内容正文:
基因工程
第3章
第1节 重组DNA技术的基本工具
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生物学 选择性必修3
教材梳理·新知全解
关键能力·合作探究
随堂检测·即时巩固
课时作业(十二)
目
录
Contents
教材梳理·新知全解
知识点1 重组DNA技术的基本工具
转基因
DNA分子
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生物学 选择性必修3
限制酶
原核生物
特定核苷酸
磷酸二酯键
平
中心轴线两侧
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中心轴线处
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磷酸二酯键
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自我复制
环状双
链DNA
限制酶
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自我复制
人工改造
标记基因
筛选
噬菌体
动植物病毒
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×
×
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√
√
×
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知识点2 DNA的粗提取与鉴定
物理和化学性质
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酒精
酒精
溶解度
2 mol/L
二苯胺
蓝
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纱布
4
1500 r/min
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酒精
白
10000 r/min
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2 mol/L的NaCl
二苯胺
沸水
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√
×
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×
×
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关键能力·合作探究
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拟核DNA
质粒
①
标记基因
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探究点1 重组DNA技术的基本工具
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不能
3
4
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探究点2 DNA的粗提取与鉴定
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洋葱、菜花
使DNA溶解
使DNA析出
DNA在2 mol/L的NaCl
溶液中的溶解度较高,而在0.14 mol/LNaCl溶液中的溶解度很低,向滤液D中加入蒸馏水可降低NaCl溶液的浓度,使DNA溶解度下降而沉淀析出,以便除去溶解在低盐溶液中的杂质
在沸水浴条件下,DNA遇二苯胺试剂会被染成蓝色
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体积分数为95%的冷酒精
粗提取的DNA
B
二苯胺
2mol/L的NaCl
不变蓝
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随堂检测·即时巩固
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课时作业(十二) 重组DNA技术的基本工具
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生物学 选择性必修3
制 作 者:状元桥
适用对象:高中学生
制作软件:Powerpoint2010、
Photoshop cs3
运行环境:WindowsXP以上操作系统
[课标要求] 1.概述基因工程是在遗传学、微生物学、生物化学和分子生物学等学科基础上发展而来的(生命观念)。2.阐明重组DNA技术的实现需要利用限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体三种基本工具(生命观念、科学思维)。3.DNA的提取和鉴定(科学探究)。
1.基因工程的概念
基因工程是指按照人们的愿望,通过__________等技术,赋予生物新的遗传特性,创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。从技术操作层面看,由于基因工程是在______________水平上进行设计和施工的,因此又叫作重组DNA技术。
2.限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
切割DNA分子的工具是限制性内切核酸酶,又称__________。
(1)来源:主要是从____________中分离纯化出来的。
(2)作用:识别双链DNA分子的______________序列,并且使每一条链中特定部位的______________断开。
(3)切割产物:DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式——黏性末端和______末端。
①黏性末端:由限制酶在它识别序列的________________将DNA分子的两条链分别切开形成。
②平末端:由限制酶在它识别序列的______________将DNA分子的两条链分别切开形成。
③两种切割末端图示:
3.DNA连接酶——“分子缝合针”
(1)DNA连接酶的作用:将双链DNA片段“缝合”起来,恢复被限制酶切开的______________。
(2)DNA连接酶的种类和特点
4.基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
(1)常用载体——质粒
①概念: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__________能力的______ _________分子。
②特点
a.质粒DNA分子上有一个至多个__________切割位点,供外源DNA片段插入其中。
b.携带外源DNA片段的质粒进入受体细胞后,能在细胞中进行__________,或整合到受体DNA上,随受体DNA同步复制。
③在基因工程操作中,真正被用作载体的质粒,都是在天然质粒的基础上进行过____________的,这些质粒上常有特殊的____________,便于重组DNA分子的________。
(2)其他载体
基因工程中使用的载体除质粒外,还有_______、___________等。
【辨正误】
(1)重组DNA技术所需要的工具酶有限制酶、DNA连接酶和载体。( )
基因工程中常用的工具酶有限制性内切核酸酶、DNA连接酶,载体不属于工具酶。
(2)所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列。( )
限制性内切核酸酶具有特异性,一种限制性内切核酸酶只能识别一种特定的核苷酸序列。
(3)当限制酶在它识别序列的中心轴线两侧将DNA两条链分别切开时,产生的是黏性末端。( )
(4)限制酶和DNA连接酶的作用部位一致,但作用相反。( )
(5)所有的DNA连接酶都能连接黏性末端和平末端。( )
在基因工程操作中,DNA连接酶主要有两类:E.coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶,前者只能连接黏性末端;后者可连接黏性末端和平末端,但是连接平末端的效率相对较低。
1.原理
(1)提取思路
DNA、RNA、蛋白质和脂质等在__________________方面存在差异,可以利用这些差异,选用适当的物理或化学方法对它们进行提取。
(2)提取原理
①DNA不溶于________,但某些蛋白质溶于________。利用这一原理,可以初步分离DNA与蛋白质。
②DNA在不同浓度的NaCl溶液中__________不同,它能溶于___________的NaCl溶液。
(3)鉴定原理
在一定温度下,DNA遇__________试剂会呈现______色。
2.实验过程
(1)称取约30 g洋葱,切碎,然后放入研钵中,倒入10 mL研磨液,充分研磨。
(2)在漏斗中垫上________,将洋葱研磨液过滤到烧杯中,在______℃冰箱中放置几分钟后,再取上清液。也可以直接将研磨液倒入塑料离心管中,在____________的转速下离心5 min,再取上清液放入烧杯中。
(3)在上清液中加入体积相等的、预冷的体积分数为95%的_______溶液,静置2~3 min,溶液中出现的____色丝状物就是粗提取的DNA。用玻璃棒沿一个方向搅拌,卷起丝状物,并用滤纸吸去上面的水分;或者将溶液倒入塑料离心管中,在___________的转速下离心5 min,弃上清液,将管底的沉淀物(粗提取的DNA)晾干。
3.DNA的鉴定
取两支20 mL的试管,各加入_________________溶液5 mL。将丝状物或沉淀物溶于其中一支试管的NaCl溶液中。然后,向两支试管中各加入4 mL的__________试剂。混合均匀后,将试管置于________中加热5 min。待试管冷却后,比较两支试管中溶液颜色的变化。
【辨正误】
(1)DNA粗提取的原理利用了DNA与蛋白质等物质的物理与化学性质方面的差异。( )
(2)在“DNA的粗提取与鉴定”实验中将DNA丝状物放入二苯胺试剂中沸水浴后冷却变蓝。( )
在“DNA的粗提取与鉴定”实验中,应该将DNA丝状物放入一定浓度的氯化钠溶液中溶解,再滴加二苯胺试剂,沸水浴加热后冷却变蓝。
(3)用玻璃棒缓慢搅拌滤液会导致DNA获得量减少。( )
用玻璃棒缓慢搅拌滤液,有利于提取DNA并防止搅拌时DNA断裂,并不影响DNA的提取量。
(4)DNA在NaCl溶液中溶解度远超蛋白质。( )
DNA在不同浓度NaCl溶液中溶解度不同,在2 mol/L NaCl溶液中溶解度最高。
1.(教材P72图示拓展)根据大肠杆菌及质粒结构模式图完成下列问题:
(1)图中A、B分别代表的物质是______________、________。
(2)①②两点具有限制酶切割位点的是_________。
(3)图中氨苄青霉素抗性基因可作为____________。
2.(教材P74“拓展应用”)为什么限制酶不切割细菌本身的DNA分子?
提示 细菌中的限制酶之所以不剪切自身DNA,是因为细菌在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制,其DNA分子中或者不具备这种限制酶的识别序列,或者通过甲基化酶将甲基转移到限制酶所识别序列的碱基上,使限制酶不能将其切开。
1.BamHⅠ和BclⅠ是两种限制酶,其识别序列及切割位点如下表所示。
限制酶
BamHⅠ
BclⅠ
识别序列及切割位点
(1)限制酶________(填“能”或“不能”)切割原核细胞自身的DNA。
(2)若某链状DNA分子中含有两个限制酶BamHⅠ的识别序列,该DNA分子将被切成______个片段,共断裂______个磷酸二酯键。
(3)请画出BclⅠ切割后产生的末端。
(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 (3)—T GATCA—
—ACTAG T—
(4)能;二者切割后产生的黏性末端相同,可被DNA连接酶连接。
2.通常利用质粒作为载体,将基因送入细胞。如图是质粒结构模式图,回答下列问题:
(1)质粒上的××抗性基因在基因工程中的作用是_________。
(2)将外源基因直接导入受体细胞可行吗?为什么?_______
(3)为使外源基因插入质粒中,质粒需具备什么条件?
提示 (1)作为标记基因,便于重组DNA分子筛选
(2)不可行;直接把外源基因导入受体细胞,外源基因在受体细胞内不能进行复制,转录和稳定保存。
(3)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.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“特定部分”的磷酸二酯键断裂;具有特异性
在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键;无识别的特异性,只要两个黏性末端(或平末端)能互补配对,DNA连接酶就将其“缝合”起来,重新形成DNA分子
应用
用于提取外源基因和切割载体
将两个DNA片段拼接成新的DNA分子
关系
3.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。如图所示:
【例1】 下表列举了几种限制酶的识别序列及其切割位点(箭头表示相关酶的切割位点)。下图是酶切后产生的几种末端。下列说法正确的是( )
限制酶
AluⅠ
BamHⅠ
SmaⅠ
Sau3AⅠ
识别序列及
切割位点
A.BamHⅠ切割的是氢键,AluⅠ切割的是磷酸二酯键
B.Sau3AⅠ和BamHⅠ切割的序列产生的黏性末端能够相连,连接后的片段还能被Sau3AⅠ切割
C.DNA连接酶能连接②⑤,不能连接②④
D.E.coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶都能连接①③,且连接效率低
答案 B
解析 限制酶BamHⅠ与AluⅠ切割的均是磷酸二酯键,A项错误;BamHⅠ切割Sau3AⅠ切割故二者切割后产生的黏性末端是相同的,因此二者切割后产生的黏性末端能够相连,连接后的片段能被Sau3AⅠ切割,但是不能被BamHⅠ切割,B项正确;②⑤的黏性末端相同,②④的黏性末端也相同,因此DNA连接酶能连接②⑤,也能连接②④,C项错误;E.coli DNA连接酶是从大肠杆菌中获得的,只能连接黏性末端,T4 DNA连接酶既可以连接黏性末端,也可以连接平末端,而图中①③属于平末端,只能用T4 DNA连接酶连接,D项错误。
【例2】 据图判断,下列有关酶功能的叙述不正确的是( )
A.切断a处的酶为限制酶
B.连接a处的酶为DNA连接酶
C.切断b处的酶为解旋酶
D.连接b处的酶为DNA聚合酶
答案 D
解析 a表示的是磷酸二酯键,切断a处的酶为限制性内切核酸酶,连接a处的酶为DNA连接酶,A、B项正确;b表示的是氢键,切断b处的酶为解旋酶,C项正确;DNA分子内氢键是自动形成的,不需要酶进行连接,D项错误。
1.即使用不同的限制酶进行切割,但只要切割后产生的黏性末端相同,就可用DNA连接酶连接起来。
2.辨析限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶等相关酶
项目
作用底物
作用结果
限制酶
DNA分子
断开磷酸二酯键,形成黏性末端或平末端
DNA连接酶
DNA分子片段
通过形成磷酸二酯键,进而形成新的DNA分子
项目
作用底物
作用结果
DNA聚合酶
脱氧核苷酸
通过形成磷酸二酯键,进而形成新的DNA分子
DNA水解酶
DNA分子
断开磷酸二酯键,形成脱氧核苷酸
解旋酶
DNA分子
断开碱基对间的氢键,形成单链DNA分子
RNA聚合酶
核糖核苷酸
通过形成磷酸二酯键,进而形成单链RNA分子
点悟:几种酶的作用部位图解:
(1)作用于a(磷酸二酯键)的酶:限制酶(断开)、DNA连接酶(形成)和DNA聚合酶(形成)。
(2)作用于b(氢键)的酶:解旋酶(断开)。
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,选用适当的物理或化学方法对它们进行提取。例如,DNA不溶于酒精,但某些蛋白质溶于酒精,利用这一原理,可以初步分离DNA与蛋白质。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。在一定温度下,DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色,因此二苯胺试剂可以作为鉴定DNA的试剂。下图为“DNA的粗提取与鉴定”实验的相关操作。
(1)图中实验材料A可以是______________等。图中所示步骤得到滤液C后,再向滤液中加入2 mol/L的NaCl溶液的目的是________________,之后再过滤得到滤液D并向滤液D中加入蒸馏水的目的是_____________,其原理是______________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(2)DNA鉴定的原理是_________________________________ ________________。
(3)如图甲、乙为“DNA的粗提取与鉴定”实验中涉及的两个操作装置图。
比较
加入物质
结果
实验组
______组
均加入:
a.4 mL__________试剂
b._______________溶液5 mL
丝状物
(DNA)
溶液____________
①图甲烧杯中所加溶液是____________________________,缠绕在玻璃棒上的丝状物为__________________。
②针对图乙的A、B试管,填写下表中空白处内容。
1.DNA粗提取的原理
2.DNA的粗提取与鉴定操作步骤原理及目的归纳
步骤
原理或目的
充分研磨
使细胞破碎,DNA溶解于研磨液中
过滤(或离心)
除去细胞膜等不溶性杂质,得到与蛋白质等杂质结合在一起的溶解于滤液(或上清液) 的DNA
搅拌(或离心)
析出DNA
加入预冷的酒精溶液,蛋白质溶于酒精,DNA不溶于酒精,将DNA和蛋白质等杂质分离
溶解
用2 mol/L的NaCl溶液溶解DNA
鉴定DNA
二苯胺试剂现配现用,水浴加热,溶液变蓝则证明有DNA存在
【例3】 (2023·广东)“DNA粗提取与鉴定”实验的基本过程是:裂解→分离→沉淀→鉴定。下列叙述错误的是( )
A.裂解:使细胞破裂释放出DNA等物质
B.分离:可去除混合物中的多糖、蛋白质等
C.沉淀:可反复多次以提高DNA的纯度
D.鉴定:加入二苯胺试剂后即呈现蓝色
答案 D
解析 DNA粗提取与鉴定实验的基本过程是:裂解、分离、沉淀、鉴定。裂解的目的是使细胞破裂,释放出DNA等物质,A项正确;DNA不溶于酒精,但某些蛋白质溶于酒精,利用这一原理,可以初步分离DNA与蛋白质等,去除混合物中的多糖、蛋白质等,B项正确;DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同,通过控制NaCl溶液的浓度去除杂质,可反复多次以提高DNA的纯度,C项正确;进行DNA鉴定时可以使用二苯胺试剂,但要进行沸水浴加热后才能观察到颜色变化, D项错误。
【例4】 (2024·山东)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
答案 A
解析 在DNA的粗提取与鉴定实验中,可将获得的研磨液用纱布过滤后,在4℃的冰箱中放置几分钟,再取上清液,也可以直接将研磨液用离心机进行离心后取上清液,A项正确;研磨液在4℃冰箱中放置几分钟后,DNA在上清液中,应取上清液倒入烧杯中,B项错误;鉴定过程中用沸水浴加热,DNA双螺旋结构会发生改变,C项错误;加入二苯胺试剂后沸水浴处理的时间要在5分钟以上,且要等到冷却后再观察结果,这样才可以观察到较为明显的显色反应,仅设置一个对照组可以排除二苯胺加热后可能变蓝的干扰,D项错误。
(1)粗提取的DNA中可能含有少量的蛋白质等。
(2)析出DNA时必须用“冷酒精”的原因。
①可抑制核酸水解酶的活性,进而抑制DNA降解。
②抑制分子运动,使DNA易形成沉淀析出。
③低温有利于增加DNA分子的柔韧性,减少其断裂。
(3)实验中出现的丝状物的主要成分是DNA,实际上每一根“丝”都是由许多DNA分子聚集在一起形成的;应用玻璃棒沿一个方向缓慢搅拌,避免破坏DNA。
(4)为减少DNA的损失,过滤过程一般使用纱布过滤。
(5)“DNA的粗提取与鉴定”实验中3种试剂的作用
①2 mol/L的NaCl溶液——溶解DNA。
②酒精(体积分数为95%)——除去杂质,提纯DNA。
③二苯胺试剂——DNA鉴定剂(沸水浴、呈蓝色)。
核心知识小结
[网络构建]
核心知识小结
[答题必备]
1.实现DNA分子重组至少需要三种工具:即切割DNA分子的“限制性内切核酸酶”、缝合DNA片段的“DNA连接酶”及将体外重组好的DNA分子导入受体细胞的“载体”。
2.大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成。DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式——黏性末端和平末端。
核心知识小结
3.DNA连接酶主要有两类:只连接黏性末端的E.coli DNA连接酶及连接两类末端的T4 DNA连接酶。
4.基因工程中使用的载体除质粒外,还有噬菌体、动植物病毒等,质粒上要有限制酶切割位点供外源DNA切入其中,还要有特殊的标记基因便于重组DNA分子的筛选。
1.基因工程中常用的DNA连接酶有E.coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶,以下说法正确的是( )
A.两种酶都可以连接平末端
B.两种酶都可以连接磷酸二酯键和氢键
C.E.coli DNA 连接酶连接的是磷酸二酯键,T4 DNA连接酶连接的是氢键
D.T4 DNA连接酶既能连接黏性末端,也能连接平末端
答案 D
解析 两种酶都可以连接黏性末端,只有T4 DNA连接酶可以连接平末端,A项错误、D项正确;两种DNA连接酶都只能连接磷酸二酯键,而不能连接DNA双链间的氢键,B、C项错误。
2.作为基因的运输工具——载体,必须具备的条件之一及理由是( )
A.能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制,以便提供大量的目的基因
B.具有多个限制酶切割位点,以便于目的基因的表达
C.具有某些标记基因,以便目的基因能够与其结合
D.对宿主细胞无伤害,以便于重组DNA的鉴定和选择
答案 A
解析 作为载体需能在宿主细胞内稳定保存并大量复制,A项正确;应有一个或多个限制酶切割位点,使外源DNA片段插入其中,B项错误;应具有标记基因,以便于重组DNA的鉴定和选择,C项错误;应对宿主细胞无伤害,以便目的基因能够与其结合,D项错误。
3.(2024·安徽)下列关于“DNA 粗提取与鉴定”实验的叙述,错误的是( )
A.实验中如果将研磨液更换为蒸馏水,DNA提取的效率会降低
B.利用DNA和蛋白质在酒精中的溶解度差异,可初步分离DNA
C.DNA在不同浓度NaCl溶液中溶解度不同,该原理可用于纯化DNA粗提物
D.将溶解的DNA粗提物与二苯胺试剂反应,可检测溶液中是否含有蛋白质杂质
答案 D
解析 将溶解的DNA粗提物与二苯胺试剂反应,可鉴定溶液中是否含有DNA,D项错误。
4.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时进行沸水浴加热,有利于显色反应的发生
答案 A
解析 哺乳动物成熟的红细胞中没有细胞核和线粒体等,不宜作为该实验的材料,A项错误;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项正确;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项正确;DNA与二苯胺试剂在沸水浴下反应呈蓝色,D项正确。
5.通过重组DNA技术使原有基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。如图表示这一技术的基本过程,在该工程中所用的基因“分子手术刀”能识别的序列和切点是。请回答下列问题:
(1)从羊染色体中“切下”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____________。
(2)请写出质粒被切割形成黏性末端的过程图。
(3)人体蛋白质基因能“插入”羊的染色体内,原因是________,“插入”时用的工具是_______,其种类有_________。
解析 (1)限制酶可以识别并切割特定的核苷酸序列,可从羊染色体中“切下”羊蛋白质基因。人的蛋白质基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中时需要DNA连接酶。(3)羊的染色体的主要成分是DNA和蛋白质,其DNA上的基因与人体蛋白质基因的结构是相同的,因此人体蛋白质基因能“插入”羊的染色体内。“插入”时用的工具是载体,载体的种类有质粒、动植物病毒和噬菌体等。
答案 (1)限制酶 DNA连接酶
(3)基因的结构是相同的 载体 质粒、动植物病毒和噬菌体等
$$