学年高中生物 专题一 基因工程 11 DNA重组技术的基本工具课时作业 新人教版选修3.docx

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学年高中生物专题一基因工程11DNA重组技术的基本工具课时作业新人教版选修3

2019-2020学年高中生物专题一基因工程1.1DNA重组技术的基本工具课时作业新人教版选修3

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　1.结合课本插图，记住DNA重组技术所需三种基本工具的作用。

2.结合图1－5，识记基因工程中，作为载体需要具备的条件。

一、基因工程的概念（阅读P1）

1．对概念的理解

基因工程的别名

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

目的

创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品

2.基因工程的理论基础和技术支持（阅读P2－3）

理论

基础

DNA是遗传物质的证明

DNA双螺旋结构和中心法则的确立

遗传密码的破译

技术支持

基因转移载体——质粒的发现

多种限制酶和连接酶，以及逆转录酶（工具酶）的发现

DNA合成和测序技术的发明

DNA体外重组的实现、重组DNA表达实验的成功

第一例转基因动物问世、PCR技术的发明

二、限制性核酸内切酶——“分子手术刀”（阅读P4－5）

1．来源：

主要来自于原核生物。

2．特点

（1）识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列。

（2）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．作用结果

（1）黏性末端：

在所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末端。

（2）平末端：

在所识别序列的中心轴线处切开时形成的末端。

三、DNA连接酶——“分子缝合针”（阅读P5－6）

1．种类

E·coliDNA连接酶

T4DNA连接酶

2．作用：

将切开的DNA片段“缝合”，恢复被限制酶切开的磷酸二酯键，拼接成新的DNA分子。

四、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”（阅读P6）

1．种类：

质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。

2．常用载体——质粒

（1）质粒是一种裸露的、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）质粒DNA分子上有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段插入其中。

（3）质粒DNA分子上有特殊的标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。

（4）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经过人工改造的。

判断正误：

（1）限制性核酸内切酶只能用于切割目的基因。

（　　）

（2）DNA连接酶能将两碱基间通过形成氢键连接起来。

（　　）

（3）E·coliDNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端。

（　　）

（4）质粒是小型环状DNA分子，是基因工程常用的载体。

（　　）

（5）载体的作用是携带目的基因导入受体细胞中。

（　　）

（6）变异一般是不定向的，但基因工程使生物产生新的性状变异却是定向的，是按照人们的实际需要进行的有目的的改造。

（　　）

（7）不同生物的DNA能够重组是由于基本单位和空间结构相同。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）√　（5）√　（6）√　（7）√

一、基因工程的理论基础

1．不同生物DNA分子得以重新拼接的基础

（1）DNA的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸。

（2）双链DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构。

（3）所有生物DNA碱基对均遵循严格的“互补配对”原则，即A总与T配对，G总与C配对——如此，方可使具相同末端（黏性末端）的不同DNA分子得以连接在一起。

2．外源基因在受体内表达的理论基础

（1）基因是控制生物性状的遗传物质的结构和功能单位，具有相对独立性。

（2）遗传信息的传递都遵循中心法则所阐述的信息流动方向。

（3）生物界共用一套遗传密码。

1．与其他生物变异相比，基因工程所导致的变异有何特点？

答案　变异一般是不定向的，但基因工程使生物产生新的性状变异却是定向的，是按照人们的实际需要进行的有目的的改造。

2．基因工程的原理是什么？

答案　基因重组。

3．将人的胰岛素基因导入大肠杆菌体内，通过大肠杆菌能大量生产人胰岛素。

请分析人胰岛素基因能在大肠杆菌体内表达的理论基础是什么？

答案　生物共用一套遗传密码。

1.科学家们经过多年的努力，创立了一种新兴生物技术——基因工程，实施该工程的最终目的是（　　）

A．定向提取生物体内的DNA分子

B．定向地对DNA分子进行人工“剪切”

C．在生物体外对DNA分子进行改造

D．定向地改造生物的遗传性状

问题导析

（1）基因工程是在体外进行基因重组，然后导入受体细胞内。

（2）重组基因在受体细胞内表达，产生人类所需的生物类型和产品，也就定向地改造了生物的遗传性状。

答案　D

一题多变

判断正误：

（1）基因工程是细胞水平上的生物工程。

（　　）

（2）基因工程的产物对人类都是有益的。

（　　）

（3）基因工程产生的变异属于人工诱变。

（　　）

（4）基因工程育种的优点之一是目的性强。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）√

二、基因工程的工具酶

1．限制酶与DNA连接酶的比较

（1）区别

项目

作用

应用

限制酶

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

（3）磷酸二酯键指的是下图圆圈中的化学键，而限制酶切割或DNA连接酶连接的只能是箭头所指处的化学键，因为圈中另一个化学键属于一个核苷酸的内部结构。

2．DNA连接酶与DNA聚合酶的比较

项目

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复制

1．限制酶与DNA连接酶的化学本质和基本组成单位分别是什么？

答案　化学本质均是蛋白质；基本组成单位均是氨基酸。

2．氢键的断裂与重新形成与限制酶和DNA连接酶是否有关？

答案　氢键是分子间作用力，其断裂与重新形成均与限制酶和DNA连接酶无关。

3．限制性核酸内切酶的作用特点体现了酶的哪种特性？

答案　限制性核酸内切酶只能识别特定的核苷酸序列，并且只能在特定部位切割，这说明了酶具有专一性。

4．不同限制酶切割形成的黏性末端能发生黏合吗？

借助于什么方式来完成黏合？

答案　能。

前提是不同限制酶切割形成的黏性末端要互补，通过碱基相互配对形成氢键的方式来完成黏合。

5．在下图中标出限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶和DNA解旋酶的作用部位。

答案　如图所示

限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶作用于a处化学键，而解旋酶作用于b处化学键。

2．如下图，两个核酸片段在适宜条件下，经X酶的催化作用，发生下列变化，则X酶是（　　）

A．DNA连接酶B．RNA聚合酶

C．DNA聚合酶D．限制酶

问题导析

（1）_DNA连接酶可以连接两个DNA片段之间的磷酸二酯键。

（2）RNA聚合酶可以催化单个游离的核糖核苷酸形成RNA。

（3）DNA聚合酶可以催化单个游离的脱氧核糖核苷酸形成DNA。

（4）限制酶可以将DNA分子从特定的位点进行切割。

答案　A

一题多变

判断正误：

（1）DNA连接酶催化相同黏性末端的DNA片段之间的连接。

（　　）

（2）DNA连接酶催化两个黏性末端互补碱基间氢键的形成。

（　　）

（3）DNA连接酶催化DNA分子两条链的脱氧核糖与磷酸之间磷酸二酯键的形成。

（　　）

（4）限制酶切割后不一定形成黏性末端。

（　　）

（5）不同限制酶切割后一定形成不同的黏性末端。

（　　）

（6）不同DNA分子用同一种限制酶切割形成的黏性末端都相同。

（　　）

（7）DNA连接酶无识别的特异性，DNA连接酶对于黏性末端或平末端都能催化其“缝合”，重新形成DNA分子。

（　　）

（8）下列所示的黏性末端是由3种限制性核酸内切酶作用产生的。

（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）√　（4）√　（5）×　（6）√　（7）√　（8）×

三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”

1．载体的作用

（1）用它作为运载工具，将目的基因送入受体细胞中去。

（2）利用它在受体细胞内对目的基因进行大量复制。

2．作为载体的必备条件

（1）有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段插入。

（2）具备自我复制能力，且能在受体细胞中复制并稳定保存。

（3）带有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。

（4）必须是安全的，不会对受体细胞有害。

3．载体的种类

（1）细菌质粒，它是细菌拟核DNA以外的小型双链环状DNA分子，有的细菌只有一个，有的细菌有多个。

（2）λ噬菌体的衍生物和某些动植物病毒的DNA。

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求，对某些天然的载体进行人工改造。

1．基因工程的载体和主动运输的载体有哪些区别？

答案　

（1）主动运输中载体的化学本质是蛋白质，其作用是运输离子、氨基酸、核苷酸等物质进出细胞。

（2）基因工程中的载体的化学本质是DNA，其作用是携带目的基因进入受体细胞。

2.霍乱弧菌中也含有质粒，能否用来作为载体？

答案　不能。

因为，我们选择的载体应该对受体细胞无害。

3.

质粒是基因工程中最常用的载体，它存在于许多细菌体内。

某细菌质粒上有标记基因如右图所示，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），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（　　）

细菌在含氨苄青霉素的培养基上的生长状况

细菌在含四环素的培养基上的生长状况

①

能生长

能生长

②

能生长

不能生长

③

不能生长

能生长

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

问题导析

（1）①细菌能在含氨苄青霉素和四环素的培养基上生长，说明抗氨苄青霉素基因和抗四环素基因没有被破坏，所以插入点是c。

（2）对②细菌来说，能在含氨苄青霉素的培养基上生长，而不能在含四环素的培养基上生长，说明其抗氨苄青霉素基因正常而抗四环素基因被破坏，插入点为b。

（3）③细菌不能在含氨苄青霉素的培养基上生长，说明其抗氨苄青霉素基因被插入而破坏，故插入点为a。

答案　A

一题多变

判断正误：

（1）为供外源DNA插入质粒，质粒DNA分子上有一个至多个限制酶切割位点。

（　　）

（2）质粒上的特殊标记基因可以供外源DNA片段插入质粒。

（　　）

（3）被用做载体的一般都是天然质粒。

（　　）

（4）细菌核区的DNA也常被用做载体。

（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×

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．基因工程必须在同物种间进行

答案　D

解析　基因工程可在不同物种间进行，它可打破生殖隔离的界限，定向改造生物的遗传性状。

2．下列关于限制酶和DNA连接酶的说法中，正确的是（　　）

A．其化学本质都是蛋白质

B．DNA连接酶可恢复DNA分子中的氢键

C．在基因工程中DNA聚合酶可以替代DNA连接酶

D．限制酶切割后一定能产生黏性末端

答案　A

解析　限制酶和DNA连接酶的化学本质都是蛋白质。

3．结合图，判断下列有关基因工程的工具酶功能的叙述，不正确的是（　　）

A．切断a处的酶为限制性核酸内切酶

B．连接a处的酶为DNA连接酶

C．切断b处的酶为解旋酶

D．切断b处的为限制性核酸内切酶

答案　D

解析　切断a处磷酸二酯键的酶是限制性核酸内切酶，连接a处磷酸二酯键的酶为DNA连接酶；切断b处氢键的酶为解旋酶，b处氢键的形成不需要酶。

4．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

—A

—TGCGC，

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

答案　

（1）DNA　能够自我复制　具有遗传效应

（2）CGCGT—

　A—　DNA连接酶　（3）标记基因　供重组DNA的鉴定和选择　（4）C

解析　质粒是基因工程中最常用的载体，是一种祼露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子，具有一个至多个限制酶切割位点，进入受体细胞后能自我复制，具有标记基因便于重组DNA的鉴定和选择。

基础巩固

1．切取动物控制合成生长激素的基因，注入鲇鱼受精卵中，与其DNA整合后产生生长激素，从而使鲇鱼比同种正常鱼增大3～4倍。

此项研究遵循的原理是（　　）

A．基因突变B．基因重组

C．细胞工程D．染色体变异

答案　B

解析　将动物控制合成生长激素的基因注入鲇鱼受精卵中，通过DNA复制、转录、翻译合成特定的蛋白质，表现出特定的性状，此方法依据的原理是基因重组。

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．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某种特定的核苷酸序列，并且能在特定的位点上切割DNA分子。

4．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、限制酶、解旋酶

B．限制酶、解旋酶、DNA连接酶

C．解旋酶、限制酶、DNA连接酶

D．限制酶、DNA连接酶、解旋酶

答案　C

解析　限制酶能够识别双链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裂，形成黏性末端或平末端。

DNA连接酶是在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键。

解旋酶能使DNA分子双螺旋结构解开，氢键断裂。

所以①处是解旋酶作用部位，②处是限制酶作用部位，③处是DNA连接酶作用部位。

故选C。

5．下列关于DNA连接酶的作用的叙述，正确的是（　　）

A．将单个核苷酸加到某DNA片段末端，形成磷酸二酯键

B．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

C．连接两条DNA链上碱基之间的氢键

D．只能将双链DNA片段互补的黏性末端连接起来

答案　B

解析　选项A是DNA聚合酶的作用。

DNA连接酶能将双链DNA片段末端连接起来，重新形成磷酸二酯键。

D项只涉及了E·coliDNA连接酶的作用。

巩固提升

6．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我复制的小型环状DNA分子

C．质粒只有在侵入宿主细胞后在宿主细胞内才能复制

D．细菌质粒的复制过程一定是在宿主细胞外独立进行

答案　B

解析　质粒是细菌细胞质中能自我复制的小型环状DNA分子，可以在细菌细胞内或宿主细胞内复制。

7．如图是基因工程主要技术环节的一个基本步骤，这一步骤需用到的工具是（　　）

A．DNA连接酶和解旋酶

B．DNA聚合酶和限制性核酸内切酶

C．限制性核酸内切酶和DNA连接酶

D．DNA聚合酶和RNA聚合酶

答案　C

解析　目的基因和载体结合需“分子手术刀”——限制性核酸内切酶和“分子缝合针”——DNA连接酶。

此过程不涉及DNA复制，不需要DNA聚合酶和解旋酶。

8．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

答案　B

解析　限制酶和DNA连接酶的作用部位都位于①，但两者作用相反。

载体具有在宿主细胞中复制的能力，与目的基因结合后，目的基因也会在宿主细胞中一起复制。

基因工程的目的就是定向改造生物的遗传性状。

9．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

答案　B

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。

10．如图为基因工程的部分操作过程示意图，甲～丁代表各不同阶段参与作用的成分。

根据图示资料，下列叙述正确的是（　　）

A．细菌中的质粒都可以作为甲

B．丙是生物体内的RNA分子

C．乙和丁所用的酶相同

D．图中各个过程都可在试管内完成反应

答案　D

解析　图示中的甲是载体，必须具有限制酶切割位点、标记基因等结构，因此并不是所有质粒都可以作为载体；乙为限制性核酸内切酶，丁为DNA连接酶，二者不同；丙为目的基因；上述过程均在体外进行，故D项正确。

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，如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，基因工程中用的载体除质粒外，还有动植物病毒、λ噬菌体的衍生物等。

12．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（其他合理答案亦可）

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。

走进高考

13．（2012·新课标全国卷，40改编）根据基因工程的有关知识，回答下列问题：

（1）限制性核酸内切酶切割DNA分子后产生的片段，其末端类型有________和________。

（2）质粒载体用EcoRⅠ切割后产生的片段如下：

为使载体与目的基因相连，含有目的基因的DNA除可用EcoRⅠ切割外，还可用另一种限制性核酸内切酶切割，该酶必须具有的特点是_____________________________________

________。

（3）按其来源不同，基因工程中所使用的DNA连接酶有两类，即________DNA连接酶和________DNA连接酶。

（4）基因工程中除质粒外，____________和________也可作为载体。

（5）若用重组质粒转化大肠杆菌，一般情况下，不能直接用未处理的大肠杆菌作为受体细胞，原因是_____________________________________________