高中生物第一章第一节工具酶的发现和基因工程的诞生教学案浙科版选修3.docx

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高中生物第一章第一节工具酶的发现和基因工程的诞生教学案浙科版选修3

第一节工具酶的发现和基因工程的诞生

一、工具酶的发现和基因工程的诞生

1．基因工程概念：

把一种生物的遗传物质（细胞核、染色体脱氧核糖核酸等）移到另外一种生物的细胞中去，并使这种遗传物质所带的遗传信息在受体细胞中表达。

2．基因工程的核心：

构建重组DNA分子（基因表达载体的构建）。

3．基因工程的主要理论基础

（1）DNA是生物遗传物质的发现。

（2）DNA双螺旋结构的确立。

（3）遗传信息传递方式的认定。

4．基因工程的技术保障：

限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒载体的发现与应用。

二、基因工程的工具

1．限制性核酸内切酶（又称限制酶）

（1）概念：

是能够识别和切割DNA分子内一小段特殊核苷酸序列的酶。

（2）来源：

主要来自原核生物。

（3）功能：

能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并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。

（4）结果：

产生粘性末端或平末端。

2．DNA连接酶

（1）概念：

是将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起，形成重组DNA分子的酶。

（2）作用：

缝合DNA片段，在基因工程中，可以将外源基因和载体DNA连接在一起。

（3）作用实质：

形成核苷酸之间的磷酸二酯键。

3．目的基因的载体——质粒

（1）概念：

是能够自主复制的双链环状DNA分子。

（2）作用：

质粒是基因工程中的载体，将外源基因送入受体细胞中。

（3）最常用的质粒是大肠杆菌的质粒。

（4）结构特点：

双链环状DNA分子，常含有抗生素抗性基因。

（5）存在位置：

在细菌中独立于拟核之外。

1．基因工程是一种新兴的生物技术，实施该工程的最终目的是（　　）

A．提取生物体的DNA分子

B．定向对DNA分子进行人工“剪切”

C．在生物体外对DNA分子进行改造

D．定向改造生物的遗传性状

解析：

选D　基因工程也称重组DNA技术，它是按照人类的意愿，将某种基因有计划地转移到另一种生物中去的新技术，故实施基因工程的最终目的是定向改造生物的遗传性状。

2．在基因工程中使用的限制性核酸内切酶，其作用是（　　）

A．将目的基因从染色体上切割出来

B．识别并切割双链DNA的特定核苷酸序列

C．将目的基因与载体结合

D．将目的基因导入受体细胞

解析：

选B　限制酶在基因工程中的作用是识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列，并在特定位点切割磷酸二酯键，产生末端。

它没有拼接和导入功能。

3．下列关于DNA连接酶的叙述，正确的是（　　）

A．DNA连接酶连接的是两条链碱基对之间的氢键

B．DNA连接酶连接的是末端两条链主链上的磷酸和脱氧核糖

C．DNA连接酶连接的是末端两条链主链上的磷酸和核糖

D．同一种DNA连接酶可以切出不同的粘性末端

解析：

选B　碱基对之间的氢键靠碱基互补配对很容易连接。

DNA分子的主链是由脱氧核糖与磷酸连接起来的，这两个分子连接起来需要DNA连接酶的参与。

4．下列通常不被用作基因工程载体的是（　　）

A．细菌质粒　　　　　B．λ噬菌体

C．动植物病毒D．细菌核区的DNA

解析：

选D　常用的载体有：

质粒、λ噬菌体、动植物病毒等。

细菌的核区由一个大型的环状DNA分子经反复折叠缠绕而成，它控制着细菌的主要性状，一般不能用作基因工程的载体。

1．限制性核酸内切酶

（1）作用：

能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并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。

如：

某种限制性核酸内切酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切断DNA，其作用示意图如下：

（2）作用特点：

具有专一性，表现在以下两个方面。

①能够识别双链DNA分子中特殊的核苷酸序列。

②能够切割特定序列中的特定位点。

（3）作用产物：

粘性末端或平末端。

①粘性末端：

是限制性核酸内切酶在它识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开时形成的，如图所示：

②平末端：

是限制性核酸内切酶在它识别序列的中轴线处将DNA的两条链分别切开时形成的，如图所示：

2．DNA连接酶与限制性核酸内切酶的关系

（1）区别：

作用

应用

限制性核酸内切酶

使特定部位的磷酸二酯键断裂

用于提取目的基因和切割载体

DNA连接酶

在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键

用于目的基因和载体的连接

（2）两者的关系可表示为：

3．DNA连接酶与DNA聚合酶的比较

比较项目

DNA连接酶

DNA聚合酶

相同点

作用实质相同，都是催化磷酸二酯键的形成

不同点

是否需要模板

不需要

需要

接DNA链

双链

单链

作用过程

在两个DNA片段间形成磷酸二酯键

将单个核苷酸加到已存在的DNA单链片段上，形成磷酸二酯键

作用结果

将已存在的DNA片段连接

合成新的DNA分子

用途

基因工程

DNA复制

[题组冲关]

1．下列关于几种酶作用的叙述，错误的是（　　）

A．DNA连接酶是将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起

B．RNA聚合酶能与基因的特定位点结合，催化遗传信息的转录

C．一种限制酶能识别多种核苷酸序列，并切割出多种目的基因

D．DNA聚合酶能把单个脱氧核苷酸分子连接成一条DNA单链

解析：

选C　限制酶具有专一性，一种限制酶一般只能识别一种核苷酸序列，并在特定位点切割DNA分子。

DNA连接酶是将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起，重新形成DNA分子；RNA聚合酶能与基因的特定位点结合，催化遗传信息的转录；DNA聚合酶能以DNA的一条链为模板，把单个脱氧核苷酸分子连接成一条DNA单链，复制形成新的DNA分子。

2．关于下图所示粘性末端的叙述，正确的是（　　）

A．①与③是由相同限制酶切割产生的

B．DNA连接酶可催化①与③的连接

C．经酶切形成④需要脱去2分子水

D．DNA连接酶与DNA聚合酶均能作用于上述粘性末端

解析：

选B　图中四种不同的序列是由不同的限制酶切割后形成的DNA片段，同种限制酶切割DNA后能形成相同的粘性末端。

DNA连接酶可连接具有相同粘性末端的DNA片段，DNA聚合酶不能作用于粘性末端。

限制酶切割DNA形成④需要消耗2分子水。

[方法规律]

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1．种类

（1）常用载体：

质粒，独立于细菌拟核DNA之外，具有自我复制能力的双链环状DNA分子。

（2）其他载体：

λ噬菌体、动植物病毒等。

2．具备条件

（1）能自我复制：

能够在受体细胞中进行自我复制，或整合到染色体DNA上，随染色体DNA进行同步复制。

（2）有切割位点：

有一个至多个限制酶切割位点，供外源基因插入。

（3）具有标记基因：

具有抗生素抗性基因，供重组DNA的鉴定和选择。

3．作用

（1）用它作为运输工具，将目的基因送入受体细胞中。

（2）利用它在受体细胞内对目的基因进行大量复制。

[特别提醒]　细胞膜上的载体与基因工程中的载体不同

（1）化学本质不同：

细胞膜上的载体化学成分是蛋白质；基因工程中的载体可能是物质，如质粒（DNA）、λ噬菌体的衍生物，也可能是生物，如动植物病毒等。

（2）功能不同：

细胞膜上的载体功能是协助细胞膜控制物质进出细胞；基因工程中的载体是一种“分子运输车”，把目的基因导入受体细胞。

[题组冲关]

3．下列不属于质粒可作为基因载体理由的是（　　）

A．能复制　　　　　　　　B．有多个限制酶切点

C．具有标记基因D．它是环状DNA

解析：

选D　作为载体必须具备的条件：

①能在宿主细胞中稳定保存并大量复制；②有一个至多个限制酶切点；③有标记基因，便于筛选。

4．下列关于载体的叙述，错误的是（　　）

A．载体与目的基因结合后，实质上就是一个重组DNA分子

B．对某种限制性核酸内切酶而言，载体最好只有一个切点

C．目前常用的载体有质粒、λ噬菌体和动植物病毒

D．载体具有某些标记基因，便于对其进行切割

解析：

选D　载体中的标记基因是用于外源基因是否导入进行检测的，而不是用于切割的。

[随堂基础巩固]

1．下列有关基因工程中限制性核酸内切酶的描述，错误的是（　　）

A．一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列

B．限制性核酸内切酶的活性受温度影响

C．限制性核酸内切酶能识别和切割RNA

D．限制性核酸内切酶可从原核生物中提取

解析：

选C　限制性核酸内切酶能识别和切割DNA，而不是RNA。

2．下列关于质粒的叙述，正确的是（　　）

A．质粒是广泛存在于细菌细胞中的一种颗粒状细胞器

B．质粒是细菌细胞质中能自主复制的小型环状双链DNA分子

C．质粒只有在侵入宿主细胞后在宿主细胞内复制

D．细菌质粒的复制过程一定是在宿主细胞外独立进行的

解析：

选B　质粒是存在于细菌细胞中能够自我复制的小型环状的DNA，质粒的复制过程在宿主细胞内或宿主细胞外都可进行。

3．下列四条DNA片段，可能是由同一种限制酶切割而成的是（　　）

A．①②　　　　　　　　B．②③

C．③④D．②④

解析：

选D　只有②和④的粘性末端的碱基都是互补的，它们可能是由同一种限制酶切割而成的。

4．如图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，据图回答下列问题：

（1）a代表的物质和质粒的化学本质相同，都是____，二者还具有其他共同点，如：

（写出两条即可）。

①__________________________________________________________________，

②__________________________________________________________________。

（2）若质粒DNA分子的切割末端为，则与之连接的目的基因切割末端应为__________________；可使用________________把质粒和目的基因连接在一起。

（3）氨苄青霉素抗性基因在质粒DNA上称为______________，其作用是_______________

________________________________________________________________________。

（4）下列常在基因工程中作为载体的是（　　）

A．苏云金芽孢杆菌抗虫基因

B．土壤农杆菌环状RNA分子

C．大肠杆菌的质粒

D．动物细胞的染色体

解析：

图中a为大肠杆菌拟核中的遗传物质DNA。

质粒是能自我复制的小型环状DNA分子，具有一个至多个限制酶切点，便于连接目的基因；具有标记基因，便于检测目的基因是否导入受体细胞。

DNA连接酶可将具有相同末端的质粒和目的基因连接起来。

大肠杆菌的质粒是基因工程中最常用的载体，载体的本质为DNA，抗虫基因属于目的基因，不属于载体，染色体的主要成分为DNA和蛋白质，不属于载体。

答案：

（1）DNA　①能够自我复制　②具有遗传效应

（2）DNA连接酶

（3）标记基因　供重组DNA的鉴定和筛选　（4）C

[课时跟踪检测]

1．下列关于限制性核酸内切酶的叙述，错误的是（　　）

A．它能在特殊位点切割DNA分子

B．同一种限制性核酸内切酶切割不同的DNA产生的粘性末端能够很好地进行碱基互补配对

C．它能任意切割DNA，从而产生大量的DNA片段

D．每一种限制性核酸内切酶只能识别特定的核苷酸序列

解析：

选C　限制性核酸内切酶是基因工程的重要工具之一；每种限制性核酸内切酶只能识别特定的核苷酸序列，并在特定的位点切割DNA分子；同一种限制性核酸内切酶切割不同的DNA产生的粘性末端碱基序列能够互补配对。

2．如图，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，则此酶是（　　）

A．DNA连接酶B．RNA聚合酶

C．DNA聚合酶D．限制性核酸内切酶

解析：

选A　DNA连接酶的作用是将两个粘性末端的磷酸基和脱氧核糖连接在一起；RNA聚合酶是在RNA复制或转录过程中，把核糖核苷酸连接在一起；DNA聚合酶是在DNA复制过程中催化脱氧核苷酸的聚合反应；限制性核酸内切酶是在获取目的基因时识别特定的碱基序列，切出粘性末端或平末端。

图示为将两个具有相同粘性末端的DNA片段连接在一起，因此是DNA连接酶。

3．据图判断，有关对几种酶功能的叙述错误的是（　　）

A．限制性核酸内切酶可以切断a处

B．DNA聚合酶可以连接a处

C．解旋酶可以使b处解开

D．DNA连接酶可以连接c处

解析：

选D　a处指的是两个相邻脱氧核苷酸之间的脱氧核糖与磷酸之间形成的磷酸二酯键，而c处指的是一个脱氧核苷酸内的脱氧核糖和磷酸之间的化学键，DNA连接酶不能连接此化学键。

4．对下图所示粘性末端的相关说法错误的是（　　）

A．甲、乙、丙粘性末端是由不同的限制性核酸内切酶催化产生的

B．甲、乙具相同的粘性末端，可形成重组DNA分子，但甲、丙之间不能

C．DNA连接酶作用位点在b处，催化磷酸基团和脱氧核糖之间形成化学键

D．切割甲的限制性核酸内切酶不能识别由甲、乙片段形成的重组DNA分子

解析：

选C　甲图表示在G和A之间进行剪切，乙图表示在C和A之间进行剪切，丙图表示在C和T之间进行剪切，因此三者需要不同的限制性核酸内切酶进行剪切；甲和乙的粘性末端相同，能够通过碱基互补配对形成重组DNA分子，但甲和丙不行；DNA连接酶作用的位点是磷酸二酯键，乙图中的a和b分别表示磷酸二酯键和氢键；甲和乙形成的重组DNA分子相应位置的DNA碱基序列为

，而甲图表示在G和A之间切割，所以该重组序列不能被切割甲的限制性核酸内切酶识别。

5．通过重组DNA技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。

科学家运用这一技术使羊奶中含有人体蛋白质。

下图表示这一技术的基本过程，在该工程中所用的基因“剪刀”能识别的序列和切点是—G↓GATCC—，请回答：

（1）从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是________________。

人的蛋白质基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中时需要的酶是______________。

（2）请画出质粒被切割形成粘性末端的过程图。

（3）人的蛋白质基因之所以能“插入”到羊的染色体内，原因是________________，“插入”时用的工具是________，其种类有________________________________________________________________。

解析：

限制性核酸内切酶的作用是获得目的基因，DNA连接酶起“缝合”作用，载体能把目的基因导入受体细胞。

载体的种类主要有质粒、动植物病毒及λ噬菌体。

答案：

（1）限制性核酸内切酶　DNA连接酶

（2）

→

（3）基因的结构是相同的　载体　质粒、动植物病毒及λ噬菌体

6．基因工程中，需使用限制性核酸内切酶切割目的基因和质粒，便于重组和筛选。

已知限制性核酸内切酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—，限制性核酸内切酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。

（1）根据已知条件和下图中信息回答：

①上述质粒用限制性核酸内切酶________切割，目的基因用限制性核酸内切酶________切割。

②将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，还要加入适量的________________。

③请指出质粒上至少要有一个标记基因（抗生素抗性基因）的理由________________

________________________________________________________________________。

（2）不同生物的基因可以拼接的结构基础是________________________________。

解析：

（1）两个DNA片段能否连接关键是看所形成的粘性末端是否相同。

用同一种限制性核酸内切酶切割肯定露出相同的粘性末端。

在这里限制性核酸内切酶Ⅰ、Ⅱ虽是两种不同的限制性核酸内切酶，但是它们切割产生的粘性末端相同，因而也可以用DNA连接酶将其连接起来。

（2）不同基因拼接成功的基础是DNA的空间结构和基本组成单位相同。

答案：

（1）①Ⅰ　Ⅱ（或Ⅰ和Ⅱ）　②DNA连接酶

③检测重组质粒（或目的基因）是否导入受体细胞

（2）DNA结构基本相同和基本组成单位相同

7．下表中列出了几种限制酶识别序列及其切割位点，图1、图2中箭头表示相关限制酶的酶切位点，请回答下列问题：

（1）一个图1所示的质粒分子经SmaⅠ切割前后，分别含有________、________个游离的磷酸基团。

（2）若对图中质粒进行改造，插入的SmaⅠ酶切位点越多，质粒的热稳定性越________。

（3）要用图1中的质粒和图2中外源DNA构建重组质粒，不能使用SmaⅠ切割，原因是________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________。

（4）与只使用EcoRⅠ相比较，使用BamHⅠ和HindⅢ两种限制酶同时处理质粒、外源DNA的优点在于可以防止______________________________________________________。

（5）为了获取重组质粒，将切割后的质粒与目的基因片段混合，并加入______________酶。

解析：

（1）质粒被切割前为环状DNA分子，所有磷酸基团均参与形成磷酸二酯键，故不含游离的磷酸基团。

从图1可以看出质粒上只含有一个SmaⅠ的切割位点，因此质粒变成线性DNA分子，含2个游离的磷酸基团。

（2）由题目可知SmaⅠ识别的DNA序列只有G和C，而G和C之间形成3个氢键，所以插入的SmaⅠ酶切位点越多，质粒的热稳定性越高。

（3）质粒中的抗生素抗性基因为标记基因，由图1、图2知标记基因和外源DNA目的基因中均含有SmaⅠ酶切位点，用SmaⅠ酶切后，两者都会遭到破坏。

（4）只使用EcoRⅠ切割，则质粒和目的基因两端产生的粘性末端相同，会发生自身环化；使用BamHⅠ和HindⅢ两种酶会防止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化。

（5）质粒和目的基因连接后获得重组质粒，需要DNA连接酶。

答案：

（1）0　2　

（2）高　（3）SmaⅠ会破坏质粒的抗性基因、外源DNA中的目的基因　（4）质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化　（5）DNA连接

8．根据下列所给材料回答问题：

材料一：

把人的胰岛素基因拼接到大肠杆菌的质粒上，然后导入大肠杆菌内，产生出人的胰岛至少。

材料二：

把萤火虫的荧光基因转入烟草体内，培育出能发出荧光的烟草。

材料三：

有人把蜘蛛产生丝腺蛋白的基因转入羊的细胞中，在羊分泌的乳汁中加入某种物质后，可抽出细丝，这种细丝可望用作手术的缝合线。

（1）上述生物新品种的产生运用了________技术。

（2）一种生物的基因在另一种生物体内能够表达，而不影响其他基因的表达，这说明基因是有________效应的________片段，具有一定的________性；同时可以说明各种生物共用一套________。

（3）上述技术所用的工具酶有_______________________。

（4）材料三中所用缝合线与普通缝合线相比有何优点？

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（5）可遗传的变异分为三种：

_________、_________、_________，而基因工程改变一个物种的基因属于________。

解析：

（1）由材料可知，生物新品种的产生运用了基因工程技术。

（2）基因是有遗传效应的DNA片段，是控制生物性状的独立遗传单位，种种生物之间共用一套密码子。

（3）基因工程中用到的工具酶有限制性核酸内切酶和DNA连接酶。

（4）由材料可知，缝合线是用丝腺蛋白制成的，在体内可以被分解吸收，不必再做手术后的拆线处理。

（5）可遗传变异的来源有基因突变、基因重组和染色体畸变，其中基因工程从变异角度看应属于基因重组。

答案：

（1）基因工程　

（2）遗传　DNA　独立　密码子

（3）限制性核酸内切酶、DNA连接酶　（4）可以被分解吸收，有用拆线　（5）基因重组　基因突变　染色体畸变　基因重组