创新设计学年高二生物人教版选修3学案与检测专题1 第1课时 DNA重组技术的基本工具 Word版含文档格式.docx
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创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品
2.基因工程的工具酶
（1）“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）
①来源：
主要是从原核生物中分离纯化出来的。
②功能：
能够识别双链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。
小贴士 限制酶所识别序列的特点
呈现碱基互补对称，无论是奇数个碱基还是偶数个碱基，都可以找到一条中心轴线，如图所示，中心轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。
如
GCCG以中心线为轴，两侧碱基互补对称；
CGCGATGCGC以AT为轴，两侧碱基互补对称。
③作用结果：
形成DNA片段末端。
a．黏性末端
是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形成的，如图所示。
b．平末端
是限制性核酸内切酶在识别序列的中心轴线处切开时形成的，如图所示。
④观察图2，说明限制酶切割的位置在2、4（处）。
（2）“分子缝合针”——DNA连接酶
①作用：
将双链DNA片段之间的磷酸二酯键连接起来。
②DNA连接酶种类和作用的区别
种类
来源
作用
E·
coliDNA
连接酶
大肠杆菌
缝合黏性末端被切开的磷酸二酯键，不能连接平末端
T4DNA连接酶
T4噬菌体
缝合黏性末端和平末端，但平末端之间连接的效率比较低
归纳提炼
1．DNA连接酶与限制性核酸内切酶的比较
（1）区别
应用
限制性核酸内切酶
使特定部位的磷酸二酯键断裂
用于提取目的基因和切割载体
DNA连接酶
在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键
用于基因表达载体的构建
（2）两者的关系可表示为：
2．DNA连接酶与DNA聚合酶的比较
DNA聚合酶
相同点
催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键
不
同
点
模板
不需要模板
需要DNA的一条链为模板
作用对象
游离的DNA片段
单个的脱氧核苷酸
作用结果
形成完整的DNA分子
形成DNA的一条链
用途
基因工程
DNA分子复制
活学活用
1．下图为DNA分子的切割和连接过程，据图回答下列问题。
（1）EcoRⅠ是一种____________酶，其识别序列是________________，切割位点是___________与___________之间的___________键。
切割结果产生的DNA末端片段形式为_____________。
（2）不同来源的DNA片段结合，在这里需要的酶是__________连接酶，此酶的作用是在__________和________之间形成__________键而起缝合作用的。
还有一种连接平末端的连接酶是__________。
答案
（1）限制性核酸内切 GAATTC 鸟嘌呤脱氧核苷酸 腺嘌呤脱氧核苷酸 磷酸二酯 黏性末端
（2）E·
coliDNA 鸟嘌呤脱氧核苷酸 腺嘌呤脱氧核苷酸 磷酸二酯 T4DNA连接酶
解析 限制酶能识别特定的核苷酸序列（碱基序列），并使两个特定核苷酸之间的磷酸二酯键断裂，DNA连接酶的作用是将不同来源的DNA片段连接起来。
方法链接 与DNA分子有关的四种酶的作用部位图解：
（1）作用于a（磷酸二酯键）的酶：
限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶。
（2）作用于b（氢键）的酶：
解旋酶。
探究点二 “分子运输车”——载体
载体的作用是作为运载工具，将目的基因转移到受体细胞中去，并在受体细胞内大量复制。
常用的载体有细菌的质粒、病毒等。
1．质粒来源于许多细菌和酵母菌等生物，是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的很小的双链环状DNA分子。
2．作为载体的条件有：
（1）载体DNA要携带目的基因，因此要求载体DNA必须有一个至多个限制酶切割位点。
（2）目的基因进入受体细胞后要进行DNA复制，因此要求携带目的基因的载体具有自我复制的特点或能整合到染色体DNA上，随染色体DNA进行同步复制。
（3）目的基因进入受体细胞后要进行鉴定和选择，一般利用质粒上特殊的标记基因。
（4）霍乱弧菌有强烈的致病性，也含有质粒，但一般不用来做载体。
因此，我们选择的载体应该对受体细胞无害。
3．常用载体种类
质粒、λ噬菌体的洐生物和灭活的动植物病毒等。
其中最常用的载体是质粒。
细胞膜上的载体与基因工程中的载体的区别
（1）化学本质不同：
细胞膜上的载体化学成分是蛋白质；
基因工程中的载体可能是物质，如质粒（DNA）、λ噬菌体的衍生物，也可能是生物，如动植物病毒等。
（2）功能不同：
细胞膜上的载体功能是协助细胞膜控制物质进出细胞；
基因工程中的载体是一种“分子运输车”，把目的基因导入受体细胞。
2．限制酶MunⅠ和限制酶EcoRⅠ的识别序列及切割位点分别是—C↓AATTG—和—G↓AATTC—。
如图表示四种质粒和目的基因，其中，箭头所指部位为限制酶的识别位点，质粒的阴影部分表示标记基因。
适于作为图示目的基因载体的质粒是（ ）
问题导析
（1）据图可知，能识别此目的基因的两端序列的是限制酶MunⅠ和EcoRI。
（2）质粒B上无标记基因，不适合作为载体；
质粒A和C都有上述限制酶的识别位点，但是C的切割位点在标记基因上。
答案 A
解析 由图可知，质粒B上无标记基因，不适合作为载体；
质粒C和D的标记基因上都有限制酶的识别位点；
只有质粒A上既有标记基因，且MunⅠ的切割位点不在标记基因上。
基因工程的基本工具
①限制性核,酸内切酶（分子手术刀）
⑥DNA连接酶（分子缝合针）
⑧载体（分子运输车）
1．下图表示一项重要的生物技术，对图中物质a、b、c、d的描述，正确的是（ ）
A．通常情况下，a与d需要用同一种限制酶进行切割
B．b能识别特定的核苷酸序列，并将A与T之间的氢键切开
C．c连接双链间的A和T，使黏性末端处碱基互补配对
D．b代表的是限制性核酸内切酶，c代表的是RNA聚合酶
解析 b是限制性核酸内切酶，能识别特定的核苷酸序列并使DNA分子的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，而不是使氢键断开；
c是DNA连接酶，能连接两个DNA片段。
2．关于限制酶识别序列和切开部位的特点，叙述错误的是（ ）
A．所识别的序列都可以找到一条中轴线
B．中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列
C．只识别和切割特定的核苷酸序列
D．在任何部位都能将DNA切开
答案 D
解析 一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的位点上切割DNA分子。
3．质粒之所以能做基因工程的载体，是由于它（ ）
A．含蛋白质，从而能完成生命活动
B．能够自我复制，且能保持连续性
C．含RNA，能够指导蛋白质的合成
D．具有环状结构，能够携带目的基因
答案 B
解析 质粒存在于细菌和酵母菌等微生物中，是一种很小的环状DNA分子，其上有标记基因，便于检测。
质粒在受体细胞中，能随受体细胞DNA的复制而复制，进行目的基因的扩增和表达。
4．通过DNA重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。
运用这一技术使羊奶中含有人体蛋白质，下图表示了这一技术的基本过程，在该工程中所用的基因“剪刀”能识别的序列和切点是—G↓GATCC—，请回答下列问题。
（1）从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是________________。
人体蛋白质基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中时需要的酶是________________。
（2）请画出质粒被切割形成黏性末端的过程图。
（3）人体蛋白质基因之所以能“插入”到羊的染色体内，原因是_______________________，
“插入”时用的工具是________，其种类有__________________________。
答案
（1）限制酶 DNA连接酶
（2）
（3）基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的 载体 质粒、动植物病毒、λ噬菌体的衍生物等
解析 基因工程所用的工具酶是限制酶和DNA连接酶，不同生物的基因之所以能整合在一起，是因为基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的。
将目的基因导入受体细胞，离不开载体的协助，基因工程中常用的载体除质粒外，还有动植物病毒、λ噬菌体的衍生物等。
基础过关
知识点一 基因工程的概念和工具酶
1．实施基因工程的最终目的是（ ）
A．提取生物体的DNA分子
B．对DNA分子进行人工剪切
C．在生物体外对DNA分子进行改造
D．创造符合人们需要的新生物类型和生物产品
解析 A、B和C三项均为基因工程操作的具体内容，但不是基因工程的目的。
实施基因工程的最终目的是通过基因操作定向改造生物的遗传物质，创造符合人们需要的新的生物类型和生物产品。
2．下列关于限制酶的叙述中，错误的是（ ）
A．它能在特殊位点切割DNA分子
B．同一种限制酶切割不同的DNA产生的黏性末端能够很好地进行碱基配对
C．它能任意切割DNA，从而产生大量DNA片段
D．每一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列
答案 C
解析 限制酶是基因工程的重要工具之一。
每种限制酶只能识别特定的核苷酸序列，并在特定的位点上切割DNA分子。
同一种限制酶切割不同的DNA产生的黏性末端能进行互补配对。
3．下列有关限制酶的说法，正确的是（ ）
A．限制酶主要是从真核生物中分离出来的
B．限制酶的识别序列只能由6个核苷酸组成
C．限制酶能识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并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
D．限制酶切割产生的DNA片段末端都为黏性末端
解析 限制酶主要存在于微生物中。
一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的位点上切割DNA分子，切开后形成两种末端——黏性末端和平末端。
少数限制酶的识别序列由4、5或8个核苷酸组成。
4．下列关于DNA连接酶的叙述，不正确的是（ ）
A．催化相同黏性末端的DNA片段之间的连接
B．催化相同平末端的DNA片段之间的连接
C．催化两个黏性末端互补碱基氢键的形成
D．催化DNA分子两条链的脱氧核糖与磷酸之间磷酸二酯键的形成
解析 氢键是分子间作用力，其断裂和形成与DNA连接酶无关。
5．如图，两个核酸片段在适宜条件下，经X酶的催化作用，发生下述变化，则此酶是（ ）
A．DNA连接酶B．RNA聚合酶
C．DNA聚合酶D．限制酶
解析 DNA连接酶可以将双链DNA片段互补的黏性末端连接起来。
知识点二 载体
6．作为基因工程中的“分子运输车”——载体，应具备的条件是（ ）
①必须有一个至多个限制酶的切割位点，以便目的基因可以插入到载体上 ②载体必须具备自我复制的能力，或整合到受体染色体DNA上随染色体DNA的复制而同步复制 ③必须带有标记基因，以便进行重组后的筛选
④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 ⑤大小应合适，太大则不易操作
A．①②③④B．①②③⑤
C．①②④⑤D．①②③④⑤
解析 基因操作中要使载体携带目的基因，其上必须有一个至多个限制酶的切割位点，以便目的基因可以插入到载体上；
载体必须具备自我复制的能力，或整合到受体染色体DNA上随染色体DNA的复制而同步复制；
必须带有标记基因，以便进行重组后的筛选；
必须是安全的；
大小应合适，太大则不易操作。
7．下列哪项不是基因工程中经常使用的载体（ ）
A．细菌质粒B．λ噬菌体的衍生物
C．动植物病毒D．细菌拟核区的DNA
解析 细菌拟核内的DNA分子不具备载体的基本条件，不能用于基因工程。
8．下列有关细菌质粒的叙述，正确的是（ ）
A．质粒是存在于细菌细胞中的一种颗粒状的细胞器
B．质粒是细菌细胞中能自主复制的小型环状DNA分子
C．质粒只有在侵入宿主细胞后在宿主细胞内复制
D．细菌质粒的复制过程一定是在宿主细胞外独立进行的
解析 质粒是细菌细胞质中能自主复制的小型环状DNA分子，可以在细菌细胞内或宿主细胞内复制。
能力提升
9．下列对基因工程的理解，正确的是（ ）
①它是一种按照人们的意愿，定向改造生物遗传特性的工程 ②对基因进行人为改造 ③是体外进行的人为的基因重组 ④在实验室内，利用相关的酶和原料合成DNA ⑤主要技术为体外DNA重组技术和转基因技术
⑥在DNA分子水平进行操作 ⑦一旦成功，便可遗传
A．①②③④⑤⑥B．①③④⑤⑥⑦
C．①②③⑤⑥⑦D．①③⑤⑥⑦
解析 基因工程可以对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物，而不是对基因进行人为改造。
10．基因工程在操作过程中需要限制酶、DNA连接酶、载体三种工具。
以下有关基本工具的叙述，正确的是（ ）
A．所有限制酶的识别序列均由6个核苷酸组成
B．所有DNA连接酶均能连接黏性末端和平末端
C．真正被用作载体的质粒都是天然质粒
D．原核生物内的限制酶可切割入侵的DNA分子而保护自身
解析 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、5或8个核苷酸组成；
DNA连接酶包括E·
coliDNA连接酶和T4DNA连接酶，前者只能将双链DNA片段互补的黏性末端连接起来；
在基因工程操作中真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。
11．现有一长度为1000碱基对（bp）的DNA分子，用限制性核酸内切酶EcoRⅠ单独酶切后得到的DNA分子仍是1000bp，用KpnⅠ单独酶切得到400bp和600bp两种长度的DNA分子，用EcoRⅠ、KpnⅠ同时酶切后得到200bp和600bp两种长度的DNA分子。
该DNA分子的酶切图谱正确的是（ ）
解析 由题干条件可知用EcoRⅠ酶切后，并不能将DNA分为两段，故可判断为环状DNA，再根据“用EcoRⅠ、KpnⅠ同时酶切后得到200bp和600bp两种长度的DNA分子”可得到答案D。
12．下列黏性末端是由同一种限制酶切割而成的是（ ）
①TCGGACTTAA
②ACTGTCCA
③AATTCG
④AGCTTCAG
A．①②B．①③C．①④D．②③
解析 只有①和③两个黏性末端的碱基是互补的，可以说明一般情况下是由同一种限制酶切开。
13．基因工程中，需要使用限制酶切割目的基因和质粒，便于重组和筛选。
已知限制酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—，限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。
（1）根据已知条件和图回答下列问题：
①上述质粒用限制酶________切割，目的基因用限制酶__________切割。
②将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，还要加入适量的__________。
③请指出质粒上至少要有一个标记基因的理由：
______________________________
________________________________________________________________________。
（2）不同生物的基因可以拼接的结构基础是____________________________________
答案
（1）①Ⅰ Ⅱ ②DNA连接酶 ③检测重组质粒（或目的基因）是否导入受体细胞
（2）DNA结构基本相同（其他合理答案均可）
解析 要形成重组质粒，质粒只能出现一个切口，并且至少保留一个标记基因，因
序列在GeneⅡ上，因此用限制酶Ⅰ切割质粒，保留GeneⅠ标记基因；
目的基因必须切割两次，切割后产生的黏性末端能与质粒的黏性末端互补，
序列中有酶Ⅱ的切割序列，因此用酶Ⅱ，产生的末端互补。
14．下图表示两种限制性核酸内切酶识别DNA分子特定序列，并在特定位点对DNA进行切割的示意图，请回答以下问题：
甲：
5′—T—C—G—A—A—T—T—C－
3′—A—G—C—T—T—A—A—G－
↓
—T—C—G— —A—A—T—T—C—
—A—G—C—T—T—A—A— —G—
乙：
5′—G—T—T—A—A—C—
3′—C—A—A—T—T—G—
—G—T—T— —A—A—C—
—C—A—A— —T—T—G—
（1）图中甲和乙代表________________________________________________________。
（2）EcoRⅠ、HpaⅠ代表____________________________________________________。
（3）图中甲和乙经过相应操作均形成两个片段，切口的类型分别为______________、____________。
（4）由图解可以看出，限制酶的作用特点是____________________________________
答案
（1）有特殊脱氧核苷酸序列的DNA片段
（2）两种不同的限制酶 （3）黏性末端 平末端 （4）每种限制酶都能识别特定的脱氧核苷酸序列并从特定的位点将DNA分子切开
解析 从图解可以看出，甲和乙代表的是不同的DNA片段，在相应的限制酶（EcoRⅠ、HpaⅠ）的作用下，在特定的位点被剪切成两部分。
前者是在识别序列的中心轴线两侧分别切开，形成的末端是黏性末端；
后者是在识别序列的中心轴线处切开，则产生平末端。
EcoRⅠ能将甲片段以图中方式剪切成两部分，但不能将乙片段剪切成两部分，说明每种限制酶的识别序列和切点具有高度的专一性。
个性拓展
15．根据模拟制作重组DNA分子的活动，甲DNA分子、乙DNA分子被EcoRⅠ酶（识别序列为GAATTC，并在G与A之间切开）切后，即可获得所需的目的基因和质粒，回答以下问题：
（1）绿色硬纸板（甲DNA分子）的碱基序列为：
……ATAGCATGCTATCCATGAATTCGGCATAC……
……TATCGTACGATAGGTACTTAAGCCGTATG……
红色硬纸板（乙DNA分子）的碱基序列为：
……TCCTAGAATTCTCGGTATGAATTCCATAC……
……AGGATCTTAAGAGCCATACTTAAGGTATG……
其中，________DNA分子含有“目的基因”，__________DNA分子是“质粒”。
（2）用“剪刀”进行切割。
酶切割位点在______（“a处”还是“b处”），请用“‖”在甲、乙两DNA分子上标出EcoRⅠ酶的作用位点。
（3）你模拟插入的DNA片段能称得上一个基因吗？
____________________。
答案
（1）乙 甲
（2）a处
绿色硬纸板（甲DNA分子）的碱基序列为：
……ATAGCATGCTATCCATG ‖AATTCGGCATAC……
……TATCGTACGATAGGTACTTAA ‖GCCGTATG……
……TCCTAG‖AATTCTCGGTATG‖AATTCCATAC……
……AGGATCTTAA‖GAGCCATACTTAA‖GGTATG……
（3）不能
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