生物中图版学案：第一单元第一章第一章第一节基因工程的原理

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，业必贵于专精第一节基因工程的原理1．简述基因工程的诞生。2．简述基因工程的原理及技术.3．尝试DNA的提取与鉴定.一、基因工程的诞生1．限制性内切酶——“基因手术刀”（1）作用：能够识别特定的脱氧核苷酸序列,并于特定位点上准确地切割双链DNA。（2）结果:形成DNA黏性末端。2．DNA连接酶—-“基因缝纫针”(1）作用:将两个DNA片段连接起来，修复被限制性内切酶切开的切口，拼接成新的DNA分子.（2)种类：T4DNA连接酶(把限制性内切酶切开的黏性末端的缝隙“缝合”起来)。思考将人的胰岛素基因导入大肠杆菌，大肠杆菌能够生产人的胰岛素，在基因操作中把人的基因与大肠杆菌的基因“缝合”起来的工具是什么？提示:DNA连接酶。二、基因工程的一般程序1．基因工程的概念基因工程是指按照人们的意愿，将一种生物的基因在体外剪切，并与特殊的运载工具进行重新组合，然后转入另一种生物的体内进行扩增，并使之表达产生所需蛋白质的技术。2．基因工程的操作程序（1）DNA分子的提取。(2）目的基因的获得.①直接分离法:最常用的方法是“鸟枪法”,又称“霰弹法”。用限制性内切酶（子弹）切割DNA，再用“核酸探针"（用放射性同位素或其他标记物标记的RNA单链）检测出目的基因，再用PCR仪扩增DNA,获得大量的目的基因。②人工合成法：一种是反转录法。它是以目的基因的信使RNA为模板，借助反转录酶合成碱基互补的单链DNA，然后在DNA聚合酶的作用下合成双链DNA.另一种方法是化学合成法。即依照某一蛋白质的氨基酸序列，通过密码子推导出其碱基序列,然后直接合成目的基因。（3）重组载体的构建。①载体的特点:外源DNA的插入不影响载体在宿主细胞内的自我复制；有适宜的限制性内切酶酶切位点;具有某些标记基因；载体应对受体细胞无害。②载体的种类。a．质粒：它是细菌中独立于细菌DNA之外的小型环状DNA分子。它含有一个至多个限制性内切酶切割位点，供外源基因插入其中,并带有特殊的遗传标记基因，是基因工程中最常用的载体。b．噬菌体或其他一些病毒。（4）重组载体的导入和筛选。①转化:将带有目的基因的重组载体与相应的受体细胞放在一起培养，通过一定的方式诱导,它们会进入受体细胞，这一过程称为转化.②转化的方法:基因枪法（被子植物）、花粉管通道法、显微注射法（动物）。③筛选：利用选择培养基把转化的细胞选择出来。（5）目的基因的表达和鉴定：检测转化的生物有没有显示出目的基因控制的性状。思考如何检测抗虫棉中的毒蛋白基因是否表达？提示：让棉铃虫去食抗虫棉，若棉铃虫食后死亡，说明毒蛋白基因表达。三、基因工程的意义基因工程能够打破生物种属的界限,在分子水平上定向改变生物的遗传特性。四、探究活动：尝试DNA的提取与鉴定1．实验原理（1）SDS能够使蛋白质变性,在研磨液中加入SDS可以使DNA与蛋白质分离；EDTA是DNA酶的抑制剂,可以防止细胞破碎后DNA分子被降解。（2）DNA不溶于酒精溶液,但细胞中的许多其他物质可以溶于酒精溶液。利用这一原理可以提取含杂质较少的DNA。（3）DNA遇二苯胺（沸水浴）会染成蓝色，故该试剂可以作为鉴定DNA的试剂。2．实验步骤（1）DNA的粗提取：材料准备→研磨→过滤→离心→加冷酒精→提取DNA.（2）DNA的鉴定：提取的DNA＋物质的量浓度为0.015mol/L的NaCl溶液5mL＋4mL二苯胺试剂蓝色。1．基因工程的原理及其分析基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计并通过体外DNA重组和转基因技术，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或生物产品.（1）原理：按照人们的意愿，将一种生物的某种基因在体外剪切,并加以修饰改造，然后转移到另一种生物的体内进行扩增，并使之表达产生所需的蛋白质.（2）原理分析：基因工程的别名DNA重组技术和基因拼接技术操作环境生物体外操作对象基因操作水平DNA分子水平基本操作过程剪切→改造修饰和拼接→导入→表达结果定向改造生物性状，获得人类需要的转基因产品（1）基因拼接成功的原因：①DNA的空间结构均为规则的双螺旋结构；②DNA的基本组成单位都是脱氧核苷酸;③都遵循相同的碱基互补配对原则。（2）基因在受体细胞内表达成功的原因：①基因是决定生物性状的独立遗传单位;②几乎所有的生物都共用一套遗传密码.2．限制性内切酶的作用分析（1）生理作用：在微生物体内主要切割外源DNA,而对自身DNA不起作用，从而保护自身，免受外源DNA入侵.在基因工程中可用于切割目的基因和载体。（2）作用部位：两个核苷酸之间形成的磷酸二酯键。（3）作用结果:产生互补的黏性末端或平末端.（4）作用特点：识别特定的核苷酸序列并在特定的位点上进行切割.该酶识别的切割部位一般具有沿中轴线两侧反向对称重复序列,即一条链正向读的碱基序列与另一条链反向读的碱基序列完全一致。切割方式举例如下:3．DNA连接酶与DNA聚合酶的区别DNA连接酶与DNA聚合酶作用的实质都是形成磷酸二酯键，其区别表现在以下几个方面:（1）作用对象不同.DNA聚合酶只能将单个脱氧核苷酸连接到单链DNA分子片段中；DNA连接酶则是连接两个双链DNA片段。（2）是否需要模板。DNA聚合酶作用时以一条DNA链为模板,将单个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键形成一条与模板链互补的DNA链；而DNA连接酶连接两个DNA片段时，不需要模板DNA。(3）组成和性质不同。两者虽然都为蛋白质构成的酶，但在分子结构和组成上不同.①基因操作的工具酶包括限制性内切酶和DNA连接酶。②限制性内切酶的特点是能够专一识别特定的核苷酸序列,有特定的酶切位点，切割酶切位点间的磷酸二酯键.切割DNA产生两种末端,一种是互补的黏性末端，另一种是平末端。③DNA连接酶是连接DNA两条主链上酶切位点间的磷酸二酯键的工具。4．基因工程中使用载体的目的和要求(1）在基因工程中使用载体的目的。①作为运载工具，将目的基因运送到受体细胞中去。②利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制和稳定保存。(2)作为载体必须具备的条件。①对受体细胞无害，不影响受体细胞正常的生命活动。②具有自我复制能力，或整合到受体细胞DNA上随受体细胞DNA的复制而同步复制.③具有一个至多个限制性内切酶酶切位点，以便目的基因可以插入到载体中。④带有遗传标记基因,以便重组后对其进行筛选。⑤载体DNA分子大小适合，以便于提取和体外操作。(3）载体的种类。常用载体为质粒，除此之外，噬菌体、其他一些病毒也可作为基因工程中的载体.现在人们仍在不断寻找新的载体，线粒体和叶绿体DNA呈环状，也有可能作为载体。载体中供目的基因插入的限制性内切酶酶切位点的位置应在载体本身必需的重要基因之外,这样才不至于因外源基因的插入而失活.5．DNA粗提取实验成功的关键及注意事项(1)在破碎细胞释放DNA的过程中,若是血细胞，加水后必须充分搅拌，不应少于5min;若是菜花,则应与研磨液混合，研磨时间不少于10min.(2）用冷酒精浓缩和沉淀DNA时，所用的是体积分数为95%的酒精，且必须经过充分预冷后才能使用.（3）在用玻璃棒搅拌时，玻璃棒不能直接插入烧杯底部，并且搅拌要轻缓，以便获得较完整的DNA分子.（4）由于玻璃表面带电荷，DNA中的磷酸基也带电荷而容易被吸附于玻璃表面,故实验中用塑料杯和试管可减少DNA损失。题型一基因工程的概念【例1】(2010·全国高考理综Ⅱ改编)下列叙述符合基因工程概念的是()A．B淋巴细胞与肿瘤细胞融合后的细胞中含有B淋巴细胞中的抗体基因B．将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株C．用紫外线照射青霉菌，使其DNA发生改变,通过筛选获得青霉素高产菌株D．自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上解析：基因工程是指按照人们的意愿，将一种生物的基因在体外剪切，并与特殊的运载工具进行重新组合，然后转入另一种生物的体内进行扩增，并使之表达产生所需蛋白质的技术。B淋巴细胞与肿瘤细胞融合，不属于基因工程，用紫外线照射青霉菌，使其DNA发生改变，进而筛选出青霉素高产菌株，属于人工诱变;自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上，并没有进行人为的加工,不属于基因工程。答案：B反思领悟：基因工程能定向地改造生物的遗传性状。题型二基因操作的工具【例2】用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。下列叙述不正确的是（)A．常用相同的限制性内切酶处理目的基因和质粒B．DNA连接酶和RNA聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶C．可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒D．导入大肠杆菌的目的基因不一定能成功表达解析：要使大肠杆菌生产人的蛋白质，就要通过基因工程的方法,把人的蛋白质基因与载体（质粒）结合形成重组DNA,然后导入大肠杆菌，人的蛋白质基因在大肠杆菌体内表达，合成人的蛋白质。获得人的蛋白质基因，以及把人的蛋白质基因与载体结合,都要用到“基因手术刀”——限制性内切酶，而且要用同一种限制性内切酶,这样切出的黏性末端可以互补配对.然后用DNA连接酶连接，形成重组DNA。所以基因工程的工具酶是限制性内切酶和DNA连接酶。作为载体的基本条件之一是必须有标记基因（如抗生素基因)以便检测和筛选含目的基因的大肠杆菌。导入大肠杆菌的目的基因可能不表达。答案：B反思领悟：作为基因工程的载体必须具备的条件是:（1）能在宿主细胞内稳定保存并大量复制.（2)有多个酶切位点，以便与外源基因连接。（3)具有某些标记基因，以便进行筛选。（4）能够在宿主细胞内“友好借居”,不影响宿主细胞的生命活动。题型三目的基因的获取【例3】在已知某小片段基因碱基序列的情况下，获得该基因的最佳方法是（)A．用mRNA为模板逆转录合成DNAB．以4种脱氧核苷酸为原料人工合成C．将供体DNA片段转入受体细胞中,再进一步筛选D．由蛋白质的氨基酸序列推测mRNA的核苷酸序列解析:现在已知的条件就是某小片段基因的碱基序列，所以可以用4种脱氧核苷酸为原料来人工合成该基因.答案：B反思领悟:合成目的基因的方法主要有直接分离法和人工合成法。最常用的直接分离法是“鸟枪法”；人工合成目的基因的方法主要有两种：反转录法和化学合成法。1在基因工程中用到的限制性内切酶主要从原核生物中获得，一种限制性内切酶只能识别双链DNA某种特定核苷酸序列，并且能在特定的切点上切割DNA分子，这与酶的什么性质相吻合(）A．高效性B．具有多样性C．专一性D．催化活性受外界条件影响解析：一种限制性内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的切点上切割DNA分子,这显然和酶的专一性相吻合。答案:C2（2010·浙江高考理综改编）在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，下列操作错误的是(）A．用限制性内切酶切割烟草花叶病毒的核酸B．用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体C．将重组DNA分子导入受体细胞D．用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞解析:构建抗除草剂的烟草要用限制性内切酶切割杂草中含抗除草剂基因的DNA与