（浙江專版）2017-2018學年高中生物 第一章 第一節(jié) 工具酶的發(fā)現(xiàn)和基因工程的誕生教學案 浙科版選修3

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1、第一節(jié) 工具酶的發(fā)現(xiàn)和基因工程的誕生 1.遺傳工程泛指把一種生物的遺傳物質移到另一種生物的細胞中，并使這種遺傳物質所帶的遺傳信息在受體細胞中表達。 2．基因工程的核心是構建重組DNA分子(基因表達載體的構建)，基因工程的基本原理是基因重組。 3．基因工程的技術保障是限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶和質粒載體的發(fā)現(xiàn)與應用。 4．限制性核酸內(nèi)切酶是能夠識別和切割DNA分子內(nèi)一小段特殊核苷酸序列的酶。 5．DNA連接酶是將具有末端堿基互補的2個DNA片段連接在一起，形成重組DNA分子的酶。 6．質粒是基因工程的載體，可將外源基因送入宿主細胞。 一、工具酶的發(fā)現(xiàn)和基因工

2、程的誕生 1．基因工程概念：把一種生物的遺傳物質(細胞核、染色體脫氧核糖核酸等)移到另外一種生物的細胞中去，并使這種遺傳物質所帶的遺傳信息在受體細胞中表達。 2．基因工程的核心：構建重組DNA分子(基因表達載體的構建)。 3．基因工程的主要理論基礎 (1)DNA是生物遺傳物質的發(fā)現(xiàn)。 (2)DNA雙螺旋結構的確立。 (3)遺傳信息傳遞方式的認定。 4．基因工程的技術保障：限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶和質粒載體的發(fā)現(xiàn)與應用。 二、基因工程的工具 1．限制性核酸內(nèi)切酶(又稱限制酶) (1)概念：是能夠識別和切割DNA分子內(nèi)一小段特殊核苷酸序列的酶。 (2)來源：主要來自原核

3、生物。 (3)功能：能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開。 (4)結果：產(chǎn)生粘性末端或平末端。 2．DNA連接酶 (1)概念：是將具有末端堿基互補的2個DNA片段連接在一起，形成重組DNA分子的酶。 (2)作用：縫合DNA片段，在基因工程中，可以將外源基因和載體DNA連接在一起。 (3)作用實質：形成核苷酸之間的磷酸二酯鍵。 3．目的基因的載體——質粒 (1)概念：是能夠自主復制的雙鏈環(huán)狀DNA分子。 (2)作用：質粒是基因工程中的載體，將外源基因送入受體細胞中。 (3)最常用的質粒是大腸桿菌的質粒。 (4)結

4、構特點：雙鏈環(huán)狀DNA分子，常含有抗生素抗性基因。 (5)存在位置：在細菌中獨立于擬核之外。 1．基因工程是一種新興的生物技術，實施該工程的最終目的是(　　) A．提取生物體的DNA分子 B．定向對DNA分子進行人工“剪切” C．在生物體外對DNA分子進行改造 D．定向改造生物的遺傳性狀 解析：選D　基因工程也稱重組DNA技術，它是按照人類的意愿，將某種基因有計劃地轉移到另一種生物中去的新技術，故實施基因工程的最終目的是定向改造生物的遺傳性狀。 2．在基因工程中使用的限制性核酸內(nèi)切酶，其作用是(　　) A．將目的基因從染色體上切割出來 B．識別并切割雙鏈DNA的特定核苷

5、酸序列 C．將目的基因與載體結合 D．將目的基因導入受體細胞 解析：選B　限制酶在基因工程中的作用是識別雙鏈DNA分子中特定的核苷酸序列，并在特定位點切割磷酸二酯鍵，產(chǎn)生末端。它沒有拼接和導入功能。 3．下列關于DNA連接酶的敘述，正確的是(　　) A．DNA連接酶連接的是兩條鏈堿基對之間的氫鍵 B．DNA連接酶連接的是末端兩條鏈主鏈上的磷酸和脫氧核糖 C．DNA連接酶連接的是末端兩條鏈主鏈上的磷酸和核糖 D．同一種DNA連接酶可以切出不同的粘性末端 解析：選B　堿基對之間的氫鍵靠堿基互補配對很容易連接。DNA分子的主鏈是由脫氧核糖與磷酸連接起來的，這兩個分子連接起來需要DN

6、A連接酶的參與。 4．下列通常不被用作基因工程載體的是(　　) A．細菌質粒　　　　　 B．λ噬菌體 C．動植物病毒 D．細菌核區(qū)的DNA 解析：選D　常用的載體有：質粒、λ噬菌體、動植物病毒等。細菌的核區(qū)由一個大型的環(huán)狀DNA分子經(jīng)反復折疊纏繞而成，它控制著細菌的主要性狀，一般不能用作基因工程的載體。 1．限制性核酸內(nèi)切酶 (1)作用：能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開。如：某種限制性核酸內(nèi)切酶能識別GAATTC序列，并在G和A之間切斷DNA，其作用示意圖如下： (2)作用特點：具有專一性，

7、表現(xiàn)在以下兩個方面。 ①能夠識別雙鏈DNA分子中特殊的核苷酸序列。 ②能夠切割特定序列中的特定位點。 (3)作用產(chǎn)物：粘性末端或平末端。 ①粘性末端：是限制性核酸內(nèi)切酶在它識別序列的中心軸線兩側將DNA的兩條鏈分別切開時形成的，如圖所示： ②平末端：是限制性核酸內(nèi)切酶在它識別序列的中軸線處將DNA的兩條鏈分別切開時形成的，如圖所示： 2．DNA連接酶與限制性核酸內(nèi)切酶的關系 (1)區(qū)別： 作用 應用 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 用于目的基因和載體的連接

8、 (2)兩者的關系可表示為： 3．DNA連接酶與DNA聚合酶的比較 比較項目 DNA連接酶 DNA聚合酶 相同點 作用實質相同，都是催化磷酸二酯鍵的形成 不同點 是否需要模板 不需要 需要 接DNA鏈 雙鏈 單鏈 作用過程 在兩個DNA片段間形成磷酸二酯鍵 將單個核苷酸加到已存在的DNA單鏈片段上，形成磷酸二酯鍵 作用結果 將已存在的DNA片段連接 合成新的DNA分子 用途 基因工程 DNA復制 [題組沖關] 1．下列關于幾種酶作用的敘述，錯誤的是(　　) A．DNA連接酶是將具有末端堿基互補的2個DNA片段連接在一起 B．RNA聚合

9、酶能與基因的特定位點結合，催化遺傳信息的轉錄 C．一種限制酶能識別多種核苷酸序列，并切割出多種目的基因 D．DNA聚合酶能把單個脫氧核苷酸分子連接成一條DNA單鏈 解析：選C　限制酶具有專一性，一種限制酶一般只能識別一種核苷酸序列，并在特定位點切割DNA分子。DNA連接酶是將具有末端堿基互補的2個DNA片段連接在一起，重新形成DNA分子；RNA聚合酶能與基因的特定位點結合，催化遺傳信息的轉錄；DNA聚合酶能以DNA的一條鏈為模板，把單個脫氧核苷酸分子連接成一條DNA單鏈，復制形成新的DNA分子。 2．關于下圖所示粘性末端的敘述，正確的是(　　) A．①與③是由相同限制

10、酶切割產(chǎn)生的 B．DNA連接酶可催化①與③的連接 C．經(jīng)酶切形成④需要脫去2分子水 D．DNA連接酶與DNA聚合酶均能作用于上述粘性末端 解析：選B　圖中四種不同的序列是由不同的限制酶切割后形成的DNA片段，同種限制酶切割DNA后能形成相同的粘性末端。DNA連接酶可連接具有相同粘性末端的DNA片段，DNA聚合酶不能作用于粘性末端。限制酶切割DNA形成④需要消耗2分子水。 [方法規(guī)律] 粘性末端或平末端是否由同一種限制酶切割形成的判斷方法 判斷粘性末端或平末端是否由同一種限制酶切割形成的方法是：粘性末端或平末端之一旋轉180°后，看它們是否是完全相同的結構。是，則為相同限制酶切

11、割形成；否，則為不同限制酶切割形成。 ————————————————————————————————————— ————————————————————————————————————— 1．種類 (1)常用載體：質粒，獨立于細菌擬核DNA之外，具有自我復制能力的雙鏈環(huán)狀DNA分子。 (2)其他載體：λ噬菌體、動植物病毒等。 2．具備條件 (1)能自我復制：能夠在受體細胞中進行自我復制，或整合到染色體DNA上，隨染色體DNA進行同步復制。 (2)有切割位點：有一個至多個限制酶切割位點，供外源基因插入。 (3)具有標記基因：具有抗生素抗性基因，

12、供重組DNA的鑒定和選擇。 3．作用 (1)用它作為運輸工具，將目的基因送入受體細胞中。 (2)利用它在受體細胞內(nèi)對目的基因進行大量復制。 [特別提醒]　細胞膜上的載體與基因工程中的載體不同 (1)化學本質不同：細胞膜上的載體化學成分是蛋白質；基因工程中的載體可能是物質，如質粒(DNA)、λ噬菌體的衍生物，也可能是生物，如動植物病毒等。 (2)功能不同：細胞膜上的載體功能是協(xié)助細胞膜控制物質進出細胞；基因工程中的載體是一種“分子運輸車”，把目的基因導入受體細胞。 [題組沖關] 3．下列不屬于質?？勺鳛榛蜉d體理由的是(　　) A．能復制　　　　　　　　 B．有多個限制酶切

13、點 C．具有標記基因 D．它是環(huán)狀DNA 解析：選D　作為載體必須具備的條件：①能在宿主細胞中穩(wěn)定保存并大量復制；②有一個至多個限制酶切點；③有標記基因，便于篩選。 4．下列關于載體的敘述，錯誤的是(　　) A．載體與目的基因結合后，實質上就是一個重組DNA分子 B．對某種限制性核酸內(nèi)切酶而言，載體最好只有一個切點 C．目前常用的載體有質粒、λ噬菌體和動植物病毒 D．載體具有某些標記基因，便于對其進行切割 解析：選D　載體中的標記基因是用于外源基因是否導入進行檢測的，而不是用于切割的。 [隨堂基礎鞏固] 1．下列有關基因工程中限制性核酸內(nèi)切酶的描述，錯誤的是

14、(　　) A．一種限制性核酸內(nèi)切酶只能識別一種特定的脫氧核苷酸序列 B．限制性核酸內(nèi)切酶的活性受溫度影響 C．限制性核酸內(nèi)切酶能識別和切割RNA D．限制性核酸內(nèi)切酶可從原核生物中提取 解析：選C　限制性核酸內(nèi)切酶能識別和切割DNA，而不是RNA。 2．下列關于質粒的敘述，正確的是(　　) A．質粒是廣泛存在于細菌細胞中的一種顆粒狀細胞器 B．質粒是細菌細胞質中能自主復制的小型環(huán)狀雙鏈DNA分子 C．質粒只有在侵入宿主細胞后在宿主細胞內(nèi)復制 D．細菌質粒的復制過程一定是在宿主細胞外獨立進行的 解析：選B　質粒是存在于細菌細胞中能夠自我復制的小型環(huán)狀的DNA，質粒的復制過程

15、在宿主細胞內(nèi)或宿主細胞外都可進行。 3．下列四條DNA片段，可能是由同一種限制酶切割而成的是(　　) A．①②　　　　　　　　 B．②③ C．③④ D．②④ 解析：選D　只有②和④的粘性末端的堿基都是互補的，它們可能是由同一種限制酶切割而成的。 4．如圖為大腸桿菌及質粒載體的結構模式圖，據(jù)圖回答下列問題： (1)a代表的物質和質粒的化學本質相同，都是____，二者還具有其他共同點，如：(寫出兩條即可)。 ①__________________________________________________________________， ②____________

16、______________________________________________________。 (2)若質粒DNA分子的切割末端為，則與之連接的目的基因切割末端應為__________________；可使用________________把質粒和目的基因連接在一起。 (3)氨芐青霉素抗性基因在質粒DNA上稱為______________，其作用是_______________ ________________________________________________________________________。 (4)下列常在基因工程中作為載體的是(　　)

17、 A．蘇云金芽孢桿菌抗蟲基因 B．土壤農(nóng)桿菌環(huán)狀RNA分子 C．大腸桿菌的質粒 D．動物細胞的染色體 解析：圖中a為大腸桿菌擬核中的遺傳物質DNA。質粒是能自我復制的小型環(huán)狀DNA分子，具有一個至多個限制酶切點，便于連接目的基因；具有標記基因，便于檢測目的基因是否導入受體細胞。DNA連接酶可將具有相同末端的質粒和目的基因連接起來。大腸桿菌的質粒是基因工程中最常用的載體，載體的本質為DNA，抗蟲基因屬于目的基因，不屬于載體，染色體的主要成分為DNA和蛋白質，不屬于載體。 答案：(1)DNA?、倌軌蜃晕覐椭啤、诰哂羞z傳效應 (2) DNA連接酶 (3)標記基因　供重組DNA的鑒定和

18、篩選　(4)C [課時跟蹤檢測] 1．下列關于限制性核酸內(nèi)切酶的敘述，錯誤的是(　　) A．它能在特殊位點切割DNA分子 B．同一種限制性核酸內(nèi)切酶切割不同的DNA產(chǎn)生的粘性末端能夠很好地進行堿基互補配對 C．它能任意切割DNA，從而產(chǎn)生大量的DNA片段 D．每一種限制性核酸內(nèi)切酶只能識別特定的核苷酸序列 解析：選C　限制性核酸內(nèi)切酶是基因工程的重要工具之一；每種限制性核酸內(nèi)切酶只能識別特定的核苷酸序列，并在特定的位點切割DNA分子；同一種限制性核酸內(nèi)切酶切割不同的DNA產(chǎn)生的粘性末端堿基序列能夠互補配對。 2．如圖，兩個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

19、，則此酶是(　　) A．DNA連接酶 B．RNA聚合酶 C．DNA聚合酶 D．限制性核酸內(nèi)切酶 解析：選A　DNA連接酶的作用是將兩個粘性末端的磷酸基和脫氧核糖連接在一起；RNA聚合酶是在RNA復制或轉錄過程中，把核糖核苷酸連接在一起；DNA聚合酶是在DNA復制過程中催化脫氧核苷酸的聚合反應；限制性核酸內(nèi)切酶是在獲取目的基因時識別特定的堿基序列，切出粘性末端或平末端。圖示為將兩個具有相同粘性末端的DNA片段連接在一起，因此是DNA連接酶。 3．據(jù)圖判斷，有關對幾種酶功能的敘述錯誤的是(　　) A．限制性核酸內(nèi)切酶可以切斷a處 B．DNA聚合酶可以連接a處 C．解旋

20、酶可以使b處解開 D．DNA連接酶可以連接c處 解析：選D　a處指的是兩個相鄰脫氧核苷酸之間的脫氧核糖與磷酸之間形成的磷酸二酯鍵，而c處指的是一個脫氧核苷酸內(nèi)的脫氧核糖和磷酸之間的化學鍵，DNA連接酶不能連接此化學鍵。 4．對下圖所示粘性末端的相關說法錯誤的是(　　) A．甲、乙、丙粘性末端是由不同的限制性核酸內(nèi)切酶催化產(chǎn)生的 B．甲、乙具相同的粘性末端，可形成重組DNA分子，但甲、丙之間不能 C．DNA連接酶作用位點在b處，催化磷酸基團和脫氧核糖之間形成化學鍵 D．切割甲的限制性核酸內(nèi)切酶不能識別由甲、乙片段形成的重組DNA分子 解析：選C　甲圖表示在G和A之間進行剪切，

21、乙圖表示在C和A之間進行剪切，丙圖表示在C和T之間進行剪切，因此三者需要不同的限制性核酸內(nèi)切酶進行剪切；甲和乙的粘性末端相同，能夠通過堿基互補配對形成重組DNA分子，但甲和丙不行；DNA連接酶作用的位點是磷酸二酯鍵，乙圖中的a和b分別表示磷酸二酯鍵和氫鍵；甲和乙形成的重組DNA分子相應位置的DNA堿基序列為，而甲圖表示在G和A之間切割，所以該重組序列不能被切割甲的限制性核酸內(nèi)切酶識別。 5．通過重組DNA技術使原有基因得以改造的動物稱為轉基因動物?？茖W家運用這一技術使羊奶中含有人體蛋白質。下圖表示這一技術的基本過程，在該工程中所用的基因“剪刀”能識別的序列和切點是—G↓GATCC—，請回答：

22、 (1)從羊染色體中“剪下”羊蛋白質基因的酶是________________。人的蛋白質基因“插入”后連接在羊體細胞染色體中時需要的酶是______________。 (2)請畫出質粒被切割形成粘性末端的過程圖。 (3)人的蛋白質基因之所以能“插入”到羊的染色體內(nèi)，原因是________________，“插入”時用的工具是________，其種類有________________________________________________________________。 解析：限制性核酸內(nèi)切酶的作用是獲得目的基因，DNA連接酶起“縫合”作用，載體能把目的基因導入受體細

23、胞。載體的種類主要有質粒、動植物病毒及λ噬菌體。 答案：(1)限制性核酸內(nèi)切酶　DNA連接酶 (2)→ (3)基因的結構是相同的　載體　質粒、動植物病毒及λ噬菌體 6．基因工程中，需使用限制性核酸內(nèi)切酶切割目的基因和質粒，便于重組和篩選。已知限制性核酸內(nèi)切酶Ⅰ的識別序列和切點是—G↓GATCC—，限制性核酸內(nèi)切酶Ⅱ的識別序列和切點是—↓GATC—。 (1)根據(jù)已知條件和下圖中信息回答： ①上述質粒用限制性核酸內(nèi)切酶________切割，目的基因用限制性核酸內(nèi)切酶________切割。 ②將切下的目的基因片段插入質粒的切口處，還要加入適量的________________。

24、 ③請指出質粒上至少要有一個標記基因(抗生素抗性基因)的理由________________ ________________________________________________________________________。 (2)不同生物的基因可以拼接的結構基礎是________________________________。 解析：(1)兩個DNA片段能否連接關鍵是看所形成的粘性末端是否相同。用同一種限制性核酸內(nèi)切酶切割肯定露出相同的粘性末端。在這里限制性核酸內(nèi)切酶Ⅰ、Ⅱ雖是兩種不同的限制性核酸內(nèi)切酶，但是它們切割產(chǎn)生的粘性末端相同，因而也可以用DNA連接酶將其連

25、接起來。(2)不同基因拼接成功的基礎是DNA的空間結構和基本組成單位相同。 答案：(1)①Ⅰ?、?或Ⅰ和Ⅱ)?、贒NA連接酶 ③檢測重組質粒(或目的基因)是否導入受體細胞 (2)DNA結構基本相同和基本組成單位相同 7．下表中列出了幾種限制酶識別序列及其切割位點，圖1、圖2中箭頭表示相關限制酶的酶切位點，請回答下列問題： (1)一個圖1所示的質粒分子經(jīng)SmaⅠ切割前后，分別含有________、________個游離的磷酸基團。 (2)若對圖中質粒進行改造，插入的SmaⅠ酶切位點越多，質粒的熱穩(wěn)定性越________。 (3)要用圖1中的質粒和圖2中外源DNA構建重組質粒

26、，不能使用SmaⅠ切割，原因是________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________。 (4)與只使用EcoRⅠ相比較，使用BamHⅠ和HindⅢ兩種限制酶同時處理質粒、外源DNA的優(yōu)點在于可以防止______________________________________________________。 (5)為了獲取重組質粒

27、，將切割后的質粒與目的基因片段混合，并加入______________酶。 解析：(1)質粒被切割前為環(huán)狀DNA分子，所有磷酸基團均參與形成磷酸二酯鍵，故不含游離的磷酸基團。從圖1可以看出質粒上只含有一個SmaⅠ的切割位點，因此質粒變成線性DNA分子，含2個游離的磷酸基團。(2)由題目可知SmaⅠ識別的DNA序列只有G和C，而G和C之間形成3個氫鍵，所以插入的SmaⅠ酶切位點越多，質粒的熱穩(wěn)定性越高。(3)質粒中的抗生素抗性基因為標記基因，由圖1、圖2知標記基因和外源DNA目的基因中均含有SmaⅠ酶切位點，用SmaⅠ酶切后，兩者都會遭到破壞。(4)只使用EcoRⅠ切割，則質粒和目的基因兩端產(chǎn)

28、生的粘性末端相同，會發(fā)生自身環(huán)化；使用BamHⅠ和HindⅢ兩種酶會防止質粒和含目的基因的外源DNA片段自身環(huán)化。(5)質粒和目的基因連接后獲得重組質粒，需要DNA連接酶。 答案：(1)0　2　(2)高　(3)SmaⅠ會破壞質粒的抗性基因、外源DNA中的目的基因　(4)質粒和含目的基因的外源DNA片段自身環(huán)化　(5)DNA連接 8．根據(jù)下列所給材料回答問題： 材料一：把人的胰島素基因拼接到大腸桿菌的質粒上，然后導入大腸桿菌內(nèi)，產(chǎn)生出人的胰島至少。 材料二：把螢火蟲的熒光基因轉入煙草體內(nèi)，培育出能發(fā)出熒光的煙草。 材料三：有人把蜘蛛產(chǎn)生絲腺蛋白的基因轉入羊的細胞中，在羊分泌的乳汁中加入

29、某種物質后，可抽出細絲，這種細絲可望用作手術的縫合線。 (1)上述生物新品種的產(chǎn)生運用了________技術。 (2)一種生物的基因在另一種生物體內(nèi)能夠表達，而不影響其他基因的表達，這說明基因是有________效應的________片段，具有一定的________性；同時可以說明各種生物共用一套________。 (3)上述技術所用的工具酶有_______________________。 (4)材料三中所用縫合線與普通縫合線相比有何優(yōu)點？ _____________________________________________________________________

30、___ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (5)可遺傳的變異分為三種：_________、_________、_________，而基因工程改變一個物種的基因屬于________。 解析：(1)由材料可知，生物新品種的產(chǎn)生運用了基因工程技術。 (2)基因是有遺傳效應的DNA片段，是控制生物性狀的獨立遺傳單位，種種生物之間共用一套密碼子。 (3)基因工程中用到的工具酶有限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶。 (4)由材料可知，縫合線是用絲腺蛋白制成的，在體內(nèi)可以被分解吸收，不必再做手術后的拆線處理。 (5)可遺傳變異的來源有基因突變、基因重組和染色體畸變，其中基因工程從變異角度看應屬于基因重組。 答案：(1)基因工程　(2)遺傳　DNA　獨立　密碼子 (3)限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶　(4)可以被分解吸收，有用拆線　(5)基因重組　基因突變　染色體畸變　基因重組 - 13 -