高中生物选修3 答案与提示（2020年8月整理）.pdf

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1、一 寸 光 阴 不 可 轻 1 高中生物选修 3 答案与提示 专题 1 基因工程 1.1 DNA 重组技术的基本工具 一、学习目标 1.简述 DNA 重组技术所需三种基本工具的作用。 2.认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。 二、学习重点和难点 1.学习重点：DNA 重组技术所需的三种基本工具的作用。 2.学习难点：基因工程载体需要具备的条件。 三、答案与提示 （一）思考与探究 2.联系你已有的知识，想一想，为什么细菌中限制酶不剪切细菌本身的 DNA？ 提示：迄今为止，基因工程中使用的限制酶绝大部分都是从细菌或霉菌中提取出来的，它们 各自可以识别和切断 DNA 上特定的碱基序列。

2、细菌中限制酶之所以不切断自身 DNA，是因 为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。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， 或者通过甲基化酶将甲基转移到所识别序列的碱基上， 使限制酶不能将 其切开。这样，尽管细菌中含有某种限制酶也不会使自身的 DNA 被切断，并且可以防止外 源 DNA 的入侵（本题不要求学生回答的完全，教师可参考教师用书中的提示，根据学生的 具体情况，给予指导。上述原则也应适用于其他章节中有关问题的回答。 ） 。 3.天然的 DNA 分子可以直接用做基因工程载体吗？

3、为什么？ 提示：基因工程中作为载体使用的 DNA 分子很多都是质粒（plasmid） ，即独立于细菌拟核处 染色体 DNA 之外的一种可以自我复制、双链闭环的裸露的 DNA 分子。是否任何质粒都可以 作为基因工程载体使用呢？其实不然，作为基因工程使用的载体必需满足以下条件。 （1） 载体 DNA 必需有一个或多个限制酶的切割位点， 以便目的基因可以插入到载体上去。 这些供目的基因插入的限制酶的切点所处的位置， 还必须是在质粒本身需要的基因片段之外， 这样才不至于因目的基因的插入而失活。 （2） 载体 DNA 必需具备自我复制的能力， 或整合到受体染色体 DNA 上随染色体 DNA 的复 制而同

4、步复制。 （3） 载体 DNA 必需带有标记基因，以便重组后进行重组子的筛选。 （4） 载体 DNA 必需是安全的，不会对受体细胞有害，或不能进入到除受体细胞外的其他 生物细胞中去。 （5） 载体 DNA 分子大小应适合，以便提取和在体外进行操作，太大就不便操作。 实际上 自然存在的质粒 DNA 分子并不完全具备上述条件，都要进行人工改造后才能用于基因工程 操作。 4.网上查询：DNA 连接酶有连接单链 DNA 的本领吗？ 提示：迄今为止，所发现的 DNA 连接酶都不具有连接单链 DNA 的能力，至于原因，现在还 不清楚，也许将来会发现可以连接单链 DNA 的酶。 （二）寻根问底 1.根据你所

5、掌握的知识，你能分析出限制酶存在于原核生物中的作用是什么吗？ 提示：原核生物容易受到自然界外源 DNA 的入侵，但是，生物在长期的进化过程中形成了 一套完善的防御机制，以防止外来病原物的侵害。限制酶就是细菌的一种防御性工具，当外 源 DNA 侵入时，会利用限制酶将外源 DNA 切割掉，以保证自身的安全。所以，限制酶在原 核生物中主要起到切割外源 DNA、使之失效，从而达到保护自身的目的。 一 寸 光 阴 不 可 轻 2 2. DNA 连接酶与 DNA 聚合酶是一回事吗？为什么？ 答：不是一回事。基因工程中所用的连接酶有两种：一种是从大肠杆菌中分离得到的，称之 为 Ecoli 连接酶。另一种是从

6、 T4 噬菌体中分离得到，称为 T4 连接酶。这两种连接酶催化 反应基本相同， 都是连接双链 DNA 的缺口 （nick） ， 而不能连接单链 DNA。 DNA 连接酶和 DNA 聚合酶都是形成磷酸二酯键 （在相邻核苷酸的 3 位碳原子上的羟基与 5 位碳原子上所连磷酸 基团的羟基之间形成） ，那么，二者的差别主要表现在什么地方呢？ （1）DNA 聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核酸片段的 3末端的羟基上，形成磷酸二 酯键；而 DNA 连接酶是在两个 DNA 片段之间形成磷酸二酯键，不是在单个核苷酸与 DNA 片段之间形成磷酸二酯键。 （2） DNA 聚合酶是以一条 DNA 链为模板， 将单个

7、核苷酸通过磷酸二酯键形成一条与模板链 互补的 DNA 链；而 DNA 连接酶是将 DNA 双链上的两个缺口同时连接起来。因此 DNA 连接 酶不需要模板。 此外，二者虽然都是由蛋白质构成的酶，但组成和性质各不相同。 （三）模拟制作讨论题 1. 你模拟插入的 DNA 片段能称得上一个基因吗？ 提示：不能。因为一般基因有上千个碱基对。 2. 如果你操作失误，碱基不能配对。可能是什么原因造成的？ 提示：可能是剪切位点或连接位点选得不对（也可能是其他原因） 。 （四）旁栏思考题 想一想，具备什么条件才能充当“分子运输车”？ 提示：能自我复制、有一个或多个切割位点、有标记基因位点及对受体细胞无害等。 四

8、、知识拓展 1.限制酶所识别的序列有什么特点？ 限制酶所识别的序列，无论是 6 个碱基还是 4 个碱基，都可以找到一条中心轴线（图 1-1） ， 中轴线两侧的双链 DNA 上的碱基是反向对称重复排列的。 图 1-1 限制酶识别序列的中心轴线 2.限制酶在 DNA 的任何部位都能将 DNA 切开吗？ 任何一种限制酶都只识别和切断特定的核苷酸序列，这是由限制酶的性质所决定的。 3.DNA 连接酶连接的是什么部位？ DNA 连接酶是将一段 DNA 片段 3端的羟基与另一 DNA 片段 5端磷酸基团上的羟基连接 起来形成酯键，而不是连接互补碱基之间的氢键。 1.2 基因工程的基本操作程序 一、学习目标

9、 1.简述基因工程原理及基本操作程序。 2.尝试设计某一转基因生物的研制过程。 二、 学习重点和难点 1. 学习重点：基因工程基本操作程序的四个步骤。 2. 学习难点： （1）从基因文库中获取目的基因。 （2）利用 PCR 技术扩增目的基因。 三、 答案和提示 （一）思考与探究 1.作为基因工程表达载体，只需含有目的基因即可完成任务吗？为什么？ 答：不可以。因为目的基因在表达载体中得到表达并发挥作用，还需要有其他控制元件，如 一 寸 光 阴 不 可 轻 3 启动子、终止子和标记基因等。必须构建上述元件的主要理由是： （1） 生物之间进行基因交流， 只有使用受体生物自身基因的启动子才能比较有利于

10、基因的 表达； （2） 通过cDNA文库获得的目的基因没有启动子， 只将编码序列导入受体生物中无法转录； （3） 目的基因是否导入受体生物中需要有筛选标记； （4） 为了增强目的基因的表达水平，往往还要增加一些其他调控元件，如增强子等； （5） 有时需要确定目的基因表达的产物存在于细胞的什么部位， 往往要加上可以标识存在 部位的基因（或做成目的基因与标识基因的融合基因） ，如绿色荧光蛋白基因等。 2.根据农杆菌可将目的基因导入双子叶植物的机理， 你能分析出农杆菌不能将目的基因导入 单子叶植物的原因吗？若想将一个抗病基因导入单子叶植物，如小麦，从理论上说，你应该 如何做？ 提示：农杆菌可分为根瘤

11、农杆菌和发根农杆菌，在植物基因工程中以根瘤农杆菌的 Ti 质粒 介导的遗传转化最多。 根瘤农杆菌广泛存在于双子叶植物中。 据不完全统计， 约有 93 属 643 种双子叶植物对根瘤农杆菌敏感。 裸子植物对该菌也敏感。 当这些植物被该菌侵染后会诱发 肿瘤。近年来，也有报道该菌对单子叶植物也有侵染能力。 根瘤农杆菌侵染植物是一个非常复杂的过程。 根瘤农杆菌具有趋化性， 即植物的受伤组织会 产生一些糖类和酚类物质吸引根瘤农杆菌向受伤组织集中。 研究证明， 主要酚类诱导物为乙 酰丁香酮和羧基乙酰丁香酮， 这些物质主要在双子叶植物细胞壁中合成， 通常不存在于单子 叶植物中，这也是单子叶植物不易被根瘤农杆

12、菌侵染的原因。近年来还发现一些中性糖，如 L-阿拉伯糖、 D-木糖等也有诱导作用。 酚类物质和糖类物质既可以作为根瘤农杆菌的趋化物， 又可以作为农杆菌中 Ti 质粒上 Vir 区 （毒性区） 基因的诱导物， 使 Vir 区基因活化， 导致 T-DNA 的加工和转移，从而侵染植物细胞。 需要注意的是农杆菌中不同的菌株，侵染能力有差别，在基因工程中需要加以选择使用。利 用农杆菌侵染单子叶植物进行遗传转化时， 是需要加上述酚类物质的， 同时单子叶植物种类 不同，农杆菌侵染进行遗传转化的效果也有很大差异。 如果想将一个抗病毒基因转入小麦，也可以用农杆菌，但要注意两点：要选择合适的农杆 菌菌株，因为不是

13、所有的农杆菌菌株都可以侵染单子叶植物；要加趋化和诱导的物质，一 般为乙酰丁香酮等，目的是使农杆菌向植物组织的受伤部位靠拢（趋化性）和激活农杆菌的 Vir 区（诱导）的基因，使 T-DNA 转移并插入到染色体 DNA 上。 3.利用大肠杆菌可以生产出人的胰岛素，联系前面有关细胞器功能的知识，结合基因工程操 作程序的基本思路，思考一下，若要生产人的糖蛋白，可以用大肠杆菌吗？ 提示： 有些蛋白质肽链上有共价结合的糖链， 这些糖链是在内质网和高尔基复合体上加工完 成的，内质网和高尔基复合体存在于真核细胞中，大肠杆菌不存在这两种细胞器，因此，在 大肠杆菌中生产这种糖蛋白是不可能的。 4.-珠蛋白是动物血

14、红蛋白的重要组成成分。 当它的成分异常时， 动物有可能患某种疾病， 如镰刀形细胞贫血症。假如让你用基因工程的方法，使大肠杆菌生产出鼠的-珠蛋白，想 一想，应如何进行设计？ 提示：基本操作如下： （1）从小鼠中克隆出-珠蛋白基因的编码序列（cDNA） 。 （2）将 cDNA 前接上在大肠杆菌中可以适用的启动子，另外加上抗四环素的基因，构建成 一个表达载体。 （3）将表达载体导入无四环素抗性的大肠杆菌中，然后在含有四环素的培养基上培养大肠 杆菌。如果表达载体未进入大肠杆菌中，大肠杆菌会因不含有抗四环素基因而死掉；如果培 养基上长出大肠杆菌菌落，则表明-珠蛋白基因已进入其中。 一 寸 光 阴 不 可

15、 轻 4 （4）培养进入了-珠蛋白基因的大肠杆菌，收集菌体，破碎后从中提取-珠蛋白。 （二）求异思维 你能推测出由 mRNA 反转录形成 cDNA 的过程大致分为哪些步骤吗？ 提示：1970 年，特明（H.M. Temin）和巴尔的摩（D. Baltimore）证实了 RNA 病毒中含有一 种能将 RNA 转录成 DNA 的酶，这种酶被称为依赖 RNA 的 DNA 聚合酶，由于与中心法则中 的从 DNA 到 RNA 的转录是反向的，所以称为反转录酶（reverse transcriptase） 。 反转录酶既可以利用 DNA 又可以利用 RNA 作为模板合成与之互补的 DNA 链。像其他 DN

16、A 聚合酶一样，反转录酶也以 53方向合成 DNA（图 1-3） 。 图 1-3 由 mRNA 反转录形成 cDNA 的过程 cDNA 合成过程是：第一步，反转录酶以 RNA 为模板合成一条与 RNA 互补的 DNA 单链，形 成 RNA-DNA 杂交分子。第二步，核酸酶 H 使 RNA-DNA 杂交分子中的 RNA 链降解，使之变 成单链的 DNA。第三步，以单链 DNA 为模板，在 DNA 聚合酶的作用下合成另一条互补的 DNA 链，形成双链 DNA 分子。 （三）寻根问底 1.为什么要构建基因文库？直接从含有目的基因的生物体内提取不行吗？ 提示：构建基因文库是获取目的基因的方法之一，并不是惟一的方式。如果所需要的目的基 因序列已知，即可通过 PCR 方式从含有该基因的生物的 DNA 中，直接获得，也可以通过反 转录，用 PCR 方式从 mRNA 中获得，不一定要构建基因文库。但如果所需要的目的基因的 序列完全不知，或只知道目的基因序列的一段，或想从一种生物体内获得许多基因，或者想 知道这种生物与另一种生物之间有多少基因不同， 或者想知道一种生物在个体发育