4.1 基因工程赋予生物新的遗传特性 （共含25张PPT）-2024-2025学年高二生物学（浙科版2019选择性必修3）
文档属性
| 名称 | 4.1 基因工程赋予生物新的遗传特性 （共含25张PPT）-2024-2025学年高二生物学（浙科版2019选择性必修3） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 2.6MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 浙科版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2024-09-14 15:46:16 | ||
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文档简介
(共25张PPT)
4.1基因工程赋予生物新的遗传特性
据英国媒体报道，英国和意大利的研究人员将提取自金鱼草的两种特殊基因植入了西红柿的基因中，并令其具有了产生花青素的能力。植物中的花青素是一种类黄酮类抗氧化剂，此前的研究已经证实，它能够对抗癌症、心血管疾病和身体机能退化，对于炎症、肥胖和糖尿病也有预防作用。
在基因改造的过程中，西红柿也从我们常见的红色变成了紫色。
那么，什么是基因改造？
指有意识地把一个人们所需要的基因转入另一个生物体中，使后者获得新的遗传性状或表达所需要产物的技术，其核心是构建重组的DNA分子，也称为重组DNA技术。
基因工程
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，更需专门的“分子工具”。
工具
分子手术刀
分子缝合针
分子运输车
限制性内切核酸酶：
DNA连接酶：
载体：
准确切割DNA分子
将DNA片段连接起来
将体外重组好的DNA分子导入受体细胞
（1）来源: 从微生物(主要是原核生物)体内分离出来
（2）作用: 能够识别双链DNA上特定的一小段核苷酸序列，并催化其中特 定的两个核苷酸之间的磷酸二酯键水解，使得DNA双链在特定的位置断开，因此具有专一性。
（3）种类：约4000种
限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
（4）切割部位：
磷酸二酯键 （消耗水）
切点
呈现碱基互补对称，无论是6个碱基还是4个碱基，都可以找到一条中心轴线，中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的 ，称为回文序列。即在切割部位，一条链正向读的碱基顺序与另一条链反向读的顺序完全一致。（5）识别序列特点：
在G与A之间切割
大肠杆菌的一种限制酶(EcoRⅠ)只能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。
（6）作用结果
黏性末端
黏性末端
被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，他们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。
（6）作用结果
SmaI只能识别CCCGGG序列，并在C和G之间切开。
在G与C之间切割
（6）作用结果
平末端 平末端
当限制酶从识别序列的中心轴线处切开时，切开的DNA两条单链的切口，是平整的，这样的切口叫平末端。
（6）作用结果
限制酶存在于原核生物中的作用是什么
1、原核生物容易受到外源DNA的入侵
2、限制酶的作用:切割外源DNA,使之失效
3、保证自身的安全
限制酶为什么不会剪切原核生物本身的DNA
1、微生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制,对于外源 入侵的DNA可以降解掉。
2、生物在长期演化过程中,含有某种限制酶的细胞，其DNA分子中或者不具备这种限制酶的识别切割序列。
3、DNA分子被修饰（甲基化），使限制酶不能将其切开
DNA连接酶——“分子缝合针”
1、作用：通过作用形成磷酸二酯键，能将不同来源的DNA片段连接成一个重组DNA分子。
2、分类：
种类 E·coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶
来源
功能特性
相同点 大肠杆菌
T4噬菌体
只能将具有互补黏性末端的DNA片段连接起来，不能连接具有平末端的DNA片段
既可以连接双链DNA片段互补的黏性末端，又可以连接双链DNA片段的平末端（但连接平末端的效率相对较低）
恢复的都是磷酸二酯键
两DNA片段要具有互补的黏性末端才能拼起来
可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，
注意：DNA连接酶可连接双链DNA中的两条单链缺口，但不能连接单链DNA！
磷酸二酯键
与DNA相关的几种酶的比较
项目 DNA连接酶 限制酶 DNA聚合酶 解旋酶
作用部位 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 氢键
作用对象 DNA片段 DNA 单个的脱氧核苷酸 DNA
作用结果 将两个DNA片段连接成完整的DNA分子 切割DNA分子 将单个的脱氧核苷酸连接到DNA单链末端 将双链DNA分子局部解旋为单链
基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
（1）种类：质粒（独立于细菌拟核DNA之外的较小的环状DNA分子）、
噬菌体、动植物病毒等
（2）特点：
A.含有复制起点，能够独立自主复制并稳定存在
B.含有一种或多种限制酶的识别序列，方便外源基因插入载体中
C.具有筛选作用的标记基因，以便能够通过表型鉴别含有载体的细胞
D.对受体细胞无毒害作用，避免受体细胞受到损伤
拟核DNA
质粒
大肠杆菌细胞
标记基因的筛选原理
载体上的标记基因一般是某种抗生素的抗性基因，而受体细胞没有抵抗该抗生素的能力。将含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞，抗性基因在受体细胞内表达，受体细胞对该抗生素产生抗性。在含有该抗生素的培养基上，能够生存的是被导入了载体的受体细胞。如图所示：
1.质粒是基因工程中最常用的外源基因运载工具。下列有关叙述正确的是( )
A.质粒是只存在于细菌细胞质中能自主复制的小型环状双链DNA分子
B.在质粒上总能找到一个或多个限制酶切割位点
C.携带外源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,便于通过表型鉴别含有载体的细胞
D
2.下面是4种限制酶所识别的DNA分子序列和剪切位点图(↓表示剪切点,切出的断面为黏性末端)。
下列说法正确的是( )
A.在使用限制酶的同时还需要解旋酶
B.限制酶1和3剪切出的黏性末端相同
C.限制酶1、2、4识别的序列都是由4个脱氧核苷酸组成
D.限制酶1和2切割形成的DNA片段可通过T4 DNA连接酶拼接
B
3.在基因工程中,需使用特定的限制酶切割目的基因和质粒,便于重组和筛选。已知限制酶Ⅰ的识别序列和切割位点是 ,限制酶Ⅱ的识别序列和切割位点是 。根据下图判断,下列操作正确的是( )
A.目的基因和质粒均用限制酶Ⅱ切割
B.目的基因和质粒均用限制酶Ⅰ切割
C.质粒用限制酶Ⅱ切割,目的基因用
限制酶Ⅰ切割
D.质粒用限制酶Ⅰ切割,目的基因用
限制酶Ⅱ切割
D
注意的事项
(1)获取目的基因和切割载体时, 通常使用同种限制酶, 目的是 。但是使用该法缺点是容易发生 ，为了避免上述情况发生,可采取的措施是:
.
(2)获取一个目的基因需限制酶切割 次,共产生 个游离的磷酸基团。
为了产生相同的黏性末端，便于连接
两
4
分别使用两种限制酶去切割目的基因和运载体
目的基因、质粒的自身环化以及目的基因与质粒反向连接
DNA的粗提取与鉴定
一、实验原理：
1．提取DNA的原理
①用SDS处理材料，能使核蛋白变性并与DNA分离；EDTA能抑制DNA酶活性，防止核DNA被酶解。
②DNA在2mol/L的NaCl溶液中溶解度高，且Na+与DNA形成钠盐；DNA钠盐不溶于酒精而某些蛋白质能溶于酒精。
2．鉴定DNA的原理
在沸水浴的条件下，DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。
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。
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。
二、材料用具
1.选材：
注意：
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
——含有NaCl、EDTA、SDS、Tris和HCl
——析出DNA
——溶解DNA
——鉴定DNA，要现配现用
三、方法步骤
1．利用动物细胞提取DNA破碎细胞的方法：动物细胞无细胞壁，可直接吸水涨破。
四、注意事项
2．提纯DNA时，选用体积分数为95%的冷酒精的原因：体积分数为95%的冷酒精提纯效果更佳。预冷的酒精具有以下优点：①可抑制核酸水解酶的活性，进而抑制DNA降解；②抑制分子运动，使DNA易形成沉淀析出；③低温有利于增加DNA分子的柔韧性，减少其断裂。
3.实验中出现的丝状物的主要成分是DNA，实际上每一根“丝”都是由许多DNA分子聚集在一起形成的，应用玻璃棒沿一个方向缓慢搅拌，避免破坏DNA。
4.为减少DNA的损失，过滤过程一般使用纱布过滤。
5.粗提取的DNA中可能含有少量的蛋白质等。
刑侦破案
拓展：DNA提取的应用
基因组测序
插入人胰岛素基因的大肠杆菌
基因工程
亲子鉴定
4、以洋葱为材料进行DNA的粗提取与鉴定实验，相关叙述错误的是( )
A.可将洋葱换成哺乳动物的血液进行该实验
B.向含DNA的滤液中加入2 mol/L的NaCl溶液，有利于去除杂质
C.向含DNA的滤液中加入预冷的体积分数为95%的酒精溶液，有利于获得较纯净的DNA
D.用二苯胺试剂鉴定DNA时进行沸水浴，有利于显色反应的发生
A
4.1基因工程赋予生物新的遗传特性
据英国媒体报道，英国和意大利的研究人员将提取自金鱼草的两种特殊基因植入了西红柿的基因中，并令其具有了产生花青素的能力。植物中的花青素是一种类黄酮类抗氧化剂，此前的研究已经证实，它能够对抗癌症、心血管疾病和身体机能退化，对于炎症、肥胖和糖尿病也有预防作用。
在基因改造的过程中，西红柿也从我们常见的红色变成了紫色。
那么，什么是基因改造？
指有意识地把一个人们所需要的基因转入另一个生物体中，使后者获得新的遗传性状或表达所需要产物的技术，其核心是构建重组的DNA分子，也称为重组DNA技术。
基因工程
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，更需专门的“分子工具”。
工具
分子手术刀
分子缝合针
分子运输车
限制性内切核酸酶：
DNA连接酶：
载体：
准确切割DNA分子
将DNA片段连接起来
将体外重组好的DNA分子导入受体细胞
（1）来源: 从微生物(主要是原核生物)体内分离出来
（2）作用: 能够识别双链DNA上特定的一小段核苷酸序列，并催化其中特 定的两个核苷酸之间的磷酸二酯键水解，使得DNA双链在特定的位置断开，因此具有专一性。
（3）种类：约4000种
限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
（4）切割部位：
磷酸二酯键 （消耗水）
切点
呈现碱基互补对称，无论是6个碱基还是4个碱基，都可以找到一条中心轴线，中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的 ，称为回文序列。即在切割部位，一条链正向读的碱基顺序与另一条链反向读的顺序完全一致。（5）识别序列特点：
在G与A之间切割
大肠杆菌的一种限制酶(EcoRⅠ)只能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。
（6）作用结果
黏性末端
黏性末端
被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，他们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。
（6）作用结果
SmaI只能识别CCCGGG序列，并在C和G之间切开。
在G与C之间切割
（6）作用结果
平末端 平末端
当限制酶从识别序列的中心轴线处切开时，切开的DNA两条单链的切口，是平整的，这样的切口叫平末端。
（6）作用结果
限制酶存在于原核生物中的作用是什么
1、原核生物容易受到外源DNA的入侵
2、限制酶的作用:切割外源DNA,使之失效
3、保证自身的安全
限制酶为什么不会剪切原核生物本身的DNA
1、微生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制,对于外源 入侵的DNA可以降解掉。
2、生物在长期演化过程中,含有某种限制酶的细胞，其DNA分子中或者不具备这种限制酶的识别切割序列。
3、DNA分子被修饰（甲基化），使限制酶不能将其切开
DNA连接酶——“分子缝合针”
1、作用：通过作用形成磷酸二酯键，能将不同来源的DNA片段连接成一个重组DNA分子。
2、分类：
种类 E·coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶
来源
功能特性
相同点 大肠杆菌
T4噬菌体
只能将具有互补黏性末端的DNA片段连接起来，不能连接具有平末端的DNA片段
既可以连接双链DNA片段互补的黏性末端，又可以连接双链DNA片段的平末端（但连接平末端的效率相对较低）
恢复的都是磷酸二酯键
两DNA片段要具有互补的黏性末端才能拼起来
可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，
注意：DNA连接酶可连接双链DNA中的两条单链缺口，但不能连接单链DNA！
磷酸二酯键
与DNA相关的几种酶的比较
项目 DNA连接酶 限制酶 DNA聚合酶 解旋酶
作用部位 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 氢键
作用对象 DNA片段 DNA 单个的脱氧核苷酸 DNA
作用结果 将两个DNA片段连接成完整的DNA分子 切割DNA分子 将单个的脱氧核苷酸连接到DNA单链末端 将双链DNA分子局部解旋为单链
基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
（1）种类：质粒（独立于细菌拟核DNA之外的较小的环状DNA分子）、
噬菌体、动植物病毒等
（2）特点：
A.含有复制起点，能够独立自主复制并稳定存在
B.含有一种或多种限制酶的识别序列，方便外源基因插入载体中
C.具有筛选作用的标记基因，以便能够通过表型鉴别含有载体的细胞
D.对受体细胞无毒害作用，避免受体细胞受到损伤
拟核DNA
质粒
大肠杆菌细胞
标记基因的筛选原理
载体上的标记基因一般是某种抗生素的抗性基因，而受体细胞没有抵抗该抗生素的能力。将含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞，抗性基因在受体细胞内表达，受体细胞对该抗生素产生抗性。在含有该抗生素的培养基上，能够生存的是被导入了载体的受体细胞。如图所示：
1.质粒是基因工程中最常用的外源基因运载工具。下列有关叙述正确的是( )
A.质粒是只存在于细菌细胞质中能自主复制的小型环状双链DNA分子
B.在质粒上总能找到一个或多个限制酶切割位点
C.携带外源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,便于通过表型鉴别含有载体的细胞
D
2.下面是4种限制酶所识别的DNA分子序列和剪切位点图(↓表示剪切点,切出的断面为黏性末端)。
下列说法正确的是( )
A.在使用限制酶的同时还需要解旋酶
B.限制酶1和3剪切出的黏性末端相同
C.限制酶1、2、4识别的序列都是由4个脱氧核苷酸组成
D.限制酶1和2切割形成的DNA片段可通过T4 DNA连接酶拼接
B
3.在基因工程中,需使用特定的限制酶切割目的基因和质粒,便于重组和筛选。已知限制酶Ⅰ的识别序列和切割位点是 ,限制酶Ⅱ的识别序列和切割位点是 。根据下图判断,下列操作正确的是( )
A.目的基因和质粒均用限制酶Ⅱ切割
B.目的基因和质粒均用限制酶Ⅰ切割
C.质粒用限制酶Ⅱ切割,目的基因用
限制酶Ⅰ切割
D.质粒用限制酶Ⅰ切割,目的基因用
限制酶Ⅱ切割
D
注意的事项
(1)获取目的基因和切割载体时, 通常使用同种限制酶, 目的是 。但是使用该法缺点是容易发生 ，为了避免上述情况发生,可采取的措施是:
.
(2)获取一个目的基因需限制酶切割 次,共产生 个游离的磷酸基团。
为了产生相同的黏性末端，便于连接
两
4
分别使用两种限制酶去切割目的基因和运载体
目的基因、质粒的自身环化以及目的基因与质粒反向连接
DNA的粗提取与鉴定
一、实验原理：
1．提取DNA的原理
①用SDS处理材料，能使核蛋白变性并与DNA分离；EDTA能抑制DNA酶活性，防止核DNA被酶解。
②DNA在2mol/L的NaCl溶液中溶解度高，且Na+与DNA形成钠盐；DNA钠盐不溶于酒精而某些蛋白质能溶于酒精。
2．鉴定DNA的原理
在沸水浴的条件下，DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。
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。
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。
二、材料用具
1.选材：
注意：
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
——含有NaCl、EDTA、SDS、Tris和HCl
——析出DNA
——溶解DNA
——鉴定DNA，要现配现用
三、方法步骤
1．利用动物细胞提取DNA破碎细胞的方法：动物细胞无细胞壁，可直接吸水涨破。
四、注意事项
2．提纯DNA时，选用体积分数为95%的冷酒精的原因：体积分数为95%的冷酒精提纯效果更佳。预冷的酒精具有以下优点：①可抑制核酸水解酶的活性，进而抑制DNA降解；②抑制分子运动，使DNA易形成沉淀析出；③低温有利于增加DNA分子的柔韧性，减少其断裂。
3.实验中出现的丝状物的主要成分是DNA，实际上每一根“丝”都是由许多DNA分子聚集在一起形成的，应用玻璃棒沿一个方向缓慢搅拌，避免破坏DNA。
4.为减少DNA的损失，过滤过程一般使用纱布过滤。
5.粗提取的DNA中可能含有少量的蛋白质等。
刑侦破案
拓展：DNA提取的应用
基因组测序
插入人胰岛素基因的大肠杆菌
基因工程
亲子鉴定
4、以洋葱为材料进行DNA的粗提取与鉴定实验，相关叙述错误的是( )
A.可将洋葱换成哺乳动物的血液进行该实验
B.向含DNA的滤液中加入2 mol/L的NaCl溶液，有利于去除杂质
C.向含DNA的滤液中加入预冷的体积分数为95%的酒精溶液，有利于获得较纯净的DNA
D.用二苯胺试剂鉴定DNA时进行沸水浴，有利于显色反应的发生
A
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