人教版生物选修三1.1DNA重组技术的基本工具学案

1 课题： 专题 1 基因工程 1．1 DNA 重组技术的基本工具 第 1 课时 总第 课时 【教学目标】 知识方面 1.简述基础理论研究和技术进步催生了基因工程 2.简述 DNA 重组技术所需三种基本工具的作用 3.说明基因工程载体应具备的条件 能力方面 运用所学 DNA 重组技术的知识，模拟制作重组 DNA 模型 情感态度与价值观方面 1.关注基因工程的发展 2.认同基因工程的诞生后发展离不开理论研究和技术 革新 【教学重点】：DNA 重组技术所需的三种基本工具的作用 【教学难点】：基因工程载体需要具备的条件 【教 具】：挂图、投影、多媒体课件 【教学过程】 一、基因工程的概念和理论基础 1.基因工程的概念：指按照人们的意愿，进行严格的设计，通过 体外 DNA 重组 和 转 基因 等技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们的需要的新的生物类型 和生物产品。又叫做 DNA 重组技术 。 别名 基因拼接技术或 DNA 重组技术 操作环境 生物体外 操作对象 基因 操作水平 DNA 分子水平 结果/优点 获得人类需要的生物类型和生物产品， 定向 改变生物性状 原理 基因重组 2.基因工程的理论基础和技术支持 理论基础 DNA 是遗传物质 DNA 双螺旋结构和 中心法则 的确立 遗传密码 的破译 技术支持 基因转移载体—— 质粒 的发现 多种 限制酶 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 思考：与其他生物变异相比，基因工程所导致的变异有何特点？ 变异一般是不定向的，但基因工程使生物产生新的性状变异却是定向的，是按照人们的实际需要 进行的有目的的改造。 二、基因工程的基本工具 （一）限制酶——“分子手术刀”、基因的“剪刀” 1.来源： 原核 生物 探究 1.限制酶在原核生物中起什么作用？ 将侵入的外源 DNA 切割掉，使之失效，从而保护自身 探究 2.限制酶既然能切割外源 DNA，能否切割自身 DNA？ 一般不会；因为微生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，对外来 DNA 可降解掉 （①自身 DNA 分子不具备这种限制酶的识别切割序列 ②或者通过甲基化酶将甲基转移到所识别序列的碱基上，使之不能将其切开) 2.化学本质： 蛋白质 （酶的化学本质：蛋白质或 RNA） 3.种类：约 4000 种（已分离的） 4.作用：切割 DNA 获取目的基因或切割 运载体 5.作用特点：识别 特定的核苷酸序列 ，并在 特定部位 切割 磷酸二酯 键 【二次备课】 2 （1）大多数限制酶的识别序列由 6 个核苷酸组成，少数由 4、5 或 8 个核苷酸组成 （2）实例：如 EcoRI 酶的识别序列是 GAATTC ，并将 G 和 A 之间的磷酸二酯键断开 （3）切割部位：脱氧核苷酸之间的 磷酸二酯 键 6.切割的方式 （1）错切 ①EcoRI 酶的切割： ②结果：产生 黏性 末端 （限制酶切割 中轴线两侧 产生的） 探究 3.两个黏性末端是否相同怎么判断？ 两个末端的碱基序列 相同且互补 （将其中一个末端进行 180°旋转后是否与另一个重合） （2）平切 ①SmaI 酶的切割： ②结果：产生 平 末端 （限制酶 沿中轴线 切割而形成的） 探究 4.要想获得某特定基因，必需用几个限制酶切割？产生几个粘性末端？ （二）DNA 连接酶——“分子缝合针”、基因的“针线” 1.作用：将双链 DNA 片段“缝合”起来，连接 磷酸和脱氧核糖 之间的缺口 （1）双链 DNA 片段的特点：具有 相同 的末端，一般是由 同一种限制酶 切割而形成 （2）连接部位： 磷酸二酯键 2.种类 E·coli DNA 连接酶 T4DNA 连接酶 来源 大肠杆菌 T4 噬菌体 特点 只能缝合 DNA 互补的 黏性 末端 既可缝合 DNA 互补的 黏性 末端，又可缝合 DNA 的 平 末端，但连接后者的效率比较低。 3.结果：恢复被 限制酶 切开的两个核苷酸之间的 磷酸二酯键 ，形成 重组 DNA 分子 探究 5.用 DNA 连接酶连接两个相同的黏性末端，形成几个磷酸二酯键? 4.DNA 连接酶和 DNA 聚合酶的比较 项目 DNA 连接酶 DNA 聚合酶 不同点 作用对象 连接两个 DNA 片段 在脱氧核苷酸链上添加 单个 脱氧核苷酸 作用条件 不需 模板 需要 模板 作用结果 形成完整 DNA 分子 形成 DNA 的一条链 基因工程 DNA 复制 相同点 作用部位 连接不同脱氧核苷酸之间的 磷酸二酯 键 注意：迄今为止还未发现能直接连接单链 DNA 的 DNA 连接酶 探究 6.几种酶工具作用的比较 （1）解旋酶和限制酶都作用于 DNA，试分析这两种酶的作用部位相同吗？ 不相同。解旋酶：作用于 DNA 两条脱氧核苷酸链之间的氢键 限制酶：作用于同一条链上相邻两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键 （2）限制酶和 DNA 连接酶作用的位点相同吗？ 相同。均作用于磷酸二酯键 典例:1.有关基因工程的工具酶功能的叙述，正确的是 A.切断 a 处的酶为限制性内切酶 B.连接 a 处的酶为 DNA 聚合酶 C.连接 b 处的酶为 DNA 连接酶 D.作用 b 处的酶为限制性内切酶 2.下列有关限制性内切酶识别的叙述，不正确的是 A.从反应类型来看，限制酶催化的是一种水解反应 B.限制酶的活性受温度、PH 的影响 C.一种限制酶只能识别双链 DNA 中某种特定的脱氧核苷酸序列 D.限制酶识别序列越短，则该序列在 DNA 中出现的几率就越小 （三）基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” 3 1.作用：①作为运载工具，将目的基因转移到 受体 细胞 ②利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量的 复制 ，即克隆 2.载体的条件 探究 7.指导学生识别并理解 P6 图 1-5 载体结构模式图 （1）明确复制原点、目的基因的插入位点、氨苄青霉素抗性基因等结构的作用。 （2）思考：研究发现霍乱杆菌中也有质粒的存在，它能否作为基因的载体呢？ 小结： （1）具备自我复制能力，且能在宿主细胞中 稳定保存并大量复制 ； （2）有一个至多个 限制酶 切割位点，供外源基因的插入； （3）带有 特殊的标记 基因，供重组 DNA 的鉴定和选择。 （4）载体还要有较强的侵染能力，但必须是“友好借居”（即对受体细胞无危害） 思考：在基因工程的操作中，真正被用作载体的质粒都是天然的质粒吗？ 不是。都是在天然质粒的基础上进行 人工改造 的，自然存在的质粒并不同时具备上述条件。 3.载体的种类： 质粒 （常用）、 λ噬菌体的衍生物 、 动植物病毒 等 （1）质粒 ①本质：质粒是一种裸露的、结构简单、独立于 细菌拟核 DNA 之外，并具有自我 复制能力的 很小的双链环状 DNA 分子 ②分布：存在于许多 细菌（原核） 、 酵母菌（真核） 和放线菌等生物中 （2）受体细胞不同，所用载体一般也不同。 当受体细胞是细菌细胞时，一般用 质粒 作运载体； 当受体细胞是动物细胞时，一般用 病毒 做运载体 探究 8.细菌质粒上有控制性状的某些基因，那么细菌的性状主要是由质粒控制吗？ 细菌的性状主要由 拟核 DNA （大型环状 DNA）决定， 细菌的 抗药性、固氮、抗生素生成等性状的基因 位于质粒上 探究 9.基因载体与细胞膜上的载体是相同的吗？ 不同，两者的化学本质和作用均不相同 小结：基因工程的三种工具： 限制酶、DNA 连接酶和基因载体 ； 基因工程的三种工具酶： 限制酶、DNA 连接酶和逆转录酶 思维拓展：基因的结构 1.编码区：能编码蛋白质的区段 非编码区：不能编码蛋白质的区段，但有调控作用，如启动子（与 RNA 聚合酶结合 的位点）、终止子 2.原核细胞的基因结构与真核细胞的基因结构的比较 相同点：①都有编码区和非编码区组成 ②编码区上游都有一个启动子，编码区下游都有终止子 不同点：原核细胞基因的编码区是连续的； 真核细胞基因的编码区是不连续的，有外显子、内含子间隔 3.基因的实质：有遗传效应的 DNA 片段，∴启动子位于 DNA 上，终止子位于 DNA 上 密码子位于 mRNA 上，反密码子位于 tRNA 上 【基础训练】 4 1.在基因工程中用来修饰改造生物基因的工具是 A.限制酶和连接酶 B.限制酶和水解酶 C.限制酶和运载体 D.连接酶和运载体 2.下列黏性末端属于同一种限制酶切割而成的是： A.①② B.①③ C.①④ D.②③ 3.水母发光蛋白由 236 个氨基酸构成，其中天冬氨酸、甘氨酸和丝氨酸构成发光环， 现已将这种蛋白质的基因作为生物转基因的标记，在转基因技术中，这种蛋白质的作 用是 A.促使目的基因导入受体细胞 B.促使目的基因在受体细胞内复制 C.使目的基因容易被检测出来 D.使目的基因容易成功表达 4.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够自主复制的小型环状 DNA 分子 C.质粒只有导入宿主细胞后才能复制 D.在进行基因工程操作中，被用作载体的质粒都是天然质粒 5.基因工程是 DNA 分子水平的操作，下列有关基因工程的叙述中，错误的是 A.限制酶只用于切割获取目的基因 B.载体与目的基因必须用同一种限制酶处理 C.基因工程所用的工具酶是限制酶、DNA 连接酶 D.带有目的基因的载体是否进入受体细胞需检测 6.科学家用纳米技术制造出一种“生物导弹”，可以携带 DNA 分子。把它注射入组织中， 可以通过细胞的内吞作用的方式进入细胞内，DNA 被释放出来，进入到细胞核内，最 终整合到细胞染色体中，成为细胞基因组的一部分，DNA 整合到细胞染色体中的过程， 属于 A.基因突变 B.基因重组 C.基因互换 D.染色体变异 7.右图示某 DNA 片段，有关该图的叙述中，不正确的是 A.②③④可形成 DNA 的基本组成单位之一 B.⑥在 DNA 中特定排列顺序可代表遗传信息 C.某限制性内切酶可选择①作为切点 D.DNA 连接酶可连接⑤处断裂的化学键 【拓展提升】 8.控制细菌合成抗生素的基因、控制细菌主要遗传性状的 基因、控制病毒抗原特异性的基因依次在 ①核区大型环 状 DNA 上 ②质粒上 ③细胞核染色体上 ④衣壳内核酸上 A.②①④ B.①③④ C.②①③ D.①②④ 9.下图为四种限制酶 BamHI，EcoRI，HindⅢ以及 BglⅡ的辨识序列。箭头表示每一种 限制酶的特定切割部位，其中哪两种限制酶所切割出来的 DNA 片段末端可以互补黏合? 其正确的末端互补序列为何? A.BamHI 和 EcoRI；末端互补 序列一 AATT 一 B.BamHI 和 HindⅢ；末端互补 序列—GATC— C.EcoRI 和 HindⅢ；末端互补序列—AATT— D.BamHI 和 Bg lⅡ；末端互补序列一 GATC— 10.植物学家在培育抗虫棉时，对目的基因做了适当的修饰，使得目的基因在棉花植株 的整个生长发育期都表达，以防止害虫侵害。这种对目的基因所做的修饰发生在 A.内含子 B.外显子 C.编码区 D.非编码区 11.把兔控制血红蛋白合成的信使 RNA 加入到大肠杆菌的提取液中，结果能合成出兔的 5 血红蛋白，这说明 A.兔和大肠杆菌共用一套遗传密码子 B.大肠杆菌的遗传物质是 RNA C.兔的 RNA 和大肠杆菌的 RNA 携带相同的遗传信息 D.兔控制血红蛋白合成的基因能 进人大肠杆菌 12.限制性内切酶Ⅰ的识别序列和切点是一 G|GATCC 一，限制性内切酶Ⅱ的识别序列和 切点是一|GATC 一。在质粒上有酶 I 的一个切点，在目的基因的两侧各有一个酶Ⅱ的切 点。 （1）请画出质粒被限制酶 I 切割后形成的黏性末端。 （2）请画出目的基因两侧被限制酶Ⅱ切割后所形成的黏性末端。 （3）在 DNA 连接酶的作用下，上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接起 来?为什么? 可以连接 因为由两种限制酶切割后所形成的黏性末端是相同的 【作业布置】 【教学后记】