学年高中生物第章现代生物技术聚合酶链式反应技术同步备课教学案.docx

1、学年高中生物第章现代生物技术聚合酶链式反应技术同步备课教学案第15课时聚合酶链式反应技术学习导航1.阅读教材P7778内容，掌握PCR技术原理。2.结合教材P7980内容，了解PCR技术的基本操作过程，讨论PCR技术的影响因素。重难点击1.简述PCR的原理。2.了解PCR技术的基本操作过程并讨论PCR技术的影响因素。一、PCR的原理聚合酶链式反应简称PCR，是一种体外迅速扩增DNA片段的技术，这项技术中DNA复制的过程和细胞内DNA复制的过程是类似的，请结合已学习的DNA分子结构和复制的相关知识，分析PCR的原理。1.DNA的平面结构示意图(1)写出各个标号的名称胞嘧啶；腺嘌呤；鸟嘌呤核糖；胸

2、腺嘧啶；脱氧核糖；磷酸基团；胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸；氢键；碱基对；一条脱氧核糖核苷酸链。(2)DNA的两条链是反向平行的，为了明确表示DNA链的方向，通常将羟基末端称为3端；将磷酸基团的末端称为5端，按此原则在图上方框内标出两条链的方向。答案左链上5端，下3端；右链上3端，下5端。2.细胞内DNA复制条件分析条件组分作用模板DNA的两条单链提供复制的模板原料四种脱氧核糖核苷酸合成DNA子链的原料酶解旋酶打开DNA双螺旋DNA聚合酶催化合成DNA子链能量ATP为解螺旋和合成子链供能引物RNA为DNA聚合酶提供合成的3端起点3.PCR原理与反应过程(1) PCR概念：是一种体外酶促合成特定DNA片

3、段的技术，它能以极少量的DNA为模板，在几小时内复制出上百万份的DNA拷贝。(2)条件及作用条件作用待扩增的目的DNA片段作为复制的模板两种人工合成的单链DNA片段合成DNA时所需要的特异引物四种三磷酸脱氧核苷酸原料耐热TaqDNA聚合酶酶促作用缓冲溶液反应介质(3)反应过程变性温度上升到9498 时，目的DNA双链变性解旋为单链模板。复性温度下降到4060 左右，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。延伸温度上升到72 左右，溶液中的四种脱氧核糖核苷酸在耐热的TaqDNA聚合酶的作用下。根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。循环：继续上述的3个过程，DNA片段被不断的扩增。若开始加入

4、了N个DNA模板片段，理论上，循环n次后能获得N2n个DNA片段。1.PCR原理PCR反应与体内DNA复制的引物在化学本质上是否相同？请分析原因。答案不相同。体内DNA复制所需引物为RNA聚合酶合成的一小段RNA，但PCR反应时所用引物一般是人工合成的单链DNA片段。2.PCR反应过程(1)PCR反应中需要解旋酶和DNA聚合酶吗？若需要，则与细胞内DNA复制有何区别？答案PCR反应不需要解旋酶，但需要DNA聚合酶。由于PCR反应中需要高温使DNA解旋，因此PCR所需的DNA聚合酶需耐高温。(2)PCR的每次循环中应如何控制温度？请分析原因。答案每次循环中先高温解旋，再低温使引物与模板结合，最后

5、适当升温有利于Taq DNA聚合酶发挥作用。(3)结合下图分析PCR过程中DNA复制的方向是怎样的？答案DNA的羟基(OH)末端为3端，磷酸基团的末端为5端。当引物与DNA母链通过碱基互补配对结合后，DNA聚合酶就能从引物的3端开始延伸DNA链，DNA的合成方向总是从子链的5端向3端延伸。归纳总结PCR扩增与DNA复制的异同项目DNA复制PCR扩增不同点时期有丝分裂间期或减数分裂前的间期任何时期场所活细胞内细胞外酶解旋酶、DNA聚合酶耐高温的Taq DNA聚合酶引物有转录，产生RNA作引物，无需人工加入无转录，无引物产生，需人工加入两种DNA引物特点边解旋边复制先全部解旋后开始复制缓冲液不需缓

6、冲液配制缓冲液代替细胞核液设备无控制温度变化的温控设备相同点原理严格遵循碱基互补配对原则引物都需要分别与两条模板链相结合的两种引物模板DNA的两条链为模板特点半保留复制原料游离的四种脱氧核苷酸1.下列关于DNA复制和PCR技术的描述中，正确的是()A.DNA聚合酶不能从头开始合成DNA，只能从5端延伸DNA链B.DNA复制不需要引物C.引物与DNA母链通过碱基互补配对进行结合D.PCR扩增的对象是氨基酸序列答案C解析DNA聚合酶不能从头开始合成DNA，故DNA复制需要引物；DNA聚合酶只能从3端延伸DNA链，而不能从5端延伸DNA链；引物通过碱基互补配对原则与DNA母链相结合；PCR扩增的对象

7、是DNA，不是氨基酸序列。2.PCR技术有效地解决了因为样品中DNA含量太低难以对样品进行研究的问题，而被广泛应用，与细胞内的DNA复制相比，PCR可以快速扩增所需的DNA片段，请分析回答下列有关问题：(1)体内DNA复制过程中用解旋酶打开双链DNA，而PCR技术中的解旋原理是_。(2)此过程需要一种Taq DNA聚合酶，该酶是从_中分离的。(3)与普通DNA聚合酶相比，Taq DNA聚合酶具有的特性是_。(4)与体内DNA复制相比较，PCR反应要在_中才能进行，并且要严格控制_条件。(5)PCR中加入的引物有_种，加入引物的作用是_。答案(1)DNA的热变性原理(2)水生耐热细菌Taq(3)

8、耐高温(4)一定的缓冲溶液温度(5)2作为DNA复制的起点解析(1)PCR技术中用高温使DNA分子中的氢键打开，从而解旋，其原理是DNA的热变性原理。(2)Taq DNA聚合酶是从水生耐热细菌Taq中提取的。(3)与普通DNA聚合酶相比，Taq DNA聚合酶在90 以上的环境中不变性，具有耐高温的特性。(4)PCR反应需要适宜的温度和pH，因此PCR反应要在一定的缓冲溶液中进行，并需严格控制好温度条件。(5)PCR需要两种引物，引物的识别位点决定了PCR扩增的DNA片段。PCR中加入的引物一般是一小段单链DNA，作用是引导DNA复制，可以使游离的脱氧核苷酸与之结合形成磷酸二酯键，成为DNA复制

9、的起点。一题多变细胞内的DNA复制需要适宜的温度和pH吗？若需要，是如何实现的？答案需要。细胞内的适宜温度和pH与内环境的稳态有关，低等生物与环境因素有关。易错提醒与PCR原理有关的三个易错点(1)酶的作用位点：解旋酶的作用是使DNA两条链之间的氢键断开；DNA聚合酶与DNA连接酶的作用都是催化形成磷酸二酯键。不要误认为解旋酶也作用于磷酸二酯键。(2)DNA聚合酶和DNA连接酶：DNA聚合酶是将单个核苷酸连接到已有的单链片段的3端上，需要模板；而DNA连接酶连接的是两条DNA片段的缺口，不需要模板。(3)PCR中的解旋过程：PCR过程中不需要解旋酶，需要升高温度才能打开氢键，但此时的温度不会破

10、坏磷酸二酯键，因此，DNA加热变性后变为单链，并未分解成单体。二、DNA片段的PCR扩增和产物检测DNA片段的PCR扩增可以利用PCR热循环仪完成，而产物的检测则利用琼脂糖凝胶电泳进行。阅读教材，完善下列内容：1.DNA片段的PCR扩增准备：按照PCR反应体系的配方将所需试剂摆放于实验桌上 移液：用微量移液器按照配方在微量离心管中依次加入各组成成分 混合：盖严离心管口的盖子，用手指轻轻弹击管壁 离心：将微量离心管放在离心机上，离心约10 s，目的是使反应液集中在离心管底部 反应：将离心管放入PCR仪中，设置程序进行反应(1)加入离心管中的物质应包括：模板DNA、TaqDNA聚合酶、4种三磷酸脱

11、氧核苷酸、2种引物、缓冲液。(2)离心管中要加入少量石蜡油，目的是防止反应溶液的挥发。(3)热循环仪的反应程序应设定为：(4)影响因素：在PCR实验中，需要扩增的DNA片段的大小决定延伸的时间，片段越大，中温延伸的时间越长；引物的碱基数量和组成则决定着复性温度的选择，如果引物越短，A、T含量越多，复性温度就越低，反之引物越长，G、C含量越多，复性温度就越高，这是因为G、C之间是由3个氢键连接，A、T之间是由2个氢键连接。(5)PCR过程中，循环次数是不是越多越好？答案不是。TaqDNA聚合酶在PCR扩增过程中存在1105的出错几率，而且随着循环次数的增加，其活性也会逐渐降低。因此，PCR过程中

12、，循环次数并非越多越好，一般控制在2535个循环。2.扩增产物的检测(1)原理：琼脂糖凝胶具有大小一致的刚性滤孔，带有大量负电荷的DNA分子在外加电场的作用下可以通过这些滤孔向正极泳动。DNA片段在凝胶中的泳动速率主要取决于其分子的大小，因此大小一致的DNA分子会在凝胶的一定位置形成DNA条带。(2)过程配制质量分数为1%的琼脂糖凝胶，制作成电泳胶板在DNA样品中加入0.2倍体积的载样缓冲液混匀取20 L加入样品孔内80 V稳压电泳2040 min当溴酚蓝指示剂电泳到凝胶底部时，切断电源将胶板浸入溴化乙锭溶液染色510 min在紫外透射仪上观察电泳条带1.实验过程分析(1)离心的目的是什么？在

13、离心的过程中，微量离心管的盖子为什么一定要盖严？答案离心的目的是使反应液集中在离心管底部，提高反应效率。微量离心管的盖子一定要盖严，防止实验中脱落或液体外溢。(2)在离心前要用手轻轻弹击管的侧壁，目的是什么？答案离心前用手轻轻弹击管的侧壁目的是使反应液混合均匀。(3)PCR实验中使用的微量离心管、枪头、缓冲液以及蒸馏水等在使用前必须进行高压蒸汽灭菌，为什么这样操作？还有哪些操作与此目的相同？答案为避免外源DNA等的污染。在微量离心管中添加反应成分时，每吸取一种试剂后，移液器上的枪头都必须更换。2.结果检测(1)实验中为什么要测定DNA的含量？答案实际操作过程中会有许多因素影响DNA含量，所以需

14、要对DNA含量进行测定。(2)如何判断DNA扩增成功？答案可以通过计算DNA含量来评价扩增的效果。电泳检测的方法，可以通过在紫外线下直接观察DNA带的分布及粗细程度来评价扩增的效果。(3)PCR扩增过程可能会出现哪些异常结果？答案样品产物少，或产生新的DNA。归纳总结PCR扩增DNA片段的操作要点(1)避免外源DNA的干扰，所用仪器、缓冲液、蒸馏水等都需要在使用前高压灭菌。(2)缓冲液、酶、DNA引物和DNA模板等如果长期保存，需要在20 冰箱内保存。其中，DNA引物和DNA模板要避免反复冻融，否则容易造成DNA的降解。(3)在用微量移液管混合PCR反应体系的各种成分时，一定注意避免各种溶液之

15、间的相互污染，需遵循每吸取一种溶液就要更换一个枪头的原则。(4)为防止DNA引物与模板DNA在室温非特异性结合进行PCR反应，需在冰盒上混合PCR扩增体系的各种组分。(5)为避免反应过程中高温使EP管中的水蒸气溢出管外而导致PCR过程中各种成分的浓度发生变化，须在PCR反应过程中加入无菌的石蜡油防止溶液的挥发。3.使用PCR仪具体实验操作顺序应为()设计好PCR仪的循环程序按配方准备好各组分用微量移液器在微量离心管中依次加入各组分进行PCR反应离心使反应液集中在离心管底部A. B.C. D.答案C解析PCR反应的操作步骤一般分为准备(包括配制配方及将各配方放于实验台上)移液混合离心反应。PCR

16、仪是一种自动控制温度的仪器，设计好循环程序就可以进行反应了。4.近20年来，PCR技术(聚合酶链式反应)成为分子生物学实验室的一种常规实验手段，其原理是利用DNA半保留复制，在试管中进行DNA的人工复制(如图)，在短时间内，将DNA扩增几百万倍甚至几十亿倍，从而使实验室所需要的遗传物质不再受限于活的生物体。(1)加热使DNA双链间的_键完全打开，称为_；而在细胞中是在_酶的作用下进行的。(2)如果只需要大量克隆模板DNA中间的某个特定区段，应该加入_种特定的引物。当温度降低至40 时，引物与两条“舒展”的模板链的特定位置结合，在DNA聚合酶的作用下，只能在引物的_端连接脱氧核苷酸，两条子链的延

17、伸方向都是_。(3)PCR技术的必需条件，除了模板、原料、酶之外，至少还有三个条件，即液体环境、适宜的_和_，前者由_自动调控，后者则靠_来维持。(4)通过PCR技术使DNA分子大量复制，如果将一个用15N标记的DNA分子放入试管中，以14N标记的脱氧核苷酸为原料，连续复制四次之后，则15N标记的DNA分子占全部DNA分子总数的比例是_。问题导析(1)解旋是使DNA双链间的氢键断裂，PCR技术是利用DNA的热变性原理，细胞内是在解旋酶的作用下解旋。(2)DNA分子不论复制几次，含有15N标记的DNA分子都只有2个。答案(1)氢解旋解旋(2)两3从子链的5端向3端延伸(3)温度酸碱度PCR仪缓冲

18、液(4)1/8解析(1)PCR技术利用热变性原理使DNA双链之间的氢键断裂，称为解旋，而在细胞内是在解旋酶的作用下使氢键断裂。(2)PCR分为三个基本反应步骤：变性(9498 )、复性(4060 )、延伸(72 )，其特异性依赖于与靶序列互补的引物，引物是两段与待扩增DNA序列互补的片段，两引物之间的距离决定扩增片段的长度。由于DNA聚合酶不能从头开始合成DNA，只能从引物的3端延伸DNA链，则DNA的合成方向总是从子链的5端向3端延伸。(3)PCR技术与细胞内的DNA复制不完全相同，除了需要模板、原料、酶以外，至少还需要液体环境(稳定的缓冲溶液)，每一个步骤需要适宜的温度和酸碱度等。(4)一

19、个DNA分子连续复制四次之后，形成16个DNA分子，15N标记的DNA分子有2个，则15N标记的DNA分子占全部DNA分子总数的比例为1/8。 1.用于PCR的引物长度通常为2030个核苷酸，是一小段()A.DNAB.RNAC.单链DNA或RNAD.双链DNA答案C2.符合PCR反应条件的一项是()稳定的缓冲液环境DNA模板合成引物四种脱氧核苷酸DNA聚合酶DNA解旋酶限制性内切酶温控设备A.B.C.D.答案D解析PCR反应模拟的是生物细胞内DNA复制的条件，只是无需解旋酶(可热变性)，也不需要基因工程的工具酶(限制性内切酶)。3.下列关于PCR的描述中，正确的是()PCR是一种酶促反应引物决

20、定了扩增的特异性扩增DNA利用了热变性的原理扩增的对象是氨基酸序列A. B.C. D.答案D解析PCR是一种体外迅速扩增DNA片段的技术，在高温条件下，把DNA的双链打开，缓慢冷却后，又重新结合，需要耐高温的DNA聚合酶，同时，还需要引物，从引物的3端连接脱氧核苷酸。4.下图所示为PCR扩增的产物，请分析此产物是哪次循环的产物()A.第一次循环 B.第二次循环C.第三次循环 D.第四次循环答案A解析在PCR反应中，以引物为标记，第一次循环时，以加入的DNA为模板，两条DNA链可分别由引物和引物与其结合并在DNA聚合酶的作用下延伸，所以形成的DNA中只有一种引物；从第二次循环开始，上次产生的DN

21、A分子又可作为模板参与反应，所以会形成DNA分子两端均含引物的情况，如下图所示，因此题干中所出现的情况是第一次循环的产物。5.聚合酶链式反应(PCR)是一种体外迅速扩增DNA片段的技术。请回答下列问题：(1)DNA的两条链是反向平行的，通常将_的末端称为5端，当引物与DNA母链通过碱基互补配对结合后，DNA聚合酶就能从引物的_开始延伸DNA链。(2)PCR利用了DNA的热变性原理解决了打开DNA双链的问题，但又导致了DNA聚合酶失活的新问题。到20世纪80年代，科学家从一种Taq细菌中分离到_，它的发现和应用解决了上述问题。要将Taq细菌从其他普通的微生物中分离出来，所用的培养基叫_。(3)P

22、CR的每次循环可以分为_三步。假设在PCR反应中，只有一个DNA片段作为模板，请计算在5次循环后，反应物中大约有_个这样的DNA片段。(4)简述PCR技术的主要应用：_(要求至少答两项)。答案(1)磷酸基团3端(2)耐高温的Taq DNA聚合酶选择培养基(3)变性、复性和延伸32(4)遗传疾病的临床诊断、法医鉴定、古生物学、基因克隆和DNA序列测定等解析一条脱氧核苷酸链一端是游离的羟基，另一端是游离的磷酸基团，含羟基的一端是3端，含磷酸基团的是5端。引物的5端与模板链的3端结合，然后沿着引物的3端延伸。耐高温的Taq DNA聚合酶的发现是实现PCR的关键，该酶可以利用选择培养基从一些微生物中分

23、离出来。PCR一次循环要经历变性、复性和延伸三个阶段。课时作业基础过关1.PCR过程与细胞内的DNA复制过程相比，主要有两点不同，它们是()PCR过程需要的引物是人工合成的单链DNA或RNAPCR过程不需要DNA聚合酶PCR过程中DNA的解旋不依靠解旋酶，而是通过对反应温度的控制来实现的PCR过程中，DNA不需要解旋，直接以双链DNA为模板进行复制A. B. C. D.答案C解析PCR过程与细胞内的DNA复制过程相比较，主要有两点不同：(1)PCR过程需要的引物是人工合成的单链DNA或RNA，长度通常为2030个核苷酸。(2)PCR过程中，DNA解旋不依赖解旋酶，而是通过对反应温度的控制来实现

24、的。2.DNA扩增过程中，DNA片段经若干次扩增，与其数目的理论值变化相符的图是()答案C解析PCR反应中，DNA的扩增数目和生物体内的DNA复制是类似的，即1个DNA分子复制一次，变为2个，复制2次，产生4个DNA分子，呈指数扩增，开始有一个DNA分子的模板，经过n次复制后得到的DNA分子的数量为2n，与曲线C相符合。3.下列各项属于引物作用的是()A.打开DNA双链B.催化合成DNA子链C.使DNA聚合酶能够从引物的3端开始复制D.提供模板答案C解析DNA分子的复制具有方向性，即只能从子链的5端3端方向进行复制。当引物与DNA母链结合后，DNA聚合酶就能从引物的3端开始延伸DNA链。4.如

25、图为DNA变性和复性示意图，下列相关说法正确的是()A.向右的过程为加热(9498 )变性的过程B.向左的过程是DNA双链迅速致冷复性C.变性与在生物体内解旋过程的条件、实质都相同D.图中DNA片段共有4个游离的磷酸基团、4个3端答案A5.PCR一般要经过三十多次循环，从第二轮循环开始，上一次循环的产物也作为模板参与反应，由引物延伸而成的DNA单链作模板时()A.仍与引物结合进行DNA子链的延伸B.与引物结合进行DNA子链的延伸C.同时与引物和引物结合进行子链的延伸D.无需与引物结合，在酶的作用下从头合成子链答案B解析当由引物延伸而成的DNA单链作模板时，此单链引物固定端为5端，因此与它互补的

26、子链应从另一端开始合成，即与引物结合延伸DNA子链。6.PCR仪实质上是一台自动调控温度的仪器，它调控不同温度的目的是()94 ，使DNA分子变性，磷酸二酯键断开94 ，使DNA分子变性，解开螺旋40 时，使DNA分子开始复制、延伸40 时，引物与DNA单链结合72 时，使DNA分子开始复制、延伸72 ，使DNA分子恢复双螺旋结构，恢复活性A. B. C. D.答案C解析PCR利用了DNA的热变性原理，通过控制温度来控制双链的解旋与结合。PCR仪实质上是一台能够自动调控温度的仪器。当温度上升至94 时，DNA分子变性，解开双螺旋结构；温度下降到40 时，引物与DNA单链结合，恢复活性；温度上升

27、至72 时，DNA分子开始复制、延伸，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。7.下列有关PCR过程的叙述中，不正确的是()A.在PCR的变性过程中破坏的是DNA分子内碱基对之间的氢键，DNA在人体细胞内复制时可利用解旋酶实现B.复性过程中引物与DNA模板链的结合是依据碱基互补配对原则完成的C.延伸过程中需要耐高温的DNA聚合酶、ATP、四种核糖核苷酸D.PCR与细胞内DNA复制相比所需要酶的最适温度较高答案C解析变性是为了使DNA内部的氢键断裂，双螺旋打开，DNA在人体细胞内复制时借助解旋酶来实现；根据碱基互补配对原则，引物可与 DNA模板链结合；延伸是形成新的DNA分子，需要以四种脱氧核苷酸

28、为原料；PCR过程所需温度较高，会导致一般的DNA聚合酶失活，需特定的耐高温的DNA聚合酶。8.下列关于琼脂糖凝胶电泳检测PCR扩增产物的说法中不正确的是()A.在DNA样品中加入0.2倍体积的载样缓冲液混匀B.当指示剂电泳到凝胶底部时，切断电源C.电泳后将胶板浸入溴酚蓝溶液中染色510 minD.在紫外透射仪上观察电泳条带答案C解析溴酚蓝是电泳指示剂，电泳后染色是用溴化乙锭溶液。能力提升9.下列关于PCR操作过程的叙述，错误的是()A.PCR实验中使用的微量离心管、枪头、缓冲液以及蒸馏水等在使用前必须进行高压灭菌B.PCR所用的缓冲液和酶应分装成小份，并在20 储存C.PCR所用的缓冲液和酶从冰箱拿出之后，迅速融化D.在微量离心管中添加反应成分时，每吸取一种试剂后，移液器上的枪头都必须更换答案C解析在冰箱中放置的缓冲液和酶从冰箱中取出后应放在冰块上缓慢融化，而不能迅速融化，故C错误。10.关于PCR技术的应用，错误的一项是()A.化石样品分析、刑侦破案、DNA序列测定B.诊断遗传病、基因克隆、化石样品分析C.DNA序列测定、基因克隆、刑侦破案D.诊断遗传病、合成核苷酸、DNA序列测定答案D解析PCR技术在医学上用于遗传病的基因诊断、基因克隆、DNA序列测定，法医上用于刑侦破案，古生物学上用于生物化石样品分