2020-2021高中生物3配套学案：专题一第一节DN重组技术的基本工具含解析

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精2020-2021学年高中生物人教版选修3配套学案：专题一第一节DNA重组技术的基本工具含解析专题一基因工程〔趣味导学〕当人们的许多奇思妙想成为现实后,又有人想出了天方夜谭式的神话，能否让水稻植株也能够固定空气中的氮?能否让细菌也能够吐出蚕丝？能否让微生物也能够生产出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？想创造这些生物新品种，你认为能实现吗？〔专题概述〕本专题包括了“DNA重组技术的基本工具”“基因工程的基本操作程序”“基因工程的应用”及“蛋白质工程的崛起”，另外还在专题开始回顾了基因工程的诞生和发展历程。教材首先讲述了基因工程的概念、基本工具，在此基础上又讲述了基因工程的基本操作程序,让我们对基因工程有了一个较完整的认识.基因工程的应用则主要从植物基因工程、动物基因工程和基因治疗等几个方面进行了阐述.这样不仅可以使我们充分了解基因工程的最新进展，更重要的是以此激发我们学习生物学的兴趣，培养科学探索精神和奉献精神。在本专题内容中，DNA重组技术的基本工具、基因工程的基本操作程序是近年高考中经常涉及的重点内容，也是难点。在这些知识中，往往考察用遗传学的基本知识分析生物技术的原理的能力，并对一些社会焦点和热点问题理解和分析能力，认识科学技术的发展所带来的双重影响。〔学法指导〕本专题内容较为抽象，在学习时应注意：1．应联系前面已经学过的DNA的结构和功能、半保留复制、中心法则、遗传密码等知识，有助于理解DNA重组技术的基本工具、操作步骤及应用.2．需要认真阅读教材中的每个图解，充分发挥想象力,将抽象内容具体化。〔专题重点〕基因工程所需的三种基本工具；基因工程的基本操作程序四个步骤；基因工程在农业和医疗等方面的应用；蛋白质工程的原理。〔专题难点〕基因工程载体需要具备的条件；从基因文库中获取目的基因；利用PCR技术扩增目的基因；基因治疗；蛋白质工程的原理。

第一节DNA重组技术的基本工具学习目标课程标准1．认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。2．简述DNA重组技术所需三种基本工具的作用。（重、难点）3．简述基因工程中载体需要具备的条件。(重点)简述基因工程的诞生。基础知识·双基夯实一、基因工程的概念基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过①__体外DNA重组__和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性,从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在②__DNA分子__水平上进行设计和施工的,因此又叫做③__DNA重组技术__。二、DNA重组技术的基本工具1．工具简介（1）“分子手术刀"—-④__限制性核酸内切酶__(2)“分子缝合针”-—⑤__DNA连接酶__(3）“分子运输车"-—⑥__基因进入受体细胞的载体__2．限制性核酸内切酶(1)来源：主要是从⑦__原核生物__中分离纯化出来的。(2）功能：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⑧__磷酸二酯键__断开，因此具有⑨__专一__性。大多数限制酶的识别序列由⑩__6__个核苷酸组成。经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式：⑪__黏性末端__和⑫__平末端__.前者是限制酶在它识别序列的⑬__中轴线两侧__将DNA的两条链切开产生的,后者是限制酶在它识别序列的⑭__中轴线处__切开产生的。3．DNA连接酶（1)分类：根据酶的来源不同，可分为两类:一类是从大肠杆菌中分离得到的,称为⑮__E·coliDNA连接酶__；另一类是从⑯__T4噬菌体__中分离出来的，称为T4DNA连接酶。(2)两种DNA连接酶的比较：相同点：都缝合⑰__磷酸二酯__键.区别：E·coliDNA连接酶只能将双链DNA片段互补的⑱__黏性末端__之间连接起来,而不能将双链DNA片段⑲__平末端__之间进行连接；而T4DNA连接酶既可以“缝合”双链DNA片段互补的⑳__黏性末端__，又可以“缝合”双链DNA片段的eq\o\ac(○,21）__平末端__。但连接平末端之间的效率eq\o\ac(○,22)__比较低__。4．基因进入受体细胞的载体（1)载体具备的条件：a。eq\o\ac（○，23)__有一个至多个限制酶切割位点__；b．在宿主细胞中能保存下来并能大量复制；c。eq\o\ac(○,24）__有特殊的标记基因__。(2）基因工程中使用的载体有：eq\o\ac（○，25)__质粒__、λ噬菌体的衍生物和eq\o\ac(○,26)__动植物病毒__等.其中最常用的是质粒。它是一种裸露的、eq\o\ac（○，27)__结构简单__、eq\o\ac(○，28）__独立于细菌拟核DNA之外__，并具有eq\o\ac(○,29)__自我复制__能力的双链环状DNA。思考1．不同的限制酶具有不同的识别序列,说明限制酶具有什么特点？提示：专一性2．作为运载工具的载体，要求必须对受体细胞无害,为什么?提示：载体如果对受体细胞有害，其一旦被导入受体细胞,就会影响受体细胞的生命活动，甚至破坏受体的生命活动.┃┃活学巧练__■判断题1．基因工程的原理是基因重组，不过在这里这种变异是定向的.（√)2．DNA重组技术所需要的工具酶有限制酶、DNA连接酶和载体。(×）分析：注意是“工具酶”，载体不是酶。3．DNA聚合酶也可以用作DNA重组技术的工具。（×）分析：DNA聚合酶的作用是将单个的脱氧核苷酸添加到脱氧核苷酸链上，即一个一个地往上“聚"，而DNA连接酶连接的是DNA片段，即一片一片地“连”.4．限制酶在原来的原核细胞内对细胞自身有害.（×）分析：限制酶切割外源DNA，而使之失效，达到保护自身细胞的目的。5．DNA连接酶可以连接目的基因与载体间的氢键，形成重组DNA.(×)分析：DNA连接酶连接的是磷酸二酯键，而不是氢键。6．所有的DNA连接酶既能连接黏性末端，又能连接平末端。(×）分析：E·coliDNA连接酶只能连接黏性末端，而T4DNA连接酶既能连接黏性末端，又能连接平末端.7．载体的种类有质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等，其中动植物病毒必须是DNA病毒。(√)8．DNA连接酶能连接所有相同或互补的黏性末端，故该酶没有专一性。（×)分析：任何酶都具有专一性。酶的专一性是指一种酶只能催化一种或一类化学反应，黏性末端相连接属于一类合成反应.课内探究·名师点津知识点基因工程的概念┃┃重难拓展__■1．对基因工程的理解基因工程的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分子水平基本过程剪切→拼接→导入→表达结果人类需要的基因产物2．基因工程得以实现的理论基础①所有生物的DNA都是以4种脱氧核苷酸为基本单位,构成独特的双螺旋结构，这为不同种生物DNA拼接成功提供物质基础。②所有生物共用一套遗传密码子,为某生物的基因能够在其他生物细胞内正常指导蛋白质的合成提供可能。知识贴士基因工程操作导致的基因重组与有性生殖中的基因重组的主要区别是：（1）有性生殖中的基因重组是随机的，并且只能在同一物种间进行；(2)基因工程可以在不同物种间进行重组，并且方向性强,可以定向地改变生物的性状。┃┃典例评析__■典例1下列对基因工程的理解，正确的是(C）①它是一种按照人们的意愿,定向改造生物遗传特性的工程②对基因进行人为删减或增添某些碱基③是体外进行的人为的基因重组④在实验室内，利用相关的酶和原料合成DNA⑤主要技术为体外DNA重组技术和转基因技术⑥在DNA分子水平上进行操作⑦一旦成功，便可遗传A．①②③④⑤⑥ B．①③④⑤⑥⑦C．①③⑤⑥⑦ D．①②③⑤⑥⑦解析:基因工程是对现有基因的剪切和重组，并没有对基因进行改造，也不是要合成新的DNA.┃┃变式训练__■1．下列有关基因工程诞生的说法，不正确的是(D）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。知识点基因工程的工具酶┃┃重难拓展__■1．限制性核酸内切酶(1）来源：这类酶主要是从原核生物中分离纯化出来的。(2)种类：迄今已从近300种不同的微生物中分离出了约4000种限制酶。（3)特点：①主要切割外源DNA，而对自身的DNA不起作用，达到保护自身的目的；②只能识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列；③只能在特定的部位进行切割。(4）结果：形成黏性末端或平末端。(5）实质：使特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。知识贴士①若限制酶切割后形成的是黏性末端，则形成的两个黏性末端是反向重复序列。②大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，例如EcoRI、SmaI限制酶识别序列由6个核苷酸组成，也有少数限制酶的识别序列由4、5或8个核苷酸组成。2．DNA连接酶（1)分类eq\b\lc\｛\rc\(\a\vs4\al\co1（E·coliDNA连接酶\b\lc\｛\rc\（\a\vs4\al\co1(来源：大肠杆菌,作用:使黏性末端之，间连接)）,T4DNA连接酶\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1（来源：T4噬菌体,作用：既能连接黏性末端,也能连接平末端,,但后者效率低)）))(2）实质：恢复被限制酶切开了的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。┃┃典例评析__■典例2以下是几种不同限制酶切割DNA分子后形成的部分片段，下列有关叙述错误的是（A）①eq\a\vs4\al（…CTCGA，…G)②eq\a\vs4\al（…G,…CTTAA）③eq\a\vs4\al(…TG,…AC）④eq\a\vs4\al（…G,…CTGCA）⑤eq\a\vs4\al(…GC,…CG)A．以上DNA片段一定是由5种限制酶切割后产生的B．若要把相应片段连接起来，应选用DNA连接酶C．上述①④两个片段能进行连接，其连接后形成的DNA分子是eq\a\vs4\al（…CTGCAG…，…GACGTC…)D．限制酶和DNA连接酶作用的部位都是磷酸二酯键解析:①和④的黏性末端相同，可能是由同一种限制酶切割产生的，也可能是由两种限制酶切割产生的,A错误;DNA连接酶可连接切割出来的DNA片段,B正确；①和④片段可连接为eq\a\vs4\al（…CTGCAG…，…GACGTC…)，C正确;限制酶和DNA连接酶作用的部位都是磷酸二酯键,D正确。┃┃变式训练__■2．已知某种限制酶在一线性DNA分子上有3个酶切位点，如右图中箭头所指。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个酶切位点被该酶切断，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片段种类数是（C）A．3 B．4C．9 D．12解析：每一种限制酶切割DNA后会留下特异性的黏性末端或平末端，同时一次切割后，会把DNA分割成两个片段，且不同的限制酶切后的片段不一样,如果将题图中的三个切割位点自左至右依次标为甲、乙、丙,只在甲处切，可产生两个片段，即a和右边的b＋c＋d段，如果只在乙处切,就有a＋b和c＋d段，如果只在丙处切，就有a＋b＋c和d段，在甲、乙两处同时切，就有a、b和c＋d段，在乙、丙处同时切，就有a＋b和c、d段,在甲、丙两处同时切，就有a、b＋c、d段三种片段,在甲、乙、丙三处同时切，就有a、b、c、d四种片段。所以本题应该选C。知识点“分子运输车”-—载体┃┃重难拓展__■（1）作用：一是用它作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞中去;二是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量的复制（称为克隆）。(2）作为载体必须具备的条件：①具有一个或多个限制酶切割位点,该切割位点必须位于载体本身必须的基因序列之外。②能够自我复制或整合到染色体DNA上后随染色体DNA复制。③带有标记基因，便于筛选。④本身是安全的，不能对受体细胞产生危害.⑤大小适中，便于操作.但实际上，天然载体一般不会同时具备上述条件,所以在基因工程中需要对载体进行人工改造。现在所用的质粒几乎都是人工改造的。┃┃典例评析__■典例3质粒是基因工程最常用的载体,它的主要特点是(C)①能自主复制②不能自主复制③结构很小④是蛋白质⑤是环状RNA⑥是环状DNA⑦能“友好"地“借居"A．①③⑤⑦ B．②④⑥C．①③⑥⑦ D．②③⑥⑦解析：质粒存在于细菌和酵母菌等生物中,是一种很小的环状DNA，上面有标记基因，便于在受体细胞中检测。质粒在受体细胞中能随受体细胞DNA的复制而复制，能进行目的基因的扩增和表达。┃┃变式训练__■3．质粒是基因工程最常用的载体，下列关于质粒的说法正确的是(C)A．质粒在宿主细胞内都要整合到染色体DNA上B．质粒是独立于细菌拟核DNA之外的小型细胞器C．基因工程操作中的质粒一般都是经过人工改造的D．质粒上碱基之间数量存在A＋G＝U＋C解析：基因工程使用的载体需有一个至多个酶切位点，具有自我复制的能力，存在标记基因,对受体细胞安全，且分子大小适合。而自然存在的质粒DNA分子并不完全具备上述条件，都要进行人工改造后才能用于基因工程操作.而质粒进入宿主细胞后不一定都要整合到染色体DNA上，如宿主细胞是细菌细胞则不需整合。质粒是小型环状双链DNA分子而不是细胞器,也不会有碱基U。指点迷津·拨云见日与遗传有关的各种酶的比较名称作用参与的生理过程与应用作用位点(如下图）DNA连接酶连接两个DNA片段基因工程a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开aDNA聚合酶在脱氧核苷酸链上添加单个脱氧核苷酸DNA的复制aRNA聚合酶在核糖核苷酸链上添加单个核糖核苷酸转录a解旋酶使碱基对间氢键断裂形成脱氧核苷酸单链DNA复制转录过程中的RNA聚合酶已具有解旋酶活性,所以转录过程中不再使用解旋酶b逆转录酶以RNA为模板合成DNA逆转录、基因工程a知识贴士①DNA连接酶和DNA聚合酶的作用都是催化形成磷酸二酯键，而不是氢键，氢键是分子间的静电吸引力，不需要通过酶的催化形成。②DNA连接酶只能在两个DNA片段间形成磷酸二酯键，而DNA聚合酶只能将单个脱氧核苷酸加到已有DNA片段上，且需要以一条DNA链为模板。③目前发现的DNA连接酶不具有连接单链DNA的能力.典例4如图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，图中依次表示限制酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用的正确顺序是(C)A．①②③④ B．①②④③C．①④②③ D．①④③②解析:限制酶能够识别双链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，形成黏性末端，因此①符合；DNA聚合酶用于DNA分子的复制，能在单链上将一个个脱氧核苷酸连接起来，因此④符合；DNA连接酶能在具有相同碱基末端的两个DNA片段之间形成磷酸二酯键，因此②符合；解旋酶能够将DNA分子的双螺旋解开，因此③符合。核心素养·技能培优案例目前基因工程所用的质粒载体主要是以天然细菌质粒的各种元件为基础重新组建的人工质粒，pBR322质粒是较早构建的质粒载体，其主要结构如下图所示。(1）构建人工质粒时要有抗性基因，以便于__筛选（鉴别)目的基因是否导入受体细胞__。(2）pBR322分子中有单个EcoRI限制酶作用位点，EcoRI只能识别序列—GAATTC—,并只能在G与A之间切割。若在某目的基因的两侧各有1个EcoRI的切点，请画出目的基因两侧被限制酶EcoRI切割后所形成的黏性末端:____eq\a\vs4\al（，。)（3）pBR322分子中另有单个的BamHI限制酶作用位点,现将经BamHI处理后的质粒与用另一种限制酶BglⅡ处理得到的目的基因，通过DNA连接酶作用恢复__磷酸二酯__键，成功获得了重组质粒,说明__两种限制酶（BamHI和BglⅡ)切割得到的黏性末端相同__。（4）为了检测上述重组质粒是否导入原本无ampR和tetR的大肠杆菌，将大肠杆菌在含氨苄青霉素的培养基上培养,得到如图二的菌落。再将灭菌绒布按到培养基上，使绒布面沾上菌落，然后将绒布按到含四环素的培养基上培养,得到如图三的结果(空圈表示与图二对照无菌落的位置)。与图三空圈相对应的图二中的菌落表现型是__能抗氨苄青霉素,但不能抗四环素__，图三结果显示,多数大肠杆菌导入的是__pBR322质粒__。解析：(1）质粒作为基因表达载体的条件之一是要有抗性基因，以便于筛选（鉴别)目的基因是否导入受体细胞.（2）同一限制酶切割DNA分子产生的黏性末端相同，根据题意可知：该目的基因两侧被限制酶EcoRⅠ切割后所形成的黏性末端为:目的基因—GAATTC-……-GAATTC—-CTTAAG—……—CTTAAG—（3)DNA连接酶催化两个DNA片段形成磷酸二酯键；而通过DNA连接酶作用能将两个DNA分子片段连接，表明经两种限制酶(BamHI和BglⅡ)切割得到的DNA片段，其黏性末端相同。(4）由题意知：由于与图三空圈相对应的大肠杆菌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，故可推知与图三空圈相对应的图二中的菌落能抗氨苄青霉素，但不能抗四环素。由图二、图三结果显示，多数大肠杆菌都能抗氨苄青霉素，而经限制酶BamHI作用后,标记基因tetR被破坏,而不能抗四环素，故多数大肠杆菌导入的是pBR322质粒.探规寻律黏性末端或平末端是否由一种限制酶切割形成的判断方法：判断黏性末端或平末端是否由同一种限制酶切割形成的方法是：将黏性末端或平末端之一旋转180°后，看它们是否是完全相同的结构。是，则为相同限制酶切割形成;否，则为不同限制酶切割形成。问题释疑·探究升华P7思考与探究1．限制酶在DNA的任何部位都能将DNA切开吗？以下是四种不同限制酶切割形成的DNA片段：你是否能用DNA连接酶将它们连接起来？提示：__2__和__7__能连接形成…ACGT… …TGCA…；__4__和__8__能连接形成…GAATTC… …CTTAAG…；__3__和__6__能连接形成…GCGC… …CGCG…；__1__和__5__能连接形成…CTGCAG… …GACGTC…；2．联系你已有的知识，想一想,为什么细菌中限制酶不剪切细菌本身的DNA？提示：迄今为止，基因工程中使用的限制酶绝大部分都是从细菌或霉菌中提取出来的,它们各自可以识别和切断DNA上特定的碱基序列。细菌中限制酶之所以不切断自身DNA，是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,可以将外源入侵的DNA降解掉.生物在长期演化过程中,含有某种限制酶的细胞，其DNA分子中或者不具备这种限制酶的识别切割序列，或者通过甲基化酶将甲基转移到所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开。这样,尽管细菌中含有某种限制酶,也不会使自身的DNA被切断，并且可以防止外源DNA的入侵。3．天然的DNA分子可以直接用做基因工程载体吗？为什么?提示：基因工程中作为载体使用的DNA分子很多都是质粒（plasmid),即独立于细菌拟核DNA之外的一种可以自我复制、双链闭环的裸露DNA分子。是否任何质粒都可以作为基因工程载体使用呢？其实不然，作为基因工程使用的载体必须满足以下条件。(1）载体DNA必须有一个或多个限制酶的切割位点，以便目的基因可以插入到载体上去.这些供目的基因插入的限制酶的切点，还必须是在质粒本身需要的基因片段之外,这样才不至于因目的基因的插入而失活。(2)载体DNA必须具备自我复制的能力，或整合到受体染色体DNA上随染色体DNA的复制而同步复制。(3)载体DNA必须带有标记基因，以便重组后进行重组质粒的筛选.(4）载体DNA必须是安全的，不会对受体细胞有害，或不能进入到除受体细胞外的其他生物细胞中去。(5）载体DNA分子大小应适合，以便提取和在体外进行操作，太大就不便操作。实际上自然存在的质粒DNA分子并不完全具备上述条件,都要进行人工改造后才能用于基因工程操作。4．网上查询:DNA连接酶有连接单链DNA的本领吗？提示:迄今为止，所发现的DNA连接酶都不具有连接单链DNA的能力，至于原因，现在还不清楚，也许将来会发现可以连接单链DNA的酶。P4寻根问底1．根据你所掌握的知识，你能推测出限制酶存在于原核生物中的作用是什么吗？提示：原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，但是，生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制,以防止外来病原体的侵害.限制酶就是细菌的一种防御性工具,当外源DNA侵入时，限制酶会将外源DNA切割掉，以保证自身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要起到切割外源DNA、使之失效，从而达到保护自身的目的。P6寻根问底2．DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗?为什么?提示：不是一回事.基因工程中所用的连接酶有两种：一种是从大肠杆菌中分离得到的,称之为E·coli连接酶。另一种是从T4