2024-2025學(xué)年高二生物人教版選擇性必修3教學(xué)課件 第3章- 第1節(jié)

第節(jié)1重組DNA技術(shù)的基本工具高中生物選擇性必修3第3章1.闡明重組DNA技術(shù)所需要的三種基本工具的作用。2.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。3.進(jìn)行DNA的粗提取與鑒定。學(xué)習(xí)目標(biāo)基因工程的誕生和發(fā)展1.1944年,艾弗里(O.Avery,1877-1955)等人通過肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗,不僅證明了遺傳物質(zhì)是DNA,還證明了DNA可以在同種生物的不同個體之間轉(zhuǎn)移。2.1950年,埃德曼(P.V.Edman,1916-1977)發(fā)明了一種測定氨基酸序列的方法。2年后,桑格(F.Sanger,1918-2013)首次完成了對胰島素氨基酸序列的測定。3.

1953年,沃森(J.D.Watson,1928一)和克里克(F.Crick,1916-2004)建立了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型并提出了遺傳物質(zhì)自我復(fù)制的假說。4.1958年,梅塞爾森(M.Meselson,1930-)和斯塔爾(F.W.Stahl,(M.1929——)用實驗證明了DNA的半保留復(fù)制。隨后不久,克里克提出中心法則。5.1961年,尼倫伯格(M.W.Nirenberg,1927-2010)和馬太(J.H.Matthaei,1929一)破譯了第一個編碼氨基酸的密碼子。截至1966年,64個密碼子均被成功破譯。基因工程的誕生和發(fā)展6.1967年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),在細(xì)菌擬核DNA之外的質(zhì)粒有自我復(fù)制能力,并可以在細(xì)菌細(xì)胞間轉(zhuǎn)移。7.1970年,科學(xué)家在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了第一個限制性內(nèi)切核酸酶(簡稱限制酶)。8.20世紀(jì)70年代初,多種限制酶、DNA連接酶和逆轉(zhuǎn)錄酶被相繼發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)為DNA的切割、連接以及功能基因的獲得創(chuàng)造了條件。9.1972年,伯格(P.Berg,1926一)首先在體外進(jìn)行了DNA改造的研究,成功地構(gòu)建了第一個體外重組DNA分子。10.1973年,科學(xué)家證明質(zhì)?？梢宰鳛榛蚬こ痰妮d體,構(gòu)建重組DNA,導(dǎo)入受體細(xì)胞,使外源基因在原核細(xì)胞中成功表達(dá),并實現(xiàn)物種間的基因交流。至此,基因工程正式問世?；蚬こ痰恼Q生和發(fā)展11.1977年,桑格等科學(xué)家發(fā)明了DNA序列分析的方法,為基因序列圖的繪制提供了可能。此后,DNA合成儀的問世為體外合成DNA提供了方便。12.

1982年,第一個基因工程藥物——重組人胰島素被批準(zhǔn)上市?；蚬こ趟幬锍蔀槭澜绺鲊芯亢屯顿Y開發(fā)的熱點。13.1983年,科學(xué)家采用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法培育出世界上第一例轉(zhuǎn)基因煙草。此后,基因工程進(jìn)入了迅速發(fā)展的階段。14.1984年,我國科學(xué)家朱作言(1941一)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊培育出世界上第一條轉(zhuǎn)基因魚。15.1985年,穆里斯(K.Mullis,1944—2019)等人發(fā)明PCR,為獲取目的基因提供了有效手段。16.1990年,人類基因組計劃啟動。2003年,該計劃的測序任務(wù)順利完成?；蚬こ痰恼Q生和發(fā)展17.21世紀(jì)以來,科學(xué)家發(fā)明了多種高通量測序技術(shù),可以實現(xiàn)低成本測定大量核酸序列,加速了人們對基因組序列的了解。18.2013年,華人科學(xué)家張鋒(1982一)及其團(tuán)隊首次報道利用最新的基因組編輯技術(shù)——CRISPR(成類規(guī)律間隔短回文重復(fù))技術(shù)編輯了哺乳動物基因組。該技術(shù)可以實現(xiàn)對特定基因的定點插入、敲除或替換。從社會中來

番木瓜容易受番木瓜環(huán)斑病毒的侵害。當(dāng)番木瓜受到這種病毒感染后，產(chǎn)量會大大下降。科學(xué)家通過精心設(shè)計用“分子工具”培育出了轉(zhuǎn)基因番木瓜，它可以抵御番木瓜環(huán)斑病毒。非轉(zhuǎn)基因番木瓜轉(zhuǎn)基因番木瓜第1節(jié)重組DNA技術(shù)的基本工具從社會中來

番木瓜容易受番木瓜環(huán)斑病毒的侵害。當(dāng)番木瓜受到這種病毒感染后，產(chǎn)量會大大下降?？茖W(xué)家通過精心設(shè)計用“分子工具”培育出了轉(zhuǎn)基因番木瓜，它可以抵御番木瓜環(huán)斑病毒。

DNA雙螺旋的直徑只有2nm,對如此微小的分子進(jìn)行操作，是一項非常精細(xì)的工作，更需要專門的“分子工具”。那么，科學(xué)家究竟用到了哪些“分子工具”？這些“分子工具”各具有什么特征呢？非轉(zhuǎn)基因番木瓜轉(zhuǎn)基因番木瓜一、基因工程的概念基因工程也叫DNA重組技術(shù)（DNArecombinanttechnique),即按照人們預(yù)先設(shè)計的藍(lán)圖，通過基因操作，將目的基因或DNA片段與合適的載體結(jié)合，然后轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞，通過復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯，使轉(zhuǎn)基因生物獲得新的遺傳性狀?；蚬こ炭梢源蚱莆锓N之間的生殖隔離，使基因在不同生物之間進(jìn)行交流，從而賦予生物新的遺傳特性。（1）目的：按照人們的意愿定向改變生物的的遺傳性狀（2）優(yōu)點：克服遠(yuǎn)緣雜交不親和障礙一、基因工程的工具重組DNA技術(shù)需要三種“分子工具”,即準(zhǔn)確切割DNA分子的“分子手術(shù)刀”、將DNA片段再連接起來的“分子縫合針”和將體外重組好的DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞的“分子運輸車”[資料1]1970年，史密斯（H.D.Smith)等人首次從大腸桿菌中提取出了一種限制性內(nèi)切核酸酶（restrictionendonuclease)。這種內(nèi)切核酸酶能夠識別特定的脫氧核苷酸序列，并在特異性的位點上把雙鏈DNA分子“切割”開（如圖)。DNA被切割后所產(chǎn)生的交錯的切口，也就是在每條鏈的一端留下的單鏈末端，叫做黏性末端。三、限制性內(nèi)切核酸酶——“分子手術(shù)刀”1.從微生物體內(nèi)分離出來2.每種限制酶只能識別DNA分子中的特定脫氧核苷酸序列，并在特定位置將DNA分子“切割”開。3.“切割”的是磷酸二酯鍵4.切口有兩種：黏性末端和平末端（大部分限制酶切割結(jié)果為黏性末端）三、限制性內(nèi)切核酸酶——“分子手術(shù)刀”3.“切割”的是磷酸二酯鍵三、限制性內(nèi)切核酸酶——“分子手術(shù)刀”[資料2]1967年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種能夠?qū)蓚€DNA片段連接起來的酶，可以用它來修復(fù)DNA鏈的斷裂口，并把這種酶叫做DNA連接酶。1970年，科學(xué)家們又提取了一種具有更高活性的T4DNA連接酶。當(dāng)兩個DNA片段的黏性末端彼此相臨，而且它們的堿基能夠互補(bǔ)配對時，DNA連接酶就能把它們之間的縫隙“縫合”起來（如圖）。四、DNA連接酶——“分子縫合針”[資料3]1972年，美國的伯格（P.Berg)等人用一種限制性內(nèi)切酶在體外分別將猿猴體內(nèi)的一種病毒的DNA和λ噬菌體的DNA進(jìn)行酶切，然后分離出各自的酶切片段，又用T4DNA連接酶將它們連接起來，構(gòu)建了世界上首例體外重組的雜合DNA分子。四、DNA連接酶——“分子縫合針”1.基因針線——DNA連接酶

（T4連接酶和E·coli連接酶）將切割下來的DNA片段拼接成新的DNA分子，要靠DNA連接酶（DNAligase)來實現(xiàn)。當(dāng)兩個DNA片段的黏性末端彼此靠攏，相互識別，它們的堿基完成互補(bǔ)配對后，DNA連接酶就把它們之間的縫隙“縫合”起來。2.T4連接酶既可以接連黏性末端也可以連接平末端，但連接平末端的效率相對較低；E·coli連接酶只能連接黏性末端。四、DNA連接酶——“分子縫合針”[資料4]1973年，美國科學(xué)家科恩（S.Cohen)等人從大腸桿菌中提取出了兩種質(zhì)粒，一種含有卡那霉素抗性基因，另一種含有四環(huán)素抗性基因。他們將這兩種基因分別“切割”下來，并拼接在同一個質(zhì)粒上，然后導(dǎo)入大腸桿菌，產(chǎn)生了既抗卡那霉素又抗四環(huán)素的大腸桿菌。五、基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體——“分子運輸車”（1）常用的工具：質(zhì)粒、λ噬菌體的衍生物和動植物病毒。（2）質(zhì)粒：一種較為理想的載體，它是獨立于細(xì)菌擬核之外的很小的雙鏈環(huán)狀DNA分子，具有自我復(fù)制能力。有一個至多個限制酶切割位點，并含有一些抗生素抗性基因（如圖）,如四環(huán)素抗性基因、氨芐青霉素抗性基因等，這些基因可以作為鑒定和篩選重組DNA的標(biāo)記基因。

（3）作為運載體應(yīng)具有的特征：能自我復(fù)制；有一個或多個酶切位點；有啟動子、終止子和標(biāo)記基因。五、基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體——“分子運輸車”六、DNA的粗提取與鑒定1.提取DNA的方法

利用DNA與RNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等在物理和化學(xué)性質(zhì)方面的差異，提取DNA，去除其他成分。（1）提取生物大分子的基本思路

選用一定的物理或化學(xué)方法，分離具有不同物理或化學(xué)性質(zhì)的生物大分子（2）提取DNA的基本思路（DNA的粗提?。┝?、DNA的粗提取與鑒定2.實驗原理（1）DNA不溶于酒精，某些蛋白質(zhì)溶于酒精（2）在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度最低（3）DNA遇二苯胺試劑會呈現(xiàn)藍(lán)色0DNA溶解度NaCl濃度0.14mol/L2mol/L六、DNA的粗提取與鑒定3.實驗材料新鮮洋蔥或香蕉、菠菜、菜花、豬肝等；95%的酒精、2mol/L的NaCl溶液、二苯胺試劑4.實驗步驟(1)稱取約30g洋蔥,切碎,然后放入研中,倒入10mL研磨液,充分研磨。(2)在漏斗中墊上紗布,將洋蔥研磨液過濾到燒杯中,在4℃冰箱中放置幾分鐘后,再取上清液。也可以直接將研磨液倒入塑料離心管中,在1500r/min的轉(zhuǎn)速下離心5min,再取上清液放入燒杯中。六、DNA的粗提取與鑒定4.實驗步驟(3)在上清液中加入體積相等的、預(yù)冷的酒精溶液(體積分?jǐn)?shù)為95%),靜置2~3min,溶液中出現(xiàn)的白色絲狀物就是粗提取的DNA。用玻璃棒沿一個方向攪拌,卷起絲狀物,并用濾紙吸去上面的水分;或者將溶液倒入塑料離心管中,在10000r/min的轉(zhuǎn)速下離心5min,棄上清液,將管底的沉淀物(粗提取的DNA)晾干。注意：（1）應(yīng)沿一個方向快速攪拌，但也不能過快過猛，防止打碎DNA（2）冷卻的酒精溶液(體積分?jǐn)?shù)95％)作用：一是抑制核酸水解酶活性，防止DNA降解；二是低溫有利于增加DNA分子柔韌性，減少斷裂。

六、DNA的粗提取與鑒定4.實驗步驟(3)在上清液中加入體積相等的、預(yù)冷的酒精溶液(體積分?jǐn)?shù)為95%),靜置2~3min,溶液中出現(xiàn)的白色絲狀物就是粗提取的DNA。用玻璃棒沿一個方向攪拌,卷起絲狀物,并用濾紙吸去上面的水分;或者將溶液倒入塑料離心管中,在10000r/min的轉(zhuǎn)速下離心5min,棄上清液,將管底的沉淀物(粗提取的DNA)晾干。(4)取兩支20mL的試管,各加入2mol/L的NaC1溶液5mL。將絲狀物或沉淀物溶于其中一支試管的NaC1溶液中。然后,向兩支試管中各加入4mL的二苯胺試劑?；旌暇鶆蚝?將試管置于沸水中加熱5min。待試管冷卻后,比較兩支試管中溶液顏色的變化。注意:應(yīng)沿一個方向快速攪拌，但也不能過快過猛，防止打碎DNA冷卻的酒精溶液(體積分?jǐn)?shù)95％)作用：一是抑制核酸水解酶活性，防止DNA降解；二是低溫有利于增加DNA分子柔韌性，減少斷裂。六、DNA的粗提取與鑒定5.實驗梳理本實驗中有三次過濾:第一次過濾獲得DNA的濾液第二次過獲得DNA粘稠物第三次過濾獲得DNA的濾液獲得含DNA的濾液獲取DNA粘稠物得到含DNA的濾液本實驗兩次析出DNA：第一次：用0.14mol/L的NaCI溶液析出DNA，目的是除去溶液中的雜質(zhì)。第二次：用冷卻的95％的酒精，獲得含雜質(zhì)較少的DNA絲狀物易錯易混混淆與DNA有關(guān)的幾種酶的作用例下圖為DNA分子在不同酶的作用下所發(fā)生的變化，圖中依次表示限制性內(nèi)切核酸酶、DNA聚合酶、DNA連接酶、解旋酶作用的正確順序是（）

A.①②③④ B.①②④③C.①④②③ D.①④③②【答案】C【解析】分析題圖可知，①是切割DNA分子雙鏈產(chǎn)生黏性末端的過程，用到的酶是限制性內(nèi)切核酸酶；②是黏性末端連接的過程，需要DNA連接酶；③是DNA分子解旋的過程，需要解旋酶；④是DNA復(fù)制過程，需要DNA聚合酶?；蚬こ痰墓ぞ呦拗泼钢饕嬖谟谠松镏芯哂袑Ｒ恍?識別序列)切開DNA分子的磷酸二酯鍵DNA連接酶連接磷酸二酯鍵種類E·coliDNA連接酶T4

DNA連接酶運載工具具備的條件結(jié)構(gòu)簡單，大小適中能在宿主細(xì)胞中自我復(fù)制并穩(wěn)定存在具一個多個限制酶切位點具標(biāo)記基因質(zhì)粒、λ噬菌體衍生物、動植物病毒課堂小結(jié)1、以下有關(guān)基因工程的敘述，不正確的是（）A.基因工程的原理是通過對DNA分子操作實現(xiàn)基因重組B.不同生物共用一套遺傳密碼為基因工程提供了理論依據(jù)C.不同生物的DNA結(jié)構(gòu)大致相同是重組DNA形成的保障D.基因工程工具酶的發(fā)現(xiàn)為目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞創(chuàng)造了條件 當(dāng)堂檢測【解析】基因工程是指按照人們的愿望，通過轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，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。由于基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計和施工的，因此又叫重組DNA技術(shù)，其原理是廣義上的基因重組，A項正確。地球上幾乎所有的生物體共用一套遺傳密碼，因此一種生物的基因能在另一種生物體內(nèi)表達(dá)，B項正確。不同生物的DNA具有相同的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，因此不同生物的DNA能夠連接在一起，C項正確?；蚬こ坦ぞ呙傅陌l(fā)現(xiàn)為基因工程獲取目的基因并構(gòu)建基因表達(dá)載體提供了技術(shù)保障，D項錯誤?！敬鸢浮緿2.

限制酶和DNA連接酶是基因工程的工具酶，以下說法正確的是（）A.DNA連接酶能將單個核苷酸加到已有的核苷酸片段上形成磷酸二酯鍵B.限制酶只能切割雙鏈DNA片段，不能切割煙草花葉病毒的核酸C.E.coliDNA連接酶既能連接黏性末端，也能連接平末端D.限制酶主要從原核生物中分離純化而來，所以也能剪切自身的DNA【答案】B【解析】DNA連接酶連接的是兩個DNA片段，A項錯誤；限制酶只能切割雙鏈DNA片段而不能切割RNA，煙草花葉病毒的核酸為RNA，B項正確；E.coliDNA連接酶只能連接黏性末端，不能連接平末端，C項錯誤；限制酶主要從原核生物中分離純化而來，但是因為原核生物DNA分子中不存在該酶的識別序列或識別序列已經(jīng)被修飾，所以不能剪切自身的DNA，D項錯誤。3.某線性DNA分子含有5000個堿基對（bp），先用限制酶a切割，再把得到的產(chǎn)物用限制酶b切割，得到的DNA片段大小如下表。限制酶a和b的識別序列和切割位點如圖所示。下列敘述錯誤的是（） A.a酶與b酶切斷的化學(xué)鍵相同B.a酶與b酶切出的黏性末端能相互連接C.a酶與b酶切割該DNA分子的位點分別有3個和5個D.限制酶將1個DNA分子片段切成2個片段需消耗2個水分子【答案】C【解析】分析題圖可知，a酶和b酶識別的脫氧核苷酸序列不同，但切割后產(chǎn)生的黏性末端相同。分析表格可知，a酶可以把原有DNA切成4段，說明該DNA分子上a酶的切割位點有3個；b酶把大小是2100的DNA切成大小分別為1900和200的兩個片段，把大小是1400的DNA切成大小分別為800和600的兩個片段，且a酶和b酶的識別位點不同，說明該DNA分子上b酶的切割位點有2個。4.下列關(guān)于下圖所示DNA片段的說法，錯誤的是（）A.甲、乙、丙的黏性末端一定是由兩種限制酶催化產(chǎn)生的B.甲、乙之間可形成重組DNA分子，但甲、丙之間不能C.DNA連接酶催化磷酸基團(tuán)和脫氧核糖之間形成化學(xué)鍵D.切割甲的限制酶很可能不能識別由甲、乙片段形成的重組DNA分子

【答案】A【解析】產(chǎn)生甲黏性末端的限制酶的識別序列為GAATTC∥CTTAAG，產(chǎn)生乙黏性末端的限制酶的識別序列為CAATTG∥GTTAAC，產(chǎn)生丙黏性末端的限制酶的識別序列為CTTAAG∥GAATTC，由此可見，甲、乙、丙黏性末端是由3種限制酶作用產(chǎn)生的，A項