1、第第 1 课时课时 工具酶的发现和基因工程的诞生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
2、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 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
3、递都遵循中心法则。 (3)生物界共用一套遗传密码。 例 1 (2018 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 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 (2018 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
4、.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
5、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 能够自主复制。 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。 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
6、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)、 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。 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 限制性核酸内切酶 DNA 连接酶 作用 使特定部位的磷
7、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.DNA 连接酶与 DNA 聚合酶的比较 比较项目 DNA 连接酶 DNA 聚合酶 相同点 作用实质相同，都是催化磷酸二酯键的形成 不 同 点 是否需要模板 不需要 需要 DNA 的一条链为模板 连接 DNA 链 双链 单链 作用过程 在两个DNA片段间形成磷 酸二酯键 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 作用结果 将已存在的
8、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 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 (2019 衢州高二检测
9、)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G GATCC。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
10、是相同 的 载体 质粒、动植物病毒及 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 噬菌体。 限制性核酸内切酶 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 质粒的化学本质 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
11、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： G
12、ATC； 限制性核酸内切酶 2：CCGC GG； 限制性核酸内切酶 3：G GATCC。 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， 均含有 6 个脱氧核苷酸，B 正确；限
13、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，C 正确；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，D 错误。 3.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 DNA B.DNA 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.DNA 连接酶可以恢复 DNA 分子中的氢键 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； DN
14、A 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；DNA 连接酶的作用部位为磷酸二酯键，D 错误。 4.下列关于载体的叙述，错误的是( ) A.载体与目的基因结合后，实质上就是一个重组 DNA 分子 B.对某种限制性核酸内切酶而言，载体最好只有一个切点 C.目前常用的载体有质粒、 噬菌体和动植物病毒 D.载体具有某些标记基因，便于对其进行切割 答案 D 解析 载体中的标记基因是用于对外源基因是否导入受体细胞进行检测的，而不是用于切割 的，D 错误。 5.下列关于基因工程的叙述中
15、，正确的是( ) A.目的基因的核苷酸序列都是已知的 B.接受外源基因的转基因植物成为一个新物种 C.可从人肝脏细胞中提取胰岛素原的 mRNA，逆转录获得人胰岛素原基因 D.DNA 连接酶、限制性核酸内切酶及载体是构建重组 DNA 分子必需的工具 答案 D 解析 目的基因的核苷酸序列并不都是已知的；接受外源基因的转基因植物并不是一个新物 种，与原物种不存在生殖隔离；可直接从人肝脏细胞中提取胰岛素原的基因，胰岛素原的基 因不在肝脏细胞中表达，因此无胰岛素原的 mRNA；DNA 连接酶、限制性核酸内切酶及载 体是基因工程的工具酶和载体。 6.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
16、： (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A 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 D.动物细胞的染色体 答案 (1)DNA 能够自主复制 具有遗传效应 (2)CGCGT A 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 的鉴定和选择。
