人教版高中生物必修2學(xué)案第6章第2節(jié)基因工程及其應(yīng)用

第2節(jié)基因工程及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)核心素養(yǎng)1.說出基因工程的概念。2．說出基因工程的基本工具。(重點(diǎn))3．闡述基因工程的基本操作。(重、難點(diǎn))4．舉例說明基因工程的應(yīng)用。1.理解遺傳物質(zhì)的研究為基因工程提供了理論基礎(chǔ)。2．通過聯(lián)想制作拼接畫的過程，理解基因工程的操作工具。3．采用繪圖方法逐步理解基因工程的基本操作。一、基因工程的基本操作工具1．基因工程的概念2．基因工程的操作工具(1)“剪刀”和“針線”項(xiàng)目名稱作用“剪刀”限制酶識(shí)別特定的核苷酸序列，并在特定的切點(diǎn)上切割DNA分子“針線”DNA連接酶連接脫氧核糖和磷酸之間的缺口(2)運(yùn)載體①作用：將外源基因送入受體細(xì)胞。二、基因工程的操作及應(yīng)用1．基本操作步驟2．應(yīng)用及安全性應(yīng)用內(nèi)容作物育種目的培育出具有各種抗逆性的作物新品種實(shí)例抗蟲的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉意義減少了農(nóng)藥用量，而且還減少了農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染藥物研制實(shí)例生產(chǎn)人的胰島素過程胰島素基因與大腸桿菌的DNA分子重組，并在大腸桿菌內(nèi)成功表達(dá)環(huán)境保護(hù)實(shí)例利用轉(zhuǎn)基因細(xì)菌降解有毒有害的化合物，吸收環(huán)境中的重金屬，分解泄漏的石油，處理工業(yè)廢水等判斷對(duì)錯(cuò)(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)1．基因工程能夠定向地改造生物的性狀。 ()2．基因工程導(dǎo)入了新的基因，其原理是基因突變。 ()3．一種限制酶可以識(shí)別多種核苷酸序列。 ()4．含有目的基因的運(yùn)載體是否進(jìn)入受體細(xì)胞需要檢測(cè)。 ()5．基因工程中的運(yùn)載體只有質(zhì)粒。 ()提示：1.√2．×基因工程導(dǎo)入的基因是自然界原來就存在的基因，原理是基因重組。3．×一種限制酶只能識(shí)別特定的核苷酸序列。4．√5．×基因工程中常見的運(yùn)載體有質(zhì)粒、噬菌體和動(dòng)植物病毒。基因工程的基本操作工具[問題探究]下圖是利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)人胰島素的操作過程示意圖，請(qǐng)據(jù)圖回答。1．能否利用人的皮膚細(xì)胞進(jìn)行過程①？過程②特別需要的酶是哪一種？提示：不能，皮膚細(xì)胞中胰島素基因不表達(dá)；過程②是逆轉(zhuǎn)錄，需要逆轉(zhuǎn)錄酶。2．如圖表示一段DNA序列，請(qǐng)確定限制酶和DNA連接酶的作用部位。提示：二者的作用部位都是b。3．如何將A和B連接成C？操作后的產(chǎn)物只有C嗎？提示：用同一種限制酶切割A(yù)和B，再加入DNA連接酶，才能形成C。操作后的產(chǎn)物除了C，還可能有A與A結(jié)合、B與B結(jié)合的產(chǎn)物。4．人的胰島素基因能夠在大腸桿菌細(xì)胞中表達(dá)的基礎(chǔ)是什么？提示：所有生物共用一套遺傳密碼。5．該方法和誘變育種相比，有什么優(yōu)點(diǎn)？提示：可以定向改造生物的遺傳性狀。[歸納總結(jié)]1．基因工程成功的基礎(chǔ)2．基因的“剪刀”——限制性核酸內(nèi)切酶(簡(jiǎn)稱限制酶)(1)存在：主要存在于微生物中。(2)作用：斷裂兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵。(3)特點(diǎn)：具有特異性，即一種限制酶只能識(shí)別一種特定的核苷酸序列，并在特定的位點(diǎn)切割DNA分子。(4)作用結(jié)果：一般產(chǎn)生黏性末端。3．基因的“針線”——DNA連接酶(1)催化對(duì)象：兩個(gè)具有相同末端的DNA片段。(2)催化位置：脫氧核糖與磷酸之間的缺口。(3)催化結(jié)果：形成重組DNA。(4)限制酶與DNA連接酶的比較比較項(xiàng)目作用應(yīng)用限制酶使特定部位的磷酸二酯鍵斷裂用于提取目的基因和切割載體DNA連接酶在DNA片段之間重新形成磷酸二酯鍵用于重組DNA分子(重組質(zhì)粒)構(gòu)建兩者的關(guān)系可表示為：(5)DNA連接酶與DNA聚合酶的比較項(xiàng)目比較DNA連接酶DNA聚合酶作用對(duì)象DNA片段將游離的脫氧核苷酸連接到脫氧核苷酸鏈上作用條件不需要模板需要模板作用部位連接相鄰脫氧核苷酸的磷酸和脫氧核糖形成化學(xué)鍵磷酸二酯鍵4.運(yùn)載體(1)質(zhì)粒①存在：許多細(xì)菌及酵母菌等生物細(xì)胞中。②本質(zhì)：擬核或細(xì)胞核外的環(huán)狀DNA分子。③特點(diǎn)：能夠自主復(fù)制。(2)運(yùn)載體應(yīng)具備的條件①能在宿主細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定保存并大量復(fù)制——保證目的基因能在細(xì)胞分裂過程中復(fù)制并傳遞給子細(xì)胞。②有一至多個(gè)限制酶切點(diǎn)——運(yùn)載體能夠接入多種目的基因所必備的條件。③有標(biāo)記基因——檢測(cè)目的基因是否導(dǎo)入受體細(xì)胞中的重要判斷依據(jù)。1．下列有關(guān)基因工程和酶的相關(guān)敘述，正確的是()A．同種限制酶既可以切割目的基因又可以切割質(zhì)粒，因此不具備專一性B．運(yùn)載體的化學(xué)本質(zhì)與載體蛋白相同C．限制酶不能切割煙草花葉病毒的核酸D．DNA連接酶可催化游離的脫氧核苷酸連接成脫氧核苷酸鏈C[一種限制酶只能識(shí)別一種特定的核苷酸序列，并在特定的切點(diǎn)上切割DNA分子，具備專一性，A錯(cuò)誤；運(yùn)載體的化學(xué)本質(zhì)是DNA，與載體蛋白不同，B錯(cuò)誤；限制酶能切割DNA，不能切割煙草花葉病毒的核酸RNA，C正確；DNA連接酶可催化不同的DNA片段連接在一起，不能催化游離的脫氧核苷酸連接成脫氧核苷酸鏈，D錯(cuò)誤。]2．限制性核酸內(nèi)切酶是一種核酸切割酶，可辨識(shí)并切割DNA分子上特定的核苷酸序列，如圖依次為4種限制酶BamHⅠ，EcoRⅠ，HindⅢ以及BglⅡ的辨識(shí)序列，箭頭表示每一種限制酶的特定切割部位，其中哪兩種限制酶所切割出來的DNA片段末端可以互補(bǔ)黏合？()D[BamHⅠ和EcoRⅠ切割形成的黏性末端不互補(bǔ)配對(duì)，因此不能互補(bǔ)黏合，A錯(cuò)誤；BamHⅠ和HindⅢ切割形成的黏性末端不互補(bǔ)配對(duì)，因此不能互補(bǔ)黏合，B錯(cuò)誤；EcoRⅠ和HindⅢ切割形成的黏性末端不互補(bǔ)配對(duì)，因此不能互補(bǔ)黏合，C錯(cuò)誤；BamHⅠ和BglⅡ切割形成的黏性末端可以互補(bǔ)配對(duì)，因此能互補(bǔ)黏合，D正確。]基因工程的操作及應(yīng)用[問題探究]1．生產(chǎn)基因產(chǎn)物的受體細(xì)胞為什么常選用微生物？提示：因?yàn)槲⑸餅閱渭?xì)胞，繁殖快、代謝快、產(chǎn)生的基因產(chǎn)物多。2．培育轉(zhuǎn)基因動(dòng)物與轉(zhuǎn)基因植物，常用的受體細(xì)胞分別是什么？提示：培育轉(zhuǎn)基因動(dòng)物，一般選用受精卵作為受體細(xì)胞；而培育轉(zhuǎn)基因植物，可選用受精卵或體細(xì)胞作為受體細(xì)胞。3．轉(zhuǎn)基因抗蟲棉有性生殖產(chǎn)生的后代都具有抗蟲特性嗎？為什么？提示：不都具有；因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)性狀分離。[歸納總結(jié)]1．基因工程操作的基本步驟知識(shí)拓展：(1)在基因工程操作過程中，將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的過程不涉及堿基互補(bǔ)配對(duì)。(2)受體細(xì)胞常選用微生物的原因：微生物繁殖快、代謝快、目的產(chǎn)物多。(3)培育轉(zhuǎn)基因動(dòng)物時(shí)，常采用顯微注射法將目的基因?qū)胧芫?，原因是受精卵的全能性高?4)培育轉(zhuǎn)基因植物時(shí)，受體細(xì)胞可用受精卵和其他高度分化的細(xì)胞，因?yàn)楦叨确只闹参锛?xì)胞仍具有全能性?？捎弥参锝M織培養(yǎng)技術(shù)將其培育成個(gè)體。2．基因工程的應(yīng)用3．轉(zhuǎn)基因育種與雜交育種、誘變育種的比較(1)雜交育種能使位于不同個(gè)體上的多個(gè)優(yōu)良性狀集中于一個(gè)個(gè)體上，但育種周期長(zhǎng)；誘變育種可以提高變異頻率，大幅度改良某些性狀，但有利變異個(gè)體不多，需要大量供試材料。(2)與雜交育種、誘變育種相比，轉(zhuǎn)基因育種能克服傳統(tǒng)育種方法的缺點(diǎn)，具有目的性強(qiáng)、育種周期短、能克服遠(yuǎn)緣雜交不親和的障礙等優(yōu)點(diǎn)。1．下列有關(guān)基因工程的敘述中，錯(cuò)誤的是()A．DNA連接酶將黏性末端的堿基對(duì)連接起來B．限制性核酸內(nèi)切酶可用于目的基因的獲得C．目的基因可由運(yùn)載體導(dǎo)入受體細(xì)胞D．人工合成目的基因時(shí)不用限制性核酸內(nèi)切酶A[DNA連接酶使兩個(gè)DNA片段之間形成磷酸二酯鍵，A錯(cuò)誤。限制性核酸內(nèi)切酶能夠識(shí)別特定核苷酸序列，從目的基因所在的DNA上切割獲取目的基因，B正確。目的基因要通過運(yùn)載體導(dǎo)入受體細(xì)胞，C正確?？梢愿鶕?jù)已知目的基因的序列或mRNA序列人工合成目的基因，不用限制性核酸內(nèi)切酶，D正確。]2．下列關(guān)于基因工程及轉(zhuǎn)基因食品的安全性的敘述，正確的是()A．基因工程中經(jīng)常以抗生素抗性基因作為目的基因B．通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)可獲得抗蟲糧食作物，從而增加糧食產(chǎn)量，減少農(nóng)藥使用C．通常用一種限制性核酸內(nèi)切酶處理含目的基因的DNA，用另一種限制性核酸內(nèi)切酶處理運(yùn)載體DNAD．若轉(zhuǎn)入甘蔗中的外源基因來源于自然界，則生產(chǎn)出來的甘蔗不存在安全性問題B[基因工程中經(jīng)常以抗生素抗性基因作為標(biāo)記基因，A錯(cuò)誤；通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)可獲得抗蟲的糧食作物，這樣可以減少農(nóng)藥使用，增加糧食的產(chǎn)量，B正確；基因工程中，通常使用同一種限制酶處理含目的基因的DNA和運(yùn)載體DNA，使它們產(chǎn)生相同的黏性末端，以便形成重組DNA分子，C錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)入甘蔗中的外源基因即使來源于自然界，生產(chǎn)出來的甘蔗仍可能存在食品安全、環(huán)境安全等安全性問題，D錯(cuò)誤。][課堂小結(jié)]知識(shí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建核心語句歸納1.基因工程的優(yōu)點(diǎn)是可定向改造生物的遺傳性狀。2．限制性核酸內(nèi)切酶具有特異性，能識(shí)別特定的核苷酸序列，并在特定位點(diǎn)上切割DNA分子。3．DNA連接酶的作用是將兩個(gè)DNA片段連接起來。4．質(zhì)粒是最常用的運(yùn)載體，是小型環(huán)狀DNA分子。除此之外，噬菌體、動(dòng)植物病毒也可充當(dāng)運(yùn)載體。5．基因工程的四個(gè)步驟：提取目的基因、目的基因與運(yùn)載體結(jié)合、將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞、目的基因的檢測(cè)與鑒定。1．下列有關(guān)基因工程的敘述，正確的是()A．DNA重組技術(shù)所用的工具酶是限制酶、DNA連接酶和運(yùn)載體B．所有的限制酶都只能識(shí)別同一種特定的核苷酸序列C．選用細(xì)菌作為重組質(zhì)粒的受體細(xì)胞是因?yàn)榧?xì)菌繁殖快D．目的基因只要進(jìn)入受體細(xì)胞就能實(shí)現(xiàn)表達(dá)C[基因工程操作中的工具酶是限制酶、DNA連接酶，運(yùn)載體是基因的運(yùn)載工具，而不是工具酶。每種限制酶都只能識(shí)別特定的核苷酸序列，而并非同一種核苷酸序列。目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞后，只有受體細(xì)胞表現(xiàn)出特定的性狀，才說明目的基因成功表達(dá)，基因工程的目的是讓目的基因完成表達(dá)。]2．下圖為DNA分子在不同酶的作用下所發(fā)生的變化，圖中依次表示限制性核酸內(nèi)切酶、DNA聚合酶、DNA連接酶、解旋酶作用的正確順序是()A．①②③④ B．①②④③C．①④②③ D．①④③②C[限制性核酸內(nèi)切酶用于切割DNA片段；而與之作用相反的是DNA連接酶，用于連接DNA片段；DNA聚合酶用于DNA的復(fù)制過程，它需要模板；解旋酶會(huì)使DNA雙鏈解旋而分開，它作用于堿基對(duì)之間的氫鍵。]3．下列哪組是基因工程技術(shù)中常用的運(yùn)載體()A．大腸桿菌、噬菌體 B．藍(lán)藻、質(zhì)粒C．動(dòng)物病毒、噬菌體 D．線粒體、質(zhì)粒C[運(yùn)載體是將外源基因送入受體細(xì)胞的專門運(yùn)輸工具，目前常用的運(yùn)載體有質(zhì)粒、噬菌體和動(dòng)植物病毒。]4．下列不屬于利用基因工程技術(shù)制取藥物的是()A．從大腸桿菌體內(nèi)獲取白細(xì)胞介素B．從酵母菌體內(nèi)獲得干擾素C．從青霉菌體內(nèi)獲取青霉素D．從大腸桿菌體內(nèi)獲取胰島素C[基因工程是使外源基因在受體細(xì)胞中表達(dá)目的基因產(chǎn)品的技術(shù)，A、B、D均為外源基因的表達(dá)，而青霉菌產(chǎn)生青霉素是一種正?；虻恼１磉_(dá)，故青霉菌產(chǎn)生的青霉素不屬于基因工程藥物。]5．1979年，科學(xué)家將鼠體內(nèi)的能夠產(chǎn)生胰島素的基因與大腸桿菌的DNA分子重組，并且在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了胰島素的前體物質(zhì)胰島素原。如下圖所示，請(qǐng)根據(jù)下圖回答：(1)圖中2、5、3、7表示通過從供體細(xì)胞的DNA中直接分離基因，獲得的過程。(2)圖中3代表，在它的作用下將目的基因和質(zhì)粒切割獲得相同的黏性末端。(3)經(jīng)[9]的作用可將7、6“縫合”形成[8]重組DNA分子。8往往含有基因，以便將來檢測(cè)。(4)圖中10表示將重組DNA分子導(dǎo)入的過程。(5)如在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)了胰島素原，說明成功導(dǎo)入了，并使之完成了表達(dá)過程。[解析](1)圖中的2、5、3、7過程是為了獲取目的基因。(2)獲取目的基因需要用限制酶對(duì)DNA進(jìn)行切割。(3)將目的基因和運(yùn)載體質(zhì)粒連接起來構(gòu)成重組質(zhì)粒的過程中需要DNA連接酶。8中含有標(biāo)記基因，便于初步篩選。(4)重組質(zhì)粒需要導(dǎo)入受體中，在該工程中是導(dǎo)入了大腸桿菌體內(nèi)，常用氯化鈣處理得到感受態(tài)的大腸桿菌，圖中10代表了該過程。(5)如果在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)了胰島素原，說明成功導(dǎo)入了目的基因，并且成功表達(dá)。[答案](1)目的基因(2)限制酶(3)DNA連接酶標(biāo)記(4)受體細(xì)胞(5)目的基因教材課后習(xí)題(教師用書獨(dú)具)一、基礎(chǔ)題1．提示：基因工程操作通常包括以下四步：①提取目的基因(外源基因)；②目的基因與運(yùn)載體結(jié)合，形成重組DNA分子；③將目的基因(重組DNA分子)導(dǎo)入受體細(xì)胞；④目的基因的檢測(cè)與鑒定。2．提示：↓ATCTCGAGACTGATTGGCCTTAAGCTCGAGATGACCATGGCCAGGCTCGAGCTGATGA互補(bǔ)鏈：