2018学年高中生物第一章基因工程第1课时基因工程的发展历程和工具学案苏教版选修

第1课时基因工程的发展历程和工具[学习目标]　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、基因工程的发展历程1．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，正是这些学科的基础理论和相关技术的发展催生了基因工程。阅读教材，填写下表：年份科学家主要成就1953沃森和克里克建立了DNA分子双螺旋结构模型1957科恩伯格及其合作者在大肠杆菌中发现了DNA聚合酶1958梅塞尔森和斯塔尔发现了DNA半保留复制的机理克里克提出了描述遗传信息流向的中心法则1961～1966尼伦伯格和霍拉纳等成功破译全部64种遗传密码1967罗思和赫林斯基发现具有自我复制能力的质粒其他科学家在大肠杆菌细胞中发现了DNA连接酶1970特明和巴尔的摩各自在RNA病毒中发现了逆转录酶史密斯等分离到第一种特异性很强的限制性核酸内切酶1977桑格测定噬菌体φX174的基因组序列2.我国拥有自主知识产权的转基因抗虫棉，就是通过精心设计，用“分子工具”构建成的。培育抗虫棉首先要在体外对含有抗虫基因的DNA分子进行“剪切”和“拼接”，然后导入棉花体细胞内，并使重组DNA在细胞中表达(如图)。由上述资料填写下表，理解基因工程的概念。操作对象基因(DNA)12 操作环境生物体外操作水平DNA分子水平技术手段DNA重组和转基因等技术目的创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品3.分析DNA的平面结构，回答问题：(1)配对的碱基之间是如何连接的？什么条件会使该类化学键发生断裂？答案　碱基配对时，A与T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。可用解旋酶断裂，也可高温断裂。(2)磷酸与脱氧核糖是如何连接的？该化学键的名称是什么？答案　每个脱氧核糖上连接着2个磷酸，分别在3号、5号碳原子上。磷酸与脱氧核糖之间的化学键为磷酸二酯键。二、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)限制酶主要来源于什么生物？大约有多少种？答案　主要是从近300种微生物中分离纯化出来的。迄今从微生物中分离出了约4000种限制酶。(2)限制酶的功能特点是什么？其作用部位是什么化学键？答案　特异性很高，能够识别DNA分子上特定的脱氧核苷酸序列，其作用部位是每条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。(3)限制酶所识别的序列有何特点？答案　大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，也有一些限制酶的识别序列由4、5或8个核苷酸组成。识别序列中一般具有回文序列。(4)按照限制酶切割方式的不同，可分为错位切和平切两种。前者切割后两个末端均会留下黏性末端，后者则形成平口末端。如图所示：12 2．“分子针线”——DNA连接酶(1)DNA连接酶的作用是什么？答案　将双链DNA片段之间的磷酸二酯键连接起来。(2)试比较解旋酶、限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶作用的异同。答案　解旋酶使DNA的氢键断开；限制酶使DNA的磷酸二酯键断开形成黏性末端或平口末端；DNA连接酶使DNA片段之间重新形成磷酸二酯键；DNA聚合酶则催化单个的脱氧核苷酸间形成磷酸二酯键聚合成DNA的一条链。如图所示：限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶作用于a(磷酸二酯键)，解旋酶作用于b(氢键)。三、“分子搬运工”——载体1．常用的载体有哪些？最常用的载体是什么？答案　质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。其中最常用的载体是质粒。2．什么是质粒？质粒属于细胞器吗？答案　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环状DNA分子。质粒不属于细胞器，原核细胞只有核糖体一种细胞器。3．结合课本内容及图示质粒结构，分析质粒作为载体应具备哪些条件？答案　(1)含有复制原点且能保证在受体细胞中进行独立复制的复制区；(2)独特的标记基因；(3)具有目的基因插入位点。4．质粒上存在的标记基因有何用途？12 答案　重组质粒上携带的标记基因进入受体细胞后，可通过标记基因进行鉴定和选择。如被含抗生素抗性基因的重组质粒侵入的大肠杆菌，可产生对抗生素的抗性，能够在含有抗生素的培养基上产生菌落，而没有侵入该质粒的大肠杆菌不能存活。一、DNA分子的“剪切”和“拼接”如图为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。还有一种连接平口末端的连接酶是__________。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脱氧核苷酸序列(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。二、“分子搬运工”——载体在基因工程中，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—。12 (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：__________________________。(4)不同生物的基因可以拼接的结构基础是_________________________________。(5)酶切产物用DNA连接酶连接后，其中由两个DNA片段之间连接形成的产物有___________________、___________________、_______________三种。答案　(1)Ⅰ　Ⅱ　(2)DNA连接酶　(3)检测重组质粒(或目的基因)是否导入受体细胞(4)DNA结构基本相同(其他合理答案亦可)(5)目的基因—载体连接物　载体—载体连接物　目的基因—目的基因连接物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聚合酶答案　A解析　b是限制性核酸内切酶，能识别特定的脱氧核苷酸序列并使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的12 C．只识别和切割特定的脱氧核苷酸序列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脱氧核苷酸序列，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．下列关于DNA连接酶的叙述，不正确的是(　　)A．可催化相同黏性末端的DNA片段之间的连接B．可催化相同平口末端的DNA片段之间的连接C．可催化两个黏性末端互补碱基氢键的形成D．可催化DNA分子两条链的脱氧核糖与磷酸之间磷酸二酯键的形成答案　C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．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答案　D解析　细菌拟核区的DNA分子不具备载体的基本条件，不能用作基因工程的载体。基础再现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12 D．创造符合人们需要的新生物类型和生物产品答案　D解析　A、B、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．它能在特定位点切割DNA分子B．同一种限制酶切割不同的DNA分子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脱氧核苷酸序列答案　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脱氧核苷酸序列，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分子产生的黏性末端能进行碱基互补配对。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答案　C解析　限制酶主要存在于微生物中。少数限制酶的识别序列由4、5或8个核苷酸组成。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，切开后形成黏性末端或平口末端。4．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．限制酶答案　A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。5．作为基因工程中的“分子搬运工”——载体，应具备的条件是(　　)12 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．①②③⑤C．①②④⑤D．①②③④⑤答案　D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。能力提升6．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．①③④⑤⑥⑦C．①②③⑤⑥⑦D．①③⑤⑥⑦答案　D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的技术，而不是对基因进行人为改造。7．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口末端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分子而保护自身答案　D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。8．现有一长度为1000碱基对(bp)的DNA分子，用限制性核酸内切酶Eco12 RⅠ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(　　)答案　D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。9．下列黏性末端是由同一种限制酶切割而成的是(　　)①TCGGACTTAA②ACTGTCCA③AATTCG④AGCTTCAGA．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割而成的。10．下列有关细菌质粒的叙述中，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。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。运用这一技术可以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：12 (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。12．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—12 —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　平口末端　(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，则产生平口末端。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13．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)酶切后，即可获得所需要的目的基因和质粒，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酶的酶切位点。(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……12 ……TATCGTACGATAGGTACTTAA‖GCCGTATG……红色硬纸板(乙DNA分子)的碱基序列为：……TCCTAG‖AATTCTCGGTATG‖AATTCCATAC…………AGGATCTTAA‖GAGCCATACTTAA‖GGTATG……(3)不能12