2018-2019学年高中生物 专题1 基因工程 1.1 DNA重组技术的基本工具课件 新人教版选修

专题1基因工程1.1DNA重组技术的基本工具情境导入课程目标使大米拥有某些细菌才具有的抗虫基因能够减少化学杀虫剂的使用量,既高产又环保。你知道拥有某些细菌抗虫基因的大米是通过何种技术培育出来的吗?该技术需要哪些基本的工具?1.简述基因工程的概念和原理。2.简述DNA重组技术所需三种基本工具的作用。3.列表比较限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶、DNA酶和解旋酶。4.运用所学DNA重组技术的知识,模拟制作重组DNA模型。5.尝试运用基因工程的原理,提出解决某一实际问题的方案。6.认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。一二一、基因工程的定义基因工程是指按照人们的愿望,进行严格的设计,并通过体外DNA重组和转基因等技术,赋予生物以新的遗传特性,从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的,因此又叫作DNA重组技术。轻松判断基因工程作为一种新型的育种方法,依据的遗传学原理主要是什么?提示:基因重组。一二二、DNA重组技术的基本工具1.限制性核酸内切酶——“分子手术刀”(1)主要来源:原核生物。(2)作用:能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,并且能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)结果:形成DNA片段末端。限制酶切割DNA分子产生的DNA片段末端有两种形式,即黏性末端和平末端。一二2.DNA连接酶——“分子缝合针”(1)作用:将切下来的双链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。(2)种类𝐸·𝑐𝑜𝑙𝑖DNA连接酶:从大肠杆菌中分离得到,只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间连接起来T4DNA连接酶:从T4噬菌体中分离出来的,既可连接双链DNA片段互补的黏性末端,又可连接双链DNA片段的平末端,但连接平末端之间的效率比较低一二3.基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”(1)载体的条件:①能够在细胞中进行自我复制。②有一个至多个限制酶切割位点,便于外源基因的插入。③具有标记基因,供重组DNA的鉴定和选择。④在宿主细胞内友好借居,不影响宿主细胞的生命活动。⑤分子大小应合适,以便提取和体外操作。(2)载体的种类:①常用的载体——质粒。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。②λ噬菌体的衍生物。③动植物病毒。一二自主思考小麦是我国北方地区主要的粮食作物。为了减少尿素的施用量,避免过多增施化肥对土壤造成的负面影响,最好通过何种技术培育出具有何种优良性状的小麦新品种?提示:通过基因工程技术培育出具有固氮新性状的新品种。探究一探究二基因工程的工具酶●问题导引●黄金大米,又名“金色大米”,是通过转基因技术将胡萝卜的有关基因转入到水稻中,从而育成的籽粒外表为金黄色的转基因大米。因黄金大米富含维生素A,所以经常食用能防治人体的维生素A缺乏症。思考:(1)利用何种酶将胡萝卜的基因从胡萝卜的DNA上切割下来?简述该酶的来源和功能。(2)利用何种酶将胡萝卜的基因与其他的DNA片段拼接成新的DNA分子?简述该酶的功能和常用类型。易错点排查实验设计探究一探究二提示:(1)限制性核酸内切酶,简称限制酶,该酶主要是从原核生物中分离纯化出来的,其功能是能够识别双链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。(2)DNA连接酶,该酶的功能是将双链DNA片段“缝合”起来,恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。DNA连接酶的常用类型是E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶。易错点排查实验设计探究一探究二●名师精讲●1.限制酶的作用(1)具有专一性:一种限制酶只能识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列,并在特定的位点上切割。如EcoRⅠ的识别序列为GAATTC,切割位点在G与A之间;而SmaⅠ的识别序列为CCCGGG,切割位点在C与G之间。易错点排查实验设计探究一探究二特别提醒限制酶所识别序列的特点是: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,如右图,中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。如以中心线为轴,两侧碱基互补对称。易错点排查实验设计探究一探究二(2)可用于DNA的切割获取目的基因和切割载体。(3)酶切方式和结果。有错位切和平切两种,错位切产生的是黏性末端,平切产生的是平末端。图示如下:切割DNA分子时产生的两种不同末端(箭头表示酶的切割位置)易错点排查实验设计探究一探究二2.DNA连接酶(1)作用:将限制酶切下来的DNA片段拼接成新的DNA分子,如下图。(2)种类。种类E·coliDNA连接酶T4DNA连接酶来源从大肠杆菌中分离得到从T4噬菌体中分离出来作用只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间连接起来既可以“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端,又可以“缝合”双链DNA片段的平末端,但连接平末端之间的效率比较低作用实质将双链DNA片段“缝合”起来,恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键易错点排查实验设计探究一探究二特别提醒限制酶能识别特定的核苷酸序列,具有专一性,不同的限制酶所识别的核苷酸序列不同,所以限制酶具有多种。DNA连接酶不能识别特定的核苷酸序列,具有2种。易错点排查实验设计探究一探究二3.与DNA分子相关的酶的比较(1)列表比较。种类作用作用部位参与生理过程或应用DNA水解酶能够将DNA水解成四种脱氧核苷酸磷酸二酯键DNA水解DNA解旋酶能够将DNA或DNA的某一片段分解成两条长链氢键DNA复制、转录DNA聚合酶能将单个的脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接成DNA长链磷酸二酯键DNA复制限制酶能够识别和切割DNA分子内一小段特殊的核苷酸序列磷酸二酯键基因工程DNA连接酶通过磷酸二酯键将具有互补黏性末端或平末端的两个DNA片段连接起来磷酸二酯键基因工程易错点排查实验设计探究一探究二特别提醒①DNA水解酶也称DNA酶。②五种酶中只有限制酶和DNA连接酶被称为基因工程的工具酶。易错点排查实验设计探究一探究二(2)上述几种酶的作用部位图解。作用于a(磷酸二酯键)的酶有限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶;作用于b(氢键)的酶有解旋酶。易错点排查实验设计探究一探究二【例题1】限制酶是一种核酸切割酶,可辨识并切割DNA分子上特定的核苷酸序列。下图为四种限制酶BamHⅠ、EcoRⅠ、HindⅢ以及BglⅡ的辨识序列,箭头表示每一种限制酶的特定切割部位,其中哪两种限制酶所切割出来的DNA片段末端可以互补黏合?其正确的末端互补序列应该为()A.BamHⅠ和EcoRⅠ;末端互补序列为—AATT—B.BamHⅠ和HindⅢ;末端互补序列为—GATC—C.EcoRⅠ和HindⅢ;末端互补序列为—AATT—D.BamHⅠ和BglⅡ;末端互补序列为—GATC—易错点排查实验设计探究一探究二解析:A项中BamHⅠ酶切出的末端序列为—GATC—,EcoRⅠ酶切出的末端序列为—AATT—,两者不互补;B项中HindⅢ酶切出的末端序列为—AGCT—,与BamHⅠ酶切出的末端序列不互补;同理可推出C项中两种酶切割出来的末端也不互补,只有D项中才互补。答案:D易错点排查实验设计探究一探究二典型方法掌握基因工程的各种工具酶的作用及其特点是解答此类题型的关键。①不同DNA分子用同一种限制酶切割形成的黏性末端都相同;同一个DNA分子用不同限制酶切割,产生的黏性末端一般不相同。另外,不同限制酶切割形成的黏性末端,如互补,则可以相互重新配对。②判断黏性末端是否由同一种限制酶切割形成的方法是,将黏性末端旋转180°,应该是完全相同的结构。③DNA连接酶的作用对象包括:a.两个相同的黏性末端(同一种限制酶切割形成的DNA片段末端);b.任意两个平末端;c.虽不同但拼接在一起能够碱基互补的两个黏性末端。易错点排查实验设计探究一探究二变式训练下列黏性末端属于同一限制酶切割而成的是()A.①②B.①③C.①④D.②③解析:将两个黏性末端旋转180°进行比较,只有①③相同,因此①③属于同一种限制酶切割形成的末端。答案:B易错点排查实验设计探究一探究二基因进入受体细胞的载体●问题导引●我国科学家已成功将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中,转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异,大大提高了花卉的观赏价值。思考:科学家进行转基因技术操作时,可以将外源基因与质粒拼接在一起构建重组质粒,然后将重组质粒导入受体细胞。质粒的化学本质是什么?质粒来源于何类生物?讨论质粒在受体细胞内对外源基因所起的作用。提示:质粒是小型双链环状DNA分子,主要存在于原核细胞中。质粒能携带外源基因在受体细胞进行自我复制,或整合到染色体DNA上,随染色体DNA进行同步复制;质粒还能使外源基因顺利表达等。易错点排查实验设计探究一探究二●名师精讲●1.载体的基本作用(1)作为运载工具,将目的基因运送到受体细胞中去。(2)在宿主细胞内对目的基因进行大量复制和稳定保存。2.需具备的条件(1)对受体细胞无害,不影响受体细胞正常的生命活动。(2)具有自我复制能力,或能整合到受体染色体DNA上随染色体DNA的复制而同步复制。(3)具有一个至多个限制酶切点,以便目的基因可以插入到载体中。(4)带有遗传标记基因,便于基因重组后对其进行筛选。(5)载体DNA分子大小适合,便于提取和进行体外操作。易错点排查实验设计探究一探究二特别提醒①基因工程中的载体与细胞中物质运输的载体不同,基因工程中的载体是DNA分子,能将目的基因导入受体细胞,膜载体是蛋白质,与细胞膜的通透性有关。②一般来说,天然载体往往不能满足上述要求,因此需要根据不同的目的和需要,对载体进行人工改造。真正被用作载体的质粒,都是在天然质粒的基础上进行人工改造的。③载体上标记基因的标记原理:载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞后,抗性基因在受体细胞内表达,使受体细胞能够抵抗相应抗生素,所以在受体细胞的培养体系中加入该种抗生素就可以只保留转入载体的受体细胞,原理如下图所示:易错点排查实验设计探究一探究二易错点排查实验设计探究一探究二3.常用种类种类用途质粒将外源基因载入大肠杆菌等宿主细胞λ噬菌体的衍生物植物病毒将外源基因载入植物细胞动物病毒将外源基因载入动物细胞特别提醒在选择动植物病毒作载体时,应选择DNA病毒,以便插入目的基因。易错点排查实验设计探究一探究二【例题2】质粒是基因工程中最常用的载体,它的主要特点是()①能自主复制②不能自主复制③结构简单④是蛋白质⑤是环状RNA⑥是环状DNA⑦能“友好”地“借居”A.①③⑤⑦B.①④⑥C.①③⑥⑦D.②③⑥⑦解析:质粒存在于细菌和酵母菌等微生物中,是一种结构简单、独立于拟核DNA之外,并具有自我复制能力的很小的环状DNA分子,上面有标记基因,便于在受体细胞中检测。质粒在受体细胞中能“友好”地“借居”,并能随受体细胞DNA的复制而复制,能进行目的基因的扩增和表达。答案:C易错点排查实验设计探究一探究二易错点排查判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”)。1.基因工程的操作水平为分子水平。()提示:√2.基因工程的诞生离不开有关技术的发明与创新。()提示:√3.限制酶、DNA连接酶和载体是基因工程必需的三种工具酶。()提示:×载体不属于酶。4.DNA重组技术最多需要限制酶、DNA连接酶和载体三种工具。()提示:×DNA重组技术至少需要限制酶、DNA连接酶和载体三种工具。5.限制酶能将DNA水解成脱氧核苷酸。()提示:×限制酶能将DNA切割成具有黏性末端或平末端的片段。实验设计探究一探究二易错点排查6.限制酶有专一性,DNA聚合酶没有专一性。()提示:×只要是酶就有专一性,不同的酶专一性不同。7.DNA连接酶只能连接被同一种限制酶切割形成的DNA片段末端。()提示:×DNA连接酶的作用对象包括:被同一种限制酶切割形成的末端、任意两个平末端、不同限制酶切割但碱基能