2019_2020学年高二苏教版生物选修三课件：1.1.1 基因工程的发展历程和工具 .pdf

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1、第1课时 基因工程的发展历程和工具 第一章 第一节 基因工程概述 学习导航 1.结合教材P79，简述基因工程的发展历程。 2.结合教材P912，举例说出限制性核酸内切酶和DNA连接酶的 作用、特点。 3.概述质粒的含义、特性及其在基因工程中的作用。 重难点击 基因工程的基本工具的作用和特点。 课堂导入 方式一方式一 抗虫棉的研究开发是我国发展农业转基因技术，打破跨国公司 垄断，抢占国际生物技术制高点的成功事例。抗虫棉的应用使棉铃虫得 到了有效控制，使杀虫剂用量降低了70%80%，有效保护了农业生态 环境，减少了农民喷药中毒事故，为棉花生产和农业的可持续发展做出 了巨大贡献。 师：要实现抗虫基因

2、在棉花中的表达，提前要做哪些关键工作？ 生：要将抗虫基因切割下来；要将抗虫基因整合到棉花的DNA上。 师：这里存在一个基因转移的实际问题，就是如何将控制抗虫的基因转 入棉花细胞的问题。 师：中国有句俗语叫“没有金刚钻儿，不揽瓷器活儿”。科学家们在实 施基因工程之前，苦苦求索，终于找到了实施基因工程的三种“金刚钻 儿”，使基因工程的设想成为了现实。这三种“金刚钻儿”是什么？有 什么特点和具体作用？下面我们就来学习这方面的内容。 方式方式二二 科学设想，能否让禾本科植物也能固定空气中的氮？能否让细 菌“吐出”蚕丝？能否让微生物产生人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？ 经过多年努力，科学家于20世纪70

3、年代创立了可以定向改造生物的新技 术基因工程。这一技术是在DNA分子水平上进行的，在微小的DNA 分子上进行的操作，需要专用的工具。这些工具是什么？各自的作用是 什么？让我们一起来了解一下吧！ 一、基因工程的发展历程 二、基因工程操作的两种工具酶 内容索引 当堂检测 三、基因工程中的工具载体 一、基因工程的发展历程 基础梳理 1.理论与技术基础的发展理论与技术基础的发展 1953年：沃森和克里克建立 结构模型。 1957年：科恩伯格等首次发现 。 1958年：梅塞尔森和斯塔尔发现 的机理。克里克提出 。 DNA聚合酶 DNA分子双螺旋 DNA半保留复制 中心法则 19611966年：尼伦伯格等

4、破译 。 1967年：罗思和赫林斯基等发现运转工具 和 。 1970年：特明和巴尔的摩各自在RNA病毒中发现 酶。史密斯等 人分离到 。 1977年：桑格首次完成基因组的测序工作。 遗传密码 质粒DNA连接酶 逆转录 限制性核酸内切酶 猿猴病毒SV40的DNA 同一种限制性核酸内切酶 噬菌体的DNA DNA连接酶 重组的 分子 成就：世界上首次DNA分子 。 2.重组重组DNA技术的发展技术的发展 (1)1972年科学家伯格等实验 过程 杂种DNA 体外重组 大肠杆菌质粒DNA(含卡那霉素抗性基因) 同一种限制性核酸内切酶 另一种大肠杆菌质粒DNA(含四环素抗性基因) DNA连接酶 _ (2)

5、1973年科学家科恩等实验 重组DNA分子 大肠杆菌 转化 子代大肠杆菌(双重抗性) (3)不同物种间DNA重组实验 过程：非洲爪蟾核糖体蛋白基因的DNA片段大肠杆菌质粒 重组DNA 大肠杆菌 转录出相应 。 成就：打破了传统的种间遗传物质不能交换的重重壁垒，开创了 。 mRNA 基因工程 方法人工“ ”和“ ”等 原理对生物的基因进行改造和 (基因重组) 操作水平 (分子)水平 目的产生人类需要的_ 操作环境_ 优点定向改造生物的_ 3.基因工程基因工程的概念的概念 剪切拼接 重新组合 基因 基因产物 体外 遗传性状 问题探究 1.有性生殖中的基因重组是随机的，且只能在同一物种间进行。基因工

6、 程操作导致的基因重组与前述基因重组有何区别？ 答案 答案 答案 基因工程可以在不同物种间进行基因重组，并且方向性强，可 以定向地改变生物的性状。 2.基因工程的理论基础 (1)不同生物的DNA分子能拼接起来的原因分析 基本组成单位相同：都是四种 。 双链DNA分子的空间结构相同：都是规则的 。 DNA碱基对之间的关系相同：均遵循严格的 原则。 (2)外源基因能够在受体内表达，并使受体表现出相应的性状的原因分析 基因的功能特点：控制生物体性状的 单位，具有相对独立性。 遗传信息的传递方向都遵循 。 生物界共用一套 。 脱氧核苷酸 双螺旋结构 碱基互补配对 结构和功能 中心法则 遗传密码 拓展应

7、用 1.科学家们经过多年的努力，创立了一种新兴生物技术基因工程， 实施该工程的最终目的是 A.定向提取生物体内的DNA分子 B.定向地对DNA分子进行人工“剪切” C.在生物体外对DNA分子进行改造 D.定向地改造生物的遗传性状 解析 解析 基因工程能按照人们的意愿通过相关技术操作赋予生物以新的 遗传特性。 答案解析 2.目前，科学家把兔子血红蛋白基因导入大肠杆菌细胞中，在大肠杆 菌细胞中合成了兔子的血红蛋白。下列不是这一先进技术的理论依据 的是 A.所有生物共用一套遗传密码 B.基因能控制蛋白质的合成 C.兔子血红蛋白基因与大肠杆菌的DNA都是由四种脱氧核苷酸构成， 都遵循相同的碱基互补配对

8、原则 D.兔子与大肠杆菌有共同的原始祖先 答案解析 解析 解析 题干表述的是目的基因导入受体细胞并得以表达的过程，目的 基因在不同生物细胞中能够表达出相同的蛋白质，说明控制其合成的 信使RNA上的密码子是共用的，相同的密码子决定相同的氨基酸，A 正确； 基因是通过转录出信使RNA，进而控制蛋白质的合成，B正确； 基因是有遗传效应的DNA片段，只要是双链DNA都遵循碱基互补配对 原则，其组成原料都是四种脱氧核苷酸，C正确； 生物之间是否有共同的原始祖先与转基因技术之间没有必然关系，D 错误。 二、基因工程操作的两种工具酶 基础梳理 1.“分子手术刀分子手术刀”限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶(又

9、称限制酶又称限制酶) (1)来源：主要从原核生物中分离出来。 (2)特点：具有 。 识别DNA分子上特定的 序列。 断开每条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的 。 脱氧核苷酸 特异性(专一性) 磷酸二酯键 (3)识别序列 组成：大多数由 组成。 特点：一般具有 。 (4)作用结果：产生 末端或 末端。 2.“分子针线分子针线”DNA连接酶连接酶 (1)作用：连接DNA分子基本骨架之间的 。 (2)结果：形成重组DNA分子。 6个核苷酸 黏性平口 回文序列 磷酸二酯键 问题探究 1.仔细观察下列两种限制酶作用示意图，尝试回答下列问题： (1)两种限制酶的识别序列和切割位点分别是什么？ 答案 答案

10、 答案 EcoR的识别序列为GAATTC，切割位点是在G和A之间。 Hae的识别序列有AGGCCT，切割位点在G和C之间。 (2)由以上分析可知限制酶的作用是什么？有何作用特点？ 答案 答案 答案 限制酶的作用是：能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列， 并且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。特点 是特异性地识别和切割双链DNA分子。 答案 答案 DNA连接酶的作用部位为，形成了磷酸二酯键。DNA连接酶和 限制性核酸内切酶作用部位都是磷酸二酯键，但作用结果不同，前者是断 裂磷酸二酯键，形成DNA片段，后者是形成磷酸二酯键，连接DNA片段。 2.如图1所示，EcoliDN

11、A连接酶和T4DNA连接酶均可把黏性末端之间的缝 隙“缝合”起来，相当于把梯子两边的扶手的断口连接起来。DNA连接 酶和限制性核酸内切酶的关系如图2所示： 由图可知DNA连接酶的作用部位是“”还是“”，形成了什么化学 键？与限制性核酸内切酶相比作用部位和作用结果有何异同？ 答案 答案 答案 不相同。DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来，而DNA聚 合酶是将单个的脱氧核苷酸加到已有的DNA片段上。 3.DNA连接酶和DNA聚合酶的异同 (1)DNA连接酶和DNA聚合酶均能形成磷酸二酯键，二者的作用对象 相同吗？为什么？ 答案 比较项目DNA连接酶DNA聚合酶 相同点催化两个 之间形成磷酸二酯键

12、 不 同 点 模板 模板需要 为模板 作用对象游离的DNA片段单个的_ 作用结果形成完整的DNA分子形成DNA分子的一条链 用途基因工程DNA分子复制 (2)比较DNA连接酶和DNA聚合酶的异同点 脱氧核苷酸 不需要 DNA的一条链 脱氧核苷酸 4.在右图中标出限制酶、DNA连接酶、DNA 聚合酶和DNA解旋酶的作用部位。 答案 答案 如图所示 答案 限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶作用于a处化学键，而解旋酶作用 于b处化学键。 拓展应用 3.下表为常用的限制性核酸内切酶(限制酶)及其识别序列和切割位点，由此推 断以下说法中，正确的是 注注：Y表示C或T，R表示A或G A.一种限制酶只能识别

13、一种核苷酸序列 B.限制酶切割后一定形成黏性末端 C.不同的限制酶可以形成相同的黏性末端 D.限制酶的切割位点在识别序列内部 答案解析 限制性核酸内切酶 识别序列和切割位点 限制性核酸内切酶 识别序列和切割位点 BamHGGATCCKpnGGTACC EcoRGAATTCSau3A GATC HindGTYRACSmaCCCGGG 解析 解析 根据表格内容可以推知，每种限制酶都能识别特定的核苷酸序列， 但不一定只能识别一种序列，如限制酶Hind，A项错误； 限制酶切割后能形成黏性末端或平口末端，如限制酶Hind切割后露出 平口末端，B项错误； 不同的限制酶切割后可能形成相同的黏性末端，如限制酶

14、BamH和 Sau3A切割后露出的黏性末端相同，C项正确； 限制酶的切割位点可以位于识别序列的外侧，如Sau3A，D项错误。 一题多变一题多变 判断正误： (1)一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核糖核苷酸序列( ) (2)限制性核酸内切酶的活性受温度、pH的影响，总有一个最合适的条件( ) 解析 解析 限制性核酸内切酶只能够识别双链DNA分子的某种特定的脱氧核苷 酸序列，不能识别RNA分子的核糖核苷酸序列，错误。 答案解析 解析 解析 同其他的酶一样，限制性核酸内切酶同样受温度和pH的影响，而且 具有发挥最大催化效率的最适温度和最适pH，正确。 (3)限制性核酸内切酶能破坏相邻脱氧核苷酸

15、之间的化学键( ) (4)限制性核酸内切酶不只存在于原核生物中，其合成场所是核糖体( ) 解析 解析 限制性核酸内切酶催化的是特定部位磷酸二酯键的断裂，属于水解 反应，正确。 答案解析 解析 解析 限制性核酸内切酶主要从原核生物中分离纯化，也有来自真核细胞 的，其本质是蛋白质，在核糖体上合成，正确。 解析 解析 DNA连接酶和DNA聚合酶都是催化2个脱氧核苷酸分子之间形成 磷酸二酯键。但DNA连接酶是在2个DNA片段之间形成磷酸二酯键，将 2个DNA片段连接成重组DNA分子；DNA聚合酶是将单个的脱氧核苷酸 分子加到已存在的DNA片段上形成磷酸二酯键，合成新的DNA分子。 4.下列关于DNA连

16、接酶作用的叙述，正确的是 A.将单个核苷酸加到某个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键 B.将断开的2个DNA片段的骨架连接起来，重新形成磷酸二酯键 C.连接2条DNA链上碱基之间的氢键 D.只能将双链DNA片段互补的黏性末端连接起来，而不能将两者之间 的平口末端进行连接 答案解析 三、基因工程中的工具载体 1.常用的载体：常用的载体：质粒、噬菌体的衍生物、 等。 是最早 应用的载体，它是细菌细胞中的一类 的、结构简单、独立于细菌_ 之外，并具有 能力的 状DNA分子。 2.质粒的基本质粒的基本结构结构 (1)重组质粒进入受体细胞后要扩增产生更多的带有目 的基因的质粒，因此应具备 。 (2)重组质

17、粒进入受体细胞后要进行鉴定和筛选，一般 利用质粒上特殊的 。 (3)为了便于外源DNA分子的插入，要求质粒必须有一个至多个_ 的切割位点。 基础梳理 质粒动、植物病毒 拟核祼露 DNA 自我复制 复制原点 环 标记基因 限制性核 酸内切酶 问题探究 右图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，据图探究以下问题： 1.a代表的物质和质粒都能进行自我复制， 它们的化学本质都是什么？ 2.某目的基因切割末端为 ， 为使质粒和目的基因连接在一起，质粒 应有的一段核苷酸序列及被限制酶切割 的末端分别是什么？ 答案 答案 DNA。 答案 答案 ACGCGT CGCGT TGCGCA； A 答案 3.氨苄青霉素抗

18、性基因，能控制某物质的合成，该物质能抵抗氨苄青霉 素，使含有该基因的生物能在含氨苄青霉素的环境中存活。因此，氨苄 青霉素抗性基因在基因工程载体上能起什么作用？ 4.由以上分析总结作为载体必须具备哪些条件？ 答案 答案 用作标记基因，供重组DNA的鉴定与选择。 答案 答案 答案 作为载体必须具备的条件： (1)必须有一个至多个限制酶切割位点； (2)必须具备自我复制的能力； (3)必须有标记基因。 标记基因的筛选原理 (1)前提：载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要 转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。 (2)过程：含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞，抗性基因在受体 细

19、胞内表达，受体细胞对该抗生素产生抗性，然后在培养基中加入该抗 生素。 拓展拓展 提升提升 (3)结果：在培养基上，被抗生素杀死的是没有抗性的受体细胞，没被杀死 的具有抗性的受体细胞得以筛选。如下图： 拓展应用 5.质粒是基因工程中最常用的载体，它存在于许多细菌体内。某细菌质 粒上有标记基因如图所示，通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是 否转入成功。外源基因插入的位置不同，细菌在培养基上的生长情况也 不同，如图所示是外源基因插入位置(插入点有a、b、c)，请根据表中提 供的细菌生长情况，推测三种重组后细菌的外源基因插入点， 细菌在含氨苄青霉素的培养基上 的生长状况 细菌在含四环素的培养基上

20、的 生长状况 能生长能生长 能生长不能生长 不能生长能生长 正确的一组是 A.是c；是b；是a B.是a和b；是a；是b C.是a和b；是b；是a D.是c；是a；是b 答案解析 解析 解析 细菌能在含氨苄青霉素和四环素的培养基上生长，说明抗氨苄 青霉素基因和抗四环素基因没有被破坏，所以插入点是c。 对细菌来说，能在含氨苄青霉素的培养基上生长，而不能在含四环素 的培养基上生长，说明其抗氨苄青霉素基因正常而抗四环素基因被破坏， 插入点为b。 细菌不能在含氨苄青霉素的培养基上生长，说明其抗氨苄青霉素基因 被插入而破坏，故插入点为a。 一题多变一题多变 判断正误： (1)为供外源DNA插入质粒，质粒

21、DNA分子上有一个至多个限制酶切割 位点( ) (2)质粒上的特殊标记基因可以供外源DNA片段插入质粒( ) (3)细菌核区的DNA也常被用做载体( ) 答案 课堂小结 受体细胞 核苷酸 磷酸二酯键 当堂检测 1.下列有关基因工程诞生的说法，不正确的是 A.基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科的基础上发展 起来的 B.工具酶和载体的发现使基因工程的实施成为可能 C.遗传密码的破译为基因的分离和合成提供了理论依据 D.基因工程必须在同物种间进行 23451 解析 解析 基因工程可在不同物种间进行，它可打破生殖隔离的界限，定向 改造生物的遗传性状。 答案解析 2.下列关于限制酶和DNA

22、连接酶的说法中，正确的是 A.其化学本质都是蛋白质 B.DNA连接酶可恢复DNA分子中的氢键 C.在基因工程中DNA聚合酶可以替代DNA连接酶 D.限制酶切割后一定能产生黏性末端 答案 23415 解析 解析 限制酶和DNA连接酶的化学本质都是蛋白质。 解析 23415 3.已知某种限制酶在一线性DNA分子上有3个酶切位点，如图中箭头所 指。如果该线性DNA分子在3个酶切位点上都被该酶切断，则会产生a、 b、c、d四种不同长度的DNA片段。现有多个上述线性DNA分子，若 在每个DNA分子上至少有1个酶切位点被酶切断，则从理论上讲，经该 酶酶切后，这些线性DNA分子最多能产生长度不同的DNA片段

23、种类数 是 A.3 B.4 C.9 D.12 答案解析 解析 解析 解本题的关键是要理解“在每个DNA分子上至少有1个酶切位 点被该酶切断”，即一个DNA分子可能被切了一个位点，也可能被 切了两个或三个位点，要分开考虑，不要遗漏和重复。切一个位点情 况下可得到a和bcd、ab和cd、abc和d；切两个位点情况下可得到a、b 和cd；a、bc和d；ab、c和d；切三个位点情况下可得到a、b、c、d。 一共可以得到九种片段，分别是a、b、c、d、ab、abc、bc、bcd、cd。 23415 4.下列有关细菌质粒的叙述，正确的是 A.质粒是存在于细菌细胞中的一种颗粒状的细胞器 B.质粒是细菌细胞中

24、能自我复制的小型环状DNA分子 C.质粒只有在侵入宿主细胞后在宿主细胞内才能复制 D.细菌质粒的复制过程一定是在宿主细胞外独立进行 2341 答案 5 解析 解析 质粒是细菌细胞质中能自我复制的小型环状DNA分子，可以在细 菌细胞内或宿主细胞内复制。 解析 5.通过DNA重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。运用 这一技术使羊奶中含有人体蛋白质，如图表示了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GGATCC， 请回答下列问题： 23415 (1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是_。人体蛋白质基 因“插入”后连接在羊体细胞染色体中时需要的酶是_。 限制酶 DNA连接酶 答案 23415 解析 23415 解析 解析 基因工程所用的工具酶是限制酶和DNA连接酶。不同生物的基因 之所以能整合在一起，是因为基因的组成、碱基配对方式和空间结构是 相同的。将目的基因导入受体细胞，离不开载体的协助，基因工程中用 的载体除质粒外，还有动植物病毒、噬菌体的衍生物等。 (2)请画出质粒被切割形成黏性末端的过程图。 (3)人体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_。 答案 答案 碱基配对方式和空间结构是相同的载体 基因的组成、 答案 23415 GGATCC 质粒、动植物病毒、噬菌体的衍生物等