第3章 基因工程 第1节 重组DNA技术的基本工具(共73张PPT)
文档属性
| 名称 | 第3章 基因工程 第1节 重组DNA技术的基本工具(共73张PPT) |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 2.6MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2022-03-17 23:08:36 | ||
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文档简介
(共73张PPT)
第3章 基因工程
第1节 重组DNA技术的基本工具
①阐述基础理论研究和技术进步催生了基因工程。
②阐述DNA重组技术所需的三种基本工具的作用。
③认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。
④阐述基因工程的原理及基本操作程序。
⑤尝试设计某一转基因生物的研制过程。
⑥举例说明基因工程的应用。
⑦关注基因工程的进展。
⑧认同基因工程的应用促进生产力的提高。
⑨举例说明蛋白质工程崛起的缘由。
④阐述蛋白质工程的原理，尝试运用逆向思维分析和解决问题。
5个重点：①DNA重组技术所需的三种基本工具的作用。
②基因工程基本操作程序的四个步骤。
③基因工程在农牧业和医药卫生等方面的应用。
④蛋白质工程崛起的缘由。
⑤蛋白质工程的原理。
4个难点：①基因工程载体具备的条件。
②利用PCR技术获取和扩增目的基因。
③乳腺生物反应器生产药物。
④蛋白质工程的原理。
7个考点：①DNA重组技术所需的两种工具酶的作用。
②基因工程的载体应具备的条件。
③基因工程基本操作程序的四个步骤。
④基因工程在农牧业、医药卫生等方面的应用。
⑤蛋白质工程崛起的缘由。
⑥蛋白质工程的原理。
⑦蛋白质工程的应用。
第1节 重组DNA技术的基本工具
课标要点 学法指导
1．说出基因工程的概念 2．阐述重组DNA技术所需三种基本工具的作用 3．认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新 1．通过分解的方式从操作环境、水平、步骤、结果等方面理解基因工程的概念 (生命观念)
2．列表比较不同的限制酶 、DNA连接酶的差异，区分DNA连接酶和DNA聚合酶(科学思维)
3．结合实例分析基因工程载体必须满足的条件(科学思维、社会责任)
知识导图
课前·新知导学
基因工程概念及工具酶
1．基因工程概念
按照人们的愿望，通过_______等技术，赋予生物新的_________，创造出更符合人们需要的新的___________和_____________。由于基因工程是在______________上进行设计和施工的，因此又叫作_______________。
转基因
遗传特性
生物类型
生物产品
DNA分子水平
重组DNA技术
2．“分子手术刀”——__________________________
(1)来源：主要是从_____________中分离纯化出来的。
(2)作用：能够识别双链DNA分子的________________，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的______________断开。
(3)结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式——___________和___________。
限制性内切核酸酶
原核生物
特定核苷酸序列
磷酸二酯键
黏性末端
平末端
(2)作用结果：恢复被___________切开的两个核苷酸之间的______________，拼接成新的DNA分子。
DNA连接酶
E.coli DNA
大肠杆菌
互补黏性末端
T4噬菌体
黏性末端
平末端
限制酶
磷酸二酯键
基因工程的原理是什么？
微思考
【答案】基因重组。
下列有关基因工程的叙述，正确的是 ( )
A．基因工程是细胞水平上的生物工程
B．基因工程的产物对生物都有利
C．基因工程能定向改造生物的性状
D．基因工程引起的变异属于基因突变
【答案】C
【解析】基因工程是分子水平上的生物工程，其产生的变异属于基因重组，A、D错误。基因工程是按照人们的意愿进行的，能定向改造生物的性状；基因工程的产物有的对生物有利，有的对生物不利，B错误、C正确。
“分子运输车”——基因进入受体细胞的载体
1．作用
将____________送入细胞。
2．载体具备的条件
(1)能够在受体细胞中进行_____________，或整合到_____________上，随受体DNA进行同步复制。
(2)有一个或多个___________切割位点，供外源基因插入。
(3)具有特殊的_____________，供重组DNA分子的筛选。
外源基因
自我复制
受体DNA
限制酶
标记基因
3．种类
(1)常用的载体：________，是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外，并具有_________________的__________ DNA分子。
(2)其他载体：噬菌体、______________等。
质粒
自我复制能力
环状双链
动植物病毒
质粒是基因工程中最常用的载体，它只存在于原核细胞中吗？
微思考
【答案】不是，某些真核细胞中也存在质粒，如酵母菌细胞内也存在质粒。
质粒是基因工程中最常用的目的基因运载工具。下列有关叙述正确的是 ( )
A．质粒只分布于原核细胞中
B．在所有的质粒上总能找到一个或多个限制酶切割位点
C．携带目的基因的重组质粒只有整合到宿主细胞的染色体DNA上才会随后者的复制而复制
D．质粒上的抗性基因常作为标记基因供重组DNA分子的筛选
【答案】D
【解析】质粒不只分布于原核生物中，在真核生物——酵母菌细胞内也有分布，A错误；并不是所有的质粒都能找到限制酶的切割位点而成为合适的运载目的基因的工具，B错误；重组质粒进入受体细胞后，可以在细胞内自我复制，也可以整合后复制，C错误；质粒上的抗性基因常作为标记基因供重组DNA分子的筛选，D正确。
DNA的粗提取与鉴定
1．DNA的粗提取的思路
DNA、RNA、蛋白质和脂质等在______________性质方面存在差异，可以利用这些差异，选用适当的______________方法对它们进行提取。
物理和化学
物理或化学
2．DNA的粗提取原理
(1)DNA________酒精，但某些蛋白质________酒精，利用这一原理，可以初步分离DNA与蛋白质。
(2)DNA在不同浓度的NaCl溶液中的________不同，它能溶于2 mol/L的NaCl溶液。
3．DNA的鉴定原理
在一定温度下，DNA遇___________会呈现蓝色，因此，________ _______可以作为鉴定DNA的试剂。
不溶于
溶于
溶解度
二苯胺试剂
二苯胺
试剂
4．方法步骤
(1)研磨：称取洋葱，切碎，放入研钵中，倒入研磨液，充分__________。
(2)获得洋葱研磨上清液：用纱布________研磨液，在________冰箱中放置几分钟后取上清液；也可以在______________的转速下离心5 min，再取上清液。
研磨
过滤
4 ℃
1 500 r/min
(3)DNA的粗提取：在上清液中加入体积相等的、____________溶液，静置2～3 min，溶液中出现的____________就是粗提取的DNA。用玻璃棒____________搅拌，卷起丝状物，并用滤纸吸去上面的水分；或者将溶液倒入塑料离心管中，在_______________的转速下离心5 min，舍弃上清液，将管底的_________晾干，得到粗提取的DNA。
(4)DNA的鉴定：将丝状物或沉淀物溶于盛有2 mol/L NaCl溶液的试管中，加入________试剂，混合均匀后，置于________加热5 min。待试管冷却后观察颜色变化。
预冷的酒精
白色丝状物
沿一个方向
10 000 r/min
沉淀物
二苯胺
沸水中
研磨洋葱组织时，如果研磨不充分，会对实验结果产生怎样的影响？
微思考
【答案】研磨不充分，会使细胞核内的DNA释放不完全，提取的DNA量变少，影响实验结果，导致看不到丝状物或沉淀物，用二苯胺试剂鉴定不显示蓝色。
下列关于“DNA的粗提取与鉴定”实验的原理的叙述，正确的是 ( )
A．可用猪血作为实验材料，原因是猪血中的成熟红细胞有细胞核，细胞核中DNA含量多
B．利用“DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，在2 mol/L的NaCl溶液中析出”的特性提取DNA
C．利用“DNA不溶于酒精，而细胞中的某些蛋白质溶于酒精”的特性可以初步分离DNA与蛋白质
D．利用“DNA与二苯胺试剂作用呈现紫色”的特性鉴定DNA
【答案】C
【解析】猪血中的成熟红细胞不含细胞核，A错误；DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，它能溶于2 mol/L的NaCl溶液，B错误；DNA不溶于酒精，而细胞中的某些蛋白质溶于酒精，可以利用这一特性进行DNA与蛋白质的初步分离，C正确；在沸水条件下，DNA与二苯胺试剂反应呈现蓝色，D错误。
基因工程概念及工具酶分析
[知识归纳]
1．基因工程概念分析
别称 重组DNA技术
原理 基因重组
操作环境 生物体外
操作对象 基因
操作水平 DNA分子水平
基本过程 剪切→拼接→导入→表达
结果 创造出人类需要的新的生物类型和生物产品
2．限制性内切核酸酶的相关分析
来源 原核生物(主要)
作用 切割DNA分子
作用部位 磷酸二酯键
作用特点 具有特异性，即能识别特定的核苷酸序列，并在特定位点切割磷酸二酯键
作用结果 形成黏性末端或平末端
3．DNA连接酶的相关分析
作用 将DNA片段拼接成新的DNA分子
作用部位 磷酸二酯键
种类 E．coli DNA连接酶：只连接黏性末端
T4 DNA连接酶：连接黏性末端和平末端
下图甲为EcoRⅠ限制性内切核酸酶及DNA连接酶的作用示意图，图乙为SmaⅠ限制性内切核酸酶的作用示意图。请据图回答下列问题：
(1)限制性内切核酸酶只存在于原核生物中吗？原核生物中限制性内切核酸酶为什么不切割自身的DNA呢？
(2)请写出EcoRⅠ限制性内切核酸酶和SmaⅠ限制性内切核酸酶识别的碱基序列以及切割位点。
(3)限制性内切核酸酶和DNA连接酶的作用部位相同吗？DNA连接酶起作用时，是否需要模板？
(4)DNA连接酶和DNA聚合酶的作用对象相同吗？试着进行简要说明。
(5)常见的DNA连接酶有哪几种？其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是什么？
提示：(1)酵母菌等真核生物也含有限制性内切核酸酶。原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已被修饰等。
(2)EcoR Ⅰ限制性内切核酸酶识别的碱基序列是GAATTC，切割位点在G和A之间；SmaⅠ限制性内切核酸酶识别的碱基序列是CCCGGG，切割位点在G和C之间。
(3)相同，都是磷酸二酯键；不需要模板。
(4)不相同，DNA连接酶连接的是两个DNA片段，而DNA聚合酶连接的是单个的脱氧核苷酸。
(5)E．coli DNA连接酶、T4 DNA连接酶；T4 DNA连接酶。
【规律总结】
1．黏性末端和平末端的比较
2．DNA连接酶与DNA聚合酶的比较
种类 DNA连接酶 DNA聚合酶
相同点 催化形成磷酸二酯键 不同点 模板 不需模板 需要模板
作用对象 DNA片段 单个脱氧核苷酸
作用结果 连接两个DNA片段 形成DNA子链
素养达成：本重难点通过对基因工程概念和工具酶特点进行分析，培养“生命观念”“科学思维”素养。
[对点精练]
1．下列关于限制酶的叙述中，错误的是 ( )
A．它能在特定位点切割DNA分子
B．同一种限制酶切割不同的DNA分子产生的黏性末端能够很好地进行碱基配对
C．它能任意切割DNA，从而产生大量DNA片段
D．每一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列
【答案】C
【解析】限制酶是基因工程的重要工具之一，每种限制酶只能识别特定的核苷酸序列，并在特定的位点上切割DNA分子，A、D正确，C错误；同一种限制酶切割不同的DNA分子产生的黏性末端相同，能进行互补配对，B正确。
2．下列关于DNA连接酶作用的叙述，正确的是 ( )
A．将单个核苷酸加到某个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键
B．将断开的2个DNA片段的骨架连接起来，重新形成磷酸二酯键
C．连接2条DNA链上碱基之间的氢键
D．只能将双链DNA片段互补的黏性末端连接起来，而不能连接平末端
【答案】B
【解析】 DNA连接酶和DNA聚合酶都是催化2个脱氧核苷酸分子之间形成磷酸二酯键。但DNA连接酶是在2个DNA片段之间形成磷酸二酯键，将2个DNA片段拼接成重组DNA分子；DNA聚合酶是将单个的脱氧核苷酸分子加到已存在的DNA片段上形成磷酸二酯键，合成新的DNA分子。
[知识归纳]
1．载体的作用
(1)将目的基因送入受体细胞。
(2)使目的基因在受体细胞内得到复制和表达。
载体
2．载体应具备的条件及原因分析
具备条件 原因分析
有一个至多个限制酶切割位点 供外源DNA基因插入其中
能在受体细胞中进行自我复制，或能够整合到受体DNA上 能使目的基因在受体细胞中得到复制和表达
带有标记基因 便于重组DNA分子的筛选
对受体细胞无害 不影响受体细胞的正常生命活动
3．质粒的分析
(1)质粒的本质：环状双链DNA分子。
(2)质粒的特点：能够进行自我复制。
(3)质粒的存在场所：真核细胞细胞核以外、原核细胞拟核DNA以外。
(1)切割目的基因应选用哪类限制酶？切割质粒呢？请说明理由。
(2)限制酶Ⅰ和限制酶Ⅱ切割DNA后获得的黏性末端是否相同？
(3)基因工程的载体和细胞膜上的载体有什么区别呢？
(2)相同，均具有GATC—的黏性末端。
(3)基因工程的载体和细胞膜上的载体的区别主要表现在两个方面：①化学本质不同。细胞膜上的载体的化学成分是蛋白质；基因工程中的载体可能是物质，如质粒(DNA)，也可能是生物，如噬菌体、动植物病毒等。②功能不同。细胞膜上的载体功能是协助细胞膜控制物质进出细胞；基因工程中的载体是一种“分子运输车”，用于把目的基因导入受体细胞。
【规律总结】基因工程的运输工具——载体
1．质粒是基因工程中最常用的载体，它是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外，并具有自我复制能力的环状双链DNA分子。
2．一般来说，天然质粒往往不能满足载体必须具备的条件，目前真正被用作载体的质粒都是经过人工改造的。
3．在基因工程中使用的载体除质粒外，还有噬菌体、动植物病毒等。
素养达成：本重难点通过学习基因工程操作的载体，培养“生命观念”“科学思维”素养。
[对点精练]
1．作为基因的运输工具——载体，必须具备的条件之一及理由不正确的是 ( )
A．能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便于遗传给后代
B．具有一个或多个限制酶切割位点，以便目的基因能够与之结合
C．具有某些标记基因，便于鉴定重组DNA是否在受体细胞中表达
D．它的参与能够使目的基因在宿主细胞中复制并稳定保存
【答案】C
【解析】基因工程的载体应能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便于遗传给后代，A正确；具有一个或多个切割位点，以便插入目的基因，B正确；具有某些标记基因，便于重组DNA的鉴定与选择，C错误；载体的参与能够使目的基因在宿主细胞中复制并稳定保存，D正确。
2．下列有关细菌质粒的叙述，正确的是 ( )
A．质粒是存在于细菌细胞中的一种颗粒状的细胞器
B．质粒是细菌细胞中能自我复制的小型环状DNA分子
C．质粒只有在侵入宿主细胞后在宿主细胞内才能复制
D．细菌质粒的复制过程一定在宿主细胞外独立进行
【答案】B
【解析】 细菌质粒是细菌拟核DNA以外的能自我复制的小型环状DNA分子，可以在细菌细胞内或宿主细胞内复制，A、C、D错误，B正确。
易错易混：与DNA的有关的酶的作用底物、作用部位和作用产物
项目 作用底物 作用部位 作用产物
限制酶 DNA分子 磷酸二酯键 黏性末端或平末端
DNA连接酶 DNA片段 磷酸二酯键 重组DNA分子
DNA聚合酶 脱氧核苷酸 磷酸二酯键 新的DNA分子
解旋酶 DNA分子 氢键 单链DNA
例1 如图表示DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，下面有关叙述不正确的是 ( )
A．①和②中的酶都是基因工程中所需的工具
B．DNA复制会用到③和④中的酶
C．除了③以外，①②④中的酶作用的都是相同的键
D．③作用过程中会产生水
【答案】D
【解析】①中的酶为限制酶，②中的酶为DNA连接酶，都是基因工程中所需要的工具，A正确；DNA复制会用到③中的解旋酶和④中的DNA聚合酶，B正确；③中的酶作用于氢键，除了该酶以外，①②④中的酶作用的都是相同的键，即磷酸二酯键，C正确；③是解旋过程，该过程中不会产生水，D错误。
错因分析：一是对4种酶的作用底物识记不清，二是对4种酶的作用部位没有掌握，三是对4种酶的作用产物理解不到位，以及对每种酶的使用掌握不清。
解题技巧：探究性实验的解题方法
例2 基因工程中最常用的运载体是质粒，作为运载体，需有标记基因，如抗青霉素基因、抗四环素基因等。现欲鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别，设计了如下实验。
材料用具：青霉素、四环素的10万单位溶液、菌种试管、已经灭菌的含细菌培养基的培养皿、酒精灯、接种环、一次性注射器、蒸馏水、恒温箱。
方法步骤：
第一步：取3个含细菌培养基的培养皿并分别标为1、2、3号，在酒精灯旁，用3只注射器分别注入1mL蒸馏水、青霉素溶液、四环素溶液，并使之分布在整个培养基表面。
第二步：将接种环放在酒精灯的火焰________(填“上”或“旁”)灼烧，并在酒精灯的火焰________(填“上”或“旁”)取菌种，对3个培养皿分别接种。
第三步：将接种后的3个培养皿放入37 ℃恒温箱中培养24 h。
请对结果进行预测：
(1)若________号培养皿中细菌存活，说明该细菌质粒上有两种抗性基因。
(2)若1号培养皿中细菌存活，2、3号培养皿中没有细菌存活，说明________；
(3)____________________________________________________。
(4)________________________________________ 。
【答案】第二步：上 旁
(1) 1、2、3
(2)该细菌质粒上两种抗性基因都没有
(3)若1、2号培养皿中细菌存活，3号培养皿中没有细菌存活，说明该细菌质粒上有青霉素抗性基因
(4)若1、3号培养皿中细菌存活，2号培养皿中没有细菌存活，说明该细菌质粒上有四环素抗性基因
审题流程：
第一步 解读题干，获取有用信息
由题干“基因工程中最常用的运载体是质粒，作为运载体，需有标记基因，现欲鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别”可以获得信息：①基因工程中最常用的运载体是质粒；②质粒作为运载体，需要有标记基因；③欲鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别。
第二步 对接教材和探究性实验的做题方法，迁移运用
题干中“基因工程中最常用的载体”对接教材中“重组DNA技术的基本工具”一节中“分子运输车”。本实验“鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别”实验结果是未知的，为探究性实验。探究性实验的设计，遵循对照原则和单一变量原则。
上述实验的自变量是培养基中添加的抗生素种类，因变量是培养基中的菌落生存情况；添加蒸馏水的组为空白对照组，分别添加四环素和青霉素的组均为实验组；实验中添加的试剂的量、培养条件等均属于无关变量，各组应相同且适宜。探究性实验的结果未知，实验结果和结论不唯一。根据上述分析可知，该实验中细菌可能存在4种类型，这4种类型的细菌在3组培养基中的生长情况不同，故实验结果可能有4种，对应的实验结论也就有4种。
第三步 结合小题，逐个突破
根据题意可知，本实验的目的是鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别，即检测细菌在何种培养基中能正常生长、繁殖。根据已有的步骤安排，按照无菌操作的要求，第二步中应将接种环放在酒精灯的火焰上灼烧，并在酒精灯的火焰旁(无菌区)取菌种，对3个培养皿分别接种。实验结果和结论有多种可能：若细菌中含有某种抗生素抗性基因(标记基因)，该基因正常表达，则该细菌就有抵抗此抗生素的能力，就可以在含有该种抗生素的培养基中正常生长、繁殖，否则就不能在含有该抗生素的培养基中生存。
因此：(1)若该细菌质粒上有两种抗性基因，则细菌可在1、2、3号培养基中存活。(2)若该细菌质粒上两种抗性基因都没有，则细菌可在1号培养基中存活，在2、3号培养基中无法存活。(3)若该细菌质粒上仅含有青霉素抗性基因，则细菌能在1、2号培养基中存活，而在3号培养基中无法存活。(4)若该细菌质粒上仅含有四环素抗性基因，则细菌可在1、3号培养基中存活，在2号培养基中无法存活。
探究性实验的判断、设计和结果分析的解题方法小结
1．实验类型的判断。若实验结果是未知的，一般是探究性实验。
2．实验设计。探究性实验的设计也应遵循对照原则和单一变量原则。
3．实验结果分析。探究性实验的实验结果和结论是不唯一的，有几种可能的结果就对应几种可能的结论，应分析全面，不能遗漏。
小练·素养达成
1．下列哪项不是DNA重组技术的基本操作所用到的工具酶 ( )
A．限制酶 B．E．coli DNA连接酶
C．T2 DNA连接酶 D．T4 DNA连接酶
【答案】C
【解析】基因工程中常用的工具酶有限制酶和DNA连接酶，而DNA连接酶主要有两种，E．coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶，C符合题意，A、B、D不符合题意。
2．下列关于基因工程中的DNA连接酶的叙述不正确的是 ( )
A．DNA连接酶的化学本质是蛋白质
B．DNA连接酶能够连接两个DNA片段之间的磷酸二酯键
C．基因工程中可以用DNA聚合酶替代DNA连接酶
D．根据来源不同，DNA连接酶可分为E．coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶两大类
【答案】C
【解析】 DNA连接酶的化学本质是蛋白质，A正确； DNA连接酶连接的是两个DNA片段之间的磷酸二酯键，B正确；DNA聚合酶连接的是游离的脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，DNA连接酶连接的是两个DNA片段，因此在基因工程中不能用DNA聚合酶替代DNA连接酶，C错误；根据来源不同可分为E．coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶两大类，D正确。
3．下列关于限制酶识别序列和切割部位的特点，叙述错误的是
( )
A．所识别的序列都可以找到一条中轴线
B．中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的
C．只识别和切割特定的核苷酸序列
D．在任何部位都能将DNA切开
【答案】D
【解析】一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列，并且在特定的位点上切割DNA分子。
4．基因工程技术也称为DNA重组技术，下列相关说法错误的是
( )
A．基因工程的基本原理是基因重组
B．基因工程常用的工具酶有限制酶、DNA连接酶和运载体
C．基因工程可以定向改造生物的性状
D．基因工程常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒
【答案】B
【解析】基因工程的基本原理是基因重组，A正确； 基因工程常用的工具酶有限制酶、DNA连接酶，运载体不属于工具酶，B错误； 通俗地说，基因工程就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造后放到另一种生物的细胞里，定向改造生物的性状，C正确； 基因工程常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒，D正确。
【答案】A
【解析】酶切过程中，需控制好酶浓度、温度和反应时间等因素，A正确；目的基因经BamHⅠ切割后形成的黏性末端是－GATC或CTAG－，B错误；分别用两种限制酶切割，由于形成的黏性末端相同，因此并不能保证目的基因定向插入质粒，C错误；经两种酶处理得到的重组质粒不能再被这两种酶所识别，D错误。
第3章 基因工程
第1节 重组DNA技术的基本工具
①阐述基础理论研究和技术进步催生了基因工程。
②阐述DNA重组技术所需的三种基本工具的作用。
③认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。
④阐述基因工程的原理及基本操作程序。
⑤尝试设计某一转基因生物的研制过程。
⑥举例说明基因工程的应用。
⑦关注基因工程的进展。
⑧认同基因工程的应用促进生产力的提高。
⑨举例说明蛋白质工程崛起的缘由。
④阐述蛋白质工程的原理，尝试运用逆向思维分析和解决问题。
5个重点：①DNA重组技术所需的三种基本工具的作用。
②基因工程基本操作程序的四个步骤。
③基因工程在农牧业和医药卫生等方面的应用。
④蛋白质工程崛起的缘由。
⑤蛋白质工程的原理。
4个难点：①基因工程载体具备的条件。
②利用PCR技术获取和扩增目的基因。
③乳腺生物反应器生产药物。
④蛋白质工程的原理。
7个考点：①DNA重组技术所需的两种工具酶的作用。
②基因工程的载体应具备的条件。
③基因工程基本操作程序的四个步骤。
④基因工程在农牧业、医药卫生等方面的应用。
⑤蛋白质工程崛起的缘由。
⑥蛋白质工程的原理。
⑦蛋白质工程的应用。
第1节 重组DNA技术的基本工具
课标要点 学法指导
1．说出基因工程的概念 2．阐述重组DNA技术所需三种基本工具的作用 3．认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新 1．通过分解的方式从操作环境、水平、步骤、结果等方面理解基因工程的概念 (生命观念)
2．列表比较不同的限制酶 、DNA连接酶的差异，区分DNA连接酶和DNA聚合酶(科学思维)
3．结合实例分析基因工程载体必须满足的条件(科学思维、社会责任)
知识导图
课前·新知导学
基因工程概念及工具酶
1．基因工程概念
按照人们的愿望，通过_______等技术，赋予生物新的_________，创造出更符合人们需要的新的___________和_____________。由于基因工程是在______________上进行设计和施工的，因此又叫作_______________。
转基因
遗传特性
生物类型
生物产品
DNA分子水平
重组DNA技术
2．“分子手术刀”——__________________________
(1)来源：主要是从_____________中分离纯化出来的。
(2)作用：能够识别双链DNA分子的________________，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的______________断开。
(3)结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式——___________和___________。
限制性内切核酸酶
原核生物
特定核苷酸序列
磷酸二酯键
黏性末端
平末端
(2)作用结果：恢复被___________切开的两个核苷酸之间的______________，拼接成新的DNA分子。
DNA连接酶
E.coli DNA
大肠杆菌
互补黏性末端
T4噬菌体
黏性末端
平末端
限制酶
磷酸二酯键
基因工程的原理是什么？
微思考
【答案】基因重组。
下列有关基因工程的叙述，正确的是 ( )
A．基因工程是细胞水平上的生物工程
B．基因工程的产物对生物都有利
C．基因工程能定向改造生物的性状
D．基因工程引起的变异属于基因突变
【答案】C
【解析】基因工程是分子水平上的生物工程，其产生的变异属于基因重组，A、D错误。基因工程是按照人们的意愿进行的，能定向改造生物的性状；基因工程的产物有的对生物有利，有的对生物不利，B错误、C正确。
“分子运输车”——基因进入受体细胞的载体
1．作用
将____________送入细胞。
2．载体具备的条件
(1)能够在受体细胞中进行_____________，或整合到_____________上，随受体DNA进行同步复制。
(2)有一个或多个___________切割位点，供外源基因插入。
(3)具有特殊的_____________，供重组DNA分子的筛选。
外源基因
自我复制
受体DNA
限制酶
标记基因
3．种类
(1)常用的载体：________，是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外，并具有_________________的__________ DNA分子。
(2)其他载体：噬菌体、______________等。
质粒
自我复制能力
环状双链
动植物病毒
质粒是基因工程中最常用的载体，它只存在于原核细胞中吗？
微思考
【答案】不是，某些真核细胞中也存在质粒，如酵母菌细胞内也存在质粒。
质粒是基因工程中最常用的目的基因运载工具。下列有关叙述正确的是 ( )
A．质粒只分布于原核细胞中
B．在所有的质粒上总能找到一个或多个限制酶切割位点
C．携带目的基因的重组质粒只有整合到宿主细胞的染色体DNA上才会随后者的复制而复制
D．质粒上的抗性基因常作为标记基因供重组DNA分子的筛选
【答案】D
【解析】质粒不只分布于原核生物中，在真核生物——酵母菌细胞内也有分布，A错误；并不是所有的质粒都能找到限制酶的切割位点而成为合适的运载目的基因的工具，B错误；重组质粒进入受体细胞后，可以在细胞内自我复制，也可以整合后复制，C错误；质粒上的抗性基因常作为标记基因供重组DNA分子的筛选，D正确。
DNA的粗提取与鉴定
1．DNA的粗提取的思路
DNA、RNA、蛋白质和脂质等在______________性质方面存在差异，可以利用这些差异，选用适当的______________方法对它们进行提取。
物理和化学
物理或化学
2．DNA的粗提取原理
(1)DNA________酒精，但某些蛋白质________酒精，利用这一原理，可以初步分离DNA与蛋白质。
(2)DNA在不同浓度的NaCl溶液中的________不同，它能溶于2 mol/L的NaCl溶液。
3．DNA的鉴定原理
在一定温度下，DNA遇___________会呈现蓝色，因此，________ _______可以作为鉴定DNA的试剂。
不溶于
溶于
溶解度
二苯胺试剂
二苯胺
试剂
4．方法步骤
(1)研磨：称取洋葱，切碎，放入研钵中，倒入研磨液，充分__________。
(2)获得洋葱研磨上清液：用纱布________研磨液，在________冰箱中放置几分钟后取上清液；也可以在______________的转速下离心5 min，再取上清液。
研磨
过滤
4 ℃
1 500 r/min
(3)DNA的粗提取：在上清液中加入体积相等的、____________溶液，静置2～3 min，溶液中出现的____________就是粗提取的DNA。用玻璃棒____________搅拌，卷起丝状物，并用滤纸吸去上面的水分；或者将溶液倒入塑料离心管中，在_______________的转速下离心5 min，舍弃上清液，将管底的_________晾干，得到粗提取的DNA。
(4)DNA的鉴定：将丝状物或沉淀物溶于盛有2 mol/L NaCl溶液的试管中，加入________试剂，混合均匀后，置于________加热5 min。待试管冷却后观察颜色变化。
预冷的酒精
白色丝状物
沿一个方向
10 000 r/min
沉淀物
二苯胺
沸水中
研磨洋葱组织时，如果研磨不充分，会对实验结果产生怎样的影响？
微思考
【答案】研磨不充分，会使细胞核内的DNA释放不完全，提取的DNA量变少，影响实验结果，导致看不到丝状物或沉淀物，用二苯胺试剂鉴定不显示蓝色。
下列关于“DNA的粗提取与鉴定”实验的原理的叙述，正确的是 ( )
A．可用猪血作为实验材料，原因是猪血中的成熟红细胞有细胞核，细胞核中DNA含量多
B．利用“DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，在2 mol/L的NaCl溶液中析出”的特性提取DNA
C．利用“DNA不溶于酒精，而细胞中的某些蛋白质溶于酒精”的特性可以初步分离DNA与蛋白质
D．利用“DNA与二苯胺试剂作用呈现紫色”的特性鉴定DNA
【答案】C
【解析】猪血中的成熟红细胞不含细胞核，A错误；DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，它能溶于2 mol/L的NaCl溶液，B错误；DNA不溶于酒精，而细胞中的某些蛋白质溶于酒精，可以利用这一特性进行DNA与蛋白质的初步分离，C正确；在沸水条件下，DNA与二苯胺试剂反应呈现蓝色，D错误。
基因工程概念及工具酶分析
[知识归纳]
1．基因工程概念分析
别称 重组DNA技术
原理 基因重组
操作环境 生物体外
操作对象 基因
操作水平 DNA分子水平
基本过程 剪切→拼接→导入→表达
结果 创造出人类需要的新的生物类型和生物产品
2．限制性内切核酸酶的相关分析
来源 原核生物(主要)
作用 切割DNA分子
作用部位 磷酸二酯键
作用特点 具有特异性，即能识别特定的核苷酸序列，并在特定位点切割磷酸二酯键
作用结果 形成黏性末端或平末端
3．DNA连接酶的相关分析
作用 将DNA片段拼接成新的DNA分子
作用部位 磷酸二酯键
种类 E．coli DNA连接酶：只连接黏性末端
T4 DNA连接酶：连接黏性末端和平末端
下图甲为EcoRⅠ限制性内切核酸酶及DNA连接酶的作用示意图，图乙为SmaⅠ限制性内切核酸酶的作用示意图。请据图回答下列问题：
(1)限制性内切核酸酶只存在于原核生物中吗？原核生物中限制性内切核酸酶为什么不切割自身的DNA呢？
(2)请写出EcoRⅠ限制性内切核酸酶和SmaⅠ限制性内切核酸酶识别的碱基序列以及切割位点。
(3)限制性内切核酸酶和DNA连接酶的作用部位相同吗？DNA连接酶起作用时，是否需要模板？
(4)DNA连接酶和DNA聚合酶的作用对象相同吗？试着进行简要说明。
(5)常见的DNA连接酶有哪几种？其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是什么？
提示：(1)酵母菌等真核生物也含有限制性内切核酸酶。原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已被修饰等。
(2)EcoR Ⅰ限制性内切核酸酶识别的碱基序列是GAATTC，切割位点在G和A之间；SmaⅠ限制性内切核酸酶识别的碱基序列是CCCGGG，切割位点在G和C之间。
(3)相同，都是磷酸二酯键；不需要模板。
(4)不相同，DNA连接酶连接的是两个DNA片段，而DNA聚合酶连接的是单个的脱氧核苷酸。
(5)E．coli DNA连接酶、T4 DNA连接酶；T4 DNA连接酶。
【规律总结】
1．黏性末端和平末端的比较
2．DNA连接酶与DNA聚合酶的比较
种类 DNA连接酶 DNA聚合酶
相同点 催化形成磷酸二酯键 不同点 模板 不需模板 需要模板
作用对象 DNA片段 单个脱氧核苷酸
作用结果 连接两个DNA片段 形成DNA子链
素养达成：本重难点通过对基因工程概念和工具酶特点进行分析，培养“生命观念”“科学思维”素养。
[对点精练]
1．下列关于限制酶的叙述中，错误的是 ( )
A．它能在特定位点切割DNA分子
B．同一种限制酶切割不同的DNA分子产生的黏性末端能够很好地进行碱基配对
C．它能任意切割DNA，从而产生大量DNA片段
D．每一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列
【答案】C
【解析】限制酶是基因工程的重要工具之一，每种限制酶只能识别特定的核苷酸序列，并在特定的位点上切割DNA分子，A、D正确，C错误；同一种限制酶切割不同的DNA分子产生的黏性末端相同，能进行互补配对，B正确。
2．下列关于DNA连接酶作用的叙述，正确的是 ( )
A．将单个核苷酸加到某个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键
B．将断开的2个DNA片段的骨架连接起来，重新形成磷酸二酯键
C．连接2条DNA链上碱基之间的氢键
D．只能将双链DNA片段互补的黏性末端连接起来，而不能连接平末端
【答案】B
【解析】 DNA连接酶和DNA聚合酶都是催化2个脱氧核苷酸分子之间形成磷酸二酯键。但DNA连接酶是在2个DNA片段之间形成磷酸二酯键，将2个DNA片段拼接成重组DNA分子；DNA聚合酶是将单个的脱氧核苷酸分子加到已存在的DNA片段上形成磷酸二酯键，合成新的DNA分子。
[知识归纳]
1．载体的作用
(1)将目的基因送入受体细胞。
(2)使目的基因在受体细胞内得到复制和表达。
载体
2．载体应具备的条件及原因分析
具备条件 原因分析
有一个至多个限制酶切割位点 供外源DNA基因插入其中
能在受体细胞中进行自我复制，或能够整合到受体DNA上 能使目的基因在受体细胞中得到复制和表达
带有标记基因 便于重组DNA分子的筛选
对受体细胞无害 不影响受体细胞的正常生命活动
3．质粒的分析
(1)质粒的本质：环状双链DNA分子。
(2)质粒的特点：能够进行自我复制。
(3)质粒的存在场所：真核细胞细胞核以外、原核细胞拟核DNA以外。
(1)切割目的基因应选用哪类限制酶？切割质粒呢？请说明理由。
(2)限制酶Ⅰ和限制酶Ⅱ切割DNA后获得的黏性末端是否相同？
(3)基因工程的载体和细胞膜上的载体有什么区别呢？
(2)相同，均具有GATC—的黏性末端。
(3)基因工程的载体和细胞膜上的载体的区别主要表现在两个方面：①化学本质不同。细胞膜上的载体的化学成分是蛋白质；基因工程中的载体可能是物质，如质粒(DNA)，也可能是生物，如噬菌体、动植物病毒等。②功能不同。细胞膜上的载体功能是协助细胞膜控制物质进出细胞；基因工程中的载体是一种“分子运输车”，用于把目的基因导入受体细胞。
【规律总结】基因工程的运输工具——载体
1．质粒是基因工程中最常用的载体，它是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外，并具有自我复制能力的环状双链DNA分子。
2．一般来说，天然质粒往往不能满足载体必须具备的条件，目前真正被用作载体的质粒都是经过人工改造的。
3．在基因工程中使用的载体除质粒外，还有噬菌体、动植物病毒等。
素养达成：本重难点通过学习基因工程操作的载体，培养“生命观念”“科学思维”素养。
[对点精练]
1．作为基因的运输工具——载体，必须具备的条件之一及理由不正确的是 ( )
A．能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便于遗传给后代
B．具有一个或多个限制酶切割位点，以便目的基因能够与之结合
C．具有某些标记基因，便于鉴定重组DNA是否在受体细胞中表达
D．它的参与能够使目的基因在宿主细胞中复制并稳定保存
【答案】C
【解析】基因工程的载体应能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便于遗传给后代，A正确；具有一个或多个切割位点，以便插入目的基因，B正确；具有某些标记基因，便于重组DNA的鉴定与选择，C错误；载体的参与能够使目的基因在宿主细胞中复制并稳定保存，D正确。
2．下列有关细菌质粒的叙述，正确的是 ( )
A．质粒是存在于细菌细胞中的一种颗粒状的细胞器
B．质粒是细菌细胞中能自我复制的小型环状DNA分子
C．质粒只有在侵入宿主细胞后在宿主细胞内才能复制
D．细菌质粒的复制过程一定在宿主细胞外独立进行
【答案】B
【解析】 细菌质粒是细菌拟核DNA以外的能自我复制的小型环状DNA分子，可以在细菌细胞内或宿主细胞内复制，A、C、D错误，B正确。
易错易混：与DNA的有关的酶的作用底物、作用部位和作用产物
项目 作用底物 作用部位 作用产物
限制酶 DNA分子 磷酸二酯键 黏性末端或平末端
DNA连接酶 DNA片段 磷酸二酯键 重组DNA分子
DNA聚合酶 脱氧核苷酸 磷酸二酯键 新的DNA分子
解旋酶 DNA分子 氢键 单链DNA
例1 如图表示DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，下面有关叙述不正确的是 ( )
A．①和②中的酶都是基因工程中所需的工具
B．DNA复制会用到③和④中的酶
C．除了③以外，①②④中的酶作用的都是相同的键
D．③作用过程中会产生水
【答案】D
【解析】①中的酶为限制酶，②中的酶为DNA连接酶，都是基因工程中所需要的工具，A正确；DNA复制会用到③中的解旋酶和④中的DNA聚合酶，B正确；③中的酶作用于氢键，除了该酶以外，①②④中的酶作用的都是相同的键，即磷酸二酯键，C正确；③是解旋过程，该过程中不会产生水，D错误。
错因分析：一是对4种酶的作用底物识记不清，二是对4种酶的作用部位没有掌握，三是对4种酶的作用产物理解不到位，以及对每种酶的使用掌握不清。
解题技巧：探究性实验的解题方法
例2 基因工程中最常用的运载体是质粒，作为运载体，需有标记基因，如抗青霉素基因、抗四环素基因等。现欲鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别，设计了如下实验。
材料用具：青霉素、四环素的10万单位溶液、菌种试管、已经灭菌的含细菌培养基的培养皿、酒精灯、接种环、一次性注射器、蒸馏水、恒温箱。
方法步骤：
第一步：取3个含细菌培养基的培养皿并分别标为1、2、3号，在酒精灯旁，用3只注射器分别注入1mL蒸馏水、青霉素溶液、四环素溶液，并使之分布在整个培养基表面。
第二步：将接种环放在酒精灯的火焰________(填“上”或“旁”)灼烧，并在酒精灯的火焰________(填“上”或“旁”)取菌种，对3个培养皿分别接种。
第三步：将接种后的3个培养皿放入37 ℃恒温箱中培养24 h。
请对结果进行预测：
(1)若________号培养皿中细菌存活，说明该细菌质粒上有两种抗性基因。
(2)若1号培养皿中细菌存活，2、3号培养皿中没有细菌存活，说明________；
(3)____________________________________________________。
(4)________________________________________ 。
【答案】第二步：上 旁
(1) 1、2、3
(2)该细菌质粒上两种抗性基因都没有
(3)若1、2号培养皿中细菌存活，3号培养皿中没有细菌存活，说明该细菌质粒上有青霉素抗性基因
(4)若1、3号培养皿中细菌存活，2号培养皿中没有细菌存活，说明该细菌质粒上有四环素抗性基因
审题流程：
第一步 解读题干，获取有用信息
由题干“基因工程中最常用的运载体是质粒，作为运载体，需有标记基因，现欲鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别”可以获得信息：①基因工程中最常用的运载体是质粒；②质粒作为运载体，需要有标记基因；③欲鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别。
第二步 对接教材和探究性实验的做题方法，迁移运用
题干中“基因工程中最常用的载体”对接教材中“重组DNA技术的基本工具”一节中“分子运输车”。本实验“鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别”实验结果是未知的，为探究性实验。探究性实验的设计，遵循对照原则和单一变量原则。
上述实验的自变量是培养基中添加的抗生素种类，因变量是培养基中的菌落生存情况；添加蒸馏水的组为空白对照组，分别添加四环素和青霉素的组均为实验组；实验中添加的试剂的量、培养条件等均属于无关变量，各组应相同且适宜。探究性实验的结果未知，实验结果和结论不唯一。根据上述分析可知，该实验中细菌可能存在4种类型，这4种类型的细菌在3组培养基中的生长情况不同，故实验结果可能有4种，对应的实验结论也就有4种。
第三步 结合小题，逐个突破
根据题意可知，本实验的目的是鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别，即检测细菌在何种培养基中能正常生长、繁殖。根据已有的步骤安排，按照无菌操作的要求，第二步中应将接种环放在酒精灯的火焰上灼烧，并在酒精灯的火焰旁(无菌区)取菌种，对3个培养皿分别接种。实验结果和结论有多种可能：若细菌中含有某种抗生素抗性基因(标记基因)，该基因正常表达，则该细菌就有抵抗此抗生素的能力，就可以在含有该种抗生素的培养基中正常生长、繁殖，否则就不能在含有该抗生素的培养基中生存。
因此：(1)若该细菌质粒上有两种抗性基因，则细菌可在1、2、3号培养基中存活。(2)若该细菌质粒上两种抗性基因都没有，则细菌可在1号培养基中存活，在2、3号培养基中无法存活。(3)若该细菌质粒上仅含有青霉素抗性基因，则细菌能在1、2号培养基中存活，而在3号培养基中无法存活。(4)若该细菌质粒上仅含有四环素抗性基因，则细菌可在1、3号培养基中存活，在2号培养基中无法存活。
探究性实验的判断、设计和结果分析的解题方法小结
1．实验类型的判断。若实验结果是未知的，一般是探究性实验。
2．实验设计。探究性实验的设计也应遵循对照原则和单一变量原则。
3．实验结果分析。探究性实验的实验结果和结论是不唯一的，有几种可能的结果就对应几种可能的结论，应分析全面，不能遗漏。
小练·素养达成
1．下列哪项不是DNA重组技术的基本操作所用到的工具酶 ( )
A．限制酶 B．E．coli DNA连接酶
C．T2 DNA连接酶 D．T4 DNA连接酶
【答案】C
【解析】基因工程中常用的工具酶有限制酶和DNA连接酶，而DNA连接酶主要有两种，E．coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶，C符合题意，A、B、D不符合题意。
2．下列关于基因工程中的DNA连接酶的叙述不正确的是 ( )
A．DNA连接酶的化学本质是蛋白质
B．DNA连接酶能够连接两个DNA片段之间的磷酸二酯键
C．基因工程中可以用DNA聚合酶替代DNA连接酶
D．根据来源不同，DNA连接酶可分为E．coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶两大类
【答案】C
【解析】 DNA连接酶的化学本质是蛋白质，A正确； DNA连接酶连接的是两个DNA片段之间的磷酸二酯键，B正确；DNA聚合酶连接的是游离的脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，DNA连接酶连接的是两个DNA片段，因此在基因工程中不能用DNA聚合酶替代DNA连接酶，C错误；根据来源不同可分为E．coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶两大类，D正确。
3．下列关于限制酶识别序列和切割部位的特点，叙述错误的是
( )
A．所识别的序列都可以找到一条中轴线
B．中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的
C．只识别和切割特定的核苷酸序列
D．在任何部位都能将DNA切开
【答案】D
【解析】一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列，并且在特定的位点上切割DNA分子。
4．基因工程技术也称为DNA重组技术，下列相关说法错误的是
( )
A．基因工程的基本原理是基因重组
B．基因工程常用的工具酶有限制酶、DNA连接酶和运载体
C．基因工程可以定向改造生物的性状
D．基因工程常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒
【答案】B
【解析】基因工程的基本原理是基因重组，A正确； 基因工程常用的工具酶有限制酶、DNA连接酶，运载体不属于工具酶，B错误； 通俗地说，基因工程就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造后放到另一种生物的细胞里，定向改造生物的性状，C正确； 基因工程常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒，D正确。
【答案】A
【解析】酶切过程中，需控制好酶浓度、温度和反应时间等因素，A正确；目的基因经BamHⅠ切割后形成的黏性末端是－GATC或CTAG－，B错误；分别用两种限制酶切割，由于形成的黏性末端相同，因此并不能保证目的基因定向插入质粒，C错误；经两种酶处理得到的重组质粒不能再被这两种酶所识别，D错误。