学年高中生物第一章基因工程第一节工具酶的发现和基因工程的诞生学案浙科版选修3.docx

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学年高中生物第一章基因工程第一节工具酶的发现和基因工程的诞生学案浙科版选修3

第一节　工具酶的发现和基因工程的诞生

1．说出基因工程的含义并指出基因工程的主要内容。

　2.掌握限制性核酸内切酶的含义及作用特点。

（重点）

3．说出DNA连接酶的作用。

（重点）　4.简述质粒的含义、特性及其在基因工程中的作用。

（难点）

一、基因工程概述

1．含义：

基因工程是狭义的遗传工程，广义的遗传工程泛指把一种生物的遗传物质移到另一种生物的细胞中去，并使这种遗传物质所带的遗传信息在受体细胞中表达。

2．核心：

构建重组DNA分子。

二、基因工程的诞生

1．理论基础

（1）DNA是生物遗传物质的发现。

（2）DNA双螺旋结构的确立。

（3）遗传信息传递方式的认定。

2．技术上的保障

限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒的发现与应用。

三、限制性核酸内切酶

1．功能：

识别和切割DNA分子内一小段特殊核苷酸序列。

2．结果：

把DNA分子切割成许多不同的片段。

1．用限制性核酸内切酶酶切一个特定基因要切断几个磷酸二酯键？

提示：

两个。

四、DNA连接酶

作用：

将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起，形成重组DNA分子。

五、质粒

1．实质：

是能够自主复制的双链环状DNA分子，是一种特殊的遗传物质。

2．存在方式：

在细菌中独立于染色体之外。

3．作用：

作为基因工程的载体。

4．最常用的质粒：

大肠杆菌的质粒。

2．基因工程的载体只有质粒一种吗？

提示：

不是。

质粒是最常用的载体。

　限制性核酸内切酶

1．产物：

互补的粘性末端或平末端。

当限制性核酸内切酶在识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开时，产生的是粘性末端，当在识别序列的中心轴线处切开时，产生的是平末端。

2．特点：

具有专一性，表现在两个方面。

如图：

（1）识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列。

（2）切割特定序列中的特定位点。

3．切割键：

断开的是DNA分子中相邻脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，而不是连接两条链之间的氢键。

如下图：

双链DNA结构和磷酸二酯键的位置

限制性核酸内切酶，可辨识并切割DNA分子上特定的核苷酸序列。

下图为四种限制性核酸内切酶BamHⅠ，EcoRⅠ，HindⅢ以及BglⅡ的识别序列。

箭头表示每一种限制性核酸内切酶的特定切割部位，其中哪两种限制性核酸内切酶所切割出来的DNA片段末端可以互补粘合？

其正确的末端互补序列是（　　）

BamHⅠ　　　EcoRⅠ　　　　　HindⅢ　　　　BglⅡ

A．BamHⅠ和EcoRⅠ；末端互补序列—AATT—

B．BamHⅠ和HindⅢ；末端互补序列—GATC—

C．EcoRⅠ和HindⅢ；末端互补序列—AATT—

D．BamHⅠ和BglⅡ；末端互补序列—GATC—

[解析]　

[答案]　D

（1）限制性核酸内切酶是一类酶而不是一种酶。

（2）限制性核酸内切酶不是一般的DNA水解酶，限制性核酸内切酶只对DNA中特定的核苷酸序列识别和切割。

（3）限制性核酸内切酶所识别的序列，无论是6个碱基还是4、5、8个碱基，都可以找到一条中心轴线，中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。

　下面是3种限制性核酸内切酶对DNA分子的识别序列和剪切位点图（箭头表示切点，切出的断面为粘性末端）。

下列叙述错误的是（　　）

A．不同的限制性核酸内切酶有不同的识别序列和切割位点，体现了酶的专一性

B．限制性核酸内切酶2和3识别的序列都包含6个碱基对

C．限制性核酸内切酶1和酶3剪出的粘性末端相同

D．能够识别和切割RNA分子内一小段核苷酸序列的酶只有限制性核酸内切酶2

解析：

选D。

不同的限制性核酸内切酶有不同的识别序列和切割位点，体现了酶具有专一性；限制性核酸内切酶2和3识别的序列分别是CCGCGG和GGATCC，均为6个碱基对；限制性核酸内切酶1和3剪出的粘性末端相同，均为GATC；三种限制性核酸内切酶均不能识别和切割RNA中核糖核苷酸序列。

　DNA连接酶

1．DNA连接酶与限制性核酸内切酶的比较

2．DNA连接酶与DNA聚合酶的比较

DNA连接酶与DNA聚合酶都能催化两个核苷酸之间形成磷酸二酯键，但两者之间存在差异，表现如下：

DNA连接酶

DNA聚合酶

连接DNA链

双链

单链

连接部位

在两DNA片段之间形成磷酸二酯键

将单个脱氧核苷酸加到已存在的脱氧核糖核苷酸链上，形成磷酸二酯键

下列关于DNA连接酶的作用，叙述正确的是（　　）

A．DNA连接酶的基本组成单位是脱氧核苷酸

B．将单个核苷酸加到DNA片段的骨架上连接起来，重新形成磷酸二酯键

C．连接DNA链上碱基之间的氢键

D．将断开的两个DNA片段的骨架连接起来，重新形成磷酸二酯键

[解析]　

（1）DNA聚合酶只能将单个的脱氧核苷酸添加到已有的脱氧核苷酸链上，形成磷酸二酯键，而DNA连接酶是在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键。

（2）DNA聚合酶是以一条DNA链为模板将单个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接成一条与模板链互补的DNA链；而DNA连接酶是将两个缺口同时连接起来，选项B是DNA聚合酶的作用；DNA连接酶的基本组成单位是氨基酸。

[答案]　D

[思维升华]

（1）DNA连接酶和限制性核酸内切酶的作用部位都具有特异性吗？

提示：

DNA连接酶的作用部位不具特异性。

（2）DNA连接酶和DNA聚合酶催化形成的化学键相同吗？

提示：

相同。

DNA连接酶无识别的特异性，对于相同或互补的粘性末端以及平末端都能连接。

所以，限制性核酸内切酶种类多，DNA连接酶种类少。

　下图为DNA分子的某一片段，其中①②③分别表示某种酶的作用部位，则相应的酶依次是（　　）

A．DNA连接酶、限制性核酸内切酶、解旋酶

B．限制性核酸内切酶、解旋酶、DNA连接酶

C．解旋酶、限制性核酸内切酶、DNA连接酶

D．限制性核酸内切酶、DNA连接酶、解旋酶

解析：

选C。

使碱基对内氢键断裂的是解旋酶，限制性核酸内切酶将特定部位的相邻的两脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键断开；连接DNA片段间磷酸二酯键的是DNA连接酶。

　基因进入受体细胞的载体

1．载体的作用：

一是作为运载工具，将外源基因转移到受体细胞中去。

二是利用载体在受体细胞内的增殖，对外源基因进行大量复制。

2．作为载体必须具备的条件

（1）能够在宿主细胞中复制并稳定地保存。

（2）载体DNA必须有一个或多个限制性核酸内切酶切点，以便目的基因插入到载体上去。

（3）具有某些标记基因，便于进行筛选。

如抗菌素的抗性基因、产物有颜色反应的基因等。

（4）载体DNA必须是安全的，不会对受体细胞有害，或不能进入到除受体细胞外的其他生物细胞中去。

3．类型

（1）细菌的质粒，是能够自主复制的双链环状DNA分子，它在细菌中以独立于拟核之外的方式存在。

（2）噬菌体或某些动植物病毒。

（1）一般来说，天然载体往往不能满足人类的所有要求，因此人们根据自己的目的和需要，对某些天然载体进行人工改造。

（2）供目的基因插入的酶切位点所处的位置必须是在载体本身需要的基因之外，这样才不至于因目的基因的插入而使其失活。

质粒是基因工程中最常用的目的基因运载工具。

下列有关叙述正确的是（　　）

A．质粒是只存在于细菌细胞质中能自主复制的小型环状双链DNA分子

B．在所有的质粒上总能找到一个或多个限制性核酸内切酶切割位点

C．携带目的基因的重组质粒只有整合到宿主细胞的染色体DNA上才会随后者的复制而复制

D．质粒上的抗性基因常作为标记基因供重组DNA的鉴定和选择

[解析]　质粒不只分布于原核生物中，在真核生物——酵母菌细胞内也有分布，A项错误；并不是所有的质粒都能找到限制性核酸内切酶的切割位点而成为合适的运载目的基因的工具，B项错误；重组质粒进入受体细胞后，可以在细胞内自我复制，也可以整合后复制，C项错误；质粒上抗性基因常作为标记基因，D项正确。

[答案]　D

易误表现

错解归因

正确观点

基因载

体的本质

为病毒

据教材所述错误的理解所致

载体的化学本质为DNA，噬菌体、动植物病毒作载体时实质上是它们内部的DNA充当载体

载体属

于工具酶

不理解工具酶的内涵，片面根据“工具”二字错误的推理所致

载体属于基因工程的基本工具，不属于工具酶，限制性核酸内切酶和DNA连接酶才属于工具酶

右图表示某种质粒和人的胰岛素基因，其中a表示标记基因，b表示胰岛素基因，E1表示某限制性核酸内切酶的酶切位点，现用该种限制性核酸内切酶分别切割质粒和胰

岛素基因，后用DNA连接酶连接切割后的质粒和胰岛素基因，下列选项中不可能出现的是（　　）

答案：

C

[随堂检测]

1．下列有关基因工程诞生的说法，不正确的是（　　）

A．基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科的基础上发展起来的

B．工具酶和载体的发现使基因工程的实施成为可能

C．遗传密码的破译为基因的分离和合成提供了理论依据

D．基因工程与科学发现无多大关系

解析：

选D。

基因工程的诞生是许多科学家不断探索和研究的结果，其中DNA是遗传物质的发现及其双螺旋结构的确定和遗传信息传递方式的确定为基因工程的诞生打下了理论基础；基因工程工具的发现和应用为其提供技术保障。

2．下列关于限制性核酸内切酶的说法，正确的是（　　）

A．限制性核酸内切酶广泛存在于各种生物中，微生物中很少分布

B．一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列

C．它能任意切割DNA，从而产生大量的DNA片段

D．限制性核酸内切酶的作用部位是特定核苷酸形成的氢键

解析：

选B。

限制性核酸内切酶主要是从原核生物中分离纯化出来，并不是广泛存在于各种生物中；一种限制性核酸内切酶能识别双链DNA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。

3．下图中所示粘性末端属于由同一种限制性核酸内切酶切割而成的是（　　）

A．①②B．①③

C．①④D．②③

解析：

选B。

限制性核酸内切酶的主要特点是能够识别特定的核苷酸序列，并且有唯一的切点。

由于DNA双链上的碱基互补配对，一条链上的碱基序列与另一条链上的碱基序列反向排列，因此一种限制性核酸内切酶所识别的一条链上的碱基序列与另一条链上反向序列相同，并且有唯一的切点，这个切点在两条链上也是相同的。

从图中可以看出，①的一条链上未配对的碱基序列是TTAA，另一条链上与之对应的应该是AATT，这样③的碱基序列符合要求；如果将③与①配对起来，则可看出上下两条链之间的切点都在G与A之间。

4．DNA连接酶的重要功能是（　　）

A．DNA复制时使母链与子链之间形成氢键

B．粘性末端碱基之间形成氢键

C．将两条DNA片段末端之间的缝隙连接起来

D．以上都不正确

解析：

选C。

DNA连接酶的作用只是催化DNA片段的“缝合”，即恢复被限制性核酸内切酶切开了的两个核苷酸之间的磷酸二酯键，不能催化氢键形成，也不能使已有的DNA片段与单个核苷酸之间形成磷酸二酯键。

5．下列不是基因工程中载体的特点是（　　）

A．能进行自我复制

B．有适宜的限制性核酸内切酶酶切位点

C．具有抗性标记基因等

D．组成的基本单位是核糖核苷酸

解析：

选D。

目前常用的载体是质粒，为细菌中环状的DNA，则其基本单位为脱氧核苷酸，而不是核糖核苷酸。

6．啤酒酵母菌是啤酒生产上常用的典型的发酵酵母菌。

除用于酿造啤酒及其他的饮料酒外，还可发酵面包。

菌体维生素、蛋白质含量高，可作食用、药用和饲料。

科学家将