1、第2节 基因工程及其应用 教师参考 新课导入 导入1:图片展示“发光的水母”和“不发光的热带鱼”。同学们能否让热带鱼也发光呢?用什么技术?提示:能,转基因技术。引出课题。导入2:同学们,各种生物间的性状千差万别,这是为什么呢?提示:生物体的不同性状是通过基因特异性表达而形成的。例如:蚕吐出丝;豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮气;青霉菌能产生对人类有用的抗生素青霉素。能否让禾本科植物能够固定空气中的氮气;让细菌“吐出”蚕丝;让微生物生产出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物?你知道用什么新技术能实现?引出基因工程。自主学习要点探究自主学习学习目标:1.简述基因工程的基本原理。2.举例说出基因工程在农
2、业、医药等领域的应用。3.关注转基因生物和转基因食品的安全性。知识梳理 一、基因工程的原理 1.含义 2.基因工程的基本工具(1)剪刀:(简称 ),识别特定的 序列,并在特定的切点上切割DNA分子。(2)针线:DNA连接酶,连接 和 之间的缺口。限制性核酸内切酶 限制酶 核苷酸 脱氧核糖 磷酸(3)运载体 DNA质粒：存在于许多以及酵母菌等生物的细胞中，拟核或细胞核外能够 的很小的分子细菌自主复制环状动植常用种类噬菌体物病毒 作用:将外源基因送入 。受体细胞 3.基因工程的步骤 提取 目的基因与运载体结合 将目的基因导入 目的基因的 目的基因 受体细胞 检测与鉴定 判断(1)基因工程的操作过程
3、可以产生新的基因,因而该过程中产生了基因突变。()(2)基因工程是将目的基因导入受体细胞中并获得相应性状或基因产物,操作对象为基因,属于分子水平。()(3)一种限制酶可以识别多种核苷酸序列。()(4)质粒是最为常用的运载体,它只能从原核生物中获取。()二、基因工程的应用及安全性 1.基因工程的应用 应用内容作物育种目的培育出具有各种 的作物新品种实例 的转基因抗虫棉意义减少了 ,还减少了农药对环境的污染药物研制实例生产人的胰岛素过程胰岛素基因与大肠杆菌的DNA分子 ,并且在大肠杆菌内获得成功的 .环境保护实例利用 降解有毒有害的化合物,吸收环境中的重金属,分解泄漏的石油,处理工业废水等抗逆性
4、抗棉铃虫 农药的用量 重组 表达 转基因细菌 2.基因工程的安全性 思考 利用大肠杆菌生产出的胰岛素没有生物活性,还需进一步加工,这与大肠杆菌中的哪些结构特点有关?提示:大肠杆菌中无内质网、高尔基体等加工分泌蛋白质的细胞器,所以形成的胰岛素还不成熟,需进一步加工。问题引领:1.分别说出限制酶与DNA连接酶的作用部位、结果及特点?2.作为运载体应具备哪些条件?要点探究基因工程工具分析 要点一 教师参考 1.限制酶与DNA连接酶(1)基因的“剪刀”限制酶 作用特点:专一性和特异性 作用结果:产生黏性末端或平末端 作用部位:脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键(2)基因的“针线”DNA连接酶 作用结果:将不同
5、DNA分子片段的末端连接起来 作用部位:脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键 限制酶与DNA连接酶的关系 2.运载体应具备的条件(1)能在宿主细胞内稳定保存并大量复制保证目的基因能在细胞分裂过程中复制并传递给子代细胞。(2)有多个限制酶切点运载体能够接入多种目的基因。(3)有标记基因检测目的基因是否导入受体细胞。解析:处为氢键,解旋酶可断开氢键,使DNA分子解旋;处为磷酸和脱氧核糖形成的化学键,限制酶可断开此化学键,常用于基因工程中切割运载体和目的基因;处为断开的DNA片段,可将此连接起来的酶是DNA连接酶。【典例1】如图为DNA分子的某一片段,其中分别表示某种酶的作用部位,则相应的酶依次是()A.DN
6、A连接酶、限制酶、解旋酶 B.限制酶、解旋酶、DNA连接酶 C.解旋酶、限制酶、DNA连接酶 D.限制酶、DNA连接酶、解旋酶 答案:C 方法透析 据作用部位及结果判定与DNA有关的酶(1)断开氢键的酶解旋酶。(3)备选例题 图中Pst、Sma、EcoR、Apa 为四种限制酶,为了获得含有抗原基因的重组质粒,对质粒和含抗原基因的DNA进行切割时,需要用的限制酶是()A.Sma B.Pst、Sma C.Sma、EcoR D.Pst、EcoR D 解析:切割的原则是将目的基因从DNA中切下,将质粒切开,并且不能破坏标记基因,因此应该选择酶Pst、EcoR。【题组演练】1.下列有关基因工程中限制性核
7、酸内切酶的描述,错误的是()A.一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列 B.限制性核酸内切酶的活性受温度影响 C.限制性核酸内切酶能识别和切割RNA D.限制性核酸内切酶可从原核生物中提取 解析:限制性核酸内切酶主要存在于原核生物中。一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列,并能在特定的切点上切割DNA分子,其作用对象不是RNA分子,而是DNA分子。C 2.以下说法正确的是()A.所有的限制酶只能识别同一种特定的核苷酸序列 B.质粒是基因工程中唯一的运载体 C.运载体必须具备限制酶切点,以便与外源基因连接 D.DNA连接酶与DNA聚合酶作用相同 解析:一种限制酶只识别一种
8、特定的核苷酸序列,A错误;质粒是基因工程中常用的运载体,动、植物病毒也可作为运载体,B错误;运载体上有多个限制酶切点能接入多种目的基因,C正确;DNA连接酶是连接DNA片段的酶,而DNA聚合酶是将单个脱氧核苷酸连接到DNA上。C 3.下图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化,图中依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用的正确顺序是()A.B.C.D.解析:限制性核酸内切酶用于切割DNA片段;而与之作用相反的是DNA连接酶,用于连接DNA片段;DNA聚合酶用于DNA的复制过程,它需要模板;解旋酶会使DNA双链解旋而分开,它作用于碱基对之间的氢键。C 问题引领:1.怎样
9、运用基因工程工具完成基因工程的操作?2.怎样检测与鉴定基因工程操作是否成功?基因工程的操作步骤 要点二 教师参考 1.操作图示 2.步骤解读(1)提取目的基因 如图中a过程,获取目的基因的方法为直接分离的方法。(2)目的基因与运载体结合 图中b表示的是目的基因与运载体的结合。工具:限制酶:图中EcoR这种限制酶所识别的序列是GAATTC,切点位于G与A之间;从图中能够看出提取目的基因B和切开质粒A所用的是同一种限制酶。DNA连接酶:此酶用于质粒A与目的基因B的结合过程,形成重组DNA分子C。(3)将目的基因导入受体细胞 图中c过程表示将目的基因导入受体细胞中,此过程不存在碱基互补配对;有可能将
10、目的基因导入受体细胞的染色体DNA上,目的基因将在宿主细胞中复制和表达。(4)目的基因的检测与鉴定 检测:根据标记基因或分子杂交技术检测目的基因是否导入受体细胞。鉴定:受体细胞是否表现出特定性状,如棉花抗虫性状的表现。【典例 2】可用基因工程的方法生产乙肝疫苗,现已知乙肝病毒的核心蛋白和表面抗原蛋白的氨基酸序列,生产示意图如下。下列相关说法不正确的是()乙肝病毒有关基因细菌大量生产疫苗 A.生产乙肝疫苗的过程也达到了定向改造细菌的目的 B.在过程中需要限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶 C.用于生产疫苗的目的基因为编码核心蛋白的基因和表面抗原蛋白基因 D.目的基因整合到细菌染色体上,随细菌的繁
11、殖而扩增 解析:上述过程应用了基因工程技术,能定向改造生物的遗传性状;在操作时要应用限制酶来获得目的基因,并用DNA连接酶使之与运载体结合;该过程的目的基因为表面抗原蛋白基因和编码核心蛋白的基因;细菌没有染色体,所以目的基因不会整合到染色体上,故D项错误。答案:D 备选例题 菌种可产生LTP1蛋白,并酿出泡沫丰富的啤酒。基本的操作过程如图:(1)该技术定向改变了酵母菌的性状,这种变异属于 。(2)本操作中为了将LTP1基因导入啤酒酵母菌细胞内,所用的运载体是 。(3)要使运载体与LTP1基因连接,首先应使用 对两者进行切割。切割完成后,采用 酶将运载体与LTP1基因连接。(4)有C进入的啤酒酵
12、母菌分别在含有青霉素、四环素的两种选择培养基上的生长情况是 。(5)除了看啤酒泡沫的丰富程度外,还可以怎样检测LTP1基因在啤酒酵母菌中的表达?。解析:基因工程可定向改变生物的性状,从变异角度分析应属于基因重组;从图中可看出,目的基因插入到了质粒的抗四环素基因中,从而破坏了抗四环素基因结构的完整性,但抗青霉素基因仍完整,因此含有重组质粒的啤酒酵母菌在含青霉素的培养基上能存活,而在含四环素的培养基上不能存活。答案:(1)基因重组(2)(大肠杆菌的)质粒(3)同一种限制酶 DNA连接 (4)在含有青霉素的培养基上能存活,但在含有四环素的培养基上不能存活(5)检验转基因啤酒酵母菌能否产生LTP1蛋白
13、 A 解析:基因工程中,限制酶可用于切割含目的基因的DNA和运载体,而且切割运载体和提取目的基因一般用同一种限制酶,这样产生互补的黏性末端,进而在DNA连接酶的作用下,实现重组;重组载体是否进入受体细胞,目的基因是否在受体细胞内稳定存在并表达都需进行检测。【题组演练】1.基因工程是在DNA分子水平上的操作,下列有关基因工程的叙述,错误的是()A.限制酶只用于提取目的基因 B.载体与目的基因一般用同一种限制酶处理 C.基因工程所用的工具酶是限制酶、DNA连接酶 D.带有目的基因的载体是否进入受体细胞需检测 2.在培育转基因植物的研究中,卡那霉素抗性基因(kanR)常作为标记基因,只有含卡那霉素抗
14、性基因的细胞才能在卡那霉素培养基上生长。下图为获得抗虫棉的技术流程。请据图回答:重组质粒土壤农杆菌含重组质粒的土壤农杆菌 转基因抗虫植株再生植株 Rkan抗虫基因含质粒(1)基因工程的基本操作程序主要包括四个步骤:提取目的基因、将目的基因导入受体细胞、。(2)要使运载体与该抗虫基因连接,A 过程中首先应使用 进行切割。假如运载体被切割后,得到的分子末端序列为,则能与该运载体连接的抗虫基因分子的末端是()A.B.C.D.(3)切割完成后,采用 将运载体与该抗虫基因连接,连接后得到的 DNA 分子称为 。(4)如果转基因植物的花粉中含有毒蛋白,将引起的安全性问题包括(多选)()A.生物安全 B.环
15、境安全 C.食品安全 D.伦理道德问题(5)来自苏云金杆菌的抗虫基因能在植物体内成功表达,说明苏云金杆菌和植物等生物共用 。解析:(1)基因工程的四个步骤中,第二、四步分别是目的基因与运载体结合、目的基因的检测与鉴定。(2)切割目的基因和运载体使用同一种限制酶,切出的黏性末端能够完成碱基互补配对,并且能够连接在一起。(3)目的基因和运载体结合时,用DNA连接酶催化该过程,形成的分子称为重组DNA分子。(4)由于目的基因是导入植物中,所以不可能发生与人直接相关的伦理道德问题。(5)同一种基因在不同生物体内合成了相同的蛋白质,说明这些生物的密码子与氨基酸的对应关系是相同的即共用一套遗传密码。答案:(1)目的基因与运载体结合 目的基因的检测与鉴定(2)限制酶 A(3)DNA连接酶 重组DNA分子(4)ABC(5)一套遗传密码 点击进入课时训练 谢谢观赏Thanks!
