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

第三章第三节 基因工程的应用 导学案 参考答案 --------〔感知教材〕-------- 一、基因工程的诞生和发展 （1）①基因 ②DNA分子水平。 ③基因重组 ④生物体外 （2）②DNA双螺旋 ④遗传密码 二、基因工程的基本操作工具 1.原核生物 特定核苷酸序列 磷酸二酯键 黏性末端 平末端 2.（1）磷酸二酯键 （2）大肠杆菌 低于 T4噬菌体 黏性末端 平末端 3.（1）质粒 噬菌体 动植物病毒 （2）a.裸露 独立 细胞核 拟核DNA 自我复制 环状双链 DNA b.自我复制 稳定 一个至多个限制酶切割位点 外源基 因 标记基因 重组DNA分子的筛选 c.①细胞 ②外源DNA片段 三、基因工程在食品工业方面的应用 1.（1）物理和化学性质 （2）①不溶于 溶于 ②2 mol/L （3）二苯胺试剂 蓝色 2.研磨液 纱布 上清液 体积 预冷 酒精 沉淀物 溶解 二苯胺 沸水 --------〔明辨是非〕-------- 1.不正确。限制性内切核酸酶具有专一性,通常情况下一种限制性内切核酸酶只能识别一种特定的核苷酸序列,不同的限制性内切核酸酶识别的核苷酸序列不同。 2.不正确。通常采用抗生素抗性基因作为标记基因,而非抗生素合成基因。 3.不可以。哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和众多细胞器,无法提取DNA。 4.是。基因工程利用基因重组原理将外源基因导入受体细胞,对受体性状进行定向改造。 --------〔拓展深化〕-------- 1.（1）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 （2）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。③都遵循碱基互补配对原则 （3）①基因是控制生物性状的独立遗传单位。②遗传信息的传递都遵循中心法则。③生物界共用一套遗传密码。 2.（1）原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，所以它在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制。限制酶就是它的一种防御性工具，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。 （2）细菌中限制酶之所以不切割自身的DNA，是因为含有某种限制酶细胞的DNA分子可能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了限制酶所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开。这样，尽管细菌中含有某种限制酶，也不会使自身的DNA被切割，并且可以防御外源DNA的入侵。 （3）① ②黏性末端 平末端 ③碱基序列 不同 专一性 3.（1）不可行。因为如果没有载体，导入受体细胞后，目的基因无法进行自我复制，难以稳定存在以及表达。 （2）具有一个或多个限制酶切割位点，供外源DNA片段插入其中。 （3）作为标记基因，对重组DNA进行筛选。 （4）提示：合理。因为仅导入载体的和导入目的基因的受体细胞均能在该培养基中存活。 （5）噬菌体的宿主细胞是细菌，而不是家蚕。 4.（1）哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核，不适合作材料提取DNA。 （2）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，导致看不到丝状物或沉淀物，用二苯胺试剂鉴定不显示蓝色。 （3）搅拌时玻璃棒不能直插烧杯底部，搅拌要轻缓，并向一个方向搅拌，以便获得较完整的DNA分子。 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第三章第一节重组DNA技术的基本工具 导学案 【学习目标】 1.分析作为重组DNA技术中三种基本工具各自的作用 2.运用DNA的理化性质，分析DNA的粗提取与鉴定的原理 3.认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新 【重点难点】 重点： 1.重组DNA技术中三种基本工具各自的作用 2.DNA的粗提取与鉴定 难点： 1.基因工程载体需要具备的条件 2.DNA的粗提取与鉴定 --------〔感知教材〕-------- 一、基因工程的诞生和发展 (1)基因工程的概念 ①操作对象： ②操作水平： ③操作原理： ④操作环境： ⑤结果：创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。 (2)基因工程的诞生和发展 基础理论 技术支持 ①DNA是遗传物质的证明； ② 结构的提出和半保留复制的证明； ③中心法则的确立； ④ 的破译 ①基因转移载体和工具酶的发现； ②DNA体外重组的实现； ③重组DNA表达实验的成功； ④DNA测序和合成技术的发明； ⑤PCR技术的发明 二、基因工程的基本操作工具 1.限制性内切核酸酶(限制酶)——“分子手术刀” 来源 主要来自 种类 数千种 作用 识别双链DNA分子的 ，使每一条链中特定部位的 断开 结果 产生 或 2.DNA连接酶——“分子缝合针” （1）作用：将双链DNA片段连接起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的 。 （2）种类 种类 来源 特点 E.coli DNA连接酶 能将具有互补黏性末端的DNA片段连接起来，连接具有平末端的DNA片段的效率要远远 T4 DNA连接酶 T4 DNA连接酶 既可以“缝合”双链DNA片段互补的 ，又可以“缝合”双链DNA片段的 3.基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” （1）种类： 、 、 等。 （2）常用载体——质粒 a.本质：质粒是一种 的、结构简单、 于真核细胞 或原核细胞 之外，并具有 能力的 分子。 b.质粒作为载体所具备的条件及原因 条件 原因 稳定存在并能 或整合到受体DNA上 能使目的基因 存在且数量可扩增 有 可携带一个或多个 具有特殊的 便于 无毒害作用 对受体细胞无毒害作用，避免受体细胞受到损伤 c.作用 ①作为运输工具，将外源基因导入 。 ②质粒携带 在细胞内大量复制或整合到受体DNA上，随受体DNA同步复制。 三、探究·实践 DNA的粗提取与鉴定 1．实验原理 （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 酒精，但某些蛋白质 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 的NaCl溶液。 （3）鉴定原理 在一定温度下，DNA遇 会呈现 。 2．方法步骤 取材研磨 称取30g洋葱,切碎,然后放入研钵中,倒入10mL ,充分研磨 过滤 在漏斗中垫上 ,将洋葱研磨液过滤到烧杯中,在 4℃冰箱中放置几分钟后,取 (或离心后,取上清液) 分离 在上清液中加入 相等的、 的 溶液静置2-3 min,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 ) 鉴定 加入5mL 2mol/LNaCl溶液 DNA.再加入4mL 试剂,混合均匀后 中加热5 min。观察溶液颜色变化 --------〔明辨是非〕-------- 1.一种限制性内切核酸酶能识别多种核苷酸序列,是否正确? 　　 2.质粒可以作为基因的载体,通常采用抗生素合成基因作为标记基因,是否正确? 　　 3.可以用哺乳动物成熟的红细胞作为实验材料进行DNA的粗提取与鉴定吗? 　　 4.基因工程的原理是基因重组,这种变异是定向的吗? 　　 --------〔拓展深化〕-------- 1．思考并回答下列关于基因工程理论基础的问题。 （1）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？ （2）为什么不同生物的DNA分子能拼接起来？ (3)为什么一种生物的基因可以在另一种生物细胞内表达？ 2．回答下列有关限制性内切核酸酶(限制酶)的问题。 (1)限制酶在原核生物中的主要作用是什么？ (2)限制酶不切割细菌DNA分子的原因是什么？ (3)已知限制酶EcoRⅠ和SmaⅠ识别的碱基序列和酶切位点分别为和，分析回答下列问题。 ①在图中画出两种限制酶切割DNA后产生的末端。 ②写出产生的末端种类： a．产生的是____________；b.产生的是__________。 ③限制酶EcoRⅠ和SmaⅠ识别的________不同，切割位点________(填“相同”或“不同”)，说明限制酶具有__________。 3.如图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，回答下列问题。 (1)将外源基因直接导入受体细胞可行吗？为什么？ (2)载体要与外源DNA片段连接，需要具备什么条件？ (3)质粒上的一些抗生素抗性基因有什么作用？ (4)根据标记基因的作用，有同学认为在含有某种抗生素的培养基中筛选存活的受体细胞不一定是导入目的基因的受体细胞，这种说法是否合理？并说明理由。 (5)若用家蚕作为某基因表达载体的受体细胞，在噬菌体和昆虫病毒两种载体中，不选用噬菌体作为载体，其原因是什么？ 4.关于：“DNA的粗提取和鉴定实验”，回答以下问题： （1）哺乳动物的红细胞适合用来提取DNA吗？请说明理由。 （2）实验过程要充分地搅拌和研磨，如果研磨不充分，会对实验结果产生怎样的影响？ （3）实验过程中应如何使用玻璃棒搅拌？为什么？ --------〔强化重点〕-------- · 1．限制酶识别序列的特点 (1)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。 (2)能被限制酶特异性识别的序列一般都为回文序列，也就是说，在该序列片段，一条链上按5′→3′读取的序列与其互补链上按5′→3′读取的序列完全一致。 例如：EcoRⅠ限制酶识别的DNA序列为，为回文序列。 · 2．DNA连接酶作用的特点 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。 · 3．与DNA相关的几种酶的比较 项目 DNA连接酶 限制酶 DNA聚合酶 解旋酶 作用部位 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 氢键作用 对象 DNA片段 DNA分子 单个的脱氧核苷酸 DNA分子 作用结果 将两个DNA片段连接成完整的DNA分子 切割DNA分子 将单个的脱氧核苷酸连接到DNA单链末端 将双链DNA分子局部解旋为单链 · 4．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。 · 关于“DNA 的粗提取和鉴定实验” 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。 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。 --------〔教材习题〕-------- 从社会中来 科学家用到了限制酶、DNA连接酶、载体等"分子工具"。 限制酶能识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并将DNA双链切断，形成具有黏性末端或平末端的片段。 DNA连接酶催化磷酸二酯键的形成，即催化一个DNA片段3'端的羟基与另一个DNA片段5'端的磷酸基团上的羟基连接起来形成酯键。载体上可以插入外源基因，它能携带该基因进入受体细胞，并在受体细胞中进行自我复制，或者整合到受体DNA上，随着受体DNA同步复制。载体一般还带有标记基因，以便进行重组DNA分子的筛选。旁栏思考题 1．提示原核生物容易受到自然界外源 DNA 的入侵，所以它在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制。限制酶就是它的一种防御性工具。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。 2．不是回事。虽然 DNA 连接酶和 DNA 聚合酶都是催化磷酸二酯键形成的酶，但两者存在显著的区别。 (1) DNA 聚合酶只能催化单个核苷酸加到已有的核酸片段3'末端的羟基上，形成磷酸二酯键；而 DNA 连接酶是催化两个 DNA 片段之间形成磷酸二酯键，不是催化单个核苷酸与 DNA 片段之间形成磷酸二酯键。 (2) DNA 聚合酶以一条 DNA 链为模板，催化形成与模板链互补的 DNA 链；而 DNA 连接酶催化具有互补黏性末端或平末端的 DNA 片段连接起来，它不需要模板。此外，两者虽然都是蛋白质，但它们的组成和性质各不相同。 思考·讨论 1．剪刀代表限制酶；透明胶条代表 DNA 连接酶。 2．提示根据学生实际操作的情况进行指导。 如果制作的黏性末端的碱基不能互补配对，可能是剪切位点或连接位点选得不对，也可能是其他原因。 3．不能，因为基因的长度一般在100个碱基对以上。 到社会中去 在调查中需要了解企业的生产技术、产品的种类和产量、销售渠道和销售情况等，这样才有可能对企业的经营状况进行正确的判断。 练习与应用 一、概念检测 1.C。2.A。 二、拓展应用 1．提示迄今为止，在基因工程操作中使用的限制酶绝大部分都是从细菌或霉菌中提取出来的，它们可以识别 DNA 上特定的碱基序列并使特定部位的磷酸二酯键断开。微生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，可以将外源入侵的 DNA 降解。细菌中限制酶之所以不切割自身的 DNA ，是因为含有某种限制酶的细胞的 DNA 分子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了限制酶所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开。这样，尽管细菌含有某种限制酶，它自身的 DNA 也不会被切断，并且可以防止外源 DNA 入侵。 2.(1) XbaI 。因为 XbaI 与 SpeI 切割产生了相同的黏性末端。 (2)提示识别 DNA 分子中不同核苷酸序列，但能切割产生相同黏性末端的限制酶被称为同尾酶。同尾酶使构建载体时，切割位点的选择范围扩大。例如，我们选择了用某种限制酶切割载体，如果目的基因的核苷酸序列中恰好有该限制酶的识别序列，那么用该限制酶切割含有目的基因的 DNA 片段时，目的基因就很可能被切断；这时可以考虑用合适的同尾酶（目的基因的核苷酸序列中不能有它的识别序列）来获取目的基因。 探究·实践 结果分析与评价 1．提示观察提取的 DNA 的颜色，如果不是白色丝状物，说明 DNA 中的杂质较多。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。 2．本实验粗提取的 DNA 可能仍然含有核蛋白、多糖等杂质。 3．本实验可以采取分组的方式进行。可以选取不同的实验材料；也可以查阅资料了解其他提取 DNA 的方法，对同种材料采用不同的方法。最后从多方面比较实验结果，如 DNA 的纯度、 DNA 的颜色、二苯胺试剂显色的深浅等，看看哪种 验材料、哪种方法提取效果更好。 进一步探究：实验室提取纯度较高的 DNA 的方法有不少。例如，可以先加入质量分数为25％的 SDS 溶液，使蛋白质变性 DNA 分开；再加入氯仿﹣异丙醇混合液（体积比为24:1)，通过离心将蛋白质及其他杂质除去，取上清液；可重复上述操作几次，直至上清液变成透明的黏稠液体。此外由于苯酚可以迅速使蛋白质变性，抑制核酸酶的活性，因此还可以先用苯酚处理，再离心分层，这时 DNA 溶于上层水相，蛋白质变性后存在于酚层中，用吸管、微量移液器等实验用具就可以将两者分开。 学科网（北京）股份有限公司 $$