第1节基因工程的基本原理和技术第4章基因工程目标导读1.阅读教材P6667内容，阐明基因工程的概念、特点及理论基础。2.结合教材P68图44、P69图45，理解DNA分子的切割技术和连接技术。3.分析教材P7071图文，认识DNA分子的运输工具运载体。重难点击1.基因工程的概念、特点及理论基础。2.DNA分子的切割技术、连接技术及运载工具。课堂导入科学设想：能否让禾本科植物也能固定空气中的氮？能否让细菌“吐出”蚕丝？能否让微生物产生人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？经过多年努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术基因工程。这一技术是在DNA分子水平上进行的，在微小的DNA分子上进行的操作，需要专用的工具。这些工具是什么？各自的作用是什么？让我们一起来了解一下吧！解决学生疑难点一、基因工程的概述二、DNA分子的切割技术和连接技术内容索引当堂检测三、DNA分子的运载工具一、基因工程的概述1.基因工程的概念基因工程的概念基因工程也叫，它是在水平上进行的一种外科手术式的遗传操作，借助于 的技术，将某种生物的提取出来，在进行加工改造或，再转移到另一种生物中去，从而地改变生物的遗传特性，创造出。DNA重组技术分子基础梳理实验室基因或基因组生物体外重新组合定向新型的生物理论基础操作技术DNA是主要的遗传物质，是_提取DNA和对DNA分子在体外进行遗传操作DNA进行复制异源DNA片段连接后可在体内或者体外_“”和操纵子学说、遗传密码的性不同生物间基因_2.基因工程研究的理论基础基因工程研究的理论基础生物大分子半保留扩增中心法则通用转移和表达问题探究根据基因工程的基本原理分析回答：1.有性生殖中的基因重组是随机的，且只能在同一物种间进行。基因工程操作导致的基因重组与前述基因重组有何区别？答答案案基因工程可以在不同物种间进行重组，并且方向性强，可以定向地改变生物的性状。答案2.分析不同生物的DNA分子能拼接起来的原因。答答案案基本组成单位相同：都是四种脱氧核糖核苷酸；双链DNA分子的空间结构相同：都是规则的双螺旋结构。答案3.外源基因能够在受体内表达，并使受体表现出相应的性状的原因是什么？答答案案生物界共用一套遗传密码，相同的遗传信息在不同生物体内表达出相同的蛋白质。拓展应用1.目前，科学家把兔子血红蛋白基因导入大肠杆菌细胞中，在大肠杆菌细胞中合成了兔子的血红蛋白。下列不是这一先进技术的理论依据的是A.所有生物共用一套遗传密码B.基因能控制蛋白质的合成C.兔子血红蛋白基因与大肠杆菌的DNA都是由四种脱氧核糖核苷酸构成的，都遵循相同的碱基互补配对原则D.兔子与大肠杆菌有共同的原始祖先答案解析二、DNA分子的切割技术和连接技术1.DNA分子的切割技术分子的切割技术(1)工具：。(2)来源：主要存在于中。(3)限制性内切酶的功能特点会识别DNA上某种核苷酸的特定和位置。在特定序列中的将DNA切开。限制性内切酶(限制酶)基础梳理微生物序列特定位点只能识别序列的位点，并且在之间将这段DNA序列切开。切开的DNA两条单链的切口之间正好互补配对，这样的切口叫做_。(4)实例：限制性内切酶EcoRGAATTCG和A黏性末端2.DNA分子的连接技术分子的连接技术(1)工具：。(2)作用用限制酶分别把两种不同来源的DNA切成片段，混合后它们就会通过互相识别，自动靠拢，进行。黏性末端与末端之间留有的空隙则靠进行“缝合”，如图。DNA连接酶同一种黏性末端碱基配对DNA连接酶限制性内切酶的作用是切割识别特定的核苷酸序列的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。DNA连接酶的作用是催化两条DNA链之间形成磷酸二酯键，从而将相邻的脱氧核糖核苷酸连接起来，而不是连接互补碱基之间的氢键。小贴士小贴士问题探究右图为DNA分子的切割和连接过程，请据图分析：1.限制性内切酶EcoR的识别序列和切割位点分别是什么？答答案案EcoR的识别序列为GAATTC，切割位点是在G和A之间。答案2.由图可知DNA连接酶的作用部位是“”还是“”，形成了什么化学键？答答案案DNA连接酶的作用部位为，形成了磷酸二酯键。3.DNA连接酶和DNA聚合酶均能形成磷酸二酯键，二者的作用对象相同吗？为什么？答答案案不相同。DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来，而DNA聚合酶是将单个的脱氧核糖核苷酸加到已有的DNA片段上。答案拓展应用2.下表为常用的限制性内切酶(限制酶)及其识别序列和切割位点，由此推断以下说法中，正确的是限制性内切酶识别序列和切割位点限制性内切酶识别序列和切割位点BamHGGATCCKpnGGTAC CEcoRG AATTCSau3A GATCHindGTY RACSmaCCC GGG注：注：Y表示C或T，R表示A或G。A.一种限制酶只能识别一种核苷酸序列B.限制酶切割后一定形成黏性末端C.不同的限制酶可以形成相同的黏性末端D.限制酶的切割位点在识别序列内部答案解析(1)DNA连接酶与DNA聚合酶的比较题后归纳题后归纳比较项目DNA连接酶DNA聚合酶相同点催化两个脱氧核糖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过程在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键将单个核苷酸加到已存在的核酸片段的3端的羟基上，形成磷酸二酯键对象游离的DNA片段单个的脱氧核糖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(2)四种酶的作用部位限制性内切酶、DNA连接酶、DNA聚合酶作用于部位，DNA解旋酶作用于部位。三、DNA分子的运载工具1.作为运载体的条件作为运载体的条件(1)能够比较自由地进出细胞，并能在细胞内。(2)能使带进去的DNA在细胞里面进行，并且保持原有特性。(3)具有某些简单的特性，如、免疫性等，供重组DNA的鉴定和选择。2.运载体的种类运载体的种类质粒、动植物病毒，最理想的运载体是。自我复制复制基础梳理抗药性噬菌体质粒3.质粒质粒(1)来源：等生物。(2)本质：细菌染色体外的一种很小的分子。(3)特点：能够自我，带有某些基因(报告基因)，能够在细胞间钻进穿出。细菌环状DNA复制抗性质粒上还应具有一个或者多个限制性内切酶的识别序列和切割位点，以便连接上外源DNA，天然的质粒很难具有上述的所有条件，因此基因工程中使用的质粒往往是人为加工过的。小贴士小贴士问题探究右图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，据图探究以下问题：答案答案化学本质都是DNA。答案1.a代表的物质和质粒都能进行自我复制，它们的化学本质是什么？3.氨苄青霉素抗性基因能控制某物质的合成，该物质能抵抗氨苄青霉素，使含有该基因的生物能在含氨苄青霉素的环境中存活。因此，氨苄青霉素抗性基因在基因工程载体上能起什么作用？2.某目的基因切割末端为 ，为使质粒和目的基因连接在一起，质粒应有的一段核苷酸序列及被限制性内切酶切割的末端分别是什么？答案答案ACGCGTCGCGTTGCGCA；A。答案答案用作标记基因，供重组DNA的鉴定与选择。答案拓展应用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解析解解析析质粒存在于细菌和酵母菌等生物中，是一种很小的环状DNA分子，其上有报告基因，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.质粒是基因工程中最常用的载体，它存在于许多细菌体内。某细菌质粒上有标记基因如图所示，通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转入成功。外源基因插入的位置不同，细菌在培养基上的生长情况也不同，如图所示是外源基因插入位置(插入点有a、b、c)，请根据表中提供的细菌生长情况，推测三种重组细菌的外源基因插入点，正确的一组是细菌在含氨苄青霉素的培养基上的生长状况细菌在含四环素的培养基上的生长状况能生长能生长能生长不能生长不能生长能生长A.是c；是b；是aB.是a和b；是a；是bC.是a和b；是b；是aD.是c；是a；是b答案解析拓展提升拓展提升标记基因的筛选原理标记基因的筛选原理(1)前提：载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。(2)过程：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，然后在培养基中加入该抗生素。(3)结果：在培养基上，被抗生素杀死的是没有抗性的受体细胞，没被杀死的是具有抗性的受体细胞，含有目的基因的细胞得以筛选。课堂小结基因工程的基本原理和技术概念(1)原理：_(2)进行遗传操作(3)地改变生物的遗传特性理论基础(1)艾弗里证明_(2)沃森和克里克发现_(3)尼伦伯格和霍拉纳破译_基因重组生物体外DNA是遗传物质DNA分子的双螺旋结构遗传密码定向_(“分子手术刀” )来源：主要存在于中作用：识别DNA上某种核苷酸的和，切割特定部位的_结果：产生_限制性内基因工程的操作技术切酶基因工程的基本原理和技术(1)识别：不同来源的DNA片段通过_相互识别作用：在两个DNA片段之,间形成_(“分 子缝纫针”)(2)微生物序列位置磷酸二酯键黏性末端DNA连接酶黏性末端磷酸二酯键常用种类： 、 、_基因工程的操作技术基因工程的基本原理和技术_(“分子运输车”(3)能够_稳定保存具有报告基因，如抗药性基因等必备条件运载体质粒噬菌体动植物病毒自我复制当堂检测1.以下有关基因工程的叙述，正确的是A.基因工程是细胞水平上的生物工程B.基因工程的产物对人类都是有益的C.基因工程产生的变异属于基因突变D.基因工程育种的优点之一是目的性强23451解解析析基因工程是对基因(分子结构)的操作而非细胞水平的操作；基因工程可以创造出符合人们要求的新产品，但并非一定是对人类有益的；基因工程产生的变异属于基因重组而不是基因突变；基因工程育种是按照人们的需要进行的，因而目的性强。答案解析A.B.C.D.2.下列黏性末端可能由同一种限制酶切割而成的是答案23415解解析析只有和两个黏性末端的碱基是互补的，可能是由同一种限制酶切开形成的。解析234153.DNA连接酶的重要功能是A.DNA复制时催化母链与子链之间形成氢键B.连接黏性末端的碱基之间的化学键C.将两条DNA片段末端之间的缝隙连接起来D.催化DNA片段与单个核苷酸之间形成磷酸二酯键答案解析解解析析DNA连接酶的作用只是催化DNA片段的“缝合”，即恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键；它不能催化氢键的形成，也不能使已有的DNA片段与单个核苷酸之间形成磷酸二酯键。4.作为基因的运输工具基因的运载体，必须具备的条件之一及理由是A.能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因B.具有一个至多个限制酶切点，以便于目的基因的表达C.具有某些报告基因，以便为目的基因的表达提供条件D.能够在宿主细胞中复制并稳定保存，以便于进行筛选2341答案5解析5.通过DNA重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。科学家运用这一技术使羊奶中含有人体蛋白质，下图表示了这一技术的基本过程，在该工程中所用的基因“剪刀”能识别的序列和切点是GGATCC，请回答下列问题。23415(1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是_。人的蛋白质基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中时需要的酶是_。解解析析基因工程所用的工具酶是限制酶(限制性内切酶)和DNA连接酶，不同生物的基因之所以能整合在一起，是因为基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的。将目的基因导入受体细胞，离不开运载体的协助，基因工程中常用的运载体除质粒外，还有动植物病毒、噬菌体等。答案解析限制酶(限制性内切酶)DNA连接酶23415GGATCC(2)请画出质粒被切割形成黏性末端的过程图。答案23415(3)人体蛋白质基因之所以能“插入”到羊的染色体内，原因是_，“插入”时用的工具是_，其种类有_。基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的运载体质粒、动植物病毒、噬菌体等