基因工程的基本工具

《基因工程的基本工具》作业设计方案一、作业目标1、帮助学生深入理解基因工程中三种基本工具（限制性内切酶、DNA 连接酶、运载体）的作用和特点。

2、培养学生运用所学知识解决实际问题的能力。

3、增强学生对基因工程技术的兴趣，激发其探索科学的热情。

二、作业内容1、知识梳理（1）让学生总结限制性内切酶的来源、作用部位、作用特点，并举例说明其在基因工程中的应用。

（2）要求学生阐述 DNA 连接酶的种类、作用部位和作用结果，比较不同种类 DNA 连接酶的异同。

（3）使学生明确运载体的种类、具备的条件以及常见的运载体有哪些。

2、案例分析提供一些基因工程的实际案例，如利用基因工程生产胰岛素、转基因抗虫棉等，让学生分析在这些案例中基本工具是如何发挥作用的。

3、实践操作（1）给定一段含有特定序列的 DNA 片段，要求学生模拟限制性内切酶的切割过程，并画出切割后的结果。

（2）给出两段已被限制性内切酶切割的 DNA 片段，让学生尝试用DNA 连接酶将它们连接起来，并写出连接后的序列。

4、拓展思考（1）假如没有限制性内切酶，基因工程还能实现吗？为什么？（2）随着科技的发展，未来可能会出现哪些新型的基因工程工具？三、作业形式1、书面作业（1）完成知识梳理部分的内容，以填空、简答的形式呈现。

（2）针对案例分析，撰写一份详细的分析报告。

2、实践作业（1）在纸上完成模拟切割和连接的过程，并拍照上传。

（2）通过网络搜索或阅读相关资料，回答拓展思考的问题，并以文档形式提交。

四、作业难度作业难度分为基础、提高和拓展三个层次。

1、基础层次主要涵盖知识梳理部分的内容，让学生对基本工具的概念和作用有初步的了解。

2、提高层次包括案例分析和实践操作中的部分内容，需要学生运用所学知识进行分析和操作。

3、拓展层次涉及拓展思考部分，鼓励学生发挥想象力和创新思维，探索基因工程的未来发展。

五、作业时间本次作业预计总时长为一周。

1、知识梳理和书面作业：2 3 天。

第一节基因工程及其技术第1课时基因工程的基本工具与聚合酶链式反应(PCR)技术课标内容要求核心素养对接1.概述基因工程是在遗传学、微生物学、生物化学和分子生物学等学科基础上发展而来的。

2.阐明DNA重组技术的实现需要利用限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体三种基本工具。

生命观念：掌握基因工程的基本工具的种类及作用,并能说出它们在基因工程中的应用。

科学思维：掌握PCR技术的过程与原理,并能正确比较PCR技术与体内DNA复制的异同。

社会责任：通过了解基因工程的发展历程,认同新技术的发展是一代又一代科学家前赴后继努力的结果,并会给人类发展带来巨大的经济效益和社会效益。

一、基因工程是在多学科基础上发展而来的1957年：科恩伯格等首次发现DNA聚合酶。

↓1967年：罗思和海林斯基等发现运转工具质粒,同年,科学家发现DNA连接酶。

↓1970年：特明和巴尔的摩各自在RNA病毒中发现逆转录酶。

史密斯等人分离到限制性内切核酸酶。

↓1972年科学家伯格领导的研究小组完成了世界上首次DNA分子体外重组。

↓1973年科学家科恩领导的研究小组利用大肠杆菌质粒进行了另一个体外重组DNA分子实验。

↓接着,科恩和美国博耶证明真核生物的基因可以在原核生物中进行表达。

↓1976年,科学家用质粒为载体,将生长激素释放抑制因子基因转入大肠杆菌,1977年首次生产出治疗肢端肥大症、巨人症的生长激素释放抑制因子。

↓1977年桑格测定了一种噬菌体的基因组序列,这是人类首次对完整基因组的核苷酸顺序进行测定。

二、基因工程的基本工具1．基因工程(1)概念：又称为DNA重组技术,是指在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法,将外源目的基因与载体DNA进行组合形成重组DNA,然后导入受体细胞,并使其在受体细胞中表达,产生人类需要的基因产物的技术。

(2)原理：基因重组。

(3)操作水平：基因(分子)水平。

2．“分子剪刀”——限制性内切核酸酶(限制酶)(1)作用：识别DNA分子上特定的脱氧核苷酸序列,并使每条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键断开。

基因工程的基本工具（A）［知识梳理］实现这一精确的操作过程至少需要三种工具即准确切割DNA的“手术刀”——限制性核酸内切酶、将DNA片段再连接起来的“缝合针”——DNA连接酶、将体外重组好的DNA导入受体细胞的“运输工具”——（运）载体（一）、限制性核酸内切酶——“分子手术刀”1、又称限制酶或（限制性内切酶）2、主要是从原核生物中分离纯化出来的是原核生物的防御机制) 3*、一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，（大多数限制酶识别序列6个核苷酸组成）并在特定的切点（两个核苷酸之间的磷酸二酯键）上切割DNA分子（体现酶的专一性；注意与解旋酶的区别）4、切割产生的DNA片段末端通常有两种形式——错位切：产生黏性末端。

平切：产生平口末端。

例：1）GAA TTC(写出)CTTAAG2) CCCGGGGGGCCC(二)DNA连接酶——“分子缝合针”1、两种来源不同的DNA用同种限制酶切割后，末端可以相互黏合，这种只能使互补的碱基连接起来，脱氧核糖和磷酸交替连接而构成的DNA骨架上的缺口（磷酸二酯键），需要靠DNA连接酶来“缝合”。

2、根据酶的来源不同，可以将这些分为两类：一类：从大肠杆菌中分离得到的，称为E·coliDNA连接酶；只能将双链DNA另一类；从T4噬菌体中分离出来的，称T4DNA连接酶；既可以“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端，又可以“缝合”平末端，但连接平末端之间的效率比较低。

（三）基因进入受体细胞的（运）载体——“分子运输车”1、通常利用质粒，质粒存在于许多细菌以及酶母菌等生物中。

质粒是独立于细菌（细胞）染色体外（即拟核DNA）之外，具有自我复制能力的双链环状DNA分子。

质粒上有决定固氮、抗药性、抗生素生成的基因（可作为标记基因）。

2、作为运载体的特点：1）、有一个到多个限制酶的切割位点；(供外源DNA片段(基因)插入其中)2）、能进行自我复制；(在细胞中自称复制，或整合到染色体DNA上，随染色体进行同步复制)。

基因工程
又名DNA重组技术，包括体外DNA重组及转基因等技术
（体外DNA重组技术主要用于基因表达载体的构建，
转基因技术主要用于将目的基因导入受体细胞）
特点：在体外进行的人为的，在DNA分子水平的基因重组，成功后可遗传后代
基本工具：
1.分子手术刀（限制酶）
来源：主要是从原核生物体内分离纯化出来的
作用特点：专一性，可特异性识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并使特定部位的两个核苷酸间的磷酸二酯键断开
产生结果类型：黏性末端和平末端（粘性末端可依靠氢键，即分别位于两条链上的两个脱氧核苷酸的含氮碱基之间形成的相互作用，进行特异性黏合）识别序列特点：专一性，回文序列，一般为六个，少数有4、5或8个（回文序列指中心轴线两侧的双链DNA上的碱基反相对称重复排列）
2.分子缝合针（DNA连接酶）
作用位点：催化合成磷酸二酯键
注：可作用于磷酸二酯键的酶有：限制酶（断开作用），DNA连接酶和DNA聚合酶
（催化合成作用）
可作用于氢键的酶只有解旋酶（断开作用），氢键的合成不需要酶催化
3.分子运输车（载体）
常用载体：质粒（多数细菌、酵母菌中含有，最常用的载体），λ噬菌体的衍生物，动植物病毒
功能：将目的基因转运到宿主细胞内，并对目的基因进行大量复制
条件：①对受体细胞无毒害
②在宿主细胞中能保存并大量复制
③有多个限制酶切割位点，便于插入
④有标记基因，便于筛选。

高一生物基因工程生物技术的安全性和伦理问题试题答案及解析1.下列不属于基因工程最基本工具的是( )A．限制酶B．mRNA C．DNA 连接酶D．运载体【答案】B【解析】基因工程的工具有限制酶、DNA连接酶和运载体，故ACD正确，B错。

【考点】本题主要考查基因工程的工具，意在考查考生能理解所学知识的要点的能力。

2.下列基因工程的操作顺序，正确的一组是()①目的基因的表达和检测②目的基因与运载体结合③将目的基因导入受体细胞④目的基因的提取A．①②③④B．④③②①C．④②③①D．②③④①【答案】C【解析】基因工程的步骤包括：获取目的基因、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞和目的基因的检测和鉴定，故C正确。

【考点】本题主要考查基因工程步骤，意在考查考生能理解所学知识的要点的能力。

3.斑马鱼的酶D由17号染色体上的D基因编码。

具体纯合突变基因（dd）的斑马鱼胚胎会发出红色荧光。

利用转基因技术将绿色荧光蛋白（G）基因整合到斑马鱼17号染色体上，带有G基因的胚胎能够发出绿色荧光。

未整合G基因的染色体的对应位点表示为g。

用个体M和N进行如下杂交实验⑴在上述转基因实验中，将G基因与质粒重组，需要的两类酶是和。

将重组质粒显微注射到斑马鱼受精卵中,整合到染色体上的G基因表达后，使胚胎发出绿色荧光。

根据上述杂交实验推测：⑵M的基因型是（选填选项前的符号）a. DDGGb. DDggc. Ddggd. DdGg⑶杂交后，出现红·绿荧光（既有红色又有绿色荧光）胚胎的原因是亲代（填“M”或“N”）的初级精（卵）母细胞在减数分裂过程中，同源染色体的__________发生了交换，导致染色体上的基因重组。

【答案】⑴限制性核酸内切酶 DNA连接酶选择性⑵ C ⑶N 非姐妹染色单体【解析】（1）基因工程操作过程中需要两类工具酶：限制性核酸内切酶DNA连接酶。

动物细胞工程的受体细胞一般是受精卵。

（2）根据性状可以判断亲本的基因型是D_gg和D_ G_，因为子代出现了绿色荧光（D_G_）和红色荧光（ddgg）的子代胚胎，则亲代M中必定均含有d基因，同时可推出M的基因型是：Ddgg。

基因工程一、基因工程的概念基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。

由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的额，因此又叫做DNA重组技术。

二、基因工程的基本工具1、限制性核酸内切酶“分子手术刀”2、DNA连接酶-----"分子缝合针”3、基因进入受体细胞的载体“分子运输车”1．“分子手术刀”计计限制性核酸内切酶（限制酶）（1）存在：主要存在于原核生物中。

（2）特性：特异性，一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的切点上切割DNA分子。

（3）切割部位：磷酸二酯键（4）作用：能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使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。

（5）识别序列的特点：瓠腿沛外林蔚黔睫混日龄睫GC G C用处题挪班岫如」「肿第 CCCG 切割后末端的种类醐帆DNA 分子经限珊片段末端通常有两 种形式产产在它识别序列的条链分别切开时，和平末端。

当限制酶中轴线两侧将DNA的两产生的是黏性末端，当限制酶在它识别序列的 中轴线处切开时，产生的则是平末端。

£coRIGAA ｛在G与ACTT 之间切割）TTC AAG中轴线CCC ：GGG CTTAA黏性末端CCC AATTCGGG Sma I（在G 与C 之间切割）GGG|CCCGGGGCC3.分子运输车载体 ⑴载体具备的条件：①能在受体细胞中复制并稳定保存。

②具有一个至多个限制酶切点，供外源DNA 片③具有标记基因，供重组DNA 的鉴定和选择。

(2)最常用的载体是质粒，它是能力的双链环状DNA 分子。

⑶其他载体：九噬菌体的衍生物、动植物病毒。

(4)载体的作用：①作为运载工具，将目的基因送入受体细胞。

②在受体细胞内对目的基因进行大量复制。

【解题技巧】(1)限制酶是一类酶，而不是一种酶。

基因工程常用的工具有（）
A、限制性核酸内切酶
B、DNA连接酶
C、运载体
D、解旋酶
考点：基因工程的原理及技术
专题：
分析：基因工程至少需要三种工具：限制性核酸内切酶（限制酶）、DNA连接酶、运载体．
1、限制酶：主要从原核生物中分离纯化出来．特异性：能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂．
2、DNA连接酶：DNA连接酶连接的是两个核苷酸之间的磷酸二酯键．
3、运载体：常用的运载体有质粒、噬菌体的衍生物、动植物病毒．
解答：解：A、限制性核酸内切酶是基因工程常用的工具之一，A 正确；
B、DNA连接酶是基因工程常用的工具之一，B正确；
C、运载体是基因工程常用的工具之一，C正确；
D、解旋酶参与DNA的复制和转录，不是基因工程的工具，D错误．
故选：ABC．
点评：本题知识点简单，考查基因的工程的原理及技术，要求考生识记基因工程常用的工具，能准确判断各选项，属于考纲识记层次的考查．对于此类试题，需要考生掌握牢固的基础知识．。

基因工程（一）基因的结构和基因工程的基本工具编稿：闫敏敏审稿：宋辰霞【学习目标】1、了解基因工程的诞生及概念。

2、知道基因的结构。

3、简述DNA重组技术所需三种基本工具及其应用（重点、难点）。

【要点梳理】要点一、基因工程概述要点二、基因工程的诞生【高清课程：基因工程（一）基因的结构和基因工程的基本工具 369163 基因工程的诞生】1.遗传基础理论的重大突破艾弗里、赫尔希、蔡斯等人证明DNA是遗传物质1953年，沃森和克里克提出DNA双螺旋结构1958年，梅塞尔森和斯塔尔证明DNA的半保留复制1963~1967年，尼伦伯格、马太、霍拉纳破译遗传密码中心法则的提出和完善指出遗传信息在大分子间的传递2.技术发明使基因工程的实施成为可能技术上三大发明：⑴基因转移载体的发现——1967年，T.F.Roth（罗思）&D.R.Helinski（海林斯基）发现质粒的自我复制能力，并能够在细菌之间转移。

⑵工具酶的发现——1972年， H.C. Smith 、W.Arber & D.Nathans从流感嗜血杆菌中分离得到限制性内切酶；1970年，逆转录酶的发现使真核细胞的基因制备成为可能；此后，多种限制酶和连接酶被发现。

⑶DNA体外重组的实现—1972年，美国 Berg 第一次构建出了体外重组DNA分子。

重组DNA表达实验的成功—1973年，H.Boyer & S.Cohen选用仅含单一EcoRI酶切位点的载体质粒pSC101，使之与非洲爪蟾核糖体蛋白基因的DNA片段重组。

重组的DNA转入大肠杆菌DNA中，转录出相应的mRNA。

3.技术进一步推动基因工程的发展：⑴第一例转基因动物和转基因植物问世1980 年，科学家通过显微注射培育出世界第一个转基因小鼠。

1983年，科学家采用农杆菌转化法，培育出世界上第一例转基因烟草。

⑵PCR技术的发明1988年，美 K.Mullis发明PCR技术，使基因工程进一步发展。

高中生物选修3(浙科版)知识点总结第一章基因工程一、工具酶的发现和基因工程的诞生1.基因工程的概念基因工程是将一种生物的基因转移至另一种生物体中，使其产生需要的基因产物或获得新的遗传性状。

基因工程的核心是构建重组DNA分子。

2.基因工程的基本工具限制性核酸内切酶（限制酶）是“分子手术刀”，能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并切割使其断开，具有专一性。

DNA连接酶是“分子缝合针”，将具有末端碱基互补的DNA片段连接在一起形成重组DNA分子。

载体是“分子运输车”，具有自我复制能力的双链环状DNA分子，能在受体细胞中复制并稳定保存，供外源DNA片段插入和重组DNA鉴定和选择。

二、基因工程的原理和技术基因工程的基本原理是让目的基因在宿主细胞中稳定和高效地表达。

为了实现基因工程，需要准备多种工具酶、目的基因、载体和宿主细胞等基本要素，并按照一定的程序进行操作：目的基因的获得、重组DNA的形成、重组DNA导入受体细胞（宿主细胞），筛选含有目的基因的受体细胞、基因表达。

目的基因的获得有两种方法：一种是目的基因的序列已知，可以用化学方法合成目的基因，或者用聚合酶链式反应（PCR）扩增目的基因；另一种是目的基因的序列未知，需要建立一个包括目的基因在内的基因文库，从中寻找目的基因。

形成重组DNA分子的方法是使用相同的限制性核酸内切酶分别切割目的基因和载体DNA，然后用DNA连接酶将它们连接在一起，形成重组DNA分子。

将重组DNA分子导入受体细胞的方法是使用适当的方法将形成的重组DNA分子转移到合适的受体细胞中，常用的受体细胞有大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌和动植物细胞等。

筛选含有目的基因的受体细胞需要使用选择性培养基进行筛选，因为并不是所有细胞都能接纳重组DNA分子。

最后，目的基因在宿主细胞中表达，能产生人们需要的功能物质。

基因工程的核心是构建重组DNA分子，而DNA的遗传信息传递方式的认定、限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒载体的发现与应用为基因工程提供了技术上的保障。

基因工程的基本工具与聚合酶链式反应(PCR)技术(建议用时：40分钟)题组一基因工程及其诞生和发展1．科学家经过多年的努力，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D[该题的关键词是“最终目的”，A、B、C三项都是基因工程的技术手段，这些手段的目的是定向改造生物的遗传性状，故选D项。

]2．下列关于基因工程的发展历程的说法错误的是( )A．质粒是一种具有自我复制能力的环状DNA分子B．美国科学家伯格领导的研究小组完成世界上首次DNA分子体外重组C．科恩和博耶证明真核生物的基因可以在原核生物中表达D．基因工程的建立和发展是生物学进步的结果，与其他学科无关D[基因工程是在遗传学、微生物学、生物化学和分子生物学等众多学科长足进步的基础上发展而来的。

]题组二基因工程的基本工具3．下列有关限制性内切核酸酶的叙述，正确的是( )A．用限制性内切核酸酶切割一个DNA分子中部，获得一个目的基因时，被水解的磷酸二酯键有2个B．限制性内切核酸酶识别序列越短，则该序列在DNA中出现的概率就越大C．—CATG↓—和—G↓GATCC—序列被限制酶切出的黏性末端可用DNA连接酶连接D．只有用相同的限制性内切核酸酶处理含目的基因的片段和质粒，才能形成重组质粒B[用限制性内切核酸酶切割一个DNA分子中部，获得一个目的基因时，需要切割目的基因的两侧，因此要断裂4个磷酸二酯键，即被水解的磷酸二酯键有4个，A错误；限制性内切核酸酶识别序列越短，则该序列在DNA中出现的概率就越大，B正确；—CATG↓—和—G↓GATCC—序列被限制酶切出的黏性末端不同，分别为CATG和GATC，不能用DNA连接酶连接，C错误；用不同的限制性内切核酸酶处理含目的基因的DNA片段和质粒，若产生的黏性末端相同，也能形成重组质粒，D错误。