第3章 第1节 重组DNA技术的基本工具(Word教参)-【精讲精练】2024-2025学年高中生物选择性必修3（人教版2019 多选）

第1节　重组DNA技术的基本工具 学习目标 1.简述重组DNA技术所需的三种基本工具及其作用 生命观念 2.认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新 社会责任 3.进行DNA的粗提取与鉴定 科学探究 一、基因工程及其诞生与发展 1．基因工程的概念 2．基因工程的诞生和发展 (1)基因工程的诞生 (2)基因工程的发展 二、重组DNA技术的基本工具 1．限制性内切核酸酶——“分子手术刀” DNA连接酶对所连接的DNA片段两端的碱基序列没有专一性要求。 2．DNA连接酶——“分子缝合针” 3．基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” (1)常用载体——质粒 ①化学本质：质粒是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外，并具有自我复制能力的环状双链DNA分子。 ②质粒作为载体所具备的条件及原因 (2)其他载体：噬菌体、动植物病毒等。 (3)功能 ①相当于一种运输工具，将外源基因送入受体细胞。 ②携带外源基因在受体细胞内大量复制。 三、DNA的粗提取与鉴定 1．实验原理 (1)DNA不溶于酒精，某些蛋白质溶于酒精。 (2)DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，它能溶于2 mol/L的NaCl溶液。 (3)在一定温度下，DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。 2．实验步骤 ★沸水浴下DNA与二苯胺试剂反应，溶液呈现蓝色 (1)充分研磨的目的是裂解细胞，释放DNA。 (2)在研磨液过滤获得的上清液中加入体积分数为95%的酒精溶液的目的是使DNA析出(填“溶解”或“析出”)，依据的原理是DNA不溶于酒精溶液，但是细胞中的某些蛋白质溶于酒精。 (3)用玻璃棒搅拌时沿一个方向搅拌的目的是防止DNA断裂。 随着世界人口不断增加，土地不断减少、沙化等问题相继出现，人类生存面临威胁。20世纪50年代以来兴起的基因工程技术，使人类看到了解决这一紧迫问题的曙光。基因工程技术的产生也带动了社会文明的进步。如今，基因工程已被广泛应用于动植物、医学及环境保护等方面。因此，掌握其原理，了解其发展现状及应用对基因工程技术的进一步发展有重要的意义。结合所学知识判断： (1)限制性内切核酸酶均能特异性地识别6个核苷酸序列(×) (2)DNA连接酶能将两碱基间通过氢键连接起来(×) (3)E.coli DNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端(×) (4)限制酶和解旋酶的作用部位相同(×) (5)在溶有DNA的NaCl溶液中，加入二苯胺试剂即呈蓝色(×) 探究点一　重组DNA技术的工具酶 BamHⅠ和BclⅠ是两种限制酶，其识别序列及切割位点如下表所示。探究下列问题： 限制酶 BamHⅠ BclⅠ 识别序列 及切割位点 (1)限制酶不能(填“能”或“不能”)切割原核细胞自身的DNA，试推测其理由是原核细胞DNA中不存在限制酶的识别序列或能被识别的序列被修饰了。 (2)若某链状DNA分子中含有两个BamHⅠ的识别序列，该DNA分子将被切成3个片段，共断裂4个磷酸二酯键。 (3)请画出BclⅠ切割后产生的末端。 提示　—T　GATCA— —ACTAG　T— (4)BamHⅠ和BclⅠ切割后产生的黏性末端能否被DNA连接酶连接？说明你的理由。 提示　能，二者切割后产生的黏性末端相同，可被DNA连接酶连接。 (5)为什么不同生物的DNA分子能拼接起来？ 提示　①DNA的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸；②双链DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构；③DNA分子都遵循碱基互补配对原则。 1．基因工程的理论基础 2．限制酶与DNA连接酶的比较 种类 限制酶 DNA连接酶 不同 点 作用 使特定部位的磷酸二酯键断裂 在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键 应用 用于提取外源基因和切割载体 用于基因表达载体的构建(详见本章第2节) 关系 氢键是分子间作用力，其断裂和重新形成均与限制酶、DNA连接酶无关。　 3．DNA连接酶与DNA聚合酶的比较 种类 DNA连接酶 DNA聚合酶 相同点 催化形成磷酸二酯键 不 同 点 模板 不需要模板 需要模板 作用实质 在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键 将单个脱氧核苷酸加到已存在的核苷酸链的3′端，形成磷酸二酯键 作用结果 连接两个DNA片段 形成DNA的子链 1．限制酶a和b的识别序列和切割位点如图所示，下列有关说法正确的是(　　) A．一个DNA分子中，酶a与酶b的识别序列可能有多个 B．酶a与酶b切出的黏性末端不能相互连接 C．酶a与酶b切断的化学键不完全相同 D．用酶a切割有3个切割位点的环状DNA分子，得到4种切割产物 解析　一个DNA分子中，可能存在一个至多个酶a与酶b的识别序列，A正确；由题图可知，酶a与酶b的识别序列虽然不同，但切出的黏性末端相同(或互补)，互补的黏性末端能相互连接，B错误；酶a与酶b切断的化学键均为相邻脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，C错误；用酶a切割有3个切割位点的环状DNA分子，可得到3种切割产物，D错误。 答案　A 2．(不定项)(2024·北京密云区期末)下列各种酶及其作用对应关系正确的是(　　) A．限制酶——识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开 B．RNA聚合酶——与基因的特定位点结合，催化遗传信息的翻译 C．DNA连接酶——将分开的DNA片段通过特定末端连接在一起 D．DNA聚合酶——将单个脱氧核苷酸连接到已有的核苷酸链上 解析　限制酶能识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开，A正确；RNA聚合酶与基因的特定位点结合，催化遗传信息的转录，B错误；DNA连接酶将两个DNA片段连接在一起，在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键，C正确；DNA聚合酶将单个脱氧核苷酸连接到已有的核苷酸链上，形成磷酸二酯键，D正确。 答案　ACD　　　　　　　　　　　　 探究点二　基因工程的载体 分析质粒载体结构模式图，探究下列问题： (1)质粒上的××抗性基因在基因工程中的作用是作为标记基因，便于重组DNA分子的筛选。 (2)将外源基因直接导入受体细胞可行吗？为什么？ 提示　不可行；直接把外源基因导入受体细胞，外源基因在细胞内不能进行复制、转录和稳定保存。 (3)为使外源基因插入质粒中，质粒需具备什么条件？ 提示　质粒应有一个至多个限制性内切核酸酶的切割位点，供外源基因插入其中。 1．载体上标记基因的标记原理 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。当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞后，抗性基因在受体细胞内表达，使受体细胞能够抵抗相应抗生素，所以在受体细胞的培养体系中加入该种抗生素就可以只保留转入载体的受体细胞，原理如图所示： 2．基因工程载体需具备的条件 (1)能自我复制：能够在受体细胞中进行自我复制，或整合到受体DNA上，随受体DNA同步复制。 (2)有切割位点：有一个至多个限制酶切割位点，供外源基因插入其中。 (3)具有标记基因：具有特殊的标记基因，便于重组DNA分子的筛选。 (4)无毒害作用：对受体细胞无毒害作用，否则受体细胞将受到损伤甚至死亡。 说明：一般来说，天然载体不能同时满足所有条件，要对其进行人工改造才可以使用。 3．基因工程中的载体与细胞膜上的载体蛋白的区别 种类 基因工程中的载体 细胞膜上的载体蛋白 作用 携带外源基因进入受体细胞，并在受体细胞中进行自我复制，或整合到受体DNA上，随受体DNA进行同步复制 运载要进出细胞的特定物质 本质 通常是DNA 蛋白质 3．(2024·天津高二检测)下列关于质粒的叙述，正确的是(　　) A．质粒和真核细胞DNA的基本组成单位不同 B．质粒的复制过程是在受体细胞外独立进行的 C．质粒是存在于所有细胞中蛋白质合成的场所 D．质粒是细胞质中能够自我复制的环状DNA分子 解析　质粒是独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外，并具有自我复制能力的环状双链DNA分子，组成单位与真核细胞的DNA完全相同，都是脱氧核苷酸；质粒作为基因工程的载体，可以进入受体细胞进行自我复制；细胞中蛋白质合成的场所是核糖体。 答案　D 4．质粒是基因工程中最常用的载体，质粒上有标记基因(如下图所示)，通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转移成功。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。下图表示外源基因插入位置(插入点有a、b、c)，请据下表细菌生长情况，推测①②③三种重组细菌与外源基因插入点相对应的一组是(　　) 重组细菌 含氨苄青霉素 的培养基 含四环素 的培养基 ① 能生长 能生长 ② 能生长 不能生长 ③ 不能生长 能生长 A．①是a，②是c，③是b B．①是c和b，②是b，③是c C．①是c和b，②是c，③是b D．①是a，②是b，③是c 解析　第①组细菌能在含氨苄青霉素的培养基上生长，说明抗氨苄青霉素基因没有被破坏，细菌能在含四环素的培养基上生长，说明抗四环素基因没有被破坏，由此可知，外源基因插入的位置是a；第②组细菌能在含氨苄青霉素的培养基上生长，说明抗氨苄青霉素基因没有被破坏，细菌不能在含四环素的培养基上生长，说明抗四环素基因被破坏，由此可知，外源基因插入位置是c；第③组细菌不能在含氨苄青霉素的培养基上生长，说明抗氨苄青霉素基因被破坏，细菌能在含四环素的培养基上生长，说明抗四环素基因没有被破坏，由此可知，外源基因插入的位置是b。 答案　A 探究点三　DNA的粗提取与鉴定 DNA、RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面存在差异，可以利用这些差异，选用适当方法进行提取；在一定温度下，DNA遇二苯胺试剂呈蓝色，因此可利用二苯胺试剂鉴定DNA。探究下列问题： 取材研磨→过滤取上清液→析出DNA→鉴定DNA (1)研磨洋葱时加入的研磨液有什么作用？为什么要求充分研磨？ 提示　加入研磨液有利于DNA的释放；研磨不充分会使细胞核内的DNA释放不完全，提取的DNA量变少，影响实验结果，可能导致看不到丝状沉淀物或用二苯胺试剂鉴定不显示蓝色等。 (2)现有猪血和鸡血适量，能否用来提取DNA？用血细胞作材料可采用何种方法使细胞中的DNA释放？ 提示　不能选用猪血，因为猪属于哺乳动物，其成熟的红细胞没有细胞核及众多细胞器，不含DNA；可选用鸡血作为提取DNA的材料。在鸡血中加入蒸馏水，使血细胞吸水涨破，从而使细胞中的DNA释放。 (3)上清液中加入预冷的酒精溶液有何作用？为什么要求玻璃棒沿着一个方向搅拌？ 提示　DNA不溶于酒精，加入预冷的酒精溶液有利于DNA的析出。预冷的酒精溶液具有以下优点：一是抑制核酸水解酶活性，防止DNA降解；二是降低分子运动，易于形成沉淀析出；三是低温有利于增加DNA分子柔韧性，减少断裂。玻璃棒沿着一个方向搅拌可防止丝状DNA破碎，可以完整地缠在玻璃棒上。 DNA的粗提取与鉴定实验成功的关键点 (1)本实验不能用哺乳动物成熟的红细胞作实验材料，原因是哺乳动物成熟的红细胞无细胞核(无DNA)，可选用鸡血细胞作材料。 (2)二苯胺试剂要现配现用，否则会影响鉴定的效果。 (3)提取植物细胞的DNA，在研磨时加入NaCl的目的是溶解DNA。 (4)在DNA进一步提纯时，选用预冷的体积分数为95%的酒精的作用是溶解杂质和析出DNA。 5．(2024·山东卷)关于“DNA的粗提取与鉴定”实验，下列说法正确的是(　　) A．整个提取过程中可以不使用离心机 B．研磨液在4 ℃冰箱中放置几分钟后，应充分摇匀再倒入烧杯中 C．鉴定过程中DNA双螺旋结构不发生改变 D．仅设置一个对照组不能排除二苯胺加热后可能变蓝的干扰 解析　研磨后，可以将研磨液过滤到烧杯中，在4 ℃冰箱中放置几分钟后，再取上清液，可以不使用离心机，A正确，B错误。鉴定过程中的沸水浴加热可使DNA双螺旋结构发生改变，C错误。该实验中，为排除二苯胺加热后可能变蓝对实验结果造成干扰，可设置加二苯胺不加DNA的对照组，D错误。 答案　A 6．(2024·南通质检)下列关于“DNA的粗提取与鉴定”实验叙述，错误的是(　　) A．酵母和菜花均可作为提取DNA的材料 B．DNA既溶于2 mol/L NaCl溶液也溶于蒸馏水 C．DNA溶液加入二苯胺试剂沸水浴加热，冷却后变蓝 D．向洋葱研磨液的上清液中加蒸馏水搅拌，可见玻棒上有白色絮状物 解析　酵母和菜花细胞中均含有较多的DNA，均可作为提取DNA的材料，A正确；DNA既溶于2 mol/L NaCl溶液也溶于蒸馏水，B正确；利用DNA与二苯胺沸水浴加热呈蓝色的特征，可用于DNA的鉴定，C正确；向洋葱研磨液的上清液中加预冷的酒精溶液(体积分数为95%)搅拌，可见玻璃棒上有白色絮状物，D错误。 答案　D [课堂小结] [课堂巩固] 1．科学家经过多年的努力，创立了一种新兴的生物技术——基因工程。实施该工程的最终目的是(　　) A．定向对DNA分子进行人工“剪切” B．在生物体外对DNA分子进行改造 C．定向改造生物的遗传性状 D．定向提取生物体的DNA分子 解析　实施基因工程的最终目的是定向改造生物的遗传性状，C正确。 答案　C 2．如图表示由不同的限制酶切割而成的DNA末端及相关的酶作用位点。下列叙述错误的是(　　) A．甲、乙、丙都属于黏性末端 B．甲、乙片段可形成重组DNA分子，但甲、丙不能 C．DNA连接酶的作用位点在乙图中b处 D．切割甲的限制酶不能识别由甲、乙片段形成的重组DNA分子 解析　由图可知，甲、乙、丙都属于黏性末端，A正确；甲、乙的黏性末端相同，因此可在DNA连接酶的作用下形成重组DNA分子，但甲、丙的黏性末端不同，它们之间不能形成重组DNA分子，B正确；DNA连接酶催化磷酸基团和脱氧核糖之间形成磷酸二酯键，C错误；切割甲的限制酶的识别序列为GAATTC∥CTTAAG，而甲、乙片段形成的重组DNA分子序列为GAATTG∥CTTAAC，因此切割甲的限制酶不能识别由甲、乙片段形成的重组DNA分子，D正确。 答案　C 3．(2024·山东莱州一中月考改编)以洋葱为材料进行DNA的粗提取与鉴定实验，相关叙述错误的是(　　) A．可将洋葱换成哺乳动物的血液进行该实验 B．向含DNA的滤液中加入2 mol/L的NaCl溶液，有利于去除杂质 C．向含DNA的滤液中加入预冷的体积分数为95%的酒精溶液，有利于获得较纯净的DNA D．用二苯胺试剂鉴定DNA时进行沸水浴，有利于显色反应的发生 解析　哺乳动物成熟的红细胞中没有细胞核和线粒体等，DNA含量少，不宜作为该实验的材料，A错误；在2 mol/L的NaCl溶液中，DNA的溶解度较大，进而可去除不溶的杂质，B正确；DNA不溶于酒精，但某些蛋白质溶于酒精，向含DNA的滤液中加入预冷的体积分数为95%的酒精溶液，有利于获得较纯净的DNA，C正确；DNA与二苯胺试剂在沸水浴条件下反应呈蓝色，D正确。 答案　A 4．以下有关重组DNA技术的基本工具的说法中，正确的是(　　) A．一种限制性内切核酸酶只能识别某种特定的脱氧核苷酸序列 B．质粒是基因工程中唯一的载体 C．载体必须具备的条件之一是具有多个限制性内切核酸酶切割位点，以便与外源基因连接 D．DNA连接酶使黏性末端的碱基之间形成氢键 解析　限制性内切核酸酶具有专一性，一种限制性内切核酸酶只能识别某种特定的脱氧核苷酸序列。质粒是最常用的载体，除质粒外，噬菌体、动植物病毒等也可作载体。载体必须具备的条件之一是具有一个至多个限制性内切核酸酶切割位点。而不是必须具备多个限制性内切核酸酶切割位点。DNA连接酶的作用是恢复被限制性内切核酸酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。 答案　A 5．如图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，据图回答下列问题： (1)a代表的物质和质粒的化学本质相同，都是________，二者还具有其他共同点，如①________，②________(写出两条即可)。 (2)若质粒DNA分子的切割末端为，则与之连接的目的基因切割末端应为________；可使用________把质粒和目的基因连接在一起。 (3)氨苄青霉素抗性基因在质粒DNA上称为________，其作用是__________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________。 (4)下列常在基因工程中作为载体的是________。 A．苏云金杆菌抗虫基因 B．土壤农杆菌环状RNA分子 C．大肠杆菌的质粒 D．动物细胞的染色体 解析　图中a为大肠杆菌拟核中的遗传物质DNA。质粒是能自我复制的小型环状DNA分子，具有多个限制酶切点，便于连接多种目的基因；具有标记基因，便于检测目的基因是否导入受体细胞。DNA连接酶可将具有相同末端的质粒和目的基因连接起来。大肠杆菌的质粒是基因工程中最常用的载体，载体的本质为DNA，抗虫基因属于目的基因，不属于载体，染色体的主要成分为DNA和蛋白质，不属于载体。 答案　(1)DNA　①能够自我复制　②具有遗传效应　(2)　DNA连接酶　　(3)标记基因　用于重组DNA的鉴定和选择　(4)C 学科网（北京）股份有限公司 $$