学年高中生物 第一章 基因工程 第1节 工具酶的发现和基因工程的诞生教案 浙科版选修3doc.docx

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学年高中生物第一章基因工程第1节工具酶的发现和基因工程的诞生教案浙科版选修3doc

2019-2020学年高中生物第一章基因工程第1节工具酶的发现和基因工程的诞生教案浙科版选修3

课　标　解　读

重　点　难　点

1.联系遗传工程的含义，说出基因工程的主要内容。

2.结合“工具酶作用示意图”说出限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用。

3.结合“质粒分子结构示意图”明确质粒的本质及特性。

1.DNA重组技术所需3种基本工具的作用。

（重点）

2.基因工程载体需要具备的条件。

（重难点）

遗传工程的概念

2．广义的遗传工程泛指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。

基因工程的理论基础和技术保障

理论基础

DNA是遗传物质的发现

DNA双螺旋结构的确立

中心法则的认定和遗传密码的破译

技术保障

基因转移载体——质粒的发现

多种限制性核酸内切酶和连接酶以及逆转录酶（工具酶）的发现

DNA合成和测序技术的发明

DNA体外重组的实现、重组DNA表达实验的成功

第一例转基因动物问世、PCR技术的发明

DNA重组技术的基本工具

1.基因的

——限制性核酸内切酶

（1）作用：

对DNA分子上不同的特定的核苷酸序列进行识别和切割。

（2）作用特点：

专一性。

（3）作用结果：

产生粘性末端，使DNA的重组成为可能。

1.左图中打开G与C化学键的酶c的名称是什么？

工具a使哪种化学键断裂？

【提示】　解旋酶；磷酸二酯键。

2．基因的

——DNA连接酶

（1）发现：

1967年。

（2）作用：

将具有末端碱基互补配对的两个DNA分子片断连接在一起。

（3）过程如图所示：

3．基因工程的载体（如图）

大肠杆菌质粒的分子结构示意图

（1）种类

①质粒：

是一种小型的环状DNA分子。

②λ噬菌体。

③动植物病毒等。

（2）特点

①能自我复制。

②具有一个至多个限制性核酸内切酶切割位点。

③具有标记基因。

④对受体细胞无害。

（3）作用结果

携带外源基因进入受体细胞。

2.

尝试写出图示中的酶a及X的名称？

【提示】　酶a是DNA连接酶，X是能合成胰岛素的细菌细胞。

1．一种限制性核酸内切酶可识别多种特定的核苷酸序列。

（×）

【提示】　一种限制性核酸内切酶只识别一种核苷酸序列。

2．基因工程的载体与物质跨膜转运所需要的载体化学本质相同。

（×）

【提示】　前者的化学本质是DNA，后者的化学本质是蛋白质。

3．不同限制性核酸内切酶切割DNA后形成的粘性末端可能相同。

（√）

4．DNA连接酶可将任意两个DNA片断连接在一起。

（×）

【提示】　可将两个粘性末端相同的DNA片断连接在一起。

5．质粒上抗性基因的存在有利于目的基因表达的鉴定。

（×）

【提示】　有利于导入目的基因的受体细胞的筛选。

对限制性核酸内切酶的认识

【问题导思】

①限制性核酸内切酶在DNA的任何部位都能将DNA切开吗？

②限制性核酸内切酶作用于DNA的何种部位？

③限制性核酸内切酶作用的产物叫什么？

1．来源

多数来自微生物。

2．特点

具有专一性，表现在以下两个方面：

（1）识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列。

（2）在特定位点切割特定的序列，特定序列表现为中心对称，如EcoRⅠ限制性核酸内切酶的切割序列（如图所示）。

3．作用

切开DNA链中的磷酸二酯键（即连接相邻脱氧核苷酸的键），而不是碱基间的氢键。

4．产物——粘性末端

粘性末端：

是限制性核酸内切酶在识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开形成的。

（如图）

从图中可看出，经限制性核酸内切酶一次切割，可产生出两个粘性末端，而且两个末端反向并且可互补（图中箭头表示粘性末端方向）。

1．不同种类的限制性核酸内切酶识别与切割的位点不同，这与酶催化作用的专一性特点是一致的。

2．限制性核酸内切酶特异性识别的切割部位都具有回文序列，也就是在切割部位，一条链正向读的碱基顺序，与另一条链反向读的顺序完全一致。

3．限制性核酸内切酶切点数与切后DNA条数的关系

（1）线形DNA分子：

切后DNA分子数＝切点数＋1。

（2）环状DNA分子：

切后DNA分子数＝切点数。

　下表为常用的限制性核酸内切酶及其识别序列和切割位点，由此推断的以下说法中，正确的是（　　）

限制性核酸内切酶名称

识别序列和切割位点

限制性核酸内切酶名称

识别序列和切割位点

BamHⅠ

G↓GATCC

KpnⅠ

GGTAC↓C

EcoRⅠ

G↓AATTC

Sau3AⅠ

↓GATC

HindⅡ

GTY↓RAC

SmaⅠ

CCC↓GGG

（注：

Y＝C或T，R＝A或G）

A．限制性核酸内切酶切割后不一定形成粘性末端

B．限制性核酸内切酶的切割位点一定在识别序列的内部

C．不同限制性核酸内切酶切割后一定形成不同的粘性末端

D．一种限制性核酸内切酶一定只能识别一种核苷酸序列

【审题导析】　限制性核酸内切酶是一类酶，含有多种酶，区分这些酶种类的依据是识别序列与切割位点，而不是粘性末端。

【精讲精析】　由表中信息可知，HindⅡ能识别不同的核苷酸序列；核苷酸序列经限制性核酸内切酶切割后不一定形成粘性末端，可形成平末端，如SmaⅠ切割DNA形成的末端；Sau3AⅠ的切割位点在识别序列的外部；不同限制性核酸内切酶切割后可能形成相同的粘性末端，如BamHⅠ与Sau3AⅠ切割形成的末端。

【答案】　A

　现有一长度为1000个碱基对（bp）的DNA分子，用限制性核酸内切酶EcoRⅠ酶切后得到的DNA分子仍是1000bp，用KpnⅠ单独酶切得到400bp和600bp两种长度的DNA分子，用EcoRⅠ、KpnⅠ同时酶切后得到200bp和600bp两种长度的DNA分子。

下图中表示该DNA分子的酶切图谱正确的是（　　）

【思维导图】　解答此题的思维流程如下：

⇒

⇒

⇒

【精讲精析】　该题目要注意两种限制性核酸内切酶切割后切点数及位置特点。

根据题干信息可知：

该DNA分子被EcoRⅠ酶切之后还是一个DNA分子且长度不变，说明该DNA是环状DNA，其中有一个EcoRⅠ酶的切点；单独用KpnⅠ酶切割该DNA形成两个DNA分子，说明该DNA中有两个KpnⅠ酶的切点，故答案为D。

另外，该题也可用验证法来解：

将A、B、C、D四项一一代入验证，看哪个选项符合题意。

【答案】　D

对DNA连接酶的认识

【问题导思】

①DNA连接酶与DNA聚合酶作用相同吗？

②连接碱基对之间的氢键也是DNA连接酶作用的结果吗？

③DNA复制过程中需要DNA连接酶的催化吗？

1．DNA连接酶

作用

将DNA片段间的磷酸二酯键连接起来

特点

将具有相同的粘性末端或平末端的DNA片段连接起来。

在基因工程中，为了保证获得相同的粘性末端，通常要用同一种限制性核酸内切酶处理目的基因和载体。

实例

E·coliDNA连接酶连接两个粘性末端

2.DNA连接酶与DNA聚合酶的比较

DNA连接酶

DNA聚合酶

相同点

催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键

不同点

模板

不需要模板

需要DNA的一条链为模板

作用对象

游离的DNA片段

单个的脱氧核苷酸

作用结果

形成完整的DNA分子

形成双链DNA

用途

基因工程

DNA复制

几种酶的作用部位图解

1．作用于a（磷酸二酯键）的酶有：

限制性核酸内切酶、DNA连接酶、DNA聚合酶。

2．作用于b（氢键）的酶只有解旋酶。

　下列关于DNA连接酶的作用，叙述正确的是（　　）

A．能将双链DNA片段互补的粘性末端之间连接起来，也能将双链DNA的粘性末端之间的氢键进行连接

B．将单个核苷酸加到某DNA片段末端，形成磷酸二酯键

C．连接两条DNA链上碱基之间的氢键

D．将断开的两个DNA片段连接起来，重新形成磷酸二酯键

【审题导析】　解答此题的突破口在于明确DNA连接酶的作用为DNA片断间的“封口”，而DNA聚合酶则是连接的单个脱氧核苷酸。

【精讲精析】　表面上看，DNA连接酶和DNA聚合酶两者都是形成磷酸二酯键，但本质上有所区别：

①DNA聚合酶只能将单个脱氧核苷酸加到已有的核酸片段上，形成磷酸二酯键；而DNA连接酶是在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键。

②DNA聚合酶是以一条DNA链为模板，将单个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键形成一条与模板链互补的DNA链；而DNA连接酶是将DNA双链上的两个缺口同时连接起来。

选项B是DNA聚合酶的作用。

DNA连接酶不能连接氢键，选项A是错误的。

【答案】　D

　下图为DNA分子结构示意图。

对该图的不正确描述是（　　）

A．④的名称是胞嘧啶脱氧核苷酸

B．解旋酶作用的部位是⑨

C．某限制性核酸内切酶可选择⑨处作为切点

D．DNA连接酶可连接⑩处断裂的化学键

【审题导析】　解答此题应注意图示中氢键为DNA双链碱基对的连接部位或粘性末端的碱基连接部位。

磷酸二酯键为DNA单链中脱氧核苷酸之间的连接部位。

【精讲精析】　DNA的基本单位为脱氧核苷酸，而4种脱氧核苷酸是根据碱基类型来命名的。

图中⑨为氢键，⑩为磷酸二酯键，而解旋酶作用的部位是氢键，限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。

【答案】　C

基因工程的载体及其必须具备的条件

【问题导思】

①质粒的本质是什么？

②质粒为什么适合作为载体？

③作为基因工程中的载体需要哪些条件？

1．常见的载体——质粒（如图）

（1）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：

有一个至多个限制性核酸内切酶切割位点，供外源基因插入。

③具有标记基因：

具有特殊的标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。

④无毒害作用：

对受体细胞无毒害作用，否则受体细胞将受到损伤甚至死亡。

（2）作用

①用它作为运输工具，将目的基因送入受体细胞中去。

②利用它在受体细胞内对目的基因进行大量复制。

2．载体的种类

（1）一类是细菌的质粒，质粒是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外的，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。

（2）另一类是病毒，包括λ噬菌体和某些动植物病毒。

在选择动植物病毒作载体时，应选择DNA病毒以便插入目的基因。

（3）病毒载体作用的对象有专一性

　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①________________，②________________（写出两条即可）。

（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__________________________________________。

【思维导图】　解答此题的思维导图如下：

【精讲精析】　

（1）读图a为大肠杆菌的拟核，其结构物质为DNA，而质粒为能进行自我复制的环状DNA，均可作为遗传物质通过复制遗传给子代。

（2）同一种限制性核酸内切酶切割后形成的末端是相同的，由给定的末端

知，对应的目的基因切割末端为

，缝合工具为DNA连接酶。

（3）作为质粒的一个必备条件“标记基因”，其作用在于鉴定和筛选目的基因是否导入受体细胞。

【答案】　

（1）DNA　能够自我复制　具有遗传效应

（2）

　DNA连接酶

（3）标记基因　供重组细胞的鉴定和选择

本课知识小结

网络构建

结论语句

1．基因工程是狭义的遗传工程。

2．基因工程诞生的理论基础：

DNA是生物的主要遗传物质，DNA的双螺旋结构以及遗传信息的传递方式。

3．基因的“手术刀”是限制性核酸内切酶，它对DNA分子上不同的特定的核苷酸序列进行识别和切割。

4．基因的“缝合针”是DNA连接酶，它能将具有末端碱基互补的2个DNA分子片断连接在一起。

5．基因的载体是质粒，它是能自主复制的双链环状DNA分子。

1．20世纪70年代，人类科学史上又一重大成果——基因工程诞生了。

它诞生的理论基础不包括（　　）

A．DNA是生物体的主要遗传物质

B．人类基因组计划的完成

C．DNA双螺旋结构的确立

D．中心法则的成功揭示

【解析】　人类基因组计划是在20世纪末提出的，晚于基因工程。

因此，不是基因工程的理论基础。

【答案】　B

2．对下图所示粘性末端的说法，错误的是（　　）

A．甲、乙、丙粘性末端是由各自不同的限制性核酸内切酶催化产生的

B．甲、乙具有相同的粘性末端，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】　由图分析可知，切割产生甲、乙、丙的限制性核酸内切酶的识别序列和切割位点分别是：

—G↓AATTC—、—C↓AATTG—和—C↓TTAAG—，所以甲、乙、丙分别由3种不同的酶催化产生；相同的粘性末端才能形成重组DNA；甲、乙片段形成的重组DNA分子为：

，而这并不能被切割甲的酶所识别；b处表示的是DNA两条链之间的氢键，解旋酶作用于此处，限制性核酸内切酶作用于a处。

【答案】　C

3．在基因工程中用来完成基因剪接的工具是（　　）

A．限制性核酸内切酶和水解酶

B．限制性核酸内切酶和DNA连接酶

C．限制性核酸内切酶和载体

D．DNA连接酶和载体

【解析】　本题的关键是“剪接”二字，是既剪又接。

限制性核酸内切酶是剪切基因的，而DNA连接酶是将DNA末端之间的缝隙“缝合”起来。

所以，剪接的工具是限制性核酸内切酶和DNA连接酶。

【答案】　B

4．人们常选用的细菌质粒分子往往带有一个抗菌素抗性基因，该抗性基因的主要作用是（　　）

A．提高受体细胞在自然环境中的耐药性

B．以便筛选含目的基因的受体细胞

C．增加质粒分子的分子量

D．便于与外源基因连接

【解析】　基因工程中使用细菌质粒做载体，目的是把目的基因导入到受体细胞里面，而作为载体上的抗性基因被看做是标记基因，用来做筛选工作。

【答案】　B

5．基因工程又叫DNA重组技术。

（1）基因工程中常用的载体有质粒、噬菌体、________。

（2）进行基因操作时，要用同一种________分别切割质粒和目的基因，质粒的粘性末端和目的基因DNA片段的粘性末端就可通过____________而粘合。

（3）假设以大肠杆菌质粒作为载体，用同种限制性核酸内切酶去切割质粒和目的基因，将切割后的质粒和目的基因片段混合，并加以DNA连接酶。

连接产物至少有________种环状DNA分子，它们分别是_________________________

______________________________________________________________。

（4）下图为EcoRⅠ切割DNA分子示意图

由EcoRⅠ切割产生的DNA片段末端形式为________________。

【解析】　在切割质粒和目的基因时，要用同一种限制性核酸内切酶，使其产生相同的粘性末端，再加入适量的DNA连接酶，质粒的粘性末端与目的基因的粘性末端、目的基因的粘性末端之间或质粒的粘性末端之间就会因碱基互补配对而结合起来，形成重组DNA、质粒的自连或目的基因的自连三种环状DNA分子。

读（4）图知切割后形成的末端为

或

，形式为粘性末端。

【答案】　

（1）某些动植物病毒

（2）限制性核酸内切酶　碱基互补配对

（3）3　质粒自连、目的基因片段自连、质粒与目的基因片段相连的环状DNA分子

（4）