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基因工程的基本操作程序 1. 教學目標 1 知識目標 嘗試分析某一轉基因生物的研制過程及基本操作程序 2 能力目標 通過讓學生了解世界最前沿技術,追蹤社會熱點,提高學生收集處理信息能力,提高學生語言表達能力和信息交流能力,培養(yǎng)學生的獨立動手能力和合作態(tài)度。 3 情感態(tài)度與價值觀 ⑴通過對基因工程原理及基本操作程序的理解,掌握理論聯(lián)系實際的樸實觀念以及對當今世界的前沿技術有更深刻的了解。 ⑵通過對四步基本操作程序的具體操作技術的學習,增強學生愛科學,學科學的情感和建設祖國的社會責任感,并且建立起知識創(chuàng)造價值,知識為人類服務,使人類生活質量更好的美好愿望。 2. 教學重點/難點 1 教學重點 基因工程基本操作程序的四個步驟 2 教學難點 ⑴從基因文庫中獲取目的基因 ⑵利用PCR技術擴增目的基因 3. 教學用具 4. 標簽 教學過程 師:通過分析圖1-6我們知道基因工程的基本操作程序包括目的基因獲取、基因表達載體的構建、將目的基因導入受體、目的基因檢測與鑒定。 師:基因工程概念中的“更符合人們需要”的那個基因就是目的基因了,只有有了目的基因,我們才能賦予一種生物以另一種生物的遺傳特性,所以基因工程的基本操作的第一個環(huán)節(jié)就是目的基因的獲取。到底什么是目的基因呢? 師:目的基因主要是指編碼蛋白質的結構基因,如抗蟲基因,抗旱基因。 師:怎樣才能獲得這些目的基因呢?獲取目的基因的方法有哪些呢? 學生閱讀書本討論. 師生歸納:(一)可從基因文庫中獲取目的基因。 師:通過討論分析我們已知什么是基因文庫了,那么基因文庫和基因組文庫有什么區(qū)別呢?可結合P10生物技術資料卡討論分析。 生:若一個基因文庫中包含了一種生物所有的基因,那么這種基因文庫就叫做基因組文庫,若只包含了一種生物的一部分基因就叫做部分基因文庫。 師:怎樣從基因文庫中得到我們所要的目的基因呢? 師、生:可根據(jù)目的基因的有關信息來獲取目的基因,如根據(jù)基因的核苷酸序列,基因在染色體上的位置等特性來獲取目的基因。 師:除了從基因文庫中獲取目的基因,還可以利用PCR技術擴增目的基因。 師:PCR是聚合酶鏈式反應的縮寫,是一項在生物體外復制特定DNA片段的核酸合成技術。 師:同學們要認真觀察多媒體演示過程并結合書本,學會描述擴增的過程以及PCR的原理。 生:目的基因DNA受熱(加熱至90—950C)變性后解鏈為單鏈,然后在DNA聚合酶作用下延伸,如此重復循環(huán)。 師:PCR的原理是什么呢? 生:利用DNA雙鏈復制的原理,將基因的核苷酸序列不斷加以復制,使其數(shù)量呈指數(shù)方式增長。 師: PCR擴增過程所需前提的條件是什么?(教學過程中可先引導學生復習DNA復制的過程) 生歸納:需要引物和已知的一段目的基因的核苷酸序列。 師生共同歸納:PCR技術擴增目的基因過程: 目的基因DNA加熱至90—950C變性形成單鏈DNA——溫度降低至55—600C引物與互補DNA鏈結合——適當升溫至70—750C,在DNA聚合酶作用下從引物起始進行互補鏈的合成。 若基因比較小,核苷酸序列又已知,可通過DNA合成儀用化學方法直接人工合成。 師:作為基因工程表達載體,只需含目的基因就可以完成任務嗎?為什么要有“表達載體”的構建這一步驟? 生:可使目的基因在受體細胞中穩(wěn)定存在,并且可以遺傳給下一代,同時使目的基因能夠表達和發(fā)揮作用。 師:一個基因表達載體有哪些結構組成的呢? 師生共同歸納:基因表達載體的組成包括目的基因、啟動子、終止子以及標記基因等。 師:什么是啟動子、終止子?它們的作用是什么呢? 生:啟動子是一段有特殊結構的DNA片段,位于基因的首端,它是RNA聚合酶識別和結合的部位,有了它才能驅動基因,轉錄出mRNA最終獲得所需要的蛋白質。終止子也是一段有特殊結構的DNA片段,位于基因的尾端。 師:標記基因的作用是什么呢? 生:鑒別受體細胞中是否含有目的基因從而把含目的基因細胞篩選出來。 師:基因表達載體構建完成后,如何將目的基因導入受體細胞呢? 師:根據(jù)受體細胞的不同,導入的方法也有所不同,將目的基因導入植物細胞采用最多的方法是農(nóng)桿菌轉化法。下面以農(nóng)桿菌轉化法為例。 師:農(nóng)桿菌有什么樣的特點,使其可以幫助目的基因進入受體細胞的呢? 生討論歸納:農(nóng)桿菌能在自然條件下感染雙子葉植物和裸子植物,當植物受到損傷時,傷口處的細胞會分泌大量的酚類化合物,吸引農(nóng)桿菌移向細胞。這時農(nóng)桿菌中的Ti質粒上的T-DNA可轉移至受體細胞,并整合到受體細胞的染色體的DNA上。 師:根據(jù)農(nóng)桿菌的這個特點,請同學們結合多媒體或掛圖,嘗試著描述農(nóng)桿菌轉化法的導入過程。 師生共同歸納農(nóng)桿菌轉化的過程:目的基因插入Ti質粒的T-DNA,構建基因 師:除了上述方法,將目的基因導入受體細胞的方法還有基因槍法和花粉管通道法。 師:若受體細胞是動物細胞,目的基因如何導入呢? 師:顯微注射技術是轉基因動物中最多采用的方法,也是最為有效的一種方法。 師:具體過程如何呢? 生:提純含目的基因的表達載體—→從動物提內取出卵—→采用顯微注射儀進行顯微注射—→再將注射了目的基因的受精卵移植到動物子宮內。 師:由于原核生物具有:繁殖快、多為單細胞、遺傳物質相對較少的特點,因此常作為基因工程的受體細胞。 師:什么是感受態(tài)細胞呢?目的基因導入微生物細胞的具體過程是什么? 生:感受態(tài)細胞是用Ca2+處理細胞后,細胞處于一種能吸收周圍環(huán)境中DNA分子的生理狀態(tài)。 生:將感受態(tài)細胞與溶有基因表達的載體的緩沖液混合,并提供適宜的溫度就能使目的基因進入細胞了。 師生歸納:目的基因導入微生物的過程:用Ca2+處理細胞—→成為感受態(tài)細胞—→表達載體與感受態(tài)細胞混合—→定溫度條件感受態(tài)細胞吸收DNA分子,這樣目的基因進入細胞了。 師:目的基因導入受體細胞后,是否可以穩(wěn)定維持和表達其遺傳特性,只有通過檢測與鑒定才知道。如何來檢測與鑒定呢? 師:首先要檢測基因生物染色體的DNA是否插入了目的基因。 師:如何檢測轉基因生物的DNA上是否導入了目的基因呢? 師:通常采用的方法是采用DNA分子雜交技術。具體過程是將轉基因生物的基因組DNA提取出來,并將含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素做上標記制作探針,(為了保證目的基因通過堿基互補配對來檢測,探針必須是單鏈)再將探針與基因組DNA雜交,若結果顯示出DNA雜交帶,就表明目的基因已經(jīng)插入染色體DNA。 師:目的基因導入了受體細胞后,就一定能表達嗎? 師:如何知道目的基因已經(jīng)發(fā)揮功能和作用呢? 師:可通過檢測是否轉錄出了mRNA,檢測方法還可采用分子雜交技術,與上述方法的不同之處:這里的分子雜交是標記的目的基因探針與從轉基因生物中提取出來的mRNA雜交,若結果顯示出有雜交帶,則表明目的基因轉錄出了mRNA。 師:檢測的內容除了上述兩項外,還可檢測目的基因是否翻譯成蛋白質。具體過程:從轉基因生物中提取出蛋白質(抗原),用相應的抗體進行抗原抗體雜交,若有雜交帶出現(xiàn)則表明目的基因已經(jīng)形成蛋白質產(chǎn)物。 師:除了分子檢測外,與時還需要進行個體生物學水平的鑒定。 如何了解抗蟲棉是否具有抗蟲特性呢? 生:可讓蟲食用棉花,觀察其存活情況。 師:對。一個抗蟲或抗病基因導入植物細胞后,是否賦予了植物抗蟲或抗病特性,需要作抗蟲或抗病特性的接種實驗,以確定是否具有抗性以及抗性的程度。 師、生歸納小結:基因工程的四個操作步驟,結合P15思考與探究:β—珠蛋白是動物血紅蛋白的重要組成成分,當它的成分異常時,動物可能患某種疾病,如鐮刀型細胞貧血癥,假如讓你用基因工程的方法使大腸桿菌生產(chǎn)出鼠的β—珠蛋白,想一想,應該如何設計?