新教材同步備課2024春高中生物第3章基因工程第1節(jié)重組DNA技術(shù)的基本工具課件新人教版選擇性必修3

第1節(jié)重組DNA技術(shù)的基本工具目標(biāo)素養(yǎng)1.概述基因工程的概念,關(guān)注基因工程的誕生和發(fā)展歷程,認(rèn)同基因工程的誕生和發(fā)展離不開理論研究和技術(shù)創(chuàng)新。2.運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀,說明重組DNA技術(shù)所需的三種基本工具的作用及特點(diǎn),概述基因工程中載體需要具備的條件,培養(yǎng)科學(xué)思維能力。3.通過“DNA的粗提取與鑒定”活動(dòng),發(fā)展科學(xué)探究素養(yǎng)和自主學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)方案等能力。知識(shí)概覽一、基因工程的概念1.操作場所:生物體外。2.操作技術(shù):轉(zhuǎn)基因等技術(shù)。3.操作結(jié)果:賦予生物新的遺傳特性,創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。4.操作水平:DNA分子水平。因此基因工程又叫作重組DNA技術(shù)。微思考1為什么不同生物的DNA可以進(jìn)行體外重組?提示:不同生物中DNA分子的基本組成單位相同,都是4種脫氧核苷酸;空間結(jié)構(gòu)相同,都是規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu);生物界共用一套遺傳密碼,相同的遺傳信息在不同生物體內(nèi)表達(dá)出相同的蛋白質(zhì)。微判斷11.基因工程育種的優(yōu)點(diǎn)是可以集中親本的優(yōu)良性狀。(

)2.通過基因工程改造成的生物為新物種。(

)3.基因工程育種與雜交育種相比的優(yōu)點(diǎn)是打破了生殖隔離。(

)××√二、重組DNA技術(shù)的基本工具1.限制性內(nèi)切核酸酶——“分子手術(shù)刀”。(1)來源:主要是從原核生物中分離純化出來的。(2)作用特點(diǎn):具有專一性。①識(shí)別雙鏈DNA分子的特定核苷酸序列。②使每一條鏈中特定部位的磷酸二酯鍵斷開。(3)識(shí)別序列的特點(diǎn):大多數(shù)限制酶的識(shí)別序列由6個(gè)核苷酸組成,少數(shù)由4個(gè)、8個(gè)或其他數(shù)量的核苷酸組成。(4)結(jié)果:產(chǎn)生DNA片段末端(通常有黏性末端和平末端兩種形式)。2.DNA連接酶——“分子縫合針”。(1)作用:將切下來的雙鏈DNA片段“縫合”起來,恢復(fù)被限制酶切開的磷酸二酯鍵。(2)結(jié)果:拼接成新的DNA分子。(3)種類。

3.基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體——“分子運(yùn)輸車”。(1)作用:將外源基因送入受體細(xì)胞。(2)常用載體——質(zhì)粒。①本質(zhì):一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡單、獨(dú)立于真核細(xì)胞細(xì)胞核或原核細(xì)胞擬核DNA之外,并具有自我復(fù)制能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子。②作為載體的條件:a.有一個(gè)至多個(gè)限制酶切割位點(diǎn),供外源DNA片段(基因)插入其中;b.進(jìn)入受體細(xì)胞后,能在細(xì)胞中進(jìn)行自我復(fù)制,或整合到受體DNA上,隨受體DNA同步復(fù)制;c.常有特殊的標(biāo)記基因,便于重組DNA分子的篩選。(3)其他載體:噬菌體、動(dòng)植物病毒等。微點(diǎn)撥

相同的黏性末端不一定來自同一種限制酶的切割,可能來自不同限制酶的切割。微思考2DNA連接酶和DNA聚合酶的作用部位相同嗎?提示:相同。兩種酶的作用部位都是磷酸二酯鍵,只是DNA連接酶是在兩個(gè)DNA片段之間形成磷酸二酯鍵,而DNA聚合酶只能將單個(gè)脫氧核苷酸連接到已有的DNA片段上,且需要以一條DNA鏈為模板。微判斷21.重組DNA技術(shù)所需要的工具酶有限制酶、DNA連接酶和載體。(

)2.不同限制酶切割后一定形成不同的黏性末端。(

)3.用作載體的質(zhì)粒DNA分子上至少含有一個(gè)限制酶切割位點(diǎn)。(

)4.T4DNA連接酶既能連接黏性末端,又能連接平末端。(

)××√√三、DNA的粗提取與鑒定1.提取原理:(1)DNA

不溶于

酒精,但某些蛋白質(zhì)

溶于

酒精。

(2)DNA在不同濃度的

NaCl

溶液中溶解度不同,它能溶于物質(zhì)的量濃度為

2

mol/L的NaCl溶液。

2.鑒定原理:在一定溫度下,DNA遇

二苯胺

試劑會(huì)呈現(xiàn)

藍(lán)

色。

微訓(xùn)練

下列關(guān)于“DNA的粗提取與鑒定”實(shí)驗(yàn)的敘述,錯(cuò)誤的是(

)A.酵母菌和菜花均可作為提取DNA的材料B.DNA能溶于物質(zhì)的量濃度為2mol/L的NaCl溶液C.向洋蔥研磨液中加蒸餾水?dāng)嚢?可見玻璃棒上有白色絲狀物D.向DNA溶液中加入二苯胺試劑,沸水浴加熱,冷卻后變藍(lán)答案:C解析:原則上含DNA的生物材料都能作為提取DNA的材料,只是選用DNA含量高的生物組織,成功的可能性更大;DNA在物質(zhì)的量濃度為2

mol/L的NaCl溶液中溶解度較高;向洋蔥研磨液的上清液中加入預(yù)冷的體積分?jǐn)?shù)為95%的酒精溶液,靜置2~3

min,可見有白色絲狀物產(chǎn)生;向DNA溶液中加入二苯胺試劑后需沸水浴加熱,待冷卻后溶液變藍(lán)。一

限制酶和DNA連接酶問題探究“工欲善其事,必先利其器?！蔽覈鴵碛凶灾髦R(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉,就是通過精心設(shè)計(jì),用“分子工具”構(gòu)建成的。其中一種工具為“分子手術(shù)刀”——限制酶。(1)限制酶主要從原核生物中分離純化而來,推測它在原核生物中的作用是什么?它會(huì)不會(huì)切割自身的DNA分子?提示:原核細(xì)胞容易受到外源DNA的入侵,原核細(xì)胞中的限制酶能夠切割入侵的外源DNA而保護(hù)自身。原核細(xì)胞中的限制酶不會(huì)切割自身的DNA分子,因?yàn)樽陨淼腄NA分子中不存在該酶的識(shí)別序列或識(shí)別序列已被修飾而不被識(shí)別。(2)限制酶和DNA連接酶的作用是否都體現(xiàn)了酶的專一性?提示:限制酶能夠識(shí)別雙鏈DNA分子的特定核苷酸序列,并且使每一條鏈中特定部位的磷酸二酯鍵斷開,體現(xiàn)了酶的專一性。E.coli

DNA連接酶能將具有互補(bǔ)黏性末端的DNA片段連接起來,對(duì)末端的堿基序列沒有要求;T4

DNA連接酶既可以連接雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端,又可以連接雙鏈DNA片段的平末端,都對(duì)末端的堿基序列沒有要求,因此DNA連接酶的作用沒有體現(xiàn)酶的專一性。(3)如何判斷兩個(gè)黏性末端是否由同一種限制酶切割產(chǎn)生?提示:將其中一個(gè)黏性末端旋轉(zhuǎn)180°,看兩個(gè)末端的堿基序列是否完全相同。若相同,則說明這兩個(gè)黏性末端是由同一種限制酶切割產(chǎn)生的。歸納總結(jié)1.限制酶。(1)限制酶的作用。限制酶具有特殊的識(shí)別和切割功能,在基因工程中,一方面被用于切割含目的基因的DNA分子,以獲取目的基因;另一方面用于切割載體。(2)識(shí)別序列的特點(diǎn)。呈現(xiàn)堿基互補(bǔ)對(duì)稱,無論是奇數(shù)個(gè)堿基,還是偶數(shù)個(gè)堿基,都可以找到一條中軸線,中軸線兩側(cè)的雙鏈DNA上的堿基是反向?qū)ΨQ重復(fù)排列的。如

以中軸線為軸,兩側(cè)堿基互補(bǔ)對(duì)稱;以

為軸,兩側(cè)堿基互補(bǔ)對(duì)稱。(3)限制酶的切割方式。①上下交錯(cuò)切割:限制酶在DNA雙鏈的不同位置切割DNA(即在識(shí)別序列的中軸線兩側(cè)切割),產(chǎn)生的DNA片段的末端兩條鏈一長一短,不是平齊的,即黏性末端,如下圖所示。②上下對(duì)稱切割:限制酶在DNA雙鏈的相同位置切割DNA(即沿著識(shí)別序列的中軸線切割),這樣產(chǎn)生的末端兩條鏈平齊,即平末端,如下圖所示。特別提醒限制酶是一類酶而不是一種酶。限制酶的化學(xué)本質(zhì)為蛋白質(zhì),其作用的發(fā)揮需要適宜的理化條件,高溫、強(qiáng)酸或強(qiáng)堿均易使之變性失活。2.限制酶切割位點(diǎn)與DNA片段的關(guān)系。(1)鏈狀DNA分子上如果有1個(gè)酶切位點(diǎn),用限制酶切割后形成2個(gè)DNA片段;如果有2個(gè)酶切位點(diǎn),用限制酶切割后形成3個(gè)DNA片段,以此類推。(2)環(huán)狀DNA分子上如果有1個(gè)酶切位點(diǎn),用限制酶切割后形成1個(gè)鏈狀DNA,且長度不發(fā)生變化;如果有2個(gè)酶切位點(diǎn),用限制酶切割后形成2個(gè)DNA片段,以此類推。(3)將1個(gè)基因從DNA分子上切割下來,需要切割2處。3.限制酶和DNA連接酶的關(guān)系。(1)區(qū)別。比較項(xiàng)目作用應(yīng)用限制性內(nèi)切核酸酶識(shí)別雙鏈DNA分子的特定核苷酸序列,并使每一條鏈中特定部位的磷酸二酯鍵斷開用于提取目的基因和切割載體DNA連接酶在DNA片段之間重新形成磷酸二酯鍵以連接兩個(gè)DNA片段用于目的基因和載體的連接(2)兩者的關(guān)系可用下圖表示。①限制酶和DNA連接酶的作用部位都是磷酸二酯鍵。②DNA連接酶起作用時(shí),不需要模板。③不同限制酶切割形成的黏性末端,如果互補(bǔ),則可以拼接。典例剖析【例1】下列是幾種不同限制酶切割DNA分子后形成的部分片段。下列敘述正確的是(

)A.以上DNA片段是由4種限制酶切割后產(chǎn)生的B.②片段是在酶切位點(diǎn)為

的限制酶作用下形成的C.①和④2個(gè)片段在DNA聚合酶的作用下形成重組DNA分子D.限制酶和DNA連接酶作用的部位都是磷酸二酯鍵答案:D解析:題圖中①④是由同一種限制酶切割形成的,具有相同的黏性末端,②經(jīng)過限制酶切割后形成的是黏性末端,③經(jīng)過限制酶切割后形成的是平末端,因此①~④

DNA片段是由3種限制酶切割后產(chǎn)生的,A項(xiàng)錯(cuò)誤。切割②片段的限制酶的識(shí)別序列為GAATTC,識(shí)別位點(diǎn)為G與A之間,B項(xiàng)錯(cuò)誤。由于①④具有相同的黏性末端,所以能用DNA連接酶連接起來形成重組DNA分子,C項(xiàng)錯(cuò)誤。學(xué)以致用1.下圖是3種限制性內(nèi)切核酸酶對(duì)DNA分子的識(shí)別序列和切割位點(diǎn)圖(箭頭表示切割位點(diǎn),切出的斷面為黏性末端)。下列敘述錯(cuò)誤的是(

)A.不同的限制酶有不同的識(shí)別序列和切割位點(diǎn),體現(xiàn)了酶的專一性B.限制酶2和限制酶3的識(shí)別序列均為6個(gè)核苷酸C.限制酶1和限制酶3切割得到的黏性末端相同D.能夠識(shí)別和切割RNA分子內(nèi)一小段核苷酸序列的酶只有限制酶2答案:D解析:限制酶只能識(shí)別特定的DNA序列,因此3種限制酶均不能識(shí)別和切割RNA中的核苷酸序列。二

基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體問題探究穿梭載體是一類具有兩種不同復(fù)制原點(diǎn),能在兩種不同的生物體(物種不同)中復(fù)制的載體,一般在原核細(xì)胞和真核細(xì)胞中都能復(fù)制和表達(dá),如Ti質(zhì)粒。(1)細(xì)胞膜上的載體與基因工程中的載體是否相同?請(qǐng)說明理由。提示:否。①化學(xué)本質(zhì)不同:細(xì)胞膜上的載體的化學(xué)成分是蛋白質(zhì);基因工程中的載體可能是有特定結(jié)構(gòu)的DNA分子,如質(zhì)粒(DNA),也可能是生物,如動(dòng)植物病毒等。②功能不同:細(xì)胞膜上的載體的功能是協(xié)助物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞;基因工程中的載體是一種“分子運(yùn)輸車”,負(fù)責(zé)把目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。(2)天然質(zhì)粒能直接用于基因工程中嗎?提示:天然質(zhì)粒上一般沒有特殊的標(biāo)記基因,不能直接用于基因工程中。歸納總結(jié)1.在基因工程中,使用載體有兩個(gè)目的:一是用它作為運(yùn)輸工具,將外源基因送入受體細(xì)胞;二是利用它在受體細(xì)胞內(nèi)對(duì)目的基因進(jìn)行大量的復(fù)制。2.質(zhì)粒作為載體必須具備的條件。

條件作用能夠在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在并能進(jìn)行自我復(fù)制,或整合到受體DNA上,隨受體DNA同步復(fù)制使目的基因穩(wěn)定存在且數(shù)量可擴(kuò)大有一個(gè)至多個(gè)限制酶切割位點(diǎn)可供外源DNA片段(基因)插入其中具有特殊的標(biāo)記基因便于重組DNA分子的篩選無毒害作用避免受體細(xì)胞受到損傷3.目的基因插入質(zhì)粒的位置圖示。目的基因不能插入標(biāo)記基因內(nèi),否則會(huì)影響標(biāo)記基因的表達(dá),導(dǎo)致不能進(jìn)行重組DNA分子的篩選。4.標(biāo)記基因的篩選原理。載體上的標(biāo)記基因一般是某種抗生素的抗性基因,而未導(dǎo)入該基因的受體細(xì)胞沒有抵抗該抗生素的能力。將含有某抗生素抗性基因的載體導(dǎo)入受體細(xì)胞,抗性基因在受體細(xì)胞內(nèi)表達(dá),受體細(xì)胞對(duì)該抗生素產(chǎn)生抗性。在含有該抗生素的培養(yǎng)基上,能夠生存的是被導(dǎo)入了基因表達(dá)載體的受體細(xì)胞。原理如下圖所示。典例剖析【例2】下面是四種不同質(zhì)粒的示意圖,其中Ori為復(fù)制必需的序列,AmpR為氨芐青霉素抗性基因,TetR為四環(huán)素抗性基因,箭頭表示一種限制性內(nèi)切核酸酶的酶切位點(diǎn)。若要得到一個(gè)能在含四環(huán)素的培養(yǎng)基上生長而不能在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上生長的含重組DNA的細(xì)胞,應(yīng)選用的質(zhì)粒是(

)答案:C學(xué)以致用2.限制酶MunⅠ和限制酶EcoRⅠ的識(shí)別序列及切割位點(diǎn)分別是

和

。下圖表示四種質(zhì)粒和含目的基因的DNA片段,其中箭頭所指部位為限制酶的切割位點(diǎn),質(zhì)粒的陰影部分(用斜線表示)表示標(biāo)記基因。答案:A解析:B項(xiàng)質(zhì)粒上沒有標(biāo)記基因,不適合作為載體。C項(xiàng)和D項(xiàng)質(zhì)粒的標(biāo)記基因上都有限制酶的切割位點(diǎn),用限制酶切割后,標(biāo)記基因會(huì)被破壞,故均不宜選作載體。下列適于作為圖示目的基因載體的質(zhì)粒是(

)三

DNA的粗提取與鑒定問題探究下圖表示某生物興趣小組進(jìn)行的DNA粗提取實(shí)驗(yàn)過程,其中SDS(一種表面活性劑)除了能瓦解細(xì)胞膜和核膜,還能與脂質(zhì)和蛋白質(zhì)結(jié)合。當(dāng)SDS遇到鉀離子時(shí),鉀離子可以置換SDS中的鈉離子,產(chǎn)生不溶于水的PDS沉淀。(1)向剪碎的羊肝中加入食鹽的主要作用是什么?將羊肝勻漿放入65℃水浴鍋中水浴10min以除去部分雜質(zhì)的主要實(shí)驗(yàn)原理是什么?提示:溶解DNA。蛋白質(zhì)在65

℃高溫下會(huì)變性,而DNA能耐受這一溫度。(2)方法1的步驟①中加入洗滌劑的作用是什么?提示:瓦解細(xì)胞膜和核膜。(3)要比較3種方法獲得的絮狀物中DNA的含量,請(qǐng)寫出實(shí)驗(yàn)思路。提示:取3支試管,分別加入等量的3種絮狀物,并用等量的濃度為2

mol/L的NaCl溶液溶解;再向各試管中加入等量的二苯胺試劑并沸水浴加熱;待試管冷卻后,比較3支試管中藍(lán)色的深淺。歸納總結(jié)DNA的粗提取與鑒定實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)。(1)本實(shí)驗(yàn)不能用哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞作實(shí)驗(yàn)材料,原因是哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞無細(xì)胞核(無DNA),可選用雞血細(xì)胞作材料。(2)二苯胺試劑要現(xiàn)用現(xiàn)配,否則會(huì)影響鑒定的效果。(3)提取植物細(xì)胞的DNA,在研磨時(shí)加入NaCl的目的是溶解DNA。(4)在DNA進(jìn)一步提純時(shí),選用冷卻的體積分?jǐn)?shù)為95%的酒精溶液的作用是溶解雜質(zhì)和析出DNA。典例剖析【例3】關(guān)于“DNA的粗提取與鑒定”實(shí)驗(yàn),下列說法錯(cuò)誤的是(

)A.過濾液沉淀過程在4℃冰箱中進(jìn)行是為了防止DNA降解B.離心研磨液是為了加速DNA的沉淀C.在一定溫度下,DNA遇二苯胺試劑呈現(xiàn)藍(lán)色D.粗提取的DNA中可能含有蛋白質(zhì)答案:B解析:低溫時(shí)DNA酶的活性較低,過濾液沉淀過程在4

℃冰箱中進(jìn)行是為了防止DNA降解,A項(xiàng)正確。離心研磨液是為了加速細(xì)胞碎片沉淀,B項(xiàng)錯(cuò)誤。沸水浴條件下,DNA遇二苯胺試劑呈現(xiàn)藍(lán)色,C項(xiàng)正確。由于是粗提取,因此DNA中很可能含有蛋白質(zhì),D項(xiàng)正確。學(xué)以致用3.下列有關(guān)“DNA的粗提取與鑒定”實(shí)驗(yàn)的敘述,正確的是()A.用蒸餾水使家兔的紅細(xì)胞漲破,可獲取富含DNA的濾液B.DNA不溶于體積分?jǐn)?shù)為95%的冷酒精,但可溶于濃度為2mol/L的NaCl溶液C.新鮮的洋蔥和香蕉可作為實(shí)驗(yàn)材料提取DNA,而菠菜不能用于提取DNAD.鑒定DNA時(shí),應(yīng)將絲狀物直接加入二苯胺試劑中并進(jìn)行沸水浴B解析:兔屬于哺乳動(dòng)物,哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞中沒有細(xì)胞核,不能用于DNA的粗提取,A項(xiàng)錯(cuò)誤。DNA含量高,并且材料易得的生物都可以作為提取DNA的材料,所以菠菜也可以作為提取DNA的材料,C項(xiàng)錯(cuò)誤。鑒定DNA時(shí),將絲狀物溶于濃度為2

mol/L的NaCl溶液后加入二苯胺試劑,進(jìn)行沸水浴,冷卻后溶液呈藍(lán)色,D項(xiàng)錯(cuò)誤。1.實(shí)施基因工程的最終目的是(

)A.提取生物體的DNA分子B.對(duì)DNA分子進(jìn)行人為剪切C.在生物體外對(duì)DNA分子進(jìn)行改造D.創(chuàng)造出符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品答案:D2.下列有關(guān)下圖所示黏性末端的說法,錯(cuò)誤的是(

)A.甲、乙、丙黏性末端是由不同的限制性內(nèi)切核酸酶切割產(chǎn)生的B.甲、乙之間可相互連接,甲、丙之間不能相互連接C