專題一 基因工程第1課時(shí)DNA重組技術(shù)的基本工具目標(biāo)導(dǎo)讀1.結(jié)合課本插圖，簡述DNA重組技術(shù)所需三種基本工具的作用。2.結(jié)合教材P6圖15，簡述基因工程中載體需要具備的條件。重難點(diǎn)擊DNA重組技術(shù)三種基本工具的作用和特點(diǎn)。1DNA分子的組成2DNA的平面結(jié)構(gòu)(1)配對的堿基，A與T之間形成兩個(gè)氫鍵，G與C之間形成三個(gè)氫鍵。CG比例越大，DNA分子結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。(2)脫氧核苷酸聚合形成長鏈的過程中產(chǎn)生水，即脫氧核苷酸DNAH2O。(3)和之間的化學(xué)鍵為磷酸二酯鍵。(4)之間的化學(xué)鍵為氫鍵，可用解旋酶斷裂，也可加熱斷裂。(5)每個(gè)脫氧核糖連接著2個(gè)磷酸，分別在3號、5號碳原子上相連接。3基因與DNA的關(guān)系從上圖可知，S基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段。課堂導(dǎo)入如圖為“黃金水稻”，是將類胡蘿卜素基因?qū)胨緝?nèi)培育而成的，這種技術(shù)就是基因工程，是一種精細(xì)的DNA拼接技術(shù)，需要一些特殊的工具才能進(jìn)行，今天我們就來學(xué)習(xí)DNA重組技術(shù)的基本工具。探究點(diǎn)一基因工程的概念及工具酶1基因工程的概念圖1為我國擁有自主知識產(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。培育抗蟲棉首先要在體外對含有抗蟲基因的DNA分子進(jìn)行“切割”、改造、修飾和“拼接”，然后，導(dǎo)入棉花體細(xì)胞內(nèi)，并使重組DNA在細(xì)胞中表達(dá)。由上述資料填寫下表，理解基因工程的概念。操作對象基因(DNA)操作環(huán)境生物體外操作水平DNA分子水平技術(shù)手段DNA重組和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)目的創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品2.基因工程的工具酶(1)“分子手術(shù)刀”限制性核酸內(nèi)切酶(限制酶)來源：主要是從原核生物中分離純化出來的。功能：能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開。小貼士限制酶所識別序列的特點(diǎn)呈現(xiàn)堿基互補(bǔ)對稱，無論是奇數(shù)個(gè)堿基還是偶數(shù)個(gè)堿基，都可以找到一條中心軸線，如圖所示，中心軸線兩側(cè)的雙鏈DNA上的堿基是反向?qū)ΨQ重復(fù)排列的。如GCCG以中心線為軸，兩側(cè)堿基互補(bǔ)對稱；CGCGATGCGC以AT為軸，兩側(cè)堿基互補(bǔ)對稱。作用結(jié)果：形成DNA片段末端。a黏性末端是限制性核酸內(nèi)切酶在識別序列的中心軸線兩側(cè)將DNA的兩條鏈分別切開時(shí)形成的，如圖所示。b平末端是限制性核酸內(nèi)切酶在識別序列的中心軸線處切開時(shí)形成的，如圖所示。觀察圖2，說明限制酶切割的位置在2、4(處)。(2)“分子縫合針”DNA連接酶作用：將雙鏈DNA片段之間的磷酸二酯鍵連接起來。DNA連接酶種類和作用的區(qū)別種類來源作用E·coli DNA連接酶大腸桿菌縫合黏性末端被切開的磷酸二酯鍵，不能連接平末端T4 DNA連接酶T4噬菌體縫合黏性末端和平末端，但平末端之間連接的效率比較低歸納提煉1DNA連接酶與限制性核酸內(nèi)切酶的比較(1)區(qū)別作用應(yīng)用限制性核酸內(nèi)切酶使特定部位的磷酸二酯鍵斷裂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用于基因表達(dá)載體的構(gòu)建(2)兩者的關(guān)系可表示為：2DNA連接酶與DNA聚合酶的比較DNA連接酶DNA聚合酶相同點(diǎn)催化兩個(gè)脫氧核苷酸之間形成磷酸二酯鍵不同點(diǎn)模板不需要模板需要DNA的一條鏈為模板作用對象游離的DNA片段單個(gè)的脫氧核苷酸作用結(jié)果形成完整的DNA分子形成DNA的一條鏈用途基因工程DNA分子復(fù)制活學(xué)活用1下圖為DNA分子的切割和連接過程，據(jù)圖回答下列問題。(1)EcoR是一種_酶，其識別序列是_，切割位點(diǎn)是_與_之間的_鍵。切割結(jié)果產(chǎn)生的DNA末端片段形式為_。(2)不同來源的DNA片段結(jié)合，在這里需要的酶是_連接酶，此酶的作用是在_和_之間形成_鍵而起縫合作用的。還有一種連接平末端的連接酶是_。答案(1)限制性核酸內(nèi)切GAATTC鳥嘌呤脫氧核苷酸腺嘌呤脫氧核苷酸磷酸二酯黏性末端(2)E·coliDNA鳥嘌呤脫氧核苷酸腺嘌呤脫氧核苷酸磷酸二酯T4DNA連接酶解析限制酶能識別特定的核苷酸序列(堿基序列)，并使兩個(gè)特定核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷裂，DNA連接酶的作用是將不同來源的DNA片段連接起來。方法鏈接與DNA分子有關(guān)的四種酶的作用部位圖解：(1)作用于a(磷酸二酯鍵)的酶：限制酶、DNA連接酶和DNA聚合酶。(2)作用于b(氫鍵)的酶：解旋酶。探究點(diǎn)二“分子運(yùn)輸車”載體載體的作用是作為運(yùn)載工具，將目的基因轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞中去，并在受體細(xì)胞內(nèi)大量復(fù)制。常用的載體有細(xì)菌的質(zhì)粒、病毒等。1質(zhì)粒來源于許多細(xì)菌和酵母菌等生物，是一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡單、獨(dú)立于細(xì)菌擬核DNA之外，并具有自我復(fù)制能力的很小的雙鏈環(huán)狀DNA分子。2作為載體的條件有：(1)載體DNA要攜帶目的基因，因此要求載體DNA必須有一個(gè)至多個(gè)限制酶切割位點(diǎn)。(2)目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞后要進(jìn)行DNA復(fù)制，因此要求攜帶目的基因的載體具有自我復(fù)制的特點(diǎn)或能整合到染色體DNA上，隨染色體DNA進(jìn)行同步復(fù)制。(3)目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞后要進(jìn)行鑒定和選擇，一般利用質(zhì)粒上特殊的標(biāo)記基因。(4)霍亂弧菌有強(qiáng)烈的致病性，也含有質(zhì)粒，但一般不用來做載體。因此，我們選擇的載體應(yīng)該對受體細(xì)胞無害。3常用載體種類質(zhì)粒、噬菌體的洐生物和滅活的動(dòng)植物病毒等。其中最常用的載體是質(zhì)粒。歸納提煉細(xì)胞膜上的載體與基因工程中的載體的區(qū)別(1)化學(xué)本質(zhì)不同：細(xì)胞膜上的載體化學(xué)成分是蛋白質(zhì)；基因工程中的載體可能是物質(zhì)，如質(zhì)粒(DNA)、噬菌體的衍生物，也可能是生物，如動(dòng)植物病毒等。(2)功能不同：細(xì)胞膜上的載體功能是協(xié)助細(xì)胞膜控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞；基因工程中的載體是一種“分子運(yùn)輸車”，把目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞?；顚W(xué)活用2限制酶Mun和限制酶EcoR的識別序列及切割位點(diǎn)分別是CAATTG和GAATTC。如圖表示四種質(zhì)粒和目的基因，其中，箭頭所指部位為限制酶的識別位點(diǎn)，質(zhì)粒的陰影部分表示標(biāo)記基因。適于作為圖示目的基因載體的質(zhì)粒是()問題導(dǎo)析(1)據(jù)圖可知，能識別此目的基因的兩端序列的是限制酶Mun和EcoRI。(2)質(zhì)粒B上無標(biāo)記基因，不適合作為載體；質(zhì)粒A和C都有上述限制酶的識別位點(diǎn)，但是C的切割位點(diǎn)在標(biāo)記基因上。答案A解析由圖可知，質(zhì)粒B上無標(biāo)記基因，不適合作為載體；質(zhì)粒C和D的標(biāo)記基因上都有限制酶的識別位點(diǎn)；只有質(zhì)粒A上既有標(biāo)記基因，且Mun的切割位點(diǎn)不在標(biāo)記基因上?；蚬こ痰幕竟ぞ呦拗菩院?酸內(nèi)切酶(分子手術(shù)刀)DNA連接酶(分子縫合針)載體(分子運(yùn)輸車)1下圖表示一項(xiàng)重要的生物技術(shù)，對圖中物質(zhì)a、b、c、d的描述，正確的是()A通常情況下，a與d需要用同一種限制酶進(jìn)行切割Bb能識別特定的核苷酸序列，并將A與T之間的氫鍵切開Cc連接雙鏈間的A和T，使黏性末端處堿基互補(bǔ)配對Db代表的是限制性核酸內(nèi)切酶，c代表的是RNA聚合酶答案A解析b是限制性核酸內(nèi)切酶，能識別特定的核苷酸序列并使DNA分子的每一條鏈中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開，而不是使氫鍵斷開；c是DNA連接酶，能連接兩個(gè)DNA片段。2關(guān)于限制酶識別序列和切開部位的特點(diǎn)，敘述錯(cuò)誤的是()A所識別的序列都可以找到一條中軸線B中軸線兩側(cè)的雙鏈DNA上的堿基是反向?qū)ΨQ重復(fù)排列C只識別和切割特定的核苷酸序列D在任何部位都能將DNA切開答案D解析一種限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列，并且能在特定的位點(diǎn)上切割DNA分子。3質(zhì)粒之所以能做基因工程的載體，是由于它()A含蛋白質(zhì)，從而能完成生命活動(dòng)B能夠自我復(fù)制，且能保持連續(xù)性C含RNA，能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成D具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，能夠攜帶目的基因答案B解析質(zhì)粒存在于細(xì)菌和酵母菌等微生物中，是一種很小的環(huán)狀DNA分子，其上有標(biāo)記基因，便于檢測。質(zhì)粒在受體細(xì)胞中，能隨受體細(xì)胞DNA的復(fù)制而復(fù)制，進(jìn)行目的基因的擴(kuò)增和表達(dá)。4通過DNA重組技術(shù)使原有基因得以改造的動(dòng)物稱為轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。運(yùn)用這一技術(shù)使羊奶中含有人體蛋白質(zhì)，下圖表示了這一技術(shù)的基本過程，在該工程中所用的基因“剪刀”能識別的序列和切點(diǎn)是GGATCC，請回答下列問題。(1)從羊染色體中“剪下”羊蛋白質(zhì)基因的酶是_。人體蛋白質(zhì)基因“插入”后連接在羊體細(xì)胞染色體中時(shí)需要的酶是_。(2)請畫出質(zhì)粒被切割形成黏性末端的過程圖。(3)人體蛋白質(zhì)基因之所以能“插入”到羊的染色體內(nèi)，原因是_，“插入”時(shí)用的工具是_，其種類有_。答案(1)限制酶DNA連接酶(2)(3)基因的組成、堿基配對方式和空間結(jié)構(gòu)是相同的載體質(zhì)粒、動(dòng)植物病毒、噬菌體的衍生物等解析基因工程所用的工具酶是限制酶和DNA連接酶，不同生物的基因之所以能整合在一起，是因?yàn)榛虻慕M成、堿基配對方式和空間結(jié)構(gòu)是相同的。將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞，離不開載體的協(xié)助，基因工程中常用的載體除質(zhì)粒外，還有動(dòng)植物病毒、噬菌體的衍生物等?；A(chǔ)過關(guān)知識點(diǎn)一基因工程的概念和工具酶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DNA分子進(jìn)行人工剪切C在生物體外對DNA分子進(jìn)行改造D創(chuàng)造符合人們需要的新生物類型和生物產(chǎn)品答案D解析A、B和C三項(xiàng)均為基因工程操作的具體內(nèi)容，但不是基因工程的目的。實(shí)施基因工程的最終目的是通過基因操作定向改造生物的遺傳物質(zhì)，創(chuàng)造符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。2下列關(guān)于限制酶的敘述中，錯(cuò)誤的是()A它能在特殊位點(diǎn)切割DNA分子B同一種限制酶切割不同的DNA產(chǎn)生的黏性末端能夠很好地進(jìn)行堿基配對C它能任意切割DNA，從而產(chǎn)生大量DNA片段D每一種限制酶只能識別特定的核苷酸序列答案C解析限制酶是基因工程的重要工具之一。每種限制酶只能識別特定的核苷酸序列，并在特定的位點(diǎn)上切割DNA分子。同一種限制酶切割不同的DNA產(chǎn)生的黏性末端能進(jìn)行互補(bǔ)配對。3下列有關(guān)限制酶的說法，正確的是()A限制酶主要是從真核生物中分離出來的B限制酶的識別序列只能由6個(gè)核苷酸組成C限制酶能識別雙鏈DNA分子的某種特定的核苷酸序列，并使每一條鏈中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開D限制酶切割產(chǎn)生的DNA片段末端都為黏性末端答案C解析限制酶主要存在于微生物中。一種限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列，并且能在特定的位點(diǎn)上切割DNA分子，切開后形成兩種末端黏性末端和平末端。少數(shù)限制酶的識別序列由4、5或8個(gè)核苷酸組成。4下列關(guān)于DNA連接酶的敘述，不正確的是()A催化相同黏性末端的DNA片段之間的連接B催化相同平末端的DNA片段之間的連接C催化兩個(gè)黏性末端互補(bǔ)堿基氫鍵的形成D催化DNA分子兩條鏈的脫氧核糖與磷酸之間磷酸二酯鍵的形成答案C解析氫鍵是分子間作用力，其斷裂和形成與DNA連接酶無關(guān)。5如圖，兩個(gè)核酸片段在適宜條件下，經(jīng)X酶的催化作用，發(fā)生下述變化，則此酶是()ADNA連接酶 BRNA聚合酶CDNA聚合酶 D限制酶答案A解析DNA連接酶可以將雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端連接起來。知識點(diǎn)二載體6作為基因工程中的“分子運(yùn)輸車”載體，應(yīng)具備的條件是()必須有一個(gè)至多個(gè)限制酶的切割位點(diǎn)，以便目的基因可以插入到載體上載體必須具備自我復(fù)制的能力，或整合到受體染色體DNA上隨染色體DNA的復(fù)制而同步復(fù)制必須帶有標(biāo)記基因，以便進(jìn)行重組后的篩選必須是安全的，不會(huì)對受體細(xì)胞有害，或不能進(jìn)入到除受體細(xì)胞外的其他生物細(xì)胞中去大小應(yīng)合適，太大則不易操作A BC D答案D解析基因操作中要使載體攜帶目的基因，其上必須有一個(gè)至多個(gè)限制酶的切割位點(diǎn)，以便目的基因可以插入到載體上；載體必須具備自我復(fù)制的能力，或整合到受體染色體DNA上隨染色體DNA的復(fù)制而同步復(fù)制；必須帶有標(biāo)記基因，以便進(jìn)行重組后的篩選；必須是安全的；大小應(yīng)合適，太大則不易操作。7下列哪項(xiàng)不是基因工程中經(jīng)常使用的載體()A細(xì)菌質(zhì)粒 B噬菌體的衍生物C動(dòng)植物病毒 D細(xì)菌擬核區(qū)的DNA答案D解析細(xì)菌擬核內(nèi)的DNA分子不具備載體的基本條件，不能用于基因工程。8下列有關(guān)細(xì)菌質(zhì)粒的敘述，正確的是()A質(zhì)粒是存在于細(xì)菌細(xì)胞中的一種顆粒狀的細(xì)胞器B質(zhì)粒是細(xì)菌細(xì)胞中能自主復(fù)制的小型環(huán)狀DNA分子C質(zhì)粒只有在侵入宿主細(xì)胞后在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制D細(xì)菌質(zhì)粒的復(fù)制過程一定是在宿主細(xì)胞外獨(dú)立進(jìn)行的答案B解析質(zhì)粒是細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)中能自主復(fù)制的小型環(huán)狀DNA分子，可以在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)或宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制。能力提升9下列對基因工程的理解，正確的是()它是一種按照人們的意愿，定向改造生物遺傳特性的工程對基因進(jìn)行人為改造是體外進(jìn)行的人為的基因重組在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，利用相關(guān)的酶和原料合成DNA主要技術(shù)為體外DNA重組技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)在DNA分子水平進(jìn)行操作一旦成功，便可遺傳A BC D答案D解析基因工程可以對生物的基因進(jìn)行改造和重新組合，然后導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行無性繁殖，使重組基因在受體細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，產(chǎn)生出人類所需要的基因產(chǎn)物，而不是對基因進(jìn)行人為改造。10基因工程在操作過程中需要限制酶、DNA連接酶、載體三種工具。以下有關(guān)基本工具的敘述，正確的是()A所有限制酶的識別序列均由6個(gè)核苷酸組成B所有DNA連接酶均能連接黏性末端和平末端C真正被用作載體的質(zhì)粒都是天然質(zhì)粒D原核生物內(nèi)的限制酶可切割入侵的DNA分子而保護(hù)自身答案D解析大多數(shù)限制酶的識別序列由6個(gè)核苷酸組成，也有少數(shù)限制酶的識別序列由4、5或8個(gè)核苷酸組成；DNA連接酶包括E·coliDNA連接酶和T4DNA連接酶，前者只能將雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端連接起來；在基因工程操作中真正被用作載體的質(zhì)粒，都是在天然質(zhì)粒的基礎(chǔ)上進(jìn)行過人工改造的。11現(xiàn)有一長度為1 000堿基對(bp)的DNA分子，用限制性核酸內(nèi)切酶EcoR 單獨(dú)酶切后得到的DNA分子仍是1 000 bp，用Kpn 單獨(dú)酶切得到400 bp和600 bp兩種長度的DNA分子，用EcoR、Kpn同時(shí)酶切后得到200 bp和600 bp兩種長度的DNA分子。該DNA分子的酶切圖譜正確的是()答案D解析由題干條件可知用EcoR酶切后，并不能將DNA分為兩段，故可判斷為環(huán)狀DNA，再根據(jù)“用EcoR、Kpn同時(shí)酶切后得到200 bp和600 bp兩種長度的DNA分子”可得到答案D。12下列黏性末端是由同一種限制酶切割而成的是()TCGGACTTAAACTGTCCAAATTCGAGCTTCAGA B C D答案B解析只有和兩個(gè)黏性末端的堿基是互補(bǔ)的，可以說明一般情況下是由同一種限制酶切開。13基因工程中，需要使用限制酶切割目的基因和質(zhì)粒，便于重組和篩選。已知限制酶的識別序列和切點(diǎn)是GGATCC，限制酶的識別序列和切點(diǎn)是GATC。(1)根據(jù)已知條件和圖回答下列問題：上述質(zhì)粒用限制酶_切割，目的基因用限制酶_切割。將切下的目的基因片段插入質(zhì)粒的切口處，還要加入適量的_。請指出質(zhì)粒上至少要有一個(gè)標(biāo)記基因的理由：_。(2)不同生物的基因可以拼接的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是_。答案(1)DNA連接酶檢測重組質(zhì)粒(或目的基因)是否導(dǎo)入受體細(xì)胞(2)DNA結(jié)構(gòu)基本相同(其他合理答案均可)解析要形成重組質(zhì)粒，質(zhì)粒只能出現(xiàn)一個(gè)切口，并且至少保留一個(gè)標(biāo)記基因，因序列在Gene上，因此用限制酶切割質(zhì)粒，保留Gene標(biāo)記基因；目的基因必須切割兩次，切割后產(chǎn)生的黏性末端能與質(zhì)粒的黏性末端互補(bǔ)，序列中有酶的切割序列，因此用酶，產(chǎn)生的末端互補(bǔ)。14下圖表示兩種限制性核酸內(nèi)切酶識別DNA分子特定序列，并在特定位點(diǎn)對DNA進(jìn)行切割的示意圖，請回答以下問題：甲：5TCGAATTC3AGCTTAAG TCGAATTCAGCTTAAG乙：5GTTAAC3CAATTG GTTAACCAATTG(1)圖中甲和乙代表_。(2)EcoR、Hpa代表_。(3)圖中甲和乙經(jīng)過相應(yīng)操作均形成兩個(gè)片段，切口的類型分別為_、_。(4)由圖解可以看出，限制酶的作用特點(diǎn)是_。答案(1)有特殊脫氧核苷酸序列的DNA片段(2)兩種不同的限制酶(3)黏性末端平末端(4)每種限制酶都能識別特定的脫氧核苷酸序列并從特定的位點(diǎn)將DNA分子切開解析從圖解可以看出，甲和乙代表的是不同的DNA片段，在相應(yīng)的限制酶(EcoR、Hpa)的作用下，在特定的位點(diǎn)被剪切成兩部分。前者是在識別序列的中心軸線兩側(cè)分別切開，形成的末端是黏性末端；后者是在識別序列的中心軸線處切開，則產(chǎn)生平末端。EcoR能將甲片段以圖中方式剪切成兩部分，但不能將乙片段剪切成兩部分，說明每種限制酶的識別序列和切點(diǎn)具有高度的專一性。個(gè)性拓展15根據(jù)模擬制作重組DNA分子的活動(dòng)，甲DNA分子、乙DNA分子被EcoR酶(識別序列為GAATTC，并在G與A之間切開)切后，即可獲得所需的目的基因和質(zhì)粒，回答以下問題：(1)綠色硬紙板(甲DNA分子)的堿基序列為：ATAGCATGCTATCCATGAATTCGGCATACTATCGTACGATAGGTACTTAAGCCGTATG紅色硬紙板(乙DNA分子)的堿基序列為：TCCTAGAATTCTCGGTATGAATTCCATACAGGATCTTAAGAGCCATACTTAAGGTATG其中，_DNA分子含有“目的基因”，_DNA分子是“質(zhì)粒”。(2)用“剪刀”進(jìn)行切割。酶切割位點(diǎn)在_(“a處”還是“b處”)，請用“”在甲、乙兩DNA分子上標(biāo)出EcoR酶的作用位點(diǎn)。(3)你模擬插入的DNA片段能稱得上一個(gè)基因嗎？_。答案(1)乙甲(2)a處綠色硬紙板(甲DNA分子)的堿基序列為：ATAGCATGCTATCCATGAATTCGGCATACTATCGTACGATAGGTACTTAAGCCGTATG紅色硬紙板(乙DNA分子)的堿基序列為：TCCTAGAATTCTCGGTATGAATTCCATACAGGATCTTAAGAGCCATACTTAAGGTATG(3)不能13