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(共25张PPT)
基因工程赋予生物新的遗传特性
第1课时
第1节
浙科版 选择性必修3
1.能概述基因工程的建立过程
2.能说明基因工程工具酶和载体的作用
3.尝试进行DNA的粗提取与鉴定
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19666年，64个密码子均被破译成功。
1970年科学家在细菌中发现了第一个限制性核酸内切酶（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。
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。
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。
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。
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。
1973年，科学家证明了质粒可以作为基因工程的载体，构建重组DNA，导入受体细胞，使外源基因在原核细胞中成功表达，并实现了物种间的基因交流。至此，基因工程正式问世。
1985年，穆里斯等人发明PCR,为获取目的基因提供了有效手段。
基因工程的建立过程
基因工程是指有意识地把一个人们所需要的基因转入另一个生物体中，使后者获得新的遗传性状或表达所需要产物的技术。
从水母中分离出荧光基因
荧光斑马鱼
基因重组或基因突变
原理
分子水平
操作水平
1.基因工程的概念
1.为什么不同生物的DNA分子能拼接起来？
2.为什么一种生物的基因可以在另一种生物细胞内表达？
（1）基因是控制生物性状的独立遗传单位。
（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。
（1）DNA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。
1. DNA是遗传物质的证明；
2. 中心法则的确立和完善，阐明了遗传信息的传递和表达的机制；
3.密码子的破译。
2.基因工程的理论基础
培育荧光斑马鱼“分子手术刀”准确切割DNA分子“分子缝合针”“分子运输车”将DNA片段连接起来将体外重组好的DNA分子导入受体细胞基因工程的工具
重组DNA技术的基本工具：
（三）分子运输车---运载体
（一）分子手术刀---限制性内切核酸酶
（二）分子缝合针---DNA连接酶
（一）限制性内切核酸酶---“分子手术刀”
1.来源：主要来自细菌等微生物
2.作用：识别双链DNA上特定的一小段核苷酸序列，并催化其中特定的两个核苷酸之间的磷酸二酯键水解，使DNA双链在特定的位置断开。
磷酸二酯键
3.识别序列
识别序列通常是4~8个核苷酸对，以6个核苷酸对最为常见。
不同限制酶的识别序列一般也各不相同。
4.作用结果
例如，发现于大肠杆菌中的限制酶EcoR Ⅰ的识别序列如图所示，两条链从5’→3’方向的识别序列均为GAATTC。
DNA片段末端通常有两种形式——黏性末端和平末端
黏性末端
黏性末端
（1）实例1—EcoRⅠ限制酶：EcoRⅠ识别序列为GAATTC，EcoRⅠ切割部位为GA之间的磷酸二酯键。
（2）实例2——SmaⅠ限制酶：SmaⅠ识别序列为CCCGGG，SmaⅠ切割部位为CG之间的磷酸二酯键。
形成黏性末端
平末端
形成平末端
写出下列限制酶切割形成的黏性末端
你能根据所掌握的知识，推测限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么吗？为什么限制酶不切割细菌本身的DNA分子？
限制酶就是它的一种防御性工具。当外源DNA入侵时，它会利用限制酶来切割外源DNA，使之失效，以保证自身的安全。
含某种限制酶的细菌的DNA分子不具备这种限制酶的识别序列，或者细菌自身DNA经过相应的化学修饰，使限制酶不能将其切开。
1.作用：将两个DNA片段连接起来，恢复被限制酶切开的磷酸二酯键。注意：不是连接氢键（氢键的形成不需要酶的催化）。
2.分类：
种类 E·coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶
来源
功能特性
相同点 大肠杆菌
T4噬菌体
只能将具有互补黏性末端的DNA片段连接起来，不能连接具有平末端的DNA片段
既可以连接双链DNA片段互补的黏性末端，又可以连接双链DNA片段的平末端（但连接平末端的效率相对较低）
恢复的都是磷酸二酯键
（二）DNA连接酶——“分子缝合针”
GC TTAAA A TTCGGC T T AAA AT TCG用DNA连接酶连接两个片段之间的磷酸二酯键DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗？为什么？种类DNA聚合酶DNA连接酶不同点作用实质作用结果模板相同点催化单个核苷酸加到已有核苷酸片段的3’末端的羟基上，形成磷酸二酯键催化两个DNA片段之间形成磷酸二酯键催化形成与模板链互补的DNA链，形成新的双链DNA分子催化具有互补黏性末端或平末端的DNA片段连接起来，形成重组DNA分子需要不需要①化学本质都是蛋白质②都是催化形成磷酸二酯键3.DNA连接酶、DNA聚合酶、限制酶、解旋酶的比较
种类 作用底物 作用部位 形成产物
DNA连接酶
DNA聚合酶
限制酶
解旋酶
DNA分子片段
脱氧核苷酸
DNA分子
DNA分子
磷酸二酯键
磷酸二酯键
磷酸二酯键
氢键
重组DNA分子
新的DNA分子
含黏性末端或平末端的DNA片段
单链DNA
三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
1.作用：将外源基因送入受体细胞。
2.种类：质粒、噬菌体和动植物病毒等。它们的来源不同，在大小、结构、复制方式以及可以插入外源DNA片段的大小上也有很大差别。
最常用的载体——质粒:一种裸露的、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。
大肠杆菌及质粒结构模式图
3.作为载体需具备的条件
（2）含有一种或多种限制酶的识别序列，方便外源DNA片段（基因）插入其中。
（1）含复制起点，能够独立自主复制并稳定存在
（3）具有筛选作用的标记基因，便于重组DNA分子的筛选。如四环素抗性基因、氨苄青霉素抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。
在基因工程操作中，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。
例1.选用下图载体将目的基因导入细菌中并将含有目的基因的细菌筛选出来。
（1）在培养细菌的培养基中添加抗生素B，则应该选择的限制酶为_______。
（2）在培养细菌的培养基中添加抗生素A，则应该选择的限制酶为_____。
①或②
①
1.实验原理：
探究·实践·DNA的粗提取与鉴定
（1）DNA不溶于酒精，但某些蛋白质溶于酒精。
（2）DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，能溶于2mol/L NaCl溶液。
（3）在一定温度下，DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。
0
0.14
NaCI浓度（mol/L）
DNA溶解度
2.实验设计思路：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去除其他成分，对DNA进行提取。
3.方法步骤
称取10 g香蕉果肉，放入研钵中，倒入10mL_______充分研磨
研磨
过滤
在漏斗中垫上_________，将研磨液过滤入离心管中
取两支试管，一支试管中加入提取出的絮状物，并加入2mL二苯胺剂；另一支只加入2mL二苯胺剂。用95 ℃水浴锅加热10 min，注意观察两支试管中溶液颜色的变化
离心
以3000 r/min的转速离心2 min，取________倒入小烧杯中
向小烧杯中倒入体积是上清液两倍的_______静置3-5 min，可见白色的絮状物出现。用_______缓缓搅动，絮状物会缠在玻璃棒上
鉴定
加冷酒精
研磨液
尼龙纱布
上清液
冷酒精
玻璃棒
用冷却的酒精析出DNA
鉴定DNA
鉴定结果
结果分析与评价
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。二苯胺试剂鉴定呈现蓝色说明实验基本成功；如果不呈现蓝色，可能的原因有所提取的DNA含量低，或者在实验操作过程中出现了失误等。
本实验粗提取的DNA可能仍然含有核蛋白、多糖等杂质。
本实验可以采取分组的方式进行。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、哪种提取方法的效果更好。
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。
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？
2.你能分析出粗提取的DNA中可能含有哪些杂质吗？
基因工程
概念
建立过程
工具
活动：DNA的粗提取与鉴定
理论发展
技术创新
限制酶
DNA连接酶
载体

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