鍵相連;少數(shù)生物細(xì)胞中存在環(huán)狀雙鏈DNA分子。1.干旱會影響農(nóng)作物產(chǎn)量,科學(xué)家們對此進行了探討。如圖為用探針檢驗?zāi)骋豢购抵参锘蛐偷脑?相關(guān)基因用R和r表示。(1)基因R與r的本質(zhì)區(qū)分是________________的不同。在利用PCR技術(shù)擴增R或r基因過程中,利用________可找尋抗旱基因的位置并進行擴增。PCR技術(shù)操作步驟中包括兩次升溫柔一次降溫,其中降溫的目的是______________________________________________。

(2)若被檢植株發(fā)生B現(xiàn)象,不發(fā)生A、C現(xiàn)象,則被檢植物的基因型為___________________。

(3)將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞采納最多的方法是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法,其依據(jù)主要是:當(dāng)植物受到損傷時,傷口處的細(xì)胞會分泌大量的酚類化合物,吸引農(nóng)桿菌移向這些細(xì)胞,這時農(nóng)桿菌中的Ti質(zhì)粒上的______________________________________。

(4)經(jīng)檢測,抗旱基因已經(jīng)導(dǎo)入煙草細(xì)胞,但未檢測出抗旱基因轉(zhuǎn)錄出的mRNA,從構(gòu)建基因表達載體的角度推想,最可能的緣由是_________________________。

(5)為防止轉(zhuǎn)基因植物將外源基因擴散到其他植物,對生態(tài)環(huán)境造成潛在危害。科學(xué)家設(shè)法將目的基因整合到受體細(xì)胞的葉綠體基因組中,以避開目的基因通過________________向其他植物擴散。基因組分為基因區(qū)和基因間隔區(qū),通常將基因間隔區(qū)序列作為插入位點,其目的是_______________________________。

【解析】(1)基因R與r的本質(zhì)區(qū)分是脫氧核苷酸的排列依次(或堿基對排列依次)的不同;須要用引物找尋抗旱基因的位置;PCR的操作過程:①高溫變性:DNA解旋過程;②低溫復(fù)性:使引物結(jié)合到互補模板鏈DNA上;③中溫延長:合成子鏈。(2)被檢植物發(fā)生B現(xiàn)象,不發(fā)生A、C現(xiàn)象,即R、r探針形成雜交環(huán),所以被檢植物的基因型為Rr。(3)將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞采納最多的方法是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法,其依據(jù)主要是:當(dāng)植物受到損傷時,傷口處的細(xì)胞會分泌大量的酚類化合物,吸引農(nóng)桿菌移向這些細(xì)胞,這時農(nóng)桿菌中的Ti質(zhì)粒上的T-DNA可轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞,并且整合到受體細(xì)胞染色體的DNA上。(4)經(jīng)檢測,抗旱基因已經(jīng)導(dǎo)入到煙草細(xì)胞,但未檢測出抗旱基因轉(zhuǎn)錄出的mRNA,從構(gòu)建基因表達載體的角度推想,最可能的緣由是基因表達載體上的目的基因首端未加入啟動子。(5)探討表明,轉(zhuǎn)基因植物可以通過花粉將外源基因擴散到其他植物,從而對生態(tài)環(huán)境造成潛在的危害,因此,科學(xué)家設(shè)法將目的基因整合到受體細(xì)胞的葉綠體基因組中,以防止目的基因通過花粉向其他植物擴散;將基因間隔區(qū)序列作為插入位點就可以避開外源基因?qū)θ~綠體內(nèi)源基因表達造成影響。答案:(1)脫氧核苷酸排列依次(或堿基對排列依次)引物使引物和模板鏈結(jié)合(2)Rr(3)T-DNA可轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞,并且整合到受體細(xì)胞染色體的DNA上(4)基因表達載體上的目的基因首端未加入啟動子(5)花粉避開了外源基因插入后對葉綠體內(nèi)源基因表達造成影響2.干擾素是治療癌癥的藥物,成分是一種糖蛋白,它必需從血液中提取,每升人血中只能提取0.05μg,所以價格昂貴?，F(xiàn)在美國加利福尼亞的基因公司用如圖所示的方式生產(chǎn)干擾素