2019-2020學(xué)年高中生物 第1章 基本工程 第1節(jié) 基因工程概述 第1課時 基因工程的發(fā)展歷程和工具學(xué)案 蘇教版選修3

《2019-2020學(xué)年高中生物 第1章 基本工程 第1節(jié) 基因工程概述 第1課時 基因工程的發(fā)展歷程和工具學(xué)案 蘇教版選修3》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019-2020學(xué)年高中生物 第1章 基本工程 第1節(jié) 基因工程概述 第1課時 基因工程的發(fā)展歷程和工具學(xué)案 蘇教版選修3（10頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第1課時　基因工程的發(fā)展歷程和工具 1．簡述基因工程的發(fā)展歷程。 2．掌握限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶的作用、特點。(重、難點) 3．掌握質(zhì)粒的含義、特性及其在基因工程中的作用。(重、難點) 知識點一| 基因工程的發(fā)展歷程和概念 1．理論與技術(shù)基礎(chǔ)的發(fā)展 1953年：沃森和克里克建立了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。 　↓ 1957年：科恩伯格等首次發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶。 　↓ 1958年：梅塞爾森和斯塔爾發(fā)現(xiàn)DNA半保留復(fù)制的機理。克里克提出中心法則。 　↓ 1961～1966年：尼倫伯格等破譯遺傳密碼。 　↓ 1967年：羅思和赫林斯基發(fā)現(xiàn)運轉(zhuǎn)工具質(zhì)粒。同年

2、，科學(xué)家在大腸桿菌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)DNA連接酶。 　↓ 1970年：特明和巴爾的摩各自在RNA病毒中發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。史密斯等人分離到限制性核酸內(nèi)切酶。 　↓ 1977年：桑格首次完整基因組的測序工作。 2．重組DNA技術(shù)的發(fā)展 (1)1972年科學(xué)家伯格等實驗。 ①過程： ②成就：世界上首次DNA分子體外重組。 (2)1973年科學(xué)家科恩等實驗。 重組DNA分子大腸桿菌―→子代大腸桿菌(雙重抗性) (3)不同物種間DNA重組實驗。 ①過程：非洲爪蟾核糖體蛋白基因的DNA片段＋大腸桿菌質(zhì)?！亟MDNA→轉(zhuǎn)入大腸桿菌→轉(zhuǎn)錄出相應(yīng) mRNA。 ②成就：打破了傳統(tǒng)的種間遺傳物

3、質(zhì)不能交換的重重壁壘，開創(chuàng)了基因工程。 3．基因工程的概念 方法 在體外通過人工“剪切”和“拼接”等方法 原理 對生物的基因進行改造和重新組合 操作水平 基因水平 目的 產(chǎn)生人類需要的基因產(chǎn)物 使大米擁有某些細(xì)菌才具有的抗蟲基因能夠減少化學(xué)殺蟲劑的使用量，既高產(chǎn)又環(huán)保。 請你結(jié)合以上內(nèi)容探究下列問題。 探討：你知道擁有某些細(xì)菌抗蟲基因的大米是通過何種技術(shù)培育出來的嗎？ 提示：基因工程。 探討：通過分析基因工程的概念，討論基因工程的原理是什么？與有性雜交育種有何區(qū)別？ 提示：原理：基因重組。 區(qū)別：打破物種限制，實現(xiàn)不同物種間的基因交流。 探討：將人

4、的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌體內(nèi)，通過大腸桿菌能大量生產(chǎn)人胰島素。請分析人胰島素基因能在大腸桿菌體內(nèi)表達(dá)的理論基礎(chǔ)是什么？ 提示：生物共用一套遺傳密碼。 1．基因重組的三種主要類型 (1)交叉互換：減數(shù)第一次分裂四分體時期，同源染色體上的非姐妹染色單體間的交叉互換。 (2)自由組合：減數(shù)第一次分裂后期，非同源染色體上的非等位基因隨著非同源染色體的自由組合而組合。 (3)基因工程：轉(zhuǎn)基因生物因外源基因?qū)攵@得的新性狀是可以遺傳的。 2．基因工程的理論基礎(chǔ) (1)拼接的基礎(chǔ)： ①基本組成單位相同：不同生物的DNA分子都是由脫氧核苷酸構(gòu)成的。 ②空間結(jié)構(gòu)相同：不同生物的DNA分子

5、一般都是由兩條反向平行的脫氧核苷酸長鏈形成的規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)。 ③堿基配對方式相同：不同生物的DNA分子中兩條鏈之間的堿基配對方式均是A與T配對，G與C配對。 (2)表達(dá)的基礎(chǔ)：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(nèi)可表達(dá)出相同的蛋白質(zhì)。 1．干擾素是治療癌癥的重要藥物，它必須從血液中提取，每升人血中只能提取0.5 μg，所以價格昂貴。美國加利福尼亞的某生物制品公司用如下方法生產(chǎn)干擾素。如圖所示，可以看出該公司生產(chǎn)干擾素運用的方法是(　　) A．個體間的雜交　 B．基因工程 C．細(xì)胞融合 D．器官移植 【解析】　從圖中可以看出整個過程為將人的淋巴細(xì)胞中控制干擾

6、素合成的基因與質(zhì)粒結(jié)合后導(dǎo)入酵母菌，并從酵母菌產(chǎn)物中提取干擾素，這項技術(shù)為基因工程。 【答案】　B 2．下列對基因工程的理解，正確的是(　　) ①它是一種按照人們的意愿，定向改造生物遺傳特性的工程　②可對基因隨意進行人為改造?、凼求w外進行的人為的基因重組?、茉趯嶒炇覂?nèi)，利用相關(guān)的酶和原料合成DNA?、葜饕夹g(shù)為體外DNA重組技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)　⑥在DNA分子水平上進行操作 ⑦一旦成功，便可遺傳 A．①②③④⑤⑥ B．①③④⑤⑥⑦ C．①③⑤⑥⑦ D．①②③⑤⑥⑦ 【解析】　基因工程可以對生物的基因進行改造和重新組合，然后導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)進行無性繁殖，使重組基因在受體細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，產(chǎn)生出

7、人類所需要的基因產(chǎn)物，而不是對基因進行人為改造。 【答案】　C 知識點二| 基因工程的工具——酶與載體 1．限制性核酸內(nèi)切酶(也稱“限制酶”) (1)來源：主要來自于原核生物。 (2)特點：具有專一性。 ①識別雙鏈DNA分子的某種特定的脫氧核苷酸序列。 ②切割特定脫氧核苷酸序列中的特定位點。 (3)作用：斷開每一條鏈中特定部位的兩個脫氧核苷酸之間的磷酸二酯鍵。 (4)結(jié)果：產(chǎn)生黏性末端或平口末端。 2．DNA連接酶——“分子針線” (1)作用：將雙鏈DNA片段“縫合”，恢復(fù)被限制性核酸內(nèi)切酶切開的兩個脫氧核苷酸之間的磷酸二酯鍵。 (2)結(jié)果：形成重組DNA分子。

8、3．載體——運載工具 (1)功能：將外源基因?qū)胧荏w細(xì)胞。 (2)種類：質(zhì)粒、λ噬菌體的衍生物以及一些動、植物病毒。 (3)質(zhì)粒 ①本質(zhì)：來自細(xì)菌細(xì)胞中的一種很小的環(huán)狀DNA分子，是最早應(yīng)用的載體。 ②組成：最簡單的質(zhì)粒載體必須包括復(fù)制區(qū)、標(biāo)記基因、目的基因插入位點。 我國科學(xué)家已成功將與植物花青素代謝有關(guān)的基因?qū)牖ɑ苤参锇珷颗Ｖ校D(zhuǎn)基因矮牽牛呈現(xiàn)出自然界沒有的顏色變異，大大提高了花卉的觀賞價值。 請你依據(jù)以上材料探究下列問題： 探討：科學(xué)家進行轉(zhuǎn)基因技術(shù)操作時，需要用到哪些基本的工具？ 提示：限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶和載體。 探討：結(jié)合DNA復(fù)制的過程分析

9、，限制性核酸內(nèi)切酶和DNA解旋酶的作用部位有何不同？ 提示：限制性核酸內(nèi)切酶作用于磷酸和脫氧核糖之間的磷酸二酯鍵，DNA解旋酶作用于堿基對之間的氫鍵。 探討：下圖所示過程是哪類酶作用的結(jié)果？該酶識別的堿基序列及切點是什么？這體現(xiàn)了該類酶具有什么特性？ 提示：限制性核酸內(nèi)切酶。識別的堿基序列為GAATTC，切點在G和A之間。特異性。 探討：質(zhì)粒的化學(xué)本質(zhì)是什么？來源于何類生物？ 提示：化學(xué)本質(zhì)：環(huán)狀DNA分子。來源：細(xì)菌、酵母菌。 1．限制性核酸內(nèi)切酶與DNA連接酶的比較 (1)區(qū)別： 作用 應(yīng)用 限制性核酸內(nèi)切酶 使特定部位的磷酸二酯鍵斷開 用于提取目的基因

10、和切割載體 DNA連接酶 在DNA片段之間重新形成磷酸二酯鍵 用于基因表達(dá)載體的構(gòu)建 (2)兩者的關(guān)系可表示為： 2．DNA連接酶與DNA聚合酶的比較 項目 DNA連接酶 DNA聚合酶 相同點 催化兩個脫氧核苷酸之間形成磷酸二酯鍵 不同點 模板 不需要模板 需要DNA的一條鏈為模板 作用對象 游離的DNA片段 單個的脫氧核苷酸 作用結(jié)果 形成完整的DNA分子 形成DNA的一條鏈 用途 基因工程 DNA復(fù)制 [特別提醒] (1)不同DNA分子用同一種限制性核酸內(nèi)切酶切割形成的黏性末端都相同；同一個DNA分子用不同的限制性核酸內(nèi)切酶切割，產(chǎn)生的

11、黏性末端一般不相同。 (2)DNA連接酶無識別的特異性，DNA連接酶對于黏性末端或平口末端都能催化其“縫合”，重新形成DNA分子。 3．載體的作用、條件、種類及質(zhì)粒的相關(guān)知識 作用 將外源基因送入受體細(xì)胞 條件 ①能在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制并穩(wěn)定地保存 ②具有多個限制性核酸內(nèi)切酶切點 ③具有某些標(biāo)記基因 種類 常用的載體有質(zhì)粒、λ噬菌體、動植物病毒 質(zhì)粒 ①質(zhì)粒是最早應(yīng)用的載體 ②結(jié)構(gòu)：細(xì)菌細(xì)胞中的很小的環(huán)狀DNA分子 ③特性：質(zhì)粒的存在對宿主細(xì)胞無影響 ④重組質(zhì)粒的形成：用同一種限制性核酸內(nèi)切酶切割質(zhì)粒和外源DNA分子，并通過DNA連接酶的連接，就能將質(zhì)粒和外源DNA分

12、子組成一個重組質(zhì)粒(重組DNA分子) [特別提醒] (1)一般來說，天然載體往往不能滿足人類的所有要求，因此人們常根據(jù)不同的目的和需要，對某些天然的載體進行人工改造。 (2)常見的標(biāo)記基因有抗生素抗性基因、產(chǎn)生特定顏色的表達(dá)產(chǎn)物基因、發(fā)光基因等。 (3)注意與細(xì)胞膜上載體的區(qū)別，兩者的化學(xué)本質(zhì)和作用都不相同。 (4)質(zhì)粒能自我復(fù)制，其復(fù)制場所既可是自身細(xì)胞、受體細(xì)胞內(nèi)，也可以是體外。 1．基因的運輸工具——載體，必須具備的條件之一及理由是(　　) A．能夠在宿主細(xì)胞中穩(wěn)定地保存下來并大量復(fù)制，以便提供大量的目的基因 B．具有多個限制酶切點，以便于目的基因的表達(dá) C．具有某

13、些標(biāo)記基因，以便為目的基因的表達(dá)提供條件 D．能夠在宿主細(xì)胞中復(fù)制并穩(wěn)定保存，以便于進行篩選 【解析】　載體作為目的基因的運輸工具，能將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。作為載體必須具備三個條件：①能夠在宿主細(xì)胞中穩(wěn)定地保存，并能夠復(fù)制，以便提供大量的目的基因；②有一個至多個限制酶切割位點，便于與外源基因結(jié)合；③具有標(biāo)記基因，便于進行檢測和篩選。 【答案】　A 2．目前基因工程所用的質(zhì)粒載體主要是以天然細(xì)菌質(zhì)粒的各種元件為基礎(chǔ)重新組建的人工質(zhì)粒，pBR322質(zhì)粒是較早構(gòu)建的質(zhì)粒載體，其主要結(jié)構(gòu)如下圖所示。 (1)構(gòu)建人工質(zhì)粒時要有抗性基因，以便于_________________。 (2)

14、 pBR322質(zhì)粒中有單個EcoR Ⅰ限制酶作用位點，EcoR Ⅰ只能識別序列—GAATTC—，并只能在G和A之間切割。若在某目的基因的兩側(cè)各有1個EcoR Ⅰ的切點，請畫出目的基因兩側(cè)被限制酶EcoR Ⅰ切割后所形成的黏性末端：__________________________。 (3)pBR322質(zhì)粒中另有單個的Bam HⅠ 限制酶作用位點，現(xiàn)將經(jīng)Bam HⅠ 處理后的質(zhì)粒與用另一種限制酶Bgl Ⅱ處理得到的目的基因，通過DNA連接酶作用恢復(fù)________鍵，成功獲得了重組質(zhì)粒，說明__________________________。 (4)為了檢測上述重組質(zhì)粒是否導(dǎo)入原本無am

15、pR和tetR的大腸桿菌，將大腸桿菌在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，得到如圖二的菌落。再將滅菌絨布按到培養(yǎng)基上，使絨布面沾上菌落，然后將絨布按到含四環(huán)素的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，得到如圖三的結(jié)果(空圈表示與圖二對照無菌落的位置)，與圖三空圈相對應(yīng)的圖二中的菌落表現(xiàn)型是___________________________________，圖三結(jié)果顯示，多數(shù)大腸桿菌導(dǎo)入的是______________________________________。 【解析】　(1)質(zhì)粒作為基因表達(dá)載體的條件之一是要有抗性基因，以便于鑒別目的基因是否導(dǎo)入受體細(xì)胞或篩選導(dǎo)入目的基因的受體細(xì)胞。 (2)同一限制酶切割DNA

16、分子產(chǎn)生的黏性末端相同，根據(jù)題意可知：該目的基因兩側(cè)被限制酶EcoRⅠ切割后所形成的黏性末端為： 目的基因 —G　　　　AATTC—……—G　　　AATTC— —CTTAA　　　　G—……—CTTAA　　　G— (3)DNA連接酶催化兩個DNA片段形成磷酸二酯鍵；而通過DNA連接酶作用能將兩個DNA分子片段連接，表明經(jīng)兩種限制酶(BamH Ⅰ和Bgl Ⅱ)切割得到的DNA片段，其黏性末端相同。 (4)由題意知：由于與圖三空圈相對應(yīng)的大腸桿菌能在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上生長，而不能在含四環(huán)素的培養(yǎng)基上生長，故可推知與圖三空圈相對應(yīng)的圖二中的菌落能抗氨芐青霉素，但不能抗四環(huán)素。由圖二、圖三

17、結(jié)果顯示，多數(shù)大腸桿菌都能抗氨芐青霉素，而經(jīng)限制酶BamH Ⅰ 作用后，標(biāo)記基因tetR被破壞，故導(dǎo)入目的基因的大腸桿菌不能抗四環(huán)素，即多數(shù)大腸桿菌導(dǎo)入的是pBR322質(zhì)粒。 【答案】　(1)鑒別目的基因是否導(dǎo)入受體細(xì)胞或篩選導(dǎo)入目的基因的受體細(xì)胞 (2)如下所示： 目的基因 —G　　　　AATTC—……—G　　　AATTC— —CTTAA　　　　G—……—CTTAA　　　G— (3)磷酸二酯　兩種限制酶(BamH Ⅰ和Bgl Ⅱ)切割得到的黏性末端相同 (4)能抗氨芐青霉素，但不能抗四環(huán)素　pBR322質(zhì)粒 [課堂小結(jié)] 知識網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 核心語句歸納 1.基因工程

18、是在DNA分子水平上進行設(shè)計和施工的，又叫做DNA重組技術(shù)。 2.基因工程的原理是基因重組，處理對象是DNA或基因。 3.限制性核酸內(nèi)切酶是能夠識別和切割DNA分子的酶，又叫限制酶。DNA連接酶能將被限制性核酸內(nèi)切酶切開的磷酸二酯鍵重新形成。 4.載體的作用是與含有外源基因(目的基因)的DNA片段結(jié)合，將外源基因送入受體細(xì)胞中。 1．基因工程是一種新興生物技術(shù)，實施該工程的最終目的是(　　) A．定向提取生物體DNA分子 B．定向?qū)NA分子進行人工“剪切” C．在生物體外對DNA分子進行改造 D．定向改造生物的遺傳性狀 【解析】　基因工程也稱DNA重組技術(shù)，它是按照人類

19、的意愿，將某種基因有計劃地轉(zhuǎn)移到另一種生物中的新技術(shù)，故實施該工程的最終目的是定向改造生物的遺傳性狀。 【答案】　D 2．限制性內(nèi)切酶的作用實際上就是把DNA上某些化學(xué)鍵打斷，一種能對GAATTC專一識別的限制酶，打斷的化學(xué)鍵是(　　) A．G與A之間的鍵 B．G與C之間的鍵 C．A與T之間的鍵 D．磷酸與脫氧核糖之間的鍵 【解析】　限制酶主要從原核生物中分離、純化出來，它能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷裂。限制酶的作用部位是磷酸和脫氧核糖之間的磷酸二酯鍵，而一條鏈中相鄰兩個堿基之間的化學(xué)鍵為—脫氧核糖—磷酸—脫氧

20、核糖—。 【答案】　D 3．如下圖，兩個核酸片段在適宜條件下，經(jīng)X酶的催化作用，發(fā)生下述變化，則X酶是(　　) A．DNA連接酶 B．RNA聚合酶 C．DNA聚合酶 D．限制性核酸內(nèi)切酶 【解析】　DNA連接酶的作用是將兩個黏性末端的磷酸和脫氧核糖連接在一起；RNA聚合酶是在RNA復(fù)制或轉(zhuǎn)錄過程中，把核糖核苷酸連接在一起；DNA聚合酶是在DNA復(fù)制過程催化脫氧核苷酸的聚合反應(yīng)；限制性核酸內(nèi)切酶是在獲取目的基因時識別特定的堿基序列，切出黏性末端或平口末端。圖示為將兩個黏性末端的磷酸和脫氧核糖連接在一起。 【答案】　A 4．下列四條DNA片段，可能是由同一種限制酶切割而成的是(　　) A．①② B．②③ C．③④ D．②④ 【解析】　只有②和④的黏性末端的堿基都是互補的，它們可能是由同一種限制酶切割而成的。 【答案】　D 5．下列關(guān)于限制性核酸內(nèi)切酶識別序列和切開部位的特點的敘述，錯誤的是(　　) A．所識別的序列都可以找到一條中軸線 B．中軸線兩側(cè)的雙鏈DNA上的堿基是反向?qū)ΨQ重復(fù)排列 C．只識別和切斷特定的脫氧核苷酸序列的 D．在任何部位都能將DNA切開 【解析】　一種限制性核酸內(nèi)切酶只能識別一種特定的脫氧核苷酸序列，并且能在特定的切點上切割DNA分子。 【答案】　D - 10 -