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1、1.1 DNA重组技术的基本工具 教案 人教版选修3课标要求简述基因工程的诞生，简述基因工程的原理及技术。课标解读1结合酶的专一性特点，理解限制酶识别不同的DNA序列。2结合图示，掌握DNA连接酶的种类及作用的特点。3对比DNA重组技术所需的三种基本工具的作用。4理解基因工程载体需要具备的条件。教学地位本节内容系统的介绍了基因工程技术中采用的三种基本工具限制性核酸内切酶、DNA连接酶和载体。本节内容是课标要求“简述基因工程的原理及技术”的主要内容，也是学习基因工程的基本操作程序的基础。本节内容是高考中的常考内容，几乎涉及基因工程的高考题中，对本节内容均有考查。教法指导1基因工程属于科技含量较高
2、的生物技术，学生对此了解较少，如果采用直白、平淡的“介绍”式授课，不利于调动学生学习的积极性。可通过创设情景，提出问题，“诱导”学生积极参与教学活动。如对于基因工程需要的这三种基本工具的引入，教师可设问：外源基因能不能自动进入受体细胞？如果能进入，成功率如何？从而引出基因工程需要载体；载体是如何运载目的基因的，目的基因如何与载体结合？通过这些问题可相继引出其他的两种基本工具限制酶和DNA连接酶。2本节内容较为抽象，如果只是阅读文字叙述或者教师的“介绍”，学生很难理解。如限制酶的作用特点，学生对限制酶的切割位点、黏性末端、平末端等内容往往难以理解，因此在授课时要注意图文结合，通过示意图、DNA分
3、子的平面结构图等帮助学生在图中去理解相关内容，并要求学生根据理解画出相关的示意图。本部分内容在高考考查时往往结合示意图进行考查，因此要特别注意锻炼学生读图、识图的能力。新课导入建议1本专题导言中“能生产医用蛋白的烟草”可作为导入新课的背景材料，引导学生展开想象，体会基因工程技术的“魔力”，激发学生对基因工程技术的兴趣。2结合基因表达的内容，回忆基因与蛋白质之间的关系，引导学生了解基因工程的大体操作思路，作为学习基因工程的概念及基因工程的基本工具的铺垫。教学流程设计学生课前预习：阅读教材P17，填写【课前自主导学】，完成“思考交流1、2”。步骤2：根据创设的情景，引出基因工程的概念，并通过【课堂
4、互动探究】探究1分析、理解基因工程的概念。通过例1巩固、提高。步骤6：引导学生通过合作，整理本节重点、难点内容，利用【本课知识小结】进行总结，建立知识网络。理解并记忆【结论语句】。步骤5：回扣基础知识，将检查、批阅【课前自主导学】时学生出错较多的部分进行强化，重点对【正误判断】部分进行辨析。步骤4：结合教材图示，通过【课堂互动探究】探究2帮助学生认识限制酶、DNA连接酶的作用特点及载体的功能、应具备的条件等。利用例2验收、巩固。课标解读重点难点1.结合酶的专一性特点，理解限制酶识别不同的DNA序列。2.结合图示，掌握DNA连接酶的种类及作用的特点。3.对比DNA重组技术所需三种基本工具的作用。
5、4.理解基因工程载体需要具备的条件。1.限制性核酸内切酶的种类及作用。(重点)2.DNA连接酶的作用。(重点)3.基因工程运载体的种类及应具备的条件。(难点)基因工程的概念1.操作意图：按照人们的愿望，进行严格的设计。2操作场所：在生物体外进行。3操作技术：利用了体外DNA重组和转基因等技术。4操作结果：赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。5操作水平：是在DNA分子水平上进行设计和施工的。DNA重组技术的基本工具1.限制性核酸内切酶“分子手术刀”(1)主要来源：原核生物。(2)作用：能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列并且能使每一条链中特定部位的两
6、个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。(3)结果：形成DNA片段末端。限制酶切割DNA分子产生的DNA片段末端有两种形式，即黏性末端和平末端。2DNA连接酶“分子缝合针”(1)作用：将切下的双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的磷酸二酯键，拼接成新的DNA分子。(2)种类：Ecoli DNA连接酶：从大肠杆菌中分离得到，只连接双链DNA片段互补的黏性末端。T4DNA连接酶：从T4噬菌体中分离出来，对于两种末端都能连接，但对平末端的连接效率比较低。1DNA连接酶连接的是哪种化学键？【提示】DNA连接酶连接形成的是磷酸二酯键。3基因进入受体细胞的载体“分子运输车”(1)载体的条件能够在细胞中自我复
7、制。有一个至多个限制酶切割位点，便于外源基因的插入。具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。(2)载体的种类质粒是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的很小的双链环状DNA分子。含有一个至多个限制酶切割位点，供外源基因插入其中，并带有特殊的标记基因，是基因工程最常用的载体。噬菌体的衍生物。动植物病毒。2如果受体细胞分别是动物细胞和细菌，所用的载体相同吗？【提示】不相同。动物细胞是真核细胞，一般用动物病毒做载体；细菌是原核生物，一般用质粒做载体。1限制性核酸内切酶能识别特定的核苷酸序列。()2天然的质粒可直接用作基因工程的载体。()【提示】天然的质粒DNA分子并不完
8、全具备载体的条件，需经人工改造后才能用于基因工程操作。3限制性核酸内切酶与DNA连接酶作用位点相同，作用结果相反。()4限制酶、DNA连接酶和载体是基因工程中常用的工具酶。()【提示】载体不是酶。5基因工程中的载体与细胞膜上的载体本质相同。()【提示】基因工程中的载体是DNA分子，是运输目的基因的工具；细胞膜上的载体是蛋白质，运输无机盐离子或小分子有机物等。6不同限制酶的识别序列不同，这属于酶的专一性特点。()基因工程概念的理解【问题导思】如何理解基因工程的概念？为什么不同生物的DNA分子能够重组？1对概念的分析应用技术DNA重组、转基因等技术操作环境生物体外操作对象基因操作水平DNA分子水平
9、基本过程剪切拼接导入表达结果人类需要的基因产物2.从结构上分析，不同生物的DNA能够重组的原因(1)基本单位相同：不同生物的DNA分子都是由脱氧核苷酸构成的。(2)空间结构相同：不同生物的DNA分子都是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链形成的规则的双螺旋结构。(3)碱基配对方式相同：不同生物的DNA分子中两条链之间的碱基配对方式均是A与T配对，G与C配对。基因工程依据的原理是基因重组，这里的基因重组是指将来源不同的DNA分子进行“拼接”，与有性生殖过程中的基因重组不同。(2012济宁高二检测)下列叙述符合基因工程概念的是()AB淋巴细胞与肿瘤细胞融合，杂交瘤细胞中含有B淋巴细胞中的抗体基因B将人的
10、干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株C用紫外线照射青霉菌，使其DNA发生改变，通过筛选获得青霉素高产菌株D自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上【审题导析】本题的关键是“符合基因工程的概念”，需将选项中描述的内容与基因工程的概念比较，选出符合题意的选项。【精讲精析】基因工程是通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，是在DNA分子水平上的设计和施工，所以B项正确。A项描述的过程不涉及“转基因”技术，属于细胞工程；C项属于诱变育种；D项是自然条件下的基因重组，没有人为参与。【答案】B基因工程的工具【问题导思】基因工程中各种工具的具
11、体作用有哪些？各种工具有什么作用特点？1限制性核酸内切酶(1)功能：识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列，并切割特定序列中的特定位点。如EcoR限制酶识别的特定序列为GAATTC，切割的特定位点是GA之间的磷酸二酯键。(2)识别序列的特点：呈现碱基互补对称，无论是奇数个碱基还是偶数个碱基，都可以找到一条中心轴线，如图，中心轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。如：|以中心线为轴，两侧碱基互补对称；以为轴，两侧碱基互补对称。(3)作用结果：DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式黏性末端和平末端。当限制酶在它识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开时，产生的是黏
12、性末端；而当限制酶在它识别序列的中心轴线处切开时，产生的则是平末端(如下图)。2DNA连接酶(1)两类DNA连接酶的比较种类Ecoli DNA连接酶T4 DNA连接酶来源大肠杆菌T4噬菌体功能特性只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间的磷酸二酯键连接起来缝合两种末端，但连接平末端之间的效率较低相同点都能缝合磷酸二酯键(如图)(2)DNA连接酶与限制性核酸内切酶的比较区别作用应用限制性核酸内切酶使特定部位的磷酸二酯键断裂用于提取目的基因和切割载体DNA连接酶在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键用于目的基因和载体的连接联系(3)DNA连接酶与DNA聚合酶比较DNA连接酶DNA聚合酶相同点催化两个脱氧
13、核苷酸之间形成磷酸二酯键不同点模板不需要模板需要DNA的一条链为模板作用对象游离的DNA片段单个的脱氧核苷酸作用结果形成完整的DNA分子形成DNA的一条链用途基因工程DNA复制3.载体(1)功能：作为运载工具将目的基因转运到宿主细胞内。利用它在受体细胞内对目的基因进行大量复制。(2)质粒作为运载体应具备的条件：能在受体细胞内稳定保存并大量复制。有多个限制酶切割位点，以便与外源基因连接。具有某些标记基因，以便进行筛选。载体应对受体细胞无毒害作用，否则受体细胞将受到损伤甚至死亡。几种酶的作用部位图解1作用于a(磷酸二酯键)的酶有：限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶。2作用于b(氢键)的酶只有解旋酶
14、。下图表示两种限制性核酸内切酶识别DNA分子的特定序列，并在特定位点对DNA进行切割的示意图，请回答以下问题：(1)图中甲和乙代表_。(2)图中甲和乙经过相应操作均形成两个片段，切口的类型分别为_、_。甲中限制酶的切点是_之间，乙中限制酶的切点是_之间。(3)由图解可以看出，限制酶的作用特点是_。(4)如果甲中G碱基发生基因突变，可能发生的情况是_。(5)基因工程中除了限制酶，还需使用的工具酶及作用是_。【审题导析】(1)限制酶EcoR和Hpa特异性识别的碱基序列分别是GAATTC和GTTAAC。(2)两酶切割DNA后，切口的类型分别为黏性末端和平末端。(3)载体是基因工程的工具，但不是工具酶
15、。【精讲精析】从图解可以看出，甲和乙代表的是不同的DNA片段，在相应的限制酶(EcoR、Hpa)的作用下，在特定的位点被剪切成两部分。前者是在识别序列的中心轴线两侧分别切开，形成的末端是黏性末端；后者是在识别序列的中心轴线处切开，形成的末端是平末端。【答案】(1)有特殊脱氧核苷酸序列的DNA片段(2)黏性末端平末端G、AA、T(3)能识别双链DNA分子的特定脱氧核苷酸序列，并从特定的位点将DNA分子切开(4)限制酶不能识别切割位点(5)DNA连接酶，作用是将切下来的片段拼接成新的DNA分子本 课 知 识 小 结网 络 构 建,基因工程的基本工具)结 论 语 句1由于基因工程是在DNA分子水平上
16、进行设计和施工的，因此又叫做DNA重组技术。基因工程的基本原理是基因重组，处理对象是DNA或基因。2基因工程的基本工具：“分子手术刀”限制性核酸内切酶；“分子缝合针”DNA连接酶；“分子运输车”基因进入受体细胞的载体。3限制性核酸内切酶是能够特异性识别和切割DNA分子的酶，又叫限制酶。限制性核酸内切酶切割DNA分子可产生黏性末端和平末端。4DNA连接酶将双链DNA片断“缝合”起来，恢复被限制酶切开的两个磷酸二酯键。Ecoli DNA连接酶能连接黏性末端，T4DNA连接酶既可“缝合”黏性末端，又可“缝合”平末端。5载体的作用是与含有外源基因(即目的基因)的DNA片段结合，将外源基因导入受体细胞中
17、。1(2012东营高二期中)科学家们经过多年的努力，创立了一种新兴生物技术基因工程，实施该工程的最终目的是()A定向提取生物体的DNA分子B定向地对DNA分子进行人工“剪切”C在生物体外对DNA分子进行改造D定向地改造生物的遗传性状【解析】基因工程的定义就是在生物体外通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需的基因产物，也就定向地改造了生物的遗传性状。【答案】D2在基因工程中，科学家所用的“剪刀”“针线”和“载体”分别是指()A大肠杆菌病毒、质粒、DNA连接酶B噬菌体、质粒、DNA连接酶
18、C限制酶、RNA连接酶、质粒D限制酶、DNA连接酶、质粒【解析】基因工程是在分子水平上的操作，对DNA分子进行操作的工具，主要有“剪刀”限制酶、“针线”DNA连接酶、“载体”质粒、动植物病毒等。【答案】D3下列有关基因工程中限制性核酸内切酶的描述，错误的是()A一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列B限制性核酸内切酶的活性受温度的影响C限制性核酸内切酶能识别和切割RNAD限制性核酸内切酶可从原核生物中提取【解析】酶的活性受到温度和pH的影响；限制性核酸内切酶的特点是一种限制酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列，并在特定的位点切割DNA分子。限制性核酸内切酶主要是从原核生物体内分离出
19、来的。【答案】C4(2013上海高二月考)下列哪项不是基因工程中经常使用的运载目的基因的载体()A细菌质粒B噬菌体C细菌核区中的DNA D动植物病毒【解析】细菌核区中的DNA是大型环状DNA，属拟核，不宜做载体；常用载体为细菌质粒、噬菌体以及动植物病毒等。【答案】C5一DNA分子碱基对序列片段为：，有一种酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间将DNA分子切开。回答下列问题。(1)该酶破坏的是哪种化学键？_。该酶的名称叫_。(2)DNA分子经该种酶切割产生的DNA分子片段末端通常有两种形式，上述DNA分子经切割后形成的末端是哪一种？_。(3)若想把切口重新连接起来，则需要用_酶，根据酶的来源不同，可以将这些酶分为两类，该题中应该用哪一类？_。【解析】(1)限制酶破坏DNA分子中的磷酸二酯键。(2)DNA分子被限制酶切割后可形成黏性末端或平末端，此片段切割后形成黏性末端。(3)DNA连接酶可以修复被限制酶切开的磷酸二酯键，能连接黏性末端的有Ecoli DNA连接酶和T4 DNA连接酶。【答案】(1)磷酸二酯键限制酶(2)黏性末端(3)DNA连接Ecoli DNA连接酶或T4 DNA连接酶
