2015-2016学年高二生物人教版选修3课时作业1.1 DNA重组技术的基本工具.doc

专题1 基因工程

第1课时 DNA重组技术的基本工具

目标导航 1.简述DNA重组技术所需三种基本工具的作用。2.认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。

一、基因工程的概念

基因工程又叫做____________技术或________技术，是指按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外__________和________等技术，赋予生物以新的____________，从而创造出更符合人们需要的新的____________和____________。 二、基因工程中的工具 1．性核酸内切酶

(1)简称：________。

(2)来源：主要是从____________中分离纯化而来的一类酶。 (3)种类：约4 000种。

(4)功能：识别双链DNA分子某种________________；使每一条链中____________________的____________断开。

(5)功能特点：识别序列和酶切位点的________。 (6)酶切结果

①黏性末端：当酶在它识别序列的中心轴线两侧切开时(错切)，产生的是黏性末端。黏性末端是指双链DNA被酶切开后，切口处的两个末端伸出的由若干核苷酸组成的单链。

②平末端：当酶在它识别序列的中心轴线处切开时(平切)产生的则是平末端。 2．DNA连接酶

(1)作用：将两个DNA分子片段“__________”起来，恢复被________切开了的两个核苷酸之间的____________。

(2)种类：____________和____________。 3．进入受体细胞的载体

(1)必备条件：①在宿主细胞中能__________下来并能大量________；②多个________________，供外源DNA片段插入；③有一定的____________，便于筛选。

(2)常用载体——质粒

质粒是一种________的、结构________、于细菌________之外，并具有____________能力的____________分子。

(3)最常用的质粒是____________的质粒，其中含有________________。

知识点一 正确理解基因工程的概念

1．下列关于基因工程的叙述，不正确的是 ( )

A．基因工程的原理是基因重组

B．运用基因工程技术，可使生物发生定向变异

C．一种生物的基因转接到另一种生物的DNA分子上，属于基因工程的内容 D．是非同源染色体上非等位基因的自由组合 2．以下有关基因工程的叙述，正确的是 ( )

A．基因工程是细胞水平上的生物工程

B．基因工程的目的是获得目的基因表达的蛋白质产物 C．基因工程产生的变异属于人工诱变

D．基因工程育种的优点之一是可以定向地使生物产生可遗传的变异 知识点二 性核酸内切酶和DNA连接酶

↓

3．性核酸内切酶Ⅰ的识别序列和切点是—GGATCC—，性核酸内切酶Ⅱ的识

↓

别序列和切点是—GATC—。在质粒上有酶Ⅰ的一个切点，在目的基因的两侧各有1个酶

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Ⅱ的切点。

(1)请画出质粒被性核酸内切酶Ⅰ切割形成黏性末端的过程。

(2)请画出目的基因两侧被性核酸内切酶Ⅱ切割形成黏性末端的过程。

(3)在DNA连接酶的作用下，上述两种不同酶切割后形成的黏性末端能否连接起来？为什么？

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 知识点三 “分子运输车”——载体

4．质粒之所以能做基因工程的载体，是由于它 ( )

A．含蛋白质，从而能完成生命活动 B．能够自我复制，从而保持连续性 C．是RNA，能够指导蛋白质的合成 D．具有环状结构，能够携带目的基因

5．如图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，据图回答下列问题：

(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：①________________，②____________________(写出两条即可)。

—A

(2)若质粒DNA分子的切割末端为—TGCGC，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用作载体的是 ( ) A．苏云金芽孢杆菌抗虫基因 B．土壤农杆菌环状RNA分子 C．大肠杆菌的质粒 D．动物细胞的染色体

基础落实

1．人们将苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因导入棉花细胞中培育成为抗虫棉，这个过程中所利用的主要原理是 ( )

A．基因突变 B．基因重组 C．基因工程 D．染色体变异 2．下列有关酶知识的叙述，错误的是 ( )

A．产生于细胞内，同时可以在细胞外起作用

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B．一种酶可以识别多种特定的核苷酸序列 C．酶作用于两个核苷酸之间的磷酸二酯键 D．微生物中的酶对自身DNA无损害作用 3．属于“分子缝合针”的是 ( )

①E·coliDNA连接酶 ②T4DNA连接酶 ③DNA聚合酶 ④解旋酶 ⑤RNA聚合酶

A．①②③ B．①② C．①②⑤ D．②④

4．性核酸内切酶EcoRⅠ对DNA的识别序列是GAATTC，当用它处理环状DNA分子时，可形成 ( )

A．两端相同的线性DNA，有黏性末端 B．两端相同的线性DNA，无黏性末端

C．两端不同的线性DNA，一端有黏性末端，一端无黏性末端 D．两种末端无法判断

5．在基因工程中用来修饰改造生物基因的工具是 ( )

A．酶和DNA连接酶 B．酶和DNA水解酶 C．酶和载体 D．连接酶和载体

6．如图为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．①②③④ B．①②④③

C．①④②③ D．①④③② 能力提升

7．下列关于基因工程的叙述，错误的是 ( )

A．目的基因由载体导入受体细胞

B．性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶 C．人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性

D．载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达 8．2008年诺贝尔化学奖授予了“发现和发展了水母绿色荧光蛋白”的三位科学家。如果将绿色荧光蛋白基因的片段与目的基因连接起来组成一个融合基因，再将该融合基因转入真核生物细胞内，表达出的蛋白质就会带有绿色荧光。绿色荧光蛋白在该研究中的主要作用是 ( )

A．追踪目的基因在细胞内的复制过程 B．追踪目的基因插入到染色体上的位置

C．追踪目的基因编码的蛋白质在细胞内的分布 D．追踪目的基因编码的蛋白质的空间结构

9．某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶(Amy)基因a，通过基因工程的方法，将基因a与载体结合后导入马铃薯植株中，经检测发现Amy在成熟块茎细胞中存在。下列有关这一过程的叙述不正确的是 ( )

A．获取基因a的酶的作用部位是图中的①

B．连接基因a与载体的DNA连接酶的作用部位是图中的②

C．基因a进入马铃薯细胞后，可随马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞 题号 D．通过该技术人类实现了定向改造马铃薯的遗传性状 1 2 3 4 5 6 7 8 9

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答案 10.请根据下面的实验原理和材料用具，设计实验探究质粒的抗生素基因所控制的抗菌类别。

实验原理：作为载体的质粒须有标记基因，这一标记基因可以是抗生素抗性基因，故有抗生素抗性基因的细菌，其质粒可以选作为载体(抗生素抗性基因一般位于质粒上)。

材料用具：青霉素溶液、10万单位/mL的四环素溶液、菌种、灭菌的含有细菌培养基的培养皿、酒精灯、接种环、一次性注射器、蒸馏水、恒温箱等。

(1)方法步骤：

第一步：取三个含细菌培养基的培养皿，编号1、2、3，在酒精灯旁，用三支注射器分别注入1毫升的蒸馏水、青霉素溶液和四环素溶液，并使之在整个培养皿表面均匀分布；

第二步：___________________________________________________________________； 第三步：将接种后的三个培养皿放入37 ℃恒温箱中培养24小时。 (2)预期结果及结论：

①若1号培养皿中细菌正常生长，2、3号培养皿中细菌不能存活，说明该细菌质粒既无青霉素抗性基因，也无四环素抗性基因；

②________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________； ③________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________； ④________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)设置1号培养皿的目的是进行___________________________________________。 综合拓展

11．基因工程中，需使用酶切割目的基因和质粒，便于重组和筛选。已知酶Ⅰ

↓↓

的识别序列和切点是—GGATCC—，酶Ⅱ的识别序列和切点是—GATC—。

(1)根据已知条件和图回答：

①上述质粒用酶__________切割，目的基因用酶________切割。

②将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，还要加入适量的________________。 ③请指出质粒上至少要有一个标记基因的理由：__________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)不同生物的基因可以拼接的结构基础是_______________________________________

________________________________________________________________________。 (3)大肠杆菌是首先成功表达外源基因的宿主菌，但不能表达结构复杂的蛋白质，哺乳类细胞、昆虫细胞表达系统虽然能表达结构复杂的哺乳类细胞蛋白，但操作复杂，表达水平低，不易推广使用。基因工程中常选用酵母菌作为受体细胞，请从细胞结构等方面分析用酵母菌作受体细胞能克服上述不足的理由：________________________________________________

________________________________________________________________________。 答案 知识清单

一、基因拼接 DNA重组 DNA重组 转基因 遗传特性 生物类型 生物产品 二、1.(1)酶 (2)原核生物 (4)特定核苷酸序列 特定部位的两个核苷酸之间 磷

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酸二酯键 (5)专一性 2.(1)缝合 酶 磷酸二酯键 (2)E·coli DNA连接酶 T4DNA连接酶 3．(1)①保存 复制 ②酶单一切点 ③标记基因 (2)裸露 简单 拟核DNA 自我复制 双链环状DNA (3)大肠杆菌 抗生素抗性基因

对点训练

1．D [基因工程实现了将一种生物的基因与另一种生物的基因组合到同一个体中的愿望，所以这是一种基因重组现象。基因工程是两种生物间的基因重组，而非同源染色体上非等位基因的自由组合仅限于一种生物的一个个体减数过程中。]

知识链接 基因工程的概念理解

(1)操作环境：体外——关键步骤“基因表达载体的构建”的环境。 (2)优点

①与杂交育种相比：克服了远缘杂交不亲和的障碍。 ②与诱变育种相比：定向改造生物性状。 (3)操作水平：分子水平。 (4)原理：基因重组。 (5)本质：甲(供体：提供目的基因)――→乙(受体：表达目的基因)，即基因未变，合成蛋白质未变，只是合成场所的转移。

2．D [基因工程是在分子水平上，对DNA进行设计和施工，按照人们的意愿定向地改造生物性状，创造出符合人们需要的生物类型或生物产品，基本原理应为基因重组。]

知识链接 1.不同基因拼接为重组DNA的理论基础

(1)DNA分子的基本单位相同，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均是A与T配对，G与C配对。

2．外源基因在受体细胞内表达的理论基础 (1)基因是控制生物性状的遗传单位。

(2)遗传信息的传递都遵循中心法则阐述的信息流动方向。 (3)生物界共用一套遗传密码。 3．(1)

导入

(2)

(3)能。因为上述两种不同酶切割后形成的黏性末端是相同的。 解析 酶具有专一性，即一种酶只能识别一种特定的核苷酸序列并从特定的切点将DNA分子切开。被酶切开的DNA两条单链切口，如果各含有几个伸出的、可互补配对的核苷酸，这种切口就是黏性末端。两个黏性末端之间，只要切口处伸出的核苷酸间互补，就能在DNA连接酶的作用下连接起来。虽然酶Ⅰ和酶Ⅱ识别的序列和切点不完全相同，但是形成的黏性末端是相同的，存在着互补关系，因此在DNA连接酶的作用下是可以连接起来的。

知识链接 1.性核酸内切酶

(1)作用特点：具有专一性，表现在两个方面 ①识别双链DNA中特定核苷酸序列。

②切割特定序列中的特定位点，特定序列表现为中心对称，如EcoRⅠ酶的切割序列(如下图)：

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(2)作用结果：产生黏性末端或平末端

①黏性末端：是酶在识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开形成的，如下图所示：

②平末端：是酶在识别序列的中心轴线处切开形成的。如下图所示

2．DNA连接酶 常用的DNA连接酶

4．B [质粒存在于细菌和酵母菌等微生物中，是一种很小的环状DNA，其上有标记基因，便于在受体细胞中检测。质粒在受体细胞中，能随受体细胞DNA复制而复制，进行目的基因的扩增和表达。]

思路导引 解答本题的关键是：①理解并灵活应用质粒的定义，②掌握载体需具备的条件。然后根据质粒的特点做出判断。

知识链接 基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”

(1)类型

(2)功能：将目的基因导入受体细胞。 (3)应具备条件

①能在宿主细胞内稳定保存并大量复制；

②有一个至多个酶的切割位点，以便于外源基因连接； ③有特殊的遗传标记基因，供重组DNA的检测和鉴定。 5．(1)DNA ①能够自我复制 ②具有遗传效应 CGCGT—

(2) A— DNA连接酶

(3)标记基因 供重组DNA的鉴定和选择 (4)C

解析 本题通过质粒结构的模式图考查质粒的功能和特点，分析如下：

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归纳提升 (1)一般来说，天然载体往往不能满足人类的所有要求，因此人们根据不同的目的和需要，对某些天然的载体进行人工改造。

(2)常见的标记基因有抗生素抗性基因、产生特定颜色的表达产物基因、发光基因等。 (3)作为载体必须具有一个至多个酶切点，而且每种酶的切点最好只有一个。因为某种酶只能识别单一切点，若载体上有一个以上的酶切点，则切割重组后可能丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则进入受体细胞后便不能自主复制。一个载体若只有某种酶的一个切点，则酶切后既能把环打开接纳外源DNA片段，又不会丢失自己的片段。

(4)注意与细胞膜上载体的区别，两者的化学本质和作用都不相同。 (5)质粒能自我复制，既可在自身细胞、受体细胞内，也可在体外。 课后作业

1．B [将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞中，通过DNA转录、翻译合成特定的蛋白质，表现出特定的性状。此题易错选C。基因工程是一种技术手段，而不是生物学原理，抗虫棉的培育利用的是基因工程这一技术手段使基因发生重组。]

2．B [微生物中酶被提取出来之后，可以在细胞外起作用，进行DNA的切割，例如基因工程中的酶的应用就是在细胞外进行的。酶作用于两个核苷酸之间的磷酸二酯键，每种酶只能识别一种特定的核苷酸序列。]

3．B [“分子缝合针”是指DNA连接酶。]

4．A [不同性核酸内切酶切割位点是不相同的，DNA分子经酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式，即黏性末端和平末端。如果是酶EcoRⅠ，则在它识别序列的中心轴线两侧进行切割，产生黏性末端；如果是酶SmaⅠ，则在它识别序列的中心轴线处切割，产生的是平末端。]

5．A [解答本题的关键是“修饰、改造”二词。性核酸内切酶(即酶)是剪切基因的“剪刀”，DNA连接酶是将DNA末端之间的缝隙“缝合”起来的“分子缝合针”。所以修饰改造工具是酶和DNA连接酶。]

6．C [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，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。]

7．D [载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞，但由于它和目的基因是相互的，不能促进目的基因的表达。]

8．C [将绿色荧光蛋白基因的片段与目的基因连接起来组成一个融合基因，将该融合基因转入真核生物细胞内，表达出的蛋白质带有绿色荧光，从而可以追踪目的基因编码的蛋白质在细胞内的分布。]

9．B [酶和DNA连接酶的作用部位都位于①，但两者作用相反，载体具有在宿主细胞中复制的能力，与目的基因结合后，目的基因也会在宿主细胞中一起复制。基因工程的目的就是定向改造生物的遗传性状。]

10．(1)第二步：将接种环在酒精灯上灼烧，并在酒精灯火焰旁对三个培养皿接种

(2)②若仅1、2号中细菌存活，3号中细菌死亡，说明该细菌质粒上有青霉素抗性基因，无四环素抗性基因

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③若仅1、3号中细菌存活，2号细菌死亡，说明该细菌质粒上无青霉素抗性基因，有四环素抗性基因

④若1、2、3号中细菌都存活，说明该细菌质粒上既有青霉素抗性基因，又有四环素抗性基因

(3)对照

解析 本实验的目的是探究细菌质粒上的抗性基因。1号培养皿中未加抗生素，不管细菌质粒上有无抗生素基因，该培养皿中的细菌都能存活，所以是起对照作用的；2号培养皿中加入了青霉素，只有细菌质粒上有抗青霉素的基因，其中的细菌才能存活，否则，其中的细菌就会死亡；3号培养皿中加入了四环素，只有细菌质粒上有抗四环素的基因，其中的细菌才能存活，否则，就会被四环素杀死。注意预测结果时考虑问题要全面，几种可能的情况都应该考虑到，而且每种可能结果要和相应的结论对应起来。

11．(1)①Ⅰ Ⅱ ②DNA连接酶 ③检测重组质粒(或目的基因)是否导入受体细胞 (2)DNA结构基本相同(其他合理答案均可)

(3)①单细胞真核生物，含有加工、修饰蛋白质的内质网和高尔基体；②繁殖速度快，能很快得到大量的目的基因；③培养成本低；④容易培养

解析 要形成重组质粒，质粒只能出现一个切口，并且至少保留一个标记基因，因CCTAGG=====序列在GeneⅡ上，因此用酶Ⅰ切割，保留GeneⅠ标记基因；目的基因必须切割两次，切割后产生的黏性末端能与质粒的黏性末端互补，CCTAGG=====序列中有酶Ⅱ的切割序列，因此用酶Ⅱ，产生的末端互补。

GGATCC

GGATCC

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