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2013-2014学年高二生物人教版选修三同步导学:1.1 DNA重组技术的基本工具


专题一
知识点一

基因工程

1.1 DNA 重组技术的基本工具
基因工程的概念及其诞生与发展
【自读教材· 夯基础】 1.基因工程的概念

2.基因工程的诞生和发展 (1)基础理论的重大突破: ①DNA 是遗传物质的证明; ②DNA 双螺旋结构和中心法则的确立; ③遗传密码的破译。 (2

)技术发明使基因工程的实施成为可能: ①基因转移载体和工具酶相继发现; ②DNA 合成和测序技术的发明; ③DNA 体外重组得到实现及重组 DNA 表达实验获得成功。 (3)基因工程的发展与完善: 1983 年,世界第一例转基因烟草培养成功,基因工程进入迅速发展阶段。1988 年 PCR 技术 的发明,使基因工程进一步发展和完善。

1.通过分析基因工程的概念,讨论基因工程的原理是什么。

2.将人的胰岛素基因导入大肠杆菌体内,通过大肠杆菌能大量生产人胰岛素。请分析人胰岛素 基因能在大肠杆菌体内表达的理论基础是什么。

【疑难解答】 1.对基因工程概念的理解

操作环境 生物体外

操作对象 基 因

操作水平 DNA 分子水平

基本过程 剪切→连接→导入 →表达





定向地改造生物的 遗传性状

2.基因工程的原理和理论基础 (1)原理:基因重组。 (2)理论基础: ①拼接:不同生物 DNA 的基本组成单位相同,都是 4 种脱氧核苷酸;空间结构相同,都是规 则的双螺旋结构。 ②表达:生物界共用一套遗传密码,相同的遗传信息在不同生物体内表达出相同的蛋白质。

知识点二

基因工程操作的基本工具

【自读教材· 夯基础】

1.限制性核酸内切酶 (1)来源:主要从原核生物中分离出来。

(2) 2.DNA 连接酶 (1)作用:将双链 DNA 片段“缝合”起来,恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。 (2)种类: 种类 比较项目 来源 E· coli DNA 连接酶 大肠杆菌 只能“缝合”具有黏性末端的双 链 DNA 片段 T4DNA 连接酶 T4 噬菌体 既可以“缝合”双链 DNA 片段互 补的黏性末端, 也可以“缝合”双 链 DNA 片段的平末端

特点

3.运载体 (1)作用:将外源基因送入细胞中。 (2)种类:质粒、λ 噬菌体衍生物和动植物病毒等。

(3)

1.结合 DNA 复制的过程,分析限制酶和 DNA 解旋酶的作用部位有何不同。

2.结合教材 P5 图 13,分析黏性末端和平末端是如何形成的。

3.限制酶切割产生的黏性末端和平末端在恢复时需用什么酶?所用的该种酶是否可以不加选 择?为什么?

【疑难解答】 1.DNA 连接酶与限制性核酸内切酶的比较 (1)区别: 作用 限制性核酸内切酶 DNA 连接酶 使特定部位的磷酸二酯键断裂 在 DNA 片段之间重新形成磷酸二 酯键 应用 用于提取目的基因和切割载体 用于目的基因和载体的连接

(2)两者的关系可表示为:

2.限制性核酸内切酶与解旋酶的区别 (1)相同点:都是作用于 DNA 分子中的化学键。 (2)不同点:作用部位不同,前者作用于磷酸二酯键,后者作用于氢键。 3.DNA 连接酶与 DNA 聚合酶的比较 比较项目 相同点 不 是否需要模板 DNA 连接酶 DNA 聚合酶

作用实质相同,都是催化两个核苷酸之间形成磷酸二酯键 不需要 需要

同 点

接 DNA 链 作用过程 作用结果 用途

双链 在两个 DNA 片段间形成磷酸二 酯键 将已存在的 DNA 片段连接 基因工程

单链 将单个核苷酸加到已存在的核酸片 段上,形成磷酸二酯键 合成新的 DNA 分子 DNA 复制

4.上述四种酶的作用部位图解

(1)作用于 a(磷酸二酯键)的酶有:限制酶、DNA 连接酶、DNA 聚合酶。 (2)作用于 b(氢键)的酶是解旋酶。 [特别提醒] (1)不同 DNA 分子用同一种限制酶切割形成的黏性末端都相同; 同一个 DNA 分子用不同限制酶 切割,产生的黏性末端一般不相同。 (2)不同限制酶切割形成的黏性末端,如果互补则可以相互重新配对。 [例 1] 下表所示为常用的限制性核酸内切酶(限制酶)及其识别序列和切割位点,由此推 断以下说法中,正确的是( 限制酶名称 BamHⅠ EcoRⅠ HindⅡ ) 识别序列和 切割位点


限制酶名称 KpnⅠ Sau3AⅠ SmaⅠ

识别序列和 切割位点


GGATCC


GGTACC


CAATTC


GATC


GTYRAC

CCCGGG

注:Y=C 或 T,R=A 或 G。 A.限制酶切割后不一定形成黏性末端 B.限制酶的切割位点一定在识别序列的内部 C.不同限制酶切割后一定形成不同的黏性末端 D.一种限制酶一定只能识别一种核苷酸序列

[思路点拨]

[精讲精析]

由表中信息可知,HindⅡ能识别 4 种不同的核苷酸序列,选项 D 错误;

Sau3AⅠ酶的切割位点在识别序列的外部,选项 B 错误; BamHⅠ酶与 Sau3AⅠ酶切割后能形成 相同的黏性末端,选项 C 错误;SmaⅠ酶切割后产生的是平末端,选项 A 正确。 [答案] A 规律方法 限制酶的识别序列和切割末端的判断

(1)识别序列的特点:呈现碱基互补对称,无论是奇数个碱基还是偶数个碱基,都可以找到 一条中心轴线,如图,中轴线两侧的双链 DNA 上的碱基是反向对称重复排列的。如 CCAGG A 以中心线为轴,两侧碱基互补对称; GGTCC 以 T 为轴,两侧碱基互补对称。 (2)判断黏性末端或平末端是否由同一种限制酶切割形成的方法是:将黏性末端或平末端之 一旋转 180° 后,看它们是否是完全相同的结构。

1.1

DNA 重组技术的基本工具练习题
)

[例 1]下列四条 DNA 片段,可能是由同一种限制酶切割而成的是(

A.①② C.③④

B.②③ D.②④

[例 2] 下图为 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.①②③④ C.①④②③

B.①②④③ D.①④③②

[例 3] 下面是四种不同质粒的示意图,其中 ori 为复制必需的序列,amp 为氨苄青霉素抗性基 因,tet 为四环素抗性基因,箭头表示一种限制性核酸内切酶的酶切位点。若要得到一个能在四 环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长的含重组 DNA 的细胞,应选用的质粒是 ( )

[例 4].下列关于限制性核酸内切酶的叙述,错误的是( A.限制性核酸内切酶可从原核生物中提取

)

B.同一种限制酶切割不同的 DNA 分子产生的末端能够进行碱基互补配对 C.限制酶能任意切割 DNA 分子,从而产生大量的 DNA 片段 D.每一种限制性核酸内切酶只能识别特定的核苷酸序列 [例 5].下列有关 DNA 连接酶的叙述正确的是( )

①催化具有相同的黏性末端的 DNA 片段之间连接 ②催化具有不同的黏性末端的 DNA 片段之间连接 ③催化两个黏性末端互补碱基间氢键的形成 ④催化脱氧核糖与磷酸之间的磷酸二酯键的形成 A.①② B.③④

C.①④

D.②③ )

[例 6].作为基因工程中的“分子运输车”,载体应具备的条件是(

①必须有一个或多个限制酶的切割位点,以便目的基因可以插入到载体上 ②载体必须具备自我复制的能力, 或整合到受体染色体 DNA 上随染色体 DNA 的复制而同 步复制 ③必须带有标记基因,以便进行重组后的筛选 ④必须是安全的,不会对受体细胞有害,或不能进入到除受体细胞外的其他生物细胞中去 ⑤大小应合适,太大则不易操作 A.①②③④ C.①②④⑤ [课时跟踪训练] 一、选择题(每小题 2 分,共 20 分) 1.下列对基因工程的理解,正确的是( ) B.①②③⑤ D.①②③④⑤

①它是一种按照人们的意愿,定向改造生物遗传特性的工程 ②对基因进行人为改造 ③是体外进行的人为的基因重组 ④在实验室内,利用相关的酶和原料合成 DNA ⑤主要技术为体外 DNA 重组技术和转基因技术 ⑥在 DNA 分子水平上进行操作 A.①②③④⑤⑥ C.①②③⑤⑥ B.①③④⑤⑥ D.①③⑤⑥ )

2.下列关于 DNA 连接酶作用的叙述,正确的是(

A.将单个核苷酸加到某 DNA 片段末端,形成磷酸二酯键 B.将断开的两个 DNA 片段的骨架连接起来,重新形成磷酸二酯键 C.连接两条 DNA 链上碱基之间的氢键 D.只能将双链 DNA 片段互补的黏性末端之间连接起来,而不能将双链 DNA 片段平末端 之间进行连接 3.下表关于基因工程中有关基因操作的名词及对应的内容,正确的组合是( 选项 A 供体 质粒 “手术刀” 限制性核 酸内切酶 “缝合针” DNA 连接酶 载体 提供目 的基因的生物 ) 受体 大肠 杆菌等

B

提供目的 基因的生物 提供目 的基因的生物 大肠杆 菌等

DNA 连接酶 限制性 核酸内切酶 DNA 连接酶

限制性核 酸内切酶 DNA 连接酶 限制性 核酸内切酶

质粒

大肠 杆菌等 大肠 杆菌等 质粒 )

C

质粒 提供目 的基因的生物

D

4. 如下图所示, 两个核酸片段在适宜条件下, 经 X 酶的催化作用发生下述变化。 则 X 酶是(

A.DNA 连接酶 B.RNA 聚合酶 C.DNA 聚合酶 D.限制酶 5.水母发光蛋白由 236 个氨基酸构成,其中由三种氨基酸构成发光环,现已将这种蛋白质的基 因作为生物转基因的标记。在转基因技术中,这种蛋白质的作用是( A.促使目的基因导入受体细胞中 B.促使目的基因在受体细胞中复制 C.促使目的基因容易被检测出来 D.促使目的基因容易成功表达 6.下图表示限制酶切割 DNA 分子的过程,从图中可知,该限制酶能识别的碱基序列和切点是 ( ) )

A.CTTAAG,切点在 C 和 T 之间 B.CTTAAG,切点在 G 和 A 之间 C.GAATTC,切点在 G 和 A 之间 D.GAATTC,切点在 C 和 T 之间 7.据图判断,有关工具酶功能的叙述错误的是( )

A.限制性核酸内切酶可以切断 a 处 B.DNA 聚合酶可以连接 a 处 C.解旋酶可以使 b 处解开 D.DNA 连接酶可以连接 c 处 8.下图为四种限制酶 BamHⅠ、EcoRⅠ、HindⅢ以及 BglⅡ的辨识序列。箭头表示每一种限制 酶的特定切割部位,其中哪两种限制酶所切割出来的 DNA 片段末端可以互补黏合?其正确的 末端互补序列应该为( )

A.BamHⅠ和 EcoRⅠ;末端互补序列—AATT— B.BamHⅠ和 HindⅢ;末端互补序列—GATC— C.EcoRⅠ和 HindⅢ;末端互补序列—AATT— D.BamHⅠ和 Bg lⅡ;末端互补序列—GATC— 9. 现有一长度为 1 000 碱基对(bp)的 DNA 分子, 用限制性核酸内切酶 EcoRⅠ酶切后得到的 DNA 分子仍是 1 000 bp, 用 KpnⅠ单独酶切得到 400 bp 和 600 bp 两种长度的 DNA 分子, 用 EcoRⅠ、 KpnⅠ同时酶切后得到 200 bp 和 600 bp 两种长度的 DNA 分子。 下图中 DNA 分子的酶切图谱正 确的是( )

10.质粒之所以能做基因工程的载体,是由于它( A.含蛋白质,从而能完成生命活动 B.能够自我复制,保持连续性 C.是 RNA,能够指导蛋白质的合成 D.具有环状结构,能够携带目的基因

)

二、非选择题(共 30 分) 11.(10 分)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。科学家运用这一 技术使羊奶中含有人体蛋白质。 下图表示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—G GATCC—,请回答:


(1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是____________。人的蛋白质基因“插入”后 连接在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)人的蛋白质基因之所以能“插入”到羊的染色体内,原因是___________________ _______________________ ,“插入”时用的工具是 ________________________ ,其种类有 ________________________________________________________________________。 12.下面是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: ①______________________,②________________(写出两条即可)。 —TGCGC,则与之连接的目的基因切割末端应为 (2)若质粒 DNA 分子的切割末端为—A? __________________;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作为载体的是( 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 13.(10 分)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: )

限制酶

BamHⅠ


HindⅢ


EcoRⅠ


SmaⅠ


GGATCC 识别序列及切割位点 ↑ CCTAGG

AAGCTT ↑ TTCGAA

GAATTC ↑ CTTAAG

CCCGGG ↑ CC GGGC

(1)一个图 1 所示的质粒分子经 SmaⅠ切割前后,分别含有________个游离的磷酸基团。 (2)若对图中质粒进行改造,插入的 SmaⅠ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 SmaⅠ 切 割 , 原 因 是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)与只使用 EcoRⅠ相比较,使用 BamHⅠ和 HindⅢ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)现使用 BamHⅠ和 HindⅢ两种限制酶同时处理质粒、外源 DNA,并经拼接获得的重组 质粒进行再次酶切,假设所用的酶均可将识别位点完全切开,请根据图 1、2 中标示的酶切位点 及表所列的识别序列,对以下酶切结果作出判断。 ①采用 BamHⅠ和 HindⅢ酶切,得到________种 DNA 片段。 ②采用 EcoRⅠ和 HindⅢ酶切,得到________种 DNA 片段。


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