高中生物学人教版（2019）选择性必修3 3.1基因工程的工具课件(共27张PPT)

(共27张PPT)
我国是棉花的生产和消费大国。棉花在种植过程中，常常会受到一些害虫的侵袭，其中以棉铃虫最为常见。
[思考]如何能培育出自身就能抵抗虫害 的棉花新品种呢？
转基因抗虫棉
将苏云金杆菌中的Bt抗虫蛋白基因转入普通棉花
第3章 基因工程
[活动1]阅读课本第3章P67，解决下列问题：
1.概述基因工程的定义，说出基因工程的操作对象及环境、操作水平、操作原理、结果及优点。
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。
操作对象及环境
操作水平
操作原理
结果
生物体外
基因
DNA分子水平
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。
基因重组
优点：
①能克服远缘杂交不亲和的障碍
②定向改造生物的遗传特性
[活动2]阅读课本第3章P6-69【科技探索之路—基因工程的诞生和发展】，完成以下判断题，了解基因工程的相关科学史。
1.1953年，沃森和克里克建立了DNA分子双螺旋结构模型，并用实验证明了DNA分子的半保留复制。 （ ）
2.1970年，在细菌体内发现了第一个限制酶，后来又发现了多种限制酶、DNA连接酶等。 （ ）
3.1972年，伯格首先在体外进行DNA改造，并构建了第一个体外重组DNA分子。 （ ）
4.1983年，科学家采用花粉管通道法培育了世界上第一例转基因烟草。 （ ）
5.1984年，我国科学家朱作言领导的团队培育了世界上第一条转基因鱼。 （ ）
6.基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科的基础上发展起来的。 （ ）
×
√
√
×
√
√
基因工程的诞生和发展
【科技探索之路】
第1节 基因工程的工具
【本节聚焦】
1.重组DNA技术的3种基本工具是什么？它们各具什么作用？
2.基因工程载体需要具备什么条件？
从社会中来
番木瓜容易受番木瓜环斑病毒的侵袭而导致产量大大下降。科学家通过精心设计，用“分子工具”培育出了转基因番木瓜，可抵御该病毒提高产量。
年份 1990年 1999年 2008年 2020年
市场价值 0 15亿 75亿 转基因种子 352亿
世界转基因农作物市场价值表
那么，科学家究竟用到了哪些“分子工具”？这些“分子工具”各具有什么特征呢？
DNA双螺旋的直径只有2nm，对如此微小的分子进行操作，是一项非常精细的工作，更需要专门的“分子工具”。
一、限制性内切核酸酶—“分子手术刀”
切割DNA分子的工具，简称限制酶。
1.来源：主要是从______________中分离纯化出来。
原核生物
迄今分离的限制酶有数千种（为蛋白质）
[思考]你能根据所掌握的知识，推测限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么吗？(P71)
原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，所以它在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制。限制酶就是它的一种防御性工具。当外源DNA入侵时，它会利用限制酶来切割外源DNA，使之失效，以保证自身的安全。
[思考]为什么限制酶不剪切细菌本身的DNA
本身DNA不含该序列或DNA相应序列被甲基化，限制酶不能将其切开。
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。
P74【拓展应用】1.
特定核苷酸序列
特定部位的磷酸二酯键
大多数限制酶的识别序列由____个核苷酸组成，少数限制酶的识别序列由____________或其他数量的核苷酸组成。一般为________序列。
6
4个、8个
回文
【回文序列】
正反读顺序相同，围绕一条轴线对称排列。
一种限制酶识别一种特定的脱氧核苷酸序列
3.几种常见的限制酶的识别序列、切割位点及切割结果
EcoRⅠ
种加词头两个字母
菌株型号
数字表示分离出来的第几种限制酶
属名首字母
大肠杆菌R型菌株分离出来的第一种限制酶
P72【资料卡】
限制酶名字的由来
EcoRI的识别序列和切点：
－G↓AATCC－
切割结果：
—GAATTC—
—CTTAAG—
EcoRI
—G
—CTTAA
AATTC—
G—
形成黏性末端
当限制酶在它识别序列的中轴线两侧将DNA分子的两条链分别切开时，产生的是黏性末端。
(－AATT)
3.几种常见的限制酶的识别序列及切割位点
SmaⅠ
SmaI的识别序列和切点:
－GGG↓CCC－
—GGGCCC—
—CCCGGG—
切割结果：
SmaⅠ
—GGG
—CCC
CCC—
GGG—
形成平末端
当限制酶在它识别序列的中轴线处将DNA分子的两条链分别切开时，产生的是平末端。
练一练 请判断以下限制酶切割形成的是黏性末端还是平末端。若形成的为黏性末端，请书写出来。
形成平末端
形成黏性末端
形成黏性末端
形成黏性末端
形成平末端
形成黏性末端
—AATT
—GATC
—GATC
—AGCT
【深化理解】限制酶切割的结果
1.BapⅠ识别序列－AATT－，在A与T之间切割，则其与SmaⅠ作用后的末端能进行连接么？
平末端都为相同的末端，可连接。但连接后有可能不是回文序列。
2.同种限制酶切割产生的黏性末端是否相同？
相同
3.不同限制酶切割产生的黏性末端是否一定不同？
—GATC
—AATT
—AGCT
—GATC
可能会相同
4.若不同限制酶切割产生的黏性末端相同，形成的末端能连接吗？
能两两互补的单链片段可连接，但连接后有可能不是回文序列。
【小结】限制性内切核酸酶（限制酶）
1.主要来源：
原核生物
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。
EcoRI的识别序列和切点：
－G↓AATCC－
SmaI的识别序列和切点：
－GGG↓CCC－
3.作用结果：
断裂磷酸二酯键，形成平末端或黏性末端，使DNA分子变成两个或多个片段
[思考]若想把以下两种来源不同的DNA进行重组，应该怎样处理？
用同种限制酶切割(EcoRⅠ)
A A T T C
G
G
C T T A A
[思考]缺口怎么办？
重新形成磷酸二酯键
二、DNA连接酶—“分子缝合针”
1.作用：将_______________“缝合”起来，恢复被________切开的_________________，形成重组DNA分子。
双链DNA片段
限制酶
磷酸二酯键
重组DNA
DNA连接酶
2.分类
类型 来源 作用 相同点 差别
E·coli DNA连接酶
T4 DNA连接酶
大肠杆菌
T4噬菌体
恢复磷酸二酯键
只能连接黏性末端
既能连接黏性末端
又能连接平末端(效率较低)
[思考]DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗？为什么？
不是
相同点：
都催化形成磷酸二酯键
不同点：
DNA连接酶连接的是DNA片段
DNA聚合酶连接的是游离的脱氧核苷酸，需要模板
化学本质：
名称 作用部位 作用结果
限制酶
DNA连接酶
DNA聚合酶
DNA(水解)酶
解旋酶
磷酸二酯键
碱基对之间
的氢键
磷酸二酯键
磷酸二酯键
磷酸二酯键
将DNA切成两个片段
将两个DNA片段连接为一个DNA分子
将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端
将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸
将双链DNA分子局部解旋为单链，形成两条长链
【归纳总结】几种相关酶的比较
都为蛋白质
练一练 写出对应的酶。
限制酶
DNA连接酶
解旋酶
DNA聚合酶
练一练 判断正误
1.通过基因工程产生的变异是不定向的 （　 　）
2.限制性内切核酸酶均能特异性地识别6个核苷酸序列 （　 　）
3.DNA连接酶能将两碱基间通过氢键连接起来 （　 　）
4.E.coliDNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端 （　 　）
5.限制酶和解旋酶的作用部位相同 （ 　　）
×
×
×
×
×
[思考]怎样才能将外源基因送入细胞呢？
三、基因进入受体细胞的载体—“分子运输车”
1.作用
①将目的基因送入受体细胞
②在受体细胞内对目的基因进行大量复制
2.最常用的载体
质粒
质粒
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。
质粒
[思考]质粒为什么适合作为载体？作为载体需要具备那些条件？
载体需具备的条件
—供外源DNA片段（目的基因）插入其中
②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。
①有一个至多个限制酶切割位点
③具有标记基因
④对受体细胞无害
—便于重组DNA分子的筛选，鉴别和筛选含有目的基因的受体细胞
真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。
3.载体的种类
质粒(常用）、噬菌体、动植物病毒
种类 用途 不同点
质粒 噬菌体
植物病毒 动物病毒 将外源基因导入细菌等受体细胞
将外源基因导入植物细胞
将外源基因导入动物细胞
来源不同，在大小、结构、复制方式以及可以插入外源DNA片段的大小上也有很大差别
[思考]
1.噬菌体或某些动植物病毒作为载体，其原理是
________________________________________________________。
2.病毒对宿主细胞的侵染具有一定的____________________性。
3.若用家蚕作为某基因表达载体的受体细胞，在噬菌体和昆虫病毒两种载体中，不选用_____________________作为载体，其原因是
____________________________________________________。
利用病毒对宿主细胞的侵染性
物种（组织）特异
噬菌体
噬菌体的宿主细胞是细菌，而不是家蚕
1.“分子手术刀”——
①来源：
②作用：
③作用结果：
2.“分子缝合线”——
①作用：
②分类：
3.“分子运输车”——
①作用：
②种类：
③应具备条件：
限制酶
产生黏性末端、平末端
DNA连接酶
将不同的DNA片段连接起来
磷酸二酯键
将外源基因送入受体细胞
质粒（最常用）、噬菌体、动植物病毒
E.Coli DNA连接酶、T4DNA连接酶（来源、区别？）
主要从原核生物中分离纯化出来。
载体
识别特定的核苷酸序列，使特定部位的磷酸二酯键断开。
作用部位：
能在细胞中进行自我复制，或整合到受体DNA，随受体DNA同步复制
有一个至多个限制酶切割位点
具有标记基因
④对受体细胞无害
—便于重组DNA分子的筛选
—供外源DNA片段(目的基因)插入
磷酸二酯键
作用部位：
【小结】基因工程的基本工具
练一练 P74【练习与应用】一、概念检测
1.DNA连接酶是重组DNA技术常用的一种工具酶。下列相关叙述正确的是（ ）
A.能连接DNA分子双链碱基对之间的氢键
B.能将单个脱氧核苷酸加到DNA片段的末端，形成磷酸二酯键
C.能连接用同种限制酶切开的两条DNA片段，重新形成磷酸二酯键
D.只能连接双链DNA片段互补的黏性末端，不能连接双链DNA片段的平末端
2.在重组DNA技术中，将外源基因送入受体细胞的载体可以是( )
A.大肠杆菌的质粒 B.切割DNA分子的酶
C.DNA片段的黏性末端 D.用来识别特定基因的DNA探针
C
A
二、拓展应用
2.有2个不同来源的DNA片段A和B，A片段用限制酶SpeI进行切割，B片段分别用限制酶HindⅢ、XbaI、EcoRV和XhoI进行切割。各限制酶的识别序列和切割位点如下。
（1）哪种限制酶切割B片段产生的DNA片段能与限制酶SpeI切割A片段产生的DNA片段相连接？为什么？
XbaI
XbaI与SpeI切割产生了相同的黏性末端。
（2）不同的限制酶切割可能产生相同的黏性末端，这在基因工程操作中有什么意义
识别DNA分子中不同核苷酸序列，但能切割产生相同黏性末端的限制酶被称为同尾酶。同尾酶使构建载体时切割位点的选择范围扩大。
例如，我们选择了用某种限制酶切割载体，如果目的基因的核苷酸序列中恰好含有该限制酶的识别序列，那么用该限制酶切割含有目的基因的DNA片段时，目的基因就很可能被切断；这时可以考虑用合适的同尾酶（目的基因的核苷酸序列中不能有它的识别序列）来获取目的基因。
DNA含量相对较高的生物组织，如新鲜洋葱、香蕉、菠菜、菜花和猪肝等。
（注意：不能选择哺乳动物成熟的红细胞，因为哺乳动物成熟的红细胞中没有细胞核和线粒体，几乎不含DNA。）
材料用具
1.选材：
2.试剂：
①研磨液
②体积分数为95%的酒精
③2mol/L 的NaCl溶液
④二苯胺试剂
⑤蒸馏水
—溶解并提取DNA
—析出DNA
—溶解DNA
—鉴定DNA，要现配现用
研磨液、二苯胺的配制方法（P117）
方法步骤
称取 ，切碎，放入研钵，倒入 ，充分研磨。
在漏斗中垫上纱布过滤研磨液，4℃冰箱中静置后取 ；或将研磨液倒入塑料离心管中离心，取 。
在上清液中加入体积相等的、____________溶液，静置2-3min，溶液中出现的______________就是粗提取的DNA 。
将丝状物或沉淀物溶于__________________溶液中，加入______________试剂，混合均匀后，将试管置于沸水中加热5min
2.去除杂质
3.DNA的析出
4.DNA的鉴定
1.破碎细胞
洋葱
研磨液
上清液
上清液
预冷的酒精
白色丝状物
二苯胺
用玻璃棒沿一个方向搅拌，卷起丝状物；或将溶液倒入塑料离心管中离心，取沉淀物晾干。
2mol/L的NaCl
[思考]对照组：如何设置？
阴性对照：在等体积的NaCl溶液中加入二苯胺试剂，将试管置于同等沸水浴中加热5min。
[思考]如何评价结果？
（看提取物颜色）
（看与二苯胺反应颜色的深浅）
DNA纯度
DNA的量
[思考]
1.选什么样的材料更易成功？用洋葱做材料为什么要充分研磨？
2.猪血和鸡血，哪个适合用作提取DNA的材料？操作时如何防止血 液凝固？
3.如果用鸡血动物细胞做材料，也需研磨裂解释放细胞中的DNA吗？
含DNA的生物材料都可以，选取DNA含量相对较高的生物组织，成功率更大。
充分研磨，可以破坏细胞壁，裂解细胞，释放DNA。
猪血（哺乳动物的成熟红细胞）无细胞核，不适合；鸡血中红细胞有核DNA，且核DNA的量较多，适合。
鸡血中加入柠檬酸钠，可防止血液凝固。
加入清水，让细胞吸水胀破，释放DNA。