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1、1第第 1 1 课时课时 基因工程的发展历程和工具基因工程的发展历程和工具学习目标 1.说出基因工程诞生的理论与实践依据、发展阶段和基因工程的含义及主要实验成果。2.举例说出限制性核酸内切酶的作用、特点。3.举例说出 DNA 连接酶的作用。4.简述质粒的含义、特性及其在基因工程中的作用一、基因工程的发展历程1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，正是这些学科的基础理论和相关技术的发展催生了基因工程。阅读教材，填写下表：年份科学家主要成就1953沃森和克里克建立了 DNA 分子双螺旋结构模型1957科恩伯格及其合作者在大肠杆菌中发现了 DNA 聚合酶梅塞尔森和斯塔尔
2、发现了 DNA 半保留复制的机理 1958克里克提出了描述遗传信息流向的中心法则19611966尼伦伯格和霍拉纳等成功破译全部 64 种遗传密码罗思和赫林斯基发现具有自我复制能力的质粒 1967其他科学家在大肠杆菌细胞中发现了 DNA 连接酶特明和巴尔的摩各自在 RNA 病毒中发现了逆转录酶 1970史密斯等分离到第一种特异性很强的限制性核酸内切酶1977桑格测定噬菌体 X174 的基因组序列2.我国拥有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。培育抗虫棉首先要在体外对含有抗虫基因的 DNA 分子进行“剪切”和“拼接” ，然后导入棉花体细胞内，并使重组 DNA 在细
3、胞中表达(如图)。由上述资料填写下表，理解基因工程的概念。操作对象基因(DNA)2操作环境生物体外操作水平DNA 分子水平技术手段DNA 重组和转基因等技术目的创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品3.分析 DNA 的平面结构，回答问题：(1)配对的碱基之间是如何连接的？什么条件会使该类化学键发生断裂？答案 碱基配对时，A 与 T 之间形成两个氢键，G 与 C 之间形成三个氢键。可用解旋酶断裂，也可高温断裂。(2) 磷酸与脱氧核糖是如何连接的？该化学键的名称是什么？答案 每个脱氧核糖上连接着 2 个磷酸，分别在 3 号、5 号碳原子上。磷酸与脱氧核糖之间的化学键为磷酸二酯键。二、基因工程
4、的工具酶1 “分子手术刀”限制性核酸内切酶(限制酶)(1)限制酶主要来源于什么生物？大约有多少种？答案 主要是从近 300 种微生物中分离纯化出来的。迄今从微生物中分离出了约 4000 种限制酶。(2)限制酶的功能特点是什么？其作用部位是什么化学键？答案 特异性很高，能够识别 DNA 分子上特定的脱氧核苷酸序列，其作用部位是每条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。(3)限制酶所识别的序列有何特点？答案 大多数限制酶的识别序列由 6 个核苷酸组成，也有一些限制酶的识别序列由 4、5 或8 个核苷酸组成。识别序列中一般具有回文序列。(4)按照限制酶切割方式的不同，可分为错位切和平切两种。
5、前者切割后两个末端均会留下黏性末端，后者则形成平口末端。如图所示：32 “分子针线”DNA 连接酶(1)DNA 连接酶的作用是什么？答案 将双链 DNA 片段之间的磷酸二酯键连接起来。(2)试比较解旋酶、限制酶、DNA 连接酶和 DNA 聚合酶作用的异同。答案 解旋酶使 DNA 的氢键断开；限制酶使 DNA 的磷酸二酯键断开形成黏性末端或平口末端；DNA 连接酶使 DNA 片段之间重新形成磷酸二酯键；DNA 聚合酶则催化单个的脱氧核苷酸间形成磷酸二酯键聚合成 DNA 的一条链。如图所示：限制酶、DNA 连接酶和 DNA 聚合酶作用于a(磷酸二酯键)，解旋酶作用于 b(氢键)。三、 “分子搬运工
6、”载体1常用的载体有哪些？最常用的载体是什么？答案 质粒、 噬菌体的衍生物、动植物病毒等。其中最常用的载体是质粒。2什么是质粒？质粒属于细胞器吗？答案 质粒来源于许多细菌和酵母菌等生物，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环状 DNA 分子。质粒不属于细胞器，原核细胞只有核糖体一种细胞器。3结合课本内容及图示质粒结构，分析质粒作为载体应具备哪些条件？答案 (1)含有复制原点且能保证在受体细胞中进行独立复制的复制区；(2)独特的标记基因；(3)具有目的基因插入位点。4质粒上存在的标记基因有何用途？4答案 重组质粒上携带的标记基因进入受体细胞后，可通过标记基因进
7、行鉴定和选择。如被含抗生素抗性基因的重组质粒侵入的大肠杆菌，可产生对抗生素的抗性，能够在含有抗生素的培养基上产生菌落，而没有侵入该质粒的大肠杆菌不能存活。一、DNA 分子的“剪切”和“拼接”如图为 DNA 分子的切割和连接过程，据图回答下列问题。(1)EcoR是一种_酶，其识别序列是_，切割位点是_与_之间的_键。切割结果产生的 DNA末端片段形式为_。(2)不同来源的 DNA 片段结合，在这里需要的酶是_连接酶，此酶的作用是在_和_之间形成_键而起缝合作用的。还有一种连接平口末端的连接酶是_。答案 (1)限制性核酸内切 GAATTC 鸟嘌呤脱氧核苷酸 腺嘌呤脱氧核苷酸 磷酸二酯 黏性末端(2
8、)EcoliDNA 鸟嘌呤脱氧核苷酸 腺嘌呤脱氧核苷酸 磷酸二酯 T4DNA 连接酶解析 限制酶能识别特定的脱氧核苷酸序列(碱基序列)，并使两个特定核苷酸之间的磷酸二酯键断裂，DNA 连接酶的作用是将不同来源的 DNA 片段连接起来。二、 “分子搬运工”载体在基因工程中，需要使用限制酶切割目的基因和质粒，便于重组和筛选。已知限制酶的识别序列和切点是GGATCC，限制酶的识别序列和切点是GATC。5(1)上述质粒用限制酶_切割，目的基因用限制酶_切割。(2)将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，还要加入适量的_。(3)请指出质粒上至少要有一个标记基因的理由：_。(4)不同生物的基因可以拼接的结构
9、基础是_。(5)酶切产物用 DNA 连接酶连接后，其中由两个 DNA 片段之间连接形成的产物有_、_、_三种。答案 (1) (2)DNA 连接酶 (3)检测重组质粒(或目的基因)是否导入受体细胞(4)DNA 结构基本相同(其他合理答案亦可)(5)目的基因载体连接物 载体载体连接物 目的基因目的基因连接物1下图表示一项重要的生物技术，对图中物质 a、b、c、d 的描述，正确的是( )A通常情况下，a 与 d 需要用同一种限制酶进行切割Bb 能识别特定的核苷酸序列，并将 A 与 T 之间的氢键切开Cc 连接双链间的 A 和 T，使黏性末端处碱基互补配对Db 代表的是限制性核酸内切酶，c 代表的是
10、RNA 聚合酶答案 A解析 b 是限制性核酸内切酶，能识别特定的脱氧核苷酸序列并使 DNA 分子的每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，而不是使氢键断开；c 是 DNA 连接酶，能连接两个 DNA 片段。2关于限制酶识别序列和切开部位的特点，叙述错误的是( )A所识别的序列都可以找到一条中轴线B中轴线两侧的双链 DNA 上的碱基是反向对称重复排列的6C只识别和切割特定的脱氧核苷酸序列D在任何部位都能将 DNA 切开答案 D解析 一种限制酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列，并且能在特定的位点上切割 DNA 分子。3质粒之所以能做基因工程的载体，是由于它( )A含蛋白质，从而能完成生
11、命活动B能够自我复制，且能保持连续性C含 RNA，能够指导蛋白质的合成D具有环状结构，能够携带目的基因答案 B解析 质粒存在于细菌和酵母菌等微生物中，是一种很小的环状 DNA 分子，其上有标记基因，便于检测。质粒在受体细胞中，能随受体细胞 DNA 的复制而复制，进行目的基因的扩增和表达。4下列关于 DNA 连接酶的叙述，不正确的是( )A可催化相同黏性末端的 DNA 片段之间的连接B可催化相同平口末端的 DNA 片段之间的连接C可催化两个黏性末端互补碱基氢键的形成D可催化 DNA 分子两条链的脱氧核糖与磷酸之间磷酸二酯键的形成答案 C解析 氢键是分子间作用力，其断裂和形成与 DNA 连接酶无关
12、。5下列哪项不是基因工程中经常使用的载体( )A细菌质粒 B 噬菌体的衍生物C动植物病毒 D细菌拟核区的 DNA答案 D解析 细菌拟核区的 DNA 分子不具备载体的基本条件，不能用作基因工程的载体。基础再现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 分子进行人工剪切C在生物体外对 DNA 分子进行改造7D创造符合人们需要的新生物类型和生物产品答案 D解析 A、B、C 三项均为基因工程操作的具体内容，但不是基因工程的目的。实施基因工程的最终目的是通过基因操作定向改造生物的遗传物质，创造符合人们需要的新的生物类型和生物产品。2下列关于限制酶的叙述中，错误的是( )A它
13、能在特定位点切割 DNA 分子B同一种限制酶切割不同的 DNA 分子产生的黏性末端能够很好地进行碱基配对C它能任意切割 DNA，从而产生大量 DNA 片段D每一种限制酶只能识别特定的脱氧核苷酸序列答案 C解析 限制酶是基因工程的重要工具之一。每种限制酶只能识别特定的脱氧核苷酸序列，并在特定的位点上切割 DNA 分子。同一种限制酶切割不同的 DNA 分子产生的黏性末端能进行碱基互补配对。3下列有关限制酶的说法，正确的是( )A限制酶主要是从真核生物中分离出来的B限制酶的识别序列只能由 6 个核苷酸组成C限制酶能识别双链 DNA 分子的某种特定的核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的
14、磷酸二酯键断开D限制酶切割产生的 DNA 片段末端都为黏性末端答案 C解析 限制酶主要存在于微生物中。少数限制酶的识别序列由 4、5 或 8 个核苷酸组成。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的位点上切割 DNA 分子，切开后形成黏性末端或平口末端。4如图，两个核酸片段在适宜条件下，经 X 酶的催化作用，发生下述变化，则此酶是( )ADNA 连接酶 BRNA 聚合酶CDNA 聚合酶 D限制酶答案 A解析 DNA 连接酶可以将双链 DNA 片段互补的黏性末端连接起来。5作为基因工程中的“分子搬运工”载体，应具备的条件是( )必须有一个至多个限制酶的切割位点，以便目的基因可以插入到
15、载体上 必须具备自我8复制的能力，或整合到受体染色体 DNA 上随染色体 DNA 的复制而同步复制 必须带有标记基因，以便进行重组后的筛选 必须是安全的，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 大小应合适，太大则不易操作ABCD答案 D解析 基因操作中要使载体携带目的基因，其上必须有一个至多个限制酶的切割位点，以便目的基因可以插入到载体上；载体必须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 的复制而同步复制；必须带有标记基因，以便进行重组后的筛选；必须是安全的；大小应合适，太大则不易操作。能力提升6下列对基因工程的理解，正确的是( )它是一种按照人们的意愿，定向改造生物遗传特性的工程 对基因进行人为改造 是体外进行的人为的基因重组 在实验室内，利用相关的酶和原料合成 DNA 主要技术为体外 DNA 重组技术和转基因
