3.2基因工程的基本操作程序第1课时课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

第3章 基因工程 第2节 基因工程的基本操作程序 第1课时 目的基因的筛选与获取 高二下学期生物人教版选择性必修3 1 1.目的基因 (1)概念：用于改变______________或获得预期表达产物等的基因。 (2)类型：主要是指编码________的基因。 (3)举例： 基因通过产生____________，破坏鳞翅目昆虫的消化系 统杀死棉铃虫。 受体细胞性状 蛋白质 抗虫蛋白 预 习 梳 理 2 2.筛选合适的目的基因 (1)较为有效的方法：从相关的__________________________中进行 筛选是较为有效的方法之一。 (2)认识基因结构和功能的技术方法：__________技术、___________ __、__________工具。 已知结构和功能清晰的基因 测序 序列数据库 序列比对 预 习 梳 理 3 3.利用 获取和扩增目的基因 (1) 全称：________________。 聚合酶链式反应 (2)作用：特异性地快速扩增目的基因。 (3) 的概念： 在______提供参与 复制的各种组分与反应条件，对目的基因的 核苷酸序列进行大量复制的技术。 体外 预 习 梳 理 4 (4) 的原理：________________。 半保留复制 (5)扩增的过程： 重复循环多次，每次循环一般可以分为__________________三步。 变性、复性、延伸 (6) 产物的鉴定方法：常采用________________。 琼脂糖凝胶电泳 4.其他获取目的基因的方法:________________________等。 人工合成、构建基因文库 预 习 梳 理 5 任务一 利用 获取和扩增目的基因 【情境】 阅读教材P78 PCR反应过程示意图，分析下面内容。 (1)请完善图中信息。 变性 复性 两种引物 延伸 聚合酶 任 务 活 动 6 (2) 的条件是一定的缓冲液、__________、2种______、4种_____ _______和__________________酶等。 模板 引物 脱氧核苷酸 耐高温的聚合 (3) 所需引物是依据__________的一段已知序列设计而成的，图 中引物A与引物B______(填“相同”或“不同”)，其在 过程中______ (填“能”或“不能”)重复利用。 目的基因 不同 不能 (4)复性过程中引物与 模板结合，延伸过程中,4种脱氧核苷酸加 到引物的___端，新的 链的合成都遵循______________原则。 碱基互补配对 任 务 活 动 7 (5) 反应中，下一次循环的模板是__________________。 上一次循环的产物 (6)结果： 反应需要重复循环多次，每一次循环后目的基因的量 可以增加______，即呈______形式扩增，至少经____轮循环才可得 到所需目的基因。 一倍 指数 三 (7)用______(填“能”或“不能”)扩增 ，原因是_____________ _______________________。 不能 需要逆转录成再进行扩增 任 务 活 动 8 1.技术与生物体内 复制的比较 技术 生物体内的 复 制 不同 点 解旋方 式 在高温下变性解旋 解旋酶催化 场所 生物体外 主要在细胞核内 引物 短单链核酸或单链 分 子片段 一小段 任 务 活 动 9 技术 生物体内的 复 制 不同 点 酶 耐高温的聚合酶 聚合酶 细胞内含有的 聚 合酶 温度条 件 需控制温度，在较高温度下进 行 细胞内温和的温度条 件 结果 在短时间内形成大量的 片 段 形成完整的 分子 （续表） 任 务 活 动 10 技术 生物体内的 复 制 相同 点 原理 半保留复制 原料 四种脱氧核苷酸 条件 都需要模板、酶、引物等 （续表） 任 务 活 动 11 ［注意］ (1)真核细胞和细菌的聚合酶都需要用激活，因此 反应 缓冲液中一般要添加 。 (2)在反应中实际用到的原料是 (脱氧核糖核苷三磷酸)，包 括，，， 。其作用是提供能量和原料，不需要 单独加 。 任 务 活 动 12 2.由逆转录形成 的过程 任 务 活 动 13 例1 利用将某小段含目的基因的分子扩增循环 次，则 ( ) A.需要已知目的基因的全部序列以便设计引物 B.共需个引物参与子代 分子的合成 C.应向反应体系中加入解旋酶、 聚合酶、缓冲液等 D.耐高温的聚合酶可将脱氧核苷酸与引物 端相连 √ 任 务 活 动 14 [解析] 只需要已知目的基因两端的序列便可设计引物，A错误； 扩增循环次共需两种引物的数量为 ，B错误； 不需向的反应体系中加入解旋酶，在体外通过高温使双链 解 聚为单链，C错误；耐高温的 聚合酶可将游离的脱氧核苷酸连接 到引物的 端，D正确。 任 务 活 动 15 例2 [2024·山东青岛模拟] 作为一个体外酶促反应，其效率和特 异性取决于两个方面，一是引物与模板的特异性结合，二是多聚酶 对引物的延伸。引物设计的总原则是提高扩增的效率和特异性。下 列有关叙述错误的是( ) A.引物长度过短，特异性降低 B.两种引物之间不能发生碱基互补配对 C.引物的含量越高，越利于目标 的扩增 D.可在引物的 端添加特定限制酶的识别序列 √ 任 务 活 动 16 [解析] 引物与模板结合依赖于碱基的互补配对，引物长度过短，特 异性降低，A正确；两种引物之间不能发生碱基互补配对，以防止引 物之间结合形成双链而影响引物与 模板链的结合，B正确；引物 的含量越高，结合特异性越强，但 含量过高，不利于复性， 从而阻碍目标的扩增，C错误；聚合酶从引物 端开始延伸 链，即的合成方向是从子链的端向 端延伸的，根据需要 可在引物的 端添加限制酶识别序列，以便更加准确地获得目的基 因，D正确。 任 务 活 动 17 ［题后归纳］引物的选取原则 ①引物自身不能环化；②两种引物之间不应存在互补序列，否则会 相互结合成引物二聚体；③引物长度不宜过短，防止引物随机结合， 使得不能特异性扩增目的基因。 任 务 活 动 18 任务二 探究·实践 片段的扩增及电泳鉴定 1.原理 (1) 片段的扩增 利用了______________原理，通过__________来控制 双链的 解聚与结合。 的热变性 调节温度 任 务 活 动 19 (2)电泳鉴定 ①分子具有________的基团，在一定的 下，这些基团可以带 上正电荷或负电荷。在电场的作用下，这些带电分子会向着与它所 带电荷______的电极移动，这个过程就是电泳。 ② 的产物一般通过________________来鉴定。 ③凝胶中的分子通过染色，可以在波长为 的紫外灯下被 检测出来。 可解离 相反 琼脂糖凝胶电泳 任 务 活 动 20 2.操作过程 配制反应体系：用微量移液器在微量离心管内加入 反应体系 的各组分，并离心。 进行设置好相关参数，将装有反应液的微量离心管放入 仪 中进行反应。 任 务 活 动 21 配制琼脂糖溶液：依据待分离的 片段的大小配制，加入适量核 酸染料。 制备凝胶 加样，进行电泳(注：留一个加样孔加入指示分子大小的标准参照 物。) 分析结果 任 务 活 动 ［分析］ (1)配制 反应体系时，应加入的物质有：____________ ______________________________________扩增缓冲液等，其中扩 增缓冲液能_________________________________________________ __________________________________。 模板、2种引物、聚合酶、4种脱氧核苷酸 维持合适的，其含有的能激活聚合酶，给反应提供一个最适合酶催化的条件 (2)通过是否成功扩增出 片段，判断依据是什么？ ____________________________ 电泳结果中条带的分布。 任 务 活 动 23 例3 下列有关电泳的叙述，不正确的是( ) A.电泳是指带电粒子在电场的作用下发生迁移的过程 B.待测样品中分子的大小和构象、凝胶的浓度等都会影响 分子在凝胶中的迁移速率 C.进行电泳时，带电粒子会向着与其所带电荷相同的电极移动 D. 的产物一般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定 √ 任 务 活 动 24 [解析] 分子具有可解离的基团，在一定的 下，这些基团可以 带上正电荷或负电荷，在电场的作用下，这些带电分子会向着与它 所带电荷相反的电极移动，这个过程是电泳，A正确，C错误；待测 样品中分子的大小和构象、凝胶的浓度等都会影响 分子在 凝胶中的迁移速率，B正确； 的产物一般通过琼脂糖凝胶电泳来 鉴定，D正确。 任 务 活 动 25 例4 [2024·山东枣庄期末] 某环状 分别用限制酶1和限制酶2完全 切割后进行扩增产物的琼脂糖凝胶电泳，结果如下图所示 (注：表示千碱基对数， 代表标准对照)。下列叙述不正确的是 ( ) A.该总长度不可能为 B.该 上至少有2个酶1的切割位点 C.该 上至少有1个酶2的切割位点 D.同时用酶1和酶2切割该 ，电泳结 果至少呈现2个条带 √ 任 务 活 动 26 [解析] 限制酶2切割后有 这一种条带，若限制 酶2切割后有两条，则总长度可能为 ， A错误；限制酶1切割后产生了两个条带，说明至 少有两个酶1的切割位点，B正确；若环状 总 长度最短为，限制酶2切割后有这一种条带，则该 上至少有 1个酶2的切割位点，C正确；若两个酶1的切割位点与酶2的切割位点距 离相同或酶2切割位点与其中一个酶1切割位点距离为 ，则同时用酶 1和酶2切割，产生和或和 两种长度的片段，电泳结果 呈现两个条带，若不是，则会呈现多个条带，D正确。 任 务 活 动 27 1.正误辨析 (1)利用技术扩增目的基因所需的酶与体内 复制所需的酶相 同。( ) × [解析] 利用 技术扩增目的基因不需要解旋酶催化，且所用的 聚合酶需要耐高温，而体内 复制需要解旋酶催化。 (2)在恒温条件下进行 扩增避免温度变化导致酶失活。( ) × [解析] 扩增过程经历了高温变性、低温复性和中温延伸的过程， 而不是在恒温条件下进行的。 当 堂 自 测 28 (3)技术中，模板链上碱基和C的比例越高， 变性解链 所需的温度就越高。( ) √ [解析] C和之间连有三个氢键，模板中 碱基对多,氢键相 对较多,结构稳定,不容易解旋， 变性解链需要的温度相对更高。 (4) 的产物一般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定，电泳时电泳缓冲液 不能没过凝胶。( ) × [解析] 通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定 的产物时，电泳缓冲液没过 凝胶 为宜。 当 堂 自 测 29 (5)凝胶中的 分子可以通过电子显微镜被检测出来。( ) × [解析] 凝胶中的分子通过染色，可以在波长为 的紫外灯 下被检测出来。 当 堂 自 测 30 2.[湖北卷]某实验利用 技术获取目的基因，实验结果显示除目的 基因条带(引物与模板完全配对)外，还有2条非特异条带(引物和模板 不完全配对)。为了减少反应中非特异条带的产生，以下措施中有效 的是( ) A.增加模板 的量 B.延长热变性的时间 C.延长延伸的时间 D.提高复性的温度 [解析] 出现非特异扩增条带可能的原因：模板 出现污染；复性 温度过低； 循环次数过多等，D正确。 √ 当 堂 自 测 31 3.[2024·福建南平期中] 引物的 端为结合模板 的关键碱基； A.在 的循环过程中，图示过程需要的温度最低 B.四种脱氧核苷酸作为原料将会连接到引物的 端 C. 聚合酶催化相邻的脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键 D.用图示引物扩增至少四个循环后才能获得目的产物 端无严格限制，可用于添加限制酶切点等序列。下列相关分析错误的 是( ) √ 当 堂 自 测 32 [解析] 变性过程温度超过 ， 复性过程温度在 左右，延伸 过程温度在左右，图示为复性阶段,其在 循环过程中需要的温度 最低，A正确；扩增过程中，脱氧核苷酸只能连接在引物 端，B正 确；延伸时，在聚合酶催化下，脱氧核苷酸会连接到引物的 端，相邻的脱氧核苷酸间形成磷酸二酯键，C正确；由于两个引物均不 结合在该片段的末端，第一轮循环后，得到的两个 片段中两条脱氧 核苷酸链不等长，通过题图可推知，第二轮循环后也不会出现两条链等 长的产物，在第三轮循环后开始出现两条脱氧核苷酸链等长的目的产物， 所以扩增三个循环后可获得目的产物，D错误。 当 堂 自 测 33 4.[2024·河南漯河月考]某女孩患有一种单基因遗传病，该遗传病由 等位基因 控制，其父母及哥哥的表型均正常。现将其家庭成员的 相关基因用限制酶Ⅱ切割后进行电泳，结果如图所示。已知B、 基因中仅有一种基因上含有一个限制酶 Ⅱ的酶切位点。下列相关 叙述正确的是( ) 当 堂 自 测 34 A.该遗传病属于常染色体隐性遗传病， 患病女孩的哥哥不含致病基因 B.该致病基因出现是基因突变的结果， 突变过程中发生了碱基对的增添 C.限制酶 Ⅱ能识别特定的核糖核苷 酸序列，并在特定部位断开氢键 D.电泳过程中， 分子的迁移速率 只与 分子的大小有关 √ 当 堂 自 测 [解析] 该女孩患病，其父母表型正常， 可判断该病为常染色体隐性遗传病， 该女孩的基因型为 ，其父母的基因 型均为 ；根据图示分析可知，的条带对应的基因为 ，B基 因被限制酶 Ⅱ切割可产生大小为和 的两个片段， ，即B、 基因的长度相等，在基因突变产 生等位基因的过程中发生了碱基对的替换，根据电泳结果可知，患病女 孩的哥哥的基因型为 ，不含致病基因，A正确，B错误；限制酶能识 别双链 中特定的脱氧核苷酸序列，并在特定部位断开磷酸二酯键， C错误； 当 堂 自 测 36 电泳过程中， 分子的迁移速率与 凝胶的浓度、 分子的大小和构象 等有关，D错误。 当 堂 自 测 1.PCR技术是在DNA聚合酶作用下，在体外进行DNA大量扩增的一种 分子生物技术。下列叙述正确的是( ) A.双链DNA在高温下氢键和磷酸二酯键断裂形成2条DNA单链 B.温度降低后，单链DNA和引物结合的部分碱基序列相同 C.以2条DNA单链为模板，以4种核糖核苷酸为原料，经耐高温酶在高 温下合成2个新的DNA D.设置PCR仪的温度进行反应可重复循环多次， DNA呈指数式扩增 √ 备 用 习 题 [解析] 双链DNA在高温下解旋即使得DNA双链打开，破坏的是碱基对 之间的氢键，磷酸二酯键没有断裂，A错误；当温度降低时，单链DNA 和引物结合的部分碱基序列互补，B错误；以2条DNA单链为模板，以 4种脱氧核苷酸为原料， C错误；PCR的反应步骤为目的基因DNA受热 变性后解链为单链，引物与单链相应互补序列结合，然后在热稳定DNA 聚合酶作用下进行延伸，如此重复循环，因而每一次循环后目的基因 的量可以增加一倍，即呈指数形式扩增，约为2n，其中n为扩增循环的 次数，D正确。 备 用 习 题 2.我国考古学家利用现代人的DNA序列设计并合成了一种类似磁铁的 “引子”，成功将极其微量的古人类DNA从提取自土壤沉积物中的多种 生物的DNA中识别并分离出来，用于研究人类起源及进化。下列说法 正确的是( ) A.“引子”的彻底水解产物有两种 B.设计“引子”的DNA序列信息只能来自核DNA C.设计“引子”前不需要知道古人类的DNA序列 D.土壤沉积物中的古人类双链DNA可直接与“引子”结合从而被识别 √ 备 用 习 题 [解析] 根据分析“引子”是一段DNA序列，彻底水解产物有磷酸、脱氧 核糖和四种含氮碱基，共6种产物，A错误；由于线粒体中也含有DNA， 因此设计“引子”的DNA序列信息还可以来自线粒体DNA，B错误；根 据题干信息“利用现代人的DNA序列设计并合成了引子”，说明设计“引 子”前不需要知道古人类的DNA列，C正确；土壤沉积物中的古人类双 链DNA需要经过提取，且在体外经过加热解旋后，才能与“引子”结合， 而不能直接与引子结合，D错误。 备 用 习 题 3.引物在极大程度上决定了 PCR 的成败，下列关于引物的说法不正确 的有( ) A.PCR 和生物体内的DNA合成都需要引物，PCR 引物一般是单链DNA B.若引物的C-G碱基对含量相对较高，PCR 复性步骤的温度需要适当 升高 C.在 PCR 的复性步骤中，两种引物分别结合在模板链的3´端和5´端 D.若初始有 10个胰岛素基因，PCR 中进行10轮循环，至少需要20 460 个引物分子 √ 备 用 习 题 [解析] PCR和生物体内的DNA合成都需要引物，体内的DNA复制引物 通常是RNA，PCR引物一般是单链DNA，A正确；G与C之间有3个氢键， 稳定性高，若引物的C-G碱基对含量相对较高，PCR复性步骤的温度需 要适当升高，B正确；在PCR的复性步骤中，两种引物都结合在模板链 的3´端，C错误；若初始有10个胰岛素基因，PCR中进行10轮循环，得 到10×210个=10240个DNA分子，共1024×2=20480条链，由于初始的20 条链不需要引物，故至少需要20480-20=20460个引物分子，D正确。 备 用 习 题 [解析] PCR是在体外大量合成DNA的技术，是聚合酶链式反应的简称。 4.回答下列与PCR相关的问题。 (1)PCR是　 的缩写，是在体外大量合成DNA的技术。 (2)PCR过程中，用　 代替了解旋酶的作用，使DNA 的双链解开。目前在PCR反应中使用Taq DNA聚合酶而不使用大肠杆 菌DNA聚合酶的主要原因是 。 聚合酶链式反应　 90 ℃以上高温　 　 Taq DNA聚合酶热稳定性高，而大肠杆 菌DNA聚合酶在高温下会失活　 备 用 习 题 [解析] PCR过程中，用90 ℃以上高温代替了解旋酶的作用，使氢键断 裂，导致DNA的双链解开，作为DNA复制的模板。目前在PCR反应中 使用Taq DNA聚合酶而不使用大肠杆菌DNA聚合酶的主要原因是 Taq DNA聚合酶热稳定性高，而大肠杆菌DNA聚合酶在高温下会失活， 无法在温控调节下起作用。 备 用 习 题 [解析] PCR每次循环一般可以分为变性(高温条件下氢键断裂形成单 链)、复性(引物与模板链之间形成氢键)和延伸(子链合成)三步。这里 复性的过程是使两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。 (3)PCR每次循环一般可以分为变性、复性和 三步。复性的结 果是　 。 　延伸　 使两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合　 备 用 习 题 (4)在PCR扩增目的基因的过程中，加入诱变剂可提高目的基因的突变 率。与用诱变剂直接处理细胞相比，上述育种技术获得突变目的基因 的效率更高，原因是在PCR过程中 (多选)。 A.仅针对目的基因进行诱变 B.目的基因产生了定向突变 C.目的基因可快速累积突变 D.目的基因突变不会导致酶的氨基酸数目改变 　　AC　　 备 用 习 题 [解析] PCR过程中仅针对目的基因进行诱变，因此该方法获得突变目 的基因的效率更高，A正确；基因突变具有随机性、不定向性等特点， B错误；利用PCR技术能大量获得目的基因的突变基因，进而可快速 累积突变，C正确；目的基因突变可能会导致氨基酸的数目发生改变， D错误。 备 用 习 题 5.研究人员从某病人的支气管肺泡灌洗液诊断标本中提取出DNA，其 扩增产物a、b的琼脂糖凝胶电泳结果如下图，Maker为指示分子大小 的标准参照物。下列叙述错误的是 ( ) 备 用 习 题 A.在一定的pH下，带负电的DNA会通过琼脂糖 凝胶孔隙向带电性质相反的一端迁移 B.图中样品a、b的迁移速率与DNA分子的大小 等有关，a样品中DNA的迁移速率快 C.待指示剂前沿迁移接近凝胶边缘时应停止电 泳，以防止样品流失到缓冲液中 D.若电泳鉴定结果不止一条条带，可能是因复 性温度过高导致出现了非特异扩增条带 √ 备 用 习 题 [解析] DNA分子的琼脂糖凝胶电泳鉴定过程中，一定 pH下DNA分子可带上正电荷或负电荷，在电场作用下， 向着与所带电荷相反的电极移动，A正确；DNA分子 在凝胶中的迁移速率与DNA分子大小有关，DNA分子 越小，移动得越快，因此a样品中DNA的迁移速率快， B正确；电泳缓冲液加入电泳槽，待指示剂前沿迁移 至凝胶边缘时停止电泳，以防止样品流失到缓冲液中，C正确；扩增时 复性温度过低，可能会导致引物与非互补配对的序列发生部分结合， 从而产生不同长度的DNA分子，出现多条条带，D错误。 备 用 习 题 $$