人教版高中生物选修3[知识点整理及重点题型梳理]基因工程(一)基因的结构和基因工程的基本工具

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人教版高中生物选修三

知识点梳理

重点题型（常考知识点

）巩固练习

基因工程（一）基因的结构和基因工程的基本工具

【学习目标】

1、了解基因工程的诞生及概念。

2、知道基因的结构。

3、简述 DNA 重组技术所需三种基本工具及其应用（重点、难点） 【要点梳理】

要点一、基因工程概述

基因工程的别名

操作环境

操作对象

操作水平

操作过程

结果

基因拼接的理论基础

外源基因在受体内表

达的理论基础

基因拼接技术或 DNA 重组技术

生物体外

基因

DNA 分子水平

剪切→拼接→导入→表达

人类需要的基因产物

①DNA 是生物的主要遗传物质；

②DNA 的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸；

③双链 DNA 分子的空间结构都是规则的双螺旋结构。

①基因是控制生物性状的独立遗传单位； ②遗传信息的传递都遵循中心法则； ③生物界公用一套遗传密码子。

要点二、基因工程的诞生

【课程：基因工程（一）基因的结构和基因工程的基本工具

369163 基因工程的诞生】

1.遗传基础理论的重大突破

艾弗里、赫尔希、蔡斯等人证明 DNA 是遗传物质 1953 年，沃森和克里克提出 DNA 双螺旋结构

1958 年，梅塞尔森和斯塔尔证明 DNA 的半保留复制

1963~1967 年，尼伦伯格、马太、霍拉纳破译遗传密码 中心法则的提出和完善指出遗传信息在大分子间的传递

2.技术发明使基因工程的实施成为可能

技术上三大发明：

⑴基因转移载体的发现——1967 年，T.F.Roth （罗思）&D.R.Helinski （海林斯基）发现质粒的自我复制能力， 并能够在细菌之间转移。

⑵工具酶的发现——1972 年， H.C. Smith 、W.Arber & D.Nathans 从流感嗜血杆菌中分离得到限制性内切酶；

1970年，逆转录酶的发现使真核细胞的基因制备成为可能；此后，多种限制酶和连接酶被发现。

⑶DNA体外重组的实现—1972年，美国Berg第一次构建出了体外重组DNA分子。

重组DNA表达实验的成功—1973年，H.Boyer&S.Cohen选用仅含单一EcoRI酶切位点的载体质粒pSC101，使之与非洲爪蟾核糖体蛋白基因的DNA片段重组。重组的DNA转入大肠杆菌DNA中，转录出相应的mRNA。

3.技术进一步推动基因工程的发展：

⑴第一例转基因动物和转基因植物问世

1980年，科学家通过显微注射培育出世界第一个转基因小鼠。

1983年，科学家采用农杆菌转化法，培育出世界上第一例转基因烟草。

⑵PCR技术的发明

1988年，美K.Mullis发明PCR技术，使基因工程进一步发展。

三、基因的结构【课程：基因工程（一）基因的结构和基因工程的基本工具369163基因的结构】

1.原核细胞基因结构

2.真核细胞基因结构

四、基因工程的工具

1.“分子的手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）

（1）存在：主要存在于原核生物中。

（2）特点：一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且在特定的切点上切割DNA分子。它具有专一性，表现在两个方面

①识别双链DNA中特定的核苷酸序列。

②切割特定序列中的特定位点，特定序列表现为中心对称，如 Eco RI 酶的切割序列（如下图）。

（3）作用部位：限制酶切割 DNA 分子时被断开的是 DNA 链中的磷酸二酯键（连接相邻脱氧核苷酸的键）：而不 是碱基间的氢键，如下图所示：

（4）结果：切割形成的 DNA 片段产生两种末端，如下图所示：

要点诠释：

在生物体内有一类酶，它们能将外来的 DNA 切断，但对自己的 DNA 没有损害作用。由于这种切割作用是在

DNA 分子内部进行的，故名限制性内切酶，简称限制酶。限制酶是基因工程中重要的切割工具，科学家已经从原 核生物中分离出了许多种限制酶并且已经商品化，在基因工程中广泛使用。

2.“分子的缝合针”——DNA 连接酶

（1）种类：根据 DNA 连接酶的来源不同，可分为两类：

①E ·coli DNA 连接酶：来源于大肠杆菌，能将具有黏性末端的 DNA 片段连接起来，而不能将具有平末端的

DNA 片段连接起来。

②T 4DNA 连接酶：来源于 T 4 噬菌体，既能将具有黏性末端的 DNA 片段连接起来，也能将具有平末端的 DNA 片 段连接起来。

（2）作用：将双链 DNA 片段“缝合”起来，即连接的是 DNA 片段每条单链中两相邻的核苷酸之间的磷酸二酯

例1、（2014 江苏高考）下列关于基因工程技术的叙述，错．．

的是

键。如下图所示：

（3）与 DNA 相关的几种酶的比较

项目

作用底物

作用部位

作用结果

种类

限制酶 DNA 连接酶 DNA 聚合酶 DNA （水解酶） DNA 解旋酶

DNA 分子

DNA 分子片段 脱氧核苷酸 DNA 分子

DNA 分子

磷酸二酯键

磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键

碱基对之间的氢键

形成粘性末端或平末端

形成重组 DNA 分子 形成新的 DNA 分子 形成脱氧核苷酸

形成单链 DNA 分子

3.“分子运输车”——载体 （1）作用：

①为运输工具，将目的基因导入受体细胞中去。 ②利用它在受体细胞内对目的基因进行大量复制。

（2）载体必须具备的三个条件：

①能在受体细胞内稳定保存并大量复制。

②有一个至多个限制酶切点，以便与外源基因连接。

③具有某些标记基因，以便进行筛选。如大肠杆菌的 pBR322 质粒携带氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基

因，就可以作为筛选的标记基因。 （3）种类：

①细菌的质粒，它是细菌拟核 DNA 以外、并且具有自我复制能力双链环状 DNA 分子（一般有 1kb ～200 kb ， kb 为千碱基对），有的细菌只有一个，有的细菌有多个。

②入噬菌体的衍生物。 ③动植物病毒。

④一般来说，天然载体往往不能满足人类的所有要求，因此人们根据不同的目的和需要，对某些天然的载体

进行人工改造。

【典型例题】

类型一：基因工程概述

误

A.切割质粒的限制性核酸内切酶均特异性地识别 6个核苷酸序列

B.PCR 反应中温度的周期性改变是为了 DNA 聚合酶催化不同的反应

C.载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因

D.抗虫基因即使成功地插入到植物细胞染色体上也未必能正常表达

【答案】ABC

【解析】限制性核酸内切酶大多是特异性识别6个核苷酸序列，但也有识别序列由4、5或8个核苷酸组成的，

A 错误；PCR 中耐高温的DNA 聚合酶只是在延伸阶段发挥催化作用，

B 项错误；载体质粒上抗生素抗性基因可作为标

记基因，供重组DNA的鉴定和选择，不是抗生素合成基因，C错误；目的基因导入了受体细胞不一定就都能正常表达，D正确。

【总结升华】本题考查基因工程。

【举一反三】：

【变式一】

以下有关基因工程的叙述，正确的是（）

A.基因工程是细胞水平上的生物工程

B.基因工程的产物对人类都是有益的

C.基因工程产生的变异属于人工诱变

D.基因工程育种的优点之一是目的性强

【答案】D

【解析】本题考查的知识点是基因工程的概念。解答本题的关键是理解基因工程的概念。基因工程是在生物体外，

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(目的性强)和重新组合(基因重组)，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.但并不是所有的

基因产物对人类都有益的。

【变式二】

催生基因工程的三大基础理论为（）

①DNA是遗传物质的证明②工具酶的发现③DNA双螺旋结构和中心法则的确立④重组DNA表达实验的成功⑤遗传密码的破译⑥第一例转基因动物的问世⑦PCR技术的发明⑧DNA测序技术的发明⑨质粒功能的发现

A．①②③B．④⑤⑥C．⑦⑧⑨D．①③⑤

【答案】D

类型二：基因工程的工具

例2、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

【答案】A

【解析】此题主要考查限制酶的有关知识。解答本题的关键是理解限制酶的来源和限制酶的特点。限制酶主要是

从原核生物中分离出来的，并不是广泛存在于各种生物中；一种限制酶能识别双链D NA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；DNA分子经限制酶切割形成黏性末端和平末端两种。

【总结升华】本题考查限制酶的特点，一定要牢记。

【举一反三】：

【变式一】

（2015北京高考）在应用农杆菌侵染植物叶片获得转基因植株的常规实验步骤中，不需要的是（）

A．用携带目的基因的农杆菌侵染植物细胞

B．用选择培养基筛选导入目的基因的细胞

C．用聚乙二醇诱导转基因细胞的原生质体融合

D．用适当比例的生长素和细胞分裂素诱导愈伤组织生芽

【答案】C

【解析】在基因工程中，向植物细胞中导入目的基因可以采用农杆菌转化法，A项正确；已经导入目的基因的

细胞，可以插入标记基因，并设置针对标记基因的选择培养基进行选择，所以B项正确；细胞工程中，在细胞融合时，可以用聚乙二醇诱导原生质体融合，而本题不涉及细胞融合，所以C项错误；在植物组织培养过程中，可以通过控制生长素和细胞分裂素的比例，来调节植物细胞的生命活动，所以D项正确。

【变式二】

下列哪项通常不被用作基因工程的运载体（）

A．细菌质粒B．噬菌体

C．动植物病毒D．细菌核区的DNA

【答案】D

【解析】本题考查基因工程中的工具——运载体。解答本题的关键是记住、理解运载体必须具备的条件和课本上讲的常用运载体。作为运载体必须具备的条件：①在宿主细胞中保存下来并大量复制②有多个限制性内切酶切

点③有一定的标志基因，便于筛选。记住常用的运载体有：质粒、噬菌体、动植物病毒等。细菌的核区由一个大型的环状DNA分子反复折叠缠绕而成，控制着细菌的主要性状，所以一般不被用作基因工程的运载体。

【变式三】

如下图，两个核酸片段在适宜条件下，经X酶的催化作用，发生下述变化，则X酶是（）。

A．DNA连接酶B．RNA聚合酶C．DNA聚合酶D．限制酶

【答案】A