高中生物人教版選擇性必修第三冊學(xué)案：第3章 基因工程 單元素能提升（含解析）

單元素能提升三

【主干知識理脈絡(luò)】

【單元提升交匯點】

提升點一基因工程與必修課程相

關(guān)知識的綜合

交匯點1高中生物學(xué)中所學(xué)習(xí)的載

體

(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02運輸?shù)妮d體：紅細(xì)胞中

的血紅蛋白。

(3)基因工程中目的基因的載體：質(zhì)

粒、噬菌體和動植物病毒等。

(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DNAo

(5)細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)傳遞信息的載體

是mRNAo

(6)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)系必修課程模塊2中“基

因的表達”和“mRNA中的起始密碼子、

終止密碼子”交匯考查

(1)基因表達的過程包括轉(zhuǎn)錄和翻譯。

(2)啟動子、終止子是質(zhì)粒上的具有特

殊結(jié)構(gòu)的DNA片段。

(3)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

性內(nèi)切核酸酶，聯(lián)系必修課程模塊1中

“有關(guān)酶的本質(zhì)和特性”交匯考查

限制性內(nèi)切核酸酶相關(guān)知識：

(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

子中特定的核甘酸序列。

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：斷開連接兩個核甘酸的磷酸

二能鍵。

交匯點4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

課程模塊2中“DNA分子的組成、結(jié)構(gòu)”

交匯考查

(l)DNA分子的基本組成單位：脫氧

核糖核甘酸。

(2)DNA分子結(jié)構(gòu)：DNA是由脫氧核

昔酸連接而成的長鏈，相鄰脫氧核甘酸通

過磷酸二酯鍵連接；在絕大多數(shù)生物的細(xì)

胞中，DNA由兩條脫氧核甘酸鏈構(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。

【對點訓(xùn)練】

1.在一個典型的基因內(nèi)部，啟動子

(TSS)、終止子(TTS)、起始密碼子編碼序

列(ATG)、終止密碼子編碼序列(TGA)的

排列順序是()

A.ATG—TGA—TSS—TTS

B.TSS—ATG—TGA—TTS

C.ATG—TSS—TTS—TGA

D.TSS—TTS—ATG—TGA

2.纖維素分子不能進入酵母細(xì)胞，

為了使酵母菌能夠利用環(huán)境中的纖維素

為原料生產(chǎn)酒精，構(gòu)建了含3種不同基因

片段的重組質(zhì)粒。下圖是酵母菌轉(zhuǎn)化及纖

維素酶在工程菌內(nèi)合成與運輸?shù)氖疽鈭D。

據(jù)圖回答：

(1)纖維素酶基因的表達包括

和過程。與菌株n相

比，在菌株ni、iv中參與纖維素酶合成和

分泌的細(xì)胞器還有

(2)在以纖維素為唯一碳源的培養(yǎng)基

上分別培養(yǎng)菌株n、in、iv,菌株

不能存活，原因是

(3)酵母菌生成酒精的細(xì)胞部位是

,產(chǎn)生酒精時細(xì)胞的呼吸方式是

o在利用纖維素生產(chǎn)酒精時，菌

株IV更具優(yōu)勢，因為導(dǎo)入的重組質(zhì)粒含有

，使分泌的纖維素酶固

定于細(xì)胞壁，減少因培養(yǎng)液更新而造成的

酶的流失，提高了酶的利用率。

3.為提高水稻的抗旱能力，科研人

員將擬南芥GolS2基因?qū)胨倔w內(nèi)后，

設(shè)法使該基因過量表達，產(chǎn)生較多的糖類

化合物，從而達到預(yù)期目的。回答下列問

題：

(1)從分子水平上看,基因工程得以實

現(xiàn)的遺傳學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ)是

(2)GolS2基因在水稻體內(nèi)過量表達

即可提高抗旱能力，說明基因通過

___________________________,進而控制生

物性狀，細(xì)胞內(nèi)糖類化合物含量增多可以

提高抗旱能力的原因是

⑶需將GolS2基因拼接在運載體上

才能成功轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化指的是

GolS2基因在水稻體內(nèi)能過量表達，

是科學(xué)家對基因表達載體上的

進行修飾的結(jié)果。

(4)對導(dǎo)入了基因表達載體的細(xì)胞進

行組織培養(yǎng)，需為其提供適宜的溫度和

pH外，還需滿足的條件有

(至少答出三點)。

提升點二基因工程與選擇性必修

課程相關(guān)知識的綜合

交匯點1基因工程的應(yīng)用廣泛，特

別是在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用，很多抗體、

疫苗、激素等都可通過基因工程生產(chǎn)，因

此基因工程與選擇性必修模塊1中的激

素調(diào)節(jié)、免疫調(diào)節(jié)可進行交匯考查

交匯點2基因工程的應(yīng)用還可能與

本模塊中“體細(xì)胞核移植”“單克隆抗

體”等知識交匯考查

【對點訓(xùn)練】

1.在體內(nèi)，人胰島素基因表達可合

成出一條稱為前胰島素原的肽鏈，此肽鏈

在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中經(jīng)酶甲切割掉氨基端一段短

肽后成為胰島素原，進入高爾基體的胰島

素原經(jīng)酶乙切割去除中間片段C后，產(chǎn)生

A、B兩條肽鏈，再經(jīng)酶丙作用生成由51

個氨基酸殘基組成的胰島素。目前，利用

基因工程技術(shù)可大量生產(chǎn)胰島素?；卮鹣?/p>

歹U問題：

(1)人體內(nèi)合成前胰島素原的細(xì)胞是

,合成胰高血糖素的細(xì)胞是

(2)可根據(jù)胰島素原的氨基酸序列，設(shè)

計并合成編碼胰島素原的序列，

用該序列與質(zhì)粒表達載體構(gòu)建胰島素原

基因重組表達載體。再經(jīng)過細(xì)菌轉(zhuǎn)化、篩

選及鑒定，即可建立能穩(wěn)定合成

的基因工程菌。

(3)用胰島素原抗體檢測該工程菌的

培養(yǎng)物時，培養(yǎng)液無抗原一抗體反應(yīng)，菌

體有抗原一抗體反應(yīng)，則用該工程菌進行

工業(yè)發(fā)酵時，應(yīng)從中分離、純化

胰島素原。胰島素原經(jīng)酶處理便可轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

胰島素。

21人類在預(yù)防與診療傳染性疾病過

程中，經(jīng)常使用疫苗和抗體。已知某傳染

性疾病的病原體為RNA病毒，該病毒表

面的A蛋白為主要抗原，且疫苗生產(chǎn)和

抗體制備的流程之一如下圖：

請回答：

(1)過程①代表的是O

(2)過程②構(gòu)建A基因表達載體時，

必須使用和兩種

工具酶。

(3)過程③采用的實驗技術(shù)是

,獲得的X是

(4)對健康人進行該傳染病免疫預(yù)防

時，可選用圖中基因工程生產(chǎn)的

所制備的疫苗。對該傳染病疑似患者確診

時，可從疑似患者體內(nèi)分離病毒，與已知

病毒進行比較；或用圖中的

進行特異性結(jié)合檢測。

3.乳腺炎和口蹄疫分別是由細(xì)菌和

病毒引起的危害奶牛養(yǎng)殖業(yè)的兩種嚴(yán)重

疾病。研究者利用生物技術(shù)培育出轉(zhuǎn)牛乳

鐵蛋白肽（抗細(xì)菌）和人干擾素（抗病毒）的

雙轉(zhuǎn)基因奶牛新品種。圖1為基因表達載

體，圖2為培育流程。

（1）培育雙轉(zhuǎn)基因奶牛涉及的生物技

術(shù)有

（至少2項）。

（2）牛乳鐵蛋白肽基因能在轉(zhuǎn)基因奶

牛的乳腺細(xì)胞表達，人干擾素基因則可在

全身細(xì)胞表達，這與構(gòu)建表達載體時的

選擇有關(guān)。據(jù)圖可知，干擾素基

因與基因可同時轉(zhuǎn)錄，但在翻譯

時，核糖體可識別mRNA上IRES序列，

啟動另一條肽鏈的合成，因此用含有新霉

素的培養(yǎng)基可篩選出

(3)將基因?qū)肱Ｌ撼衫w維細(xì)胞前,

需用將其處理成單個細(xì)胞。成纖

維細(xì)胞無法直接發(fā)育成個體，需要去核卵

母細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)誘導(dǎo)，以實現(xiàn)細(xì)胞核的

(4)研究者利用技

術(shù)篩選出(填“牛乳鐵蛋白”或

“干擾素”)成功表達的胚胎進行移植。

復(fù)習(xí)與提高

1.(1)應(yīng)選擇用相同的限制酶或切割

能產(chǎn)生相同末端的限制酶切割質(zhì)粒和含

有目的基因的DNA片段，并且注意限制

酶的切割位點不能位于目的基因的內(nèi)部，

以防破壞目的基因，限制酶也不能破壞質(zhì)

粒的啟動子、終止子、標(biāo)記基因、復(fù)制原

點等結(jié)構(gòu)。

(2)加入DNA連接酶。

(3)提示：該質(zhì)粒便于進行雙重篩選。

標(biāo)記基因A碼/基因可用于檢測質(zhì)粒是否

導(dǎo)入了大腸桿菌，一般只有導(dǎo)入了質(zhì)粒的

大腸桿菌才能在添加了青霉素的培養(yǎng)基

上生長。而由于LacZ基因的效應(yīng)，這些

生長的菌落可能出現(xiàn)兩種顏色：含有空質(zhì)

粒(沒有連接目的基因的質(zhì)粒)的大腸桿菌

菌落呈藍色；含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌

落呈白色。

(4)含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈

白色。因為目的基因的插入破壞了LacZ

基因的結(jié)構(gòu)，使其不能正常表達，形成0-

半乳糖昔酶,底物X-gal也就不會被分解。

2.(1)逆轉(zhuǎn)錄病毒是載體，能將外源

基因0。3/4、Sox2,c-Myc和K『4送入小

鼠成纖維細(xì)胞。

(2)提示：可以設(shè)置對照組。將轉(zhuǎn)入外

源基因和沒有轉(zhuǎn)入外源基因的細(xì)胞分別

培養(yǎng)在相同的培養(yǎng)基中，并確保其他培養(yǎng)

條件相同。如果只有轉(zhuǎn)入外源基因的細(xì)胞

轉(zhuǎn)化成了iPS細(xì)胞，就可以證明iPS細(xì)胞

的產(chǎn)生不是由于培養(yǎng)基的作用。

(3)提示：可以依次去掉1個基因，將

其他3個基因轉(zhuǎn)入小鼠成纖維細(xì)胞中，然

后通過與轉(zhuǎn)入4個基因的小鼠成纖維細(xì)

胞的誘導(dǎo)情況進行比較，來推測缺失的那

個基因?qū)φT導(dǎo)iPS細(xì)胞的影響，進而判斷

每個基因作用的相對大小。(其他合理答

案均可)

(4)提示：不會引起免疫排斥反應(yīng)，因

為在誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化的過程中細(xì)胞的遺傳物質(zhì)

沒有發(fā)生變化，理論上產(chǎn)生的還是“自

體”細(xì)胞。iPS細(xì)胞擁有分化為各種細(xì)胞

的潛能，因此存在分化成腫瘤細(xì)胞的風(fēng)

險。

3.(1)提示：從親緣關(guān)系的遠近來看,

固氮相關(guān)基因可能更容易在水稻根系微

生物中穩(wěn)定存在和表達，進而使其具有固

氮的能力。(其他合理答案均可)

(2)提示：此題不要求有唯一的答案,

學(xué)生可從便捷性、安全性、經(jīng)濟性等角度

進行分析，言之成理即可。例如，從便捷

性角度認(rèn)為能固氮的水稻新品種更值得

推廣；或從轉(zhuǎn)基因安全性角度認(rèn)為能固氮

的水稻根系微生物更值得推廣等。

單元素能提升三

提升點一

1.解析：在基因內(nèi)部，不同位點的

排列順序為：轉(zhuǎn)錄起始位點一起始密碼子

編碼序列一終止密碼子編碼序列一轉(zhuǎn)錄

終止位點。

答案：B

2.解析：（1）基因表達的過程包括轉(zhuǎn)

錄和翻譯。菌株n能合成纖維素酶，但不

能分泌到細(xì)胞外，菌株in、w能夠合成和

分泌纖維素酶，與菌株n相比，在菌株in、

w中參與纖維素酶合成和分泌的細(xì)胞器

還有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體。（2）菌株n導(dǎo)入的

表達載體中不含信號肽編碼序列，因此合

成的纖維素酶不能分泌到細(xì)胞外，不能利

用纖維素，又無其他碳源，因此不能存活。

⑶菌株w因?qū)氲妮d體中有A基因片段,

使其分泌的纖維素酶吸附在細(xì)胞壁上，減

少了因培養(yǎng)液更新而造成的酶的流失，提

高了酶的利用率。

答案：（1）轉(zhuǎn)錄翻譯內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾

基體

（2）11缺少信號肽編碼序列，合成的

纖維素酶不能分泌到細(xì)胞外，細(xì)胞無可利

用的碳源

（3）細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)無氧呼吸A基因

片段

3.解析：（1）基因工程得以實現(xiàn)的遺

傳學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ)體現(xiàn)在兩方面：一是DNA

的基本結(jié)構(gòu)相同，可以使不同生物的

DNA分子拼接在一起，構(gòu)建基因表達載

體；另一方面是基因表達的機制相同，所

有生物共用一套密碼子。（2）GolS2基因與

糖類合成有關(guān)，而糖的合成需要酶的催

化，因此GolS2基因通過控制酶的合成來

控制糖代謝過程，進而控制生物性狀。從

題意來看，細(xì)胞內(nèi)GolS2基因的過量表

達，使得細(xì)胞內(nèi)糖類增多，增加了細(xì)胞液

的濃度，進而使細(xì)胞吸水或保水能力增

加。（3）轉(zhuǎn)化是指目的基因進入受體細(xì)胞，

并且在受體細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達的過

程。表達的第一個環(huán)節(jié)是轉(zhuǎn)錄，因此，修

飾的應(yīng)該是啟動子（調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的核昔

酸序列）。（4）植物組織培養(yǎng)過程除需要適

宜的溫度和pH,還需植物激素的調(diào)控、

適宜的營養(yǎng)以及無菌條件等。

答案：（1）不同生物DNA分子的基本

結(jié)構(gòu)相同（或“不同生物DNA分子都是

雙螺旋結(jié)構(gòu)”）所有生物共用一套密碼

子（需從核酸的角度回答，可以說轉(zhuǎn)錄和

翻譯的機制相同，合理即可）

（2）控制酶的合成來控制代謝過程

細(xì)胞內(nèi)糖類增多，增加了細(xì)胞液的濃度，

進而使細(xì)胞吸水或保水能力增加

（3）目的基因進入受體細(xì)胞內(nèi)，并且在

受體細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達的過程啟

動子

（4）一定的激素條件、適宜的營養(yǎng)、無

菌環(huán)境

提升點二

1.解析：（1）由題意可知，前胰島素

原在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)加工后成為胰島素，人體合

成胰島素的細(xì)胞是胰島B細(xì)胞，所以合成

前胰島素原的細(xì)胞也是胰島B細(xì)胞；合成

胰高血糖素的細(xì)胞是胰島A細(xì)胞。（2）根

據(jù)胰島素原的氨基酸序列，可設(shè)計并合成

編碼胰島素原的DNA序列（即目的基因）;

用該序列與質(zhì)粒表達載體構(gòu)建胰島素原

基因重組表達載體，再經(jīng)過細(xì)菌轉(zhuǎn)化、篩

選及鑒定，即可建立能穩(wěn)定合成人胰島素

原的基因工程菌。⑶根據(jù)題意，培養(yǎng)液無

抗原一抗體反應(yīng)，菌體有抗原一抗體反

應(yīng)，所以用該工程菌進行工業(yè)發(fā)酵時，應(yīng)

從菌體中分離、純化胰島素原，經(jīng)酶處理

便可轉(zhuǎn)變?yōu)橐葝u素。

答案：（1）胰島B細(xì)胞胰島A細(xì)胞

（2）DNA胰島素原（3）菌體

2.解析：（1）中心法則中，對于少數(shù)

的以RNA為遺傳物質(zhì)的病毒，其遺傳信

息的傳遞過程需要補充的過程有RNA的

逆轉(zhuǎn)錄和RNA復(fù)制的過程，圖中過程①

代表的是逆轉(zhuǎn)錄過程。（2）基因工程的步驟

是：目的基因的提取—基因表達載體的

構(gòu)建——目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞——目

的基因的檢測和表達，其中構(gòu)建基因表達

載體中需要限制酶來切割以獲取目的基

因，同時需要相同的限制酶切割載體以獲

取與目的基因相同的黏性末端，再通過

DNA連接酶連接目的基因和載體。（3）過

程③是將骨髓瘤細(xì)胞與B淋巴細(xì)胞融合

的過程，獲得的是雜交瘤細(xì)胞，其具備了

骨髓瘤細(xì)胞無限增殖的特性和B淋巴細(xì)

胞產(chǎn)生抗體的特性，從而制備單克隆抗

體。（4）本題考察了免疫預(yù)防的操作過程,

以及欲確診疑似患者而采取的方法。本題

中提示該RNA病毒表面的A蛋白為主要

的抗原，故而可選用通過基因工程生產(chǎn)的

A蛋白制備疫苗；確診時為