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(共30张PPT)
第3章 基因工程
我国是棉花的生产和消费大国。棉花在种植过程 中，常常会受到一些害虫的侵袭，其中以棉铃虫最为 常见。棉铃虫可以使棉花产量减少三分之一，严重时， 甚至能使一片棉田绝收。大量施用农药杀虫不仅会提 高生产成本，还可能造成农产品和环境污染。要是能 培育出自身就能抵抗虫害的棉花新品种，这一问题就 会迎刃而解，我国拥有自主知识产权的转基因抗虫棉 就是在这样的背景下产生的。 (P67)
☆1998年中棉所成功培育出我国第一个国审抗虫杂交棉新品种 ------中棉所29,使低龄棉铃虫的死亡率超过90%;
☆2002年成功培育出我国第一个双价转基因抗虫棉新品种 ------中棉所41,该品种能够缓解棉铃虫抗药性。
为什么传统的杂交育种方法培育不出抗虫棉， 基因工程却可以
棉花棉铃虫幼虫
第3章 基因工程
1. 概念：P67 是按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予 生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型 和生物产品，从技术操作层面看，由于基因工程是在DNA分子 水平上进行设计和施工的，因此又叫做重组DNA技术。
生物体外
基因
DNA 分子水平
基因重组
按照人们的需要定向改造生物的遗传特性
4.原 理 ：
5.结 果 ：
3 .操作水平：
2 .操作对象：
1 .操作环境：
第3章 基因工程
2.科技探索之路： 基因工程的诞生和发展(P68-69)
20世纪70年代初，多种限
制酶、DNA连接酶和逆转录 酶被相继发现。这些发现 为DNA的切割、连接以及功 能基因的获得创造了条件。
1958年，梅塞尔森和
斯塔尔用实验证明了 DNA的半保留复制。
几乎同一时期确立的
中心法则阐明了遗传 信息流动的方向。
1944年，艾弗里等人
通过肺炎链球菌的转 化实验，不仅证明了 遗传物质是DNA, 还 证明了DNA可以在同 种生物个体间转移。
1961年，尼伦伯格
和马太破译了第一 个编码氨基酸的密 码子。截至1966年， 64个密码子均被破 译成功。
1953年， 沃森和克 里克建立了DNA双 螺旋结构模型并提 出了遗传物质自我 复制的假说 。
1950年，爱德曼发明
了一种测定氨基酸序 列的方法。2年后，桑 格首次完成了对胰岛 素氨基酸序列的测定。
1967年，科学家发
现，在细菌拟核DNA 之外的质粒有自我 复制能力，并可以 在细菌细胞间转移。
1970年，科学家 在细菌中发现了 第一个限制性内 切核酸酶(简称 限制酶)
1972年， 伯 格 首先在体外进 行 了DNA的 改 造，成功构建 了第 一个体外 重组DNA 分子 。 1977年，桑格等科学家 发明了DNA 序列分析的 方法，为基因序列图的 绘制提供了可能。此后， DNA 合成仪的问世为体 外合成DNA提供了方便。
1983 年，科学家采 用农杆菌转化法培 育出世界上第一例 转基因烟草。此后， 基因工程进入了迅 速 发 展 的 阶 段 。
21世纪以来，科学家
发明了多种高通量测 序技术，可以实现低 成本测定大量核酸序 列，加速了人们对基 因组序列的了解。
2013年， 华人科学家张 锋及其团队首次报道利 用最新的基因组编辑技 术---CRISPR (成簇规律 间隔短回文重复)技术 编辑了哺乳动物基因组。 该技术可以实现对特定 基因的定点插入、敲除 或替换。
1973年， 科学家证明了 质粒可以作为基因工程 的载体，并实现了物种 间的基因交流。至此， 基因工程正式问世。 1982年，第一个基因工 程药物- 重组人胰岛素 被批准上市。基因工程 药物成为世界各国研究 和投资开发的热点。
1984年， 我 国
科学家朱作言 领导的团队培 育出世界上第 一条转基因鱼。
1985年，穆 里斯等人发 明 PCR, 为
获取目的基 因提供了有 效 手 段 。
1990年，人类
基因组计划启 动。2003年，
该计划的测序
任务顺利完成。
第3章 基因工程
2.科技探索之路： 基因工程的诞生和发展(P68-69)
课堂练习
基于基因工程的诞生和发展的相关基础理论，判断下列说法的正误。 1.1953年，沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构模型，并用实验证 明了DNA的半保留复制。 (×)
2.1970年，在细菌体内发现了第一个限制酶，后来又发现了多种 限制酶、DNA连接酶等。 ( √)
3.1972年，伯格首先在体外进行了DNA的改造，并构建了第一个体
外重组DNA分 子 。 ( √ )
4.1983年，科学家采用花粉管通道法培育了世界上第一例转基因
烟草。 (×)
5.1984年，我国科学家朱作言领导的团队培育了世界上第一条转
基 因 鱼 。 ( √ )
3.1 重组DNA技术的基本工具
从社会中来
番木瓜容易受番木瓜环斑病毒的侵害。当番 木瓜受到这种病毒感染后，产量会大大下降。科 学家通过精心设计用“分子工具”培育出了转基 因番木瓜，它可以抵御番木瓜环斑病毒。
DNA双螺旋的直径只有2nm,对如此微小的分子
实现这一精准的操作过程，至少需要三种“分子工具”, 即 准 确 切割DNA的 “分子手术刀”、将DNA片段再连接起来的“分子缝合 针”和将体外组好的DNA分子导入受体细胞的 “分子运输车”。
进行操作，是一项非常精细的工作，更需要专门 的“分子工具”。那么,科学家究竟用到了哪些 “分子工具” 这些“分子工具”各具有什么特 征呢
转基因番木瓜(左)非转基因番木瓜(右)
重组DNA技术所需的三种基本工具”
三、基因进入受体细胞的载体
“分子运输车” “分子手术刀” “分子缝合针”
▲ 图3-1 重组DNA技术所需的三种基本工具示意图
一、限制性内切核酸酶
二、DNA连接酶
磷酸二酯键
A
3.结果：黏性末端和平末端
EcoRI
( 在G 与 A 之间切割) 5'
3'
黏性末端
中 轴 线
5*
Sma I
( 在G 与 C 之间切割)
3*
平末端
一 、限制性内切核酸酶(限制酶)—— “分子手术刀”:P71
1.来源：主要是从原核生物中分离纯化来的
能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列， (酶专一性)
2.作 用 ： 并且使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。
注意作用部位：
A
T
中 轴 线
T
T
G
3°
3'
5'
5'
资料卡 限制酶名字的由来： P72
限制酶是如何命名的呢 是用生物属名的头一个字母与种加 词的头两个字母，组成了3个字母的略语，以此来表示这个酶是 从哪种生物中分离出来的.例如， 一种限制酶是从大肠杆菌
(Escherichia coli) 的R型菌株分离来的，就用字母EcoR表示；
如果它是从大肠杆菌R型菌株中分离出来的第一 种限制酶，则进一 步表示成EcoRI。
例如，流感嗜血杆菌的d 菌 株(Haemophilus influenzae d)中
先后分离到3种限制酶，则分别命名为： Hind I、Hind Ⅱ、HindlII
练习与应用：P74
二、拓展应用
1.想一想，为什么限制酶不切割细菌本身的DNA分子
细菌中限制酶之所以不切割自身的DNA, 是因为含有某种
限制酶的细胞的DNA分子，不具备这种限制酶的识别序列，或 者通过甲基化酶将甲基转移到了限制酶所识别序列的碱基上， 使限制酶不能将其切开。所以，尽管细菌中含有限制酶，但它 自身的DNA也不会被切割，并且可以防止外源DNA入侵。
思考：如何将切下来的DNA片段拼接成新的DNA分子
P72 靠DNA连接酶来完成的。
种类 E ·coli DNA连接酶
T D DNA连接酶
来源 大肠杆菌
T4噬菌体
作用 都能将双链DNA片段“缝合“起来， 恢复被限制酶切开的磷酸二酯键。 差别 连接 黏性末端 和 平末端 (注意：E ·coli DNA连接酶连接平末端的效率较低)
二、DNA连接酶—— “分子缝合针”: P72
区别 DNA连接酶
DNA聚合酶
不 同 点 模板 不需要模板
需要DNA的一条链作模板
作用对象 催化两个DNA片段 之间形成磷酸二酯键
只能催化单个核苷酸加
到已有的DNA片段上，形 成磷酸二酯键
作用结果 形成完整的重组DNA分子
形成DNA的一条链
用途 基因工程
DNA复制
思考：P72
DNA连接酶与DNA 聚合酶是一 回事吗 为什么
不是一回事。虽然两者都是催化磷酸二酯键形成的酶，化学本 质都是蛋白质，但两者存在显著的区别：
反馈练习
根据所学知识，据图完成以下填空：
①限制酶 ②解旋酶 ③DNA连接酶 ④DNA聚合酶
1. 切 断a 处的酶为
2.连接a处的酶为
3. 切 断b处的酶为
b
a 、
a: 磷酸二酯键； b: 氢键
练习与应用：P74
一、概念检测
1.DNA 连 接 酶 是 重 组DNA 技 术 常 用 的 一 种 工具酶。下列相关叙述正确的是 (C)
A. 能 连 接DNA 分 子 双 链 碱 基 对 之 间 的 氢 键
B. 能 将 单 个 脱 氧 核 苷 酸 加 到DNA 片 段 的 末 端，形成磷酸二酯键
C. 能 连 接 用 同 种 限 制 酶 切 开 的 两 条DNA 片 段，重新形成磷酸二酯键
D. 只 能 连 接 双 链DNA 片 段 互 补 的 黏 性 末 端，不能连接双链DNA 片段的平末端
(1)本质：
是一种裸露、结构简单、独立于真核细胞细胞核或 原核细胞拟核DNA之外，并具有自我复制能力的环状 双链DNA分子。
有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段(基因 )
(2)特点：
插入其中。携带外源DNA片段的质粒进入受体细胞后， 能在细胞中进行自我复制，或整合到受体DNA上，随受
体DNA同步复制。
注意：在基因工程中，真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒 的基础上进行过人工改造的。这些质粒上常有特殊的标记基因，
如四环素抗性基因、氨苄青霉素抗性基因等，便于重组DNA分子的筛选。
三、基因进入受体细胞的载体—— “分子运输车” : P72
1.常用载体：质粒
小结：质粒适于做载体的特点 (学生朗读)
(1).有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段插入；
(2).携带外源DNA 片段的质粒进入受体细胞后，能在细胞中 进行自我复制，或整合到受体DNA上，随受体DNA同步复制；
(3).人工改造的质粒常带有特殊的标记基因，如四环素抗性
基因、氨苄青霉素抗性基因等，便于重组DNA分子的筛选。
2. 其他载体：P72-73 除质粒外，还有噬菌体、动植物病毒等。
总结：重组DNA技术的基本工具有限制酶、 DNA 连接酶和载体；
工具酶：只有限制酶和DNA连接酶。
练习与应用：P74
2. 在重组DNA技术中，将外源基因送入受 体细胞的载体可以是 (A)
A. 大肠杆菌的质粒
B. 切割DNA分子的酶 C.DNA 片段的黏性末端
D. 用来识别特定基因的DNA探针
课堂小结：3.1 重组DNA技术的基本工具
一 、限制性内切核酸酶(限制酶)—— “分子手术刀”
1.来源：原核生物(主要)
2.作用：能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并且使每一
条链中特定部位的磷酸二酯键断开。 (体现酶具有专一性的特点)
3.结果：黏性末端和平末端
二、DNA连接酶—— “分子缝合针”
E·coli DNA连接酶和T4DNA连接酶
三、基因进入受体细胞的载体—— “分子运输车”
1.常用载体：质粒(本质、特点)
2.其他载体：噬菌体、动植物病毒等
高考真题
(2024 · 湖南 · 高考真题)某同学将质粒DNA进行限制酶酶切时， 发现DNA完全没有被酶切，分析可能的原因并提出解决方法。下
列叙述错误的是 ( B )
A. 限制酶失活，更换新的限制酶
B. 酶切条件不合适，调整反应条件如温度和酶的用量等
C. 质粒DNA突变导致酶识别位点缺失，更换正常质粒DNA
D. 酶切位点被甲基化修饰，换用对DNA甲基化不敏感的限制酶
酶切条件不合适通常会使切割效果下降，调整反应条件如温度和PH等， 调整酶的用量没有作用， B错误。
探究 ·实践 DNA的粗提取与鉴定
一 、实验原理：P74
基本思路： DNA、RNA、 蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面 存在差异，可以利用这些差异，选用适当的物理或化学方法对 它们进行提取。
1.DNA 的提取：DNA 不溶于酒精，但某些蛋白质溶于酒精，可以 用酒 精初步分离DNA 与蛋白质。 DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶 解度不同，能溶于2mol/L NaCl溶液。
2.DNA的鉴定：DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。
沸水浴加热 蓝色
DNA + 二苯胺
探究 ·实践 DNA的粗提取与鉴定
二、目的要求：P74
1.了 解DNA的物理和化学性质，理解DNA粗提取和鉴定的原理。
2.学会DNA粗提取的方法以及用二苯胺试剂对DNA进行鉴定。
三、材料用具：P74
1.材料 2.用具：略
洋葱 香蕉 菠菜 菜花 猪肝
探究 ·实践 DNA的粗提取与鉴定
三、方法步骤：P74-75 (学生朗读)
1. 研磨洋葱：称取约30g洋葱切碎，放入研钵中，
切碎，倒入10mL研磨液，充分研磨。 研磨洋葱
2.过滤获取含DNA的上清液：在漏斗中垫上纱布，将洋葱研磨液过 滤到烧杯中，在4℃冰箱中放置几分钟后，再取上清液。也可直接 将研磨液倒入塑料离心管中，在1500r/min 的转速下离心5min, 再 取上清液放入烧杯中。
3.冷却酒精析出DNA: 在上清液中加入体积相等的、预冷的酒精溶 液(体积分数为95%),静置2~3min, 溶液中出现的白色丝状物就是 粗提取的DNA。 用玻璃棒沿一个方向搅拌，卷起丝状物，并用滤纸 吸去上面的水分；或者将溶液倒入塑料离心管中，在10000r/min 的 转速下离心5min,弃上清液，将管底的沉淀物(粗提取的DNA)晾干。
探究 ·实践 DNA的粗提取与鉴定
三、方法步骤：P74-75
4.DNA的鉴定：取两支20mL的试管，各加入2mol/L 的NaCl溶液5mL。 将丝状物或沉淀物溶于其中一支试管的NaCI溶液中。然后，向两支 试管中各加入4mL的二苯胺试剂。混合均匀后，将试管置于沸水中 加热5min 。待试管冷却后，比较两支试管中溶液颜色的变化。
注意事项：
1. 在将待鉴定的提取物加入2mol/L 的NaCl溶液中溶解时，需要 不断搅拌以增加溶解的DNA的量，建议搅拌3min以上。
2.二苯胺试剂要现配现用，以保证实验效果。加入二苯胺试剂后 沸水浴处理的时间要在5min以上，且要等到冷却后再观察结果， 这样才可以观察到较为明显的显色反应。
探究 ·实践 DNA的粗提取与鉴定
四、结果分析与评价： P75
1.你提取出白色丝状物或沉淀物了吗 用二苯胺试剂鉴定的 结果如何
(1)观察提取的DNA的颜色，如果不是白色丝状物，说明 DNA中的杂质较多。
(2)二苯胺试剂鉴定呈蓝色说明实验基本成功； 如果不呈现 蓝色，可能原因有：所提取的DNA含量低，或者在实验操作过 程出现了失误等。
2.你能分析出粗提取的DNA中可含有哪些杂质吗
可能含有核蛋白、多糖等杂质。
探究 ·实践 DNA的粗提取与鉴定
四、结果分析与评价： P75
3.与其他同学提取的DNA进行比较，看看实验结果有何不同， 分析产生差异的原因。
同学们可采取分组的方式进行实验。可以选取不同的 实验材料；也可以查阅资料了解其他提取DNA的方法，对同 种材料采用不同的方法。最后从多方面比较实验结果，如
DNA的纯度、DNA的颜色、二苯胺试剂显色的深浅等，看看 哪种实验材料、哪种方法提取效果更好。
五、进一步探究：P75
本实验只是对DNA进行了粗提取，请查阅资料，了解实验 室提取纯度较高的DNA的一种方法，并与本实验中所使用的方 法进行比较，总结两种方法的异同。
探究实践 DNA 的粗提取与鉴定 P74
四、结果分析与评价
3与其他同学提取的DNA进行比较，看看实验结果有何不同，
分析产生差异的原因。
同学们可采取分组的方式进行实验。可以选取不同的实验 材料；也可以查阅资料了解其他提取DNA的方法，对同种 材料采用不同的方法。最后从多方面比较实验结果，如
DNA的纯度、DNA的颜色、二苯胺试剂显色的深浅等，看看 哪种实验材料、哪种方法提取效果更好。
五、进一步探究
本实验只是对DNA进行了粗提取，请查阅资料，了解实验 室提取纯度较高的DNA的一种方法，并与本实验中所使用的方 法进行比较，总结两种方法的异同。
课堂练习
1.下列关于DNA粗提取与鉴定的叙述，错误的是( D ) A.DNA 析出过程中，搅拌操作要轻柔以防DNA断裂
B. 预冷的酒精溶液可用来粗提取DNA
C. 用二苯胺试剂鉴定DNA需要进行水浴加热
D. 鉴定DNA时，应将丝状物直接加入到二苯胺试剂中进行沸水浴
将丝状物或沉淀物溶于其中一支试管2mol/L的NaCl溶液中，然后
向试管中各加入4mL的二苯胺试剂，置于沸水中加热5min,D 错误。
(1)图中实验材料A可以是洋葱(香蕉、菠菜、菜花或猪肝) 等， 研磨前加入的B应该是 10mL研磨液 O
(2)通过上述所示步骤得到滤液C后，在4℃冰箱中放置几分钟后， 再取 上清液 ,向其中加入等体积、预冷的酒精溶液，析出的白 色丝状物为 粗提取的DNA O
B
研磨 研磨液 滤液C
2.如图为“DNA 的粗提取与鉴定”实验的相关操作。
实验
材料A
洗 净 切成小块
课堂练习
相料料
I
(3)在 “DNA的粗提取与鉴定”实验中，将含有一定杂质的DNA丝
状物分别放入体积为2mL的3种溶液中，经搅拌后过滤，获得如表 所示的3种滤液，含DNA最少的是滤液 G _o
1 研磨液B液中 搅拌研磨后过滤
滤液E
2 2mol/L的NaCl溶液 搅拌后过滤
滤液F
3 冷却的95%的酒精溶液中 搅拌后过滤
滤液G
课堂练习
2.如图为“DNA 的粗提取与鉴定”实验的相关操作。
结 束
下课啦!

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