全职猎人还会出吗:(十六)遗传的物质基础、基因工程

　　一、遗传物质及作用原理
　　（一）生物性状遗传概述

　　（二）遗传物质的分析
　　1．遗传物质的特点
　　（1）分子结构相对稳定（贮存遗传信息）
　　（2）通过自我复制使前后代保持连续性（传递遗传信息）
　　（3）通过指导蛋白质合成控制生物状态（表达遗传信息）
　　（4）引起生物遗传的变异（改变遗传信息）

　　2．DNA是遗传物质的证据
　　（1）细菌转化的实验
　 　　　①体内转化实验：1928年，英国科学家Griffith
　　　 　②体外转化的实验过程：1944年，美国科学家Avery
　　（2）噬菌体侵染细菌的实验：1952年，Hershey和Chase

　　3．RNA是遗传物质的证据
　　烟草花叶病毒（RNA病毒）侵染烟草的实验

　　（三）DNA的分子结构
　　1．结构层次
　　（1）基本元素组成　 C、H、O、N、P等
　　（2）基本组成物质　 脱氧核糖、含氮碱基、磷酸
　　（3）基本结构单位　 4种脱氧核糖核苷酸
　　（4）化学结构（1级结构）　 脱氧核糖核苷酸链
　　（5）空间结构——双螺旋结构
　　　　 ①磷酸-脱氧核糖交互排列在双螺旋外侧
　　　　 ②对应碱基互补酸对（A-T、G-C）以氢键连结成对
　　　 　③两条链反向平行，有规则向右盘绕成双螺旋

　　2．结构特点
　　（1）双螺旋结构相对稳定性
　 　　　①互补碱基之间的氢键作用
　　　 　②碱基对之间的堆积力
　　（2）特异性——每一个DNA分子的碱基对具有特定排列顺序
　　（3）多样性——碱基序列千变万化

　　3．RNA分子结构与DNA的差异
　　（1）化学组成上的差异——五碳糖和碱基的差异
　　（2）结构上的差异
　　 　　①信使RNA（mRNA）是一条单链
　 　　　②转运RNA（tRNA）呈三叶草结构
　　　 　③核糖体RNA（rRNA）构成两个亚单位，进一步构成核糖体

　　（四）基因和遗传信息
　　1．基因——蕴含遗传信息的特定核苷酸序列
　　（1）基因和性状的关系——基因是决定生物性状的基本单位
　　（2）基因和DNA的关系——基因是有遗传效应的DNA片段
　　（3）基因和遗传信息的关系——基因中脱氧核苷酸的排列顺序代表一定的遗传信息。
　　（4）基因和染色体的关系——染色体是基因的载体，许多基因在染色体上呈线性排列。

　　2．基因的结构
　　（1）原核细胞基因的结构
　　 　　①包括编码区和非编码区
　　 　　②非编码区内有调控遗传信息表达的核苷酸序列（RNA聚合酶的结合位点）
　　　 　③RNA聚合酶催化DNA转录为RNA。
　　（2）真核细胞基因的结构和原核基因结构的比较
　　相同点：①包括编码区和非编码区
　 　　　 　②非编码区内有调控遗传信息表达的核苷酸序列
　　不同点：③编码区是间隔的，不连续的，含有能够编码蛋白质的外显子和不能编码蛋白质的内含子。
　 　　　 　④真核细胞的每一个基因中都包含若干个外显子和内含子。

　　3．人类基因组计划（HGP）
　　（1）人类基因组概念：人体DNA分子所携带的全部遗传信息
　　 　　人的单倍体基因组概念：由1—22号染色体DNA和X、Y两条性染色体DNA组成。
　　（2）人类基因组计划的主要内容：
　　（3）人类基因组计划的意义：
　　　 　解开人类生长、发育、健康、长寿的奥秘
　　　　 了解基因表达的调控机制，细胞生长、分化和个体发育的机制
　　 　　遗传病的预防诊断和治疗
　 　　　生物的进化、种族血缘（不同种族、不同个体基因组的研究）

　　（五）遗传物质的作用原理——遗传信息的传递和表达
　　　　　中心法则——遗传信息的转移规律
　　（1）遗传信息在生物大分子间转移过程遵循的基本法则
　　（2）中心法则图解表达方式如下：
　　　　
　　（3）中心法则高度概括遗传物质的作用原理

　　 1．DNA复制—传递遗传信息
　　（1）复制时间　 有丝分裂间期和前减数分裂期
　　（2）复制过程

　　（3）复制基础
　　　 　①特定的双螺旋结构为复制提供精确模板
　　　 　②碱基互补配对能力保证复制准确进行
　　（4）复制条件
　　　 　①以亲代DNA分子的双链为模板
　　　 　②以核基质中4种脱氧核苷酸为原料
　　　 　③DNA合成酶系的催化
　　　 　④提供能量
　　（5）复制特点
　　　 　①边解旋边复制，减少模板母链发生改变的机会。
　　　 　②遵循碱基互补配对原则，保证复制准确进行。
　　　 　③分段双向复制，提高复制速度。
　　　 　④半保留复制。
　　（6）子代DNA的去向——分配到两个子代细胞中或配子细胞中
　　（7）复制意义　 将亲代遗传信息传递给子代，保持了遗传信息的连续性

　　2．基因控制蛋白合成——表达遗传信息
　　转录——以DNA分子为模板合成RNA
　　（1）部位：细胞核内
　　（2）模板：DNA分子的非信息链
　　（3）碱基互补配对原则：A—U、T—A、G—C、C—G
　　（4）转录产物特点：mRNA单链上携带遗传信息
　　（5）mRNA动向：通过核膜孔进入细胞质，与核糖体结合。

　　翻译——以信使RNA分子为模板合成蛋白质
　　（1）直接模板——信使RNA
　　　 　①信使RNA单链上以‘三联体密码’形式转录着遗传信息
　　　 　②信使RNA分子经核膜孔移动到细胞质中，并与核糖体相结合
　　（2）蛋白质合成场所——核糖体
　　（3）合成蛋白质的运载工具——转运RNA
　　　 　①每个转运RNA分子的一端携带特异的氨基酸
　　　 　②另一端的“反密码子”识别mRNA的“密码子”
　　　 　③通过进位将氨基酸运输到核糖体的适当位置上
　　　 　④参与肽链延伸的过程（从游离的氨基到羧基）

　　（六）基因工程：
　　1．基因工程的基本内容
　　（1）基因工程的概念
　　（2）基因工程的工具
　　　 　①基因工程的剪刀——限制性内切酶
　　　　　 存在的生物种类——主要存在于微生物中
　　　　　 特异性——识别特定的核苷酸序列
　　　　 　多样性——限制性内切酶的种类多样
　　　　 　DNA重组的基础——同种限制性内切酶切割不同的DNA可获得互补配对的粘性末端
　　　 　②基因工程的针线——DNA连接酶
　　　　 　形成磷酸二酯键，完成基因的重组
　　　　 ③基因的运载工具——运载体
　　　　　 运载体的条件：
　　　　　 A、能在宿主细胞内复制并稳定保存
　　　　　 B、具有多种限制型内切酶切点
　　　　　 C、具有标记基因，便于筛选
　 　　 　 常用的运载体——质粒、噬菌体和动植物的细胞
　　　　 　质粒作为最常用运载体的原因——存在于细胞、酵母菌等微生物体内，能自我复制的小环状DNA分子
　　（3）基因操作的基本步骤
　　 　　①提取目的基因
　　　　　 A、直接分离基因——鸟枪法
　　　　　 B、人工合成基因
　　　　 ②目的基因与运载体结合——重组DNA分子
　　　　 　相同的限制性内切酶作用于目的基因和运载体
　　 　　　DNA连接酶的连接作用
　　　　 ③将目的基因导入受体细胞
　　　　　 ③将目的基因导入受体细胞
　　 　　④目的基因的检测与表达
　　　　 　依据运载体的标记基因进行检测
　　 　　　受体细胞特定性状的表达是衡量转基因技术成功与否的关键。

　　2．基因工程的成果和发展前景
　　（1）基因工程与医药卫生
　　①转基因药物——利用基因工程菌等生产的药物有：人生长激素，干扰素等60余种。
　　②基因诊断：一段用放射性同位素（32P）、荧光分子等标记的单链DNA分子作探针，利用DNA分子杂交的原理，鉴定被检测标本上的遗传信息。
　　③基因治疗：将健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中以达到治疗疾病的目的。

　　（2）基因工程与农业、食品工业
　　改良作物的品质——高产、稳产、具有优良品质
　　提高植物的抗性：抗寒、抗旱、抗病、抗盐碱，提高农作物抵抗不良环境的能力。
　　转基因动物——抗病能力强、高产仔率、高产奶率、高质量的皮毛
　　　　　　　　　超级动物
　　　　　　　 　 为人类提供某些药物
　　开辟新的食物来源

　　（3）基因工程与环保
　　环境监测
　　工程菌消除环境污染

　　3．转基因产品的安全性
　　对人类健康的安全性
　　对环境的安全性

　　补充资料：
　　人体基因组四张图的含义
　　遗传图（基因连锁图）：利用基因交换频率推断基因的间距（地点）
　　物理图：用限制性内切酶将DNA切成片段，利用分子杂交方法，确定每个基因的实际长度
　　序列图：基因的核苷酸序列（碱基的序列）
　　转录图：由成熟的信使RNA作模板逆转录出互补的DNA（因为人类基因组中只有1%—5%是编码序列）

　　典型试题：
　　1．在一个DNA分子中，腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基数目的54%，其中一条链中鸟嘌呤与胸腺嘧啶分别占该链碱基总数的22%和28%，则由该链转录的信使RNA中鸟嘌呤与胞嘧啶分别占碱基总数的
　　A．24%，22%　 B．22%，28%　 C．26%，24%　 D．23%，27%

　　解析：在DNA双链分子中，腺嘌呤和胸腺嘧啶互补配对，当腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基数目的54%时，在一条链中腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占这条链的54%，所以，该链中鸟嘌呤和胸腺嘧啶之和占46%，再根据，该链中鸟嘌呤占碱基总数的22%，可以算出胞嘧啶占24%。则与其互补的信使RNA中鸟嘌呤占24%、胸腺嘧啶占22%。

　　参考答案：A

　　2．已知病毒的核酸有双链DNA、单链DNA、双链RNA、单链RNA四种类型。现发现了一种新病毒，要确定其核酸属于上述哪种类型，应该
　　A．分析碱基类型，确定碱基比率
　　B．分析碱基类型，分析五碳糖类型
　　C．分析蛋白质的氨基酸组成，分析碱基类型
　　D．分析蛋白质的氨基酸组成，分析五碳糖类型

　　解析：分析碱基类型可以确定核酸的种类，有胸腺嘧啶没有尿嘧啶的是DNA，有尿嘧啶没有胸腺嘧啶的是RNA，分析碱基比率能够确定核酸是单链还是双链；A=T（A=U）、C=G的是双链分子，否则是单链。

　　参考答案：A

　　3．采用基因工程技术将人凝血因子基因导入山羊受精卵，培育出转基因羊。但是，人凝血因子只存在于该转基因羊的乳汁中。以下有关叙述，正确的是
　　A．人体细胞中凝血因子基因编码区的碱基对数目，等于凝血因子氨基酸数目的3倍
　　B．可用显微注射技术将含有人凝血因子基因的重组DNA分子导入羊的受精卵
　　C．在该转基因羊中，人凝血因子基因存在于乳腺细胞，而不存在于其他体细胞中
　　D．人凝血因子基因开始转录后，DNA连接酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA

　　参考答案：B

　　4．下列关于基因工程应用的叙述，正确的是
　　A．基因治疗就是把缺陷基因诱变成正常基因
　　B．基因诊断的基本原理是DNA分子杂交
　　C．一种基因探针能检测水体中的各种病毒
　　D．真核基因不能用来进行真核生物的遗传改良

　　参考答案：B

　　5．请根据下列资料回答问题：
　　DNA亲子鉴定测试的原理是：从被测试者的血滴或口腔黏膜细胞或者培育的组织内提取DNA，用限制性内切酶将DNA样本切成特定的小片段，放进凝胶中，用电泳推动DNA小片段分离，再使用特别的“探针”去寻找基因。相同的基因会凝聚在一起，然后利用特别的染料在X光下，便会显示由DNA探针凝聚于一起的黑色条码。每个人的条码一半与父亲的条码吻合，另一半与母亲的条码相吻合，反复几次，每一种探针可用于寻找DNA的不同部位并形成独特的条码，便可获得超过99.9%的分辨概率。请根据资料回答问题：
　　（1）限制性内切酶能将DNA样品切成特定的小片段，则主要体现了酶的_____________________________。

　　（2）“探针”是指________
　　A．某一个完整的小段基因
　　B．目的基因片段的特定DNA
　　C．与目的基因相同的特定双链DNA
　　D．与目的基因互补的特定单链DNA

　　（3）条码一半与其母亲的条码吻合，一半与其父亲的条码吻合的原因是___________________________。

　　（4）样品DNA经PCR技术（聚合酶链式反应）扩增，可以获得大量的DNA分子克隆。其原理是利用DNA分子的半保留复制，在试管中进行DNA分子的人工复制（如下图）。在很短的时间内，将DNA扩增几百万倍甚至几十亿倍，使实验室所需的遗传物质不再受限于活动的生物体。

　　①图中A过程表示___________________________________________；
　　②某样品DNA中共含有3000个碱基对，碱基数量满足(A+T)∶(G+C)=1/2，先欲得到1000个拷贝（即与样品相同的DNA），至少需要向试管中进入______个腺嘌呤脱氧核苷酸。
　　③“PCR”与人体内DNA复制相比，有何特殊之处？____________________。

　　（5）2002年6月，我国第一张18位点的“基因型身份证明”在湖北武汉诞生。
　　①现行居民身份证具有一定的时效性（有效期），如10年、20年不等，而“基因型身份证明”却具有长期有效性。为什么？_______________________________。
　　②在_____________________情况下，两个人的“基因型身份证明”完全相同。

　　参考答案：
　　（1）专一性；
　　（2）D；
　　（3）组成每对同源染色体的2个DNA分子，一条来自父方，一条来自母方；
　　（4）①DNA解旋；②1000×(1000－1)=999000；③离体条件下，高温；
　　（5）①同一个体不同生长发育阶段和不同组织的DNA是相同的，所以，具有高度的个体稳定性和特异性；
　　　　 ②同卵双生的双胞胎。

　　6．肺炎双球菌的转化实验的实验过程如下：
　　A．将无毒性的R型活细菌注射到小鼠体内，小鼠不死亡。
　　B．将有毒性的S型活细菌注射到小鼠体内，小鼠患败血症死亡。
　　C．将加热杀死后的S型细菌注射到小鼠体内，小鼠不死亡。
　　D．将无毒性的R型活细菌与加热杀死的S型细菌混合后，注射到小鼠体内，小鼠患败血症死亡。

　　结合所学知识，分析并回答下列问题：
　　（1）S型细菌体内的转化因子实质上是细菌的_________________，且存在于细菌的细胞质中，即为细菌的___________________；细菌体内的这种具有侵染功能的结构，在基因工程中常被作用___________________。
　　（2）C和D对比可推断出S型细菌和R型细菌具有很近的__________关系，S菌体内的转化因子能利用R菌提供的__________________等物质来合成自己的物质。
　　（3）实验时，对S菌的加热杀死过程，仅仅使菌体的______________等物质产生变性，而体内的遗传物质_______________并没有真正被灭活。
　　（4）若用强酸、强碱或高压蒸汽处理S菌，转化实验能否成功？

　　参考答案：
　　（1）DNA　 质粒　 运载体　 （2）亲缘　 酶、原料　
　　（3）蛋白质　 DNA　　　 　 （4）不能成功。

　　7．1978年，美国科学家利用基因工程技术，将人胰岛素基因拼接到大肠杆菌的DNA分子中，然后通过大肠杆菌的繁殖，生产出了人胰岛素，操作过程如下图所示：

　　（1）在上述基因操作中，由①→②过程所用的基因“剪刀”是___________，由③→④过程的实现是通过①→②过程相同的____________切割的结果；由④→⑤过程需要____________通过___________形成重组DNA分子；由⑥→⑦过程是通过细胞的___________________________实现的。

　　（2）不同生物间基因可以“移植”成功的结构基础是DNA________结构，大肠杆菌可以生产出人的胰岛素，说明它们和人类共用一套__________，大肠杆菌合成人胰岛素的过程可以表示为__________________________。

　　（3）形成的重组DNA分子是否真正转移到了受体细胞，必须对受体细胞进行检测。请根据下面实验原理和材料用具，设计实验选择运载体——质粒，探究质粒的抗菌素基因所合成的抗菌素类别。

　　实验原理：作为运载体的质粒，须有标记基因，这一标记基因是抗菌素抗性基因。故凡有抗菌素抗性的细菌，其质粒才可能用作运载体。

　　材料用具：青霉素、四环素的10万单位溶液、菌种试管、灭菌的含细菌培养基的培养皿、酒精灯、接种环、一次性注射器、蒸馏水、恒温箱。

　　方法步骤：
　　第一步：取三个含细菌培养基的培养皿并标1、2、3号，在酒精灯旁，用三支注射器，分别注入1 mL蒸馏水、青霉素、四环素液，并使之分布在整个培养基表面。
　　第二步：将接种环在酒精灯上燃烧用来________，并在酒精灯火焰旁取种，然后对三个培养皿接种。
　　第三步：培养：将接种后的三个培养皿放入37℃的恒温箱中培养24 h。

　　预期结果分析：
　　①设置1号的目的是____________，出现的现象是______________________。
　　②若仅2号生存则______________________________。
　　③若2号不存活，3号存活则__________________________________。

　　参考答案：
　　（1）限制性内切酶　 限制性内切酶　 DNA连接酶　 碱基互补配对　 有丝分裂
　　（2）双螺旋　 遗传密码　 DNA（基因）mRNA蛋白质
　　（3）灭菌　 对照作用　 细菌正常生长　 细菌质粒上有抗青霉素的基因　 细菌质粒上无抗青霉素的基因有抗四环素的基因