2022-2023学年浙科版（2019）选择必修三 4.1 基因工程赋予生物新的遗传特性（第1课时） 课件（35张）

浙科版2019版选择性必修三第一节体液调节是通过化学信号实现的调节第一节体液调节是通过化学信号实现的调节第四章基因工程

运用转基因大肠杆菌生产人胰岛素

早期治疗糖尿病的胰岛素是从牛或猪的胰脏中提取的，由于其个别的氨基酸序列和人胰岛素不一样，使用后会引发人体内的免疫反应。1982年2月5日，著名学术期刊《科学》发表了科学家运用基因工程技术使大肠杆菌合成人胰岛素的研究成果。此项基因工程技术经过完善，最终实现了大肠杆菌能够在装有培养液的发酵罐中大量生产人胰岛素，再经加工制成药品。通过基因工程获得的人胰岛素不仅价格低廉，而且疗效好，拯救了大批糖尿病患者。那么，什么是基因工程？科学家是如何完成上述过程的呢？浙科版2019版选择性必修三第一节体液调节是通过化学信号实现的调节第一节体液调节是通过化学信号实现的调节第四章基因工程第二节神经系统通过下丘脑控制内分泌系统第二节神经系统通过下丘脑控制内分泌系统第一节基因工程赋予生物新的遗传特性第1课时基因工程的工具与活动：DNA的粗提取和鉴定多个生物学分支学科的发展为基因工程的诞生提供了理论基础，重要工具的发现为基因工程的实现提供了技术支持。在此基础上建立的基因工程包括一系列操作程序，可以使生物获得新的遗传性状。

那么，什么是基因工程？基因工程需要什么工具？如何进行？1.基因工程(重组DNA技术)定义：有意识地把一个人们所需要

的基因转入另一个生物体中，使后者获得新的遗传性状或表达所需要产物的技术。2.操作水平：分子水平。一.基因工程是在多个生物学分支学科的基础上发展而来产生人类需要的基因产物基因重组基本原理：工程结果：让目的基因在宿主细胞中稳定高效地表达操作目的：基本过程：剪切→拼接→导入→表达（不产生新基因，产生新物种吗？）从此大肠杆菌的身上得到了世界上从没有过的基因？3.基因工程诞生的理论基础包括：DNA是遗传物质的证明

、DNA双螺旋结构的发现和“中心法则”的确立、遗传信息的传递和表达的机制认定、遗传密码的破译。一.基因工程是在多个生物学分支学科的基础上发展而来自然界中不同生物共用一套遗传密码，这意味着同一个基因，在不同生物体内将会表达出相同的蛋白质。例如，人的胰岛素基因在大肠杆菌细胞内，能利用同人类一样的遗传密码合成人的胰岛素。异种生物的DNA拼接成功的原因：一种生物基因在另一种生物细胞内能够表达成功的原因：所有生物的DNA具有相同的化学组成（脱氧核苷酸）和空间结构（双螺旋结构）。各种生物共用一套遗传密码。4.基因工程诞生的技术保障（工具）：限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体的发现与应用。其中，限制性内切核酸酶和DNA连接酶为基因的分离和重组提供了必要的手段（工具酶），而载体能够将外源基因运送到细胞中。5.基因工程核心技术：构建重组DNA分子。小思考：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什么？【答案】有性生殖中的基因重组是随机的，并且只能在同一物种内进行；基因工程可以在不同物种间进行，并且方向性强，可以定向地改变生物的性状。基因工程的优点与杂交育种相比：克服远缘杂交不亲和障碍与诱变育种相比：能定向地改造生物的遗传性状1．限制性内切核酸酶(1)主要来源：细菌等微生物。（酵母菌中也有发现）(2)存在于细菌等微生物中的作用：破坏外源DNA，自身DNA不会被破坏（自身DNA经过相应的化学修饰），起到保护作用，是其进化出的一种防御机制。（将外源DNA分子从内部剪切成片段，不是核苷酸）(3)作用特点：识别双链DNA上特定的一小段核苷酸序列，并催化其中特定的两个核苷酸之间的磷酸二酯键水解，使得DNA双链在特定的位置断开。一般4~8个核苷酸对，6个核苷酸对最常见。二、对DNA进行剪切、连接和复制，实现重组DNA技术的基础思考能否切割烟草花叶病毒上人们想要的目的基因？基因工程重要工具的发现将体外重组DNA技术变为现实（4）、作用部位：磷酸二酯键专一性--识别特定的序列、有特定的切点（5）、作用特点：EcoRI识别GAATTC序列，并在G和A之间切开（催化特定的两个磷酸二酯键）限制酶在切断DNA时，可在切口处带有几个伸出的核苷酸（末端有凸出的单链部分），他们之间碱基正好互补配对，因此称这些片断为黏性末端。5′5′3′3′黏性末端：

被限制酶切开后的DNA的两条单链的切口处，各带有几个伸出的无互补配对的核苷酸序列，这个序列叫黏性末端。（末端有凸出的单链部分）思考一：用限制酶切割后的DNA分子，有几个黏性末端？这几个黏性末端有何特点？两个，黏性末端相同且它们之间正好能够互补配对。平末端：平切黏性末端：错切作用结果：5’-GGATCC-3’3’-CCTAGG-5’BamHⅠ5’-TGATCA-3’3’-ACTAGT-5’BclⅠ5’-AGATCT-3’3’-TCTAGA-5’BglⅡ思考二：用不同种限制酶切割不同的DNA分子，黏性末端可能互补配对吗？有可能用限制性核酸内切酶剪切不同的DNA分子得到了不同来源的片段，具有互补配对的黏性末端或平末端。这正是能将不同来源的DNA片段连接起来的基础。思考三：限制性核酸内切酶I的识别序列和切点是—G↓GATCC—限制性核酸内切酶II的识别序列和切点是↓GATC—下图表示含有某目的基因的DNA分子片段。（1）要想获得某个特定的基因，至少需要几个限制性酶切位点，切断几个磷酸二酯键？产生几个黏性末端？（2）若想将目的基因剪切下来，应选择何种限制性内切酶？至少需要2个限制酶的切点,切断4个磷酸二酯键,产生4个黏性末端酶II专一性--识别特定的序列、有特定的切点2、DNA连接酶（T4噬菌体、大肠杆菌）两条链的骨架部分，形成磷酸二酯键

连接部位：具有相同黏性末端的两个不同来源的DNA片段连接起来，形成重组DNA分子。结果：限制酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键，只是一个是切开，一个是连接注意：CGGCCGTTAAAATTGCTATA氢键的断裂与形成与限制酶、DNA连接酶无关。专一性？CGGCCGTATAATATGCGCGCTAATCGTATAATATGCTATAEcoRIEcoRICGGCCGTTAAAATTGCGCGCTAATCGTTAAAATTGCTATACGGCCGTTAAAATTGCTATA用同一种限制酶来切割两种来源不同的DNA，会产生相同的黏性末端。①E.coliDNA连接酶：来源：大肠杆菌作用：连接黏性末端②T4DNA连接酶：来源：T4噬菌体作用：连接黏性末端、平末端（低）常用种类：2、与DNA相关的几种酶的比较

项目DNA连接酶限制酶DNA聚合酶解旋酶作用部位磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键碱基对间的氢键作用对象DNA片段DNA分子单个的脱氧核苷酸DNA分子作用结果将DNA片段连接成一个重组DNA分子切割DNA分子将单个的脱氧核苷酸连接到DNA单链末端将双链DNA分子局部解旋为单链例题1.下列有关E.coliDNA连接酶和T4DNA连接酶作用的叙述,正确的是(

)A.T4DNA连接酶只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间连接起来B.E.coliDNA连接酶只能将双链DNA片段的平末端之间连接起来C.T4DNA连接酶既可以“缝合”黏性末端,又可以“缝合”平末端D.E.coliDNA连接酶连接平末端的效率比较低答案

C思考：

用DNA连接酶连接两个相同的黏性未端要形成几个磷酸二酯键？2个

用限制酶切一个特定基因要切断几个磷酸二酯键？4个外源基因（如生长激素基因）怎样才能运送到受体细胞（如大肠杆菌细胞）？需要“分子运输车”——基因进入受体细胞的载体3．载体：具备自主复制能力的DNA分子。

(1)作用：能与外源DNA相连接并将其送入受体细胞

进行扩增（外源DNA片段自身很难在受体细胞内成功复制，需要与含有复制起点的DNA分子相连

）。如图所示为大肠杆菌及质粒的结构模式图,据图探究以下问题。

1.a代表的物质和质粒都能进行自我复制,它们的化学本质是什么?提示

a为拟核DNA,它和质粒的化学本质都是核酸。外源DNA进入受体细胞的载体3.氨苄青霉素抗性基因能控制某物质的合成,该物质能抵抗氨苄青霉素,使含有该基因的生物能在含氨苄青霉素的环境中存活。因此,氨苄青霉素抗性基因在基因工程载体上能起什么作用?提示

用作标记基因,以便能够通过表型鉴别含有载体的细胞。4.由以上分析总结作为载体必须具备哪些条件。提示

作为载体必须具备的条件:①含有一种或多种限制酶的识别序列,方便外源基因插入载体中;②含有复制起点,能够独立自主复制并稳定存在;③具有筛选作用的标记基因。3．载体：具备自主复制能力的DNA分子。

(1)作用：能与外源DNA相连接并将其送入受体细胞

进行扩增（外源DNA片段自身很难在受体细胞内成功复制，需要与含有复制起点的DNA分子相连

）。(2)理想载体的特征：①含有复制起点，能够独立自主复制并稳定存在。②含有一种或多种限制酶的识别序列，方便外源基因插入载体中。③具有筛选作用的标记基因（抗生素抗性基因），（使用含相应抗生素的培养基筛选含有此质粒的细菌）以便能够通过表型鉴别含有载体的细胞。(3)种类：质粒，有些动、植物病毒及噬菌体。（天然质粒经人工改造）(4)质粒：独立于细菌拟核DNA之外的较小的环状DNA分子，是一种常用载体。①大多数质粒的受体细胞是细菌，质粒在细菌内可以独立自主复制。②质粒具有多种限制酶识别序列，其携带的基因也会控制细菌的某些性状。（抗生素的合成基因、固氮基因）小思考：要想获得某个特定性状的目的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性(平)末端？【答案】要切2个切口，产生4个黏性(平)末端。标记基因的筛选原理载体上的标记基因一般是某种抗生素的抗性基因,而受体细胞没有抵抗该抗生素的能力。将含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞,抗性基因在受体细胞内表达,受体细胞对该抗生素产生抗性。在含有该抗生素的培养基上,能够生存的是被导入了载体的受体细胞(如下图所示)。例题2.下图是四种不同质粒的结构示意图,其中ori为复制起点,ampr为氨苄青霉素抗性基因,tetr为四环素抗性基因,箭头表示一种限制性内切核酸酶的酶切位点。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分子的细胞,应选用的质粒是(

)C例题3.在基因工程中,需使用特定的限制酶切割目的基因和质粒,便于重组和筛选。已知限制酶Ⅰ的识别序列和切割位点是,限制酶Ⅱ的识别序列和切割位点是

。根据下图判断,下列操作正确的是(

)A.目的基因和质粒均用限制酶Ⅱ切割B.目的基因和质粒均用限制酶Ⅰ切割C.质粒用限制酶Ⅱ切割,目的基因用限制酶Ⅰ切割D.质粒用限制酶Ⅰ切割,目的基因用限制酶Ⅱ切割D例题4.质粒是基因工程中最常用的外源基因运载工具。下列有关叙述正确的是(

)A.质粒是只存在于细菌细胞质中能自主复制的小型环状双链DNA分子B.在质粒上总能找到一个或多个限制酶切割位点C.携带外源基因的重组质粒只有整合到宿主细胞的染色体DNA上,才会随后者的复制而复制D.质粒上的抗性基因常作为标记基因,便于通过表型鉴别含有载体的细胞D1．活动原理细胞核内的DNA与蛋白质结合成染色体，提取和DNA先要破坏细胞。(1)幼嫩的植物材料如果经过冷冻后再研磨，细胞结构容易被破坏。(2)用十二烷基硫酸钠(SDS)处理材料，能使核蛋白变性并与DNA分离。(3)乙二胺四乙酸二钠(EDTA)能抑制DNA酶活性，防止核DNA被酶解。(4)DNA在2mol/L的NaCl溶液中溶解度高，且Na＋与DNA形成钠盐。(5)DNA钠盐不溶于酒精而某些蛋白质能溶于酒精，若在提取液中加入95%的冷酒精，能使DNA钠盐形成絮状沉淀物而析出。(6)在沸水浴的条件下，DNA遇二苯胺会被染成蓝色。三、活动:DNA的粗提取和鉴定

研磨：称取10g香蕉果肉，放入研钵中，倒入10mL研磨液，充分研磨。过滤：在漏斗中垫上尼龙纱布，将研磨液过滤入离心管中。离心：用天平称