資源簡介

(共49張PPT)
3.1 重組DNA技術的基本工具
2019版新教材高中生物
選擇性必修3精品學案
目 標 素 養
1.了解基因工程的誕生和發展歷程,知道基因工程的概念,培養自主學習能力和社會責任意識。
2.理解重組DNA技術所需的三種基本工具的作用及特點,闡明基因工程中載體需要具備的條件,培養科學思維能力。
知 識 概 覽
一、基因工程的誕生和發展
1.基因工程的概念
按照人們的愿望,通過　轉基因　等技術,賦予生物新的　遺傳　特性,創造出更符合人們需要的新的生物類型和 生物產品　。從技術操作層面看,由于基因工程是在　DNA分子　　水平上進行設計和施工的,因此又叫作　重組DNA技術　。
2.基因工程的問世
1973年,科學家證明質粒可以作為基因工程的　載體　,構建重組DNA,導入受體細胞,使外源基因在原核細胞中成功表達,并實現　物種間　的基因交流。至此,基因工程正式問世。
3.基因工程的發展(連線)
微思考1為什么不同生物的DNA可以進行體外重組
提示:不同生物中DNA分子的基本組成單位相同,都是4種脫氧核苷酸;空間結構相同,都是規則的雙螺旋結構;生物界共用一套遺傳密碼,相同的遺傳信息在不同生物體內表達出相同的蛋白質。
二、重組DNA技術的基本工具
1.限制性內切核酸酶——“分子手術刀”
(1)來源:主要是從　原核　生物中分離純化出來的。
(2)作用:識別雙鏈DNA分子的特定　核苷酸　序列,并且使每一條鏈中特定部位的　磷酸二酯鍵　斷開。
(3)識別序列的特點:大多數限制酶的識別序列由6個核苷酸組成,少數由4個、8個或其他數量的核苷酸組成。
(4)結果:產生DNA片段末端(通常有　黏性　末端和　平　末端兩種形式)。
2.DNA連接酶——“分子縫合針”
(1)作用:將切下來的雙鏈DNA片段“縫合”起來,恢復被限制酶切開的　磷酸二酯　鍵。
(2)結果:拼接成新的　DNA　分子。
(3)種類:
①E.coli DNA連接酶:從大腸桿菌中分離得到,只能連接具有互補　黏性　末端的DNA片段。
②T4 DNA連接酶:從T4噬菌體中分離出來,既可以“縫合”雙鏈DNA片段互補的　黏性　末端,又可以“縫合”雙鏈DNA片段的　平　末端,但連接平末端的效率相對較　低　。
3.基因進入受體細胞的載體——“分子運輸車”
(1)作用:將外源基因　送入　受體細胞。
(2)常用載體——質粒。
①本質:一種裸露的、結構簡單、獨立于真核細胞細胞核或原核細胞擬核DNA之外,并具有自我復制能力的　環狀雙鏈DNA分子　。
②作為載體的條件:a.有一個至多個　限制酶切割位點　,供外源DNA片段(基因)插入其中;b.進入受體細胞后,能在細胞中進行自我　復制　,或整合到受體DNA上,隨受體DNA
　同步復制　;c.常有特殊的　標記　基因,便于重組DNA分子的篩選。
(3)其他載體:噬菌體、動植物病毒等。
微點撥相同的黏性末端不一定來自同一種限制酶的切割,可能來自不同限制酶的切割。
微思考2
1.DNA連接酶和DNA聚合酶的作用部位相同嗎
提示:相同。兩種酶的作用部位都是磷酸二酯鍵,只是DNA連接酶是在兩個DNA片段之間形成磷酸二酯鍵,而DNA聚合酶只能將單個脫氧核苷酸加到已有的DNA片段上,且需要以一條DNA鏈為模板。
2.基因工程中需要哪幾種工具,哪幾種工具酶
提示:基因工程中需要三種工具,即限制酶、DNA連接酶和載體。但工具酶只有兩種,即限制酶和DNA連接酶。
微判斷
1.限制酶和DNA解旋酶的作用部位相同。( )
2.DNA連接酶能將兩個堿基通過氫鍵連接起來。( )
微訓練基因工程中用來修飾、改造生物基因的工具是(　　)
A.限制酶和水解酶
B.限制酶和DNA連接酶
C.限制酶和載體
D.DNA連接酶和載體
答案:B
×
×
三、DNA的粗提取與鑒定
1.提取原理
(1)DNA　不溶于　酒精,但某些蛋白質　溶于　酒精。
(2)DNA在不同濃度的　NaCl　溶液中溶解度不同,它能溶于物質的量濃度為　2　 mol/L的NaCl溶液。
2.鑒定原理
在一定溫度下,DNA遇　二苯胺　試劑會呈現　藍　色。
一 限制酶和DNA連接酶
重難歸納
1.限制酶的切割位點
(1)切割位點:磷酸二酯鍵。
(2)限制酶切割的只能是箭頭①所指的鍵,因為磷酸二酯鍵中的另一個化學鍵屬于一個核苷酸內部的化學鍵。
(3)圖中②是氫鍵,是解旋酶的作用部位。
特別提醒 (1)限制酶在微生物中能將外來的DNA分子切斷,能夠限制異源DNA分子的入侵并使之失去活力,但不切割自身DNA分子,對自身DNA分子無損害作用,這樣可以保護細胞自身的遺傳信息。原因是原核生物的DNA分子中不存在該限制酶的識別序列或識別序列已經被修飾。
(2)限制酶是一類酶而不是一種酶。限制酶的化學本質為蛋白質,其作用的發揮需要適宜的理化條件,高溫、強酸或強堿均易使之變性失活。
2.限制酶切割位點與DNA片段的關系
(1)鏈狀DNA分子上如果有1個酶切位點,用限制酶切割后形成2個DNA片段;如果有2個酶切位點,用限制酶切割后形成3個DNA片段。以此類推。
(2)環狀DNA分子上如果有1個酶切位點,用限制酶切割后形成1個鏈狀DNA,且長度不發生變化;如果有2個酶切位點,用限制酶切割后形成2個DNA片段。以此類推。
(3)將1個基因從DNA分子上切割下來,需要切割2處。
3.限制酶和DNA連接酶的關系
(1)限制酶和DNA連接酶的作用部位都是磷酸二酯鍵。
(2)DNA連接酶起作用時,不需要模板。
(3)不同限制酶切割形成的黏性末端,如果互補,則可以拼接。
特別提醒 DNA連接酶是一類酶,不是一種酶。DNA連接酶無識別的特異性,連接具有互補末端的DNA片段間的磷酸二酯鍵,形成重組DNA分子。
“工欲善其事,必先利其器。”我國擁有的自主知識產權的轉基因抗蟲棉,就是通過精心設計,用“分子工具”構建成的。其中一種工具為“分子手術刀”——限制酶。
(1)限制酶是否具有專一性
提示:限制酶具有專一性。不同種類的限制酶的識別序列和切割位點不同。
(2)如何判斷兩個黏性末端是否由同一種限制酶切割產生
提示:將其中一個黏性末端旋轉180°,看兩個末端的堿基序列是否完全相同。若相同,則說明這兩個黏性末端是由同一種限制酶切割產生的。
典例剖析
某DNA分子中含有某限制酶的1個識別序列,用該限制酶切割該DNA分子,可能形成的2個DNA片段是(　　)
A.①②　　B.③④
C.①③　　D.②④
答案:B
解析:限制酶切割形成的末端若為黏性末端,則黏性末端應該互補配對。
學以致用
下圖是3種限制性內切核酸酶對DNA分子的識別序列和切割位點圖(箭頭表示切割位點,切出的斷面為黏性末端)。下列敘述錯誤的是(　　)
A.不同的限制酶有不同的識別序列和切割位點,體現了酶的專一性
B.限制酶2和限制酶3的識別序列均為6個核苷酸
C.限制酶1和限制酶3切割得到的黏性末端相同
D.能夠識別和切割RNA分子內一小段核苷酸序列的酶只有限制酶2
答案:D
解析:限制酶只能識別特定的DNA序列,因此3種限制酶均不能識別和切割RNA中的核苷酸序列。
二 基因進入受體細胞的載體
重難歸納
1.作為載體必須具備的條件
(1)有一個至多個限制酶切割位點,供外源DNA片段(基因)插入其中,而且每種限制酶的切割位點最好只有一個。
(2)能夠在受體細胞中穩定保留下來,不影響受體細胞的生命活動。
(3)能夠在受體細胞中進行自我復制,或整合到受體DNA上,隨受體DNA同步復制。
(4)帶有特殊的標記基因,便于重組DNA分子的篩選。常用的標記基因有四環素抗性基因、氨芐青霉素抗性基因等。載體上的標記基因一般是一些抗生素的抗性基因,目的基因要轉入的受體細胞沒有抵抗相關抗生素的能力。當含有抗生素抗性基因的載體進入受體細胞后,抗性基因在受體細胞內表達,使受體細胞能夠抵抗相應抗生素,所以在受體細胞的培養體系中加入該種抗生素就可以篩選出轉入載體的受體細胞。原理如下圖所示。
特別提醒 (1)質粒與載體的關系:一方面,質粒是基因工程中最常用的載體,但載體并不都是質粒;另一方面,并非所有的質粒均適合作為載體,有許多質粒未必完全符合作為載體的條件(如沒有合適的標記基因等)。基因工程中所使用的質粒載體都是經過人工改造的。
(2)因病毒能夠侵染正常細胞,有的病毒還能將自己的核酸整合到宿主細胞的染色體上,所以動植物病毒也可作為基因工程的載體。
2.目的基因插入質粒的位置圖示
目的基因不能插入標記基因內,否則會影響標記基因的表達,導致不能進行重組DNA分子的篩選。
穿梭載體是一類具有兩種不同復制原點,能在兩種不同的生物體(物種不同)中復制的載體,一般在原核細胞和真核細胞中都能復制和表達,如Ti質粒。細胞膜上的載體與基因工程中的載體是否相同 請說明理由。
提示:否。
(1)化學本質不同:
①細胞膜上的載體的化學成分是蛋白質;
②基因工程中的載體可能是物質、結構,如質粒(DNA),也可能是生物,如動植物病毒等。
(2)功能不同:
①細胞膜上的載體的功能是協助物質進出細胞;
②基因工程中的載體是一種“分子運輸車”,負責把目的基因導入受體細胞。
典例剖析
下列關于質粒的說法,正確的是(　　)
A.質粒在宿主細胞內都要整合到染色體DNA上
B.質粒是獨立于真核細胞細胞核或原核細胞擬核DNA之外的小型細胞器
C.基因工程使用的質粒一定含有標記基因和復制原點
D.質粒DNA中堿基之間的數量關系有A+G=U+C
答案:C
解析:質粒進入宿主細胞后不一定都要整合到染色體DNA上,也可獨立復制。質粒是小型環狀雙鏈DNA分子,而不是細胞器,也不含有堿基U。
學以致用
限制酶MunⅠ和限制酶EcoRⅠ的識別序列及切割位點分別
是 和 。下圖表示四種質粒和含目的基因的DNA片段,其中箭頭所指部位為限制酶的切割位點,質粒的陰影部分表示標記基因。下列適于作為圖示目的基因載體的質粒是(　　)
答案:A
解析:B項質粒上沒有標記基因,不適合作為載體。C項和D項質粒的標記基因上都有限制酶的切割位點,用限制酶切割后,標記基因會被破壞,故均不宜選作載體。
1.實施基因工程的最終目的是(　　)
A.提取生物體的DNA分子
B.對DNA分子進行人為剪切
C.在生物體外對DNA分子進行改造
D.創造出符合人們需要的新的生物類型和生物產品
答案:D
2.下列關于“DNA的粗提取與鑒定”實驗的敘述,錯誤的是
(　　)
A.酵母菌和菜花均可作為提取DNA的材料
B.DNA能溶于物質的量濃度為2 mol/L的NaCl溶液
C.向洋蔥研磨液中加蒸餾水攪拌,可見玻璃棒上有白色絲狀物
D.向DNA溶液中加入二苯胺試劑,沸水浴加熱,冷卻后變藍
答案:C
解析:原則上含DNA的生物材料都能作為提取DNA的材料,只是用DNA含量高的材料實驗成功的可能性更大,所以酵母菌和菜花均可作為提取DNA的材料,A項正確。DNA在物質的量濃度為2 mol/L的NaCl 溶液中溶解度較大,B項正確。向洋蔥研磨液的上清液中加入預冷的體積分數為95%的酒精溶液,用玻璃棒攪拌后,可見玻璃棒上有白色絲狀物,C項錯誤。向DNA溶液中加入二苯胺試劑,沸水浴加熱,冷卻后變藍,D項正確。
3.下列有關下圖所示黏性末
端的說法,錯誤的是(　　)
A.甲、乙、丙黏性末端是由
不同的限制性內切核酸酶切割產生的
B.甲、乙之間可相互連接,甲、丙之間不能相互連接
C.DNA連接酶的作用位點在b處,催化磷酸基團和脫氧核糖之間形成化學鍵
D.切割甲的限制性內切核酸酶不能識別由甲、乙片段形成的重組DNA分子
C
解析:DNA連接酶的作用位點在a處,催化兩個DNA片段之間形成磷酸二酯鍵。
4.下列關于DNA連接酶的敘述,正確的是(　　)
A.DNA連接酶需要模板,連接的是兩條鏈堿基對之間的氫鍵
B.基因工程中可以用DNA聚合酶替代DNA連接酶
C.T4 DNA連接酶既可以連接黏性末端,又可以連接平末端
D.E.coli DNA連接酶只能連接平末端
答案:C
解析:DNA連接酶不需要模板,催化形成的是磷酸二酯鍵,A項錯誤。DNA聚合酶催化游離的脫氧核苷酸與核苷酸鏈之間形成磷酸二酯鍵,因此不能用DNA聚合酶替代DNA連接酶,B項錯誤。E.coli DNA連接酶只能連接黏性末端,D項錯誤。
5.作為基因工程中的“分子運輸車”,載體應具備的條件有( 　)
①必須有一個至多個限制酶切割位點,以便目的基因插入其中　②必須具備自我復制的能力,或整合到受體DNA上,隨受體DNA同步復制　③必須帶有特殊的標記基因,便于重組DNA分子的篩選　④必須是安全的,不會對受體細胞有害　⑤大小應合適,太大不易操作
A.①②③④　　　　B.①②③⑤
C.①②④⑤　　　　D.①②③④⑤
答案:D
6.下圖為DNA分子的切割和連接流程圖。請回答下列問題。
(1)EcoRⅠ是一種　　　　酶,其識別序列是　　　　　　　,切割位點是　　　　與　　　　之間的　　　　　　　　鍵。
(2)將不同來源的DNA片段拼接成新的DNA分子,需要的酶應是　　　　　　　　　。圖中此酶催化　　　與　　　之間形成　　　　　　鍵,從而將不同來源的DNA片段拼接在一起,構成　　　　　　　　　。
答案:(1)限制　GAATTC　G　A　磷酸二酯
(2)DNA連接酶　G　A　磷酸二酯　重組DNA分子

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