高考生物复习选修三 现代生物科技专题教案—第1讲 基因工程

高考生物复习选修三 现代生物科技专题教案—第1讲 基因工程

考情研读·备考定位

考点展示 核心素养

1．简述基因工程的诞生。

2．简述基因工程的原理及技术。

3．举例说出基因工程的应用。

4．简述蛋白质工程。

5．活动：DNA的粗提取和鉴定。

6．活动：利用聚合酶链式反应(PCR)扩增DNA片段并完成电泳鉴定，或运用软件进行虚拟PCR实验。 1．生命观念——结构决定功能：基因的结构与功能。

2．理性思维——建立模型：理解基因工程的操作流程。

3．科学探究——解决问题：基因工程的应用和蛋白质工程。学会细胞中的DNA的提取和鉴定方法，学习PCR技术原理和操作。

考点一 基因工程的操作工具

自主回顾·素养储备

基础梳理

1．基因工程的概念理解

(1)供体：提供目的基因。

(2)操作环境：体外。

(3)操作水平：分子水平。

(4)原理：基因重组。

(5)受体：表达目的基因。

(6)本质：性状在受体体内表达。

(7)优点 ①与杂交育种相比：克服了远缘杂交不亲和的障碍。

②与诱变育种相比：定向改造生物遗传性状。

2．DNA重组技术的基本工具

(1)限制性核酸内切酶(简称：限制酶)

①来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。

②作用：识别特定的核苷酸序列并切开相应两个核苷酸之间的磷酸二酯键。

③结果：产生黏性末端或平末端。

(2)DNA连接酶

①种类：

常用类型 E·coli DNA连接酶 T4DNA连接酶

来源 大肠杆菌 T4噬菌体

功能 只缝合黏性末端 缝合黏性末端和平末端

结果 恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键

②作用：在两个核苷酸之间形成磷酸二酯键以连接两段DNA片段。

(3)载体

①种类：质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。

②质粒特点能自我复制有一个至多个限制酶切割位点有特殊的标记基因

思维辨析

易错整合，判断正误。

(1)切割质粒的限制性核酸内切酶均能特异性地识别6个核苷酸序列( × )

(2)限制酶只能用于切割目的基因( × )

(3)限制酶也可以识别和切割RNA( × )

(4)DNA连接酶能将两碱基通过氢键连接起来( × )

(5)E·coli DNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端( × ) (6)载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选的标记基因( × )

延伸探究

1．DNA连接酶和DNA聚合酶的作用相同吗？试简要说明。

[提示]不相同。DNA连接酶连接的是两个DNA片段，而DNA聚合酶连接的是单个脱氧核苷酸。

2．原核生物中限制酶为什么不切割自身的DNA?

[提示]原核生物的DNA中不存在该酶的识别序列或识别序列已被修饰等。

3．思考并表述在基因工程的基本操作步骤中，哪些步骤发生了碱基互补配对？

[提示]第一步中，碱基互补配对发生在用反转录法合成目的基因或PCR技术扩增目的基因的过程中；第二步中，碱基互补配对发生在黏性末端相互连接过程中；第四步目的基因的检测与鉴定步骤中分子杂交及基因表达时存在碱基互补配对。

4．将目的基因导入受体细胞整合到线粒体DNA或叶绿体DNA上，能否稳定遗传？说明理由。

[提示]一般不能。因为仅把目的基因整合到线粒体DNA或叶绿体DNA上，细胞分裂可能导致目的基因丢失，因此无法稳定遗传。

5．动物基因工程中，为何常选用动物的受精卵作为受体细胞？

[提示]受精卵的全能性高，能使目的基因在相应的组织和器官中得以表达。

剖析难点·考点突破

重难精讲

1．基因工程的理论基础

2．基因工程的工具酶

(1)几种酶的比较

比较

项目 限制酶 DNA连

接酶 DNA

聚合酶 解旋酶 DNA(水解)酶

作用

底物 DNA分子 DNA分子片段 脱氧核苷酸 DNA分子 DNA分子

作用

部位 磷酸二

酯键 磷酸二

酯键 磷酸二

酯键 碱基对间

的氢键 磷酸二

酯键

作用

结果 产生黏性末端或平末端 形成重组

DNA分子 形成新的

DNA分子 形成单链

DNA分子 形成游离的脱氧核苷酸

(2)限制酶与DNA连接酶的关系

3．限制酶的特点与使用

(1)限制酶具有特异性，即一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列，并在特定的位点上进行切割；限制酶不切割自身DNA的原因是原核生物DNA分子中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。

(2)在获取目的基因和切割载体时通常用同一种限制酶，以获得相同的黏性末端。但如果用两种不同限制酶切割后形成的黏性末端相同，在DNA连接酶的作用下目的基因与载体也可以连接起来。

(3)为了防止载体或目的基因的黏性末端自己连接即所谓“环化”，可用不同的限制酶分别处理含目的基因的DNA和载体，使目的基因两侧及载体上各自具有两个不同的黏性末端。

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关于工具酶的五个注意点

(1)限制酶切割位点所处的位置必须是在所需的标记基因之外，这样才能保证标记基因的完整性，有利于对目的基因的检测。

(2)为使目的基因与载体形成相同的DNA片段末端连接，通常使用同一种限制酶将二者切割，但如果不同的限制酶切割DNA分子所产生的末端也存在互补关系时，则两末端也可连接。

(3)限制酶不切割自身DNA的原因是原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。

(4)限制酶是一类酶，而不是一种酶。

(5)DNA连接酶起作用时，不需要模板。

4．载体

(1)载体种类：质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒，最常用的载体是质粒。

(2)作用

①作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞内。

②利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。

(3)作为载体的条件

条件 适应性

稳定存在并能复制 目的基因稳定存在且数量可扩大

有一个至多个限制酶切割位点 可携带多个或多种外源基因 具有特殊的标记基因 便于重组DNA的鉴定和选择

■

(1)与膜载体的区别：基因工程中的载体是DNA分子，能将目的基因导入受体细胞内，并利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制；膜载体是蛋白质，与细胞膜的通透性有关。

(2)载体上标记基因的标记原理：

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。当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞后，抗性基因在受体细胞内表达，使受体细胞能够抵抗相应抗生素，所以在受体细胞的培养体系中加入该种抗生素就可以只保留转入载体的受体细胞，原理如下图所示：

精准命题

例1 图(a)中的三个DNA片段上依次表示出了EcoRI、BamHI和Sau3AI三种限制性内切酶的识别序列与切割位点，图(b)为某种表达载体的示意图(载体上的EcoRI、Sau3AI的切点是唯一的)。

根据基因工程的有关知识，回答下列问题：

(1)经BamHI酶切割得到的目的基因可以与上述表达载体被Sau3AⅠ酶切后的产物连接，理由是两种酶切割后产生的片段具有相同的黏性末端。

(2)若某人利用图(b)所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组质粒，如图(c)所示。这三种重组质粒中，不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有甲和丙，不能表达的原因是甲中目的基因插入在启动子的上游，丙中目的基因插入在终止子的下游，二者的目的基因均不能被转录。

(3)DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来的酶，常见的有E·coli_DNA连接酶和T4DNA连接酶，其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是T4DNA连接酶。

[解析] (1)由图(a)可知，尽管BamHⅠ和Sau3AⅠ两种限制酶的识别序列不相同，但两种酶切割后产生的DNA片段具有相同的黏性末端，故被BamHⅠ酶切后得到的目的基因可以与图(b)中表达载体被Sau3AⅠ酶切后的产物连接。(2)运载体上的启动子和终止子具有调控目的基因表达的作用，由于甲和丙的目的基因分别插入在启动子的上游和终止子的下游，所以这两个运载体上的目的基因都不能被转录和翻译。(3)常见的DNA连接酶是E·coli DNA连接酶和T4DNA连接酶，但作用有所差别，T4DNA连接酶既能连接黏性末端，又能连接平末端，而E·coli DNA连接酶只能连接黏性末端。

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确定限制酶种类的两种方法

(1)根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类

①应选择切点位于目的基因两端的限制酶，如图甲可选择PstⅠ。

②不能选择切点位于目的基因内部的限制酶，如图甲不能选择SmaⅠ。 ③为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接，也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒，如图甲也可选择用PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切点)。

(2)根据质粒的特点确定限制酶的种类

①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶相一致，以确保具有相同的黏性末端。

②质粒作为载体必须具备标记基因等，所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因；如果所选酶的切点不止一个，则切割重组后可能丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则切割重组后的片段进入受体细胞后不能自主复制。

〔变式训练〕

1．下列有关基因工程中载体的说法，正确的是( D )

A．在进行基因工程操作中，被用作载体的质粒都是天然质粒

B．所有的质粒都可以作为基因工程中的载体

C．质粒是一种独立于细菌染色体外的链状DNA分子

D．作为载体的质粒DNA分子上应有对重组DNA进行鉴定和选择的标记基因

[解析] 在进行基因工程操作中，被用作载体的质粒是在天然质粒的基础上进行过人工改造的，A错误；具有一至多个限制酶切点、具有标记基因的质粒才可以作为基因工程中的载体，B错误；质粒是一种独立于细菌拟核DNA外的环状DNA分子，C错误；作为载体的质粒DNA分子上应有对重组DNA进行鉴定和选择的标记基因，而且能在受体细胞中复制并稳定保存，D正确。

考点二 基因工程的基本操作程序

自主回顾·素养储备

基础梳理

基因工程的基本操作程序

目的基因的获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定