教学设计1基因工程及其应用Word文档格式.docx
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进行角色扮演，使学生体验参与社会问题的讨论和决策的方法。
（3）通过学习了解我国基因工程的发展前景及成果，激发学生对于生物知识的兴趣，开阔学生的思路，养成学生的爱国主义热情，树立在学习上努力刻苦的决心。
【教学重点】
（1）基因工程的基本原理。
（2）基因工程的安全性问题。
【教学难点】
（2）转基因生物与转基因食品的安全性。
【教具准备】
教师课件
【课时安排】
2课时。
第1课时：
基因工程的原理，第2课时：
基因工程的应用。
第1课时
【教学过程】
一、课前准备
1、教师收集有关基因工程的音像图片资料和实物，并制作成课件。
2、教师参考选修3《现代生物科技专题》P．6“重组DNA分子的模拟操作”编辑成构建重组DNA模型的文字指导，复印后发给各组。
3、学生以EcoRI为例，根据教师下发的指导构建重组DNA分子模型，体会基因的剪切、拼接、缝合的道理。
二、情境创设
演示多媒体课件列举几种生物的不同性状，如下：
（1）青霉菌能产生对人类有用的抗生素——青霉素。
（2）豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮气。
（3）人的胰岛素细胞能分泌胰岛素调节血糖的浓度。
教师：
以上几种生物各自有其特定的性状，这些性状都是基因特异性表达的结果，但是人类能不能改造基因呢？
能不能使本身没有某个性状的生物具有某个特定性状呢？
例如，让禾本科植物能够固定空气中的氮气；
让微生物生产出人的胰岛素、干扰素等药物。
这样既节省了人力，又简化了生产，同时还不会对环境造成污染。
这种设想能实现吗？
回答是可以的。
通过科学家们的不断努力，在20世纪70年代终于创立了一种能定向改造生物的新技术——基因工程。
教师通过课件图片和音像资料展示基因工程产品，如种子、水果、疫苗或药物等。
同时引出本节课题：
基因工程的原理。
三、师生互动
教师：
利用“问题探讨”，提出问题组织学生讨论、交流看法。
（1）为什么能把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上？
（2）推测这种“嫁接”怎样才能实现？
（3）这种“嫁接”对品种的改良有什么意义？
学生：
分组讨论。
学生设想用类似的方法来“改造”某种生物，使其符合人们某种特定需要，说出具体设想。
各小组选派代表陈述观点。
杂交育种有哪些局限性？
人类是否可以按照自己的意愿直接定向改变生物。
杂交育种方法简单，容易操作的优点，但是，杂交育种只能利用已有基因的重组，按需选择，并不能创造新的基因。
杂交后代会出现性状分离现象，育种进程缓缦，过程繁琐。
我们可以利用基因工程的办法解决。
即把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上。
肯定学生合理的想法，引发思考。
“你的想法很好，可是用什么样的方法才能实现你的设想呢？
”
头脑中设想“嫁接”的过程。
用类比的方法引导学生思考基因工程的大致步骤和所需要的工具：
剪刀、针线、运载体等。
并用问题启发学生：
“你能想像这种剪刀加浆糊式的’嫁接工作在分子水平的操作，其难度会有多大吗？
并跟随教师的引导，思考基因工程的大致步骤：
找到目的基因、剪切、拼接、缝合、表达、检测，所用到的工具：
基因剪刀、基因针线、基因的运载体。
下面以EcoRI为例，构建重组DNA分子模型，体会基因的剪切、拼接、缝合的道理。
EcoRI是已发现的500多种限制性内切酶中的一种，它是一种从细菌中发现的能在特定位置上切割DNA分子的酶。
它的特殊性在于，它在DNA分子内部“下剪刀”，专门识别DNA分子中含有的“GAATTC”这样的序列，一旦找到就从G和A之间剪断（参考教科书插图6-3）。
同学们来试一试，动手做一个重组DNA模型吧。
在动手做之前，先要明白“分子剪刀”和“分子针线”的用途和使用方法。
用同一种限制性内切酶切割后的DNA片断其末端可以用连接酶来缝合（参考教科书插图6-4）。
这样“剪切拼接”就可以形成重组的DNA分子。
4个人一组，再次阅读课前教师下发的“构建DNA分子模型的文字指导”。
提出问题：
（1）制作模型时用到的（剪刀和针线）各代表什么?
比较剪切后的DNA片断的末端切片，你发现有什么特点呢?
（2）回顾在模型构建过程中,每一步的操作和所用到的工具以及形成的“产品”，你对重组DNA的操作有什么新的理解？
讨论模型构建的具体方法，按“指导”的方法步骤、依次完成模拟制作过程。
并思考教师提出的问题。
回答并交流对重组DNA技术的理解。
剪刀——限制性内切酶（简称限制酶）。
它的作用具有特异性特点，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点。
例如大肠杆菌的EcoRI限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。
剪切的结果是：
产生黏性未端（碱基互补配对）。
教师：
要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切几个切口？
可产生几个黏性未端？
学生：
要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切2个切口。
可产生2个黏性未端。
针线——DNA连接酶。
连接的部位：
磷酸和脱氧核糖交替连接而构成的DNA骨架上的缺口（梯子的扶手），不是氢键（梯子的踏板）。
结果是：
把两个来源不同却有相同的黏性未端的DNA连接。
教师;
用DNA连接酶连接两个相同的黏性未端要连接几个磷酸和脱氧核糖交替连接而构成的DNA骨架上的缺口（磷酸二酯键）？
用限制酶切一个特定基因要切断几个磷酸和脱氧核糖交替连接而构成的DNA骨架上的缺口（磷酸二酯键）？
2个、2个。
现在同学们分组各做一个重组DNA模型，看一看哪个组的最科学。
分组做重组DNA模型，并分别在实物投影仪上演示，其他同学点评。
重组后的DNA分子还需要特殊的搬运工具运载到受体细胞（如大肠杆菌、动植物细胞）中。
哪么谁能承担这个任务呢？
用图片或课件动画展示质粒的结构及特点。
观看图片或课件，了解质粒的特点及其运载体功能。
质粒的特点：
细胞拟核之外的小的环状DNA分子。
借宿于细菌、霉菌、酵母菌等细胞里，对细胞的正常生活几乎没有影响。
质粒能够自主复制，而且复制只能在宿主细胞内完成。
可以容易地从细胞中取出或放入。
这些特点使它能够胜任运载体的工作，携带目的基因进入细胞。
有了基因工程操作的工具后，哪么基因工程具体是如何进行操作的呢，
用多媒体课件或与教科书插图6-6示意图类似的基因操作步骤的有关录像资料。
思考问题如下：
（可以利用幻灯或多媒体课件演示）
（1）举例说明什么是目的基因。
（2）从供体细胞DNA中直接分离基因的方法叫什么？
简要说出该方法的过程是什么。
（3）人工合成基因的方法有几种？
其操作过程分别是什么？
（4）将目的基因与用限制性内切酶处理后的运载体混合，用DNA连接酶处理会出现几种结果？
（只考虑两两结合）
（5）将含目的基因的重组质粒导入细菌受体细胞的过程中常用到哪种化学试剂？
其作用是什么？
（6）在目的基因的检测过程中，检测的对象是什么？
观看录像资料，想像科学家在分子水平上进行这一操作的精确性。
然后思考、讨论、回答。
（通过观看录像资料学生对基因工程的步骤能够大体了解，对以上的问题能基本回答，但是对具体的操作步骤还不能从生物学角度上很透彻地理解。
）
现在请同学们阅读教材内容，从理论上理解有关知识，同学们可从生物学的专业知识角度出发，用生物学的专业术语准确地解答有关问题。
简要归纳基因工程操作的基本步骤和大致过程。
学生和教师一起归纳基因工程操作的几个步骤：
第一步：
提取目的基因、
第二步：
目的基因与运载体的结合、
第三步：
将目的基因导入受体细胞、
第四步：
目的基因的检测和表达。
四、教师精讲
1、基因工程的概念：
基因工程又叫基因拼接技术或DNA重组技术。
通俗地说，就是按照人们地意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。
2、基因操作的工具
：
基因的剪刀——限制性内切酶。
分布：
主要在微生物中。
作用特点：
特异性，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点。
结果：
基因的针线——DNA连接酶。
磷酸二酯键（梯子的扶手），不是氢键（梯子的踏板）。
结果：
两个相同的黏性未端的连接。
基因的运输工具——运载体。
作用：
将外源基因送入受体细胞。
具备的条件：
能在宿主细胞内复制并稳定地保存。
具有多个限制酶切点。
具有某些标记基因。
种类：
质粒、噬菌体和动植物病毒。
质粒的特点：
质粒是基因工程中最常用的运载体。
最常用的质粒是大肠杆菌的质粒。
存在于许多细菌及酵母菌等生物中。
质粒的存在对宿主细胞无影响。
质粒的复制只能在宿主细胞内完成。
细胞染色体外能自主复制的小型环状DNA分子。
3、基因操作的基本步骤。
（1）提取目的基因
目的基因的提取途径：
两条，一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因；
另一种是人工合成基因。
（2）目的基因与运载体结合（以质粒为运载体）。
目的基因与运载体结合的结果可能有三种情况：
目的基因与目的基因结合，质粒与质粒结合，目的基因与质粒结合。
（3）将目的基因导入受体细胞。
导入方法：
借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。
导入过程：
运载体为质粒，受体细胞为细菌。
（4）目的基因的检测和表达
检测：
通过检测标记基因的有无，来判断目的基因是否导入。
表达：
通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达。
五、评价反馈
1、下列关于基因工程技术的叙述，正确的是（ ）
A.重组DNA技术所用的工具酶是限制酶、连接酶和运载体
B.所有限制酶都只能识别同一种按规定的核苷酸序列
C.选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细胞繁殖快
D.只要目的基因进入了受体细胞就能成功实现表达
2、以下说法正确的是（）
A.所有的限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列
B．质粒是基因工程中惟一的运载体
C．运载体必须具备的条件之一是：
具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接
D．基因治疗主要是对有缺陷的细胞进行修复
3、实施基因工程第一步的一种方法是把所需的基因从供体细胞内分离出来，这要利用限性内切酶。
一种限制性内切酶能识别DNA子中的GAATTC顺序，切点在G和A之间，这是应用了酶的（ ）
A．高效性 B.专一性
C．多样性 D.催化活性受外界条件影响
4、上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带白蛋白的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍，转基因动物是指（ ）
A.提供基因的动物 B.基因组中增加外源基因的动物
C.能产生白蛋白的动物D.能表达基因信息的动物
5、基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的，在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的步骤是（ ）
A．人工合成基因 B．目的基因与运载体结合
C．将目的基因导入受体细胞D．目的基因的检测和表达
解析：
1、考察对基因工程原理的理解运用，只要理解基因工程的工具、步骤，即可正确的作出判断。
2、考察对基因工程原理的理解运用，只要理解基因工程的工具、步骤，即可正确的作出判断。
3、将基因工程的工具与酶的特性结合起来，考察学生的学科内综合运用的能力。
4、考察对基因工程的灵活运用的能力。
5、从遗传原理的角度，考察学生对基因工程的理解。
【答案】1.C2.C3.B4.B5.C
六、课堂小结
基因工程的别名
基因拼接技术或DNA重组技术
操作环境
生物体外
操作对象
基因
操作水平
DNA分子水平
操作工具
基因的剪刀、针线、运载体
基本过程
剪切→拼接→导入→表达
结果
人类需要的基因产物
七、布置作业
P106：
基础题1、2、3；
拓展题1。
八、课后拓展
1、学生搜集基因工程应用的事例及其价值的资料；
2、搜集有关基因工程技术安全性方面的报道、法规等的资料。
【板书设计】
【习题详解】
一、练习（P106）
（一）基础题
1．基因工程的操作通常包括以下4步：
（1）获得目的基因（外源基因）；
（2）目的基因与运载体结合，形成重组DNA分子；
（3）将重组DNA分子导人受体细胞；
（4）目的基因的检测与表达。
2．
↓
ATCTCGAGACTGATTGGCCTTAAGCTCGAGATGACCATGGCCAGGCTCGAGCTGATGA
TAGAGCTCTGACTAACCGGAATTCGAGCTCTACTGGTACCGGTCCGAGCTCGACTACT
3．常用的运载体有质粒、噬菌体、农杆菌、动植物病毒等。
（二）拓展题
1．提示：
这是因为在基因水平上，人和细菌的遗传机制是一致的。
细菌和人的遗传物质都是DNA，都使用同一套遗传密码子，都遵循中心法则。
因此，通过基因重组，细菌能够合成人体的某些蛋白质。
二、问题探讨（P102）
提示：
此节“问题探讨”以基因工程菌的实例，引导学生思考基因工程的原理。
为启发学生思考，教师可弓I导学生回忆前面学过的遗传学知识，如不同生物的DNA在结构上的统一性、几乎所有的生物都共用一套遗传密码等。
三、本节聚焦（P102）
（一）什么是基因工程？
（二）基因工程的原理是什么？
基因重组。
【备课资料】
1．限制性内切酶及其特点
在生物体内有一类酶，它们能将外来的DNA切断，即能够限制异源DNA的侵入并使之失去活力，但对自身的DNA却无损害。
科学家还注意到，这种酶是从DNA分子内部切断DNA的，因此，这种酶称做限制性内切酶。
美国生物学家内森斯和史密斯因发现了限制性内切酶而获得1978年度的诺贝尔生理学或医学奖。
限制性内切酶通常能识别4～6个碱基长度的特定DNA序列，并能以特定的模式剪切DNA链。
一般来说，被识别的DNA序列是回文序列。
这种序列的特点是，当从左右两端分别阅读这段双链DNA的碱基序列时，双链上的碱基序列是相同的。
按照切割的方式，限制性内切酶可以分为错位切和平切两种，它们分别产生黏性末端和平末端。
目前大约已有500种限制性内切酶，这些酶的命名方式与EcoRI一样遵循统一的规则。
第一个字母是分离出此酶的细菌属名的第一个字母，后两个字母为种名的前两个字母，小写，株系数字通常都省略，罗马数字用来表示从同一个细菌中分离出的不同的限制性内切酶。
如HpaI和HpaⅡ就是从同一种细菌中分离出来的第一种和第二种内切酶。
几种常用的限制性内切酶及其酶切位点如下表：
几种常用限制性内切酶及其酶切位点
限制性内切酶
识别位点
EcoRI
XbaI
XhoI
NdeI
G↓AATTC
T↓CTAGA
C↓TCGAG
CA↓TATG
ApaI
BgⅡ
ClaI
SmaI
GGGCC↓C
A↓GATCT
AT↓CGAT
CCC↓GGG
3、基因工程中的运载体
在基因操作过程中使用运载体有两个目的：
一是用它作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞中去；
二是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量的复制（称为克隆）。
现在所用的运载体主要有两类：
一类是细菌细胞质的质粒，它是一种相对分子质量较小、独立于染色体DNA之外的环状DNA（一般有1～200kb左右，kb为千碱基对），有的一个细菌中有一个，有的一个细菌中有多个。
质粒能通过细菌间的接合由一个细菌向另一个细菌转移，可以独立复制，也可整合到细菌染色体DNA中，随着染色体DNA的复制而复制。
另一类运载体是噬菌体或某些病毒等。
现在人们还在不断寻找新的运载体，如叶绿体或线粒体DNA等也有可能成为运载体。
作为运载体必须具有三个条件：
在宿主细胞中能保存下来并能大量复制；
有多个限制酶切点，而且每种酶的切点最好只有一个，如大肠杆菌pBR322就有多种限制酶的单一识别位点，可适于多种限制酶切割的DNA插入；
有一定的标记基因，便于进行筛选。
如大肠杆菌的pBR322质粒携带氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基因，就可以作为筛选的标记基因。
一般来说，天然运载体往往不能满足上述要求，因此需要根据不同的目的和需要，对运载体进行人工改建。
现在所使用的质粒载体几乎都是经过改建的。
3、质粒
质粒习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中染色体（或拟核）以外的DNA分子，它们在细菌中以独立于染色体或拟核之外的方式存在。
即使细菌细胞不含质粒，也可以正常地生活。
质粒的存在通常不会对寄主细胞产生不利影响，有时还会为寄主细胞提供新的遗传特性。
例如，有些质粒携带帮助自身从一个细胞转入另一个细胞的信息；
有些质粒含有对某种抗生素具有抗性的基因；
还有一些携带的是参与或控制一些不同寻常的代谢途径的基因，即降解质粒。
质粒的大小不定，小的不到1kb，大的超过500kb。
每个质粒都包括与DNA复制起始有关的一段序列，使质粒DNA能够在宿主细胞中复制。
每个细胞中的质粒数主要决定于质粒本身的复制特性。
按照复制性质，可以把质粒分为两类：
一类是严紧型质粒，当细胞染色体复制一次时，质粒也复制一次，每个细胞内有l一2个质粒；
另一类是松弛型质粒，当染色体复制停止后仍然能继续复制，每个细胞内一般有20个左右的质粒。
在基因工程中，常用人工构建的质粒作为载体。
人工构建的质粒可以集多种有用的特征于一体，如含多种单一酶切位点、抗生素耐药性等。
常用的人工质粒运载体有pBR322、pSCl01等。
作为载体的质粒通常需要具有以下特点：
第一，能够在细菌细胞内自主复制，并以多拷贝形式存在，以便于实验操作；
第二，要有一个或多个选择标记，用于转化细菌的筛选。
在基因工程操作中，用肉眼无法看到载有目的基因的载体是否真正进入细胞，这时，标记基因就为鉴别和筛选提供了标记。
所谓的选择标记指的就是抗生素抗性基因，如抗四环素或抗氨苄青霉素基因。
只要在培养基中加入四环素或氨苄青霉素就能够筛选已转化的细胞。
当质粒存在于细菌细胞时，细菌便获得了抗生素抗性，用来区别未转化的细胞；
第三，质粒的相对分子质量要小，以便于操作；
最后，需要有适于外源DNA片段插入的限制性内切酶识别位点。
4、农杆菌
用来作为植物遗传工程载体的主要是根瘤农杆菌和发根农杆菌。
根瘤农杆菌和发根农杆菌同属于根瘤菌科，革兰氏阴性菌。
它们可以将自己的一部分DNA转移给植物，进而转化植物细胞，同时农杆菌能从植物细胞中获得营养物质。
这两种农杆菌之所以能够转化植物基因，主要是因为它们携带有诱瘤质粒，简称丁i质粒。
该质粒上有一段DNA，称为T-DNA，它能转移并整合进植物基因组中，并导致植物冠瘿瘤的形成。
近年来应用丁i质粒介导植物基因转移已获得一些转化突变体。
实验结果表明，外源基因不但能在转化的组织和再生植株中表达，而且能在有性世代中稳定地遗传。
5、目的基因的制备
所谓目的基因就是人们所需要转移或改造的基因。
获取目的基因的方法很多，可以归纳为以下几种。
鸟枪法
这种方法类似于鸟枪发射散弹。
具体的做法是：
用若干个合适的限制酶处理一个DNA分子，将它切成若干个DNA片段。
这些片段的长度相当于或略大于一个基因。
然后，将这些不同的DNA片段分别与适当的载体结合，形成重组DNA，再将它导入到相应的营养缺陷型细菌中。
例如，当我们要提取维生素B1合成酶基因时，就要采用维生素B1的营养缺陷型细菌（它在不含维生素B1的培养基上不能生长）。
把整合了不同DNA片段
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