1、第1课时基因工程的发展历程和工具第一章第一节基因工程概述学习导航1.结合教材P79，简述基因工程的发展历程。2.结合教材P912，举例说出限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用、特点。3.概述质粒的含义、特性及其在基因工程中的作用。重难点击基因工程的基本工具的作用和特点。课堂导入方式一方式一抗虫棉的研究开发是我国发展农业转基因技术，打破跨国公司垄断，抢占国际生物技术制高点的成功事例。抗虫棉的应用使棉铃虫得到了有效控制，使杀虫剂用量降低了70%80%，有效保护了农业生态环境，减少了农民喷药中毒事故，为棉花生产和农业的可持续发展做出了巨大贡献。师：要实现抗虫基因在棉花中的表达，提前要做哪些关键工作？
2、生：要将抗虫基因切割下来；要将抗虫基因整合到棉花的DNA上。师：这里存在一个基因转移的实际问题，就是如何将控制抗虫的基因转入棉花细胞的问题。师：中国有句俗语叫“没有金刚钻儿，不揽瓷器活儿”。科学家们在实施基因工程之前，苦苦求索，终于找到了实施基因工程的三种“金刚钻儿”，使基因工程的设想成为了现实。这三种“金刚钻儿”是什么？有什么特点和具体作用？下面我们就来学习这方面的内容。方式方式二二科学设想，能否让禾本科植物也能固定空气中的氮？能否让细菌“吐出”蚕丝？能否让微生物产生人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？经过多年努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术基因工程。这一技术是在DN
3、A分子水平上进行的，在微小的DNA分子上进行的操作，需要专用的工具。这些工具是什么？各自的作用是什么？让我们一起来了解一下吧！一、基因工程的发展历程二、基因工程操作的两种工具酶内容索引当堂检测三、基因工程中的工具载体一、基因工程的发展历程基础梳理1.理论与技术基础的发展理论与技术基础的发展1953年：沃森和克里克建立 结构模型。1957年：科恩伯格等首次发现 。1958年：梅塞尔森和斯塔尔发现 的机理。克里克提出 。DNA聚合酶DNA分子双螺旋DNA半保留复制中心法则19611966年：尼伦伯格等破译 。1967年：罗思和赫林斯基等发现运转工具 和 。1970年：特明和巴尔的摩各自在RNA病毒
4、中发现 酶。史密斯等人分离到 。1977年：桑格首次完成基因组的测序工作。遗传密码质粒DNA连接酶逆转录限制性核酸内切酶猿猴病毒SV40的DNA 同一种限制性核酸内切酶噬菌体的DNADNA连接酶重组的 分子成就：世界上首次DNA分子 。2.重组重组DNA技术的发展技术的发展(1)1972年科学家伯格等实验过程杂种DNA体外重组大肠杆菌质粒DNA(含卡那霉素抗性基因)同一种限制性核酸内切酶另一种大肠杆菌质粒DNA(含四环素抗性基因)DNA连接酶_(2)1973年科学家科恩等实验重组DNA分子大肠杆菌转化 子代大肠杆菌(双重抗性)(3)不同物种间DNA重组实验过程：非洲爪蟾核糖体蛋白基因的DNA片
5、段大肠杆菌质粒 重组DNA 大肠杆菌 转录出相应 。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 。mRNA基因工程方法人工“”和“”等原理对生物的基因进行改造和 (基因重组)操作水平 (分子)水平目的产生人类需要的_操作环境_优点定向改造生物的_3.基因工程基因工程的概念的概念剪切拼接重新组合基因基因产物体外遗传性状问题探究1.有性生殖中的基因重组是随机的，且只能在同一物种间进行。基因工程操作导致的基因重组与前述基因重组有何区别？答案答案答案基因工程可以在不同物种间进行基因重组，并且方向性强，可以定向地改变生物的性状。2.基因工程的理论基础(1)不同生物的DNA分子能拼接起来的原
6、因分析基本组成单位相同：都是四种 。双链DNA分子的空间结构相同：都是规则的 。DNA碱基对之间的关系相同：均遵循严格的 原则。(2)外源基因能够在受体内表达，并使受体表现出相应的性状的原因分析基因的功能特点：控制生物体性状的 单位，具有相对独立性。遗传信息的传递方向都遵循 。生物界共用一套 。脱氧核苷酸双螺旋结构碱基互补配对结构和功能中心法则遗传密码拓展应用1.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.定向提取生物体内的DNA分子B.定向地对DNA分子进行人工“剪切”C.在生物体外对DNA分子进行改造D.定向地改造生物的遗传性状解析解析基因工程能按照人
7、们的意愿通过相关技术操作赋予生物以新的遗传特性。答案解析2.目前，科学家把兔子血红蛋白基因导入大肠杆菌细胞中，在大肠杆菌细胞中合成了兔子的血红蛋白。下列不是这一先进技术的理论依据的是A.所有生物共用一套遗传密码B.基因能控制蛋白质的合成C.兔子血红蛋白基因与大肠杆菌的DNA都是由四种脱氧核苷酸构成，都遵循相同的碱基互补配对原则D.兔子与大肠杆菌有共同的原始祖先答案解析解析解析题干表述的是目的基因导入受体细胞并得以表达的过程，目的基因在不同生物细胞中能够表达出相同的蛋白质，说明控制其合成的信使RNA上的密码子是共用的，相同的密码子决定相同的氨基酸，A正确；基因是通过转录出信使RNA，进而控制蛋白
8、质的合成，B正确；基因是有遗传效应的DNA片段，只要是双链DNA都遵循碱基互补配对原则，其组成原料都是四种脱氧核苷酸，C正确；生物之间是否有共同的原始祖先与转基因技术之间没有必然关系，D错误。二、基因工程操作的两种工具酶基础梳理1.“分子手术刀分子手术刀”限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶(又称限制酶又称限制酶)(1)来源：主要从原核生物中分离出来。(2)特点：具有 。识别DNA分子上特定的 序列。断开每条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的 。脱氧核苷酸特异性(专一性)磷酸二酯键(3)识别序列组成：大多数由 组成。特点：一般具有 。(4)作用结果：产生 末端或 末端。2.“分子针线分子针线”DN
9、A连接酶连接酶(1)作用：连接DNA分子基本骨架之间的 。(2)结果：形成重组DNA分子。6个核苷酸黏性平口回文序列磷酸二酯键问题探究1.仔细观察下列两种限制酶作用示意图，尝试回答下列问题：(1)两种限制酶的识别序列和切割位点分别是什么？答案答案答案EcoR的识别序列为GAATTC，切割位点是在G和A之间。Hae的识别序列有AGGCCT，切割位点在G和C之间。(2)由以上分析可知限制酶的作用是什么？有何作用特点？答案答案答案限制酶的作用是：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。特点是特异性地识别和切割双链DNA分子。答案答案DNA
10、连接酶的作用部位为，形成了磷酸二酯键。DNA连接酶和限制性核酸内切酶作用部位都是磷酸二酯键，但作用结果不同，前者是断裂磷酸二酯键，形成DNA片段，后者是形成磷酸二酯键，连接DNA片段。2.如图1所示，EcoliDNA连接酶和T4DNA连接酶均可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，相当于把梯子两边的扶手的断口连接起来。DNA连接酶和限制性核酸内切酶的关系如图2所示：由图可知DNA连接酶的作用部位是“”还是“”，形成了什么化学键？与限制性核酸内切酶相比作用部位和作用结果有何异同？答案答案答案不相同。DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来，而DNA聚合酶是将单个的脱氧核苷酸加到已有的DNA片段上。3.
11、DNA连接酶和DNA聚合酶的异同(1)DNA连接酶和DNA聚合酶均能形成磷酸二酯键，二者的作用对象相同吗？为什么？答案比较项目DNA连接酶DNA聚合酶相同点催化两个 之间形成磷酸二酯键不同点模板 模板需要 为模板作用对象游离的DNA片段单个的_作用结果形成完整的DNA分子形成DNA分子的一条链用途基因工程DNA分子复制(2)比较DNA连接酶和DNA聚合酶的异同点脱氧核苷酸不需要DNA的一条链脱氧核苷酸4.在右图中标出限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶和DNA解旋酶的作用部位。答案答案如图所示答案限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶作用于a处化学键，而解旋酶作用于b处化学键。拓展应用3.下表为常用
12、的限制性核酸内切酶(限制酶)及其识别序列和切割位点，由此推断以下说法中，正确的是注：注：Y表示C或T，R表示A或GA.一种限制酶只能识别一种核苷酸序列B.限制酶切割后一定形成黏性末端C.不同的限制酶可以形成相同的黏性末端D.限制酶的切割位点在识别序列内部 答案解析限制性核酸内切酶 识别序列和切割位点 限制性核酸内切酶 识别序列和切割位点BamHGGATCCKpnGGTACCEcoRGAATTCSau3AGATCHindGTYRACSmaCCCGGG解析解析根据表格内容可以推知，每种限制酶都能识别特定的核苷酸序列，但不一定只能识别一种序列，如限制酶Hind，A项错误；限制酶切割后能形成黏性末端或
13、平口末端，如限制酶Hind切割后露出平口末端，B项错误；不同的限制酶切割后可能形成相同的黏性末端，如限制酶BamH和Sau3A切割后露出的黏性末端相同，C项正确；限制酶的切割位点可以位于识别序列的外侧，如Sau3A，D项错误。一题多变一题多变判断正误：(1)一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核糖核苷酸序列()(2)限制性核酸内切酶的活性受温度、pH的影响，总有一个最合适的条件()解析解析限制性核酸内切酶只能够识别双链DNA分子的某种特定的脱氧核苷酸序列，不能识别RNA分子的核糖核苷酸序列，错误。答案解析解析解析同其他的酶一样，限制性核酸内切酶同样受温度和pH的影响，而且具有发挥最大催化效率
14、的最适温度和最适pH，正确。(3)限制性核酸内切酶能破坏相邻脱氧核苷酸之间的化学键()(4)限制性核酸内切酶不只存在于原核生物中，其合成场所是核糖体()解析解析限制性核酸内切酶催化的是特定部位磷酸二酯键的断裂，属于水解反应，正确。答案解析解析解析限制性核酸内切酶主要从原核生物中分离纯化，也有来自真核细胞的，其本质是蛋白质，在核糖体上合成，正确。解析解析DNA连接酶和DNA聚合酶都是催化2个脱氧核苷酸分子之间形成磷酸二酯键。但DNA连接酶是在2个DNA片段之间形成磷酸二酯键，将2个DNA片段连接成重组DNA分子；DNA聚合酶是将单个的脱氧核苷酸分子加到已存在的DNA片段上形成磷酸二酯键，合成新的
15、DNA分子。4.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个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键B.将断开的2个DNA片段的骨架连接起来，重新形成磷酸二酯键C.连接2条DNA链上碱基之间的氢键D.只能将双链DNA片段互补的黏性末端连接起来，而不能将两者之间 的平口末端进行连接答案解析三、基因工程中的工具载体1.常用的载体：常用的载体：质粒、噬菌体的衍生物、等。是最早应用的载体，它是细菌细胞中的一类 的、结构简单、独立于细菌_ 之外，并具有 能力的 状DNA分子。2.质粒的基本质粒的基本结构结构(1)重组质粒进入受体细胞后要扩增产生更多的带有目的基因的质粒，因此应具备 。(2)重
16、组质粒进入受体细胞后要进行鉴定和筛选，一般利用质粒上特殊的 。(3)为了便于外源DNA分子的插入，要求质粒必须有一个至多个_ 的切割位点。基础梳理质粒动、植物病毒拟核祼露DNA自我复制复制原点环标记基因限制性核酸内切酶问题探究右图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，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，它们的化学本质都是什么？2.某目的基因切割末端为 ，为使质粒和目的基因连接在一起，质粒应有的一段核苷酸序列及被限制酶切割的末端分别是什么？答案答案DNA。答案答案ACGCGTCGCGT TGCGCA；A答案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
17、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？4.由以上分析总结作为载体必须具备哪些条件？答案答案用作标记基因，供重组DNA的鉴定与选择。答案答案答案作为载体必须具备的条件：(1)必须有一个至多个限制酶切割位点；(2)必须具备自我复制的能力；(3)必须有标记基因。标记基因的筛选原理(1)前提：载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。(2)过程：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，然后在培养基中加入该抗生素。拓展拓展提升提升(3)结果
18、：在培养基上，被抗生素杀死的是没有抗性的受体细胞，没被杀死的具有抗性的受体细胞得以筛选。如下图：拓展应用5.质粒是基因工程中最常用的载体，它存在于许多细菌体内。某细菌质粒上有标记基因如图所示，通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转入成功。外源基因插入的位置不同，细菌在培养基上的生长情况也不同，如图所示是外源基因插入位置(插入点有a、b、c)，请根据表中提供的细菌生长情况，推测三种重组后细菌的外源基因插入点，细菌在含氨苄青霉素的培养基上的生长状况细菌在含四环素的培养基上的生长状况能生长能生长能生长不能生长不能生长能生长正确的一组是A.是c；是b；是a B.是a和b；是a；是bC.是a和b
19、；是b；是a D.是c；是a；是b 答案解析解析解析细菌能在含氨苄青霉素和四环素的培养基上生长，说明抗氨苄青霉素基因和抗四环素基因没有被破坏，所以插入点是c。对细菌来说，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，说明其抗氨苄青霉素基因正常而抗四环素基因被破坏，插入点为b。细菌不能在含氨苄青霉素的培养基上生长，说明其抗氨苄青霉素基因被插入而破坏，故插入点为a。一题多变一题多变判断正误：(1)为供外源DNA插入质粒，质粒DNA分子上有一个至多个限制酶切割位点()(2)质粒上的特殊标记基因可以供外源DNA片段插入质粒()(3)细菌核区的DNA也常被用做载体()答案课堂小结受体细
20、胞核苷酸磷酸二酯键当堂检测1.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23451解析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。答案解析2.下列关于限制酶和DNA连接酶的说法中，正确的是A.其化学本质都是蛋白质B.DNA连接酶可恢复DNA分子中的氢键C.在基因工程中DNA聚合酶可以替代DNA连接酶D.限制酶切割后一定能产生黏性末端答案23415解析解析限制酶和DNA
21、连接酶的化学本质都是蛋白质。解析234153.已知某种限制酶在一线性DNA分子上有3个酶切位点，如图中箭头所指。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A.3 B.4 C.9 D.12 答案解析解析解析解本题的关键是要理解“在每个DNA分子上至少有1个酶切位点被该酶切断”，即一个DNA分子可能被切了一个位点，也可能被切了两个或三个位点，要分开考虑，不要遗漏和重复。切一个位点情况下
22、可得到a和bcd、ab和cd、abc和d；切两个位点情况下可得到a、b和cd；a、bc和d；ab、c和d；切三个位点情况下可得到a、b、c、d。一共可以得到九种片段，分别是a、b、c、d、ab、abc、bc、bcd、cd。234154.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我复制的小型环状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2341答案5解析解析质粒是细菌细胞质中能自我复制的小型环状DNA分子，可以在细菌细胞内或宿主细胞内复制。解析5.通过DNA重组技术使原有基
23、因得以改造的动物称为转基因动物。运用这一技术使羊奶中含有人体蛋白质，如图表示了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：23415(1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是_。人体蛋白质基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中时需要的酶是_。限制酶DNA连接酶答案23415解析23415解析解析基因工程所用的工具酶是限制酶和DNA连接酶。不同生物的基因之所以能整合在一起，是因为基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的。将目的基因导入受体细胞，离不开载体的协助，基因工程中用的载体除质粒外，还有动植物病毒、噬菌体的衍生物等。(2)请画出质粒被切割形成黏性末端的过程图。(3)人体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_。答案答案碱基配对方式和空间结构是相同的载体基因的组成、答案23415GGATCC 质粒、动植物病毒、噬菌体的衍生物等
