3.1 重组DNA技术的基本工具课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

抗虫棉我可厉害了，最近新疆棉的风波闹得沸沸扬扬。针对新疆地区的政治原因是司马昭之心路人皆知。但大家有没有想过，为什么专打棉花，而不是新疆的油料、小麦、玉米或是别的农作物？这其实跟二十多年前的一场中美转基因之战息息相关。今天叨叨就来讲一讲中国抗虫棉如何在国内击退孟山都，最终稳固了如今中国棉花大国的地位。这场战斗的导火索可以追溯到1992年我国的棉铃虫大灾。棉铃虫、鳞翅目昆虫，是棉花的主要害虫之一，我国自上世纪80年代起就使用菊酯类农药杀灭棉铃虫，但到了1992年，棉铃虫产生了极强的耐药性，可以在农药中游泳，取出后虫不死鸡，吃虫却被毒死。从过量撒药到人工捉虫，传统手段已经对棉铃虫束手无策，不仅农民收成全无，还产生了大量农药中毒的例子。这时候，我们把目光转向了新型的生物技术转基因抗虫棉。当年的美国孟山都公司在转基因种子市场上已然一副寡头的模样，在1988年成功研发了第一代BT转基因抗虫棉，可以有效防治棉铃虫的危害。1990年，孟山都拿着这个bt抗虫棉进入我国市场，在1992年棉铃虫泛滥之后，立马成为了一个香饽饽。抗虫棉不仅产量高，还可以大大减少农药的使用成本和人工成本，虽然种子贵一些，但依然是稳赚不赔到。1999年时，外国抗虫棉已经占据了我国棉花种植的绝大多数市场。可是孟山都的种子是出了名的黑，不仅需要我们交巨额的专利使用费用，每年种子还得另买。甚至希望和中缅所签订长达几十年的合同，借此抑制我国本土基因技术的研究。不过好在1980年代后期，863计划将生物技术放在重要位置，加上郭三堆等科学家的前沿技术与全国人民的大力支持，终于在1994年成功利用花粉管通道法研发了自己的抗虫棉技术，并于1998年获得国家发明专利。这使得我国成为了继美国之后第二个拥有BT抗虫棉专利的国家。此后，孟山都抗虫棉在国内的知识产权销售严重受限。十年以后的2008年，孟山都抗虫棉的市场份额从90%下降到了不到10%，进而转战印度市场。在之后的十年中，孟山都在印度市场赚得盆满钵满，印度人至今还在想办法摆脱。而我国这场抗虫棉知识产权的较量，可以说是我国基因工程历史上浓墨重彩的一笔，显然动了一些利益集团的奶酪。随着我国棉织品的不断发展，今天的风波也是意料之中的事。 DNA的粗提取与鉴定。当你制作DNA的双螺旋结构模型时，对DNA的结构与功能一定有了不少的了解。本探究实践为你提供了从生物体内直接提取DNA的机会。实验原理，一、GNA不溶于酒精，但是细胞中的某些蛋白质溶于酒精，利用这一原理可以初步分离DNA和蛋白质。2、DNA在不同浓度的氯化钠溶液中的溶解度不同，它能溶于两摩尔每升的氯化钠溶液。3、在沸水浴的条件下，DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色，因此二苯胺试剂可作为鉴定DNA的试剂盒。目的要求，一、了解DNA的物理和化学性质，理解DNA粗提取和鉴定的原理。2、学会DNA粗提取的方法，以及用二苯胺试剂对DNA进行鉴定。材料用具，用具电子天平称量。指离。心肌。微量移液器、一次性吸液枪头及枪头盒。烧杯，三脚架。试管家。玻璃棒、火柴、酒精灯、铁架台。漏斗。离心管滤纸，纱布。菜刀菜板研磨材料。研磨液。体积分数为95%的酒精。两摩尔每升氯化钠溶液。2、本案事迹，蒸馏水，新鲜的洋葱。实验步骤。研磨。用电子天平称量30克，洋葱切碎。放入研钵中。用一叶枪或两桶，量取十毫升研磨液。用研磨杵充分研磨。本实验处理材料的研磨液中含有12烷基硫酸钠，它的英文简称是SDS，可以使蛋白质变性并与DNA分离。EG7A它的全称是乙二胺四乙酸，是一种DNA酶的抑制剂，可以防止细胞破碎后DNA酶降解DNA trace三羟甲基氨基甲烷。它提供缓冲体系，可以使GNA在缓冲体系中呈稳定状态。过滤。把漏斗置于烧杯上方，在漏斗中垫上纱布。将洋葱研磨液过滤到烧杯中，在四摄氏度冰箱中放置五分钟。也可以将研磨液倒入塑料离心管中。在每分钟1500转的转速下离心五分钟。取上清液，放入烧杯中。吸出。在上清液中加入体积相等的遇冷的体积分数为95%的酒精溶液。静置2至3分钟，溶液中出现的白色丝状物就是粗提取的DNA。用玻璃棒沿一个方向搅拌，卷起白色丝状物。并用滤纸吸去多余的水分。鉴定。在两支试管中加入两摩尔每升的氯化钠溶液5毫升，将丝状物或者沉淀物溶于其中一支试管的氯化钠溶液中。然后向两支试管中各加入四毫升的二苯胺试剂。将两支试管内的溶液混合均匀。然后同时放入沸水中加热五分钟。待试管冷却后，比较两支试管中溶液颜色的变化。实验结果粗提取的DNA与二苯胺试剂发生反应后，溶液变成蓝色，对照组试管中溶液的颜色没有变化，说明实验基本成功。如果实验组试管中溶液不呈现蓝色，可能是由于提取的DNA含量低，或者实验操作过程中出现了失误。注意事项，一、用玻璃棒搅拌时，动作要轻缓，以免DNA分子断裂，导致不能形成絮状沉淀。22、本案试剂要现配现用，否则会影响鉴定的结果。进一步探究，本实验是粗提取了洋葱的DNA，我们也可以提取鉴定其他实验材料的DNA，并了解实验室提取纯度更高的DNA的方法。你还可以进一步对粗提取的DNA进行纯化。 第三章 基因工程 第1节 重组DNA技术的工具 本节聚焦 1.分析作为基因工程中三种基本工具各自的作用。2.分析基因工程载体需要具备的条件。 3.运用DNA的理化性质，分析DNA的粗提取与鉴定的原理。 关于转基因抗虫棉 课前导入 从转基因抗虫棉的诞生到基因工程的理论基础 ①不同生物的DNA能够进行拼接吗？ 能。 ①因为几乎所有生物的DNA分子都是由4种脱氧核苷酸组成的双螺旋结构 ②DNA分子都遵循碱基互补配对原则 这为不同生物的DNA拼接提供物质基础。 从转基因抗虫棉的诞生到基因工程的理论基础 ②Bt基因在棉花细胞中表达的产物是否还和原来相同也具有抗虫性呢？ 同样具有抗虫性。 ①基因是控制生物性状的遗传物质是结构和功能的基本单位 ②几乎所有生物共用一套遗传密码，都遵循中心法则 这为一种生物的基因在其他生物体内正常表达提供可能性。 基因工程的概念 任务一 1.概念：基因工程是指按照人们的愿望，通过转基因等技术，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。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫作重组DNA技术。 一、基因工程 例如，通过转基因技术，可以实现利用大肠杆菌生产人的胰岛素。在此实例中，目的基因是人胰岛素基因，受体细胞是大肠杆菌细胞，目的基因的表达产物是人胰岛素。 2.归纳深化概念 一、基因工程 别名 重组DNA技术 或 基因拼接技术 或 转基因技术 操作对象 基因 操作环境 生物体外 原理 基因重组 操作水平 DNA分子水平 基本过程 剪切→拼接→导入→表达 结果 符合人们需要的新的生物类型和生物产品 优点 克服远缘杂交不亲和障碍、定向改造生物性状 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？ 有性生殖中的基因重组是随机的，并且只能在同一物种间进行重组；基因工程可以实现遗传物质在不同物种间进行重组，并且方向性强，可以定向地改变生物的性状。 重组DNA技术的 基本工具 任务二 番木瓜容易受番木瓜环斑病毒的侵袭。当番木瓜被这种病毒感染后，产量会大大下降。科学家通过精心设计，用“分子工具”培育出了转基因番木瓜，它可以抵御番木瓜环斑病毒。 DNA双螺旋的直径只有2nm,对如此微小的分子进行操作，是一项非常精细的工作，更需要专门的“分子工具”。 从社会中来 在培育转基因番木瓜时，首先要在体外对含有所需要基因的DNA分子进行“切割”、改造和“拼接”;然后，将重组DNA分子导入番木瓜体细胞内，并使其在细胞中表达。实现这一精确的操作过程至少需要三种“分子工具”，即准确切割DNA分子的“分子手术刀”、将DNA片段再连接起来的“分子缝合针”和将体外重组好的DNA分子导入受体细胞的“分子运输车”。 二、重组DNA技术的基本操作工具 切割DNA分子的工具是限制性内切核酸酶，简称限制酶。 "分子手术刀"—限制性内切核酸酶（简称：限制酶） ①来源： 主要是从原核生物中分离纯化出来的。 ②种类： 迄今分离的限制酶有数千种 ③作用： 能够识别双链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。 "分子手术刀"—限制性内切核酸酶 基本工具1 "分子手术刀"—限制性内切核酸酶（简称：限制酶） ④识别序列：大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，也有少数限制酶的识别序列由4个、8个或其他数量的核苷酸组成。 ⑤识别序列特点： 回文序列 中轴线两侧的碱基反向对称重复排列 切割的是什么？ 两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键， 氢键自动断开 "分子手术刀"—限制性内切核酸酶（简称：限制酶） 限制酶 EcoRⅠ的酶切过程 5' 3' 3' 5' 5' 3' 3' 5' 5' 3' 3' 5' 黏性末端 黏性末端 当限制酶在它识别序列的中心轴线两侧将DNA分子的两条链分别切开时，产生的是粘性末端 5' 3' 3' 5' "分子手术刀"—限制性内切核酸酶（简称：限制酶） 限制酶 SmaⅠ的酶切过程 当限制酶在它识别序列的中心轴线处切开时，产生的是平末端 5' 3' 3' 5' 5' 3' 3' 5' 平末端 平末端 课堂练习：写出下列限制酶切割形成的黏性末端 BamHⅠ ________ EcoRⅠ_______ HindⅢ ________ BglⅡ _______ GATC AATT AGCT GATC 思考：你从中发现什么现象了？ 不同的限制酶可能切割形成相同的黏性末端 旁栏思考题： 根据你所掌握的知识你能推测限制酶存在于原核生物中的作用是什么？ 限制酶就是细菌的一种防御性工具。当外源DNA入侵时，它会利用限制酶来切割外源DNA，使之失效，以保证自身的安全。 课后习题： 二.2.为什么限制酶不切割细菌本身的DNA分子？ 含某种限制酶的细菌的DNA分子不具备这种限制酶的识别序列，或者甲基化酶将甲基转移到了限制酶所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开。 请结合限制酶的作用特点，回答以下问题： 1.限制酶能切开RNA分子的磷酸二酯键吗？ 2.请结合右图，推断限制酶切一 次可断开 个磷酸二酯键， 产生 个游离的磷酸基团， 产生 个黏性末端，消耗 分子水。 深化拓展 不能。 限制酶只能识别并切开双链DNA分子 两 2 2 两 要想从一个DNA分子中获得某个特定的基因需要有几个酶切位点？产生几个末端？断裂几个磷酸二酯键？ 深化拓展1 使用EcoRⅠ酶剪切目的基因 识别序列GAATTC 2个 4个 4个 如果把两种来源不同的DNA用同一种限制酶来切割，会怎样呢？ 深化拓展2 会产生相同的黏性末端，可以进行碱基互补配对。 "分子缝合针"—DNA连接酶 基本工具2 1.作用：将双链 DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键 。 "分子缝合针"—DNA连接酶 2.种类： 一类是从大肠杆菌中分离得到的，称为E.coli DNA连接酶 一类是从T4噬菌体中分离得到的，称为T4 DNA连接酶 E.coli DNA连接酶链接具有平末端的DNA片段的效率要远远低于T4 DNA连接酶。 旁栏思考题： DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗？为什么？ 相同点：都是催化磷酸二酯键形成的酶。 不同点：DNA聚合酶是将游离的脱氧核苷酸添加到已存在的DNA片段 上，需要模板； DNA连接酶连接的是两个DNA片段，不需要模板。 高中阶段一共学习过多少与DNA有关的酶？ DNA连接酶；DNA聚合酶；解旋酶；DNA（水解）酶；限制酶 它们之间有什么区别？ * DNA（水解）酶：断开磷酸二酯键，将DNA水解成四种脱氧核 苷酸，彻底水解成磷酸、脱氧核糖和含氮碱基。 *限制酶：断开磷酸二酯键，形成DNA片段 *解旋酶：断开氢键，解开DNA双链，形成两条脱氧核苷酸链。 * DNA连接酶：通过磷酸二酯键连接DNA片段。 * DNA聚合酶：以DNA两条链为模板，能将单个核苷酸通过磷酸二 酯键连接成DNA子链。 DNA相关酶的比较 根据所学知识，完成以下填空： ①限制酶 ②解旋酶 ③DNA连接酶 ④DNA聚合酶 ⑤RNA聚合酶 a：磷酸二酯键；b：氢键 A.切断a处的酶为_______ B.连接a处的酶为_______ C.切断b处的酶为_______ ① ③④ ② 如图表示DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，下列表示限制酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用图解的正确顺序是(　　)   A．①②③④　　　　　　 B．②①④③ C．①④②③ D．①④③② C "分子运输车"—基因进入细胞的载体 基本工具3 1.作用：将外源基因送入受体细胞, 在受体细胞内对目的基因进 行大量复制. 2.种类：质粒；噬菌体；动植物病毒等 “分子运输车”—基因进入细胞的载体 常用载体——质粒 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。 ★思考：质粒为什么适合作为载体？作为载体需要具备那些条件？ 条件1：有一个至多个限制酶切割位点　⁠ 供外源DNA片段（基因）插入其中 条件2：能在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　⁠ 能使目的基因在受体细胞中稳定存在且数量可扩增 条件3：常有特殊的标记基因　⁠⁠ 便于重组DNA分子的筛选　⁠ 条件4：对受体细胞无毒害作用　⁠ 避免受体细胞受到损伤 ✭真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。 DNA的粗提取与鉴定 任务三 1．实验原理 (1)提取原理 ①DNA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。 ②DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，它能溶于2mol/L的NaCl溶液。 (3)鉴定原理 在一定温度下，DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。 DNA的粗提取与鉴定 2.方法步骤 DNA的粗提取与鉴定 取材、研磨 过滤 分离 称取30g洋葱,切碎,然后放入研钵中,倒入10mL 研磨液,充分研磨 在漏斗中垫上纱布,将洋葱研磨液过滤到烧杯 中,在4℃冰箱中放置几分钟后,取上清液(或 离心后,取上清液) 在上清液中加入体积相等的、预冷的酒精溶液静置2-3min,用玻璃棒沿一个方向搅拌，卷起丝状物(粗提取的DNA),并用滤纸吸去水分(或用离心法取沉淀物) 2.方法步骤 DNA的粗提取与鉴定 鉴定 加入5mL 2mol/LNaCl溶液溶解DNA.再加入4mL二苯胺试剂,混合均匀后沸水中加热5 min。观察溶液颜色变化 3.实验结果: 溶有丝状物或沉淀物的试管变蓝,作空白对照的试管不变蓝。 【注意事项】 1．以血液为实验材料时，每100 mL血液中需要加入3 g柠檬酸钠，防止血液凝固。 2．加入酒精后用玻璃棒搅拌时，动作要轻缓，以免加剧DNA分子的断裂，导致DNA分子不能形成丝状物。 3．析出DNA时必须用“冷酒精”。预冷的酒精具有以下优点：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。 DNA的粗提取与鉴定 【注意事项】 4．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。 5．粗提取的DNA中可能含有少量的蛋白质等。 6．为减少DNA的损失，过滤过程一般使用纱布过滤。 7．二苯胺试剂要现用现配，否则会影响鉴定的效果。 DNA的粗提取与鉴定 1．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。下列关于这一先进技术的理论依据不正确的是(　　) A．几乎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 D 随堂练习 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mRNA上的密码子是共用的，几乎所有生物共用一套遗传密码，A正确； 基因通过转录获得mRNA，进而控制蛋白质的合成，B正确； 基因通常是有遗传效应的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。 随堂练习 2．3种限制酶对DNA分子的识别序列和切割位点(图中箭头所示)依次为 限制酶1－GATC－、限制酶2－CCGCGG－、 限制酶3－GGATCC－。 下列叙述错误的是(　　) A．不同的限制酶有不同的识别序列和切割位点 B．限制酶2和限制酶3识别的序列都包含6个碱基对 C．限制酶1和限制酶3切割出的黏性末端相同 D．能够识别和切割RNA分子的酶只有限制酶2 D 随堂练习 解析： 酶具有专一性，不同的限制酶有不同的识别序列和切割位点，A正确； 限制酶2和3识别的序列分别是－CCGCGG－和－GGATCC－，均包含6个碱基对，B正确； 限制酶1和3剪出的黏性末端相同，均为GATC，C正确； 限制酶只能识别和切割DNA分子内一小段核苷酸序列，D错误。 随堂练习 3．下列有关DNA连接酶的叙述，正确的是(　　) A．T4 DNA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.coli DNA连接酶连接双链DNA片段平末端的效率要高于T4 DNA连接酶 C．DNA连接酶能恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键 D．DNA连接酶可连接DNA双链的氢键，使双链延伸 C 随堂练习 解析： T4 DNA连接酶既可以“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端，又可以“缝合”双链DNA片段的平末端，A错误； E.coli DNA连接酶连接双链DNA片段平末端的效率要远远低于T4 DNA连接酶，B错误； DNA连接酶能使两个DNA片段之间形成磷酸二酯键，从而将它们连接起来，C正确，D错误。 随堂练习 4．质粒是基因工程中最常用的目的基因运载工具。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我复制的小型环状双链DNA分子 B．在所有的质粒上总能找到一个或多个限制酶切割位点 C．携带目的基因的重组质粒只有整合到受体细胞的染色体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重组DNA的筛选 D 随堂练习 解析： 质粒不只分布于原核生物中，在真核生物如酵母菌细胞内也有分布，A错误； 并不是所有的质粒上都能找到限制酶的切割位点而成为适合运载目的基因的工具，B错误； 重组质粒进入受体细胞后，可以在细胞内自我复制，或整合到受体染色体DNA上后复制，C错误； 质粒上的抗性基因常作为标记基因便于重组DNA的筛选，D正确。 随堂练习 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“手术刀”能识别的序列和切点是－GGATCC－，请回答下列问题。 随堂练习 (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”后连接在羊染色体中时需要的酶是__________。 (2)请画出质粒被切割形成黏性末端的过程图。 限制酶 DNA连接酶 随堂练习 (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________。 不同生物的基因的结构和化学组成是相同的 　载体 随堂练习 解析： (1)限制酶可以识别并切割特定的脱氧核苷酸序列，可从羊染色体中“切下”羊蛋白质基因。人的蛋白质基因“插入”后连接在羊染色体中时需要DNA 连接酶。 (2)图示限制酶识别的序列为GGATCC，并且在G与G之间切开，因此形成的黏性末端为反向重复的，其过程图见答案。 (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。 随堂练习 课堂小节 Lavf57.62.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 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