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专题1 基因工程 1.1 DNA重组技术的基本工具,探究1 基因工程的概念、理论基础及技术支持 【研读教材自主认知】 1.基因工程的概念: (1)技术:_和_等技术。 (2)目的:创造出更符合人们需要的_和生物产品。 (3)设计和施工水平:_。,体外DNA重组,转基因,新的生物类型,DNA分子水平,2.基因工程的理论基础及技术支持(连线):,【合作探究核心归纳】 1.基因工程概念的理解: (1)基因工程操作导致的基因重组与有性生殖中的基因重组的主要区别是什么? 提示:有性生殖中的基因重组是随机的,并且只能在同一物种间进行;基因工程可以在不同物种间进行重组,并且方向性强,可以定向地改变生物的性状。 (2)基因工程中的DNA重组过程在哪里进行操作?属于哪一水平? 提示:在体外进行;属于DNA分子水平。,2.基因工程理论基础: (1)不同生物的DNA分子能拼接起来的原因是什么? 提示:DNA分子的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸;双链DNA分子 的空间结构都是规则的双螺旋结构;所有生物DNA碱基对均遵循严格 的“碱基互补配对原则”。 (2)外源基因能够在受体内表达,并使受体表现出相应的性状,为什么? 提示:基因是控制生物体性状的结构和功能单位,具有相对独立性; 遗传信息的传递都遵循中心法则;生物界共用一套遗传密码。,【过关小练即时应用】 1.科学家们经过多年努力,创立了一种新兴生物技术基因工程,实施该工程的最终目的是 ( ) A.定向提取生物体的DNA分子 B.定向地对DNA分子进行“剪切” C.在生物体外对DNA分子进行改造 D.定向地改造生物的遗传性状 【解析】选D。基因工程能按照人们的意愿通过相关技术操作赋予生物以新的遗传特性。,2.(2015南通高一检测)某科研小组将人的生长抑制素释放因子的基因转移到大肠杆菌,并获得表达,此文中的“表达”是指该基因在大肠杆菌内 ( ) A.能进行DNA复制 B.能传递给细菌后代 C.能合成生长抑制素释放因子 D.能合成人的生长激素 【解析】选C。基因的表达就是基因通过转录、翻译合成基因决定的蛋白质,从而使生物体表现出相应的性状。,探究2 基因工程操作的两种工具酶 【研读教材自主认知】 1.限制性核酸内切酶“分子手术刀”:,原核生物,4 000,特定核苷酸序列,特定部位,磷酸二酯键,黏性末端,2.DNA连接酶“分子缝合针”: (1)作用:缝合双链DNA片段,恢复两个核苷酸之间的_。 (2)种类(连线):,磷酸二酯键,【小判断】 (1)基因工程中限制酶的作用是识别双链DNA分子的特定核苷酸序列, 并切割DNA双链。 ( ) 【分析】限制酶能够识别特定的脱氧核苷酸序列,并在特定位点切割 DNA分子。 (2)限制性核酸内切酶的识别序列只能是GAATTC。 ( ) 【分析】限制性核酸内切酶的种类有数千种,不同的限制性核酸内切 酶识别和切割特定的核苷酸序列。,(3)用限制性核酸内切酶可以切割烟草花叶病毒的核酸。 ( ) 【分析】烟草花叶病毒的核酸是RNA,而限制性核酸内切酶切割的是 DNA。 (4)DNA连接酶只能连接两个末端具有互补碱基的DNA分子片段。 ( ) 【分析】DNA连接酶既能连接具有互补碱基的黏性末端,也能连接没有 互补碱基的平末端。,【合作探究核心归纳】 1.限制性核酸内切酶的作用特点: 分析下图,回答问题,(1)限制性核酸内切酶的“限制性”表现在什么地方?请举例说明。 提示:表现在两方面。限制性核酸内切酶只能识别DNA分子上特定的脱氧核苷酸序列;只能在识别序列上特定的两个脱氧核苷酸之间进行切割,如EcoR只能识别GAATTC序列,且只切割G-A之间的磷酸二酯键。,(2)在切割含目的基因的DNA分子时限制性核酸内切酶要切割几个磷酸二酯键?为什么? 提示:4个。DNA分子为双链,且目的基因两端均含有限制性核酸内切酶的识别位点。 (3)所有的限制性核酸内切酶识别的脱氧核苷酸序列、切割位点相同吗?为什么? 提示:不相同。限制性核酸内切酶是一类酶而不是一种酶,不同种类的限制性核酸内切酶识别的序列和切割的位点不同,这与酶的专一性有关。,2.DNA连接酶的作用及特点: (1)DNA连接酶和限制性核酸内切酶的作用是否相同?作用部位呢? 提示:作用不同,但是作用部位相同。限制性核酸内切酶是断裂磷酸二酯键,形成DNA片段;DNA连接酶是形成磷酸二酯键,连接DNA片段。 (2)DNA连接酶和DNA聚合酶均能形成磷酸二酯键,二者的作用对象相同吗?为什么? 提示:不相同。DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来,而DNA聚合酶是将单个的脱氧核苷酸加到已有的DNA片段上。,【归纳总结】DNA连接酶和DNA聚合酶的异同点,【过关小练即时应用】 1.(2015黄冈高二检测)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.限制性核酸内切酶,【解题指南】解答本题需理解以下两点: (1)正确区分限制性核酸内切酶与DNA连接酶的作用特点。 (2)正确区分DNA聚合酶和RNA聚合酶的作用。 【解析】选A。DNA连接酶的作用是将两个黏性末端连接在一起;RNA聚合酶是在RNA复制或转录过程中,把核糖核苷酸连接在一起;DNA聚合酶是在DNA复制过程中催化脱氧核苷酸的聚合反应;限制性核酸内切酶是识别和切割DNA分子内的特定核苷酸序列,切割结果得到黏性末端或平末端。,【互动探究】 (1)若上题中的图改为下图,则X酶应对应哪个选项? 提示:D项。将一个DNA分子切割成两部分,这是限制性核酸内切酶的作用。,(2)根据图中的片段,写出对应的限制性核酸内切酶能识别怎样的序列。 提示:所识别的碱基序列为GAATTC。,2.(2015菏泽高二检测)下列关于DNA连接酶和DNA聚合酶的叙述中,正确的是 ( ) A.两者催化同一种化学键的形成 B.两者催化同一种化学键的断裂 C.两者都参与目的基因与载体的结合 D.两者都参与遗传信息的表达,【解题指南】解答本题关键的两点: (1)明确两种酶都是连接形成磷酸二酯键。 (2)两种酶的作用对象不同,一种作用于DNA片段,一种作用于单个的脱氧核苷酸。 【解析】选A。DNA连接酶和DNA聚合酶都是形成磷酸二酯键;在基因工程中目的基因和载体是两个DNA片段,要用DNA连接酶连接;两者都不参与遗传信息表达中的转录和翻译过程。,【补偿训练】下列有关基因工程中限制性核酸内切酶的描述,不正确的是 ( ) A.一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列 B.限制性核酸内切酶的活性受温度影响 C.限制性核酸内切酶能识别和切割RNA D.限制性核酸内切酶可从原核生物中提取 【解题指南】解答本题关键点有两个: (1)限制性核酸内切酶活性受温度和pH的影响。 (2)限制性核酸内切酶切割的是DNA分子。,【解析】选C。原核生物体内有能识别并切割特定双链DNA序列的一种核酸内切酶,它是一种可以将外来的DNA切断的酶,即能够限制异源DNA的侵入并使之失去活力,但对自己的DNA却无损害作用,这样可以保护细胞原有的遗传信息。由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的,故叫限制性核酸内切酶(简称限制酶)。限制性核酸内切酶只能识别特定的脱氧核苷酸序列并在特定位点切割DNA分子,不能识别和切割RNA分子。酶活性受温度影响。,探究3 基因进入受体细胞的载体 【研读教材自主认知】,3.作用结果:携带_进入受体细胞,环状DNA,噬菌体,限制酶切割位点,标记基因,自我复制,外源基因,【合作探究核心归纳】 1.载体的本质和作用: (1)将外源基因直接导入受体细胞可行吗?为什么? 提示:不可行。直接把外源基因导入受体细胞,外源基因在细胞内不能进行复制、转录和稳定保存。 (2)质粒作为目的基因的载体,其本质是什么?它的存在具有什么特点? 提示:质粒本质是DNA;是裸露的、结构简单、独立于细菌拟核之外的很小的环状DNA分子。,2.载体的组成: 分析质粒载体结构模式图,回答下列问题:,(1)质粒上抗生素抗性基因有什么作用? 提示:作为标记基因,供重组DNA的鉴定和选择。 (2)作为基因进入受体细胞的载体,要求必须对受体细胞无害,为什么? 提示:载体如果对受体细胞有害,其一旦被导入受体细胞,就会影响受 体细胞的生命活动,甚至破坏受体的生命活动。 (3)为使外源基因插入质粒中,质粒需具备什么条件? 提示:质粒应有一个至多个限制性核酸内切酶的切割位点,供外源基因 插入其中。,【精讲精析】 天然的质粒DNA分子一般不能直接用作基因工程的载体,需要进行改造才能使用。,【归纳总结】作为载体必须具备的四个条件 (1)必须有一个至多个限制酶切割位点。 (2)必须具备自我复制的能力。 (3)必须有标记基因。 (4)必须是安全的,不会对受体细胞有害,或不能进入受体细胞外的其他生物细胞中。,【过关小练即时应用】 1.下列有关质粒的叙述,正确的是 ( ) A.质粒是细菌细胞质中能自主复制的小型环状DNA分子 B.质粒是广泛存在于细菌细胞中的一种颗粒状细胞器 C.质粒携带了外源基因进入受体细胞后,只能停留在该细胞内独立复制 D.在进行基因工程操作中,被用作载体的质粒都是天然质粒,【解题指南】解答本题注意以下关键点: (1)质粒主要来源于细菌,是独立于拟核之外的小型环状DNA。 (2)质粒作为常用的载体,具备作为载体需要的条件。 【解析】选A。质粒是一种可以自主复制的小型环状DNA分子,但不是细胞器,主要存在于细菌细胞内;有些质粒可以将它携带的基因整合到受体细胞染色体DNA上;在基因工程中被用作载体的质粒都是经过加工的。,2.(2015广州高二检测)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切割位点。下列说法正确的是 ( ),A.一个图1所示的质粒分子经Sma切割前后,分别含有1、2个游离的磷酸基团 B.若对图中质粒进行改造,插入的Sma酶切位点越多,质粒的热稳定性越低 C.与只使用EcoR相比较,使用BamH和Hind两种限制酶同时处理质粒和外源DNA的优点在于可以防止质粒和含目的基因的DNA自身环化 D.为了获取重组质粒,将切割后的质粒与目的基因片段混合,需加入DNA聚合酶,【解题指南】仔细辨析不同限制酶的识别序列,并分析这些序列在质粒和外源DNA上的位置,分析切割可能带来的各种因素。明确DNA自身环化的原因。,【解析】选C。该质粒为环状DNA,经Sma切割前,不含有游离的磷酸基团,经Sma切割后形成平末端,含有2个游离的磷酸基团,故A项错误;Sma识别的是CCCGGG序列,在C与G之间切割,Sma酶切位点越多,也就是C-G碱基对越多,质粒的热稳定性越高,故B项错误;用同一种限制酶处理质粒和外源DNA,在用DNA连接酶连接时,往往会有三种连接形式,即目的基因质粒、目的基因目的基因(环化)、质粒-质粒(环化),后两种是我们不需要的,因而要进行筛选,用两种限制酶处理质粒和外源DNA,因形成的末端不同,可避免上述情况的发生,故C正确;连接质粒与目的基因的工具酶是DNA连接酶,故D错误。,【互动探究】本题中不能用EcoR和BamH或EcoR和Hind2种限制酶分别处理质粒和外源DNA,为什么? 提示:如用EcoR和BamH2种限制酶处理或用EcoR和Hind2种限制酶处理外源DNA可得到多个DNA片段,其中还有不含有目的基因的,需要进行筛选。,【补偿训练】下列哪项不是基因工程中经常用来运载目的基因的载体 ( ) A.细菌质粒 B.噬菌体 C.动植物病毒 D.细菌核区的DNA 【解析】选D。基因工程中常用的载体为细菌质粒、噬菌体、动植物 病毒;细菌核区DNA分子太大,并且含有太多基因,不宜用作载体。,
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