1、第一章基因工程第1课时基因工程的诞生、发展和工具目标导航1.说出基因工程诞生的理论与实践依据、发展阶段和基因工程的含义及其主要实验成果。2.举例说出限制性核酸内切酶的作用、特点。3.举例说出DNA连接酶的作用。4.简述质粒的含义、特性及其在基因工程中的作用。一、基因工程的诞生和发展1基因工程是指在_通过人工“_”和“_”等方法，对生物的基因进行的_和重新组合，然后_受体细胞并使重组基因在受体细胞中_，产生人类需要的_的技术，又称为_技术。基因工程是在_水平上操作、改变生物的_的技术，包括基因的_、_、_以及在受体细胞内的_和_等过程。2艾弗里证明了_是遗传物质、沃森和克里克阐明了_结构，尼伦贝
2、格等破译了_，这些都为基因工程的创立作出了重要的理论铺垫，而_酶和_酶等工具酶、_等载体和_酶的发现，则直接促使了基因工程的诞生。3基因工程的诞生和发展经历了三个时期：19731976年为_期；19771981年为_期；1982年以后为迅猛发展和_期。1973年，美国科学家科恩和博耶等将_的DNA分子进行体外重组，并首次实现了在大肠杆菌中的_，创立了_的新技术基因工程；不久，又有科学家将第一个_核生物的基因导入大肠杆菌，使大肠杆菌产生了相应的_；1977年，科学家使得生长激素抑制素基因在大肠杆菌中成功表达；1978年，_在大肠杆菌中成功合成；1979年，_基因在大肠杆菌中成功表达；1980年，
3、_基因在大肠杆菌中成功表达1982年，美国科学家岶米特等采用_法，将经过重组的带有_基因的质粒转入小鼠的受精卵内，成功获得带有_基因的小鼠。该小鼠生长迅速，体型是同一胎其他小鼠的1.8倍，称为_小鼠。这一实验被认为是基因工程的发展史上的一个里程碑。二、基因工程中的工具酶与载体1限制性核酸内切酶分子手术刀(1)来源：第一种限制酶从_中分离并纯化。(2)作用：每种限制性核酸内切酶只能识别DNA分子的_，且在特定位点上切割DNA分子。(3)切割结果：大部分限制性核酸内切酶在切开DNA双链时，切口处两个末端都带有由若干_组成的单链，这种单链被称为_末端。2DNA连接酶分子针线(1)作用：把DNA分子“
4、梯子”的_连接起来。(2)结果：形成一条_分子。3载体运载工具(1)常用种类：_、_以及一些可以起载体作用的动植物病毒。(2)质粒：来自于_中的一种很小的_分子。知识点一基因工程的诞生和发展1下列关于基因工程的叙述，不正确的是()A基因工程的原理是基因重组B运用基因工程技术，可使生物发生定向变异C一种生物的基因转接到另一种生物的DNA分子上，属于基因工程的内容D是非同源染色体上非等位基因的自由组合2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基因工程的目的是获得目的基因表达的蛋白质产物C基因工程产生的变异属于人工诱变D基因工程育种的优点之一是可以定向地使生物产生可遗传
5、的变异知识点二限制性核酸内切酶和DNA连接酶3限制性核酸内切酶的识别序列和切点是GGATCC，限制性核酸内切酶的识别序列和切点是GATC。在质粒上有酶的一个切点，在目的基因的两侧各有1个酶的切点。(1)请画出质粒被限制性核酸内切酶切割形成黏性末端的过程。(2)请画出目的基因两侧被限制性核酸内切酶切割形成黏性末端的过程。(3)在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接起来？为什么？4下表中列出了几种限制酶识别序列及其切割位点，图1、图2中箭头表示相关限制酶的酶切位点。请回答下列问题：图1图2(1)一个图1所示的质粒分子经Sma切割前、后，分别含有_个游离的磷酸基团。(
6、2)若对图中质粒进行改造，插入的Sma酶切位点越多，质粒的热稳定性越_。(3)用图中的质粒和外源DNA构建重组质粒，不能使用Sma 切割，原因是_。(4)与只使用EcoR相比较，使用BamH和Hind 两种限制酶同时处理质粒、外源DNA的优点在于可以防止_。(5)为了获取重组质粒，将切割后的质粒与目的基因片段混合，并加入_酶。(6)重组质粒中抗生素抗性基因的作用是为了_。知识点三“分子运输车”载体5将ada(腺苷酸脱氨酶基因)通过质粒pET28b导入大肠杆菌并成功表达腺苷酸脱氨酶。下列叙述错误的是()A每个大肠杆菌细胞至少含一个重组质粒B每个重组质粒至少含一个限制性核酸内切酶识别位点C每个限制
7、性核酸内切酶识别位点至少插入一个adaD每个插入的ada至少表达一个腺苷酸脱氨酶分子6如图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，据图回答下列问题：(1)a代表的物质和质粒的化学本质相同，都是_，二者还具有其他共同点，如：_，_(写出两条即可)。(2)若质粒DNA分子的切割末端为，则与之连接的目的基因切割末端应为_；可使用_把质粒和目的基因连接在一起。(3)氨苄青霉素抗性基因在质粒DNA上称为_，其作用是_。(4)下列常在基因工程中用作载体的是()A苏云金芽孢杆菌抗虫基因B土壤农杆菌环状RNA分子C大肠杆菌的质粒D动物细胞的染色体基础落实1人们将苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因导入棉花细胞中培育成为抗虫棉
8、，这个过程中所利用的主要原理是()A基因突变 B基因重组C基因工程 D染色体变异2下列有关限制酶知识的叙述，错误的是()A产生于细胞内，同时可以在细胞外起作用B一种限制酶可以识别多种特定的核苷酸序列C限制酶作用于两个核苷酸之间的磷酸二酯键D微生物中的限制酶对自身DNA无损害作用3属于“分子缝合针”的是()EcoliDNA连接酶T4DNA连接酶DNA聚合酶解旋酶RNA聚合酶A BC D4限制性核酸内切酶EcoR对DNA的识别序列是GAATTC，当用它处理环状DNA分子时，可形成()A两端相同的线性DNA，有黏性末端B两端相同的线性DNA，无黏性末端C两端不同的线性DNA，一端有黏性末端，一端无黏
9、性末端D两种末端无法判断5在基因工程中用来修饰改造生物基因的工具是()A限制酶和DNA连接酶B限制酶和DNA水解酶C限制酶和载体D连接酶和载体6如图为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 BC D能力提升7下列关于基因工程的叙述，错误的是()A目的基因由载体导入受体细胞B限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶C人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性D载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达82008年诺贝尔化学奖授予了“发现和发展了水母绿色荧光蛋白”的三位科学
10、家。如果将绿色荧光蛋白基因的片段与目的基因连接起来组成一个融合基因，再将该融合基因转入真核生物细胞内，表达出的蛋白质就会带有绿色荧光。绿色荧光蛋白在该研究中的主要作用是()A追踪目的基因在细胞内的复制过程B追踪目的基因插入到染色体上的位置C追踪目的基因编码的蛋白质在细胞内的分布D追踪目的基因编码的蛋白质的空间结构9某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶(Amy)基因a，通过基因工程的方法，将基因a与载体结合后导入马铃薯植株中，经检测发现Amy在成熟块茎细胞中存在。下列有关这一过程的叙述不正确的是()A获取基因a的限制酶的作用部位是图中的B连接基因a与载体的DNA连接酶的作用部位是图中的C基因a进入
11、马铃薯细胞后，可随马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞D通过该技术人类实现了定向改造马铃薯的遗传性状10限制酶是一种核酸内切酶，可识别并切割DNA分子上特定的核苷酸序列。下图为四种限制酶BamH、EcoR、Hind和Bgl的识别序列和切割位点：BamH EcoRHind Bgl GGATCC GAATTC AAGCTT AGATCTCCTAGG CTTAAG TTCGAA TCTAGA 切割出来的DNA黏性末端可以互补配对的是()ABamH和EcoRBBamH和HindCBamH和BglDEcoR和Hind11.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。运用这一技术使羊奶
12、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：(1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是_。人体蛋白质基因“插入”羊体细胞染色体中时需要的酶是_。(2)请画出质粒被切割形成黏性末端的过程图。(3)人体蛋白质基因之所以能“插入”到羊的染色体内，原因是_。12请根据下面的实验原理和材料用具，设计实验探究质粒的抗生素基因所控制的抗菌类别。实验原理：作为载体的质粒须有标记基因，这一标记基因可以是抗生素抗性基因，故有抗生素抗性基因的细菌，其质粒可以选作为载体(抗生素抗性基因一般位于质粒上)。材料用具：青霉素溶液、10万单位/mL的
13、四环素溶液、菌种、灭菌的含有细菌培养基的培养皿、酒精灯、接种环、一次性注射器、蒸馏水、恒温箱等。(1)方法步骤：第一步：取三个含细菌培养基的培养皿，编号1、2、3，在酒精灯旁，用三支注射器分别注入1毫升的蒸馏水、青霉素溶液和四环素溶液，并使之在整个培养皿表面均匀分布；第二步：_；第三步：将接种后的三个培养皿放入37 恒温箱中培养24小时。(2)预期结果及结论：若1号培养皿中细菌正常生长，2、3号培养皿中细菌不能存活，说明该细菌质粒既无青霉素抗性基因，也无四环素抗性基因；_；_；_。(3)设置1号培养皿的目的是进行_。综合拓展13基因工程中，需使用限制酶切割目的基因和质粒，便于重组和筛选。已知限
14、制酶的识别序列和切点是GGATCC，限制酶的识别序列和切点是GATC。(1)根据已知条件和图回答：上述质粒用限制酶_切割，目的基因用限制酶_切割。将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，还要加入适量的_。请指出质粒上至少要有一个标记基因的理由：_。(2)不同生物的基因可以拼接的结构基础是_。(3)大肠杆菌是首先成功表达外源基因的宿主菌，但不能表达结构复杂的蛋白质，哺乳类细胞、昆虫细胞表达系统虽然能表达结构复杂的哺乳类细胞蛋白，但操作复杂，表达水平低，不易推广使用。基因工程中常选用酵母菌作为受体细胞，请从细胞结构等方面分析用酵母菌作受体细胞能克服上述不足的理由：_。第1课时基因工程的诞生、发展和工
15、具知识清单一、1.体外剪切拼接改造导入表达基因产物重组DNA基因遗传性状分离体外重组转移复制表达2.DNADNA分子的双螺旋遗传密码限制性核酸内切DNA连接质粒逆转录3.开始发展实际应用两种不同来源表达定向改造生物真rRNA人胰岛素人生长激素人干扰素显微注射大鼠生长激素大鼠生长激素巨型二、1.(1)流感嗜血杆菌(2)特定核苷酸序列(3)特定核苷酸黏性2(1)扶手断口(2)重组DNA3.(1)质粒噬菌体(2)细菌细胞DNA对点训练1D思路导引理解基因工程的概念；回忆必修二基因重组的概念；搞清两个概念间的关系。知识链接对基因工程的理解(1)操作环境：生物体外(2)优点与杂交育种相比：克服了远缘杂交
16、不亲和的障碍。与诱变育种相比：定向改造生物性状。(3)操作水平：分子水平。(4)原理：基因重组。(5)本质：甲(供体：提供目的基因)乙(受体：表达目的基因)，即基因未变，合成蛋白质未变，只是合成场所的转移。2D思路导引明确基因工程的含义、优点、操作水平；回忆人工诱变的原理。知识链接1.不同基因拼接为重组DNA的理论基础(1)DNA分子的基本单位相同，都是由脱氧核苷酸构成的。(2)空间结构相同，不同生物的DNA分子，都是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链形成的规则的双螺旋结构。(3)碱基配对方式相同，不同生物的DNA分子中，两条链之间的碱基配对方式均是A与T配对，G与C配对。2外源基因在受体细胞内表
17、达的理论基础(1)基因是控制生物性状的独立遗传单位。(2)遗传信息的传递都遵循中心法则阐述的信息流动方向。(3)生物界共用一套遗传密码。3(1)(2)(3)能。因为上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端是相同的。解析限制酶具有专一性，即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列并从特定的切点将DNA分子切开。被限制酶切开的DNA两条单链切口，如果各含有几个伸出的、可互补配对的核苷酸，这种切口就是黏性末端。两个黏性末端之间，只要切口处伸出的核苷酸间互补，就能在DNA连接酶的作用下连接起来。虽然限制酶和限制酶识别的序列和切点不完全相同，但是形成的黏性末端是相同的，存在着互补关系，因此在DNA连接酶的作
18、用下是可以连接起来的。思路导引仔细审题，注意酶和酶的识别位点，以及切割后产生的黏性末端的异同。知识链接1.限制性核酸内切酶(1)作用特点：具有专一性，表现在两个方面识别双链DNA中特定核苷酸序列。切割特定序列中的特定位点，特定序列表现为中心对称，如EcoR酶的切割序列(如下图)：(2)作用结果：产生黏性末端或平口末端黏性末端：是限制酶在识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开形成的，如下图所示：平口末端：是限制酶在识别序列的中心轴线处切开形成的。如下图所示：2DNA连接酶常用的DNA连接酶Ecoli DNA连接酶T4DNA连接酶4(1)0、2(2)高(3)Sma会破坏质粒的抗性基因、外源
19、DNA中的目的基因(4)质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化(5)DNA连接(6)鉴别和筛选含有目的基因的细胞解析(1)质粒切割前是双链环状DNA分子，所有磷酸基团参与形成磷酸二酯键，故不含游离的磷酸基团。从图1可以看出，质粒上只含有一个Sma的切点，因此被该酶切割后，质粒变为线性双链DNA分子，因每条链上含有一个游离的磷酸基团，因此切割后含有两个游离的磷酸基团。(2)由题目可知，Sma识别的DNA序列只有G和C，而G和C之间可以形成三个氢键，A和T之间可以形成两个氢键，所以Sma酶切位点越多，热稳定性就越高。(3)质粒抗生素抗性基因为标记基因，由图2可知，标记基因和外源DNA中均含有Sm
20、a酶切位点，都可以被Sma破坏，故不能使用该酶剪切含有目的基因的外源DNA和质粒。(4)只使用EcoR，则质粒和目的基因两端的黏性末端相同，用连接酶连接时，会产生质粒和目的基因自身连接物，而利用BamH和Hind 剪切时，质粒和目的基因两端的黏性末端不同，用DNA连接酶连接时，不会产生自身连接产物。(5)质粒和目的基因连接后获得重组质粒，该过程需要连接酶作用，故混合后加入DNA连接酶。(6)质粒上的抗性基因为标记基因，用于鉴别和筛选含有重组质粒的受体细胞。归纳提升(1)DNA连接酶与DNA聚合酶的比较DNA连接酶DNA聚合酶相同点催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键不同点模板不需要模板需要DN
21、A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，形成磷酸二酯键作用结果连接成完整的DNA分子形成DNA的一条链用途基因工程DNA复制(2)DNA连接酶与限制性核酸内切酶的比较区别作用应用限制性核酸内切酶使特定部位的磷酸二酯键断裂用于提取目的基因和切割载体DNA连接酶在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键用于构建重组DNA分子关系：限制酶和连接酶都作用于相邻两脱氧核苷酸之间形成的磷酸二酯键，但作用不同，一个是切割，一个是连接。两者的关系可表示为：5C思路导引要明确质粒作为载体所需要具备的条件；理解基因工程含义。知识链接基因进入受体细胞的载体“
22、分子运输车”(1)类型(2)功能：将目的基因导入受体细胞，并能使其在受体细胞中稳定遗传和表达。(3)应具备的条件含复制原点，能在宿主细胞内稳定保存并大量复制；有遗传标记基因，可用于鉴定与筛选重组DNA分子；有限制酶的切割位点，便于外源基因的插入。6(1)DNA能够自我复制具有遗传效应(2)DNA连接酶(3)标记基因供重组DNA的鉴定和选择(4)C解析本题通过质粒结构的模式图考查质粒的功能和特点，分析如下：归纳提升(1)一般来说，天然载体往往不能满足人类的所有要求，因此人们根据不同的目的和需要，对某些天然的载体进行人工改造。(2)常见的标记基因有抗生素抗性基因、产生特定颜色的表达产物基因、发光基
23、因等。(3)作为载体必须具有一个至多个限制酶切点，而且每种酶的切点最好只有一个。因为某种限制酶只能识别单一切点，若载体上有一个以上的酶切点，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，则进入受体细胞后便不能自主复制。一个载体若只有某种限制酶的一个切点，则酶切后既能把环打开接纳外源DNA片段，又不会丢失自己的片段。(4)注意与细胞膜上载体的区别，两者的化学本质和作用都不相同。(5)质粒能自我复制，既可在自身细胞、受体细胞内，也可在体外。课后作业1B2B 3B4A5A6C7D8C9B10C11(1)限制性核酸内切酶DNA连接酶(2)CCTAGG(3)人的遗传物质(基因)与羊的都为DNA
24、，其物质组成和空间结构相同解析在基因工程中用到的工具酶有限制性核酸内切酶和DNA连接酶，在对载体和目的基因进行切割的时候，一定要用同一种限制性核酸内切酶，才能切出相同的黏性末端，当插入目的基因时，常用DNA连接酶在二者之间形成磷酸二酯键。12(1)第二步：将接种环在酒精灯上灼烧，并在酒精灯火焰旁对三个培养皿接种(2)若仅1、2号中细菌存活，3号中细菌死亡，说明该细菌质粒上有青霉素抗性基因，无四环素抗性基因若仅1、3号中细菌存活，2号细菌死亡，说明该细菌质粒上无青霉素抗性基因，有四环素抗性基因若1、2、3号中细菌都存活，说明该细菌质粒上既有青霉素抗性基因，又有四环素抗性基因(3)对照解析本实验的
25、目的是探究细菌质粒上的抗性基因。1号培养皿中未加抗生素，不管细菌质粒上有无抗生素基因，该培养皿中的细菌都能存活，所以是起对照作用的；2号培养皿中加入了青霉素，只有细菌质粒上有抗青霉素的基因，其中的细菌才能存活，否则，其中的细菌就会死亡；3号培养皿中加入了四环素，只有细菌质粒上有抗四环素的基因，其中的细菌才能存活，否则，就会被四环素杀死。注意预测结果时考虑问题要全面，几种可能的情况都应该考虑到，而且每种可能结果要和相应的结论对应起来。13(1)DNA连接酶检测重组质粒(或目的基因)是否导入受体细胞(2)DNA结构基本相同(其他合理答案均可)(3)单细胞真核生物，含有加工、修饰蛋白质的内质网和高尔基体；繁殖速度快，能很快得到大量的目的基因；培养成本低；容易培养解析要形成重组质粒，质粒只能出现一个切口，并且至少保留一个标记基因，因序列在Gene上，因此用限制酶切割，保留Gene标记基因；目的基因必须切割两次，切割后产生的黏性末端能与质粒的黏性末端互补，序列中有酶的切割序列，因此用酶，产生的末端互补。