【同步学案】3.1重组DNA技术的基本工具(课件版共49张PPT)

(共49张PPT)
3.1 重组DNA技术的基本工具
2019版新教材高中生物
选择性必修3精品学案
目 标 素 养
1.了解基因工程的诞生和发展历程,知道基因工程的概念,培养自主学习能力和社会责任意识。
2.理解重组DNA技术所需的三种基本工具的作用及特点,阐明基因工程中载体需要具备的条件,培养科学思维能力。
知 识 概 览
一、基因工程的诞生和发展
1.基因工程的概念
按照人们的愿望,通过　转基因　等技术,赋予生物新的　遗传　特性,创造出更符合人们需要的新的生物类型和 生物产品　。从技术操作层面看,由于基因工程是在　DNA分子　　水平上进行设计和施工的,因此又叫作　重组DNA技术　。
2.基因工程的问世
1973年,科学家证明质粒可以作为基因工程的　载体　,构建重组DNA,导入受体细胞,使外源基因在原核细胞中成功表达,并实现　物种间　的基因交流。至此,基因工程正式问世。
3.基因工程的发展(连线)
微思考1为什么不同生物的DNA可以进行体外重组
提示:不同生物中DNA分子的基本组成单位相同,都是4种脱氧核苷酸;空间结构相同,都是规则的双螺旋结构;生物界共用一套遗传密码,相同的遗传信息在不同生物体内表达出相同的蛋白质。
二、重组DNA技术的基本工具
1.限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
(1)来源:主要是从　原核　生物中分离纯化出来的。
(2)作用:识别双链DNA分子的特定　核苷酸　序列,并且使每一条链中特定部位的　磷酸二酯键　断开。
(3)识别序列的特点:大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成,少数由4个、8个或其他数量的核苷酸组成。
(4)结果:产生DNA片段末端(通常有　黏性　末端和　平　末端两种形式)。
2.DNA连接酶——“分子缝合针”
(1)作用:将切下来的双链DNA片段“缝合”起来,恢复被限制酶切开的　磷酸二酯　键。
(2)结果:拼接成新的　DNA　分子。
(3)种类:
①E.coli DNA连接酶:从大肠杆菌中分离得到,只能连接具有互补　黏性　末端的DNA片段。
②T4 DNA连接酶:从T4噬菌体中分离出来,既可以“缝合”双链DNA片段互补的　黏性　末端,又可以“缝合”双链DNA片段的　平　末端,但连接平末端的效率相对较　低　。
3.基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
(1)作用:将外源基因　送入　受体细胞。
(2)常用载体——质粒。
①本质: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作为载体的条件:a.有一个至多个　限制酶切割位点　,供外源DNA片段(基因)插入其中;b.进入受体细胞后,能在细胞中进行自我　复制　,或整合到受体DNA上,随受体DNA
　同步复制　;c.常有特殊的　标记　基因,便于重组DNA分子的筛选。
(3)其他载体:噬菌体、动植物病毒等。
微点拨相同的黏性末端不一定来自同一种限制酶的切割,可能来自不同限制酶的切割。
微思考2
1.DNA连接酶和DNA聚合酶的作用部位相同吗
提示:相同。两种酶的作用部位都是磷酸二酯键,只是DNA连接酶是在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键,而DNA聚合酶只能将单个脱氧核苷酸加到已有的DNA片段上,且需要以一条DNA链为模板。
2.基因工程中需要哪几种工具,哪几种工具酶
提示:基因工程中需要三种工具,即限制酶、DNA连接酶和载体。但工具酶只有两种,即限制酶和DNA连接酶。
微判断
1.限制酶和DNA解旋酶的作用部位相同。( )
2.DNA连接酶能将两个碱基通过氢键连接起来。( )
微训练基因工程中用来修饰、改造生物基因的工具是(　　)
A.限制酶和水解酶
B.限制酶和DNA连接酶
C.限制酶和载体
D.DNA连接酶和载体
答案:B
×
×
三、DNA的粗提取与鉴定
1.提取原理
(1)DNA　不溶于　酒精,但某些蛋白质　溶于　酒精。
(2)DNA在不同浓度的　NaCl　溶液中溶解度不同,它能溶于物质的量浓度为　2　 mol/L的NaCl溶液。
2.鉴定原理
在一定温度下,DNA遇　二苯胺　试剂会呈现　蓝　色。
一 限制酶和DNA连接酶
重难归纳
1.限制酶的切割位点
(1)切割位点:磷酸二酯键。
(2)限制酶切割的只能是箭头①所指的键,因为磷酸二酯键中的另一个化学键属于一个核苷酸内部的化学键。
(3)图中②是氢键,是解旋酶的作用部位。
特别提醒 (1)限制酶在微生物中能将外来的DNA分子切断,能够限制异源DNA分子的入侵并使之失去活力,但不切割自身DNA分子,对自身DNA分子无损害作用,这样可以保护细胞自身的遗传信息。原因是原核生物的DNA分子中不存在该限制酶的识别序列或识别序列已经被修饰。
(2)限制酶是一类酶而不是一种酶。限制酶的化学本质为蛋白质,其作用的发挥需要适宜的理化条件,高温、强酸或强碱均易使之变性失活。
2.限制酶切割位点与DNA片段的关系
(1)链状DNA分子上如果有1个酶切位点,用限制酶切割后形成2个DNA片段;如果有2个酶切位点,用限制酶切割后形成3个DNA片段。以此类推。
(2)环状DNA分子上如果有1个酶切位点,用限制酶切割后形成1个链状DNA,且长度不发生变化;如果有2个酶切位点,用限制酶切割后形成2个DNA片段。以此类推。
(3)将1个基因从DNA分子上切割下来,需要切割2处。
3.限制酶和DNA连接酶的关系
(1)限制酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。
(2)DNA连接酶起作用时,不需要模板。
(3)不同限制酶切割形成的黏性末端,如果互补,则可以拼接。
特别提醒 DNA连接酶是一类酶,不是一种酶。DNA连接酶无识别的特异性,连接具有互补末端的DNA片段间的磷酸二酯键,形成重组DNA分子。
“工欲善其事,必先利其器。”我国拥有的自主知识产权的转基因抗虫棉,就是通过精心设计,用“分子工具”构建成的。其中一种工具为“分子手术刀”——限制酶。
(1)限制酶是否具有专一性
提示:限制酶具有专一性。不同种类的限制酶的识别序列和切割位点不同。
(2)如何判断两个黏性末端是否由同一种限制酶切割产生
提示:将其中一个黏性末端旋转180°,看两个末端的碱基序列是否完全相同。若相同,则说明这两个黏性末端是由同一种限制酶切割产生的。
典例剖析
某DNA分子中含有某限制酶的1个识别序列,用该限制酶切割该DNA分子,可能形成的2个DNA片段是(　　)
A.①②　　B.③④
C.①③　　D.②④
答案:B
解析:限制酶切割形成的末端若为黏性末端,则黏性末端应该互补配对。
学以致用
下图是3种限制性内切核酸酶对DNA分子的识别序列和切割位点图(箭头表示切割位点,切出的断面为黏性末端)。下列叙述错误的是(　　)
A.不同的限制酶有不同的识别序列和切割位点,体现了酶的专一性
B.限制酶2和限制酶3的识别序列均为6个核苷酸
C.限制酶1和限制酶3切割得到的黏性末端相同
D.能够识别和切割RNA分子内一小段核苷酸序列的酶只有限制酶2
答案:D
解析:限制酶只能识别特定的DNA序列,因此3种限制酶均不能识别和切割RNA中的核苷酸序列。
二 基因进入受体细胞的载体
重难归纳
1.作为载体必须具备的条件
(1)有一个至多个限制酶切割位点,供外源DNA片段(基因)插入其中,而且每种限制酶的切割位点最好只有一个。
(2)能够在受体细胞中稳定保留下来,不影响受体细胞的生命活动。
(3)能够在受体细胞中进行自我复制,或整合到受体DNA上,随受体DNA同步复制。
(4)带有特殊的标记基因,便于重组DNA分子的筛选。常用的标记基因有四环素抗性基因、氨苄青霉素抗性基因等。载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因,目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞后,抗性基因在受体细胞内表达,使受体细胞能够抵抗相应抗生素,所以在受体细胞的培养体系中加入该种抗生素就可以筛选出转入载体的受体细胞。原理如下图所示。
特别提醒 (1)质粒与载体的关系:一方面,质粒是基因工程中最常用的载体,但载体并不都是质粒;另一方面,并非所有的质粒均适合作为载体,有许多质粒未必完全符合作为载体的条件(如没有合适的标记基因等)。基因工程中所使用的质粒载体都是经过人工改造的。
(2)因病毒能够侵染正常细胞,有的病毒还能将自己的核酸整合到宿主细胞的染色体上,所以动植物病毒也可作为基因工程的载体。
2.目的基因插入质粒的位置图示
目的基因不能插入标记基因内,否则会影响标记基因的表达,导致不能进行重组DNA分子的筛选。
穿梭载体是一类具有两种不同复制原点,能在两种不同的生物体(物种不同)中复制的载体,一般在原核细胞和真核细胞中都能复制和表达,如Ti质粒。细胞膜上的载体与基因工程中的载体是否相同 请说明理由。
提示:否。
(1)化学本质不同:
①细胞膜上的载体的化学成分是蛋白质;
②基因工程中的载体可能是物质、结构,如质粒(DNA),也可能是生物,如动植物病毒等。
(2)功能不同:
①细胞膜上的载体的功能是协助物质进出细胞;
②基因工程中的载体是一种“分子运输车”,负责把目的基因导入受体细胞。
典例剖析
下列关于质粒的说法,正确的是(　　)
A.质粒在宿主细胞内都要整合到染色体DNA上
B.质粒是独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外的小型细胞器
C.基因工程使用的质粒一定含有标记基因和复制原点
D.质粒DNA中碱基之间的数量关系有A+G=U+C
答案:C
解析:质粒进入宿主细胞后不一定都要整合到染色体DNA上,也可独立复制。质粒是小型环状双链DNA分子,而不是细胞器,也不含有碱基U。
学以致用
限制酶MunⅠ和限制酶EcoRⅠ的识别序列及切割位点分别
是 和 。下图表示四种质粒和含目的基因的DNA片段,其中箭头所指部位为限制酶的切割位点,质粒的阴影部分表示标记基因。下列适于作为图示目的基因载体的质粒是(　　)
答案:A
解析:B项质粒上没有标记基因,不适合作为载体。C项和D项质粒的标记基因上都有限制酶的切割位点,用限制酶切割后,标记基因会被破坏,故均不宜选作载体。
1.实施基因工程的最终目的是(　　)
A.提取生物体的DNA分子
B.对DNA分子进行人为剪切
C.在生物体外对DNA分子进行改造
D.创造出符合人们需要的新的生物类型和生物产品
答案:D
2.下列关于“DNA的粗提取与鉴定”实验的叙述,错误的是
(　　)
A.酵母菌和菜花均可作为提取DNA的材料
B.DNA能溶于物质的量浓度为2 mol/L的NaCl溶液
C.向洋葱研磨液中加蒸馏水搅拌,可见玻璃棒上有白色丝状物
D.向DNA溶液中加入二苯胺试剂,沸水浴加热,冷却后变蓝
答案:C
解析:原则上含DNA的生物材料都能作为提取DNA的材料,只是用DNA含量高的材料实验成功的可能性更大,所以酵母菌和菜花均可作为提取DNA的材料,A项正确。DNA在物质的量浓度为2 mol/L的NaCl 溶液中溶解度较大,B项正确。向洋葱研磨液的上清液中加入预冷的体积分数为95%的酒精溶液,用玻璃棒搅拌后,可见玻璃棒上有白色丝状物,C项错误。向DNA溶液中加入二苯胺试剂,沸水浴加热,冷却后变蓝,D项正确。
3.下列有关下图所示黏性末
端的说法,错误的是(　　)
A.甲、乙、丙黏性末端是由
不同的限制性内切核酸酶切割产生的
B.甲、乙之间可相互连接,甲、丙之间不能相互连接
C.DNA连接酶的作用位点在b处,催化磷酸基团和脱氧核糖之间形成化学键
D.切割甲的限制性内切核酸酶不能识别由甲、乙片段形成的重组DNA分子
C
解析:DNA连接酶的作用位点在a处,催化两个DNA片段之间形成磷酸二酯键。
4.下列关于DNA连接酶的叙述,正确的是(　　)
A.DNA连接酶需要模板,连接的是两条链碱基对之间的氢键
B.基因工程中可以用DNA聚合酶替代DNA连接酶
C.T4 DNA连接酶既可以连接黏性末端,又可以连接平末端
D.E.coli DNA连接酶只能连接平末端
答案:C
解析:DNA连接酶不需要模板,催化形成的是磷酸二酯键,A项错误。DNA聚合酶催化游离的脱氧核苷酸与核苷酸链之间形成磷酸二酯键,因此不能用DNA聚合酶替代DNA连接酶,B项错误。E.coli DNA连接酶只能连接黏性末端,D项错误。
5.作为基因工程中的“分子运输车”,载体应具备的条件有( 　)
①必须有一个至多个限制酶切割位点,以便目的基因插入其中　②必须具备自我复制的能力,或整合到受体DNA上,随受体DNA同步复制　③必须带有特殊的标记基因,便于重组DNA分子的筛选　④必须是安全的,不会对受体细胞有害　⑤大小应合适,太大不易操作
A.①②③④　　　　B.①②③⑤
C.①②④⑤　　　　D.①②③④⑤
答案:D
6.下图为DNA分子的切割和连接流程图。请回答下列问题。
(1)EcoRⅠ是一种　　　　酶,其识别序列是　　　　　　　,切割位点是　　　　与　　　　之间的　　　　　　　　键。
(2)将不同来源的DNA片段拼接成新的DNA分子,需要的酶应是　　　　　　　　　。图中此酶催化　　　与　　　之间形成　　　　　　键,从而将不同来源的DNA片段拼接在一起,构成　　　　　　　　　。
答案:(1)限制　GAATTC　G　A　磷酸二酯
(2)DNA连接酶　G　A　磷酸二酯　重组DNA分子