2019_2020学年高中生物第1章基因工程第1课时工具酶的发现和基因工程的诞生学案浙科版选修3.docx

第1课时工具酶的发现和基因工程的诞生学习目标1.说出基因工程的含义并指出基因工程的主要内容。2.说出限制性核酸内切酶的含义及作用特点。3.说出DNA连接酶的作用。4.简述质粒的含义、特性及其在基因工程中的作用。5.解释限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒对基因工程诞生的作用。一、基因工程的概念和理论基础基因工程的概述基因工程是狭义的遗传工程。广义的遗传工程泛指把一种生物的遗传物质(细胞核、染色体脱氧核糖核酸等)移到另一种生物的细胞中去，并使这种遗传物质所带的遗传信息在受体细胞中表达基因工程的核心构建重组DNA分子基因工程的诞生时间20世纪70年代诞生条件基因工程诞生的理论基础DNA是生物遗传物质的发现；DNA双螺旋结构的确立；遗传信息传递方式的认定基因工程诞生的技术保障限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒载体的发现与应用归纳总结1.不同生物的DNA分子能拼接起来的理论基础(1)DNA分子的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸。(2)双链DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构。(3)所有生物的DNA碱基对均遵循严格的“碱基互补配对原则”。2.外源基因能够在受体内表达的理论基础(1)基因是控制生物体性状的结构和功能单位，具有相对独立性。(2)遗传信息的传递都遵循中心法则。(3)生物界共用一套遗传密码。例1(2018象山期末)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.定向地改造生物的遗传性状B.定向提取生物体的DNA分子C.在生物体外对DNA分子进行改造D.定向地对DNA分子进行人工“剪切”答案A解析基因工程的最终目的是定向地改造生物的遗传性状，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品，A正确。例2(2018学军中学校级期中)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答案D解析基因工程又叫DNA重组技术，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，A正确；工具酶(限制性核酸内切酶和DNA连接酶)和载体的发现使基因工程的实施成为可能，B正确；编码氨基酸的遗传密码的破译为基因的分离和合成提供了理论依据，与基因工程直接相关，C正确；基因工程可以在不同物种间进行，D错误。二、基因工程的操作工具1.限制性核酸内切酶(1)来源：主要从原核生物中分离出来。(2)作用：对DNA分子上不同的特定的核苷酸序列进行识别和切割。(3)结果：把双链DNA分子切割成许多不同的片段。2.DNA连接酶(1)作用：具有缝合DNA片段的作用，将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起。(2)结果：形成重组DNA分子，将外源基因和载体DNA连接在一起。3.质粒最常用的载体(1)本质：具有自主复制能力的很小的双链环状DNA分子。(2)存在形式：独立于细菌拟核DNA之外。(3)质粒作为载体所具备的条件能够自主复制。具有抗生素抗性基因，例如四环素的抗性基因。(4)作用：作为基因工程的载体。特别提醒细胞膜上的载体与基因工程中的载体不同(1)化学本质不同：细胞膜上的载体化学成分是蛋白质；基因工程中的载体可能是物质，如质粒(DNA)、噬菌体，也可能是生物，如动植物病毒等。(2)功能不同：细胞膜上的载体功能是协助细胞膜控制物质进出细胞；基因工程中的载体是一种“分子运输车”，把目的基因导入受体细胞。4.第一个人工DNA重组产物猿猴病毒DNA与噬菌体DNA连接物。5.基因工程诞生的标志基因工程发展史上第一个成功的基因克隆实验是某些接受了重组DNA分子的大肠杆菌同时具有抗四环素和抗卡那霉素的性状。归纳总结1.DNA连接酶与限制性核酸内切酶的比较项目限制性核酸内切酶DNA连接酶作用使特定部位的磷酸二酯键断裂在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键应用提取目的基因和切割载体用于重组DNA分子的构建两者关系限制性核酸内切酶和DNA连接酶都作用于相邻两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，但作用不同，一个是切割，一个是连接2.DNA连接酶与DNA聚合酶的比较比较项目DNA连接酶DNA聚合酶相同点作用实质相同，都是催化磷酸二酯键的形成不同点是否需要模板不需要需要DNA的一条链为模板连接DNA链双链单链作用过程在两个DNA片段间形成磷酸二酯键将单个脱氧核苷酸加到已存在的DNA单链片段上，形成磷酸二酯键作用结果将已存在的两个DNA片段连接成重组DNA分子合成新的DNA分子用途基因工程DNA复制例3据图判断，下列关于几种酶功能的叙述错误的是()A.限制性核酸内切酶可以切断a处B.DNA聚合酶可以连接a处C.解旋酶可以使b处解开D.DNA连接酶可以连接c处答案D解析a处指的是两个相邻脱氧核苷酸之间的脱氧核糖与磷酸之间形成的磷酸二酯键；b处指的是DNA分子间的氢键；而c处指的是一个脱氧核苷酸内的脱氧核糖和磷酸之间的化学键，DNA连接酶连接两个相邻脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，不能连接此化学键，D错误。例4(2019衢州高二检测)通过重组DNA技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。科学家运用这一技术使羊奶中含有人体蛋白质。下图表示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：(1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是_。人的蛋白质基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中时需要的酶是_。(2)请写出质粒被切割形成粘性末端的过程图。GGATCCCCTAGG(3)人的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(1)限制性核酸内切酶DNA连接酶(2)(3)基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的载体质粒、动植物病毒及噬菌体解析限制性核酸内切酶的作用是获得目的基因，DNA连接酶起“缝合”作用，载体能把目的基因导入受体细胞。载体的种类主要有质粒、动植物病毒及噬菌体。1.判断正误：(1)某种限制性核酸内切酶一般只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列()(2)基因工程是在细胞水平上对DNA进行设计和施工()(3)限制性核酸内切酶是一段有一定核苷酸序列的DNA()(4)DNA连接酶可以连接两个粘性末端相同的DNA片段()(5)基因工程的载体只有质粒()(6)限制性核酸内切酶切开的是DNA双链间的氢键()(7)用限制性核酸内切酶切割DNA，可以得到很多相同的DNA片段()(8)质粒是能够自主复制的链状DNA()答案(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)2.下面是3种限制性核酸内切酶对DNA分子的识别序列和剪切位点图(箭头表示切点，切出的断面为粘性末端)。下列叙述错误的是()限制性核酸内切酶1：GATC；限制性核酸内切酶2：CCGCGG；限制性核酸内切酶3：GGATCC。A.不同的限制性核酸内切酶有不同的识别序列和切割位点，体现了酶的专一性B.限制性核酸内切酶2和3识别的序列都包含6个脱氧核苷酸C.限制性核酸内切酶1和3剪出的粘性末端相同D.能够识别和切割RNA分子内一小段核苷酸序列的酶只有限制性核酸内切酶2答案D解析不同的限制性核酸内切酶有不同的识别序列和切割位点，体现了酶具有专一性，A正确；限制性核酸内切酶2和限制性核酸内切酶3识别的序列分别是CCGCGG和GGATCC，均含有6个脱氧核苷酸，B正确；限制性核酸内切酶1和限制性核酸内切酶3剪出的粘性末端相同，均为GATC，C正确；三种限制性核酸内切酶均不能识别和切割RNA中的核苷酸序列，D错误。3.下列说法正确的是()A.限制性核酸内切酶的识别序列是GAATTC，只能在G和A之间切断DNAB.DNA连接酶能够将任意2个DNA片段连接在一起C.质粒是能够自主复制的双链环状DNA分子D.DNA连接酶可以恢复DNA分子中的氢键答案C解析限制性核酸内切酶能够识别双链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裂，A错误；DNA连接酶将具有相同粘性末端的2个DNA片段之间的磷酸二酯键连接起来，B错误；质粒是基因工程常用的载体，是能够自主复制的双链环状DNA分子，C正确；DNA连接酶的作用部位为磷酸二酯键，D错误。4.下列关于载体的叙述，错误的是()A.载体与目的基因结合后，实质上就是一个重组DNA分子B.对某种限制性核酸内切酶而言，载体最好只有一个切点C.目前常用的载体有质粒、噬菌体和动植物病毒D.载体具有某些标记基因，便于对其进行切割答案D解析载体中的标记基因是用于对外源基因是否导入受体细胞进行检测的，而不是用于切割的，D错误。5.下列关于基因工程的叙述中，正确的是()A.目的基因的核苷酸序列都是已知的B.接受外源基因的转基因植物成为一个新物种C.可从人肝脏细胞中提取胰岛素原的mRNA，逆转录获得人胰岛素原基因D.DNA连接酶、限制性核酸内切酶及载体是构建重组DNA分子必需的工具答案D解析目的基因的核苷酸序列并不都是已知的；接受外源基因的转基因植物并不是一个新物种，与原物种不存在生殖隔离；可直接从人肝脏细胞中提取胰岛素原的基因，胰岛素原的基因不在肝脏细胞中表达，因此无胰岛素原的mRNA；DNA连接酶、限制性核酸内切酶及载体是基因工程的工具酶和载体。6.下面是大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，请据图回答下列问题：(1)a代表的物质和质粒的化学本质相同，都是_，二者还具有其他共同点，如：_，_(写出两条即可)。(2)若质粒DNA分子的切割末端为，则与之连接的目的基因切割末端应为_；可使用_把质粒和目的基因连接在一起。(3)氨苄青霉素抗性基因在质粒DNA上称为_，其作用是_。(4)下列常在基因工程中作为载体的是()A.苏云金芽孢杆菌抗虫基因B.土壤农杆菌中RNA分子C.大肠杆菌的质粒D.动物细胞的染色体答案(1)DNA能够自主复制具有遗传效应(2)DNA连接酶(3)标记基因供重组DNA的鉴定和选择(4)C解析质粒是基因工程中最常用的载体，是能够自主复制的双链环状DNA分子，具有一至多个限制性核酸内切酶切割位点，进入受体细胞后能自主复制，具有标记基因，便于重组DNA的鉴定和选择。题组一基因工程的含义与诞生条件1.(2018常山期中)基因工程诞生的理论基础不包括()A.DNA是绝大多数生物的遗传物质B.几种工具酶的发现C.DNA双螺旋结构的确立D.中心法则的认定答案B解析DNA是绝大多数生物的遗传物质，这是基因工程诞生的理论基础之一，A项不符合题意；几种工具酶的发现是基因工程的技术保障，不是理论基础，B项符合题意；DNA双螺旋结构确立和中心法则的认定是基因工程诞生的理论基础，C、D项不符合题意。2.(2019杭州模拟)下列关于基因工程的叙述，错误的是()基因工程的生物学原理是基因重组工具酶有限制性核酸内切酶、DNA聚合酶基因工程属于分子水平的操作整个过程都在细胞外进行A.B.C.D.答案C解析基因工程又叫转基因技术、体外DNA重组技术，其生物学原理是基因重组，正确；工具酶有限制性核酸内切酶、DNA连接酶，错误；基因工程又叫体外DNA重组技术，属于分子水平的操作，正确；重组DNA需要在体外进行，但目的基因的表达是在细胞内进行，错误。题组二限制性核酸内切酶3.(2019绍兴一中月考)下列有关限制性核酸内切酶识别的叙述，不正确的是()A.从反应类型来看，限制性核酸内切酶催化的是一种水解反应B.限制性核酸内切酶的活性受温度、pH的影响C.一种限制性核酸内切酶只能识别双链DNA分子中某种特定的脱氧核苷酸序列D.限制性核酸内切酶识别序列越短，则该序列在DNA中出现的概率就越小答案D解析限制性核酸内切酶能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，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裂，即催化的是一种水解反应，A正确。限制性核酸内切酶的活性受温度、pH的影响，在最适宜的温度和pH条件下，酶的活性最高；温度和pH偏高或偏低，酶的活性都会降低；在过酸、过碱或温度过高条件下酶会变性失活，而在低温条件下酶的活性降低，但不会失活，B正确。一种限制性核酸内切酶只能识别双链DNA分子中某种特定的脱氧核苷酸序列，并在特定的位点切割磷酸二酯键，说明酶具有专一性，C正确。限制性核酸内切酶识别序列越短，则该序列在DNA中出现的概率就越大，D错误。4.(2018舟山高二检测)现有一长度为1000碱基对(bp)的DNA分子，用限制性核酸内切酶EcoR酶切后得到的DNA分子仍是1000bp，用Kpn单独酶切得到400bp和600bp两种长度的DNA分子，用EcoR、Kpn同时酶切后得到200bp和600bp两种长度的DNA分子。该DNA分子的酶切图谱正确的是()答案D解析A选项中的DNA用Kpn单独酶切会得到600bp和200bp两种长度的DNA分子，与题意不符；B选项中的DNA用EcoR单独酶切会得到800bp和200bp两种长度的DNA分子，与题意不符；C选项中的DNA用EcoR单独酶切会得到200bp和800bp两种长度的DNA分子，与题意不符；D选项中的DNA用EcoR单独酶切后得到的DNA分子是1000bp，用Kpn单独酶切得到400bp和600bp两种长度的DNA分子，用EcoR、Kpn同时酶切后得到200bp和600bp两种长度的DNA分子，与题意相符。5.(2018舟山中学期中)对下图所示粘性末端的说法错误的是()A.DNA连接酶作用位点在b处，催化磷酸基团和脱氧核糖之间形成化学键B.甲、乙具相同的粘性末端可形成重组DNA分子，但甲、丙之间不能C.甲、乙、丙粘性末端是由各自不同的限制性核酸内切酶催化产生的D.切割甲的限制性核酸内切酶不能识别由甲、乙片段形成的重组DNA分子答案A解析DNA连接酶的作用位点为磷酸二酯键，即图示中的a位置，A错误；甲、乙具有相同的粘性末端(TTAA)可形成重组DNA分子，但甲、丙粘性末端不同，两者不能形成重组DNA分子，B正确；限制性核酸内切酶特异性识别DNA序列，甲、乙、丙的DNA序列不同，因此粘性末端是由各自不同的限制性核酸内切酶催化产生的，C正确；甲与乙片段形成的重组DNA分子序列与甲的序列不同，识别甲的限制性核酸内切酶不能识别由甲、乙片段形成的重组DNA分子，D正确。题组三DNA连接酶6.(2018浙江绿色联盟期末)下列关于DNA连接酶的作用的叙述，正确的是()A.将单个核苷酸加到某DNA片段末端，形成磷酸二酯键B.将断开的两个DNA片段的骨架连接起来，重新形成磷酸二酯键C.连接两条DNA链上碱基之间的氢键D.能将任意两个粘性末端连接起来答案B解析DNA连接酶的作用是将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起(重新形成磷酸二酯键)，形成重组DNA分子，故B正确。7.下列四条DNA分子粘性末端的缝隙能通过DNA连接酶连接的是()A.B.C.D.答案D解析DNA连接酶可以将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起，图中和的末端碱基可以互补连接，D项符合题意。题组四载体8.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.质粒是细菌细胞中能自主复制的双链环状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的答案B解析质粒是细菌细胞质中能自主复制的双链环状DNA分子，可以在细菌细胞内或宿主细胞内复制，故B正确。9.基因工程的运输工具载体，必须具备的条件之一及理由是()A.能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因B.具有多个限制性核酸内切酶切点，以便目的基因的表达C.具有某些标记基因，以便为目的基因的表达提供条件D.能够在宿主细胞中复制并稳定保存，便于进行筛选答案A解析能够在宿主细胞中稳定地保存并大量复制是载体必须具备的条件之一，以便提供大量的目的基因，A正确；具有多个限制性核酸内切酶切点，以便与目的基因连接，B错误；具有某些标记基因是为了重组DNA分子导入受体细胞后便于进行筛选，C、D错误。10.(2018金华调研)下图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，图中依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用的正确顺序是()A.B.C.D.答案C解析限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶三者均作用于磷酸二酯键处，限制性核酸内切酶使键断开，而DNA聚合酶连接的是单个脱氧核苷酸，DNA连接酶作用于DNA片段，解旋酶作用于氢键，使DNA双链打开，形成DNA单链，综上所述，C正确。11.下图所示为一种限制性核酸内切酶切割DNA分子的示意图。请据图回答：(1)这种限制性核酸内切酶的切点在_(A.GAB.GCC.ATD.AC)之间，形成_个粘性末端，特点是_。(2)从上述题中可知，限制性核酸内切酶的识别特点是_。(3)如果G点发生突变，限制性核酸内切酶还能不能识别该核苷酸序列？_。答案(1)A2碱基序列互补(2)只能识别某种特定的核苷酸序列(3)不能解析(1)由题图可知，该限制性核酸内切酶可专一性地识别GAATTC，切点在G和A之间，结果形成碱基互补的两个粘性末端。(2)限制性核酸内切酶只能识别某种特定的核苷酸序列。(3)如果G点发生突变，则核苷酸序列发生改变，这种限制性核酸内切酶将不能再识别该核苷酸序列。12.(2018湖州、衢州、丽水高二联考)DNA疫苗是指将编码保护性抗原蛋白的基因(图甲)插入适宜的质粒(图乙)中得到的重组DNA分子，将其导入人体内，在人体细胞内表达的产物可直接诱导机体免疫反应。图中Bgl、EcoR和Sau3A分别是限制性核酸内切酶的酶切位点。试回答下列问题：(1)将编码保护性抗原蛋白的基因与质粒连接在一起要用到_酶，该酶的本质是_。(2)DNA疫苗表达的产物称之为_，人体是否产生免疫应答，需检测血浆中_。(3)从分子水平上分析，不同种生物的基因可在人体细胞中成功表达，可以说明_。(4)编码保护性抗原蛋白的基因(图甲)和质粒(图乙)构建重组DNA，即DNA疫苗。限制性核酸内切酶的酶切位点分别是Bgl、EcoR和Sau3A。下列分析错误的是()A.构建DNA疫苗时，可用Bgl和Sau3A切割目的基因和质粒B.构建DNA疫苗时，可用EcoR和Sau3A切割目的基因和质粒C.图乙中的质粒只用EcoR切割后，含有2个游离的磷酸基团D.用EcoR切割目的基因和质粒，再用DNA连接酶连接，只能产生一种连接产物答案(1)DNA连接蛋白质(2)抗原是否含相应抗体(3)不同生物共用一套遗传密码(4)D解析(1)基因工程中要用DNA连接酶将编码保护性抗原蛋白的基因与质粒连接在一起；DNA