2017年高中生物第1章基因工程第1节基因工程概述(第1课时)学案苏教版选修3

1、第一节基因工程概述第 1 课时 基因工程的发展历程和工具1 简述基因工程的发展历程。2.掌握限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶的作用、特点。（重、难点）3掌握质粒的含义、特性及其在基因工程中的作用。（重、难点）1 理论与技术基础的发展1953 年：沃森和克里克建立了1957 年：科恩伯格等首次发现1958 年：梅塞尔森和斯塔尔发现19611966 年：尼伦伯格等破译遗传密码。1967 年：罗思和赫林斯基发现运转工具质粒和DNA 连接酶。1970 年：特明和巴尔的摩各自在RNA 病毒中发现逆转录酶。史密斯等人分离到限制性核酸内切酶。1977 年：桑格首次完整基因组的测序工作。2.重组 DNA 技

2、术的发展（1）1972 年科学家伯格等实验。1过程：DNA 分子双螺旋结构模型。cDNA 半保留复制的机理。 克里克提出中心法则。DNA 聚合酶。猿猴病毒 SV40 的 DNA同一种限制性核酸内切酶1DN 確接酶重组的杂种- DNA 分子k_基因工程的发展历程和概念入噬菌体的 DNA32成就：世界上首次 DNA 分子体外重组。（2）1973 年科学家科恩等实验。大肠杆菌质粒 DNA（含卡那霉素抗性基因）同一种限制性核酸内切酶JI大肠杆菌质粒 DNA（含四环素抗性基因）DNA 连接酶转化 重组 DNA 分子大肠杆菌一T子代大肠杆菌（双重抗性）（3）不同物种间 DNA 重组实验。过程：非洲爪蟾核糖

3、体蛋白基因的DNA 片段+大肠杆菌质粒T重组 DNA转入大肠杆菌T转录出相应 mRNA成就：打破了传统的种间遗传物质不能交换的重重壁垒，开创了基因工 _3.基因工程的概念方法在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法原理对生物的基因进行改造和重新组合操作水平基因水平目的产生人类需要的基因产物”3合作探讨抗屯转基因大米使大米拥有某些细菌才具有的抗虫基因能够减少化学杀虫剂的使用量，既高产又环保。请你结合以上内容探究以下问题。探讨1:你知道拥有某些细菌抗虫基因的大米是通过何种技术培育出来的吗？提示：基因工程。探讨2：通过分析基因工程的概念，讨论基因工程的原理是什么？与有性杂交育种有何 区别？提示：原理：

4、基因重组。区别：打破物种限制，实现不同物种间的基因交流。探讨3：将人的胰岛素基因导入大肠杆菌体内，通过大肠杆菌能大量生产人胰岛素。请 分析人胰岛素基因能在大肠杆菌体内表达的理论基础是什么?4提示：生物共用一套遗传密码。思维升华1 基因重组的三种主要类型(1) 交叉互换：减数第一次分裂四分体时期，同源染色体上的非姐妹染色单体间的交叉 互换。(2) 自由组合：减数第一次分裂后期，非同源染色体上的非等位基因随着非同源染色体 的自由组合而组合。(3) 基因工程：转基因生物因外源基因导入而获得的新性状是可以遗传的。2 基因工程的理论基础(1) 拼接的基础：1基本组成单位相同：不同生物的DNA 分子都是由

5、脱氧核苷酸构成的。2空间结构相同：不同生物的 DNA 分子一般都是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链形成 的规则的双螺旋结构。3碱基配对方式相同：不同生物的DNA 分子中两条链之间的碱基配对方式均是A 与 T配对，G 与 C 配对。(2) 表达的基础：生物界共用一套遗传密码，相同的遗传信息在不同生物体内可表达出 相同的蛋白质。- O题组冲关Q-1 干扰素是治疗癌症的重要药物， 它必须从血液中提取，每升人血中只能提取 0.5 卩 g, 所以价格昂贵。美国加利福尼亚的某生物制品公司用如下方法生产干扰素。如图所示，可以看出该公司生产干扰素运用的方法是( )A.个体间的杂交B.基因工程C.细胞融合 D .

6、器官移植【解析】从图中可以看出整个过程为将人的淋巴细胞中控制干扰素合成的基因与质粒 结合后导入酵母菌，并从酵母菌产物中提取干扰素，这项技术为基因工程。【答案】B2.下列对基因工程的理解，正确的是()它是一种按照人们的意愿， 定向改造生物遗传特性的工程可对基因随意进行人为改造是体外进行的人为的基因重组在实验室内，利用相关的酶和原料合成 DNA主要技术为体外 DNA 重组技术和转基因技术在 DNA 分子水平上进行操作5一旦成功，便可遗传A. B .C.D.【解析】 基因工程可以对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物，而

7、不是对基因进行人为改造。【答案】 C基因工程的工具一一酶与载体- O自主认知o-1限制性核酸内切酶(也称“限制酶”)主要来自于原核生物。(2) 特点：具有专一性。1识别双链 DNA 分子的某种特定的脱氧核苷酸序列。2切割特定脱氧核苷酸序列中的特定位点。(3) 作用：断开每一条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。- -li_ f1结果：产生黏性末端或平口末端。2. DNA 连接酶一一“分子针线”(1) 作用：将双链 DNA 片段“缝合”，恢复被限制性核酸内切酶切开的两个脱氧核苷酸 之间的磷酸二酯键。(2) 结果：形成重组 DNA 分子。3. 载体一一运载工具(1) 功能：将外源基因导入

8、受体细胞。(2) 种类：质粒、 入噬菌体的衍生物以及一些动、植物病毒。(3) 质粒1本质：来自于细菌细胞中的一种很小的环状DNA 分子，是最早应用的载体。2组成：最简单的质粒载体必须包括复制区、标记基因、目的基因插入位点。檢住突破。合作探讨我国科学家已成功将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了花卉的观赏价值。请你依据以上材料探究以下 问题:6探讨1：科学家进行转基因技术操作时，需要用到哪些基本的工具? 提示：限制性核酸内切酶、DNA连接酶和载体。7探讨2：结合 DNA 复制的过程分析，限制性核酸内切酶和DNA解旋酶的作用部位有何不同

9、？提示：限制性核酸内切酶作用于磷酸和脱氧核糖之间的磷酸二酯键,碱基对之间的氢键。探讨3：下图所示过程是哪类酶作用的结果？该酶识别的碱基序列及切点是什么？这体现了该类酶具有什么特性?A ATTC提示：限制性核酸内切酶。识别的碱基序列为：GAATTC 切点在 G 和 A 之间。特异性。探讨4质粒的化学本质是什么？来源于何类生物？ 提示：化学本质：环状 DNA 分子。细菌、酵母菌。 思维升华1.限制性核酸内切酶与 DNA 连接酶的比较(1)区别:作用应用限制性核酸内切酶使特定部位的磷酸二酯键断开用于提取目的基因和切割载体DNA 连接酶在 DNA 片段之间重新形成磷酸二酯键用于基因表达载体的构建(2)

10、两者的关系可表示为:2. DNA 连接酶与 DNA 聚合酶的比较项目DNA 连接酶DNA 聚合酶相同点催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键不同点模板不需要模板需要 DNA 的一条链为模板作用对象游离的 DNA 片段单个的脱氧核苷酸作用结果形成完整的 DNA 分子形成 DNA 的一条链用途基因工程DNA 复制特别提醒不同 DNA 分子用同一种限制性核酸内切酶切割形成的黏性末端都相同；同一个DNA分子用不同的限制性核酸内切酶切割，产生的黏性末端一般不相同。DNA 解旋酶作用于C TTAAG A A T T C IIT I I I CT TAA C-.1AC-G-Wk-T-T-C-G-T13核心回扣

11、1.基因工程是在 DNA 分子水平上进行设计和施工的，又叫做 DNA 重组技术。2.基因工程的原理是基因重组，处理对象是 DNA 或基因。3限制性核酸内切酶是能够识别和切割DNA 分子的酶，又叫限制酶。DNA 连接酶能将被限制14性核酸内切酶切开的磷酸二酯键重新形成。4.载体的作用是与含有外源基因（即目的基因）的 DNA 片段结合，将外源基因送入受体细胞中。学业分层测评（一）（建议用时：45 分钟）学业达标1 下列有关基因工程叙述错误的是（）A. 最常用的载体是大肠杆菌的质粒B.工具酶主要有限制性核酸内切酶和DNA 连接酶C. 该技术人为地增加了生物变异的范围，实现种间遗传物质的交换D. 基本

12、原理是基因突变【解析】 A 项属于单倍体育种，原理是染色体变异；B 项属于杂交育种，原理是基因重组；C 项属于基因工程育种，原理是基因重组；D 项属于诱变育种，原理是基因突变。【答案】 C3.下列有关基因工程技术的叙述，正确的是（）A.重组 DNA 技术所用的工具酶是限制酶、 DNA 连接酶和载体B. 所有的限制酶都只能识别同一种特定的脱氧核苷酸序列C. 一般选用细菌的质粒作为基因进入受体细胞的载体D. 细菌体内的质粒可以直接作为基因工程中的载体【解析】 此题考查基因工程的基本工具及相关知识。解答此类题目须明确以下知识：（1）基因操作的工具酶有限制性核酸内切酶（简称限制酶）和 DNA 连接酶。

13、一种限制酶只能识别特定的脱氧核苷酸序列，并从特定的位点切开， 不同的限制酶识别的脱氧核苷酸序列是不同的。（3）载体是基因的运载工具，一般选用细菌的质粒作为载体，它既可以携带外源基 因进入受体细胞，或独立复制或整合到受体细胞的DNA 上,又有特殊的遗传标记基因，供重【解析】 基因工程的基本原理是基因重组,不同生物的 DNA 具有相同的结构以及遗传信息传递和表达方式相同是基因工程赖以完成的基础;基因工程中的工具酶是限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶，最常用的载体是大肠杆菌质粒。该技术可克服生殖隔离现象，实现种间c（2013 大纲全国卷）下列实践活动包含基因工程技术的是（）水稻 Fi花药经培养和染色

14、体加倍，获得基因型纯合新品种 抗虫小麦与矮秆小麦杂交，通过基因重组获得抗虫矮秆小麦 将含抗病基因的重组 DNA导入玉米细胞，经组织培养获得抗病植株 用射线照射大豆使其基因结构发生改变，获得种子性状发生变异的大豆遗传物质交换，按照人的意愿使生物发生变异。【答案】D2.A.B.C.D.15组 DNA 的鉴定和选择。但在进行基因工程操作中，真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒 的基础上进行过人工改造的。【答案】 C4.下列说法中不正确的有（）限制性核酸内切酶全部是从真核生物中分离纯化而来的DNA 连接酶全部是从原核生物中分离得到的 所有限制性核酸内切酶识别的脱氧核苷酸序列均由6 个核苷酸组成不同限制

15、性核酸内切酶切割 DNA 的位点不同 有的质粒是单链 DNAA.B.C.D .【解析】 限制性核酸内切酶主要是从原核生物中分离得到的，所以错误；DNA 连接酶中的一类是从原核生物大肠杆菌中分离得到的，另一类是从T4噬菌体中得到的，所以错误；不同的限制性核酸内切酶识别的脱氧核苷酸序列不同，不一定都是 6 个核苷酸，所以错误；质粒都是双链环状DNA 分子，所以错误。【答案】 B5. 下列关于 DNA 连接酶作用的叙述，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.

16、只能将双链 DNA 片段互补的黏性末端之间连接起来，而不能将双链DNA 片段平口末 端之间进行连接【解析】 DNA 连接酶和 DNA 聚合酶都是催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键。DNA连接酶是在两个 DNA 片段之间形成磷酸二酯键，将两个 DNA 片段连接成重组 DNA 分子。DNA 聚合酶是将单个核苷酸加到已存在的核酸片段上形成磷酸二酯键，合成新的DNA 分子。【答案】 B6.据图判断，有关工具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b16B. DNA 聚合酶可以连接 a 处C. 解旋酶可以使 b 处解开D. DNA1接酶可以连接 c 处【解析】a 处指的是两个相邻脱氧

17、核苷酸之间的脱氧核糖与磷酸之间的磷酸二酯键,而 c 处指的是同一个脱氧核苷酸内的脱氧核糖和磷酸之间的化学键, 化学键。【答案】 D7作为基因工程中的“分子运输车”一一载体，应具备的条件是()必须有一个或多个限制性核酸内切酶的切割位点，以便目的基因可以插入到载体上载体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 必须带有标记基因，以便进行重组后的筛选 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大小应合适，太大则不易操作A.B .C.D .【解析】 基因操作中运输目的基因的载体必须有一个或多个限制性核酸内切酶的切割

18、位点，以便目的基因可以插入到载体上；载体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； 必须带有标记基因， 以便进行重组后的筛选；必须是安全的；大小应合适，太大则不易操作。【答案】 D&下图表示限制性核酸内切酶切割某DNA 分子的过程，下列有关叙述，不正确的是()GAATTC CTTA AGA.该限制酶能识别的碱基序列是GAATTC 切点在 G 和 A 之间B. 用此酶切割含有目的基因的片段时，必须用相应的限制性核酸内切酶切割载体，产生与目的基因相同的黏性末端C.要把目的基因与载体“缝合”起来，要用到基因工程的另一个工具一一DNA 聚合酶D.

19、 限制酶切割 DNA 分子时，是破坏了同一条链上相邻脱氧核苷酸之间的化学键，而不 是两条链上互补配对的碱基之间的氢键【解析】 由图示可知，该限制酶识别的碱基序列是GAATTC 切点在 G 和 A 之间；要DNA连接酶不能连接此17获得重组 DNA 分子，必须用限制性核酸内切酶切割载体和目的基因，得到相同的黏性末端； 将目的基因与载体“缝合”起来的是DNA 连接酶，而不是 DNA 聚合酶；限制性核酸内切酶切割的是同一条链上相邻脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。【答案】 C9.限制酶是一种核酸切割酶，可识别并切割DNA 分子上特定的核苷酸序列。下图为四种限制酶BamHI、EcoRI、Hi nd 川以及B

20、gln的识别序列。 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是什么 ()帥r?ll 1m1IJI-GGATCC - -GAATTC- - AAGCTT-AQATCT-CCTAGG- -CTTAAG- - TTCGAA-TCTAGA-t1tfA.BamHI和EccRI末端互补序列为AATT-B.BamHI和Hind出末端互补序列为GATC-C.EcoRI和Hind出末端互补序列为AATT-D.BamHI和Bgln末端互补序列为GATC-【解析】图中四种限制酶切割 DNA 分子所形成的黏性末端分别是G G A ACCTAG

21、CTTAA TTCGA TCTAG可知BamHI和Bgln切割 DNA 分子产生的末端的碱基是互补的。【答案】D10.科学家通过基因工程，需要从苏云金芽孢杆菌中提取抗虫基因，放入棉花细胞中发挥作用，回答有关问题：（1）从苏云金芽孢杆菌中切割抗虫基因所用的工具是 _ 。此工具主要存在于_中，其特点是_将抗虫基因导入棉花细胞需要的运输工具具有的特点是_ ?最常用的载体是 _ ，除了它还有_ 、_。【答案】（1）限制性核酸内切酶 细菌一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的 核苷酸序列，并在特定的位点切割（2）有一个至多个限制性核酸内切酶切割位点，在受体18细胞中可进行自我复制，具标记基因质粒 入噬菌

22、体的衍生物 动植物病毒能力提升11 .下面是四种不同质粒的示意图，其中ori为复制必需的序列，amp为氨苄青霉素抗性基因，tet为四环素抗性基因，箭头表示一种限制性核酸内切酶的酶切位点。若要得到一 个能在四环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长的含重组DNA 的细胞，应选用的质粒是（）19【解析】 A 项破坏了复制必需的序列。B 项氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基因都完好，在四环素培养基上和氨苄青霉素培养基上都能生长。四环素抗性基因完好，能在四环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长。苄青霉素抗性基因完好，四环素抗性基因被破坏。【答案】 C12.下图表示一项重要的生物技术，对图中

23、物质a、b、c、d 的描述，正确的是（）A.a 的基本骨架是磷酸和核糖交替连接而成的结构B.要获得相同的黏性末端，要用相同的 b去切割a和dC. c 连接双链间的氢键，使黏性末端处碱基互补配对D. 若要获得未知序列的 d,可到基因文库中去寻找【解析】 a 是载体质粒，b 是限制性核酸内切酶切割质粒，c 是 DNA 连接酶，连接质粒和目的基因，d 是目的基因。质粒是环状DNA 其基本骨架是磷酸和脱氧核糖交替连接而成的。要想获得同一种黏性末端要用同一种限制性核酸内切酶。DNA 连接酶连接的是磷酸和脱氧核糖之间的键，不是氢键。对于未知序列的目的基因是无法从基因文库中获取的。【答案】 B13. （20

24、16 天津一中月考）现有一长度为 3 000 碱基对（bp）的线性 DNA 分子，用限制性 核酸内切酶酶切后，进行凝胶电泳，使降解产物分开。用酶H 单独酶切，结果如图 1。用酶B 单独酶切，结果如图 2。用酶 H 和酶 B 同时酶切，结果如图 3。该 DNA 分子的结构及其酶切图谱是（）B H B I I I600 400 6001400BH BHII400 frTO 1400召帕C 项氨苄青霉素抗性基因被破坏,D项氨DHBII4XXJ6OJ I4G0600TTAA20D【解析】从图中所示的结果看，酶H 单独酶切时会将 DNA 切割成两种长度（分别为2000bp、1000bp），可以排除 D

25、选项；酶 B 单独酶切时使 DNA 切割成三种长度（分别为 2000bp、600bp、400bp)，由此可排除 BC 选项。【答案】 A14.根据基因工程的有关知识，回答下列问题：限制性核酸内切酶切割 DNA 分子后产生的片段，其末端类型有_和_。(2)质粒运载体用EcoRI切割后产生的片段如下：AATTCGGCTTAA为使运载体与目的基因相连，含有目的基因的DNA 除可用EcoRI切割外，还可用另一种限制性核酸内切酶切割，该酶必须具有的特点是(3)按其来源不同，基因工程中所使用的 DNA 连接酶有两类，即DNA 连接酶和_ DNA 连接酶。基因工程中除质粒外， _ 和_ 也可作为运载体。(5)请画出质粒被切割形成黏性末端的过程图。G GATCCCTAG G【解析】 当限制酶在它识别序列的中心轴线两侧将DNA 的两条链分别切开时， 产生的是黏性末端，而当限制酶在它识别序列的中心轴线处切开时，产生的则是平口末端。 为使运载体与目的基因相连，用另一种限制酶切割后形成的黏性末端必须与EcoRI切割形成的黏性末端相同。根据酶的来源不同， 可以将 DNA 连接酶分为两类：一类是从大肠杆菌中分离得 到的，称为大肠杆菌 DNA 连接酶；另一类是从 T4噬菌体中分离出来的，称为T4DNA 连接酶。基因工程中除质粒外，还有入噬菌体的衍生物、动植物病毒等也可作为运载体。【答案】(1)