11基因工程的诞生发展和工具 学案苏教版选修3.docx

11基因工程的诞生发展和工具 学案苏教版选修3.docx

《11基因工程的诞生发展和工具 学案苏教版选修3.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《11基因工程的诞生发展和工具 学案苏教版选修3.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

11基因工程的诞生发展和工具学案苏教版选修3

第一章　基因工程

第1课时　基因工程的诞生、发展和工具

目标导航

　1.说出基因工程诞生的理论与实践依据、发展阶段和基因工程的含义及其主要实验成果。

2.举例说出限制性核酸内切酶的作用、特点。

3.举例说出DNA连接酶的作用。

4.简述质粒的含义、特性及其在基因工程中的作用。

一、基因工程的诞生和发展

1．基因工程是指在______通过人工“______”和“____________”等方法，对生物的基因进行的______和重新组合，然后______受体细胞并使重组基因在受体细胞中______，产生人类需要的____________的技术，又称为________技术。

基因工程是在______水平上操作、改变生物的______________的技术，包括基因的______、____________、______以及在受体细胞内的______和______等过程。

2．艾弗里证明了______是遗传物质、沃森和克里克阐明了______________________结构，尼伦贝格等破译了____________，这些都为基因工程的创立作出了重要的理论铺垫，而________________酶和________酶等工具酶、________等载体和________酶的发现，则直接促使了基因工程的诞生。

3．基因工程的诞生和发展经历了三个时期：

1973～1976年为______期；1977～1981年为______期；1982年以后为迅猛发展和____________期。

1973年，美国科学家科恩和博耶等将________________的DNA分子进行体外重组，并首次实现了在大肠杆菌中的______，创立了________________的新技术——基因工程；不久，又有科学家将第一个____核生物的基因导入大肠杆菌，使大肠杆菌产生了相应的______；1977年，科学家使得生长激素抑制素基因在大肠杆菌中成功表达；1978年，____________在大肠杆菌中成功合成；1979年，____________基因在大肠杆菌中成功表达；1980年，____________基因在大肠杆菌中成功表达……1982年，美国科学家岶米特等采用____________法，将经过重组的带有________________基因的质粒转入小鼠的受精卵内，成功获得带有________________基因的小鼠。

该小鼠生长迅速，体型是同一胎其他小鼠的1.8倍，称为______小鼠。

这一实验被认为是基因工程的发展史上的一个里程碑。

二、基因工程中的工具——酶与载体

1．限制性核酸内切酶——分子手术刀

（1）来源：

第一种限制酶从________________中分离并纯化。

（2）作用：

每种限制性核酸内切酶只能识别DNA分子的________________，且在特定位点上切割DNA分子。

（3）切割结果：

大部分限制性核酸内切酶在切开DNA双链时，切口处两个末端都带有由若干____________组成的单链，这种单链被称为______末端。

2．DNA连接酶——分子针线

（1）作用：

把DNA分子“梯子”的__________________连接起来。

（2）结果：

形成一条________分子。

3．载体——运载工具

（1）常用种类：

______、________以及一些可以起载体作用的动植物病毒。

（2）质粒：

来自于____________中的一种很小的____________分子。

知识点一　基因工程的诞生和发展

1．下列关于基因工程的叙述，不正确的是（　　）

A．基因工程的原理是基因重组

B．运用基因工程技术，可使生物发生定向变异

C．一种生物的基因转接到另一种生物的DNA分子上，属于基因工程的内容

D．是非同源染色体上非等位基因的自由组合

2．以下有关基因工程的叙述，正确的是（　　）

A．基因工程是细胞水平上的生物工程

B．基因工程的目的是获得目的基因表达的蛋白质产物

C．基因工程产生的变异属于人工诱变

D．基因工程育种的优点之一是可以定向地使生物产生可遗传的变异

知识点二　限制性核酸内切酶和DNA连接酶

3．限制性核酸内切酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—，限制性核酸内切酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。

在质粒上有酶Ⅰ的一个切点，在目的基因的两侧各有1个酶Ⅱ的切点。

（1）请画出质粒被限制性核酸内切酶Ⅰ切割形成黏性末端的过程。

（2）请画出目的基因两侧被限制性核酸内切酶Ⅱ切割形成黏性末端的过程。

（3）在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接起来？

为什么？

4．下表中列出了几种限制酶识别序列及其切割位点，图1、图2中箭头表示相关限制酶的酶切位点。

请回答下列问题：

图1

图2

（1）一个图1所示的质粒分子经SmaⅠ切割前、后，分别含有________个游离的磷酸基团。

（2）若对图中质粒进行改造，插入的SmaⅠ酶切位点越多，质粒的热稳定性越________。

（3）用图中的质粒和外源DNA构建重组质粒，不能使用SmaⅠ切割，原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）与只使用EcoRⅠ相比较，使用BamHⅠ和HindⅢ两种限制酶同时处理质粒、外源DNA的优点在于可以防止________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（5）为了获取重组质粒，将切割后的质粒与目的基因片段混合，并加入______________酶。

（6）重组质粒中抗生素抗性基因的作用是为了____________________________________

________________________________________________________________________。

知识点三　“分子运输车”——载体

5．将ada（腺苷酸脱氨酶基因）通过质粒pET28b导入大肠杆菌并成功表达腺苷酸脱氨酶。

下列叙述错误的是（　　）

A．每个大肠杆菌细胞至少含一个重组质粒

B．每个重组质粒至少含一个限制性核酸内切酶识别位点

C．每个限制性核酸内切酶识别位点至少插入一个ada

D．每个插入的ada至少表达一个腺苷酸脱氨酶分子

6．如图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，据图回答下列问题：

（1）a代表的物质和质粒的化学本质相同，都是____________，二者还具有其他共同点，如：

①____________________，②__________________（写出两条即可）。

（2）若质粒DNA分子的切割末端为

，则与之连接的目的基因切割末端应为______________；可使用________把质粒和目的基因连接在一起。

（3）氨苄青霉素抗性基因在质粒DNA上称为________________，其作用是________________________________________________________________________。

（4）下列常在基因工程中用作载体的是（　　）

A．苏云金芽孢杆菌抗虫基因

B．土壤农杆菌环状RNA分子

C．大肠杆菌的质粒

D．动物细胞的染色体

基础落实

1．人们将苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因导入棉花细胞中培育成为抗虫棉，这个过程中所利用的主要原理是（　　）

A．基因突变B．基因重组

C．基因工程D．染色体变异

2．下列有关限制酶知识的叙述，错误的是（　　）

A．产生于细胞内，同时可以在细胞外起作用

B．一种限制酶可以识别多种特定的核苷酸序列

C．限制酶作用于两个核苷酸之间的磷酸二酯键

D．微生物中的限制酶对自身DNA无损害作用

3．属于“分子缝合针”的是（　　）

①E·coliDNA连接酶　②T4DNA连接酶　③DNA聚合酶　④解旋酶　⑤RNA聚合酶

A．①②③B．①②

C．①②⑤D．②④

4．限制性核酸内切酶EcoRⅠ对DNA的识别序列是GAATTC，当用它处理环状DNA分子时，可形成（　　）

A．两端相同的线性DNA，有黏性末端

B．两端相同的线性DNA，无黏性末端

C．两端不同的线性DNA，一端有黏性末端，一端无黏性末端

D．两种末端无法判断

5．在基因工程中用来修饰改造生物基因的工具是（　　）

A．限制酶和DNA连接酶

B．限制酶和DNA水解酶

C．限制酶和载体

D．连接酶和载体

6．如图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，图中依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用的正确顺序是（　　）

A．①②③④B．①②④③

C．①④②③D．①④③②

能力提升

7．下列关于基因工程的叙述，错误的是（　　）

A．目的基因由载体导入受体细胞

B．限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶

C．人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性

D．载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达

8．2008年诺贝尔化学奖授予了“发现和发展了水母绿色荧光蛋白”的三位科学家。

如果将绿色荧光蛋白基因的片段与目的基因连接起来组成一个融合基因，再将该融合基因转入真核生物细胞内，表达出的蛋白质就会带有绿色荧光。

绿色荧光蛋白在该研究中的主要作用是（　　）

A．追踪目的基因在细胞内的复制过程

B．追踪目的基因插入到染色体上的位置

C．追踪目的基因编码的蛋白质在细胞内的分布

D．追踪目的基因编码的蛋白质的空间结构

9．某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶（Amy）基因a，通过基因工程的方法，将基因a与载体结合后导入马铃薯植株中，经检测发现Amy在成熟块茎细胞中存在。

下列有关这一过程的叙述不正确的是（　　）

A．获取基因a的限制酶的作用部位是图中的①

B．连接基因a与载体的DNA连接酶的作用部位是图中的②

C．基因a进入马铃薯细胞后，可随马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞

D．通过该技术人类实现了定向改造马铃薯的遗传性状

10．限制酶是一种核酸内切酶，可识别并切割DNA分子上特定的核苷酸序列。

下图为四种限制酶BamHⅠ、EcoRⅠ、HindⅢ和BglⅡ的识别序列和切割位点：

BamHⅠ　　EcoRⅠHindⅢ　　BglⅡ

↓↓↓↓

GGATCCGAATTCAAGCTTAGATCT

CCTAGGCTTAAGTTCGAATCTAGA

　　　↑　　　　↑　　　　↑　　　　↑

切割出来的DNA黏性末端可以互补配对的是（　　）

A．BamHⅠ和EcoRⅠ

B．BamHⅠ和HindⅢ

C．BamHⅠ和BglⅡ

D．EcoRⅠ和HindⅢ

11.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：

（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”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________________________________________________________________________。

12．请根据下面的实验原理和材料用具，设计实验探究质粒的抗生素基因所控制的抗菌类别。

实验原理：

作为载体的质粒须有标记基因，这一标记基因可以是抗生素抗性基因，故有抗生素抗性基因的细菌，其质粒可以选作为载体（抗生素抗性基因一般位于质粒上）。

材料用具：

青霉素溶液、10万单位/mL的四环素溶液、菌种、灭菌的含有细菌培养基的培养皿、酒精灯、接种环、一次性注射器、蒸馏水、恒温箱等。

（1）方法步骤：

第一步：

取三个含细菌培养基的培养皿，编号1、2、3，在酒精灯旁，用三支注射器分别注入1毫升的蒸馏水、青霉素溶液和四环素溶液，并使之在整个培养皿表面均匀分布；

第二步：

__________________________________________________________________；

第三步：

将接种后的三个培养皿放入37℃恒温箱中培养24小时。

（2）预期结果及结论：

①若1号培养皿中细菌正常生长，2、3号培养皿中细菌不能存活，说明该细菌质粒既无青霉素抗性基因，也无四环素抗性基因；

②________________________________________________________________________

________________________________________________________________________；

③________________________________________________________________________

________________________________________________________________________；

④________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）设置1号培养皿的目的是进行______________________________________________。

综合拓展

13．基因工程中，需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：

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______________________________________

________________________________________________________________________。

（3）大肠杆菌是首先成功表达外源基因的宿主菌，但不能表达结构复杂的蛋白质，哺乳类细胞、昆虫细胞表达系统虽然能表达结构复杂的哺乳类细胞蛋白，但操作复杂，表达水平低，不易推广使用。

基因工程中常选用酵母菌作为受体细胞，请从细胞结构等方面分析用酵母菌作受体细胞能克服上述不足的理由：

____________________________________________

________________________________________________________________________。

第1课时　基因工程的诞生、发展和工具

知识清单

一、1.体外　剪切　拼接　改造　导入　表达　基因产物　重组DNA　基因　遗传性状　分离　体外重组　转移　复制　表达　2.DNA　DNA分子的双螺旋　遗传密码　限制性核酸内切　DNA连接　质粒　逆转录　3.开始　发展　实际应用　两种不同来源　表达　定向改造生物　真　rRNA　人胰岛素　人生长激素　人干扰素　显微注射　大鼠生长激素　大鼠生长激素　巨型

二、1.

（1）流感嗜血杆菌　

（2）特定核苷酸序列

（3）特定核苷酸　黏性

2．

（1）扶手断口　

（2）重组DNA　3.

（1）质粒　噬菌体　

（2）细菌细胞　DNA

对点训练

1．D　[基因工程实现了将一种生物的基因与另一种生物的基因组合到同一个体中的愿望，所以这是一种基因重组现象。

基因工程是两种生物间的基因重组，而非同源染色体上非等位基因的自由组合仅限于一种生物的一个个体减数分裂过程中。

]

思路导引　理解基因工程的概念；回忆必修二基因重组的概念；搞清两个概念间的关系。

知识链接　对基因工程的理解

（1）操作环境：

生物体外

（2）优点

①与杂交育种相比：

克服了远缘杂交不亲和的障碍。

②与诱变育种相比：

定向改造生物性状。

（3）操作水平：

分子水平。

（4）原理：

基因重组。

（5）本质：

甲（供体：

提供目的基因）

乙（受体：

表达目的基因），即基因未变，合成蛋白质未变，只是合成场所的转移。

2．D　[基因工程是在分子水平上，对DNA进行设计和施工，按照人们的意愿定向地改造生物性状，创造出符合人们需要的生物类型或生物产品，基本原理应为基因重组。

]

思路导引　明确基因工程的含义、优点、操作水平；回忆人工诱变的原理。

知识链接　1.不同基因拼接为重组DNA的理论基础

（1）DNA分子的基本单位相同，都是由脱氧核苷酸构成的。

（2）空间结构相同，不同生物的DNA分子，都是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链形成的规则的双螺旋结构。

（3）碱基配对方式相同，不同生物的DNA分子中，两条链之间的碱基配对方式均是A与T配对，G与C配对。

2．外源基因在受体细胞内表达的理论基础

（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阐述的信息流动方向。

（3）生物界共用一套遗传密码。

3．

（1）

（2）

（3）能。

因为上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端是相同的。

解析　限制酶具有专一性，即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列并从特定的切点将DNA分子切开。

被限制酶切开的DNA两条单链切口，如果各含有几个伸出的、可互补配对的核苷酸，这种切口就是黏性末端。

两个黏性末端之间，只要切口处伸出的核苷酸间互补，就能在DNA连接酶的作用下连接起来。

虽然限制酶Ⅰ和限制酶Ⅱ识别的序列和切点不完全相同，但是形成的黏性末端是相同的，存在着互补关系，因此在DNA连接酶的作用下是可以连接起来的。

思路导引　仔细审题，注意酶Ⅰ和酶Ⅱ的识别位点，以及切割后产生的黏性末端的异同。

知识链接　1.限制性核酸内切酶

（1）作用特点：

具有专一性，表现在两个方面

①识别双链DNA中特定核苷酸序列。

②切割特定序列中的特定位点，特定序列表现为中心对称，如EcoRⅠ酶的切割序列（如下图）：

（2）作用结果：

产生黏性末端或平口末端

①黏性末端：

是限制酶在识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开形成的，如下图所示：

②平口末端：

是限制酶在识别序列的中心轴线处切开形成的。

如下图所示：

2．DNA连接酶

常用的DNA连接酶

E·coliDNA连接酶

T4DNA连接酶

4．

（1）0、2　

（2）高

（3）SmaⅠ会破坏质粒的抗性基因、外源DNA中的目的基因

（4）质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化

（5）DNA连接

（6）鉴别和筛选含有目的基因的细胞

解析　

（1）质粒切割前是双链环状DNA分子，所有磷酸基团参与形成磷酸二酯键，故不含游离的磷酸基团。

从图1可以看出，质粒上只含有一个SmaⅠ的切点，因此被该酶切割后，质粒变为线性双链DNA分子，因每条链上含有一个游离的磷酸基团，因此切割后含有两个游离的磷酸基团。

（2）由题目可知，SmaⅠ识别的DNA序列只有G和C，而G和C之间可以形成三个氢键，A和T之间可以形成两个氢键，所以SmaⅠ酶切位点越多，热稳定性就越高。

（3）质粒抗生素抗性基因为标记基因，由图2可知，标记基因和外源DNA中均含有SmaⅠ酶切位点，都可以被SmaⅠ破坏，故不能使用该酶剪切含有目的基因的外源DNA和质粒。

（4）只使用EcoRⅠ，则质粒和目的基因两端的黏性末端相同，用连接酶连接时，会产生质粒和目的基因自身连接物，而利用BamHⅠ和HindⅢ剪切时，质粒和目的基因两端的黏性末端不同，用DNA连接酶连接时，不会产生自身连接产物。

（5）质粒和目的基因连接后获得重组质粒，该过程需要连接酶作用，故混合后加入DNA连接酶。

（6）质粒上的抗性基因为标记基因，用于鉴别和筛选含有重组质粒的受体细胞。

归纳提升　

（1）DNA连接酶与DNA聚合酶的比较

DNA连接酶

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

作用过程

在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键

将单个核苷酸加到已存在的核酸片段的3′端的羟基上，形成磷酸二酯键

作用结果

连接成完整的DNA分子

形成DNA的一条链

用途

基因工程

DNA复制

（2）DNA连接酶与限制性核酸内切酶的比较

①区别

作用

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

用于构建重组DNA分子

②关系：

限制酶和连接酶都作用于相邻两脱氧核苷酸之间形成的磷酸二酯键，但作用不同，一个是切割，一个是连接。

两者的关系可表示为：

5．C　[大肠杆菌成功表达出腺苷酸脱氨酶，说明这些大肠杆菌都至少含有一个重组质粒，A项正确；作为载体的条件为至少含有一个或多个酶切位点，所以作为载体的质粒至少含有一个限制性核酸内切酶识别位点，B项正确；作为基因表达载体应包括目的基因、启动子、终止子、标记基因四部分，但并不是每个酶切位点都至少插入一个ada，C项错误；由于这些目的基因成功表达，所以每个ada至少表达一个腺苷酸脱氨酶分子，D项正确。

]

思路导引　①要明确质粒作为载体所需要具备的条件；②理解基因工程含义。

知识链接　基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”

（1）类型

（2）功能：

将目的基因导入受体细胞，并能使其在受体细胞中稳定遗传和表达。

（3）应具备的条件

①含复制原点，能在宿主细胞内稳定保存并大量复制；

②有遗传标记基因，可用于鉴定与筛选重组DNA分子；

③有限制酶的切割位点，便于外源基因的插入。

6．

（1）DNA　①能够自我复制　②具有遗传效应

（2）

　DNA连接酶

（3）标记基因　供重组DNA的鉴定和选择

（4）C

解析　本题通过质粒结构的模式图考查质粒的功能和特点，分析如下：

归纳提升　

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

（2）常见的标记基因有抗生素抗性基因、