3.1 重组DNA技术的基本工具-2025-2026学年高二生物优质备课课件（人教版选择性必修3）

该高中生物学课件聚焦基因工程中重组DNA技术的三种基本工具，通过棉铃虫虫害情境导入，衔接胚胎工程复习，以预习自测、基因结构回顾为支架，构建“问题-原理-应用”的知识脉络。 其亮点在于融合科学思维与探究实践，通过酶作用比较表格、限制酶切割典例分析培养逻辑判断，结合DNA粗提取实验步骤及结果分析强化操作能力。教师可依托网络构建与典例系统教学，学生能在问题链与实验中深化生命观念，提升技术应用的态度责任。

复习回顾： 1.( P61)供体母牛和受体母牛的选择标准为？ 2.(选择性必修3 P62)胚胎移植的实质是？ 3.(选择性必修3 P62)胚胎移植的优势是指？ 4.选择什么时期的胚胎进行移植？ 5.分割囊胚阶段的胚胎时，要注意？ 6.取 进行性别鉴定 供体是遗传性状优良、生产能力强的个体， 受体是有健康的体质和正常繁殖能力的个体，且二者必须是同一物种 早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移 可以充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力 桑葚胚或囊胚 将内细胞团均等分割 滋养层细胞 情境导入 我国是棉花的生产和消费大国，棉花在种植过程中，常会受到一些虫害的侵袭，其中以棉铃虫最为常见，它可以使棉花产量减少三分之一，甚至绝收。 大量施用农药 × 能不能导入“杀虫基因”到棉花细胞，使棉花自身产生抗虫蛋白来抵抗棉铃虫呢？ 抗虫基因 转基因 基因工程 第3章 基因工程第1节 重组DNA技术的基本工具 学习目标： 1.阐明重组DNA技术所需的三种基本工具及其作用。 预习自测 (1)基因工程可以实现遗传物质在不同物种间的转移，人们可以定向选育新品种(　　) (2)限制性内切核酸酶均能特异性地识别6个核苷酸序列(　　) (3)DNA连接酶能将两碱基通过氢键连接起来(　　) (4)限制酶和解旋酶的作用部位相同(　　) (5)作为载体的质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因(　　) (6)质粒是环状双链DNA分子，是基因工程常用的载体(　　) (7)载体(如质粒)和细胞膜上的载体蛋白的成分相同(　　) (8)重组DNA技术所需要的工具酶有限制酶、DNA连接酶和载体(　　) × × 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 将两个DNA片段连接起来，恢复磷酸二酯键。 √ × 限制酶作用于磷酸二酯键，解旋酶作用于氢键。 × 抗生素抗性基因 × 载体(如质粒)的成分是DNA，细胞膜上的载体的主要成分是蛋白质 × 载体不属于工具酶。 √ 知识回顾——基因的结构 1.基因与DNA的关系？ 2.基因的基本单位是什么？ 基因是有遗传效应的DNA片段 脱氧（核糖）核苷酸 DNA平面结构 DNA双螺旋结构 A T G C CH2 H OH H H H H 碱基 磷酸 5’ 4’ 3’ 2’ 1’ 氢键 磷酸二酯键 …… ATGCCGTGGAATTCC …… …… TACGGCACCTTAAGG …… ①磷酸二酯键 ②氢键 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。从技术操作层面看，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 。 基因工程 基因工程： 1.操作环境： 2.原理： 3.操作对象： 4.操作水平： 5.结果： 体外环境 基因 分子水平 基因重组 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制品 定向改造生物性状；克服远缘杂交不亲和障碍 6.意义： 基因工程 2.理论基础分析 【1】为什么不同生物的DNA分子能拼接起来？ （1）DNA的基本组成单位都是 。 （2）DNA分子都遵循 配对原则。 （3）双链DNA分子的空间结构都是 。 【2】为什么一种生物的基因可以在另一种生物细胞内表达？ （1） 是控制生物性状的独立遗传单位。 （2）遗传信息的传递和表达都遵循 。 （3）生物界共用一套 。 四种脱氧核苷酸 规则的双螺旋结构 基因 中心法则 遗传密码 碱基互补 DNA mRNA 蛋白质 基因在空间上转移并成功表达 转录 翻译 3.重组DNA技术的基本工具 分子手术刀 分子缝合针 分子运输车 限制性内切核酸酶： DNA连接酶： 载体： 准确切割DNA分子 将DNA片段连接起来 将体外重组好的DNA分子导入受体细胞 基因工程 探究一.限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 限制性内切核酸酶，简称限制酶。 1.来源： 2.种类： 3.作用： 数千种 （限制酶不是一种酶，而是一类酶） 主要从原核生物中分离出来。 识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。 专一性 限制酶名字的由来 EcoRⅠ 属名Escherichia首字母 种名coli 前两个字母 R型菌株 从中分离的第一个限制酶 例如：流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae) d株中先后分离到3种限制酶，则分别命名为: Hind I Hind II Hind III 探究一.限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 4.识别序列长度 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。 特点1：都可以找到一条中心轴线； 特点2：中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的 ，称为回文序列。（一条链从5’往3’读的碱基顺序与另一条链 从5’往3’读的顺序完全一致。） EcoRⅠ 5’…G-A-A-T-T-C…3’ 3’…C-T-T-A-A-G…5’ SmaⅠ 5’…C-C-C-G-G-G…3’ 3’…G-G-G-C-C-C…5’ BamHⅠ 5’…G-G-A-T-C-C…3’ 3’…C-C-T-A-G-G…5’ TaqⅠ 5’……T-C-G-A……3’ 3’……A-G-C-T……5’ 中轴线 探究一.限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 5.作用结果 产生黏性末端或平末端 黏性末端 黏性末端 平末端 实例1——EcoRⅠ限制酶切割 *EcoRⅠ识别序列为GAATTC *EcoRⅠ切割部位为GA之间的磷酸二酯键 （2）实例2——SmaⅠ限制酶切割 *SmaⅠ识别序列为CCCGGG *SmaⅠ切割部位为CG之间的磷酸二酯键 探究一.限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 思考讨论： 1.限制酶能切开RNA分子的磷酸二酯键吗？ 2.请结合图示推断，限制酶切割一次可断开 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。 3.要想获得某个特定性状的目的基因必须要用限制酶切几个切口？ 可产生几个黏性(平)末端？ 不能 2 2 2 2 5’...G 3’...CTTAA AATTC...3’ G...5’ 黏性 末端 黏性 末端 目的基因 黏性末端 黏性末端 要切2个切口， 产生4个黏性(平)末端。 探究一.限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 4.有2个不同来源的DNA片段A和B，A片段用限制酶SpeⅠ进行切割，B片段分别用限制酶Hind Ⅲ、XbaⅠ、EcoRⅤ和XhoⅠ进行切割。各限制酶的识别序列和切割位点如图。 (1)请写出限制酶SpeⅠ、HindⅢ、XbaⅠ和XhoⅠ切割形成的黏性末端。 (2)不同限制酶切割 (填“可能”或“不可能”)产生相同的黏性末端。 SpeⅠ： HindⅢ： XbaⅠ： 　XhoⅠ： 可能 探究一.限制性内切核酸酶——“分子手术刀” (3)限制酶 切割B片段产生的DNA片段能与限制酶SpeⅠ切割A片段产生的DNA片段相连接，因为 ；连接完成后，该重组DNA分子的新连接处 (填“能”或“不能”)再被所用的限制酶切割，因为 。 5.请判断：以下黏性末端是由 种限制酶作用产生的。 XbaⅠ XbaⅠ与SpeⅠ切割产生了相同的黏性末端 不能 所用的两种限制酶均不能识别该重组DNA分子的新连接处的脱氧核苷酸序列 同尾酶：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。 3 6.限制酶存在于原核生物中的作用是什么？ 7.为什么限制酶不切割细菌本身的DNA分子？ 原核生物易受自然界外源DNA的入侵，限制酶在原核生物中主要起到切割外源DNA、使之失效，从而达到保护自身安全的目的。 DNA分子中不具备这种限制酶的识别切割序列，或者通过甲基化酶将甲基转移到所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开。 探究一.限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 探究二.DNA连接酶——“分子缝合针” 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 。 2.种类： 种类 来源 作用 区别 ___________________ 大肠杆菌 ___________________ T4噬菌体 E.coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶 都能将双链DNA片段“缝合“起来， 恢复被限制酶切开的磷酸二酯键。 E.coli DNA连接酶连接平末端效率较T4DNA连接酶低。 一般用T4 DNA连接酶连接平末端。 探究二.DNA连接酶——“分子缝合针” 相同 相同 不 同 点 不 同 点 不 同 点 不 同 点 作用实质 化学本质 模板 作用对象 作用结果 用途 DNA连接酶 DNA聚合酶 都能催化形成磷酸二酯键 都是蛋白质 不需要 需要DNA的一条链作模板 形成完整的重组DNA分子 形成DNA的一条链 基因工程 DNA复制 在两个DNA片段间形成磷酸二酯键 将单个核苷酸连接到已有DNA片段，形成磷酸二酯键 DNA连接酶与DNA聚合酶的比较 探究二.DNA连接酶——“分子缝合针” 【核心归纳】与DNA相关的几种酶的比较 项目 作用 部位 作用 对象 作用 结果 DNA连接酶 将两个DNA片段连接成完整的DNA分子 限制酶 切割双链 DNA分子 DNA聚合酶 将单个脱氧核苷酸连接到DNA单链末端 解旋酶 将双链DNA分子局部解旋为单链 DNA酶 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 氢键 DNA片段 DNA DNA DNA 单个脱氧核苷酸 【典例1】如图是几种不同限制酶切割DNA分子后形成的部分片段。下列叙述正确的是（ ） A.以上DNA片段是由4种限制酶切割后产生的 B.②片段是在识别序列为 的限制酶作用下形成的 C.①和④两个片段在DNA聚合酶的作用下可形成重组DNA分子 D.限制酶和DNA连接酶作用的部位都是磷酸二酯键 D 【典例2】DNA连接酶是基因工程的必需工具。下列有关DNA连接酶的叙述，错误的是( ) A.DNA连接酶可以将任意的两个DNA片段连接成一个重组DNA分子 B.DNA连接酶发挥作用时不需要识别特定的脱氧核苷酸序列 C.DNA连接酶可以催化两个脱氧核苷酸之间磷酸二酯键的形成 D.有些DNA连接酶既能连接黏性末端，又能连接平末端 A 连接平末端或互补配对的黏性末端 探究三.基因导入受体细胞的载体——“分子运输车” 1.作用： 2.种类： 携带目的基因导入受体细胞中，使之在受体细胞内稳定存在并表达。 质粒、噬菌体和动植物病毒等。 3.作为载体需具备的条件： 条件 能在细胞中进行 有一个至多个 位点 常有特殊的__________ 无毒害作用 原因 能使目的基因 且数量可扩增 供外源DNA片段(基因)插入其中 便于重组DNA分子的_____ 对受体细胞 作用，避免受体细胞受到损伤 自我复制 或整合到受体DNA上 限制酶切割 标记基因 筛选 稳定存在 无毒害 抗生素抗性基因或荧光蛋白基因 探究三.基因导入受体细胞的载体——“分子运输车” 4.最常用的载体——质粒 质粒：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，具有自我复制能力的环状双链DNA分子。 【注意】真正被用作载体的质粒， 都是经过人工改造的。 思考讨论： 1.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 作为载体，其原因是 。 2.霍乱弧菌中含有质粒，但 （填“能”、“不能”）用来做载体，因为选择的载体应该 。 噬菌体 噬菌体的宿主细胞是细菌，而不是家蚕 对受体细胞无害 不能 探究三.基因导入受体细胞的载体——“分子运输车” 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 (填“一定”或“不一定”)是导入目的基因的受体细胞，理由是 。 不一定 仅导入空载体的和导入含目的基因载体的受体细胞均能在该培养基中存活 3.（1）质粒 （是/不是）一种细胞器。 （2）细胞膜上的载体蛋白与基因工程中的载体的区别 ①化学本质不同：细胞膜上的载体： 。基因工程中的载体可能是DNA, 如_ ; 也可是生物, 如___ ；也可是λ噬菌体的衍生物。 ②功能不同：细胞膜上的载体功能是_______ ;基因工程中的载体是一种“分子运输车”,把 ____________ . 不是 蛋白质 质粒 动植物病毒 协助细胞膜控制物质进出细胞 目的基因导入受体细胞 探究三.基因导入受体细胞的载体——“分子运输车” 重组DNA分子 【典例3】在生产中，啤酒酵母菌除用于酿造啤酒及其他的饮料酒外,还可用于面包发酵。菌体的维生素和蛋白质含量高,可食用、药用和作饲料等。科学家将大麦的LTP1基因植入啤酒酵母菌中,获得的转基因啤酒酵母菌种可表达出LTP1蛋白,并酿出泡沫丰富的啤酒。其基本的操作过程如下图所示: (1)这种技术 地改变了啤酒酵母菌的性状,在可遗传变异的来源中，它属于________。  (2)将LTP1基因导入酵母菌细胞内,所利用到的载体是________。  (3)题图中C 进入的啤酒酵母菌分别在含有青霉素、四环素的两种选择培养基上的生长情况是 。 基因重组 质粒 在含有青霉素的培养基上能存活, 在含有四环素的培养基上不能存活 定向 重组质粒 【典例4】某细菌质粒上有标记基因如图所示，通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转入成功。外源基因插入的位置不同，细菌在培养基上的生长情况也不同，如图所示是外源基因插入位置(插入点有a、b、c)示意图。请根据表中提供的细菌生长情况，推测①②③三种重组后细菌的外源基因插入点，正确的一组是（ ） A.①是c；②是b；③是a B.①是a和b；②是a；③是b C.①是a和b；②是b；③是a D.①是c；②是a；③是b 插入点 ① ② ③ 细菌在含氨苄青霉素的培养基上的生长状况 能生长 能生长 不能生长 细菌在含四环素的培养基上的生长状况 能生长 不能生长 能生长 A 网络构建 限制酶 DNA连接酶 载体 质粒、 噬菌体、动植物病毒 基因工程的基本工具 作为载体的条件 种类: 磷酸二酯键 来源： 主要来源于原核生物 特点： 作用部位： 具有专一性 结果： 形成黏性末端或平末端 ①有一个至多个限制酶切割位点； ②能自我复制或能整合到宿主DNA上。 ③有特殊的标记基因； ④对受体细胞无害； 连接部位： 磷酸二酯键 种类：E.coliDNA连接酶、T4 DNA连接酶 作用： 把两条双链DNA片段拼接起来 (3)确保出现相同黏性末端原则： 通常所选限制酶要与切割目的基因的限制酶一致，如图中 ； 为避免目的基因和质粒自身环化和反向连接，选择两种不同的限制酶同时对目的基因和质粒切割；如图也可选择 和 两种限制酶。 (1)不破坏目的基因原则：如图甲中可选择 ，而不选择 。 (2)保留标记基因、启动子、终止子、复制原点原则：所选择的限制酶 尽量不要破坏这些结构，如图乙中不选择 。 PstⅠ SmaⅠ SmaⅠ PstⅠ PstⅠ EcoRⅠ 图甲　　 　　　　图乙 知识扩展：限制酶的选择原则 载体 目的基因 自身环化 片段间 随意 连接 目的基因自身环化 质粒自身环化 目的基因与质粒连接 目的基因与目的基因连接 质粒与质粒连接 反向连接 1 1’ 2 2’ 1 2 2’ 1’ 2 1’ 1 2’ 正向连接 知识扩展：限制酶的选择原则 探究·实践 DNA的粗提取与鉴定 一、实验原理： 1．提取DNA的原理 2．鉴定DNA的原理 （1）DNA 酒精，某些蛋白质 酒精。 （2）DNA在不同浓度的 中的溶解度不同， 它能溶于 的NaCl溶液。 不溶于 溶于 NaCl溶液 2mol/L 在 下，DNA遇 试剂会呈现 。 二苯胺 蓝色 一定温度 0 0.14 NaCI浓度（mol/L） DNA溶解度 二、选材： DNA含量相对较高的生物组织，如新鲜洋葱、香蕉、菠菜、菜花和猪肝等。 （注意：不能选择哺乳动物成熟的红细胞，因为哺乳动物成熟的红细胞中没有细胞核和线粒体，几乎不含DNA。） 探究·实践 DNA的粗提取与鉴定 探究·实践 DNA的粗提取与鉴定 三、方法步骤 称取 ，切碎，放入研钵，倒入 ，充分研磨。 在漏斗中垫上纱布过滤研磨液，4℃冰箱中静置后取 ； 或将研磨液倒入塑料离心管中离心，取 。 在上清液中加入体积相等的、 溶液（体积分数为95%）, 静置2~3min，溶液中出现的 就是粗提取的DNA 。 2.去除杂质— 3.DNA的析出— 1.破碎细胞—— 洋葱 10mL研磨液 上清液 上清液 预冷的酒精 白色丝状物 用玻璃棒沿一个方向搅拌，卷起丝状物； 或将溶液倒入塑料离心管中离心，取沉淀物晾干。 析出DNA 减少DNA断裂，以便获得较完整的DNA分子。 析出DNA，使DNA与杂质分开 探究·实践 DNA的粗提取与鉴定 将丝状物或沉淀物溶于 溶液中，加入 试剂，混合均匀后，将试管置于沸水中加热5min。待试管冷却后，比较两支试管中溶液颜色的变化。 4.溶解DNA并鉴定— 二苯胺 2mol/L的NaCl 空白对照组： 在等体积的NaCl溶液+二苯胺试剂，不加入丝状物 现配现用，用棕色瓶保存 溶解DNA，并去除部分杂质蛋白 对照组 实验组 ——看提取物颜色 ——看与二苯胺反应颜色的深浅 DNA纯度 DNA的量 5.结果分析 探究·实践 DNA的粗提取与鉴定 思考：观察DNA在NaCl溶液中的溶解度曲线。如何通过控制NaCl溶液的浓度使DNA在盐溶液中溶解或析出？从而去纯化提取的DNA？ 0 0.14 NaCI浓度（mol/L） DNA溶解度 用高浓度的盐溶液（2mol/L的NaCl溶液）溶解DNA，能除去在高盐中不能溶解的杂质； 用低浓度的盐溶液（0.14mol/L的NaCl溶液）使DNA析出，能除去溶解在低盐中的杂质。 取过滤液 取过滤物 实验结果不明显的可能原因： ①材料中的核物质没有充分释放出来，研磨不充分或蒸馏水的量不够； ②加入酒精后摇动或搅拌时过猛，DNA被破坏； ③二苯胺最好现用现配，否则二苯胺变成浅蓝色，影响鉴定效果。 探究·实践 DNA的粗提取与鉴定 四、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.利用动物细胞提取DNA破碎细胞的方法：动物细胞无细胞壁，可直接吸水涨破。 3．加入研磨液后，必须充分研磨，否则细胞核不会充分破碎，释放出的DNA量就会减少。 4．加入酒精和用玻璃棒搅拌时，动作要轻缓，以免加剧DNA分子的断裂，导致DNA分子不能形成絮状沉淀。 5．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。 探究·实践 DNA的粗提取与鉴定 (1)DNA不溶于酒精，但一些蛋白质溶于酒精，可利用这一原理初步分离DNA与蛋白质。( ) (2)研磨之后，通过过滤或离心，DNA会保留在沉淀物中。( ) 解析：研磨之后，通过过滤或离心，DNA会保留在上清液中。 (3)DNA能与二苯胺试剂在常温下反应生成蓝色沉淀。( ) 解析： DNA能与二苯胺试剂在沸水浴下反应，使溶液呈现蓝色，而非蓝色沉淀。 √ × × 【基础过关】