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第2节基因工程及其应用课前自主预习案一、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“针线”项目名称作用“剪刀”限制酶识别特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子“针线”DNA连接酶连接和之间的缺口脱氧核糖磷酸(2)运载体①作用：将外源基因送入。②种类质粒分布：许多以及酵母菌等生物细胞质中特性：能够实质：受体细胞噬菌体细菌自主复制环状DNA分子动植物病毒二、基因工程的操作及应用1．基本操作步骤2．应用及安全性(1)应用应用内容目的培育出具有各种的作物新品种实例抗虫的作物育种意义减少了，而且还减少了农药对环境的污染抗逆性转基因抗虫棉农药用量实例生产人的胰岛素药物研制过程基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并在大肠杆菌内成功环境保护实例利用降解有毒有害的化合物，吸收环境中的重金属，分解泄漏的石油，处理工业废水等胰岛素表达转基因细菌(2)安全性判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)1．基因工程能够定向地改造生物的性状。()2．基因工程导入了新的基因，其原理是基因突变。()提示：√提示：×基因工程导入的基因是自然界原来就存在的基因，原理是基因重组。3．一种限制酶可以识别多种核苷酸序列。()4．含有目的基因的运载体是否进入受体细胞需要检测。()提示：×一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列。提示：√5．基因工程中的运载体只有质粒。()6．转基因生物和转基因食品都是不安全的。()提示：×基因工程中常见的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒。提示：×对于转基因生物和转基因食品的安全性问题不能片面地一概而论。课堂互动探究案课程标准新课标是选择性必修3的内容素养达成1．理解遗传物质的研究为基因工程提供了理论基础。(生命观念)2．通过联想制作拼接画的过程，理解基因工程的操作工具。(科学探究)3．采用绘图方法逐步理解基因工程的基本操作。(科学思维)自20世纪90年代以来，由于棉铃虫在我国大部分棉区持续性爆发，给棉花生产带来了巨大的威胁。在“863”计划资助下，我国科学家将杀虫基因导入棉花获得成功，成为继美国之后，第二个拥有自主研制抗虫棉的国家。请思考问题：(1)培育抗虫棉的原理是什么？(2)抗虫棉培育成功的意义是什么？探究点一基因工程的基本操作工具【师问导学】阅读教材P102～103内容，仔细观察分析图6－6，探究下列问题。1．基因工程中工具酶的作用(1)DNA解旋酶和限制酶都作用于DNA，试分析这两种酶的作用部位相同吗？(2)切割运载体和目的基因用同一种限制酶的原因。(3)限制酶和DNA连接酶作用的位点相同吗？(4)若用DNA连接酶将目的基因与运载体两两结合时，可能有哪些产物？提示：(1)不相同。DNA解旋酶作用于碱基之间的氢键，而限制酶作用于磷酸与脱氧核糖之间的化学键，即磷酸二酯键。(2)因为只有用同一种限制酶才能切割出相同的黏性末端，利于目的基因与运载体结合。(3)相同，均作用于磷酸二酯键。(4)产物可能有三种：目的基因与目的基因结合、运载体与运载体结合、目的基因与运载体结合。2．运载体的特点及其作用(1)运载体与物质跨膜运输中的载体化学本质相同吗？(2)基因工程中的运载体具有怎样的特点？提示：(1)不相同。运载体是小的DNA分子，载体是蛋白质。(2)a.能够在宿主细胞中稳定保存并大量复制，以保证外源基因在宿主细胞内长期稳定存在并复制；b．具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接；c．具有某些标记基因，便于检测运载体是否进入受体细胞。【智涂笔记】特别提醒：(1)限制酶和DNA连接酶的作用部位都是脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，只是前者切开，后者连接。(2)从DNA上切下某个基因，会产生2个切口，4个黏性末端。(3)获取目的基因、切割运载体需要用同种限制酶，目的是产生相同的黏性末端。(4)动物一般用受精卵作为受体细胞；植物可以用体细胞作为受体细胞，也可以用受精卵作为受体细胞，再通过植物组织培养方式培养成新个体。规律方法：(1)基因工程的四个步骤中只有第三步将目的基因导入受体细胞不涉及碱基互补配对。(2)目的基因必须与运载体结合后才能导入受体细胞，才能稳定地保存，并进行复制。(3)受体细胞常用微生物的原因：繁殖快、代谢快、目的产物多。【师说核心】1．基因的“剪刀”——限制性核酸内切酶(简称限制酶)(1)存在：主要存在于微生物中。(2)作用：断裂两个核苷酸之间的磷酸二酯键。(3)特点：具有特异性，即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的位点切割DNA分子。(4)作用结果：一般产生黏性末端。2．基因的“针线”——DNA连接酶(1)催化对象：两个具有相同末端的DNA片段。(2)催化位置：脱氧核糖与磷酸之间的缺口。(3)催化结果：形成重组DNA。(4)限制酶与DNA连接酶的比较比较项目作用应用限制酶使特定部位的磷酸二酯键断裂用于提取目的基因和切割载体DNA连接酶在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键用于重组DNA分子(重组质粒)构建两者的关系可表示为：(5)DNA连接酶与DNA聚合酶的比较项目比较DNA连接酶DNA聚合酶作用对象DNA片段将游离的脱氧核苷酸连接到脱氧核苷酸链上作用条件不需要模板需要模板作用部位连接相邻脱氧核苷酸的磷酸和脱氧核糖形成化学键磷酸二酯键3.运载体(1)质粒①存在：许多细菌及酵母菌等生物细胞中。②本质：拟核或细胞核外的环状DNA分子。③特点：能够自主复制。(2)运载体应具备的条件①能在宿主细胞内稳定保存并大量复制——保证目的基因能在细胞分裂过程中复制并传递给子细胞。②有一至多个限制酶切点——运载体能够接入多种目的基因所必备的条件。③有标记基因——检测目的基因是否导入受体细胞中的重要判断依据。【检测反馈】1．质粒是基因工程中最常用的运载体，下列有关质粒的说法正确的是()A．质粒不仅存在于细菌中，某些病毒也具有B．细菌的基因只存在于质粒上C．质粒为小型环状DNA分子，存在于核(区)外的细胞质基质中D．质粒是基因工程中的重要工具酶之一解析：质粒存在于许多细菌以及酵母菌等生物中，是拟核或细胞核外能够自主复制的很小的环状DNA分子，在病毒、动植物细胞中是不存在的；细菌的基因除少部分在质粒上外，大部分在拟核中的DNA分子上。答案：C2．下列黏性末端由同一种限制酶切割而成的是()A．①②B．①③C．①④D．②③解析：同一种限制酶切割出的黏性末端应是互补的，而且两者的序列相同，①③是互补的，切点都是在G与A之间，识别序列为GAATTC。答案：B3．据图所示，下列有关工具酶功能的叙述，不正确的是()A．限制酶可以切断a处B．DNA连接酶可以连接a处C．解旋酶可以使b处解开D．DNA连接酶可以连接b处解析：限制酶和DNA连接酶作用的部位是磷酸二酯键即a处，解旋酶作用的部位是氢键即b处。答案：D4．基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的。在基因工程操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的是()A．人工合成目的基因B．目的基因与运载体结合C．将目的基因导入受体细胞D．目的基因的检测和表达解析：合成目的基因及其与运载体的结合都进行碱基互补配对，目的基因的检测实质上是标记基因的表达，也进行碱基互补配对，与目的基因的表达原理相同。答案：C5．下列有关基因工程和酶的相关叙述，正确的是()A．同种限制酶既可以切割目的基因又可以切割质粒，因此不具备专一性B．运载体的化学本质与载体蛋白相同C．限制酶不能切割烟草花叶病毒的核酸D．DNA连接酶可催化游离的脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链解析：一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子，具有专一性，A错误；运载体的化学本质是DNA，载体蛋白的本质是蛋白质，B错误；限制酶能切割DNA，不能切割烟草花叶病毒的核酸RNA，C正确；DNA连接酶可催化不同的DNA片段连接在一起，不能催化游离的脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链，D错误。答案：C探究点二基因工程的操作及应用【师问导学】一、下图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图，请据图回答。1．能否利用人的皮肤细胞进行过程①？过程②特别需要的酶是哪一种？提示：不能，皮肤细胞中胰岛素基因不表达；过程②是逆转录，需要逆转录酶。2．如何将A和B连接成C？操作后的产物只有C吗？提示：用同一种限制酶切割A和B，再加入DNA连接酶，才能形成C。操作后的产物除了C，还可能有A与A结合、B与B结合的产物。3．人的胰岛素基因能够在大肠杆菌细胞中表达的基础是什么？提示：所有生物共用一套遗传密码。4．该方法和诱变育种相比，有什么优点？提示：可以定向改造生物的遗传性状。二、基因工程的应用及其安全性1．转基因技术已经实现了将人的胰岛素基因转入细菌体内，利用细菌生产人的胰岛素，分析讨论下列问题：(1)试从基本单位、空间结构和碱基配对方式三个方面分析运载体与目的基因结合成功的基础。提示：①基本单位相同：不同生物的DNA分子都是由脱氧核苷酸构成的。②空间结构相同：不同生物的DNA分子都是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链形成的规则的双螺旋结构。③碱基配对方式相同：不同生物的DNA分子中两条链之间的碱基配对方式都是A与T配对，G与C配对。(2)目的基因能够在受体细胞中表达的基础是什么？提示：所有生物共用一套遗传密码。2．与杂交育种、诱变育种相比，基因工程育种的原理是什么？主要优点有哪点？提示：其原理与杂交育种相同，是基因重组。与杂交育种相比，基因工程育种的育种周期短并产生了新性状；与诱变育种相比，基因工程育种能定向改造生物的遗传性状。【智涂笔记】1．基因工程操作中的两个注意点(1)切割目的基因和运载体时，一般用同一种限制酶，使目的基因和运载体产生相同的黏性末端，达到目的基因与运载体结合的目的。(2)目的基因导入受体细胞并非标志着基因工程的成功，只有目的基因在受体细胞中稳定存在并表达才说明基因工程的成功。2．基因工程育种的优点(1)目的性强，能定向改造生物性状。(2)育种周期短。(3)能克服远缘杂交不亲和的障碍。3．有性生殖和基因工程中基因重组的区别(1)有性生殖：基因重组――→自然发生同一物种不同基因的重新组合。(2)基因工程：基因重组――→人为发生不同物种间不同基因的重组。【师说核心】1．基因工程操作的基本步骤知识拓展：(1)在基因工程操作过程中，将目的基因导入受体细胞的过程不涉及碱基互补配对。(2)受体细胞常选用微生物的原因：微生物繁殖快、代谢快、目的产物多。(3)培育转基因动物时，常采用显微注射法将目的基因导入受精卵，原因是受精卵的全能性高。(4)培育转基因植物时，受体细胞可用受精卵和其他高度分化的细胞，因为高度分化的植物细胞仍具有全能性。可用植物组织培养技术将其培育成个体。2．基因工程成功的基础3．基因工程的应用4．转基因育种与杂交育种、诱变育种的比较(1)杂交育种能使位于不同个体上的多个优良性状集中于一个个体上，但育种周期长；诱变育种可以提高变异频率，大幅度改良某些性状，但有利变异个体不多，需要大量供试材料。(2)与杂交育种、诱变育种相比，转基因育种能克服传统育种方法的缺点，具有目的性强、育种周期短、能克服远缘杂交不亲和的障碍等优点。【检测反馈】1．用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。下列叙述不正确的是()A．常用相同的限制酶切割目的基因和质粒B．DNA连接酶和RNA聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶C．质粒作为运载体应具有标记基因D．人和大肠杆菌在合成相关蛋白质时，转录和翻译的场所不同解析：为得到相同的黏性末端，常用相同的限制酶切割目的基因和质粒，A正确；DNA连接酶是构建重组质粒必需的酶，而RNA聚合酶则用于DNA的转录过程，B错误；质粒作为运载体，应具有标记基因，以便重组后进行重组DNA的鉴定和选择，C正确；人是真核生物，大肠杆菌是原核生物，真核细胞的转录场所主要在细胞核，而原核细胞没有成形的细胞核，D正确。答案：B2．某种转基因玉米能高效合成一种多肽类的蛋白酶抑制剂，积累于茎叶中，让取食它的害虫的消化酶受抑制，使其无法消化食物而死亡。下列就该玉米对人类安全性的评论中，不符合生物学原理的是(