關(guān)于“利用PCR技術(shù)擴增目的基因”的教學(xué)建議[文檔資料]

關(guān)于 “ 利用 PCR 技術(shù)擴增目的基因 ” 的教學(xué)建議 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 PCR 技術(shù)是生物學(xué)研究上一項非常重要的技術(shù)，它是體外快速擴增特定基因或 DNA 序列的方法，只需在 eppendorf離心管中建立反應(yīng)，經(jīng)數(shù)小時后，就能將極其微量的目的基因或某一特定 DNA 片段擴增數(shù)十萬倍，甚至千百萬倍 .這項技術(shù)不僅可以用于獲取和擴增目的基因，而且在癌癥治療的監(jiān)控、臨床醫(yī)療診斷以及法醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域都有著重要的用途，如此一項有重要作用的技術(shù)，筆者認(rèn)為高中生必 要理解和掌握這項技術(shù) . 但是實際情況是學(xué)生對于 PCR 技術(shù)的掌握情況并不是很理想，對 PCR 技術(shù)原理和過程的掌握不夠到位 .究其原因，一方面由于 PCR 擴增 DNA 技術(shù)所需設(shè)備昂貴，一般中學(xué)很少具備動手操作的條件，另一方面 PCR 技術(shù)在高中教材中僅有少許的原理介紹，教師僅按照課本進行教學(xué)，難以讓學(xué)生完全理解掌握這項技術(shù) .因此，教師有必要對教材內(nèi)容加以適當(dāng)挖掘和拓展 .縱觀近幾年高考對于這一部分內(nèi)容的考查，主要有一些基礎(chǔ)識記內(nèi)容，比如 PCR 技術(shù)的基本原理是什么？ PCR技術(shù)的基本步驟是什么？ PCR 反應(yīng)條件有哪些？ 所用 DNA 聚合酶有什么特點等等 .對于這些基礎(chǔ)內(nèi)容的考查，學(xué)生得分率還是較高 .當(dāng)然，也有基于 PCR 原理和過程引伸出的考點，比如引物相關(guān)考點， DNA 片段種類和比例的相關(guān)考點 .如 2011 年江蘇卷的 33 題，這道題難度很大，基于 PCR 技術(shù)的原理和過程來考查學(xué)生的思維能力，由于大多數(shù)學(xué)生對 PCR 技術(shù)原理和過程理解不夠到位，所以碰到這種難度拔高的題目，無法很自如運用相關(guān)知識來解題，導(dǎo)致這道題得分率很低 . 從近兩年全國各地的高考試題對選修內(nèi)容的考查難度來看，選修部分知識的考查難度有明顯的提高，不再是最初的提綱挈領(lǐng) 式以及純記憶式考查，因此必須對選修的相關(guān)專題版塊特別是基因工程的相關(guān)知識加以深化，讓學(xué)生真正理解而不是僅僅停留在記憶層面 .基于這些情況，筆者認(rèn)為在“ 利用 PCR 技術(shù)擴增目的基因 ” 這部分內(nèi)容教學(xué)中，有必要對 PCR 原理及過程進行適當(dāng)拓展，以幫助學(xué)生全面理解 PCR技術(shù) .以下是具體的教學(xué)建議： 一、 PCR 技術(shù)的基本原理 利用 PCR 技術(shù)擴增目的基因，是基因工程操作步驟中獲取目的基因的常用方法之一 . PCR 是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的縮寫，是一項在生物體外復(fù)制特定 DNA 片段的核酸合成技術(shù)，它利用的原 理是 DNA 雙鏈復(fù)制的原理，在學(xué)本節(jié)內(nèi)容之前，學(xué)生已有了 DNA 復(fù)制的知識，因 自主學(xué)習(xí) .以 “ 基因的自由組合定律 ” 的教學(xué)為例，教師在引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)孟德爾豌豆雜交實驗（一）相關(guān)知識基礎(chǔ)上提出問題 “ 基因到底遵循怎樣的遺傳規(guī)律？ ” 引入課題后，幻燈呈現(xiàn)黃色圓粒豌豆和綠色皺粒豌豆的雜交試驗圖，然后提出問題 “(1) 孟德爾以豌豆的哪兩對相對性狀進行實驗的？ (2)F1 代的表現(xiàn)型是什么？說明了什么問題？ (3)F2 代的表現(xiàn)型是什么？比值是多少、為什么出現(xiàn)了兩種新的性狀？(4)分析每對性狀的遺傳是否遵循基因的分離定律？ ” 引 導(dǎo)學(xué)生進行討論，討論后總結(jié)出不同性狀的組合是自由的、隨機的結(jié)論，接著以問題 “ 孟德爾是如何解釋這一現(xiàn)象 ” 過渡到“ 對自由組合現(xiàn)象的解釋 ” 的探究中 .這樣，讓學(xué)生在原有知識基礎(chǔ)上來探究新問題，在探究新問題中構(gòu)建新知識，讓學(xué)生經(jīng)歷知識的獲得過程，較好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 . 其次，課堂中引導(dǎo)學(xué)生探究過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生積極參與到活動過程中，在活動中積極表達自己的意見，從而分享收獲，提出問題 .要讓學(xué)生積極參與探究活動，教師除要創(chuàng)設(shè)和諧的課堂氛圍來引導(dǎo)學(xué)生大膽發(fā)言外，還要在學(xué)生討論中及時給予指導(dǎo)和點撥 .以 “ 伴 性遺傳 ” 教學(xué)中 “ 色盲 ”的教學(xué)為例，教師先用幻燈片簡介色盲病來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，呈現(xiàn)色盲檢查圖提出問題 “ 色盲基因是隱性的，它與它的等位基因都只存在于 X 染色體上， Y 染色體上沒有，這是為什么？ ” 學(xué)生討論后教師呈現(xiàn) X 和 Y 染色體的對應(yīng)關(guān)系圖并點撥 “ 由于 Y 染色體很短小，因此，在 X 染色體上位于非同源區(qū)段上的基因 Y 染色體就沒有，比如，色盲基因 b 和它的等位基因 B 就只存在于 X 染色體的非同源區(qū)段上 .” 同時強調(diào)在寫色覺基因型時，為了與常染色體的基因相區(qū)別，一定要先寫出性染色體，再在右上角標(biāo)明基因型 .這樣將教師的“ 教 ” 和學(xué)生的 “ 學(xué) ” 相互同一起來，讓學(xué)生在主動學(xué)習(xí)，才有助于學(xué)習(xí)效率的提高 . 三、引導(dǎo)學(xué)生課后應(yīng)用，形成能力 經(jīng)過課前預(yù)習(xí)和課堂探究，學(xué)生形成了一定的知識構(gòu)建，此時教師要注重引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的實際情況而進行練習(xí)和復(fù)習(xí)，在練習(xí)和復(fù)習(xí)中鞏固知識，應(yīng)用知識，這樣才有助于學(xué)生技能的培養(yǎng)，讓學(xué)生做到活學(xué)活用 . 首先，就課后練習(xí)而言，教師要注重引導(dǎo)學(xué)生在自己知識基礎(chǔ)上進行訓(xùn)練 .在這個過程中，教師要針對學(xué)生的基礎(chǔ)知識而以多樣化的作業(yè)方式來引導(dǎo)學(xué)生進行訓(xùn)練 .如教學(xué)中針對基礎(chǔ)稍差的學(xué)生，教師提供了選擇題、填空題、 判斷題等多種題型，學(xué)生不必全部完成，只需根據(jù)自己的實際選擇最低數(shù)量的作業(yè)完成即可 .學(xué)生完成相應(yīng)的練習(xí)后，教師要及時對學(xué)生練習(xí)情況進行反饋，然后在針對學(xué)生存在的問題進行引導(dǎo) .如有的學(xué)生對基礎(chǔ)概念沒有理解，教師可利用課余時間對其進行輔導(dǎo)，通過案例、實驗等多種方式來引導(dǎo)學(xué)生理解概念 .其次，就復(fù)習(xí)而言，教師要在復(fù)習(xí)習(xí)慣和方法上給予引導(dǎo) .如引導(dǎo)學(xué)生以教材為出發(fā)點，在通讀教材的基礎(chǔ)上掌握基本概念后去完成一定的練習(xí)，針對自己不懂的知識點要多提出問題進行分析，要多和同伴進行交流，向教師請教，這樣才會收到效果 . 總 之，在高中生物課堂教學(xué)中，教師要真正樹立學(xué)生主體意識，從學(xué)生實際出發(fā)，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生掌握一定的學(xué)習(xí)方法，促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)，這樣才有利于學(xué)生學(xué)習(xí)效率的提升 .當(dāng)然，教師在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的指導(dǎo)作用也不可或缺，尤其是課堂中的引導(dǎo)，教師要注重在學(xué)生自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上針對學(xué)生的實際而進行引導(dǎo)，讓學(xué)生在原有基礎(chǔ)上不斷發(fā)展，這樣才能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，樹立學(xué)習(xí)信心，讓學(xué)生為將來的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ) . 此教學(xué)中首先讓學(xué)生分析細(xì)胞內(nèi) DNA 復(fù)制的所需原料和反應(yīng)條件，然后讓學(xué)生設(shè)想如何在體外設(shè)置一個類似 DNA復(fù)制環(huán)境，再進入新知識的學(xué)習(xí) .通過比較細(xì)胞內(nèi) DNA 復(fù)制和PCR 技術(shù)的異同點（如表 1 所示），把 PCR 知識歸納到已有的知識結(jié)構(gòu)中，形成完整的學(xué)科知識體系，這樣學(xué)生也更全面地掌握 PCR 技術(shù)的原理 . 表 1 細(xì)胞內(nèi) DNA 復(fù)制和 PCR 技術(shù)的比較 比較項目細(xì)胞內(nèi) DNA 復(fù)制 PCR 技術(shù) 解鏈方式解旋酶，需要消耗 ATP90 -95 受熱變性解鏈 引物 RNA 引物 DNA 引物 DNA 聚合酶普通 DNA 聚合酶熱穩(wěn)定 DNA 聚合酶（ Taq酶） 溫度細(xì)胞內(nèi)溫和條件需要控制溫度 結(jié)果合成 DNA 分子合成 DNA 片段或基因 聯(lián)系：都需要 DNA 為模板，四種脫氧核苷酸作為原料 首先，解鏈方式不同， DNA 復(fù)制是利用解旋酶解開兩條鏈，這個過程要消耗細(xì)胞內(nèi)的 ATP，而 PCR 反應(yīng)則是通過高溫破壞氫鍵，從而使雙鏈解開 .其次，所用的引物也不同， PCR反應(yīng)的引物是人工合成的 DNA 短片段，而 DNA 復(fù)制其實也需要一段 RNA 作為引物，這個內(nèi)容高中并不做要求，了解一下即可 .還有所用的 DNA 聚合酶種類也不同， PCR 反應(yīng)用到的是耐高溫的 Taq 酶，該菌是 1969 年從美國黃石國家森林公園火山溫 泉中分離得到的 .反應(yīng)的溫度也有很大差別， DNA 復(fù)制整個過程是在細(xì)胞內(nèi)溫和條件下進行，而 PCR 反應(yīng)需要控制溫度，解鏈（ 90-95 ） 退火（ 55-60 ） 延伸（ 70-75 ） .最后，合成的產(chǎn)物也不同， DNA 復(fù)制是合成一樣的 DNA 分子，而 PCR 反應(yīng)則是合成目的基因 . 二、利用 PCR 技術(shù)擴增目的基因的過程 利用 PCR 技術(shù)擴增目的基因是一個重復(fù)模板 DNA 解鏈、引物結(jié)合到互補 DNA 鏈、 DNA 聚合酶催化形成新的 DNA 鏈的過程，該過程主要是通過人為控制反應(yīng)體系的溫度來實現(xiàn)的 .在高中教 學(xué)中，教師一般只是簡單介紹 PCR 技術(shù)的三個步驟以及相應(yīng)的反應(yīng)溫度，這樣學(xué)生只是表面了解這項技術(shù)的過程，但是沒有實質(zhì)地掌握，所以需要在介紹各步驟基礎(chǔ)上進行適當(dāng)拓展 . 1.引物及其作用 在影響基因體外擴增的各種因素中，引物設(shè)計最為重要，它決定了擴增的目的基因的特異性 .2013 年福建理綜卷的33 題，其中一空就直接考查 “ 引物 ”. 在 PCR 技術(shù)的介紹中引物是一個重要概念，所以有必要在教材基礎(chǔ)上進行適當(dāng)拓展，讓學(xué)生真正理解什么是引物 .所謂引物是指與待擴增的目的基因兩端序列互補的人工合成的寡核苷酸短片段 ，引物有一對，分別對應(yīng)于目的基因的兩條鏈 .引物就像是標(biāo)記，它能夠指導(dǎo) DNA 聚合酶從此點開始向一個方向延伸出與模板鏈互補配對的子鏈，并且往一個方向延伸直至模板鏈的末端 .引物的位置是不動的，并且一輪循環(huán)中的引物，是下一輪循環(huán)中模板鏈的組成片段 . 2.PCR 反應(yīng)的具體過程 人教版選修 3 圖 1-8PCR 反應(yīng)原理示意圖（圖 1 略），雖說能夠比較形象直觀展現(xiàn) PCR 的反應(yīng)過程，但卻沒有完整地反映出實際的過程 .按圖 1 來看， PCR 反應(yīng)的起始模板 DNA就是目的基因，但其實不然，實際上 PCR 反應(yīng)的起始反應(yīng)物通常是 一個含有目的基因的 DNA 片段 .那么要擴增目的基因，首先應(yīng)該從模板 DNA 中獲取出目的基因，然后再進行擴增 .如果需要從某個 DNA 片段中獲取目的基因，這個 DNA 片段就相當(dāng)于模板 DNA 了，需要進行 PCR 擴增的片段是目的基因 .很重要的是在擴增目的基因前，必須先搞清楚待擴增片段兩端的部分堿基序列，然后根據(jù)兩端堿基序列設(shè)計好互補的引物，接著構(gòu)建反應(yīng)體系進行 PCR. 利用 PCR 技術(shù)獲取和擴增目的基因的具體過程如圖 2所示，反應(yīng)起始是一個含有目的基因的 DNA 片段，接著一對引物各自結(jié)合到與之互補的模板鏈 .然后以引物位置 為起點，在 Taq 聚合酶作用下往一個方向延伸下去，如此循環(huán)下去，引物的位置始終不變一輪循環(huán)中的引物，是下一輪循環(huán)中模板鏈的組成片段 .由圖可以看到在整個 PCR 反應(yīng)體系中，含目的基因的 DNA 片段有多種類型，而且到了循環(huán) 3 才獲得 2 個所要的目的基因（如圖 2 所示），如此循環(huán)下去目的基因數(shù)目會越來越多，所占比例會越來越大，所以目的基因數(shù)目的變化可以近似看成以指數(shù)形式擴增（約 2n） . 在實際教學(xué)中，可以利用 PPT 動畫依次演示圖 2 所示的各個循環(huán)，理解 PCR 反應(yīng)包含了目的基因的獲取和擴增兩個過程 .如果按人教版教材的圖 1 來介紹 PCR 技術(shù)，相信很多學(xué)生很難理解 “PCR 技術(shù)是獲取目的基因的常用方法之一 ” 這句話，而據(jù)圖 2 就很容易理解了 . 三、小結(jié) 現(xiàn)如今高考越來越注重考查學(xué)生的思維能力，很多試題會將學(xué)生 “ 空投 ” 到一個較為陌生的領(lǐng)域，看學(xué)生能否根據(jù)已有的知識，在規(guī)定的時間到達 “ 目的地 ”. 換句話說生物試題的答案不是靠背出來的，而要善于將抽象推理具體化、形象化，這是思維方式的轉(zhuǎn)變 .而要做到快速的