4.1基因工程赋予生物新的遗传特性（第2课时）课件2024—2025学年高二下学期生物浙科版选择性必修三

基因工程赋予生物新的遗传特性 1 目 录 DNA的粗提取和鉴定 01 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 02 2 01 DNA的粗提取和鉴定 3 DNA的粗提取和鉴定 一、原理 1.实验原理 从目标生物中提取分离 DNA，是进行基因工程操作的基础。利用 DNA 与其他物质成分在物理、化学性质上的差异，通过一定的方法，去除其他成分，提取 DNA。 （1）幼嫩的植物材料经过冷冻后再研磨细胞结构容易被破坏 （2）SDS处理材料 ，能使核蛋白变性并与 DNA分离 （3）EDTA能抑制DNA酶活性，防止核DNA被酶解 4 DNA的粗提取和鉴定 （4）DNA在2 mol/L 的NaCl溶液中溶解度高，且Na＋与DNA 形成钠盐，钠盐不溶于酒精 （5）某些蛋白质能溶于酒精，在提取液中加入 95% 的冷酒精，能使 DNA 钠盐形成絮状沉淀物而析出 2.检验原理 在沸水浴的条件下，DNA 遇二苯胺会被染成蓝色 0 0.14 NaCI浓度（mol/L） DNA溶解度 5 DNA的粗提取和鉴定 二、材料用具 1.选材 取材原则：原则上含有DNA的生物材料都可以采用，但是优先考虑一下几个方面 （1）材料是否容易获取 （2）DNA含量的多少（真核生物比原核生物细胞内DNA含量高、生殖细胞内DNA含量低） （3）是否容易提取（植物细胞有细胞壁不易破碎） 6 DNA的粗提取和鉴定 √ √ √ × 思考：为什么不能选用猪血作为实验材料？ 不能选用哺乳动物血液，因为哺乳动物成熟红细胞没有细胞核和线粒体，几乎没有DNA（鸡血可以） 7 DNA的粗提取和鉴定 2.试剂 ①研磨液 ②体积分数为95%的酒精 ③2mol/L 的NaCl溶液 ④二苯胺试剂 ⑤蒸馏水 ——含有NaCl、EDTA、SDS、Tris和HCl ——析出DNA ——溶解DNA ——鉴定DNA，要现配现用 8 DNA的粗提取和鉴定 三、方法步骤 1.研磨：称取10g香蕉果肉，放入研钵中，倒入10mL研磨液，充分研磨 2. 过滤：在漏斗中垫上尼龙纱布，将研磨液过滤入离心管中 3. 离心：用天平称量装有液体的离心管的质量，将质量相近的离心管配对，放置于离心机相对位置。以 3000 r/min 的转速离心 2 min，取上清液倒入小烧杯中。 9 DNA的粗提取和鉴定 4. 加冷酒精：向小烧杯中倒入体积是上清液两倍的冷酒精，静置 3～5min，可见白色的絮状物出现。用玻璃棒缓缓搅动，絮状物会缠在玻璃棒上 析出DNA 5. 鉴定：取两支试管，一支试管中加入提取出的絮状物，并加入 2mL二苯胺试剂；另一支只加入 2 mL 二苯胺试剂。用95 ℃水浴锅加热 10 min，注意观察两支试管中溶液颜色的变化 10 DNA的粗提取和鉴定 四、实验现象 对照组颜色无变化 （不加入絮状物） 实验组颜色变蓝 （加入絮状物） 11 DNA的粗提取和鉴定 思 考 1.研磨的目的是什么？ 破碎细胞，使核物质容易溶解在研磨液中 2.上清液中除DNA之外，可能含有哪些杂质？ 可能含有核蛋白、多糖等杂质 3.搅拌时应轻缓、并沿一个方向原因是什么？ 减少DNA断裂，以便获得较完整的DNA分子 12 DNA的粗提取和鉴定 4.若提取出的不是白色丝状物，说明什么？ 观察提取的DNA的颜色，如果不是白色丝状物，说明DNA中的杂质较多 5.二苯胺试剂鉴定如果未呈现蓝色说明什么？ 二苯胺试剂鉴定呈现蓝色说明实验基本成功；如果不呈现蓝色，可能的原因有所提取的DNA含量低，或者在实验操作过程中出现了失误等 13 02 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 14 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 （1）启动子： （2）终止子： 位于基因的“上游”，有RNA聚合酶结合的位点，控制转录的开始 位于基因末端，当RNA聚合酶到达时，释放出RNA产物，转录结束 1.真核、原核基因的结构 15 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 3.编码序列 （1）原核基因中编码蛋白质的序列是连续的 （2）真核基因中编码蛋白质的序列是不连续的。编码蛋白质的序列称为外显子，外显子之间不能编码蛋白质的序列称为内含子 不同基因的外显子和内含子的数目及长度是不同的 16 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 （3）真核基因和原核基因的表达 真核基因的外显子和内含子均会被转录 真核细胞转录形成的RNA需要经过加工（切去内含子对应的部位），才可用于翻译 原核细胞转录形成的RNA，不需要加工，可直接用于翻译 17 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 2.获取目的基因（基因工程的基本操作） （1）目的基因：人们感兴趣、想研究的基因，主要是指编码蛋白质的基因，如：人的胰岛素基因、植物的抗病基因等 目的基因 “杀虫基因”—Bt抗虫蛋白基因 18 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 （2）获取方法 通过化学方法直接人工合成目的基因 要求：a.基因比较小 b.核苷酸序列已知的基因 通过构建基因文库获取目的基因 基因文库种类：①基因组文库（包含一种生物的所有基因） ②部分基因文库（只包含一种生物的部分基因cDNA文库） DNA合成仪 19 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 拓展：基因文库的构建过程 某生物体全部DNA 许多DNA片段 受体菌群体 限制酶 与载体连接、导入 受体菌群体 cDNA 某生物体发育的某个时期的mRNA 逆转录 与载体连接、导入 基因组文库 cDNA文库 20 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 真核细胞的cDNA的获取 编码区 非编码区 非编码区 DNA聚合酶 剪接有关的酶 RNA聚合酶 mRNA前体 mRNA 单链DNA cDNA 逆转录酶 转录 剪接 逆转录 复制 启动子 终止子 基因 不含非编码序列 即不含非编码区和内含子 21 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 基因组DNA文库与cDNA文库的比较 文库类型 cDNA文库 基因组文库 文库大小 基因中启动子 基因中内含子 基因多少 物种间的基因交流 小 大 无 有 无 有 某种生物的部分基因 某种生物的全部基因 可以 部分基因可以 22 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 ③ 聚合酶链式反应（PCR技术） a.原理：原理：DNA的半保留复制（在体外大量复制目的基因的核苷酸序列） b.原料：DNA模版、引物、4种脱氧核苷酸、耐高温的DNA聚合酶 c.优点：简单、快速、灵敏 d.应用：医学鉴定、法医鉴定、古生物学研究 前提:要有一段已知目的基因的脱氧核苷酸序列，以便合成引物 23 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 e.过程 5’ 3’ 3’ 5’ 3’ 5’ 5’ 3’ 变性 双螺旋解开 变性：当温度超过90℃时，双链DNA解旋为单链 24 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 复性：温度下降到50℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合 5’ 3’ 3’ 5’ 复性 3’ 5’ 两种引物 3’ 5’ 注意：复性温度过高会破坏引物与模板碱基互补配对 复性温度过低，会造成引物与模板结合位点增加，导致非特异性产物增加 25 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 延伸：当温度上升到72℃左右时，溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链 5’ 3’ 3’ 5’ 延伸 3’ 5’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 26 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 3’ 5’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 第一轮循环的产物作为第二轮反应模板，经过变性、复性和延伸三步产生第二轮循环产物 5’ 3’ 5’ 3’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 27 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 5’ 3’ 5’ 3’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 第二轮循环的产物作为第三轮反应模板，经过变性、复性和延伸三步产生第三轮循环产物 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 28 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 f.结果与鉴定 ①结果：重复循环多次，每一次循环后目的基因的量可以增加一倍，即成指数形式扩增（约为2n，其中n为扩增循环的次数） ②鉴定：电泳技术（分离、鉴定、纯化核酸和蛋白质的常用方法） 电泳是指带电粒子在电场作用下，向与其携带电荷相反的电极迁移的过程。不同带电粒子因分子大小、形状、所带电荷等因素不同，迁移速率也会有所差异。 29 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 核酸带负电（含磷酸基团），其移动速率主要受核酸片段长度的影响。在电场强度一定时，核酸分子越大，向正极移迁速率越慢。电泳时常使用凝胶作为介质，凝胶的孔隙可起到分子筛的作用；凝胶浸没于电泳缓冲液中。电泳缓冲液的作用是在电泳过程中维持合适的PH，并使溶液具有一定的导电性，利于核酸迁移。 每个条带包含的DNA片段长度是相同的 亚甲基蓝将DNA染成蓝色 DNA相对分子质量标准物——作为参照物 30 基因工程的一系列操作可使生物获得新的遗传特性 凝胶电泳原理与结果图 31 课堂小结 DNA的粗提取与鉴定 实验原理 实验步骤 实验结果 DNA鉴定 DNA析出 去除杂质，粗提取DNA 含有DNA的试管溶液变蓝 取材、研磨 DNA、蛋白质等在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同 获取目的基因 利用PCR获取和扩增目的基因 通过构建基因文库获取目的基因 利用化学方法人工合成目的基因 基因工程赋予生物新的遗传特性 32 课堂练习 1.下列关于“DNA的粗提取与鉴定实验”的叙述，错误的是(    ) A.酵母和菜花均可作为提取DNA的材料 B.在探究洗涤剂对植物DNA提取的影响实验中，自变量是DNA的提取量 C.向DNA溶液中加入二苯胺试剂后用沸水浴加热，冷却后溶液变蓝 D.向上清液中加入预冷的酒精的目的是除去DNA中的杂质，纯化DNA 解析：酵母和菜花含有DNA,都可以作为提取DNA的材料,A正确;在探究洗涤剂对植物DNA提取的影响实验中,自变量是洗涤剂的有无,B错误;在一定温度下,DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色,C正确;DNA不溶于酒精,但某些物质可以溶于酒精,利用这一原理,可以进一步纯化DNA,D正确。 B 33 解析：DNA可与Na+形成DNA钠盐，DNA钠盐不溶于酒精，但细胞中的某些蛋白质能溶于酒精，可用酒精将DNA与蛋白质等初步分离，加入溶液甲后获得白色丝状物主要为DNA，故溶液甲为体积分数为95%的冷酒精，A错误；溶液乙为二苯胺试剂，使用时需要进行沸水浴加热，B错误；猪为哺乳动物，其成熟的红细胞无细胞核，DNA含量少，故猪血不适合用作此实验的材料，C错误；粗提取的DNA中含有核蛋白、多糖和RNA等杂质，D正确。 2.某实验小组进行了“DNA的粗提取与鉴定”实验，实验流程如图所示。下列说法正确的是(   ) A.溶液甲是NaCl溶液，加入它的目的是溶解DNA B.溶液乙在使用时需用50~60℃水浴加热5 min C.实验也可用鸡血、猪血等动物组织作为材料 D.粗提取的DNA中含有RNA、蛋白质等杂质 D 34 3.如图表示基因工程中获取水稻某目的基因的不同方法。下列相关叙述正确的是(   ) A.这三种方法都用到了酶，都是在体外进行的 B.①②③碱基对的排列顺序均相同 C.图示a、b三种方法均属人工合成法 D.方法a不遵循中心法则 解析：这三种方法都是在体外进行的，且都用到了酶，方法a需要逆转录酶和DNA聚合酶，方法b需要限制酶，方法c需要DNA聚合酶，A正确；方法a得到的目的基因中不含有内含子、启动子、终止子等调控序列，因此①②③碱基对的排列顺序不都相同，B错误;图示方法a和c属于人工合成法，而方法b是从供体细胞的DNA中直接分离出目的基因，C错误：逆转录过程也遵循中心法则，因此，方法a遵循中心法则，D错误。 A 35 解析：图示末端为黏性末端,所以环化阶段,可选E.coli DNA连接酶也能选T4DNA连接酶,A错误。据图中未知序列的位置可知,图中环状DNA进行PCR的过程中,沿左侧引物延伸子链的方向是逆时针,沿右侧引物延伸子链的方向是顺时针,B正确。根据题意和图示可知,DNA分子被限制酶EcoR I切割后环化,再通过PCR扩增得到包含所有已知序列和未知序列的链状DNA分子;未知序列含有EcoR I的切割位点,故PCR产物含有EcoR I的酶切位点, C错误。DNA子链合成的方向是5'→3',要通过已知序列设计引物,应选择引物1和引物4进行PCR扩增,D错误。 4.反向PCR是一种通过已知序列设计引物对未知序列进行扩增的技术,其过程如图所示。下列叙述正确的是(   ) A.环化阶段,可选E.coli DNA连接酶而不能选T4DNA连接酶 B.图中环状DNA进行PCR的过程中,沿左侧引物延伸子链的方向是逆时针 C.PCR产物是包含所有已知序列和未知序列的环状DNA分子,其中含有EcoR I的酶切位点 D.应选择引物2和引物3进行PCR扩增 B 36 $$