資源簡介

(共30張PPT)
第3章 基因工程
我國是棉花的生產和消費大國。棉花在種植過程 中，常常會受到一些害蟲的侵襲，其中以棉鈴蟲最為 常見。棉鈴蟲可以使棉花產量減少三分之一，嚴重時， 甚至能使一片棉田絕收。大量施用農藥殺蟲不僅會提 高生產成本，還可能造成農產品和環境污染。要是能 培育出自身就能抵抗蟲害的棉花新品種，這一問題就 會迎刃而解，我國擁有自主知識產權的轉基因抗蟲棉 就是在這樣的背景下產生的。 (P67)
☆1998年中棉所成功培育出我國第一個國審抗蟲雜交棉新品種 ------中棉所29,使低齡棉鈴蟲的死亡率超過90%;
☆2002年成功培育出我國第一個雙價轉基因抗蟲棉新品種 ------中棉所41,該品種能夠緩解棉鈴蟲抗藥性。
為什么傳統的雜交育種方法培育不出抗蟲棉， 基因工程卻可以
棉花棉鈴蟲幼蟲
第3章 基因工程
1. 概念：P67 是按照人們的愿望，通過轉基因等技術，賦予 生物新的遺傳特性，創造出更符合人們需要的新的生物類型 和生物產品，從技術操作層面看，由于基因工程是在DNA分子 水平上進行設計和施工的，因此又叫做重組DNA技術。
生物體外
基因
DNA 分子水平
基因重組
按照人們的需要定向改造生物的遺傳特性
4.原 理 ：
5.結 果 ：
3 .操作水平：
2 .操作對象：
1 .操作環境：
第3章 基因工程
2.科技探索之路： 基因工程的誕生和發展(P68-69)
20世紀70年代初，多種限
制酶、DNA連接酶和逆轉錄 酶被相繼發現。這些發現 為DNA的切割、連接以及功 能基因的獲得創造了條件。
1958年，梅塞爾森和
斯塔爾用實驗證明了 DNA的半保留復制。
幾乎同一時期確立的
中心法則闡明了遺傳 信息流動的方向。
1944年，艾弗里等人
通過肺炎鏈球菌的轉 化實驗，不僅證明了 遺傳物質是DNA, 還 證明了DNA可以在同 種生物個體間轉移。
1961年，尼倫伯格
和馬太破譯了第一 個編碼氨基酸的密 碼子。截至1966年， 64個密碼子均被破 譯成功。
1953年， 沃森和克 里克建立了DNA雙 螺旋結構模型并提 出了遺傳物質自我 復制的假說 。
1950年，愛德曼發明
了一種測定氨基酸序 列的方法。2年后，桑 格首次完成了對胰島 素氨基酸序列的測定。
1967年，科學家發
現，在細菌擬核DNA 之外的質粒有自我 復制能力，并可以 在細菌細胞間轉移。
1970年，科學家 在細菌中發現了 第一個限制性內 切核酸酶(簡稱 限制酶)
1972年， 伯 格 首先在體外進 行 了DNA的 改 造，成功構建 了第 一個體外 重組DNA 分子 。 1977年，桑格等科學家 發明了DNA 序列分析的 方法，為基因序列圖的 繪制提供了可能。此后， DNA 合成儀的問世為體 外合成DNA提供了方便。
1983 年，科學家采 用農桿菌轉化法培 育出世界上第一例 轉基因煙草。此后， 基因工程進入了迅 速 發 展 的 階 段 。
21世紀以來，科學家
發明了多種高通量測 序技術，可以實現低 成本測定大量核酸序 列，加速了人們對基 因組序列的了解。
2013年， 華人科學家張 鋒及其團隊首次報道利 用最新的基因組編輯技 術---CRISPR (成簇規律 間隔短回文重復)技術 編輯了哺乳動物基因組。 該技術可以實現對特定 基因的定點插入、敲除 或替換。
1973年， 科學家證明了 質粒可以作為基因工程 的載體，并實現了物種 間的基因交流。至此， 基因工程正式問世。 1982年，第一個基因工 程藥物- 重組人胰島素 被批準上市。基因工程 藥物成為世界各國研究 和投資開發的熱點。
1984年， 我 國
科學家朱作言 領導的團隊培 育出世界上第 一條轉基因魚。
1985年，穆 里斯等人發 明 PCR, 為
獲取目的基 因提供了有 效 手 段 。
1990年，人類
基因組計劃啟 動。2003年，
該計劃的測序
任務順利完成。
第3章 基因工程
2.科技探索之路： 基因工程的誕生和發展(P68-69)
課堂練習
基于基因工程的誕生和發展的相關基礎理論，判斷下列說法的正誤。 1.1953年，沃森和克里克建立了DNA雙螺旋結構模型，并用實驗證 明了DNA的半保留復制。 (×)
2.1970年，在細菌體內發現了第一個限制酶，后來又發現了多種 限制酶、DNA連接酶等。 ( √)
3.1972年，伯格首先在體外進行了DNA的改造，并構建了第一個體
外重組DNA分 子 。 ( √ )
4.1983年，科學家采用花粉管通道法培育了世界上第一例轉基因
煙草。 (×)
5.1984年，我國科學家朱作言領導的團隊培育了世界上第一條轉
基 因 魚 。 ( √ )
3.1 重組DNA技術的基本工具
從社會中來
番木瓜容易受番木瓜環斑病毒的侵害。當番 木瓜受到這種病毒感染后，產量會大大下降。科 學家通過精心設計用“分子工具”培育出了轉基 因番木瓜，它可以抵御番木瓜環斑病毒。
DNA雙螺旋的直徑只有2nm,對如此微小的分子
實現這一精準的操作過程，至少需要三種“分子工具”, 即 準 確 切割DNA的 “分子手術刀”、將DNA片段再連接起來的“分子縫合 針”和將體外組好的DNA分子導入受體細胞的 “分子運輸車”。
進行操作，是一項非常精細的工作，更需要專門 的“分子工具”。那么,科學家究竟用到了哪些 “分子工具” 這些“分子工具”各具有什么特 征呢
轉基因番木瓜(左)非轉基因番木瓜(右)
重組DNA技術所需的三種基本工具”
三、基因進入受體細胞的載體
“分子運輸車” “分子手術刀” “分子縫合針”
▲ 圖3-1 重組DNA技術所需的三種基本工具示意圖
一、限制性內切核酸酶
二、DNA連接酶
磷酸二酯鍵
A
3.結果：黏性末端和平末端
EcoRI
( 在G 與 A 之間切割) 5'
3'
黏性末端
中 軸 線
5*
Sma I
( 在G 與 C 之間切割)
3*
平末端
一 、限制性內切核酸酶(限制酶)—— “分子手術刀”:P71
1.來源：主要是從原核生物中分離純化來的
能夠識別雙鏈DNA分子的特定核苷酸序列， (酶專一性)
2.作 用 ： 并且使每一條鏈中特定部位的磷酸二酯鍵斷開。
注意作用部位：
A
T
中 軸 線
T
T
G
3°
3'
5'
5'
資料卡 限制酶名字的由來： P72
限制酶是如何命名的呢 是用生物屬名的頭一個字母與種加 詞的頭兩個字母，組成了3個字母的略語，以此來表示這個酶是 從哪種生物中分離出來的.例如， 一種限制酶是從大腸桿菌
(Escherichia coli) 的R型菌株分離來的，就用字母EcoR表示；
如果它是從大腸桿菌R型菌株中分離出來的第一 種限制酶，則進一 步表示成EcoRI。
例如，流感嗜血桿菌的d 菌 株(Haemophilus influenzae d)中
先后分離到3種限制酶，則分別命名為： Hind I、Hind Ⅱ、HindlII
練習與應用：P74
二、拓展應用
1.想一想，為什么限制酶不切割細菌本身的DNA分子
細菌中限制酶之所以不切割自身的DNA, 是因為含有某種
限制酶的細胞的DNA分子，不具備這種限制酶的識別序列，或 者通過甲基化酶將甲基轉移到了限制酶所識別序列的堿基上， 使限制酶不能將其切開。所以，盡管細菌中含有限制酶，但它 自身的DNA也不會被切割，并且可以防止外源DNA入侵。
思考：如何將切下來的DNA片段拼接成新的DNA分子
P72 靠DNA連接酶來完成的。
種類 E ·coli DNA連接酶
T D DNA連接酶
來源 大腸桿菌
T4噬菌體
作用 都能將雙鏈DNA片段“縫合“起來， 恢復被限制酶切開的磷酸二酯鍵。 差別 連接 黏性末端 和 平末端 (注意：E ·coli DNA連接酶連接平末端的效率較低)
二、DNA連接酶—— “分子縫合針”: P72
區別 DNA連接酶
DNA聚合酶
不 同 點 模板 不需要模板
需要DNA的一條鏈作模板
作用對象 催化兩個DNA片段 之間形成磷酸二酯鍵
只能催化單個核苷酸加
到已有的DNA片段上，形 成磷酸二酯鍵
作用結果 形成完整的重組DNA分子
形成DNA的一條鏈
用途 基因工程
DNA復制
思考：P72
DNA連接酶與DNA 聚合酶是一 回事嗎 為什么
不是一回事。雖然兩者都是催化磷酸二酯鍵形成的酶，化學本 質都是蛋白質，但兩者存在顯著的區別：
反饋練習
根據所學知識，據圖完成以下填空：
①限制酶 ②解旋酶 ③DNA連接酶 ④DNA聚合酶
1. 切 斷a 處的酶為
2.連接a處的酶為
3. 切 斷b處的酶為
b
a 、
a: 磷酸二酯鍵； b: 氫鍵
練習與應用：P74
一、概念檢測
1.DNA 連 接 酶 是 重 組DNA 技 術 常 用 的 一 種 工具酶。下列相關敘述正確的是 (C)
A. 能 連 接DNA 分 子 雙 鏈 堿 基 對 之 間 的 氫 鍵
B. 能 將 單 個 脫 氧 核 苷 酸 加 到DNA 片 段 的 末 端，形成磷酸二酯鍵
C. 能 連 接 用 同 種 限 制 酶 切 開 的 兩 條DNA 片 段，重新形成磷酸二酯鍵
D. 只 能 連 接 雙 鏈DNA 片 段 互 補 的 黏 性 末 端，不能連接雙鏈DNA 片段的平末端
(1)本質：
是一種裸露、結構簡單、獨立于真核細胞細胞核或 原核細胞擬核DNA之外，并具有自我復制能力的環狀 雙鏈DNA分子。
有一個至多個限制酶切割位點，供外源DNA片段(基因 )
(2)特點：
插入其中。攜帶外源DNA片段的質粒進入受體細胞后， 能在細胞中進行自我復制，或整合到受體DNA上，隨受
體DNA同步復制。
注意：在基因工程中，真正被用作載體的質粒，都是在天然質粒 的基礎上進行過人工改造的。這些質粒上常有特殊的標記基因，
如四環素抗性基因、氨芐青霉素抗性基因等，便于重組DNA分子的篩選。
三、基因進入受體細胞的載體—— “分子運輸車” : P72
1.常用載體：質粒
小結：質粒適于做載體的特點 (學生朗讀)
(1).有一個至多個限制酶切割位點，供外源DNA片段插入；
(2).攜帶外源DNA 片段的質粒進入受體細胞后，能在細胞中 進行自我復制，或整合到受體DNA上，隨受體DNA同步復制；
(3).人工改造的質粒常帶有特殊的標記基因，如四環素抗性
基因、氨芐青霉素抗性基因等，便于重組DNA分子的篩選。
2. 其他載體：P72-73 除質粒外，還有噬菌體、動植物病毒等。
總結：重組DNA技術的基本工具有限制酶、 DNA 連接酶和載體；
工具酶：只有限制酶和DNA連接酶。
練習與應用：P74
2. 在重組DNA技術中，將外源基因送入受 體細胞的載體可以是 (A)
A. 大腸桿菌的質粒
B. 切割DNA分子的酶 C.DNA 片段的黏性末端
D. 用來識別特定基因的DNA探針
課堂小結：3.1 重組DNA技術的基本工具
一 、限制性內切核酸酶(限制酶)—— “分子手術刀”
1.來源：原核生物(主要)
2.作用：能夠識別雙鏈DNA分子的特定核苷酸序列，并且使每一
條鏈中特定部位的磷酸二酯鍵斷開。 (體現酶具有專一性的特點)
3.結果：黏性末端和平末端
二、DNA連接酶—— “分子縫合針”
E·coli DNA連接酶和T4DNA連接酶
三、基因進入受體細胞的載體—— “分子運輸車”
1.常用載體：質粒(本質、特點)
2.其他載體：噬菌體、動植物病毒等
高考真題
(2024 · 湖南 · 高考真題)某同學將質粒DNA進行限制酶酶切時， 發現DNA完全沒有被酶切，分析可能的原因并提出解決方法。下
列敘述錯誤的是 ( B )
A. 限制酶失活，更換新的限制酶
B. 酶切條件不合適，調整反應條件如溫度和酶的用量等
C. 質粒DNA突變導致酶識別位點缺失，更換正常質粒DNA
D. 酶切位點被甲基化修飾，換用對DNA甲基化不敏感的限制酶
酶切條件不合適通常會使切割效果下降，調整反應條件如溫度和PH等， 調整酶的用量沒有作用， B錯誤。
探究 ·實踐 DNA的粗提取與鑒定
一 、實驗原理：P74
基本思路： DNA、RNA、 蛋白質和脂質等在物理和化學性質方面 存在差異，可以利用這些差異，選用適當的物理或化學方法對 它們進行提取。
1.DNA 的提取：DNA 不溶于酒精，但某些蛋白質溶于酒精，可以 用酒 精初步分離DNA 與蛋白質。 DNA在不同濃度的NaCl溶液中溶 解度不同，能溶于2mol/L NaCl溶液。
2.DNA的鑒定：DNA遇二苯胺試劑會呈現藍色。
沸水浴加熱 藍色
DNA + 二苯胺
探究 ·實踐 DNA的粗提取與鑒定
二、目的要求：P74
1.了 解DNA的物理和化學性質，理解DNA粗提取和鑒定的原理。
2.學會DNA粗提取的方法以及用二苯胺試劑對DNA進行鑒定。
三、材料用具：P74
1.材料 2.用具：略
洋蔥 香蕉 菠菜 菜花 豬肝
探究 ·實踐 DNA的粗提取與鑒定
三、方法步驟：P74-75 (學生朗讀)
1. 研磨洋蔥：稱取約30g洋蔥切碎，放入研缽中，
切碎，倒入10mL研磨液，充分研磨。 研磨洋蔥
2.過濾獲取含DNA的上清液：在漏斗中墊上紗布，將洋蔥研磨液過 濾到燒杯中，在4℃冰箱中放置幾分鐘后，再取上清液。也可直接 將研磨液倒入塑料離心管中，在1500r/min 的轉速下離心5min, 再 取上清液放入燒杯中。
3.冷卻酒精析出DNA: 在上清液中加入體積相等的、預冷的酒精溶 液(體積分數為95%),靜置2~3min, 溶液中出現的白色絲狀物就是 粗提取的DNA。 用玻璃棒沿一個方向攪拌，卷起絲狀物，并用濾紙 吸去上面的水分；或者將溶液倒入塑料離心管中，在10000r/min 的 轉速下離心5min,棄上清液，將管底的沉淀物(粗提取的DNA)晾干。
探究 ·實踐 DNA的粗提取與鑒定
三、方法步驟：P74-75
4.DNA的鑒定：取兩支20mL的試管，各加入2mol/L 的NaCl溶液5mL。 將絲狀物或沉淀物溶于其中一支試管的NaCI溶液中。然后，向兩支 試管中各加入4mL的二苯胺試劑。混合均勻后，將試管置于沸水中 加熱5min 。待試管冷卻后，比較兩支試管中溶液顏色的變化。
注意事項：
1. 在將待鑒定的提取物加入2mol/L 的NaCl溶液中溶解時，需要 不斷攪拌以增加溶解的DNA的量，建議攪拌3min以上。
2.二苯胺試劑要現配現用，以保證實驗效果。加入二苯胺試劑后 沸水浴處理的時間要在5min以上，且要等到冷卻后再觀察結果， 這樣才可以觀察到較為明顯的顯色反應。
探究 ·實踐 DNA的粗提取與鑒定
四、結果分析與評價： P75
1.你提取出白色絲狀物或沉淀物了嗎 用二苯胺試劑鑒定的 結果如何
(1)觀察提取的DNA的顏色，如果不是白色絲狀物，說明 DNA中的雜質較多。
(2)二苯胺試劑鑒定呈藍色說明實驗基本成功； 如果不呈現 藍色，可能原因有：所提取的DNA含量低，或者在實驗操作過 程出現了失誤等。
2.你能分析出粗提取的DNA中可含有哪些雜質嗎
可能含有核蛋白、多糖等雜質。
探究 ·實踐 DNA的粗提取與鑒定
四、結果分析與評價： P75
3.與其他同學提取的DNA進行比較，看看實驗結果有何不同， 分析產生差異的原因。
同學們可采取分組的方式進行實驗。可以選取不同的 實驗材料；也可以查閱資料了解其他提取DNA的方法，對同 種材料采用不同的方法。最后從多方面比較實驗結果，如
DNA的純度、DNA的顏色、二苯胺試劑顯色的深淺等，看看 哪種實驗材料、哪種方法提取效果更好。
五、進一步探究：P75
本實驗只是對DNA進行了粗提取，請查閱資料，了解實驗 室提取純度較高的DNA的一種方法，并與本實驗中所使用的方 法進行比較，總結兩種方法的異同。
探究實踐 DNA 的粗提取與鑒定 P74
四、結果分析與評價
3與其他同學提取的DNA進行比較，看看實驗結果有何不同，
分析產生差異的原因。
同學們可采取分組的方式進行實驗。可以選取不同的實驗 材料；也可以查閱資料了解其他提取DNA的方法，對同種 材料采用不同的方法。最后從多方面比較實驗結果，如
DNA的純度、DNA的顏色、二苯胺試劑顯色的深淺等，看看 哪種實驗材料、哪種方法提取效果更好。
五、進一步探究
本實驗只是對DNA進行了粗提取，請查閱資料，了解實驗 室提取純度較高的DNA的一種方法，并與本實驗中所使用的方 法進行比較，總結兩種方法的異同。
課堂練習
1.下列關于DNA粗提取與鑒定的敘述，錯誤的是( D ) A.DNA 析出過程中，攪拌操作要輕柔以防DNA斷裂
B. 預冷的酒精溶液可用來粗提取DNA
C. 用二苯胺試劑鑒定DNA需要進行水浴加熱
D. 鑒定DNA時，應將絲狀物直接加入到二苯胺試劑中進行沸水浴
將絲狀物或沉淀物溶于其中一支試管2mol/L的NaCl溶液中，然后
向試管中各加入4mL的二苯胺試劑，置于沸水中加熱5min,D 錯誤。
(1)圖中實驗材料A可以是洋蔥(香蕉、菠菜、菜花或豬肝) 等， 研磨前加入的B應該是 10mL研磨液 O
(2)通過上述所示步驟得到濾液C后，在4℃冰箱中放置幾分鐘后， 再取 上清液 ,向其中加入等體積、預冷的酒精溶液，析出的白 色絲狀物為 粗提取的DNA O
B
研磨 研磨液 濾液C
2.如圖為“DNA 的粗提取與鑒定”實驗的相關操作。
實驗
材料A
洗 凈 切成小塊
課堂練習
相料料
I
(3)在 “DNA的粗提取與鑒定”實驗中，將含有一定雜質的DNA絲
狀物分別放入體積為2mL的3種溶液中，經攪拌后過濾，獲得如表 所示的3種濾液，含DNA最少的是濾液 G _o
1 研磨液B液中 攪拌研磨后過濾
濾液E
2 2mol/L的NaCl溶液 攪拌后過濾
濾液F
3 冷卻的95%的酒精溶液中 攪拌后過濾
濾液G
課堂練習
2.如圖為“DNA 的粗提取與鑒定”實驗的相關操作。
結 束
下課啦!

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