. DNA重組技術(shù)的基本工具教案人教版選修

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1、1.1 DNA重組技術(shù)的基本工具 教案 人教版選修3 ●課標(biāo)要求 簡述基因工程的誕生，簡述基因工程的原理及技術(shù)。 ●課標(biāo)解讀 1．結(jié)合酶的專一性特點(diǎn)，理解限制酶識別不同的DNA序列。 2．結(jié)合圖示，掌握DNA連接酶的種類及作用的特點(diǎn)。 3．對比DNA重組技術(shù)所需的三種基本工具的作用。 4．理解基因工程載體需要具備的條件。 ●教學(xué)地位 本節(jié)內(nèi)容系統(tǒng)的介紹了基因工程技術(shù)中采用的三種基本工具——限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶和載體。本節(jié)內(nèi)容是課標(biāo)要求“簡述基因工程的原理及技術(shù)”的主要內(nèi)容，也是學(xué)習(xí)基因工程的基本操作程序的基礎(chǔ)。本節(jié)內(nèi)容是高考中的?？純?nèi)容，幾乎涉及基因工程的高考題

2、中，對本節(jié)內(nèi)容均有考查。 ●教法指導(dǎo) 1．基因工程屬于科技含量較高的生物技術(shù)，學(xué)生對此了解較少，如果采用直白、平淡的“介紹”式授課，不利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性?？赏ㄟ^創(chuàng)設(shè)情景，提出問題，“誘導(dǎo)”學(xué)生積極參與教學(xué)活動。如對于基因工程需要的這三種基本工具的引入，教師可設(shè)問：外源基因能不能自動進(jìn)入受體細(xì)胞？如果能進(jìn)入，成功率如何？——從而引出基因工程需要載體；載體是如何運(yùn)載目的基因的，目的基因如何與載體結(jié)合？——通過這些問題可相繼引出其他的兩種基本工具限制酶和DNA連接酶。 2．本節(jié)內(nèi)容較為抽象，如果只是閱讀文字?jǐn)⑹龌蛘呓處煹摹敖榻B”，學(xué)生很難理解。如限制酶的作用特點(diǎn)，學(xué)生對限制酶的切割位點(diǎn)、

3、黏性末端、平末端等內(nèi)容往往難以理解，因此在授課時要注意圖文結(jié)合，通過示意圖、DNA分子的平面結(jié)構(gòu)圖等幫助學(xué)生在圖中去理解相關(guān)內(nèi)容，并要求學(xué)生根據(jù)理解畫出相關(guān)的示意圖。本部分內(nèi)容在高考考查時往往結(jié)合示意圖進(jìn)行考查，因此要特別注意鍛煉學(xué)生讀圖、識圖的能力。●新課導(dǎo)入建議 1．本專題導(dǎo)言中“能生產(chǎn)醫(yī)用蛋白的煙草”可作為導(dǎo)入新課的背景材料，引導(dǎo)學(xué)生展開想象，體會基因工程技術(shù)的“魔力”，激發(fā)學(xué)生對基因工程技術(shù)的興趣。 2．結(jié)合基因表達(dá)的內(nèi)容，回憶基因與蛋白質(zhì)之間的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生了解基因工程的大體操作思路，作為學(xué)習(xí)基因工程的概念及基因工程的基本工具的鋪墊。 ●教學(xué)流程設(shè)計 學(xué)生課前預(yù)習(xí)：閱讀教材P

4、1－7，填寫【課前自主導(dǎo)學(xué)】，完成“思考交流1、2”。??步驟2：根據(jù)創(chuàng)設(shè)的情景，引出基因工程的概念，并通過【課堂互動探究】探究1分析、理解基因工程的概念。通過例1鞏固、提高。?? ?步驟6：引導(dǎo)學(xué)生通過合作，整理本節(jié)重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容，利用【本課知識小結(jié)】進(jìn)行總結(jié)，建立知識網(wǎng)絡(luò)。理解并記憶【結(jié)論語句】。?步驟5：回扣基礎(chǔ)知識，將檢查、批閱【課前自主導(dǎo)學(xué)】時學(xué)生出錯較多的部分進(jìn)行強(qiáng)化，重點(diǎn)對【正誤判斷】部分進(jìn)行辨析。?步驟4：結(jié)合教材圖示，通過【課堂互動探究】探究2幫助學(xué)生認(rèn)識限制酶、DNA連接酶的作用特點(diǎn)及載體的功能、應(yīng)具備的條件等。利用例2驗(yàn)收、鞏固。 課　標(biāo)　解　讀 重　點(diǎn)　難　點(diǎn)

5、1.結(jié)合酶的專一性特點(diǎn)，理解限制酶識別不同的DNA序列。 2.結(jié)合圖示，掌握DNA連接酶的種類及作用的特點(diǎn)。 3.對比DNA重組技術(shù)所需三種基本工具的作用。 4.理解基因工程載體需要具備的條件。 1.限制性核酸內(nèi)切酶的種類及作用。(重點(diǎn)) 2.DNA連接酶的作用。(重點(diǎn)) 3.基因工程運(yùn)載體的種類及應(yīng)具備的條件。(難點(diǎn)) 基因工程的概念 1.操作意圖：按照人們的愿望，進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計。 2．操作場所：在生物體外進(jìn)行。 3．操作技術(shù)：利用了體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)。 4．操作結(jié)果：賦予生物以新的遺傳特性，從而創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物

6、產(chǎn)品。 5．操作水平：是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計和施工的。 DNA重組技術(shù)的基本工具 1.限制性核酸內(nèi)切酶——“分子手術(shù)刀” (1)主要來源：原核生物。 (2)作用：能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定的核苷酸序列并且能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開。 (3)結(jié)果：形成DNA片段末端。限制酶切割DNA分子產(chǎn)生的DNA片段末端有兩種形式，即黏性末端和平末端。 2．DNA連接酶——“分子縫合針” (1)作用：將切下的雙鏈DNA片段“縫合”起來，恢復(fù)被限制酶切開的磷酸二酯鍵，拼接成新的DNA分子。 (2)種類： ①E·coli DNA連接酶：從大腸桿菌中分

7、離得到，只連接雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端。 ②T4DNA連接酶：從T4噬菌體中分離出來，對于兩種末端都能連接，但對平末端的連接效率比較低。 1．DNA連接酶連接的是哪種化學(xué)鍵？ 【提示】DNA連接酶連接形成的是磷酸二酯鍵。 3．基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體——“分子運(yùn)輸車” (1)載體的條件 ①能夠在細(xì)胞中自我復(fù)制。 ②有一個至多個限制酶切割位點(diǎn)，便于外源基因的插入。 ③具有標(biāo)記基因，供重組DNA的鑒定和選擇。 (2)載體的種類 ①質(zhì)粒是一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡單、獨(dú)立于細(xì)菌擬核DNA之外，并具有自我復(fù)制能力的很小的雙鏈環(huán)狀DNA分子。含有一個至多個限制酶切割位點(diǎn)，供外源基因插入其中

8、，并帶有特殊的標(biāo)記基因，是基因工程最常用的載體。 ②λ噬菌體的衍生物。 ③動植物病毒。 2．如果受體細(xì)胞分別是動物細(xì)胞和細(xì)菌，所用的載體相同嗎？ 【提示】不相同。動物細(xì)胞是真核細(xì)胞，一般用動物病毒做載體；細(xì)菌是原核生物，一般用質(zhì)粒做載體。 1．限制性核酸內(nèi)切酶能識別特定的核苷酸序列。(√) 2．天然的質(zhì)粒可直接用作基因工程的載體。(×) 【提示】天然的質(zhì)粒DNA分子并不完全具備載體的條件，需經(jīng)人工改造后才能用于基因工程操作。 3．限制性核酸內(nèi)切酶與DNA連接酶作用位點(diǎn)相同，作用結(jié)果相反。(√) 4．限制酶、DNA連接酶和載體是基因工程中常用的工具酶。(×) 【提示】載體不是

9、酶。 5．基因工程中的載體與細(xì)胞膜上的載體本質(zhì)相同。(×) 【提示】基因工程中的載體是DNA分子，是運(yùn)輸目的基因的工具；細(xì)胞膜上的載體是蛋白質(zhì)，運(yùn)輸無機(jī)鹽離子或小分子有機(jī)物等。 6．不同限制酶的識別序列不同，這屬于酶的專一性特點(diǎn)。(√) 基因工程概念的理解 【問題導(dǎo)思】 ①如何理解基因工程的概念？ ②為什么不同生物的DNA分子能夠重組？ 1．對概念的分析 應(yīng)用技術(shù) DNA重組、轉(zhuǎn)基因等技術(shù) 操作環(huán)境 生物體外 操作對象 基因 操作水平 DNA分子水平 基本過程 剪切→拼接→導(dǎo)入→表達(dá) 結(jié)果 人類需要的基因產(chǎn)物 2.從結(jié)構(gòu)上分析，不同生物的DNA能夠

10、重組的原因 (1)基本單位相同：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。 基因工程依據(jù)的原理是基因重組，這里的基因重組是指將來源不同的DNA分子進(jìn)行“拼接”，與有性生殖過程中的基因重組不同。 　(2012·濟(jì)寧高二檢測)下列敘述符合基因工程概念的是(　　) A．B淋巴細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞融合，雜交瘤細(xì)胞中含有B淋巴細(xì)胞中的抗體基因 B．將人的干擾素基因重組到質(zhì)粒后導(dǎo)入大腸桿菌，獲得能產(chǎn)

11、生人干擾素的菌株 C．用紫外線照射青霉菌，使其DNA發(fā)生改變，通過篩選獲得青霉素高產(chǎn)菌株 D．自然界中天然存在的噬菌體自行感染細(xì)菌后其DNA整合到細(xì)菌DNA上 【審題導(dǎo)析】本題的關(guān)鍵是“符合基因工程的概念”，需將選項(xiàng)中描述的內(nèi)容與基因工程的概念比較，選出符合題意的選項(xiàng)。 【精講精析】基因工程是通過體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，賦予生物以新的遺傳特性，是在DNA分子水平上的設(shè)計和施工，所以B項(xiàng)正確。A項(xiàng)描述的過程不涉及“轉(zhuǎn)基因”技術(shù)，屬于細(xì)胞工程；C項(xiàng)屬于誘變育種；D項(xiàng)是自然條件下的基因重組，沒有人為參與。 【答案】B 基因工程的工具 【問題導(dǎo)思】 ①基因工程中各種工具的具體

12、作用有哪些？ ②各種工具有什么作用特點(diǎn)？ 1．限制性核酸內(nèi)切酶 (1)功能：識別雙鏈DNA分子中特定的核苷酸序列，并切割特定序列中的特定位點(diǎn)。 如EcoRⅠ限制酶識別的特定序列為GAATTC，切割的特定位點(diǎn)是GA之間的磷酸二酯鍵。 (2)識別序列的特點(diǎn)： 呈現(xiàn)堿基互補(bǔ)對稱，無論是奇數(shù)個堿基還是偶數(shù)個堿基，都可以找到一條中心軸線，如圖，中心軸線兩側(cè)的雙鏈DNA上的堿基是反向?qū)ΨQ重復(fù)排列的。如：|以中心線為軸，兩側(cè)堿基互補(bǔ)對稱；以為軸，兩側(cè)堿基互補(bǔ)對稱。 (3)作用結(jié)果：DNA分子經(jīng)限制酶切割產(chǎn)生的DNA片段末端通常有兩種形式——黏性末端和平末端。當(dāng)限制酶在它識別序列的中心軸線兩側(cè)將

13、DNA的兩條鏈分別切開時，產(chǎn)生的是黏性末端；而當(dāng)限制酶在它識別序列的中心軸線處切開時，產(chǎn)生的則是平末端(如下圖)。 2．DNA連接酶 　(1)兩類DNA連接酶的比較 種類 E·coli DNA連接酶 T4 DNA連接酶 來源 大腸桿菌 T4噬菌體 功能 特性 只能將雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端之間的磷酸二酯鍵連接起來 縫合兩種末端，但連接平末端之間的效率較低 相同點(diǎn) 都能縫合磷酸二酯鍵(如圖) 　(2)DNA連接酶與限制性核酸內(nèi)切酶的比較 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裂 用于提取

14、目的基因和切割載體 DNA 連接酶 在DNA片段之間重新形成磷酸二酯鍵 用于目的基因和載體的連接 ②聯(lián)系 　(3)DNA連接酶與DNA聚合酶比較 DNA連接酶 DNA聚合酶 相同點(diǎn) 催化兩個脫氧核苷酸之間形成磷酸二酯鍵 不同點(diǎn) 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 3.載體 (1)功能： ①作為運(yùn)載工具將目的基因轉(zhuǎn)運(yùn)到宿主細(xì)胞內(nèi)。 ②利用它在受體細(xì)胞內(nèi)

15、對目的基因進(jìn)行大量復(fù)制。 (2)質(zhì)粒作為運(yùn)載體應(yīng)具備的條件： ①能在受體細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定保存并大量復(fù)制。 ②有多個限制酶切割位點(diǎn)，以便與外源基因連接。 ③具有某些標(biāo)記基因，以便進(jìn)行篩選。 ④載體應(yīng)對受體細(xì)胞無毒害作用，否則受體細(xì)胞將受到損傷甚至死亡。 幾種酶的作用部位圖解 1．作用于a(磷酸二酯鍵)的酶有：限制酶、DNA連接酶、DNA聚合酶。 2．作用于b(氫鍵)的酶只有解旋酶。 下圖表示兩種限制性核酸內(nèi)切酶識別DNA分子的特定序列，并在特定位點(diǎn)對DNA進(jìn)行切割的示意圖，請回答以下問題： (1)圖中甲和乙代表____________________________________

16、____________________________________。 (2)圖中甲和乙經(jīng)過相應(yīng)操作均形成兩個片段，切口的類型分別為________、________。甲中限制酶的切點(diǎn)是________之間，乙中限制酶的切點(diǎn)是________之間。 (3)由圖解可以看出，限制酶的作用特點(diǎn)是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4

17、)如果甲中G堿基發(fā)生基因突變，可能發(fā)生的情況是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (5)基因工程中除了限制酶，還需使用的工具酶及作用是________________________________________________________________________ __________________________

18、______________________________________________。 【審題導(dǎo)析】(1)限制酶EcoRⅠ和HpaⅠ特異性識別的堿基序列分別是GAATTC和GTTAAC。 (2)兩酶切割DNA后，切口的類型分別為黏性末端和平末端。 (3)載體是基因工程的工具，但不是工具酶。 【精講精析】從圖解可以看出，甲和乙代表的是不同的DNA片段，在相應(yīng)的限制酶(EcoRⅠ、HpaⅠ)的作用下，在特定的位點(diǎn)被剪切成兩部分。前者是在識別序列的中心軸線兩側(cè)分別切開，形成的末端是黏性末端；后者是在識別序列的中心軸線處切開，形成的末端是平末端。 【答案】(1)有特殊脫氧核苷酸序列的

19、DNA片段　(2)黏性末端　平末端　G、A　A、T　(3)能識別雙鏈DNA分子的特定脫氧核苷酸序列，并從特定的位點(diǎn)將DNA分子切開　(4)限制酶不能識別切割位點(diǎn) (5)DNA連接酶，作用是將切下來的片段拼接成新的DNA分子 本 課 知 識 小 結(jié) 網(wǎng) 絡(luò) 構(gòu) 建,基因工程的基本工具) 結(jié) 論 語 句 1．由于基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計和施工的，因此又叫做DNA重組技術(shù)?；蚬こ痰幕驹硎腔蛑亟M，處理對象是DNA或基因。 2．基因工程的基本工具：“分子手術(shù)刀”——限制性核酸內(nèi)切酶；“分子縫合針”——DNA連接酶；“分子運(yùn)輸車”——基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體。 3．限制性核

20、酸內(nèi)切酶是能夠特異性識別和切割DNA分子的酶，又叫限制酶。限制性核酸內(nèi)切酶切割DNA分子可產(chǎn)生黏性末端和平末端。 4．DNA連接酶將雙鏈DNA片斷“縫合”起來，恢復(fù)被限制酶切開的兩個磷酸二酯鍵。E·coli DNA連接酶能連接黏性末端，T4DNA連接酶既可“縫合”黏性末端，又可“縫合”平末端。 5．載體的作用是與含有外源基因(即目的基因)的DNA片段結(jié)合，將外源基因?qū)胧荏w細(xì)胞中。 Ｋ 1．(2012·東營高二期中)科學(xué)家們經(jīng)過多年的努力，創(chuàng)立了一種新興生物技術(shù)——基因工程，實(shí)施該工程的最終目的是(　　) A．定向提取生物體的DNA分子 B．定向地對DNA分子進(jìn)行人工“剪切” C

21、．在生物體外對DNA分子進(jìn)行改造 D．定向地改造生物的遺傳性狀 【解析】基因工程的定義就是在生物體外通過對DNA分子進(jìn)行人工“剪切”和“拼接”，對生物的基因進(jìn)行改造和重新組合，然后導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行無性繁殖，使重組基因在受體細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，產(chǎn)生出人類所需的基因產(chǎn)物，也就定向地改造了生物的遺傳性狀。 【答案】D 2．在基因工程中，科學(xué)家所用的“剪刀”“針線”和“載體”分別是指(　　) A．大腸桿菌病毒、質(zhì)粒、DNA連接酶 B．噬菌體、質(zhì)粒、DNA連接酶 C．限制酶、RNA連接酶、質(zhì)粒 D．限制酶、DNA連接酶、質(zhì)粒 【解析】　基因工程是在分子水平上的操作，對DNA分子進(jìn)行操作的工具

22、，主要有“剪刀”——限制酶、“針線”——DNA連接酶、“載體”——質(zhì)粒、動植物病毒等。 【答案】　D 3．下列有關(guān)基因工程中限制性核酸內(nèi)切酶的描述，錯誤的是(　　) A．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 B．限制性核酸內(nèi)切酶的活性受溫度的影響 C．限制性核酸內(nèi)切酶能識別和切割RNA D．限制性核酸內(nèi)切酶可從原核生物中提取 【解析】酶的活性受到溫度和pH的影響；限制性核酸內(nèi)切酶的特點(diǎn)是一種限制酶只能識別一種特定的脫氧核苷酸序列，并在特定的位點(diǎn)切割DNA分子。限制性核酸內(nèi)切酶主要是從原核生物體內(nèi)分離出來的。 【答案】C 4．(2013·上海高二月考)下列哪項(xiàng)不

23、是基因工程中經(jīng)常使用的運(yùn)載目的基因的載體(　　) A．細(xì)菌質(zhì)?！　　　　　　　．λ噬菌體 C．細(xì)菌核區(qū)中的DNA D．動植物病毒 【解析】細(xì)菌核區(qū)中的DNA是大型環(huán)狀DNA，屬擬核，不宜做載體；常用載體為細(xì)菌質(zhì)粒、λ噬菌體以及動植物病毒等。 【答案】C 5．一DNA分子堿基對序列片段為：，有一種酶能識別GAATTC序列，并在G和A之間將DNA分子切開?；卮鹣铝袉栴}。 (1)該酶破壞的是哪種化學(xué)鍵？________________。該酶的名稱叫________。 (2)DNA分子經(jīng)該種酶切割產(chǎn)生的DNA分子片段末端通常有兩種形式，上述DNA分子經(jīng)切割后形成的末端是哪一種？___

24、_____________。 (3)若想把切口重新連接起來，則需要用________酶，根據(jù)酶的來源不同，可以將這些酶分為兩類，該題中應(yīng)該用哪一類？________________________________________________________________________。 【解析】(1)限制酶破壞DNA分子中的磷酸二酯鍵。 (2)DNA分子被限制酶切割后可形成黏性末端或平末端，此片段切割后形成黏性末端。 (3)DNA連接酶可以修復(fù)被限制酶切開的磷酸二酯鍵，能連接黏性末端的有E·coli DNA連接酶和T4 DNA連接酶。 【答案】　(1)磷酸二酯鍵　限制酶　(2)黏性末端　(3)DNA連接　E·coli DNA連接酶或T4 DNA連接酶