高中人教版生物選修1課件專題5課題2多聚酶鏈式反應擴增DNA片段

課題2多聚酶鏈式反應擴增DNA片段課標闡釋思維脈絡1.以結(jié)構(gòu)與功能觀分析DNA的結(jié)構(gòu),簡述PCR原理。2.設計實驗方案,嘗試進行PCR技術(shù)的操作,理解技術(shù)進步給科學帶來的影響。3.分析、查閱相關(guān)資料,了解PCR技術(shù)的應用。

一二三一、PCR原理

一二三一二三一二三一二三二、PCR的反應過程

一二三一二三三、實驗操作

一二三探究點一探究點二當堂檢測本課必記體內(nèi)DNA復制與PCR反應的比較問題導引體內(nèi)DNA復制與PCR反應有何異同?在遺傳病診斷、刑偵破案、古生物學研究等工作中,有時需要對樣品中DNA進行測序、鑒定等,但有的樣品中DNA含量太低而難以對樣品進行分析研究,因此常需要用PCR技術(shù)對采集到的DNA樣本進行大量擴增。PCR技術(shù)是利用DNA半保留復制的原理,在微量離心管中進行DNA的復制(如下圖),在很短的時間內(nèi),將DNA復制出上百萬份拷貝。探究點一探究點二當堂檢測本課必記(1)PCR技術(shù)中加熱使DNA雙鏈打開,這一步是打開

鍵,稱為

。如果在細胞中則是在

的作用下使其斷裂。

探究點一探究點二當堂檢測本課必記(2)當溫度降低至55℃時,引物在模板

端與模板結(jié)合,當溫度升至72℃時在DNA聚合酶的作用下,合成新的DNA鏈,最終合成2個DNA分子,此過程中原料是

,遵循的原則是

,需要的酶是

。

(3)PCR技術(shù)的必要條件,除了模板、原料、酶以外,還需要適宜的

和pH,其中

靠PCR儀自動調(diào)控,pH由

維持。

答案:(1)氫變性解旋酶(2)3'

4種脫氧核苷酸堿基互補配對原則耐高溫的TaqDNA聚合酶(3)溫度溫度緩沖液探究點一探究點二當堂檢測本課必記名師精講體內(nèi)DNA復制與PCR反應的比較比較項目體內(nèi)DNA復制PCR反應不同點時期細胞有絲分裂間期和減數(shù)第一次分裂前的間期體外隨時進行場所活細胞內(nèi)微量離心管內(nèi)酶解旋酶、DNA聚合酶耐高溫的DNA聚合酶(TaqDNA聚合酶)

解旋在解旋酶的作用下,細胞提供能量,部分解開加熱至90℃以上時,雙鏈全部解開,不需解旋酶引物一小段RNA可以是RNA片段或單鏈DNA分子片段探究點一探究點二當堂檢測本課必記比較項目體內(nèi)DNA復制PCR反應不同點合成子鏈在引物基礎(chǔ)上,一條鏈連續(xù)合成,另一條鏈不連續(xù)合成分別從兩條鏈的引物端開始,都是連續(xù)合成,控制溫度在72℃左右特點邊解旋邊復制全解旋后復制產(chǎn)物完整DNADNA片段相同點原料4種脫氧核苷酸(A、G、C、T)復制原理嚴格遵循堿基互補配對原則,半保留復制模板以DNA母鏈為模板引物都需要分別與兩條模板鏈相結(jié)合的兩種引物特別提醒PCR反應需可變的溫度,而體內(nèi)DNA復制需要穩(wěn)定的溫度。探究點一探究點二當堂檢測本課必記PCR反應過程與實驗操作問題導引PCR反應一般經(jīng)歷多少次循環(huán)?每次循環(huán)有幾個環(huán)節(jié)?下圖為PCR反應過程示意圖,據(jù)圖回答問題。探究點一探究點二當堂檢測本課必記(1)PCR一般要經(jīng)歷三十多次循環(huán),每次循環(huán)一般包括A

、B

和C

三步。

(2)第一輪的產(chǎn)物作為第二輪的

參與反應,經(jīng)過A、B、C三步進入下一輪循環(huán)。

(3)若下圖為第一輪循環(huán)產(chǎn)生的產(chǎn)物,請繪出以a鏈和b鏈為模板經(jīng)PCR擴增的產(chǎn)物。(4)假設PCR反應中只有1個DNA分子作模板,第一輪循環(huán)的產(chǎn)物2個子代DNA分子為N1,第二輪的產(chǎn)物4個子代DNA分子為N2,N1、N2中含有模板DNA鏈的DNA分子數(shù)量分別為

個、

個。若繼續(xù)循環(huán),該模板DNA分子經(jīng)過30次循環(huán)后能形成

個DNA分子。

探究點一探究點二當堂檢測本課必記答案:(1)變性復性延伸(2)模板(3)(4)2

2

230探究點一探究點二當堂檢測本課必記名師精講擴增需要注意的問題(1)DNA復制需要引物的原因:DNA聚合酶不能從頭開始合成DNA,而只能從3'端延伸DNA鏈。PCR中,引物長度通常為20~30個核苷酸。(2)當PCR反應體系的溫度冷卻到50℃左右時,引物與模板結(jié)合,一般不需要考慮解開的兩個DNA模板鏈的重新結(jié)合,原因是:①模板DNA鏈比引物長得多而且復雜得多,不易重新結(jié)合;②引物和模板之間的碰撞機會遠遠高于模板互補鏈之間的碰撞機會;③加入的引物的量足夠多,而模板鏈數(shù)量少。探究點一探究點二當堂檢測本課必記2.實驗中DNA含量的測定DNA在260nm的紫外線波段有一強烈的吸收峰,可以利用DNA的這一特點進行DNA含量的測定,具體方法如下。①稀釋:取2μLPCR反應液,加入98μL蒸餾水,即將樣品進行50倍稀釋↓②對照調(diào)零:以蒸餾水作為空白對照,在波長260nm處,將紫外分光光度計的讀數(shù)調(diào)節(jié)至零↓③測定:取DNA稀釋液100μL至比色杯中,測定 260nm處的光吸收值↓④計算:DNA含量(μg/mL)=50×(260nm的讀數(shù))×稀釋倍數(shù)探究點一探究點二當堂檢測本課必記特別提醒(1)PCR過程中無解旋酶,需要升高溫度才能打開氫鍵,但此時的溫度不能破壞磷酸二酯鍵,因此,熱變性后是DNA單鏈,并未分解成脫氧核苷酸單體。(2)復性時只是在引物和DNA單鏈之間形成氫鍵,兩條單鏈之間并未形成氫鍵,因此復性后,無雙鏈DNA分子形成。探究點一探究點二當堂檢測本課必記典例剖析類型一

PCR反應與體內(nèi)DNA復制的比較例1PCR過程與細胞內(nèi)的DNA復制過程相比較,下列相關(guān)敘述正確的是(

)①PCR過程需要的引物是人工合成的單鏈DNA或RNA②PCR過程不需要DNA聚合酶③PCR過程中DNA的解旋不依靠解旋酶,而是通過對反應溫度的控制來實現(xiàn)的④PCR過程中,DNA不需要解旋,直接以雙鏈DNA為模板進行復制A.③④ B.①③C.①② D.②④探究點一探究點二當堂檢測本課必記答案:B解析:PCR過程與細胞內(nèi)的DNA復制過程相比,主要有兩點不同:第一,PCR過程需要的引物是人工合成的單鏈DNA或RNA,其長度通常為20~30個核苷酸;第二,PCR過程中DNA的解旋不依靠解旋酶,而是通過對反應溫度的控制來實現(xiàn)的。探究點一探究點二當堂檢測本課必記下列有關(guān)PCR技術(shù)的說法,不正確的是(

)是一項在生物體外復制特定的DNA片段的核酸合成技術(shù)技術(shù)的原理是DNA雙鏈復制C.利用PCR技術(shù)獲取目的基因的前提是要有一段已知的目的基因核苷酸序列擴增中必須有解旋酶才能解開雙鏈DNA答案:D解析:PCR是一項在生物體外復制特定的DNA片段的核酸合成技術(shù);PCR技術(shù)的原理是DNA雙鏈復制;利用PCR技術(shù)獲取目的基因的前提是要有一段已知的目的基因核苷酸序列;PCR擴增中通過高溫解開雙鏈DNA。探究點一探究點二當堂檢測本課必記類型二

PCR反應過程例2下圖是PCR技術(shù)示意圖,請回答下列問題。探究點一探究點二當堂檢測本課必記探究點一探究點二當堂檢測本課必記探究點一探究點二當堂檢測本課必記下圖表示DNA變性和復性示意圖,下列相關(guān)說法不正確的是(

)A.向右的過程為加熱(80~100℃)變性的過程B.向左的過程為緩慢冷卻復性的過程C.變性與在生物體內(nèi)解旋過程的條件、實質(zhì)都相同D.圖中雙鏈DNA片段共有2個游離的磷酸基和2個3'端探究點一探究點二當堂檢測本課必記答案:C解析:DNA體外變性與體內(nèi)解旋實質(zhì)是相同的,都是使氫鍵斷裂,但解旋的條件不同,DNA雙螺旋打開在體內(nèi)是解旋酶的作用,在體外是高溫條件。探究點一探究點二當堂檢測本課必記類型三

PCR實驗的操作步驟例3下列有關(guān)PCR操作過程的敘述,錯誤的是(

)實驗中使用的微量離心管、槍頭、緩沖液以及蒸餾水等在使用前必須進行高壓滅菌所用的緩沖液和酶應分裝成小份,并在-20℃儲存所用的緩沖液和酶從冰箱拿出之后,迅速融化D.在微量離心管中添加反應成分時,每吸取一種試劑后,移液器上的槍頭都必須更換答案:C解析:在冰箱中儲存的緩沖液和酶取出后應放在冰上緩慢融化,而不能迅速融化。探究點一探究點二當堂檢測本課必記在PCR實驗操作中,下列說法不正確的是(

)A.在微量離心管中添加各種試劑時,只需一個槍頭B.離心管的蓋子一定要蓋嚴,防止液體外溢C.用手輕彈離心管壁的目的是使反應液充分混合D.離心的目的是使反應液集中在離心管底部,提高反應效果答案:A解析:在微量離心管中添加各種試劑時,每吸取一種試劑后,移液器上的槍頭必須更換,以確保實驗的準確性;離心管的蓋子一定要蓋嚴,防止實驗中脫落或液體外溢;離心的目的是使反應液集中在離心管底部,提高反應效果。探究點一探究點二當堂檢測本課必記1.PCR的含義是(

)A.親子代反應技術(shù)

B.多聚酶鏈式反應片段復制

序列測定答案:B解析:PCR是指多聚酶鏈式反應,是一種體外迅速擴增DNA片段的技術(shù)。探究點一探究點二當堂檢測本課必記2.PCR利用了DNA熱變性的原理,PCR儀實際上也是一種能自動調(diào)控溫度的儀器。下列關(guān)于PCR過程中“溫度的控制”的說法,錯誤的是(

)A.變性需要較高的溫度,是為了確保模板是單鏈B.延伸的溫度必須大于復性溫度,而小于變性溫度聚合酶具有耐高溫的能力解旋酶具有耐高溫的能力答案:D解析:PCR是體外擴增DNA的技術(shù),DNA雙鏈的解開不需要解旋酶,而是靠高溫使其變性,雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)解體,雙鏈分開。復性后,在耐高溫的DNA聚合酶的作用下根據(jù)堿基互補配對原則合成新的DNA,因此延伸的溫度要大于復性溫度而小于變性溫度。探究點一探究點二當堂檢測本課必記3.下圖中PCR第二輪產(chǎn)物a、b、c、d分別是以PCR第一輪產(chǎn)物的哪一條單鏈DNA為模板復制產(chǎn)生的?(

)A.②①③④ B.①③②④C.①②④③ D.①②③④探究點一探究點二當堂檢測本課必記答案:D解析:因為PCR的反應過程需要引物,在第二輪循環(huán)過程中,a、d的引物分別為Ⅰ、Ⅱ,無引物的為模板鏈(即①④),則b、c的模板鏈分別為②③。探究點一探究點二當堂檢測本課必記4.(不定項)PCR(多聚酶鏈式反應)技術(shù)是一項在生物體外復制特定的DNA片段的核酸合成技術(shù),下圖表示合成過程。下列說法錯誤的是(

)過程要用到的酶在高溫下失活,因此在PCR擴增時需要再添加過程高溫使DNA變性解旋,該過程不需要解旋酶的作用C.如果把模板DNA的兩條鏈用15N標記,游離的脫氧核苷酸不做標記,控制“95℃~55℃~72℃”溫度循環(huán)3次,則在形成的子代DNA中含有15N標記的DNA占50%中由堿基錯配引起的變異屬于基因突變探究點一探究點二當堂檢測本課必記答案:AC解析:c過程用到的酶為耐高溫的DNA聚合酶,在高溫下不會失活,因此在PCR擴增時不需要再添加,A項錯誤;PCR中DNA解旋是通過高溫進行的,故a過程高溫使DNA變性解旋,該過程不需要解旋酶的作用,B項正確;如果把模板DNA的兩條鏈用15N標記,游離的脫氧核苷酸不做標記,循環(huán)3次后,形成的DNA分子為8個,而含有15N標記的DNA分子為2個,故在形成的子代DNA中含有15N標記的DNA占2/8=1/4,即25%,C項錯誤;PCR中由堿基錯配引起的基因結(jié)構(gòu)的改變屬于基因突變,D項正確。探究點一探究點二當堂檢測本課必記5.回答下列有關(guān)PCR技術(shù)的原理與操作的問題。(1)在

的溫度范圍內(nèi),DNA的

解體,

分開,這個過程稱為

。

(2)PCR反應需要的條件:緩沖液、DNA模板、引物、4種脫氧核苷酸