2018-2019学年高中生物 第一章 基因工程 第1课时 工具酶的发现和基因工程的诞生学案 浙科版选修3.doc

第1课时工具酶的发现和基因工程的诞生知识内容要求考情解读工具酶的发现和基因工程的诞生a1.说出基因工程的含义并指出基因工程的主要内容。2.说出限制性核酸内切酶的含义及作用特点。3.说出DNA连接酶的作用。4.简述质粒的含义、特性及其在基因工程中的作用。5.解释限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒对基因工程诞生的作用。一、基因工程的概念和理论基础基因工程的概述基因工程是狭义的遗传工程。广义的遗传工程泛指把一种生物的遗传物质(细胞核、染色体脱氧核糖核酸等)移到另一种生物的细胞中去，并使这种遗传物质所带的遗传信息在受体细胞中表达基因工程的核心构建重组DNA分子基因工程的诞生时间20世纪70年代诞生条件基因工程诞生的理论基础DNA是生物遗传物质的发现；DNA双螺旋结构的确立；遗传信息传递方式的认定基因工程诞生的技术保障限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒载体的发现与应用探究1理性思维六个方面理解基因工程的含义基因工程的核心构建重组DNA分子原理基因重组优点克服远缘杂交不亲和的障碍；定向改造生物的遗传性状(因此所产生的变异为定向变异)操作环境体外(培养液)构建重组DNA分子操作水平分子水平本质外源基因导入受体细胞，实现受体细胞对该基因的表达，基因本质未变，合成蛋白质未变，只是蛋白质合成场所的转移结果获得人类需要的基因产物或生物类型探究2学会总结1不同生物的DNA分子能拼接起来的理论基础(1)DNA分子的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸。(2)双链DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构。(3)所有生物的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的理论基础(1)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。(2)遗传信息的传递都遵循中心法则。(3)生物界共用一套遗传密码。例1科学家们经过多年的努力，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定向提取生物体内的DNA分子B定向地对DNA分子进行人工“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答案D解析基因工程是在体外进行基因重组，然后导入受体细胞内。重组基因在受体细胞内表达，产生人类所需的生物类型和生物产品，也就是定向地改造了生物的遗传性状。例2(2017浙江镇海中学月考)关于基因工程的叙述，错误的是()A利用体外DNA重组技术定向改造生物的遗传性状B在细胞水平上设计施工，需要限制性核酸内切酶、DNA连接酶和载体C打破物种界限获得人们需要的生物类型或生物产品D抗虫烟草的培育种植降低了生产成本，减少了环境污染答案B解析基因工程是指按照人类的愿望，将不同生物的遗传物质在体外人工剪切并和载体重组后转入细胞内进行扩增，并表达产生所需蛋白质的技术，可定向改造生物的遗传性状，A正确；基因工程是在分子水平上设计施工的，B错误；基因工程可在不同生物间进行，故可打破物种界限获得人们需要的生物类型或生物产品，C正确；抗虫烟草的培育种植减少了农药的使用，降低了生产成本，减少了环境污染，D正确。二、基因工程的操作工具1限制性核酸内切酶(1)来源：从原核生物中分离出来。(2)作用：对DNA分子上不同的特定的核苷酸序列进行识别和切割。(3)结果：把双链DNA分子切割成许多不同的片段。2DNA连接酶(1)作用：具有缝合DNA片段的作用，将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起。(2)结果：形成重组DNA分子，将外源基因和载体DNA连接在一起。思考DNA连接酶和限制性核酸内切酶的作用和作用部位是否相同？答案DNA连接酶和限制性核酸内切酶的作用正好相反，前者是“缝合”，后者是“切割”；但二者作用部位相同，都作用于特定部位的磷酸二酯键。3质粒最常用的载体(1)本质：具有自主复制能力的很小的双链环状DNA分子。(2)存在形式：独立于细菌拟核DNA之外。(3)质粒作为载体所具备的条件能自主复制。具有抗生素抗性基因，例如四环素的抗性基因。(4)作用：作为基因工程的载体。4第一个人工DNA重组产物是：猿猴病毒DNA与噬菌体DNA连接物。5基因工程诞生的标志基因工程发展史上第一个成功的基因克隆实验是：某些接受了重组DNA分子的大肠杆菌同时具有抗四环素和抗卡那霉素的性状。探究图示解读1限制性核酸内切酶“分子手术刀”据图回答相关问题：(1)把如图1所示DNA分子切割成2个片段的酶称为限制性核酸内切酶。该限制性核酸内切酶的切点在G、A之间，形成2个粘性末端，其特点是碱基序列完全相同。(2)此限制性核酸内切酶识别特点是只能识别某一特定的核苷酸序列，如图1中的识别序列为GAATTC。(3)如果G碱基发生基因突变，可能发生的情况是限制性核酸内切酶不能识别切割位点。(4)如图2所示，限制性核酸内切酶断裂的化学键是磷酸二酯键。所以，断裂的位置为2处。2DNA连接酶“分子缝合针”观察上图回答相关问题：(1)如图所示，DNA连接酶连接的2个DNA片段具有末端碱基互补的特点，形成重组DNA分子。(2)作用实质：恢复被限制性核酸内切酶切开了的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。(3)观察下图所示过程，回答相关问题：是限制性核酸内切酶，是DNA连接酶，二者的作用部位都是磷酸二酯键。3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？答案作为标记基因，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？答案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，甚至会破坏受体的生命活动。例3(2017杭州七校联考)用两种限制性核酸内切酶Xba 和Sac (两种酶切出的粘性末端不同)切割某DNA，获得含目的基因的片段(注：图中箭头所指的位置是限制性核酸内切酶识别和切割的位点)。若利用该片段形成重组DNA，应选用下图中()答案A解析该Ti质粒中含有限制性核酸内切酶Xba 和Sac的切割位点，且用这两种酶切割可将目的基因插入TDNA中，A正确；该Ti质粒中不含限制性核酸内切酶Sac 的切割位点，B错误；该Ti质粒中含有限制性核酸内切酶Xba 和Sac 的切割位点，但用这两种酶切割不会将目的基因插入TDNA中，C错误；该Ti质粒中不含限制性核酸内切酶Xba 的切割位点，D错误。例4(2018浙江金华调研)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 BC D答案C解析限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶三者均作用于磷酸二酯键处，限制性核酸内切酶使键断开，而DNA聚合酶连接的是单个脱氧核苷酸，DNA连接酶作用于DNA片段，解旋酶作用于氢键，使DNA双链打开，形成DNA单链，综上所述，C正确。易混易错(1)限制性核酸内切酶与DNA连接酶的比较项目限制性核酸内切酶DNA连接酶作用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提取目的基因和切割载体用于重组DNA分子的构建两者关系限制性核酸内切酶和DNA连接酶都作用于相邻两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，但作用不同，一个是切割，一个是连接(2)限制性核酸内切酶与解旋酶的区别相同点：都作用于DNA分子中的化学键。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聚合酶的比较项目DNA连接酶DNA聚合酶作用本质都是催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键连接DNA链双链单链是否需要模板不需要需要DNA的一条链为模板作用部位在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键将单个脱氧核苷酸加到已存在的DNA片段上，形成磷酸二酯键作用结果将两个DNA片段连接成重组DNA分子合成新的DNA分子用途基因工程DNA复制工具酶的发现和基因工程的诞生1下面是3种限制性核酸内切酶对DNA分子的识别序列和剪切位点图(箭头表示切点，切出的断面为粘性末端)。下列叙述错误的是()限制性核酸内切酶1：GATC；限制性核酸内切酶2：CCGCGG；限制性核酸内切酶3：GGATCC。A不同的限制性核酸内切酶有不同的识别序列和切割位点，体现了酶的专一性B限制性核酸内切酶2和3识别的序列都包含6个脱氧核苷酸C限制性核酸内切酶1和3剪出的粘性末端相同D能够识别和切割RNA分子内一小段核苷酸序列的酶只有限制性核酸内切酶2答案D解析不同的限制性核酸内切酶有不同的识别序列和切割位点，体现了酶具有专一性；限制性核酸内切酶2和限制性核酸内切酶3识别的序列分别是CCGCGG和GGATCC，均含有6个脱氧核苷酸；限制性核酸内切酶1和限制性核酸内切酶3剪出的粘性末端相同，均为GATC；三种限制性核酸内切酶均不能识别和切割RNA中的核苷酸序列。2(2017东阳期中)下列有关基因工程的叙述，正确的是()ADNA连接酶的作用是将两个粘性末端的碱基连接起来B目的基因导入受体细胞后，受体细胞即发生基因突变C目的基因与载体结合的过程发生在细胞外D常使用的载体有大肠杆菌、噬菌体和动植物病毒等答案C解析DNA连接酶的作用对象是磷酸二酯键，A错误；目的基因导入受体细胞属于基因重组，B错误；目的基因与载体在体外重组，重组好之后导入受体细胞中，C正确；常使用的载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等，D错误。3(2017舟山中学期中)对下图所示粘性末端的说法错误的是()ADNA连接酶作用位点在b处，催化磷酸基团和脱氧核糖之间形成化学键B甲、乙具相同的粘性末端可形成重组DNA分子，但甲、丙之间不能C甲、乙、丙粘性末端是由各自不同的限制性核酸内切酶催化产生的D切割甲的限制性核酸内切酶不能识别由甲、乙片段形成的重组DNA分子答案A解析DNA连接酶的作用位点为磷酸二酯键，即图示中的a位置，A错误；甲、乙具有相同的粘性末端(TTAA)可形成重组DNA分子，但甲、丙粘性末端不同，两者不能形成重组DNA分子，B正确；限制性核酸内切酶特异性识别DNA序列，甲、乙、丙的DNA序列不同，因此粘性末端是由各自不同的限制性核酸内切酶催化产生的，C正确；甲与乙片段形成的重组DNA分子序列与甲的序列不同，识别甲的限制性核酸内切酶不能识别由甲、乙片段形成的重组DNA分子，D正确。4(2017浙江名校协作体联考)下列关于DNA连接酶的理解正确的是()A其化学本质是蛋白质BDNA连接酶可以恢复DNA分子中的氢键C它不能被反复使用D在基因工程操作中可以用DNA聚合酶代替DNA连接酶答案A解析DNA连接酶的化学本质为蛋白质，其功能是将末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起，形成重组DNA分子，A正确；DNA连接酶的作用部位为磷酸二酯键，B错误；酶可以被反复使用，C错误；DNA聚合酶以一条脱氧核苷酸链为模板，将单个脱氧核苷酸连接成DNA单链片段，与DNA连接酶的作用机理不同，基因工程中不可用DNA聚合酶代替DNA连接酶，D错误。5下面是大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，请据图回答下列问题：ATGCGC(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：_，_(写出两条即可)。(2)若质粒DNA分子的切割末端为 ，则与之连接的目的基因切割末端应为_；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土壤农杆菌中RNA分子C大肠杆菌的质粒CGCGT AD动物细胞的染色体答案(1)DNA能够自我复制具有遗传效应 (2) DNA连接酶(3)标记基因供重组DNA的鉴定和选择(4)C解析质粒是基因工程中最常用的载体，是能够自主复制的双链环状DNA分子，具有一至多个限制性核酸内切酶切割位点，进入受体细胞后能自主复制，具有标记基因，便于重组DNA的鉴定与选择。题组一基因工程的含义与诞生条件1下列关于基因工程技术的叙述中，错误的是()A实现了物种间的DNA重组B全过程都在细胞外进行C可定向地改造生物的遗传性状D可能通过对天然基因库的影响对生物圈的稳态带来不利答案B解析基因工程可以克服远缘杂交不亲和的障碍，实现物种间的基因重组，A正确；基因工程的核心是形成重组DNA分子，该过程是在细胞外进行的，但是重组DNA分子要导入受体细胞并使目的基因在受体细胞内进行表达，B错误；基因工程可以根据人们的意愿定向改造生物的遗传性状，C正确；基因工程实现了物种间的基因重组，可能通过对天然基因库的影响给生物圈的稳态带来不利，D正确。2(2017宁波效实中学期中)基因工程诞生的理论基础不包括()ADNA是绝大多数生物的遗传物质B几种工具酶的发现CDNA双螺旋结构的确立D中心法则的认定答案B解析DNA是绝大多数生物的遗传物质，这是基因工程诞生的理论基础之一，A不符合题意；几种工具酶的发现是基因工程的技术保障，不是理论基础，B符合题意；DNA双螺旋结构和中心法则的确立是基因工程诞生的理论基础，C、D不符合题意。题组二限制性核酸内切酶3(2018绍兴一中月考)下列有关限制性核酸内切酶识别的叙述，不正确的是()A从反应类型来看，限制性核酸内切酶催化的是一种水解反应B限制性核酸内切酶的活性受温度、pH的影响C一种限制性核酸内切酶只能识别双链DNA分子中某种特定的脱氧核苷酸序列D限制性核酸内切酶识别序列越短，则该序列在DNA中出现的概率就越小答案D解析限制性核酸内切酶能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂，即催化的是一种水解反应，A正确；限制性核酸内切酶的活性受温度、pH的影响，在最适宜的温度和pH条件下，酶的活性最高；温度和pH偏高或偏低，酶的活性都会降低；在过酸、过碱或温度过高条件下酶会变性失活，而在低温条件下酶的活性降低，但不会失活，B正确；一种限制性核酸内切酶只能识别双链DNA分子中某种特定的脱氧核苷酸序列，并在特定的位点切割磷酸二酯键，说明酶具有专一性，C正确；限制性核酸内切酶识别序列越短，则该序列在DNA中出现的概率就越大，D错误。4如图所示是限制性核酸内切酶切割某DNA的过程，从图中可知，该限制性核酸内切酶能识别的碱基序列及切点是()ACTTAAG，切点在C和T之间BCTTAAG，切点在G和A之间CGAATTC，切点在G和A之间DCTTAAG，切点在C和T之间答案C解析根据图示可知，该限制酶的识别序列是GAATTC，切点在G和A之间。5下列关于限制性核酸内切酶的叙述中，错误的是()A它能在特殊位点切割DNA分子B同一种限制性核酸内切酶切割不同的DNA分子产生的粘性末端能够很好地进行碱基配对C它能任意切割DNA分子，从而产生大量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答案C解析限制性核酸内切酶是基因工程的重要工具之一；每种限制性核酸内切酶只能识别特定的核苷酸序列，并在特定的位点上切割DNA分子；同一种限制性核酸内切酶切割不同的DNA分子产生的粘性末端能进行互补配对。题组三DNA连接酶6(2017浙江绿色联盟期末)下列关于DNA连接酶的作用叙述正确的是()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能将任意两个粘性末端连接起来答案B解析DNA连接酶的作用是将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起(重新形成磷酸二酯键)，形成重组DNA分子，故B正确。7如图所示过程中基因操作的工具是()A限制性核酸内切酶 BDNA连接酶CRNA转录酶 D胰岛素基因载体答案B解析DNA连接酶的作用是将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接起来，B正确。8下列四条DNA分子粘性末端的缝隙能通过DNA连接酶连接的是()A B C D答案D解析DNA连接酶可以将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起，图中和的末端碱基可以互补连接，D项符合题意。题组四质粒9下列有关细菌质粒的叙述，正确的是()A质粒是存在于细菌细胞中的一种颗粒状的细胞器B质粒是细菌细胞中能自主复制的双链环状DNA分子C质粒只有在侵入宿主细胞后在宿主细胞内才能复制D细菌质粒的复制过程一定是在宿主细胞外独立进行的答案B解析质粒是细菌细胞质中能自主复制的双链环状DNA分子，可以在细菌细胞内或宿主细胞内复制。10基因工程的运输工具载体，必须具备的条件之一及理由是()A能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因B具有多个限制性核酸内切酶切点，以便目的基因的表达C具有某些标记基因，以便为目的基因的表达提供条件D能够在宿主细胞中复制并稳定保存，便于进行筛选答案A解析能够在宿主细胞中稳定地保存并大量复制是载体必须具备的条件之一，以便提供大量的目的基因，A正确；具有多个限制性核酸内切酶切点，以便与目的基因连接，B错误；具有某些标记基因是为了重组DNA分子导入受体细胞后便于进行筛选，C、D错误。题组五综合应用11(2017宁波效实中学期中)下列说法正确的是()A限制性核酸内切酶的识别序列是GAATTC，只能在G和A之间切断DNABDNA连接酶能够将任意2个DNA片段连接在一起C质粒是能够自主复制的双链环状DNA分子D基因工程的载体只有质粒一种答案C解析限制性核酸内切酶能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂，A错误；DNA连接酶将具有相同粘性末端的2个DNA片段之间的磷酸二酯键连接起来，B错误；质粒是基因工程常用的载体，是能够自主复制的双链环状DNA分子，C正确；常用的基因工程载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等，D错误。12(2017台州书生中学期中)下列关于基因工程的有关叙述，正确的是()A基因工程常用的工具酶是限制性核酸内切酶、DNA连接酶、载体B一种限制性核酸内切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DNAC常用的载体质粒都来源于原核生物DDNA连接酶可代替DNA聚合酶用于DNA的复制答案B解析基因工程常用的工具酶是限制性核酸内切酶、DNA连接酶，载体是工具，不是酶，A错误；一种限制性核酸内切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，B正确；质粒一般来源于原核生物，也可以来源于真核生物，如酵母菌，C错误；DNA聚合酶以DNA的一条链为模板将单个脱氧核苷酸连接成DNA单链片段；DNA连接酶不需要模板，将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起，形成重组DNA分子，两者作用机理不同，DNA复制中不能用DNA连接酶代替DNA聚合酶，D错误。13下图所示为一种限制性核酸内切酶切割DNA分子的示意图。请据图回答：(1)这种限制性核酸内切酶的切点在_(A.GABGCCATDAC)之间，形成_个粘性末端，特点是_。(2)从上述题中可知，限制性核酸内切酶的识别特点是_。(3)如果G点发生突变，限制性核酸内切酶还能不能识别该核苷酸序列？_。答案(1)A2碱基序列互补(2)只能识别某种特定的核苷酸序列(3)不能解析(1)由题图可知，该限制性核酸内切酶可专一性地识别GAATTC，切点在G和A之间，结果形成碱基互补的两个粘性末端。(2)限制性核酸内切酶只能识别某种特定的核苷酸序列。(3)如果G点发生突变，则核苷酸序列发生改变，这种限制性核酸内切酶将不能再识别该核苷酸序列。14限制性核酸内切酶的识别序列和切点是GGATCC，限制性核酸内切酶的识别序列和切点是GATC。在质粒上有限制性核酸内切酶的一个切点，在外源DNA片段的两侧各有一个限制性核酸内切酶的切点。(1)请画出质粒被限制性核酸内切酶切割后所形成的粘性末端。(2)请画出外源DNA片段两侧被限制性核酸内切酶切割后所形成的粘性末端。(3)在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制性核酸内切酶切割后形成的粘性末端能否连接？为什么？答案(1)如图所示(2)如图所示(3)可以连接。因为由两种不同限制性核酸内切酶切割后形成的粘性末端是相同的(或是“可以互补的”)。15农业科技工作者在烟草中找到一抗病基因，现在打算采用基因工程的方法将该基因转入棉花中，培育抗病品系，请回答下列问题：(1)为了能把该抗病基因转入棉花细胞中，常用的载体是_。AATTCG(2)要使载体与该抗病基因连接，首先应使用_进行切割。假如载体被切割后，得到的粘性末端序列为 ，则能与该载体连接的抗病基因的粘性末端是_。TAATCCGCTTAAA. B.AAATCTC. D.(3)切割完成后，采用_酶将载体与该抗病基因连接，连接后得到的DNA分子称为_。答案(1)质粒(2)限制性核酸内切酶A(3) DNA连接重组DNA分子解析(1)常用的载体是质粒。(2)载体和抗病基因连接之前要用同一种限制性核酸内切酶切割，以便获得相同的粘性末端。(3)酶切后，得到的是DNA 片段，用DNA连接酶连接相应的DNA 片段，得到一个重组DNA分子。自助加餐16下列有关限制性核酸内切酶的叙述正确的是()A用限制性核酸内切酶切割一个DNA分子中部，获得一个DNA片段时，被水解的磷酸二酯键有2个B限制性核酸内切酶识别序列越短，则该序列在DNA中出现的几率就越大CCTAG和GGATCC序列被限制性核酸内切酶切出的粘性末端碱基数不同D只有用相同的限制性核酸内切酶处理含所需基因的片段和质粒，才能形成重组质粒答案B解析用限制性核酸内切酶切割一个DNA分子中部，获得一个DNA片段时，被水解的磷酸二酯键有4个；CTAG和GGATCC序列被限制性核酸内切酶切出的粘性末端碱基数相同，都为4个碱基；只要切割出来的粘性末端的碱基序列相同，都可以被DNA连接酶连接。17如图是基因工程主要技术环节的一个基本步骤，这一步骤需用到的工具酶是()ADNA连接酶和解旋酶BDNA聚合酶和限制性核酸内切酶C限制性核酸内切酶和DNA连接酶DDNA聚合酶和RNA聚合酶答案C解析目的基因和载体结合需“分子手术刀”限制性核酸内切酶和“分子缝合针”DNA连接酶。此过程不涉及DNA复制，不需要DNA聚合酶和解旋酶。