學必求其心得，業必貴于專精學必求其心得，業必貴于專精學必求其心得，業必貴于專精2020-2021學年高中生物人教版選修3配套學案：專題一第一節DNA重組技術的基本工具含解析專題一基因工程〔趣味導學〕當人們的許多奇思妙想成為現實后,又有人想出了天方夜譚式的神話，能否讓水稻植株也能夠固定空氣中的氮?能否讓細菌也能夠吐出蠶絲？能否讓微生物也能夠生產出人的胰島素、干擾素等珍貴的藥物？想創造這些生物新品種，你認為能實現嗎？〔專題概述〕本專題包括了“DNA重組技術的基本工具”“基因工程的基本操作程序”“基因工程的應用”及“蛋白質工程的崛起”，另外還在專題開始回顧了基因工程的誕生和發展歷程。教材首先講述了基因工程的概念、基本工具，在此基礎上又講述了基因工程的基本操作程序,讓我們對基因工程有了一個較完整的認識.基因工程的應用則主要從植物基因工程、動物基因工程和基因治療等幾個方面進行了闡述.這樣不僅可以使我們充分了解基因工程的最新進展，更重要的是以此激發我們學習生物學的興趣，培養科學探索精神和奉獻精神。在本專題內容中，DNA重組技術的基本工具、基因工程的基本操作程序是近年高考中經常涉及的重點內容，也是難點。在這些知識中，往往考察用遺傳學的基本知識分析生物技術的原理的能力，并對一些社會焦點和熱點問題理解和分析能力，認識科學技術的發展所帶來的雙重影響。〔學法指導〕本專題內容較為抽象，在學習時應注意：1．應聯系前面已經學過的DNA的結構和功能、半保留復制、中心法則、遺傳密碼等知識，有助于理解DNA重組技術的基本工具、操作步驟及應用.2．需要認真閱讀教材中的每個圖解，充分發揮想象力,將抽象內容具體化。〔專題重點〕基因工程所需的三種基本工具；基因工程的基本操作程序四個步驟；基因工程在農業和醫療等方面的應用；蛋白質工程的原理。〔專題難點〕基因工程載體需要具備的條件；從基因文庫中獲取目的基因；利用PCR技術擴增目的基因；基因治療；蛋白質工程的原理。

第一節DNA重組技術的基本工具學習目標課程標準1．認同基因工程的誕生和發展離不開理論研究和技術創新。2．簡述DNA重組技術所需三種基本工具的作用。（重、難點）3．簡述基因工程中載體需要具備的條件。(重點)簡述基因工程的誕生。基礎知識·雙基夯實一、基因工程的概念基因工程是指按照人們的愿望，進行嚴格的設計，并通過①__體外DNA重組__和轉基因等技術，賦予生物以新的遺傳特性,從而創造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產品。由于基因工程是在②__DNA分子__水平上進行設計和施工的,因此又叫做③__DNA重組技術__。二、DNA重組技術的基本工具1．工具簡介（1）“分子手術刀"—-④__限制性核酸內切酶__(2)“分子縫合針”-—⑤__DNA連接酶__(3）“分子運輸車"-—⑥__基因進入受體細胞的載體__2．限制性核酸內切酶(1)來源：主要是從⑦__原核生物__中分離純化出來的。(2）功能：能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定的核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的⑧__磷酸二酯鍵__斷開，因此具有⑨__專一__性。大多數限制酶的識別序列由⑩__6__個核苷酸組成。經限制酶切割產生的DNA片段末端通常有兩種形式：?__黏性末端__和?__平末端__.前者是限制酶在它識別序列的?__中軸線兩側__將DNA的兩條鏈切開產生的,后者是限制酶在它識別序列的?__中軸線處__切開產生的。3．DNA連接酶（1)分類：根據酶的來源不同，可分為兩類:一類是從大腸桿菌中分離得到的,稱為?__E·coliDNA連接酶__；另一類是從?__T4噬菌體__中分離出來的，稱為T4DNA連接酶。(2)兩種DNA連接酶的比較：相同點：都縫合?__磷酸二酯__鍵.區別：E·coliDNA連接酶只能將雙鏈DNA片段互補的?__黏性末端__之間連接起來,而不能將雙鏈DNA片段?__平末端__之間進行連接；而T4DNA連接酶既可以“縫合”雙鏈DNA片段互補的?__黏性末端__，又可以“縫合”雙鏈DNA片段的eq\o\ac(○,21）__平末端__。但連接平末端之間的效率eq\o\ac(○,22)__比較低__。4．基因進入受體細胞的載體（1)載體具備的條件：a。eq\o\ac（○，23)__有一個至多個限制酶切割位點__；b．在宿主細胞中能保存下來并能大量復制；c。eq\o\ac(○,24）__有特殊的標記基因__。(2）基因工程中使用的載體有：eq\o\ac（○，25)__質粒__、λ噬菌體的衍生物和eq\o\ac(○,26)__動植物病毒__等.其中最常用的是質粒。它是一種裸露的、eq\o\ac（○，27)__結構簡單__、eq\o\ac(○，28）__獨立于細菌擬核DNA之外__，并具有eq\o\ac(○,29)__自我復制__能力的雙鏈環狀DNA。思考1．不同的限制酶具有不同的識別序列,說明限制酶具有什么特點？提示：專一性2．作為運載工具的載體，要求必須對受體細胞無害,為什么?提示：載體如果對受體細胞有害，其一旦被導入受體細胞,就會影響受體細胞的生命活動，甚至破壞受體的生命活動.┃┃活學巧練__■判斷題1．基因工程的原理是基因重組，不過在這里這種變異是定向的.（√)2．DNA重組技術所需要的工具酶有限制酶、DNA連接酶和載體。(×）分析：注意是“工具酶”，載體不是酶。3．DNA聚合酶也可以用作DNA重組技術的工具。（×）分析：DNA聚合酶的作用是將單個的脫氧核苷酸添加到脫氧核苷酸鏈上，即一個一個地往上“聚"，而DNA連接酶連接的是DNA片段，即一片一片地“連”.4．限制酶在原來的原核細胞內對細胞自身有害.（×）分析：限制酶切割外源DNA，而使之失效，達到保護自身細胞的目的。5．DNA連接酶可以連接目的基因與載體間的氫鍵，形成重組DNA.(×)分析：DNA連接酶連接的是磷酸二酯鍵，而不是氫鍵。6．所有的DNA連接酶既能連接黏性末端，又能連接平末端。(×）分析：E·coliDNA連接酶只能連接黏性末端，而T4DNA連接酶既能連接黏性末端，又能連接平末端.7．載體的種類有質粒、λ噬菌體的衍生物、動植物病毒等，其中動植物病毒必須是DNA病毒。(√)8．DNA連接酶能連接所有相同或互補的黏性末端，故該酶沒有專一性。（×)分析：任何酶都具有專一性。酶的專一性是指一種酶只能催化一種或一類化學反應，黏性末端相連接屬于一類合成反應.課內探究·名師點津知識點基因工程的概念┃┃重難拓展__■1．對基因工程的理解基因工程的別名基因拼接技術或DNA重組技術操作環境生物體外操作對象基因操作水平DNA分子水平基本過程剪切→拼接→導入→表達結果人類需要的基因產物2．基因工程得以實現的理論基礎①所有生物的DNA都是以4種脫氧核苷酸為基本單位,構成獨特的雙螺旋結構，這為不同種生物DNA拼接成功提供物質基礎。②所有生物共用一套遺傳密碼子,為某生物的基因能夠在其他生物細胞內正常指導蛋白質的合成提供可能。知識貼士基因工程操作導致的基因重組與有性生殖中的基因重組的主要區別是：（1）有性生殖中的基因重組是隨機的，并且只能在同一物種間進行；(2)基因工程可以在不同物種間進行重組，并且方向性強,可以定向地改變生物的性狀。┃┃典例評析__■典例1下列對基因工程的理解，正確的是(C）①它是一種按照人們的意愿,定向改造生物遺傳特性的工程②對基因進行人為刪減或增添某些堿基③是體外進行的人為的基因重組④在實驗室內，利用相關的酶和原料合成DNA⑤主要技術為體外DNA重組技術和轉基因技術⑥在DNA分子水平上進行操作⑦一旦成功，便可遺傳A．①②③④⑤⑥ B．①③④⑤⑥⑦C．①③⑤⑥⑦ D．①②③⑤⑥⑦解析:基因工程是對現有基因的剪切和重組，并沒有對基因進行改造，也不是要合成新的DNA.┃┃變式訓練__■1．下列有關基因工程誕生的說法，不正確的是(D）A．基因工程是在生物化學、分子生物學和微生物學等學科的基礎上發展起來的B．工具酶和載體的發現使基因工程的實施成為可能C．遺傳密碼的破譯為基因的分離和合成提供了理論依據D．基因工程必須在同物種間進行解析：基因工程可在不同物種間進行，它可打破生殖隔離的界限，定向改造生物的遺傳性狀。知識點基因工程的工具酶┃┃重難拓展__■1．限制性核酸內切酶(1）來源：這類酶主要是從原核生物中分離純化出來的。(2)種類：迄今已從近300種不同的微生物中分離出了約4000種限制酶。（3)特點：①主要切割外源DNA，而對自身的DNA不起作用，達到保護自身的目的；②只能識別雙鏈DNA分子中特定的核苷酸序列；③只能在特定的部位進行切割。(4）結果：形成黏性末端或平末端。(5）實質：使特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開。知識貼士①若限制酶切割后形成的是黏性末端，則形成的兩個黏性末端是反向重復序列。②大多數限制酶的識別序列由6個核苷酸組成，例如EcoRI、SmaI限制酶識別序列由6個核苷酸組成，也有少數限制酶的識別序列由4、5或8個核苷酸組成。2．DNA連接酶（1)分類eq\b\lc\｛\rc\(\a\vs4\al\co1（E·coliDNA連接酶\b\lc\｛\rc\（\a\vs4\al\co1(來源：大腸桿菌,作用:使黏性末端之，間連接)）,T4DNA連接酶\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1（來源：T4噬菌體,作用：既能連接黏性末端,也能連接平末端,,但后者效率低)）))(2）實質：恢復被限制酶切開了的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵。┃┃典例評析__■典例2以下是幾種不同限制酶切割DNA分子后形成的部分片段，下列有關敘述錯誤的是（A）①eq\a\vs4\al（…CTCGA，…G)②eq\a\vs4\al（…G,…CTTAA）③eq\a\vs4\al(…TG,…AC）④eq\a\vs4\al（…G,…CTGCA）⑤eq\a\vs4\al(…GC,…CG)A．以上DNA片段一定是由5種限制酶切割后產生的B．若要把相應片段連接起來，應選用DNA連接酶C．上述①④兩個片段能進行連接，其連接后形成的DNA分子是eq\a\vs4\al（…CTGCAG…，…GACGTC…)D．限制酶和DNA連接酶作用的部位都是磷酸二酯鍵解析:①和④的黏性末端相同，可能是由同一種限制酶切割產生的，也可能是由兩種限制酶切割產生的,A錯誤;DNA連接酶可連接切割出來的DNA片段,B正確；①和④片段可連接為eq\a\vs4\al（…CTGCAG…，…GACGTC…)，C正確;限制酶和DNA連接酶作用的部位都是磷酸二酯鍵,D正確。┃┃變式訓練__■2．已知某種限制酶在一線性DNA分子上有3個酶切位點，如右圖中箭頭所指。如果該線性DNA分子在3個酶切位點上都被該酶切斷，則會產生a、b、c、d四種不同長度的DNA片段.現有多個上述線性DNA分子,若在每個DNA分子上至少有1個酶切位點被該酶切斷，則從理論上講,經該酶酶切后，這些線性DNA分子最多能產生長度不同的DNA片段種類數是（C）A．3 B．4C．9 D．12解析：每一種限制酶切割DNA后會留下特異性的黏性末端或平末端，同時一次切割后，會把DNA分割成兩個片段，且不同的限制酶切后的片段不一樣,如果將題圖中的三個切割位點自左至右依次標為甲、乙、丙,只在甲處切，可產生兩個片段，即a和右邊的b＋c＋d段，如果只在乙處切,就有a＋b和c＋d段，如果只在丙處切，就有a＋b＋c和d段，在甲、乙兩處同時切，就有a、b和c＋d段，在乙、丙處同時切，就有a＋b和c、d段,在甲、丙兩處同時切，就有a、b＋c、d段三種片段,在甲、乙、丙三處同時切，就有a、b、c、d四種片段。所以本題應該選C。知識點“分子運輸車”-—載體┃┃重難拓展__■（1）作用：一是用它作為運載工具，將目的基因轉移到宿主細胞中去;二是利用它在宿主細胞內對目的基因進行大量的復制（稱為克隆）。(2）作為載體必須具備的條件：①具有一個或多個限制酶切割位點,該切割位點必須位于載體本身必須的基因序列之外。②能夠自我復制或整合到染色體DNA上后隨染色體DNA復制。③帶有標記基因，便于篩選。④本身是安全的，不能對受體細胞產生危害.⑤大小適中，便于操作.但實際上，天然載體一般不會同時具備上述條件,所以在基因工程中需要對載體進行人工改造。現在所用的質粒幾乎都是人工改造的。┃┃典例評析__■典例3質粒是基因工程最常用的載體,它的主要特點是(C)①能自主復制②不能自主復制③結構很小④是蛋白質⑤是環狀RNA⑥是環狀DNA⑦能“友好"地“借居"A．①③⑤⑦ B．②④⑥C．①③⑥⑦ D．②③⑥⑦解析：質粒存在于細菌和酵母菌等生物中,是一種很小的環狀DNA，上面有標記基因，便于在受體細胞中檢測。質粒在受體細胞中能隨受體細胞DNA的復制而復制，能進行目的基因的擴增和表達。┃┃變式訓練__■3．質粒是基因工程最常用的載體，下列關于質粒的說法正確的是(C)A．質粒在宿主細胞內都要整合到染色體DNA上B．質粒是獨立于細菌擬核DNA之外的小型細胞器C．基因工程操作中的質粒一般都是經過人工改造的D．質粒上堿基之間數量存在A＋G＝U＋C解析：基因工程使用的載體需有一個至多個酶切位點，具有自我復制的能力，存在標記基因,對受體細胞安全，且分子大小適合。而自然存在的質粒DNA分子并不完全具備上述條件，都要進行人工改造后才能用于基因工程操作.而質粒進入宿主細胞后不一定都要整合到染色體DNA上，如宿主細胞是細菌細胞則不需整合。質粒是小型環狀雙鏈DNA分子而不是細胞器,也不會有堿基U。指點迷津·撥云見日與遺傳有關的各種酶的比較名稱作用參與的生理過程與應用作用位點(如下圖）DNA連接酶連接兩個DNA片段基因工程a限制性核酸內切酶能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開aDNA聚合酶在脫氧核苷酸鏈上添加單個脫氧核苷酸DNA的復制aRNA聚合酶在核糖核苷酸鏈上添加單個核糖核苷酸轉錄a解旋酶使堿基對間氫鍵斷裂形成脫氧核苷酸單鏈DNA復制轉錄過程中的RNA聚合酶已具有解旋酶活性,所以轉錄過程中不再使用解旋酶b逆轉錄酶以RNA為模板合成DNA逆轉錄、基因工程a知識貼士①DNA連接酶和DNA聚合酶的作用都是催化形成磷酸二酯鍵，而不是氫鍵，氫鍵是分子間的靜電吸引力，不需要通過酶的催化形成。②DNA連接酶只能在兩個DNA片段間形成磷酸二酯鍵，而DNA聚合酶只能將單個脫氧核苷酸加到已有DNA片段上，且需要以一條DNA鏈為模板。③目前發現的DNA連接酶不具有連接單鏈DNA的能力.典例4如圖為DNA分子在不同酶的作用下所發生的變化，圖中依次表示限制酶、DNA聚合酶、DNA連接酶、解旋酶作用的正確順序是(C)A．①②③④ B．①②④③C．①④②③ D．①④③②解析:限制酶能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷裂，形成黏性末端，因此①符合；DNA聚合酶用于DNA分子的復制，能在單鏈上將一個個脫氧核苷酸連接起來，因此④符合；DNA連接酶能在具有相同堿基末端的兩個DNA片段之間形成磷酸二酯鍵，因此②符合；解旋酶能夠將DNA分子的雙螺旋解開，因此③符合。核心素養·技能培優案例目前基因工程所用的質粒載體主要是以天然細菌質粒的各種元件為基礎重新組建的人工質粒，pBR322質粒是較早構建的質粒載體，其主要結構如下圖所示。(1）構建人工質粒時要有抗性基因，以便于__篩選（鑒別)目的基因是否導入受體細胞__。(2）pBR322分子中有單個EcoRI限制酶作用位點，EcoRI只能識別序列—GAATTC—,并只能在G與A之間切割。若在某目的基因的兩側各有1個EcoRI的切點，請畫出目的基因兩側被限制酶EcoRI切割后所形成的黏性末端:____eq\a\vs4\al（，。)（3）pBR322分子中另有單個的BamHI限制酶作用位點,現將經BamHI處理后的質粒與用另一種限制酶BglⅡ處理得到的目的基因，通過DNA連接酶作用恢復__磷酸二酯__鍵，成功獲得了重組質粒,說明__兩種限制酶（BamHI和BglⅡ)切割得到的黏性末端相同__。（4）為了檢測上述重組質粒是否導入原本無ampR和tetR的大腸桿菌，將大腸桿菌在含氨芐青霉素的培養基上培養,得到如圖二的菌落。再將滅菌絨布按到培養基上，使絨布面沾上菌落，然后將絨布按到含四環素的培養基上培養,得到如圖三的結果(空圈表示與圖二對照無菌落的位置)。與圖三空圈相對應的圖二中的菌落表現型是__能抗氨芐青霉素,但不能抗四環素__，圖三結果顯示,多數大腸桿菌導入的是__pBR322質粒__。解析：(1）質粒作為基因表達載體的條件之一是要有抗性基因，以便于篩選（鑒別)目的基因是否導入受體細胞.（2）同一限制酶切割DNA分子產生的黏性末端相同，根據題意可知：該目的基因兩側被限制酶EcoRⅠ切割后所形成的黏性末端為:目的基因—GAATTC-……-GAATTC—-CTTAAG—……—CTTAAG—（3)DNA連接酶催化兩個DNA片段形成磷酸二酯鍵；而通過DNA連接酶作用能將兩個DNA分子片段連接，表明經兩種限制酶(BamHI和BglⅡ)切割得到的DNA片段，其黏性末端相同。(4）由題意知：由于與圖三空圈相對應的大腸桿菌能在含氨芐青霉素的培養基上生長，而不能在含四環素的培養基上生長，故可推知與圖三空圈相對應的圖二中的菌落能抗氨芐青霉素，但不能抗四環素。由圖二、圖三結果顯示，多數大腸桿菌都能抗氨芐青霉素，而經限制酶BamHI作用后,標記基因tetR被破壞,而不能抗四環素，故多數大腸桿菌導入的是pBR322質粒.探規尋律黏性末端或平末端是否由一種限制酶切割形成的判斷方法：判斷黏性末端或平末端是否由同一種限制酶切割形成的方法是：將黏性末端或平末端之一旋轉180°后，看它們是否是完全相同的結構。是，則為相同限制酶切割形成;否，則為不同限制酶切割形成。問題釋疑·探究升華P7思考與探究1．限制酶在DNA的任何部位都能將DNA切開嗎？以下是四種不同限制酶切割形成的DNA片段：你是否能用DNA連接酶將它們連接起來？提示：__2__和__7__能連接形成…ACGT… …TGCA…；__4__和__8__能連接形成…GAATTC… …CTTAAG…；__3__和__6__能連接形成…GCGC… …CGCG…；__1__和__5__能連接形成…CTGCAG… …GACGTC…；2．聯系你已有的知識，想一想,為什么細菌中限制酶不剪切細菌本身的DNA？提示：迄今為止，基因工程中使用的限制酶絕大部分都是從細菌或霉菌中提取出來的,它們各自可以識別和切斷DNA上特定的堿基序列。細菌中限制酶之所以不切斷自身DNA，是因為微生物在長期的進化過程中形成了一套完善的防御機制,可以將外源入侵的DNA降解掉.生物在長期演化過程中,含有某種限制酶的細胞，其DNA分子中或者不具備這種限制酶的識別切割序列，或者通過甲基化酶將甲基轉移到所識別序列的堿基上，使限制酶不能將其切開。這樣,盡管細菌中含有某種限制酶,也不會使自身的DNA被切斷，并且可以防止外源DNA的入侵。3．天然的DNA分子可以直接用做基因工程載體嗎？為什么?提示：基因工程中作為載體使用的DNA分子很多都是質粒（plasmid),即獨立于細菌擬核DNA之外的一種可以自我復制、雙鏈閉環的裸露DNA分子。是否任何質粒都可以作為基因工程載體使用呢？其實不然，作為基因工程使用的載體必須滿足以下條件。(1）載體DNA必須有一個或多個限制酶的切割位點，以便目的基因可以插入到載體上去.這些供目的基因插入的限制酶的切點，還必須是在質粒本身需要的基因片段之外,這樣才不至于因目的基因的插入而失活。(2)載體DNA必須具備自我復制的能力，或整合到受體染色體DNA上隨染色體DNA的復制而同步復制。(3)載體DNA必須帶有標記基因，以便重組后進行重組質粒的篩選.(4）載體DNA必須是安全的，不會對受體細胞有害，或不能進入到除受體細胞外的其他生物細胞中去。(5）載體DNA分子大小應適合，以便提取和在體外進行操作，太大就不便操作。實際上自然存在的質粒DNA分子并不完全具備上述條件,都要進行人工改造后才能用于基因工程操作。4．網上查詢:DNA連接酶有連接單鏈DNA的本領嗎？提示:迄今為止，所發現的DNA連接酶都不具有連接單鏈DNA的能力，至于原因，現在還不清楚，也許將來會發現可以連接單鏈DNA的酶。P4尋根問底1．根據你所掌握的知識，你能推測出限制酶存在于原核生物中的作用是什么嗎？提示：原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，但是，生物在長期的進化過程中形成了一套完善的防御機制,以防止外來病原體的侵害.限制酶就是細菌的一種防御性工具,當外源DNA侵入時，限制酶會將外源DNA切割掉，以保證自身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要起到切割外源DNA、使之失效，從而達到保護自身的目的。P6尋根問底2．DNA連接酶與DNA聚合酶是一回事嗎?為什么?提示：不是一回事.基因工程中所用的連接酶有兩種：一種是從大腸桿菌中分離得到的,稱之為E·coli連接酶。另一種是從T4