高三生物基因工程的基本內(nèi)容教案(人教大綱版)

1、基因工程的基本內(nèi)容一. 本周教學(xué)內(nèi)容：基因工程的基本內(nèi)容二. 學(xué)習(xí)內(nèi)容：本周學(xué)習(xí)基因工程的操作過程，指導(dǎo)進行基因工程操作時需要的基本工具：限制酶、連接酶、運載體，了解他們的特點，及其在基因工程中的應(yīng)用。理解基因工程操作的基本步驟，理解如何提取目的基因，怎樣將目的基因?qū)胧荏w細胞，怎樣鑒定試驗的成果等等。了解基因工程對現(xiàn)代社會的貢獻及基因工程應(yīng)用的發(fā)展。三. 學(xué)習(xí)重點：1. 基因工程的概念2. 基因工程的操作工具3. 運載體的基本條件4. 基因工程的基本操作步驟5. 基因工程的應(yīng)用和發(fā)展四. 學(xué)習(xí)難點：1. 基因工程工具：限制酶、運載體2. 運載體的基本要求3. 基因工程的操作步驟4. 如何檢測

2、基因操作5. 基因工程應(yīng)用的兩面性五. 學(xué)習(xí)過程：（一）概念：基因工程又叫基因拼接技術(shù)或DNA重組技術(shù)。是指在生物體外，通過對DNA分子進行人工“剪切”和“拼接”，對生物的基因進行改造和重新組合，然后導(dǎo)入受體細胞內(nèi)進行無性繁殖，使重組基因在受體細胞內(nèi)表達，產(chǎn)生出人類所需要的基因產(chǎn)物。概念要點：1. 在DNA分子水平上進行設(shè)計操作的2. 在生物體外實現(xiàn)的基因改造3. 對受體細胞進行無性繁殖4. 重組基因最終表達獲得性狀（二）基因操作的工具1. 抗蟲棉的培育：將抗蟲的基因從某種生物（如蘇云金芽孢桿菌）中提取出來，“插入”到棉花的細胞中，與棉細胞中的DNA結(jié)合起來，在棉中發(fā)揮作用。2. 技術(shù)要點首先

3、：從蘇云金芽孢桿菌的一個DNA分子上辨別出所需要的基因，并且把它切割下來其次：將切割下來的抗蟲基因與棉的DNA“縫合”起來A. 基因的剪刀限制性內(nèi)切酶 全稱： DNA限制性內(nèi)切酶（以下簡稱限制酶）。來源：主要來自于微生物中（目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了200多種限制酶）1 / 11特點：一種限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列，并在特定的切點上切割DNA分子例如：從大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的一種限制酶只能識別GAATTC序列，并在G和A間切開。補充知識：1. 限制性內(nèi)切酶可以水解侵入細菌的外源性DNA分子，保護細菌自身2. 每種限制性內(nèi)切酶能識別DNA中46個核苷酸的特殊序列3. 細菌自身相同序列被修飾（甲基化）而不被

4、水解4. 限制酶能產(chǎn)生交錯切口，形成粘性末端B. 基因的針線DNA連接酶黏性末端：被限制酶切開的DNA兩條單鏈的切口，帶有幾個伸出的核苷酸，它們之間正好互補配對，這樣的切口叫做黏性末端。DNA連接酶：兩種來源不同的DNA用同一種限制酶來切割，然后讓兩者的黏性末端通過互補的堿基黏合起來，DNA連接酶在斷口處把兩條DNA末端之間的縫隙“縫合”起來形成共價鍵C. 基因的運輸工具運載體 作用：要將一個外源基因，送入受體細胞。條件： 能夠在宿主細胞中復(fù)制并穩(wěn)定地保存 進行復(fù)制、表達 具有多個限制酶切點 以便與外源基因連接 具有某些標(biāo)記基因 便于進行篩選常用運載體：質(zhì)粒、噬菌體和動植物病毒等。質(zhì)粒：是基因

5、工程最常用的運載體，最常用的質(zhì)粒是大腸桿菌的質(zhì)粒存在于許多細菌以及酵母菌等生物中，是細胞染色體外能夠自主復(fù)制的很小的環(huán)狀DNA分子。特點： 含有抗性基因：大腸桿菌質(zhì)粒中常含抗藥基因，如：抗四環(huán)素的標(biāo)記基因 基因組很?。杭毦|(zhì)粒的大小只有普通細菌染色體DNA的百分之一 質(zhì)粒能夠“友好”地“借居”在宿主細胞中。一般來說，質(zhì)粒的存在與否對宿主細胞生存沒有決定性的作用。 質(zhì)粒的復(fù)制則只能在宿主細胞內(nèi)完成。來源：大腸桿菌、枯草桿菌、土壤農(nóng)桿菌等細菌中都有質(zhì)粒。（土壤農(nóng)桿菌很容易感染植物細胞，使細胞生有瘤狀物。培育轉(zhuǎn)基因植物時，常常用土壤農(nóng)桿菌中的質(zhì)粒做運載體。）六. 基因操作的基本步驟（一）取目的基因目

6、的基因:是人們所需要的特定基因蘇云金芽孢桿菌中的抗蟲基因植物的抗病（抗病毒、抗細菌）基因種子的貯藏蛋白的基因人的胰島素基因、干擾素基因等主要途徑： 從供體細胞的DNA中直接分離基因 人工合成基因。1. 直接分離基因:最常用的方法是“鳥槍法”，又叫“散彈射擊法”。具體操作：供體細胞中的DNA切成許多片段重組DNA受體細胞（大量復(fù)制）基因擴增分離含有目的基因的細胞把帶有目的基因的DNA片段分離出來優(yōu)點：操作簡便缺點： 工作量大，具有一定的盲目性 真核細胞的基因含有不表達的DNA片段，不能直接用于基因的擴增和表達主要應(yīng)用：如許多抗蟲、抗病毒的基因都可以用上述方法獲得。2. 人工合成基因：（1）逆轉(zhuǎn)錄

7、法以目的基因轉(zhuǎn)錄成的信使RNA為模板，反轉(zhuǎn)錄成互補的單鏈DNA，然后在酶的作用下合成雙鏈DNA，從而獲得所需要的基因。 目的基因mRNA單鏈DNA雙鏈DNA（目的基因序列）（2）化學(xué)合成法根據(jù)已知的蛋白質(zhì)的氨基酸序列，推測出相應(yīng)的信使RNA序列，然后按照堿基互補配對原則，推測出它的結(jié)構(gòu)基因的核苷酸序列，再通過化學(xué)方法，以單核苷酸為原料合成目的基因蛋白質(zhì)氨基酸序列mRNA序列DNA序列目的基因優(yōu)點：目的性強，比較容易獲得真核基因序列缺點：操作技術(shù)性強，不容易獲取，基因表達不容易控制主要應(yīng)用：如人的血紅蛋白基因、胰島素基因等就可以通過人工合成基因的方法獲得。重要發(fā)展：DNA序列自動測序儀對提取出來

8、的基因進行核苷酸序列分析，擴增DNA技術(shù)（也叫PCR技術(shù)），使目的基因在短時間內(nèi)成百萬倍地擴增。A. 目的基因與運載體結(jié)合B. 將目的基因?qū)胧荏w細胞常用受體細胞：大腸桿菌、枯草桿菌、土壤農(nóng)桿菌、酵母菌和動植物細胞等。主要手段：借鑒細菌或病毒侵染細胞的途徑。質(zhì)粒細菌目的基因擴增 感受態(tài)細胞：能夠接受外源DNA的細胞將細菌用氯化鈣處理，以增大細菌細胞壁的通透性，使含有目的基因的重組質(zhì)粒易進入受體細胞。C. 目的基因的檢測和表達1. 轉(zhuǎn)基因結(jié)果： 在全部受體細胞中，真正能夠攝入重組DNA分子的受體細胞很少 重組DNA轉(zhuǎn)移成功的受體細胞不一定能夠表達 必須通過一定的手段對受體細胞中是否導(dǎo)入了目的基因

9、進行檢測。2. 檢測的方法 （1）抗性監(jiān)測：（2）性狀檢測：受體細胞是否表現(xiàn)出特定的性狀，才能說明目的基因完成了表達過程。 基因工程的成果與發(fā)展前景一. 基因工程與醫(yī)藥衛(wèi)生A. 生產(chǎn)基因工程藥品傳統(tǒng)藥品生產(chǎn)：直接從生物體的組織、細胞或血液中提取的原料有限，產(chǎn)品價格昂貴。如：豬胰島素，紫草素工程菌生產(chǎn)：通過發(fā)酵工程生產(chǎn)高效率、高質(zhì)量、低成本的藥品。如胰島素、干擾素和乙肝疫苗等胰島素：是治療糖尿病的特效藥。胰島素生產(chǎn)傳統(tǒng)方法基因工程來源豬、牛胰腺提取大腸桿菌工程菌分泌產(chǎn)量45克/100千克100克/1000升培養(yǎng)液比較產(chǎn)量低、價格高、供不應(yīng)求產(chǎn)量高、工廠化生產(chǎn)、滿足患者需要白細胞介素2：是淋巴細胞

10、產(chǎn)生的一種淋巴因子本質(zhì)：小分子蛋白質(zhì)（分布于血清中）功能：能促進淋巴細胞活化和增殖應(yīng)用：主要用于治療腫瘤和感染性疾病生產(chǎn)：白細胞介素2在大腸桿菌中的高效表達，發(fā)酵工程生產(chǎn)干擾素：是病毒侵入細胞后產(chǎn)生的一種糖蛋白本質(zhì)：可溶性糖蛋白（分布于血清和組織液）來源：被病毒感染的組織細胞產(chǎn)生（非病毒基因表達產(chǎn)物）功能： 它是一種抗病毒的特效藥，對細菌和真菌感染作用不大 幾乎能抵抗所有病毒引起的感染，如水痘、肝炎、狂犬病等病毒引起的感染， 干擾素對治療乳腺癌、骨髓癌、淋巴癌等癌癥和某些白血病也有一定療效。干擾素生產(chǎn)傳統(tǒng)方法基因工程方法來源從人血液中的白細胞內(nèi)提取大腸桿菌及酵母菌細胞內(nèi)獲得產(chǎn)量1mg干擾素/3

11、00L血液2040mg干擾素/1kg細菌培養(yǎng)物比較基因工程方法生產(chǎn)產(chǎn)量高、效果穩(wěn)定、成本低，適于工廠化生產(chǎn)基因工程藥物：蛋白質(zhì)產(chǎn)品：胰島素、干擾素外、白細胞介素、溶血栓劑、凝血因子、人造血液代用品等疫苗產(chǎn)品：預(yù)防乙肝、狂犬病、百日咳、霍亂、傷寒、虐疾等疾病的各類疫苗。B. 用于基因診斷與基因治療基因工程技術(shù)還可以直接用于基因的診斷和治療。1. 基因診斷：用放射性同位素（如32P）、熒光分子等標(biāo)記的DNA分子做探針，利用DNA分子雜交原理，鑒定被檢測標(biāo)本上的遺傳信息，達到檢測疾病的目的?；驹恚悍肿与s交診斷病例： 病毒性疾?。豪肈NA探針可以迅速地檢出肝炎患者的肝炎病毒、腸道病毒、單純皰疹病

12、毒等多種病毒。 診斷遺傳性疾病：用珠蛋白的DNA探針檢測出鐮刀狀細胞貧血癥，苯丙氨酸羥化酶基因探針檢測出苯丙酮尿癥。 腫瘤診斷中的應(yīng)用：用白血病患者細胞中分離出的癌基因制備的DNA探針，可以用來檢測白血病。 2. 基因治療：把健康的外源基因?qū)胗谢蛉毕莸募毎校_到治療疾病的目的病例試驗：半乳糖血癥：常染色體單基因隱性遺傳病病理：乳糖代謝異常由于細胞內(nèi)半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因缺陷而缺少半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶，因此當(dāng)乳糖分解成半乳糖后，不能繼續(xù)轉(zhuǎn)化為葡萄糖，過多的半乳糖在體內(nèi)積聚，會引起肝、腦等功能受損治療：體外試驗水平用帶有半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因的噬菌體侵染患者的離體組織細胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些組織細胞能夠利用半乳

13、糖了結(jié)論：用基因替換的方法治療這種遺傳病是可能的基因治療并非對致病基因進行修復(fù)該種治療方法并不能穩(wěn)定遺傳二. 基因工程與農(nóng)牧業(yè)、食品工業(yè) 1. 主要應(yīng)用：培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)或具有特殊用途的動植物新品種。（1）通過基因工程技術(shù)獲得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和具有優(yōu)良品質(zhì)的農(nóng)作物。如：用基因工程的方法可以改善糧食作物的蛋白質(zhì)含量。實驗：將菜豆儲存蛋白的基因轉(zhuǎn)移到向日葵中，培育出了“向日葵豆”植株前景：如果以此作為技術(shù)基礎(chǔ)，把大豆蛋白的基因轉(zhuǎn)移到水稻、小麥等糧食作物中，就可以提高這些作物的蛋白質(zhì)含量，改善它們的品質(zhì)。（2）用基因工程的方法培育出具有各種抗逆性的作物新品種。原理：抗性基因轉(zhuǎn)移到作物體內(nèi)，將從根本上改變作物

14、的特性。如抗蟲、抗病毒、抗除草劑、抗鹽堿、抗干旱、抗高溫等（自然界中細菌身上幾乎可以找到植物所需要的各種抗性）例如：抗蟲的煙草、番茄、馬鈴薯、玉米、大豆、油菜、棉等作物，抗黃瓜花葉病毒、苜?；ㄈ~病毒的作物，以及抗除草劑的植物等（3）基因工程在畜牧養(yǎng)殖業(yè)上的應(yīng)用：病毒DNA實驗前景： 特殊動物：將人生長素基因和牛生長素基因分別注射到小白鼠的受精卵，得到體型巨大的“超級小鼠” 乳房反應(yīng)器利用某些特定的外源基因在哺乳動物體內(nèi)的表達，從這些動物的乳腺細胞中獲得人類所需要的各類物質(zhì)，如激素、抗體及酶類等。 開辟新的食物來源可以用基因工程的方法從微生物中獲得人們所需要的糖類、脂肪和維生素等產(chǎn)品。三. 基因

15、工程與環(huán)境保護 1. 用于環(huán)境監(jiān)測用DNA探針可以檢測飲用水中病毒的含量方法：使用一個特定的DNA片段制成探針，與被檢測的病毒DNA雜交，從而把病毒檢測出來特點：快速、靈敏（用傳統(tǒng)方法進行檢測，一次需要耗費幾天或幾個星期的時間，精確度也不高。用DNA探針只需要花費一天的時間，并且能夠大幅度地提高檢測精度，據(jù)報道，1t水中有10個病毒也能檢測出來。）2. 用于被污染環(huán)境的凈化工程菌分解環(huán)境污染物“超級細菌”： 把能分解三種烴類的基因都轉(zhuǎn)移到能分解另一種烴類的假單孢桿菌內(nèi)，創(chuàng)造出了能同時分解四種烴類的“超級細菌”假單胞桿菌：異養(yǎng)需氧型【模擬試題】一. 判斷題1. 重組DNA技術(shù)所用的工具酶是限制酶

16、、連接酶和運載體。（ ）2. 限制酶的切口一定是GAATTC堿基序列。（ ）3. 一種限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列。（ ）4. 目的基因是指重組DNA質(zhì)粒。（ ）5. 只要檢測出受體細胞中含有目的基因，那么，目的基因一定能成功地進行表達。（ ）6. 基因治療主要是對有缺陷的細胞進行修復(fù)。（ ）7. 基因工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要是培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、品質(zhì)優(yōu)良和具有抗性的農(nóng)作物。（ ）8. 用基因工程方法培育的抗蟲植物也能夠抗病毒。（ ）9. 基因工程在畜牧業(yè)上應(yīng)用的主要目的是培育體型巨大、品質(zhì)優(yōu)良的動物。（ ）10. 任何一種假單孢桿菌都能分解四種石油成分，因此，假單孢桿菌是“超級細菌”。 （

17、）二. 選擇題1. 1971年，科學(xué)家在體外做實驗，將帶有半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因的噬菌體侵染半乳糖血癥患者（半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因缺陷）的離體組織細胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些組織細胞能產(chǎn)生半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶，恢復(fù)了將半乳糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖的能力，從而能利用半乳糖能量。該材料說明（ ）A. 半乳糖血癥為顯性遺傳病，會導(dǎo)致體內(nèi)半乳糖積聚，進而導(dǎo)致肝傷害B. 噬菌體自身攜帶有半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因，能合成半乳糖苷酶C. 實驗展示了基因治療的前景，表明能對缺陷基因進行修復(fù)達到治療疾病的目的D. 人類已經(jīng)能定位并且分離出半乳糖轉(zhuǎn)移酶基因，可以通過基因探針進行基因診斷2. 關(guān)于基因工程的敘述正確的是（ ）A. 限制酶只有在獲得目的基因

18、時才用B. 重組質(zhì)粒的形成是在細胞內(nèi)完成C. 質(zhì)粒都可以作為運載體D. 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析可為目的基因的合成提供材料3. 苯丙氨酸羥化酶基因探針可以用來檢測苯丙酮尿癥，其基本原理是（ ）A. 利用苯丙氨酸羥化酶催化反應(yīng)來檢測酮尿癥癥狀B. 利用苯丙氨酸羥化酶基因測序確定是否患苯丙酮尿癥C. 通過標(biāo)記的DNA探針分子與苯丙氨酸羥化酶基因分子雜交檢測確定D. 通過標(biāo)記的DNA探針分子與苯丙氨酸羥化酶RNA分子雜交檢測確定4. 關(guān)于運載體的描述中正確的是（ ）A. 運載體的物質(zhì)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，能夠在不同的細胞間轉(zhuǎn)移基因B. 運載體主要存在于細胞膜上，完成膜兩側(cè)的信息交流和物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能C. 運載體是核酸分子

19、，能夠與基因重組完成攜帶轉(zhuǎn)移、遺傳信息的作用D. 運載體可以是動植物病毒，主要完成蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運功能5. 基因工程操作是在哪個水平上完成的（ ）A. 染色體水平 B. 細胞水平 C. 轉(zhuǎn)錄水平 D. DNA分子水平三. 簡答題1. 珠蛋白是動物血紅蛋白的重要組成成分。當(dāng)它的功能不正常時，動物有可能患某種疾病，如鐮刀型細胞貧血癥。假如讓你用基因工程的方法，使大腸桿菌生產(chǎn)出鼠的珠蛋白，想一想，應(yīng)如何進行設(shè)計？2. 基因工程對人類產(chǎn)生的影響都是有益的嗎？為什么？3. 下圖是將人的生長素基因?qū)氲郊毦鶰內(nèi)制造“工程菌”示意圖，所用載體質(zhì)粒A，已知細菌M內(nèi)不含質(zhì)粒A，也不含質(zhì)粒A上的基因，質(zhì)粒A導(dǎo)入細菌M后

20、，其上的基因能得到表達。則：（1）人工合成目的基因的途徑一般有那兩條？寫出其過程。（2）在分子遺傳學(xué)上C被稱為_，其特點是_。如何根據(jù)通過A、B來構(gòu)建C，請寫出簡要過程。（3）通常用CaCl2處理M，完成導(dǎo)入過程，其原因是什么？導(dǎo)入過程的效率是很低的，只有少數(shù)的M才能稱為工程菌，請問如何選擇可用于工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)的工程菌菌株。（4）工程菌成功表達的標(biāo)志是什么？4. 利用基因工程生產(chǎn)蛋白質(zhì)藥物，經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。第一階段，將人的基因轉(zhuǎn)入細菌細胞；第二階段，將人的基因轉(zhuǎn)入小鼠等動物的細胞。前兩個階段都是進行細胞培養(yǎng)，提取藥物。第三階段，將人的基因轉(zhuǎn)入活的動物體，飼養(yǎng)這些動物，從乳汁或尿液中提取藥物。

21、（1）將人的基因轉(zhuǎn)入異種生物的細胞或個體內(nèi)，能夠產(chǎn)生藥物蛋白的原理是基因能控制。（2）人的基因能和異種生物的基因拼接在一起，是因為它們的分子都具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，都是由四種構(gòu)成，基因中堿基配對的規(guī)律都是。（3）人的基因在異種生物細胞中表達成蛋白質(zhì)時，需要經(jīng)過和翻譯兩個步驟。在翻譯中需要的模板是，原料是氨基酸，直接能源是ATP，搬運工兼裝配工是，將氨基酸的肽鍵連接成蛋白質(zhì)的場所是，“翻譯”可理解為將由個“字母”組成的核酸“語言”翻譯成由個“字母”組成的蛋白質(zhì)“語言”，從整體來看在翻譯中充任著“譯員”。（4）利用轉(zhuǎn)基因牛、羊乳汁提取藥物工藝簡單，甚至可直接飲用治病。如果將藥物蛋白基因移到動物如牛、羊的

22、膀胱上皮細胞中，利用轉(zhuǎn)基因牛羊尿液提取藥物比乳汁提取藥物的更大優(yōu)越性在于：處于動物都可生產(chǎn)藥物。5. 科學(xué)家通過基因工程培育抗蟲棉時，需要從蘇云金芽孢桿菌中提取出抗蟲基因，“放入”棉花的細胞中與棉花的DNA結(jié)合起來并發(fā)揮作用，請回答下列有關(guān)問題：（1）從蘇云金芽孢桿菌中切割抗蟲基因所用的工具是，此工具主要存在于中，其特點是。（2）蘇云金芽孢稈菌一個DNA分子上有許多基因，獲得抗蟲基因常采用的方法是“鳥槍法”。具體做法是：用酶將蘇云金芽孢桿菌的切成許多片段，然后將這些片段，再通過  轉(zhuǎn)入不同的受體細胞，讓它們在各個受體細胞中大量，從中找出含有目的基因的細胞，再用一定的方法把分離出來。（

23、3）進行基因操作一般要經(jīng)過的四個步驟是 、 、 、 。參考答案1. × 運載體不是酶，是DNA分子2. × 不同的限制酶有不同的識別位點，切割位點也各不相同3. 4. × 目的基因是自然界中存在的各種基因，為人類所要利用的基因5. × 目的基因轉(zhuǎn)移成功不一定能夠表達，表達是一個受調(diào)控的復(fù)雜過程6. × 基因治療是一種補償性治療，對原來的基因沒有做修復(fù)處理7. 8. × 不同的目的基因功能不同，抗蟲基因和抗病毒基因不是同一基因9. × 轉(zhuǎn)基因動物主要是培育能產(chǎn)生特定蛋白質(zhì)的動物10. × 一般假單孢菌子只能分解一種烴試題答案：判斷題：1.× 運載體不是酶2.× 不同的限制酶切口不一樣，每一種酶都有自己的特定切口3. 限制沒有很強的專一性，在其來源細胞內(nèi)DNA分子的特定序列通常被修飾而不被識別4.× 目的基因是所需要的功能基因序列5.× 由于物種的差異，基因的表達調(diào)控方式不同，目的基因?qū)氤晒?，并不一定能表達6.× 基因治療通常是導(dǎo)入正常基因并表達達到治療效果，對有缺陷基因并沒有做修復(fù)處理7. 8.× 植物的抗性基因常來源于細菌，不同的抗性由不同的基因控制，相互間沒有互通性9.