1、第1課時 基因工程的發(fā)展歷程和工具學(xué)習(xí)目標(biāo)1.說出基因工程誕生的理論與實踐依據(jù)、發(fā)展階段和基因工程的含義及主要實驗成果。2.舉例說出限制性核酸內(nèi)切酶的作用、特點。3.舉例說出DNA連接酶的作用。4.簡述質(zhì)粒的含義、特性及其在基因工程中的作用一、基因工程的發(fā)展歷程1基因工程是在生物化學(xué)、分子生物學(xué)和微生物學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，正是這些學(xué)科的基礎(chǔ)理論和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展催生了基因工程。閱讀教材，填寫下表：年份科學(xué)家主要成就1953沃森和克里克建立了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1957科恩伯格及其合作者在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了DNA聚合酶1958梅塞爾森和斯塔爾發(fā)現(xiàn)了DNA半保留復(fù)制的機理克里克提出了描述遺

2、傳信息流向的中心法則19611966尼倫伯格和霍拉納等成功破譯全部64種遺傳密碼1967羅思和赫林斯基發(fā)現(xiàn)具有自我復(fù)制能力的質(zhì)粒其他科學(xué)家在大腸桿菌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了DNA連接酶1970特明和巴爾的摩各自在RNA病毒中發(fā)現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)錄酶史密斯等分離到第一種特異性很強的限制性核酸內(nèi)切酶1977桑格測定噬菌體X174的基因組序列2.我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，就是通過精心設(shè)計，用“分子工具”構(gòu)建成的。培育抗蟲棉首先要在體外對含有抗蟲基因的DNA分子進行“剪切”和“拼接”，然后導(dǎo)入棉花體細(xì)胞內(nèi)，并使重組DNA在細(xì)胞中表達(dá)(如圖)。由上述資料填寫下表，理解基因工程的概念。操作對象基因(DNA)操作環(huán)境生

3、物體外操作水平DNA分子水平技術(shù)手段DNA重組和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)目的創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品3.分析DNA的平面結(jié)構(gòu)，回答問題：(1)配對的堿基之間是如何連接的？什么條件會使該類化學(xué)鍵發(fā)生斷裂？答案堿基配對時，A與T之間形成兩個氫鍵，G與C之間形成三個氫鍵。可用解旋酶斷裂，也可高溫斷裂。 (2) 磷酸與脫氧核糖是如何連接的？該化學(xué)鍵的名稱是什么？答案每個脫氧核糖上連接著2個磷酸，分別在3號、5號碳原子上。磷酸與脫氧核糖之間的化學(xué)鍵為磷酸二酯鍵。二、基因工程的工具酶1“分子手術(shù)刀”限制性核酸內(nèi)切酶(限制酶)(1)限制酶主要來源于什么生物？大約有多少種？答案主要是從近300種微生物

4、中分離純化出來的。迄今從微生物中分離出了約4000種限制酶。(2)限制酶的功能特點是什么？其作用部位是什么化學(xué)鍵？答案特異性很高，能夠識別DNA分子上特定的脫氧核苷酸序列，其作用部位是每條鏈中特定部位的兩個脫氧核苷酸之間的磷酸二酯鍵。(3)限制酶所識別的序列有何特點？答案大多數(shù)限制酶的識別序列由6個核苷酸組成，也有一些限制酶的識別序列由4、5或8個核苷酸組成。識別序列中一般具有回文序列。(4)按照限制酶切割方式的不同，可分為錯位切和平切兩種。前者切割后兩個末端均會留下黏性末端，后者則形成平口末端。如圖所示：2“分子針線”DNA連接酶(1)DNA連接酶的作用是什么？答案將雙鏈DNA片段之間的磷酸

5、二酯鍵連接起來。(2)試比較解旋酶、限制酶、DNA連接酶和DNA聚合酶作用的異同。答案解旋酶使DNA的氫鍵斷開；限制酶使DNA的磷酸二酯鍵斷開形成黏性末端或平口末端；DNA連接酶使DNA片段之間重新形成磷酸二酯鍵；DNA聚合酶則催化單個的脫氧核苷酸間形成磷酸二酯鍵聚合成DNA的一條鏈。如圖所示：限制酶、DNA連接酶和DNA聚合酶作用于a(磷酸二酯鍵)，解旋酶作用于b(氫鍵)。三、“分子搬運工”載體1常用的載體有哪些？最常用的載體是什么？答案質(zhì)粒、噬菌體的衍生物、動植物病毒等。其中最常用的載體是質(zhì)粒。2什么是質(zhì)粒？質(zhì)粒屬于細(xì)胞器嗎？答案質(zhì)粒來源于許多細(xì)菌和酵母菌等生物，是一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡單、獨

6、立于細(xì)菌擬核DNA之外，并具有自我復(fù)制能力的環(huán)狀DNA分子。質(zhì)粒不屬于細(xì)胞器，原核細(xì)胞只有核糖體一種細(xì)胞器。3結(jié)合課本內(nèi)容及圖示質(zhì)粒結(jié)構(gòu)，分析質(zhì)粒作為載體應(yīng)具備哪些條件？答案(1)含有復(fù)制原點且能保證在受體細(xì)胞中進行獨立復(fù)制的復(fù)制區(qū)；(2)獨特的標(biāo)記基因；(3)具有目的基因插入位點。4質(zhì)粒上存在的標(biāo)記基因有何用途？答案重組質(zhì)粒上攜帶的標(biāo)記基因進入受體細(xì)胞后，可通過標(biāo)記基因進行鑒定和選擇。如被含抗生素抗性基因的重組質(zhì)粒侵入的大腸桿菌，可產(chǎn)生對抗生素的抗性，能夠在含有抗生素的培養(yǎng)基上產(chǎn)生菌落，而沒有侵入該質(zhì)粒的大腸桿菌不能存活。一、DNA分子的“剪切”和“拼接”如圖為DNA分子的切割和連接過程，據(jù)

7、圖回答下列問題。(1)EcoR是一種_酶，其識別序列是_，切割位點是_與_之間的_鍵。切割結(jié)果產(chǎn)生的DNA末端片段形式為_。(2)不同來源的DNA片段結(jié)合，在這里需要的酶是_連接酶，此酶的作用是在_和_之間形成_鍵而起縫合作用的。還有一種連接平口末端的連接酶是_。答案(1)限制性核酸內(nèi)切GAATTC鳥嘌呤脫氧核苷酸腺嘌呤脫氧核苷酸磷酸二酯黏性末端(2)EcoliDNA鳥嘌呤脫氧核苷酸腺嘌呤脫氧核苷酸磷酸二酯T4DNA連接酶解析限制酶能識別特定的脫氧核苷酸序列(堿基序列)，并使兩個特定核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷裂，DNA連接酶的作用是將不同來源的DNA片段連接起來。二、“分子搬運工”載體在基因工程

8、中，需要使用限制酶切割目的基因和質(zhì)粒，便于重組和篩選。已知限制酶的識別序列和切點是GGATCC，限制酶的識別序列和切點是GATC。(1)上述質(zhì)粒用限制酶_切割，目的基因用限制酶_切割。(2)將切下的目的基因片段插入質(zhì)粒的切口處，還要加入適量的_。(3)請指出質(zhì)粒上至少要有一個標(biāo)記基因的理由：_。(4)不同生物的基因可以拼接的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是_。(5)酶切產(chǎn)物用DNA連接酶連接后，其中由兩個DNA片段之間連接形成的產(chǎn)物有_、_、_三種。答案(1)(2)DNA連接酶(3)檢測重組質(zhì)粒(或目的基因)是否導(dǎo)入受體細(xì)胞(4)DNA結(jié)構(gòu)基本相同(其他合理答案亦可)(5)目的基因載體連接物載體載體連接物目的基因目

9、的基因連接物1下圖表示一項重要的生物技術(shù)，對圖中物質(zhì)a、b、c、d的描述，正確的是()A通常情況下，a與d需要用同一種限制酶進行切割Bb能識別特定的核苷酸序列，并將A與T之間的氫鍵切開Cc連接雙鏈間的A和T，使黏性末端處堿基互補配對Db代表的是限制性核酸內(nèi)切酶，c代表的是RNA聚合酶答案A解析b是限制性核酸內(nèi)切酶，能識別特定的脫氧核苷酸序列并使DNA分子的每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開，而不是使氫鍵斷開；c是DNA連接酶，能連接兩個DNA片段。2關(guān)于限制酶識別序列和切開部位的特點，敘述錯誤的是()A所識別的序列都可以找到一條中軸線B中軸線兩側(cè)的雙鏈DNA上的堿基是反向?qū)ΨQ重

10、復(fù)排列的C只識別和切割特定的脫氧核苷酸序列D在任何部位都能將DNA切開答案D解析一種限制酶只能識別一種特定的脫氧核苷酸序列，并且能在特定的位點上切割DNA分子。3質(zhì)粒之所以能做基因工程的載體，是由于它()A含蛋白質(zhì)，從而能完成生命活動B能夠自我復(fù)制，且能保持連續(xù)性C含RNA，能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成D具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，能夠攜帶目的基因答案B解析質(zhì)粒存在于細(xì)菌和酵母菌等微生物中，是一種很小的環(huán)狀DNA分子，其上有標(biāo)記基因，便于檢測。質(zhì)粒在受體細(xì)胞中，能隨受體細(xì)胞DNA的復(fù)制而復(fù)制，進行目的基因的擴增和表達(dá)。4下列關(guān)于DNA連接酶的敘述，不正確的是()A可催化相同黏性末端的DNA片段之間的連接B可催化相同

11、平口末端的DNA片段之間的連接C可催化兩個黏性末端互補堿基氫鍵的形成D可催化DNA分子兩條鏈的脫氧核糖與磷酸之間磷酸二酯鍵的形成答案C解析氫鍵是分子間作用力，其斷裂和形成與DNA連接酶無關(guān)。5下列哪項不是基因工程中經(jīng)常使用的載體()A細(xì)菌質(zhì)粒B噬菌體的衍生物C動植物病毒D細(xì)菌擬核區(qū)的DNA答案D解析細(xì)菌擬核區(qū)的DNA分子不具備載體的基本條件，不能用作基因工程的載體?；A(chǔ)再現(xiàn)1實施基因工程的最終目的是()A提取生物體的DNA分子B對DNA分子進行人工剪切C在生物體外對DNA分子進行改造D創(chuàng)造符合人們需要的新生物類型和生物產(chǎn)品答案D解析A、B、C三項均為基因工程操作的具體內(nèi)容，但不是基因工程的目的

12、。實施基因工程的最終目的是通過基因操作定向改造生物的遺傳物質(zhì)，創(chuàng)造符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。2下列關(guān)于限制酶的敘述中，錯誤的是()A它能在特定位點切割DNA分子B同一種限制酶切割不同的DNA分子產(chǎn)生的黏性末端能夠很好地進行堿基配對C它能任意切割DNA，從而產(chǎn)生大量DNA片段D每一種限制酶只能識別特定的脫氧核苷酸序列答案C解析限制酶是基因工程的重要工具之一。每種限制酶只能識別特定的脫氧核苷酸序列，并在特定的位點上切割DNA分子。同一種限制酶切割不同的DNA分子產(chǎn)生的黏性末端能進行堿基互補配對。3下列有關(guān)限制酶的說法，正確的是()A限制酶主要是從真核生物中分離出來的B限制酶的識別序列只

13、能由6個核苷酸組成C限制酶能識別雙鏈DNA分子的某種特定的核苷酸序列，并使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開D限制酶切割產(chǎn)生的DNA片段末端都為黏性末端答案C解析限制酶主要存在于微生物中。少數(shù)限制酶的識別序列由4、5或8個核苷酸組成。一種限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列，并且能在特定的位點上切割DNA分子，切開后形成黏性末端或平口末端。4如圖，兩個核酸片段在適宜條件下，經(jīng)X酶的催化作用，發(fā)生下述變化，則此酶是()ADNA連接酶BRNA聚合酶CDNA聚合酶D限制酶答案A解析DNA連接酶可以將雙鏈DNA片段互補的黏性末端連接起來。5作為基因工程中的“分子搬運工”載體，應(yīng)具備的條件

14、是()必須有一個至多個限制酶的切割位點，以便目的基因可以插入到載體上必須具備自我復(fù)制的能力，或整合到受體染色體DNA上隨染色體DNA的復(fù)制而同步復(fù)制必須帶有標(biāo)記基因，以便進行重組后的篩選必須是安全的，不會對受體細(xì)胞有害，或不能進入到除受體細(xì)胞外的其他生物細(xì)胞中去大小應(yīng)合適，太大則不易操作ABCD答案D解析基因操作中要使載體攜帶目的基因，其上必須有一個至多個限制酶的切割位點，以便目的基因可以插入到載體上；載體必須具備自我復(fù)制的能力，或整合到受體染色體DNA上隨染色體DNA的復(fù)制而同步復(fù)制；必須帶有標(biāo)記基因，以便進行重組后的篩選；必須是安全的；大小應(yīng)合適，太大則不易操作。能力提升6下列對基因工程的

15、理解，正確的是()它是一種按照人們的意愿，定向改造生物遺傳特性的工程對基因進行人為改造是體外進行的人為的基因重組在實驗室內(nèi)，利用相關(guān)的酶和原料合成DNA主要技術(shù)為體外DNA重組技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)在DNA分子水平進行操作一旦成功，便可遺傳ABCD答案D解析基因工程可以對生物的基因進行改造和重新組合，然后導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)進行無性繁殖，使重組基因在受體細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，產(chǎn)生出人類所需要的基因產(chǎn)物的技術(shù)，而不是對基因進行人為改造。7基因工程在操作過程中需要限制酶、DNA連接酶、載體三種工具。以下有關(guān)基本工具的敘述，正確的是()A所有限制酶的識別序列均由6個核苷酸組成B所有DNA連接酶均能連接黏性末端和平口末端C

16、真正被用作載體的質(zhì)粒都是天然質(zhì)粒D原核生物內(nèi)的限制酶可切割入侵的DNA分子而保護自身答案D解析大多數(shù)限制酶的識別序列由6個核苷酸組成，也有少數(shù)限制酶的識別序列由4、5或8個核苷酸組成；DNA連接酶包括Ecoli DNA連接酶和T4DNA連接酶，前者只能將雙鏈DNA片段互補的黏性末端連接起來；在基因工程操作中，真正被用作載體的質(zhì)粒，都是在天然質(zhì)粒的基礎(chǔ)上進行過人工改造的。8現(xiàn)有一長度為1000堿基對(bp)的DNA分子，用限制性核酸內(nèi)切酶EcoR單獨酶切后得到的DNA分子仍是1000bp，用Kpn單獨酶切得到400bp和600bp兩種長度的DNA分子，用EcoR、Kpn同時酶切后得到200bp和

17、600bp兩種長度的DNA分子。該DNA分子的酶切圖譜正確的是()答案D解析由題干條件可知用EcoR酶切后，并不能將DNA分為兩段，故可判斷為環(huán)狀DNA，再根據(jù)“用EcoR、Kpn同時酶切后得到200 bp和600 bp兩種長度的DNA分子”，可得到答案D。9下列黏性末端是由同一種限制酶切割而成的是()TCGGACTTAAACTGTCCAAATTCGAGCTTCAGABCD答案B解析只有和兩個黏性末端的堿基是互補的，可以說明一般情況下是由同一種限制酶切割而成的。10下列有關(guān)細(xì)菌質(zhì)粒的敘述中，正確的是()A質(zhì)粒是存在于細(xì)菌細(xì)胞中的一種顆粒狀的細(xì)胞器B質(zhì)粒是細(xì)菌細(xì)胞中能自我復(fù)制的小型環(huán)狀DNA分子

18、C質(zhì)粒只有在侵入宿主細(xì)胞后在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制D細(xì)菌質(zhì)粒的復(fù)制過程一定是在宿主細(xì)胞外獨立進行的答案B解析質(zhì)粒是細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)中能自我復(fù)制的小型環(huán)狀DNA分子，可以在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)或宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制。11通過DNA重組技術(shù)使原有基因得以改造的動物稱為轉(zhuǎn)基因動物。運用這一技術(shù)可以使羊奶中含有人體蛋白質(zhì)，下圖表示了這一技術(shù)的基本過程，在該工程中所用的基因“剪刀”能識別的序列和切點是GGATCC，請回答下列問題：(1)從羊染色體中“剪下”羊蛋白質(zhì)基因的酶是_。人體蛋白質(zhì)基因“插入”后連接在羊體細(xì)胞染色體中時需要的酶是_。(2)請畫出質(zhì)粒被切割形成黏性末端的過程圖。(3)人體蛋白質(zhì)基因之所以能“插入”到羊的染色體內(nèi)，

19、原因是_，“插入”時用的工具是_，其種類有_。答案(1)限制酶DNA連接酶(2)(3)基因的組成、堿基配對方式和空間結(jié)構(gòu)是相同的載體質(zhì)粒、動植物病毒、噬菌體的衍生物等解析基因工程所用的工具酶是限制酶和DNA連接酶，不同生物的基因之所以能整合在一起，是因為基因的組成、堿基配對方式和空間結(jié)構(gòu)是相同的。將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞，離不開載體的協(xié)助，基因工程中常用的載體除質(zhì)粒外，還有動植物病毒、噬菌體的衍生物等。12下圖表示兩種限制性核酸內(nèi)切酶識別DNA分子特定序列，并在特定位點對DNA進行切割的示意圖，請回答以下問題：甲：5TCGAATTC3AGCTTAAGTCGAATTCAGCTTAAG乙：5GTTAAC3CAATTGGTTAACCAATTG(1)圖中甲和乙代表_。(2)EcoR、Hpa代表_。(3)圖中甲和乙經(jīng)過相應(yīng)操作均形成兩個片段，切口的類型分別為_、_。(4)由圖解可以看出，限制酶的作用特點是_。答案(1)有特殊脫氧核苷酸序列的DNA片段(2)兩種不同的限制酶(3)黏性末端平口末端(4)每種限制酶都能識別特定的脫氧核苷酸序列并從特定的位點將DNA分子切開解析從圖解可以看出，甲和乙代表的是不同的DNA片段，在相應(yīng)的限制酶(EcoR、Hpa)的作用下，在特定的位點被剪切成