第1课时 工具酶的发现和基因工程的诞生
[学习目标] 1.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
基因工程是狭义的遗传工程。广义的遗传工程泛指把一种生物的基因工程的概述 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 基因工程的诞生时间 基因工程诞生的诞生理论基础 构建重组DNA分子 20世纪70年代 ①DNA是生物遗传物质的发现；②DNA双螺旋结构的确立； ③遗传信息传递方式的认定 限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒载体的发现与应用 条件 基因工程诞生的技术保障 归纳总结
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 (2024·象山期末)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.定向地改造生物的遗传性状 B.定向提取生物体的DNA分子 C.在生物体外对DNA分子进行改造
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D.定向地对DNA分子进行人工“剪切” 答案 A
解析 基因工程的最终目的是定向地改造生物的遗传性状，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品，A正确。
例2 (2024·学军中学校级期中)下列有关基因工程诞生的说法，不正确的是( ) A.基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科的基础上发展起来的 B.工具酶和载体的发现使基因工程的实施成为可能 C.遗传密码的破译为基因的分离和合成提供了理论依据 D.基因工程必须在同物种间进行 答案 D
解析 基因工程又叫DNA重组技术，是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科的基础上发展起来的，A正确；工具酶(限制性核酸内切酶和DNA连接酶)和载体的发现使基因工程的实施成为可能，B正确；编码氨基酸的遗传密码的破译为基因的分离和合成提供了理论依据，与基因工程直接相关，C正确；基因工程可以在不同物种间进行，D错误。 二、基因工程的操作工具 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)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。 2.DNA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。 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 ①能够自主复制。
②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。
特别提醒 细胞膜上的载体与基因工程中的载体不同
(1)化学本质不同：细胞膜上的载体化学成分是蛋白质；基因工程中的载体可能是物质，如质粒(DNA)、λ噬菌体，也可能是生物，如动植物病毒等。
(2)功能不同：细胞膜上的载体功能是协助细胞膜控制物质进出细胞；基因工程中的载体是一种“分子运输车”，把目的基因导入受体细胞。
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4.第一个人工DNA重组产物 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。 归纳总结
1.DNA连接酶与限制性核酸内切酶的比较
项目 作用 应用 限制性核酸内切酶 使特定部位的磷酸二酯键断裂 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分子的构建 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两者关系 二酯键，但作用不同，一个是切割，一个是连接 2.DNA连接酶与DNA聚合酶的比较
比较项目 相同点 是否需要模板 连接DNA链 不同点 作用结果 用途
作用过程 DNA连接酶 DNA聚合酶 作用实质相同，都是催化磷酸二酯键的形成 不需要 双链 在两个DNA片段间形成磷酸二酯键 将已存在的两个DNA片段连接成重组DNA分子 基因工程 需要DNA的一条链为模板 单链 将单个脱氧核苷酸加到已存在的DNA单链片段上，形成磷酸二酯键 合成新的DNA分子 DNA复制 3
例3 据图判断，下列关于几种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 答案 D
解析 a处指的是两个相邻脱氧核苷酸之间的脱氧核糖与磷酸之间形成的磷酸二酯键；b处指的是DNA分子间的氢键；而c处指的是一个脱氧核苷酸内的脱氧核糖和磷酸之间的化学键，DNA连接酶连接两个相邻脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，不能连接此化学键，D错误。 例4 (2024·衢州高二检测)通过重组DNA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—GGATCC—。请回答下列问题：
(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)请写出质粒被切割形成粘性末端的过程图。 —GGATCC— —CCTAGG— (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_______________________________________。 答案 (1)限制性核酸内切酶 DNA连接酶
(2) (3)基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的 载体 质粒、动植物病毒及λ噬菌体
解析 限制性核酸内切酶的作用是获得目的基因，DNA连接酶起“缝合”作用，载体能把目的基因导入受体细胞。载体的种类主要有质粒、动植物病毒及λ噬菌体。
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限制性核酸内切酶的发现??限制性核酸内切酶的作用及作用特点?限制性核酸内切酶?
?限制性核酸内切酶的发现对基因
??? 工程诞生的意义
?
?DNA连接酶DNA连接酶的作用
DNA连接酶的发现对基因工程诞生的意义 ?
质粒的化学本质
?质粒??
?质粒的分子结构特点
??质粒对于基因工程诞生的意义??
??
???
1.判断正误：
(1)某种限制性核酸内切酶一般只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列( ) (2)基因工程是在细胞水平上对DNA进行设计和施工( ) (3)限制性核酸内切酶是一段有一定核苷酸序列的DNA( ) (4)DNA连接酶可以连接两个粘性末端相同的DNA片段( ) (5)基因工程的载体只有质粒( )
(6)限制性核酸内切酶切开的是DNA双链间的氢键( )
(7)用限制性核酸内切酶切割DNA，可以得到很多相同的DNA片段( ) (8)质粒是能够自主复制的链状DNA( )
答案 (1)√ (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)× (7)× (8)×
2.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，A正确；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
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高中生物第1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
