第一节工具酶的发现和基因工程的诞生

《工具酶的发现和基因工程的诞生》讲义在生命科学的发展历程中，工具酶的发现无疑是一座重要的里程碑，它为基因工程的诞生奠定了坚实的基础。

基因工程作为一项具有革命性的生物技术，正在深刻地改变着我们的生活和未来。

一、工具酶的发现（一）限制性内切酶限制性内切酶是一类能够识别特定核苷酸序列，并在特定位置切割DNA 分子的酶。

它们的发现是基因工程得以实现的关键步骤之一。

在 20 世纪 60 年代，科学家们在研究细菌的限制和修饰现象时，偶然发现了限制性内切酶。

这些酶能够像一把精准的“分子剪刀”，在特定的碱基序列处切断 DNA 双链。

例如，EcoRI 限制性内切酶能够识别GAATTC 序列，并在 G 和 A 之间切割 DNA 。

（二）DNA 连接酶DNA 连接酶的发现对于基因工程同样具有重要意义。

它能够将两个断开的 DNA 片段连接起来，形成一个完整的 DNA 分子。

在细胞内，DNA 连接酶参与 DNA 复制和损伤修复等过程。

在基因工程中，它被用于将用限制性内切酶切割得到的目的基因和载体连接起来，构建重组 DNA 分子。

（三）其他重要的工具酶除了限制性内切酶和 DNA 连接酶，还有许多其他工具酶在基因工程中发挥着重要作用。

例如，DNA 聚合酶能够以 DNA 为模板合成新的 DNA 链；反转录酶能够以 RNA 为模板合成 DNA ；核酸酶能够降解 DNA 或 RNA 等。

二、基因工程的诞生（一）理论基础基因工程的诞生并非一蹴而就，而是建立在一系列重要的理论基础之上。

首先，DNA 是遗传物质的确定为基因工程提供了物质基础。

其次，中心法则揭示了遗传信息从 DNA 到 RNA 再到蛋白质的传递过程，使得人们能够理解基因的表达和调控机制。

此外，遗传密码的破译使得人们能够在分子水平上对基因进行操作和改造。

（二）技术突破工具酶的发现为基因工程提供了技术手段，但要实现基因工程的实际应用，还需要一系列技术突破。

例如，载体的构建使得目的基因能够在受体细胞中稳定存在和表达。

第一节工具酶的发现和基因工程的诞生【教学目标】知识与能力方面：１．简述基础理论研究和技术进步催生了基因工程。

２．简述基因工程的原理和技术。

过程与方法方面：1.运用所学的DNA重组技术的知识，模拟制作重组DNA模型2．运用基因工程的原理，提出解决某一实际问题的方案情感态度、价值观方面：关注基因工程的发展，体会S、T、S三者之间的关系。

【教学重点】DNA重组技术所需要3种基本工具的作用。

【教学难点】基因工程载体需要具备的条件。

【教学方法】讲授法。

【教学课时】1课时。

【教学过程】（导入新课）1973年转基因微生物──转基因大肠杆菌问世；1980年第一个转基因动物──转基因小鼠诞生；1983年第一例转基因植物──转基因烟草出现，实现了一种生物的某些基因在另一种生物中的表达。

基因工程的理论基础和技术保障分别是什么？理论基础：DNA双螺旋结构的发现，使科学家发现所有生物的DNA都是由四种脱氧核苷酸聚合而成的，为来自异种的DNA拼接提供了结构基础；中心法则揭示了生物的遗传信息传递的过程，而且所有的生物共用一套密码子，这使基因在异种生物细胞内表达成为了可能。

既然科学家意识到了上述可能之后，就开始探索转基因的技术手段，此时，几种基因工程的工具的发现，为使这项技术最终成功了。

基因工程的技术保障：限制性核酸内切酶，DNA连接酶，运载体。

（提出问题）限制性核酸内切酶是从什么生物体内发现的？它的作用有什么特点？限制酶切开的DNA末端有什么特点？（学生活动）阅读课文，总结限制性内切酶的作用特点和作用结果。

（总结归纳）科学家的基本意向也和同学们一样。

单细胞生物比多细胞生物更容易受到外源DNA的侵入。

在长期的进化过程中，使其必须有处理外源DNA的酶。

科学家们经过不懈的努力，终于从原核生物中分离纯化出这种酶，叫做限制酶。

迄今已从近300种微生物中分离出4000种限制酶。

这种酶能够识别双链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。

《工具酶的发现和基因工程的诞生》讲义在生命科学的发展历程中，工具酶的发现和基因工程的诞生是具有里程碑意义的重大事件。

它们不仅为我们深入理解生命的奥秘提供了有力的手段，也为解决人类面临的诸多问题带来了前所未有的机遇。

一、工具酶的发现（一）限制性内切酶限制性内切酶是一类能够识别特定核苷酸序列，并在特定位点切割DNA 分子的酶。

20 世纪 60 年代，科学家们在研究细菌的限制和修饰现象时发现了它。

限制性内切酶就像一把精准的“分子剪刀”，能够在特定的碱基序列处将 DNA 切断。

不同的限制性内切酶识别的序列不同，这使得我们可以根据需要对 DNA 进行有针对性的切割。

（二）DNA 连接酶与限制性内切酶相辅相成的是 DNA 连接酶。

它能够将被切割开的DNA 片段重新连接起来。

有了这一工具酶，我们就能够将不同来源的DNA 片段拼接在一起，构建新的 DNA 分子。

二、基因工程的诞生（一）基因工程的概念基因工程，又称为重组 DNA 技术，是指按照人们的意愿，将一种生物的基因在体外进行拼接重组，然后转入另一种生物体内，使之按照人们的意愿稳定遗传并表达出新产物或新性状的技术。

（二）基因工程的基本操作步骤1、目的基因的获取目的基因是我们想要研究或应用的特定基因。

获取目的基因的方法有多种，比如从基因文库中筛选、通过 PCR 技术扩增，或者直接化学合成。

2、基因表达载体的构建这是基因工程的核心步骤。

需要将目的基因与载体（通常是质粒）连接起来，形成重组 DNA 分子。

同时，还需要在载体上添加启动子、终止子、标记基因等调控元件，以确保目的基因能够在受体细胞中正确表达。

3、将目的基因导入受体细胞常用的导入方法有农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法等，对于原核生物，还可以用感受态细胞法。

4、目的基因的检测与鉴定导入受体细胞后，需要检测目的基因是否成功导入、是否转录和翻译，以及是否产生了预期的性状。

三、基因工程的应用（一）在农业领域基因工程为农业带来了革命性的变化。

《工具酶的发现和基因工程的诞生》讲义在生命科学的领域中，工具酶的发现是一项具有里程碑意义的重大突破，它为基因工程的诞生奠定了坚实的基础。

基因工程作为现代生物技术的核心，正以惊人的速度改变着我们的生活和对生命的认知。

要理解基因工程，首先得明白什么是工具酶。

简单来说，工具酶就是在基因操作过程中所用到的具有特定功能的酶类。

它们就像是基因世界里的“精细工具”，能够对 DNA 分子进行精确的切割、连接、修饰等操作。

限制性内切酶是工具酶中的“明星选手”。

在 20 世纪 60 年代末，科学家们在细菌中发现了这种神奇的酶。

它能够识别特定的核苷酸序列，并在这个位点将 DNA 双链切断。

这一特性使得我们能够在特定的位置对 DNA 进行操作，就像是在一根长长的绳子上准确地找到我们想要的切割点。

比如说，限制性内切酶 EcoRI 能够识别 GAATTC 这样的序列，并在 G 和 A 之间切断 DNA 链。

这种精确的切割能力为基因工程提供了极为关键的技术手段。

通过使用不同的限制性内切酶，我们可以将DNA 分子切割成各种特定的片段。

DNA 连接酶的发现同样意义重大。

当我们把 DNA 分子切割开后，还需要把它们重新连接起来，这时候 DNA 连接酶就派上用场了。

它能够将两个具有互补黏性末端或者平末端的 DNA 片段连接在一起，形成一个完整的 DNA 分子。

有了切割和连接 DNA 的工具酶，基因工程的大门才真正被打开。

在基因工程的发展历程中，还有许多其他重要的工具酶发挥着不可或缺的作用。

比如 DNA 聚合酶，它能够以 DNA 为模板合成新的 DNA 链。

在 PCR 技术（聚合酶链式反应）中，DNA 聚合酶能够快速大量地扩增特定的 DNA 片段，使得我们能够从微量的 DNA 样本中获得足够量的目标 DNA 用于研究和应用。

再来说说逆转录酶。

它能够以 RNA 为模板合成 DNA，这一特性在获取目的基因以及研究基因表达调控等方面具有重要意义。

第一节 工具酶的发现和基因工程的诞生一、工具酶的发现和基因工程的诞生1．基因工程概念：把一种生物的遗传物质(细胞核、染色体脱氧核糖核酸等)移到另外一种生物的细胞中去，并使这种遗传物质所带的遗传信息在受体细胞中表达。

2．基因工程的核心：构建重组DNA 分子(基因表达载体的构建)。

3．基因工程的主要理论基础 (1)DNA 是生物遗传物质的发现。

(2)DNA 双螺旋结构的确立。

(3)遗传信息传递方式的认定。

4．基因工程的技术保障：限制性核酸内切酶、DNA 连接酶和质粒载体的发现与应用。

二、基因工程的工具1．限制性核酸内切酶(又称限制酶)(1)概念：是能够识别和切割DNA 分子内一小段特殊核苷酸序列的酶。

(2)来源：主要来自原核生物。

(3)功能：能够识别双链DNA 分子的某种特定核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。

(4)结果：产生粘性末端或平末端。

2．DNA 连接酶(1)概念：是将具有末端碱基互补的2个DNA 片段连接在一起，形成重组DNA 分子的酶。

(2)作用：缝合DNA 片段，在基因工程中，可以将外源基因和载体DNA 连接在一起。

1.遗传工程泛指把一种生物的遗传物质移到另一种生物的细胞中，并使这种遗传物质所带的遗传信息在受体细胞中表达。

2．基因工程的核心是构建重组DNA 分子(基因表达载体的构建)，基因工程的基本原理是基因重组。

3．基因工程的技术保障是限制性核酸内切酶、DNA 连接酶和质粒载体的发现与应用。

4．限制性核酸内切酶是能够识别和切割DNA 分子内一小段特殊核苷酸序列的酶。

5．DNA 连接酶是将具有末端碱基互补的2个DNA 片段连接在一起，形成重组DNA 分子的酶。

6．质粒是基因工程的载体，可将外源基因送入宿主细胞。

(3)作用实质：形成核苷酸之间的磷酸二酯键。

3．目的基因的载体——质粒(1)概念：是能够自主复制的双链环状DNA分子。

(2)作用：质粒是基因工程中的载体，将外源基因送入受体细胞中。

《工具酶的发现和基因工程的诞生》讲义在生命科学的漫长发展历程中，工具酶的发现无疑是一座重要的里程碑，它为基因工程的诞生奠定了坚实的基础。

基因工程，这个改变了人类对生命认知和干预能力的科学领域，正以前所未有的速度影响着我们的生活。

要理解基因工程，首先得从工具酶说起。

工具酶，顾名思义，是在生物技术中起着关键作用的酶类。

它们就像是一把把精准的“分子手术刀”，能够在特定的位置对 DNA 分子进行切割、连接、修饰等操作。

限制性内切酶是最早被发现的重要工具酶之一。

20 世纪 60 年代，科学家们在研究细菌的防御机制时，意外地发现了这种能够识别特定DNA 序列并进行切割的酶。

这一发现就如同打开了一扇通往微观世界的新大门。

限制性内切酶能够在 DNA 分子的特定位置进行切割，产生具有粘性末端或平末端的 DNA 片段。

这些切割产生的片段为后续的基因操作提供了便利。

DNA 连接酶则是另一种不可或缺的工具酶。

它能够将两个具有互补粘性末端或平末端的 DNA 片段连接起来，形成一个完整的 DNA 分子。

有了限制性内切酶和 DNA 连接酶，科学家们就能够对 DNA 进行切割和拼接，实现基因的重组。

除了这两种酶，还有许多其他的工具酶在基因工程中发挥着重要作用。

例如，DNA 聚合酶能够以 DNA 为模板合成新的 DNA 链；反转录酶能够将 RNA 逆转录为 DNA；核酸酶能够降解 DNA 或 RNA 等。

有了这些强大的工具酶，基因工程的诞生也就水到渠成了。

基因工程，简单来说，就是按照人们的意愿，将不同生物的基因进行重新组合，创造出具有新的遗传性状的生物。

基因工程的诞生给人类带来了巨大的影响。

在农业领域，通过基因工程技术，我们可以培育出具有抗病虫害、抗逆性强、产量高的农作物新品种。

比如，抗虫棉的培育就是基因工程在农业上的成功应用之一。

科学家们将一种能够产生杀虫蛋白的基因导入棉花植株中，使棉花获得了抗虫的能力，减少了农药的使用，既保护了环境，又提高了棉花的产量和质量。

第一节工具酶的发现和基因工程的诞生一、区别几组关系1．不能将与遗传有关的酶等同于基因工程中的酶与遗传有关的酶，通常指自然条件下，遗传信息传递及表达过程中的相关酶。

广义地讲，包括遗传物质复制的相关酶和基因表达（转录和翻译）的相关酶；狭义地说，与遗传有关的酶仅指与遗传物质复制有关的酶。

基因工程中的酶，通常指在人工操纵基因的过程中涉及的酶。

有狭义和广义两种：狭义地讲，指的是基因工程中的工具酶，即DNA限制性内切酶（简称限制酶）和DNA连接酶，也是基因工程中一定要有的两种酶；广义地说，除工具酶外，与人工合成目的基因有关的酶、DNA扩增过程中涉及的酶，甚至于基因表达的相关酶，都可以认为与之相关。

2．不能把基因工程中的“工具”等同于“工具酶”基因工程中的工具包括：基因的“剪刀”（限制酶）、基因的“针线”（DNA连接酶）和基因的“运载工具”（运载体）。

其中，运载体是必需的工具，却不是酶，通常利用处理过的病毒DNA或者质粒DNA分子作为运载的工具。

二、相关酶的主要功能1．解旋酶：作用于氢键，是一类解开氢键的酶，由水解ATP来供给能量。

在DNA复制过程中起作用。

需要注意的是，在人工操作条件下，需要解旋时，往往不用解旋酶，而是用加热的方法来解旋，例如PCR技术和DNA分子杂交技术中，都有加热解旋的步骤。

2．DNA聚合酶：以一条单链DNA为模板，将游离（单个的）脱氧核苷酸通过磷酸二酯键形成一条与模板链互补的DNA链，并与母链构成一个DNA分子。

在DNA复制中起作用。

3．RNA聚合酶：依赖于于DNA的RNA合成酶，以双链DNA的一条链为模板，边解旋边转录形成RNA（包括rRNA、mRNA和tRNA），转录后DNA仍保持双链结构。

在转录中起作用。

4．逆（反）转录酶：为RNA指导的DNA聚合酶，催化以RNA为模板、以脱氧核糖核苷酸为原料合成DNA的过程。

进一步可在DNA聚合酶的作用下，以单链DNA为模板形成双链DNA分子。

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。

《工具酶的发现和基因工程的诞生》讲义在生命科学的发展历程中，工具酶的发现和基因工程的诞生是具有里程碑意义的重大事件。

这不仅为我们深入理解生命的奥秘提供了强大的手段，也为解决人类面临的诸多问题开辟了新的途径。

要理解基因工程，首先得清楚什么是工具酶。

工具酶就像是生命科学领域的“精密工具”，能够在特定的条件下对生物大分子进行精准的切割、连接、修饰等操作。

其中，最为重要的工具酶包括限制性内切酶、DNA 连接酶和 DNA 聚合酶等。

限制性内切酶的发现是一个关键的突破。

在 20 世纪 60 年代，科学家们在研究细菌的防御机制时，意外地发现了这种神奇的酶。

细菌为了抵御外来 DNA 的入侵，会产生限制性内切酶，它能够识别特定的核苷酸序列，并在这个位点将 DNA 切断。

这一特性使得科学家们能够在体外对 DNA 进行有针对性的切割，从而为基因的分离和重组奠定了基础。

DNA 连接酶则在基因工程中扮演着“缝合师”的角色。

当 DNA 被限制性内切酶切割后，会产生黏性末端或平末端。

DNA 连接酶能够将这些断裂的末端连接起来，形成完整的 DNA 分子。

DNA 聚合酶的作用也不容小觑。

它能够以一条 DNA 链为模板，合成出与之互补的新链，从而实现 DNA 的复制。

在基因工程中，DNA聚合酶常用于 PCR（聚合酶链式反应）技术，能够快速大量地扩增特定的 DNA 片段。

有了这些工具酶，基因工程的诞生就成为了可能。

基因工程，简单来说，就是按照人们的意愿，将不同来源的基因进行重新组合，并导入到受体细胞中，使其表达出所需的性状或产物。

基因工程的诞生并非一蹴而就，而是经过了众多科学家的不懈努力。

在20 世纪70 年代，科学家们成功地实现了将外源基因导入到细菌中，并使其表达。

这一突破标志着基因工程的正式诞生。

基因工程的应用范围非常广泛。

在农业领域，通过基因工程技术，可以培育出抗病虫害、抗逆境、高产优质的农作物新品种。

例如，我们常见的转基因抗虫棉，就是通过将苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因导入到棉花中培育而成的。