【生物】2021届一轮复习人教版选修3第1讲基因工程作业

【生物】2021届一轮复习人教版选修3第1讲基因工程作业

练案[35]选修三　现代生物科技专题 第1讲　基因工程 ‎1．(2020·陕西高考模拟)通过基因工程利用小球藻生产人胰岛素能克服利用细菌生产时的诸多不利影响。小球藻可大规模种植，并且所生产的胰岛素可以直接用于医疗和保健，该技术能提高小球藻的药用价值，形成高附加值的生物技术产品，同时也能降低医用蛋白的价格，使人胰岛素的应用得到普及。回答下列问题：‎ ‎(1)基因工程中的目的基因可以从自然界中原有的物种中获得，也可以利用人工化学合成的方法获得目的基因。将目的基因导入植物细胞的最常用方法是农杆菌转化法。‎ ‎(2)在生物体外常用PCR技术来扩增目的基因。在PCR体系中需要加入dNTP(dATP、dTTP、dGTP、dCTP)，dNTP脱去两个磷酸后形成的物质能作为DNA合成的原料，则dATP和ATP在组成成分上的差别是构成dATP的五碳糖是脱氧核糖，构成ATP的五碳糖是核糖。在PCR体系中不需要(填“需要”或“不需要”)加入ATP。‎ ‎(3)某PCR体系中用到的引物序列是 GGCCATT 和CCGGTAA，这两种引物设计是否合理？不合理(填“合理”或“不合理”)，理由是两种引物之间能够发生碱基互补配对，会降低引物的使用效率。‎ ‎(4)利用小球藻合成的人胰岛素和利用细菌合成的人胰岛素在空间结构上存在较大差异，其原因是小球藻是真核生物，其细胞中的内质网和高尔基体能对人胰岛素进行加工，而细菌则不能。‎ ‎[解析]　(1)基因工程所需的目的基因除可以从自然界中原有的物种中获得外，还可以利用人工化学合成的方法获得目的基因。将目的基因导入植物细胞的最常用方法是农杆菌转化法。(2)在生物体外常用PCR技术来扩增目的基因。在PCR体系中需要加入dNTP(dATP、dTTP、dGTP、dCTP)，dNTP脱去两个磷酸后形成的物质能作为DNA合成的原料，则dATP的含义是脱氧三磷酸腺苷，而ATP的含义是三磷酸腺苷，二者在化学组成成分上的差别是前者所含的五碳糖是脱氧核糖，后者所含的五碳糖是核糖。由于每种原料中都含有高能磷酸键，所以在PCR体系中不需要再加入ATP分解供能了。(3)如果在PCR体系中加入的两种引物序列是 GGCCATT 和CCGGTAA，二者之间刚好能够发生碱基互补配对，这样会降低引物的使用效率，所以用这样两种序列作为引物是不合理的。(4)小球藻是真核生物，细胞内有内质网、高尔基体等加工分泌蛋白的细胞器，而细菌是原核生物，细胞没有具有膜结构的细胞器，所以利用小球藻合成的人胰岛素和利用细菌合成的人胰岛素在空间结构上存在较大差异。‎ ‎2．(2020·广东高考模拟)回答下列基因工程的相关问题：‎ ‎(1)基因工程中，阐明遗传信息流动方向的基础理论是中心法则；自然界中的原核生物容易受到外源DNA的入侵，但依然可以达到保护自身的目的，这为人们寻找 限制性核酸内切酶(答基因工程的工具)提供了启示。质粒作为基因工程的载体，应具备的基本条件：能够自我复制、具有标记基因和一个至多个酶切位点。‎ ‎(2)动物和植物中内含子的剪接系统不同，如果要将一个来自动物且含有内含子的目的基因转入植物中进行表达，只能用该基因的cDNA(mRNA反转录产生的互补DNA)。利用乳腺生物反应器批量生产药物时，需要将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，才能最终实现目的基因的表达。‎ ‎(3)基因工程中，某些噬菌体经改造后可以作载体，其DNA复制所需的原料来自于受体细胞。‎ ‎(4)用目的基因的片段作为探针，在基因工程中可以检测目的基因是否插入到染色体DNA中，目的基因是否转录出mRNA。‎ ‎[解析]　(1)细胞内，遗传信息流动方向概括为中心法则，所以基因工程中也是以中心法则阐明遗传信息的流动方向为理论基础的。细胞内能破坏外来DNA和自身损伤的DNA的物质是限制酶，原核生物也不例外，所以在自然界中的原核生物的细胞内存在限制酶。质粒作为基因工程的载体，应具备的基本条件：能够自我复制、具有标记基因和一个至多个酶切位点。(2)由于动物和植物中内含子的剪接系统不同，所以希望跨物种转入的基因能得到表达，只能用该基因转录产生的mRNA作为模板，通过反转录得到的cDNA片段。利用乳腺生物反应器批量生产药物时，希望动物乳腺细胞内合成的药物能随乳汁分泌，需要将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，才能最终实现目的基因的表达并分泌。(3)由于噬菌体没有细胞结构，所以基因工程中用某些噬菌体作载体，其DNA复制所需的原料、能量和酶等都来自于受体细胞。(4)根据前面的分析可知，用目的基因的片段作为探针，在基因工程中可以检测目的基因是否插入到染色体DNA中以及目的基因是否转录出mRNA，其原理都是利用核酸分子杂交技术。‎ ‎3．(2019·六盘水市第七中学高三月考)科学家通过基因工程方法，将苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因转入普通棉株细胞内，并成功实现了表达，从而培育出了能抗棉铃虫的棉花植株——抗虫棉。其过程大致如图所示：‎ ‎(1)基因工程的操作程序中的核心步骤是：基因表达载体的构建，需要的工具酶有限制性核酸内切酶(限制酶) 和DNA连接酶。‎ ‎(2)Ti质粒是农杆菌中的一种质粒，其上有T－DNA，能把目的基因插入Ti质粒的T－DNA中是利用了T－DNA可转移至受体细胞并且整合到受体细胞染色体的DNA上的特点。‎ ‎(3)Bt毒蛋白基因转入普通棉株细胞中并成功实现表达的过程，在基因工程中称为转化。‎ ‎(4)将目的基因导入受体细胞的方法有很多种，该题中涉及的是农杆菌转化法。‎ ‎(5)目的基因能否在棉株体内稳定维持和表达其遗传特性的关键是目的基因是否插入受体细胞染色体的DNA上，这需要通过检测才能知道，检测采用的方法是DNA分子杂交。‎ ‎[解析]　(1)据分析：基因表达载体的构建是基因工程的核心步骤；工具酶包括限制酶和DNA连接酶。(2)农杆菌中的Ti质粒上的T－DNA具有可转移至受体细胞，并且整合到受体细胞染色体的DNA上的特点，因此可以用来导入目的基因。(3)Bt毒蛋白基因转入普通棉株细胞内并成功实现了表达的过程，在基因工程中称为转化。(4)本题中将目的基因导入受体细胞的方法是农杆菌转化法。(5)目的基因是否插入到受体细胞染色体DNA上是目的基因能否在棉株体内稳定遗传的关键，可通过DNA分子杂交技术进行检测目的基因是否导入受体细胞。‎ ‎4．(2019·山东高考模拟)由腊梅凝集素基因控制合成的某种蛋白质能与蚜虫肠道黏膜上的受体结合，从而抑制蚜虫吸收营养物质。通过基因工程将腊梅凝集素基因转入烟草，可增强其抗蚜虫的能力。请回答下列问题：‎ ‎(1)在逆转录酶的作用下，能以腊梅凝集素基因产生的mRNA作为模板按照碱基互补配对原则获得cDNA片段，以获取目的基因。‎ ‎(2)将目的基因导入烟草细胞常用的方法是农杆菌转化法。农杆菌的Ti质粒上的T－DNA具有可转移至受体细胞并且能整合到烟草细胞中染色体的DNA上的特点。在该过程中需要添加酚类物质，目的是吸引农杆菌感染烟草细胞。筛选成功导入目的基因的烟草细胞，再通过植物组织培养技术获得转基因烟草幼苗。‎ ‎(3)将转基因烟草幼苗与非转基因烟草幼苗隔区种植，并接种等量的蚜虫，一定时间后用样方法统计蚜虫的种群密度，若转基因烟草幼苗区内的蚜虫密度低于非转基因烟草幼苗区，则说明转基因烟草具有抗蚜虫能力。‎ ‎(4)上述方法获得的转基因烟草，抗虫基因可能会随花粉(填“花粉”或“卵细胞”)扩散传播，产生基因污染，故可以通过基因枪法将抗虫基因表达载体打入烟草细胞叶绿体以实现转化，提高转基因烟草的安全性。‎ ‎[解析]　(1)在逆转录酶的作用下，能以腊梅凝集素基因产生的mRNA作为模板按照碱基互补配对原则获得cDNA片段，以获取目的基因。(2)农杆菌的Ti质粒上的T－DNA具有可转移至受体细胞并且能整合到烟草细胞中染色体的DNA上的特点。在该过程中需要添加酚类物质，目的是吸引农杆菌感染烟草细胞。筛选成功导入目的基因的烟草细胞，再通过植物组织培养。(3)将转基因烟草幼苗与非转基因烟草幼苗隔区种植，并接种等量的蚜虫，一定时间后用样方法统计蚜虫的种群密度，若转基因烟草幼苗区内的蚜虫密度低于非转基因烟草幼苗区，则说明转基因烟草具有抗蚜虫能力。‎ ‎ (4)上述方法获得的转基因烟草，抗虫基因可能会随花粉扩散传播，产生基因污染，故可以通过基因枪法将抗虫基因表达载体打入烟草细胞叶绿体以实现转化，提高转基因烟草的安全性。‎ ‎5．(2019·天津高考模拟)科学家们发现长年生活在寒带的比目鱼不怕冻，因为比目鱼的身体里有一种抗冻蛋白质(AFP)。科学家将比目鱼的抗冻蛋白质基因转移到西红柿里，培育出了抗冻西红柿，这种西红柿可以在冬季或较寒冷的地区种植，使得人们一年到头都能吃到西红柿。下图为抗冻番茄的培育过程。据图回答：‎ ‎(1)①过程为基因表达载体的构建，重组质粒除了含有目的基因外，还必须有启动子、终止子、标记基因、复制原点。‎ ‎(2)②过程常采用农杆菌转化法将AFP基因导入番茄细胞，除此之外，还可利用基因枪法(花粉管通道法)(答出一种即可)，③过程应用的主要技术是植物组织培养。‎ ‎(3)若AFP基因已表达出抗冻蛋白，还需要进行个体水平的检测，如通过低温处理并观察番茄的抗冻情况，以确定抗冻番茄植株是否具有抗寒特性。‎ ‎[解析]　(1)①过程是将AFP基因与Ti质粒结合形成重组质粒的过程，属于基因表达载体的构建，为了使目的基因在受体细胞稳定存在，并且能够表达和发挥作用，重组质粒除了目的基因外，还必须有启动子、终止子、标记基因和复制原点。(2)将目的基因导入到植物细胞的方法有农杆菌转化法、基因枪法和花粉管通道法；③过程是将含目的基因的番茄细胞诱导发育为转基因植株的过程，一般用植物组织培养技术。(3)若需从个体水平检测抗冻番茄植株是否具有抗寒特性，可以通过低温处理并观察番茄的抗冻情况进行判断。‎ ‎6．(2020·四川高考模拟)如图是从酵母菌中获取某种酶基因的流程示意图。回答下列问题：‎ ‎(1)从图示流程可知，目的基因可以从基因组文库中获取。‎ ‎(2)图中基因组文库大于(填“大于”“等于”或“小于”)cDNA文库。B过程所需的酶是逆转录酶。‎ ‎(3)将该目的基因导入植物细胞，通常采用的方法是农杆菌转化法；导入微生物细胞，通常采用Ca2＋处理细胞，使之转化为感受态细胞。‎ ‎(4)检测目的基因是否翻译出蛋白质可采用抗原－抗体杂交技术。导入细菌受体细胞中的目的基因成功表达的标志是细菌细胞中提取到相应蛋白质。‎ ‎[解析]　(1)由图可知，目的基因可以从基因文库(基因组文库或cDNA文库)中获取。(2)基因组文库包括了该种生物所有的基因，而部分基因文库只包含一种生物的部分基因，因此基因组文库大于cDNA文库。B表示逆转录过程，需要逆转录酶。 (3)将该目的基因导入植物细胞常用农杆菌转化法；将目的基因导入微生物细胞常用感受态细胞转化法，即用Ca2＋ 处理细胞，使之转化为感受态细胞。 (4)检测目的基因是否翻译出蛋白质可用抗原－抗体杂交技术，导入细菌受体细胞中的目的基因成功表达的标志是细菌细胞中提取到相应蛋白质。‎ ‎7．(2020·陕西高考模拟)研究人员发现，从锥形蜗牛体内提取出的毒液有望帮助人类开发出超级速效的胰岛素。他们研究表明锥形蜗牛毒蛋白(Con－Ins GI)能加速受体细胞信号转换，比人类胰岛素更加快速的发挥作用。因此制造这类“速效胰岛素”以及利用转基因技术实现批量生产成为I型糖尿病治疗的新思路。请回答下列问题：‎ ‎(1)利用基因工程制造这种速效胰岛素过程中，构建基因表达的载体一般包括目的基因、启动子、标记基因、终止子和复制原点，标记基因的作用是鉴别和筛选含有目的基因的细胞。‎ ‎(2)为了获得目的基因可以通过提取分析毒蛋白中的氨基酸序列推知毒蛋白基因的核苷酸序列，再用DNA合成仪直接大量合成。基因工程中需要DNA连接酶，根据酶的来源不同分为E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶两类。‎ ‎(3)将人工合成的目的基因导入大肠杆菌体内，一般先用药物处理大肠杆菌使之成为感受态细胞，再将重组DNA溶于缓冲液中与该类细胞融合，在一定温度下促进细胞吸收重组DNA分子完成转化过程。‎ ‎(4)经过目的基因的检测和表达，获得的Con－Ins GI毒蛋白活性未能达到期待的“速效胰岛素”的生物活性，导致这种差异的原因可能是大肠杆菌中基因表达获得的蛋白质未加工。‎ ‎[解析]　(1)构建的表达载体含有目的基因(速效胰岛素基因)、标记基因、启动子及终止子等，其中启动子、终止子也是一段DNA分子，标记基因的作用是鉴别和筛选含有目的基因的细胞。(2)目的基因的获取可采用的方法有：原核基因采取直接分离获得，真核基因是人工合成。人工合成目的基因的常用方法有反转录法和化学合成法。为了获得目的基因可以通过提取分析Con－Ins Gl毒蛋白中的氨基酸序列推知毒蛋白基因的核苷酸序列，再用DNA合成仪直接大量合成。基因工程中需要DNA连接酶，根据酶的来源不同分为E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶两类。(3)将人工合成的目的基因导入大肠杆菌体内，一般先用药物处理大肠杆菌使之成为感受态细胞，再将重组DNA溶于缓冲液中与该类细胞融合，在一定温度下促进细胞吸收重组DNA分子完成转化过程。(4)经过目的基因的检测和表达，获得的Con－Ins Gl毒蛋白活性未能达到期待的“速效胰岛素”的生物活性，导致这种差异的原因可能是大肠杆菌属于原核生物，其细胞中不含内质网和高尔基体，基因表达获得的蛋白质未加工。‎ ‎8．(2019·海南高考模拟)人类生长因子是一种生物活性肽复合物。研究人员发现转人类生长因子基因猪可以产生和分泌人类生长因子，有助于促进细胞生长和伤口愈合。请回答下列问题：‎ ‎(1)常通过PCR技术来扩增获得人类生长因子基因，与细胞内的DNA聚合酶相比，扩增过程使用的DNA聚合酶最大的特点是耐高温。‎ ‎(2)右图表示在培育转人类生长因子基因猪的过程中，某技术环节的一个核心步骤。‎ ‎ ①环节需要用到的工具酶是限制酶和DNA连接酶，这两种工具酶的化学本质都是蛋白质。将该表达载体导入猪受精卵后，经早期胚胎培养、胚胎移植技术使其持续发育成转基因猪。‎ ‎②人类生长因子基因能在猪细胞中稳定遗传的关键是人类生长因子基因是否插到转基因猪染色体的DNA上。‎ ‎③为检测人类生长因子基因在转基因猪的细胞内是否发生转录，可用标记的人类生长因子基因作探针进行分子杂交检测，分子杂交的原理是碱基互补配对。‎ ‎[解析]　(1)PCR技术中用到的DNA聚合酶最大的特点是耐高温。(2)①基因工程中涉及到的工具酶为限制酶和DNA连接酶，它们的化学本质都是蛋白质；将表达载体导入猪受精卵后，经早期胚胎培养、胚胎移植技术使其持续发育成转基因猪。②人类生长因子基因在猪的细胞内稳定遗传的关键是人类生长因子基因是否插入到转基因猪的染色体的DNA上。③为检测人类生长因子基因在转基因猪的细胞内是否发生转录，可用标记的人类生长因子基因作探针进行分子杂交检测，分子杂交的原理是遵循碱基互补配对原则。‎ ‎9．(2019·芜湖市高三期末理综)国际水稻研究所人员从产量低的耐淹水稻中找到一种耐淹基因，将其移入到高产热带水稻中，终于培育出耐淹的高产水稻品系，其产量比高产热带水稻产量还要高。耐淹基因移入的方法可通过转基因技术实现。请回答下列相关问题：‎ ‎(1)为培育耐淹的高产水稻品系，应需将耐淹基因进行体外扩增。在PCR反应体系中加入了热稳定DNA聚合酶、引物等，还加入耐淹基因作为模板，加入dNTP(dATP、dTTP、dGTP、dCTP)作为合成DNA的原料。‎ ‎(2)质粒常被用作运载体，因为质粒具有能在宿主细胞内复制并稳定存在；具有多个限制酶切位点，便于目的基因插入；具有标记基因，便于检测和筛选(答2点即可)。构建耐淹基因的质粒表达载体时，常用不同的限制酶对耐淹基因和质粒进行切割，目的是减少耐淹基因及质粒的自身环化、增大耐淹基因正向(正确)连接的概率。‎ ‎(3)根据耐淹基因表达的蛋白质，研究人员通过对它的氨基酸序列设计并人工合成耐淹基因。与水稻的耐淹基因相比，人工合成的耐淹基因在结构上缺少了启动子、终止子和内含子。虽然两种基因转录的产物不同，但最终表达出相同的蛋白质，可能的原因是密码子具有简并性。‎ ‎(4)蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质的原因是改造基因易于操作且改造后能够遗传。‎ ‎[解析]　(1)利用PCR技术在体外扩增耐淹基因(目的基因)时，在PCR反应体系中除了加入热稳定DNA聚合酶、引物等外，还加入耐淹基因作为模板，加入dNTP(dATP、dTTP、dGTP、dCTP) 作为合成DNA的原料。(2) 质粒被用作运载体，应具备的条件有：能在宿主细胞内复制并稳定存在；具有多个限制酶切位点，便于目的基因插入；具有标记基因，便于检测和筛选。构建耐淹基因的质粒表达载体时，用不同的限制酶对耐淹基因和质粒进行切割，可以减少耐淹基因及质粒的自身环化、使耐淹基因定向连接到质粒上，以增大耐淹基因正向(正确)连接的概率。(3) 与水稻的耐淹基因相比，根据耐淹基因表达的蛋白质的氨基酸序列推测出的mRNA分子中，缺乏与基因中的启动子、终止子和内含子相对应的碱基序列，据此设计并人工合成的耐淹基因在结构上缺少了启动子、终止子和内含子。由于密码子具有简并性，虽然两种基因转录的产物不同，但最终能够表达出相同的蛋白质。(4)由于直接改造的蛋白质不能遗传，而改造基因易于操作且改造后能够遗传，所以在蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质。‎