资源简介 (共49张PPT)稀释涂布平板法基因工程的概念:基因工程是指按照人们的愿望,进行严格的设计,并通过体外____________等技术,赋予生物以新的遗传特性,从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。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__________技术。例如,通过转基因技术,可以实现利用大肠杆菌生产人的胰岛素。在此实例中,目的基因是_______________,受体细胞是________________,目的基因的表达产物是____________。转基因DNA重组人胰岛素基因大肠杆菌细胞人胰岛素1.基因工程的概念对基因工程概念的理解基因工程的别名:操作环境:操作水平:基本过程:原 理:结 果:重组DNA技术、转基因技术生物体外DNA 分子水平剪切→拼接→导入→表达基因重组创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品克服远缘杂交不亲和障碍、定向改造生物性状优 点:2.基因工程的概念基因工程发展历程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,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。从发展历程和以前所学知识总结基因工程的理论基础大肠杆菌为何也能用人的基因合成人的胰岛素?1.DNA的基本组成单位相同(都是四种脱氧核苷酸)2.都遵循碱基互补配对原则3.DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构1.基因是控制生物性状的结构与功能单位2.遗传信息传递都遵循中心法则3.生物界几乎共用一套遗传密码2.基因工程的理论基础在不同生物之间进行转移与拼接同一个基因在不同生物中合成同种蛋白质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。讨论:DNA双螺旋的直径只有2nm,对如此微小的分子进行操作,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?非转基因番木瓜转基因番木瓜1.基因工程的三种工具重组DNA技术的基本工具:精确切割DNA分子的“分子手术刀”、将DNA片段再连接起来的“分子缝合针”和将体外重组好的DNA分子导入受体细胞的“分子运输车”。1.来 源:2.种 类:主要来自原核生物(作用?)3.作用:数千种能识别双链DNA分子的特定核苷酸序列,并使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。一.限制性内切核酸酶—“分子手术刀”(限制酶不是一种酶,而是一类酶)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。磷酸二酯键“两个特定”一端有一个游离的磷酸基团另一端有一个羟基(—OH)G = CA = TA = TT = AT = AC = G1’2’3’4’5’G1’2’3’4’5’A在此图中找到EcorI 的切割位点(磷酸二酯键)思考,切断几个磷酸二酯键?消耗/生成几分子水?形成几个游离的磷酸基团?…… ATGCCGTGGAATTCC ………… TACGGCACCTTAAGG ……①②①磷酸二酯键(限制酶作用的键)②氢键DNA简图:4.结 果:产生黏性末端或平末端EcoR I识别的碱基序列为GAATTC,并在特定的G和A之间切割;SmaI识别序列为GGGCCC,并在G和C之间切割。指出磷酸二酯键和氢键的位置和切割位点,并画出切割后的片段思考:这里氢键的断开需要酶吗?4.几种常见的限制酶的识别序列及切割位点:①大多数限制酶的识别序列由 个核苷酸组成,少数限制酶的识别序列由4个、8个或其他数量的核苷酸组成。②限制酶的名字的由来 P726EcoRⅠBamHⅠTaqⅠHind ⅢEcoRⅠ种加词头两个字母菌株型号数字表示分离出来的第几种限制酶属名首字母大肠杆菌R型菌株分离出来的第一种限制酶思考: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:HindⅠ、HindⅡ、 HindⅢ限制酶所识别的序列有什么特点?限制酶所识别的序列,无论是6个碱基还是4个碱基,都可以找到一条中心轴线(如图),中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的 ,称为回文序列。EcoRⅠ5’…G-A-A-T-T-C…3’3’…C-T-T-A-A-G…5’SmaⅠ5’…C-C-C-G-G-G…3’3’…G-G-G-C-C-C…5’TaqⅠ5’……T-C-G-A……3’3’……A-G-C-T……5’能被限制性酶特异性识别的序列一般都是回文序列:即正反读顺序相同,围绕一条中轴线反向对称排列。读:5’→ 3’中心轴线【问题探究1】请写出下列限制酶切割形成的黏性末端。黏性末端?…CTAG…TTAA…TCGA…CTAG【思考】同种限制酶切割产生的黏性末端是否相同?不同限制酶切割产生的黏性末端是否一定不同?相同可能会相同【问题探究2】请判断:以下黏性末端是由 种限制酶作用产生的。3①②③【问题探究3】请结合限制酶的作用特点,回答以下问题:(1)限制酶能切开RNA分子的磷酸二酯键吗?不能(2)请结合右图,推断限制酶切一次可断开 个磷酸二酯键,产生 个游离的磷酸基团,产生 个黏性末端,消耗 分子水。限制酶只能识别并切开双链DNA分子两22两要想从一个DNA分子中获得某个特定的基因需要有几个酶切位点?产生几个末端?断裂几个磷酸二酯键?24CT TCATG AATTCCCTAAGAAGTACTTAA GGGAT TGGCATCTTAAAAT TCCGTAGGGCATCTTAAAATTCCGTAGCTTCATG AATTCCCTAAGAAGTACTTAA GGGATTCTTCATG AATTCCCTAAGAAGTACTTAA GGGATT使用EcoRⅠ酶剪切目的基因识别序列GAATTC在切割含目的基因的DNA分子时,需要在目的基因的两端都用限制性核酸内切酶切割,会产生4个末端。【问题探究4】4【问题探究5】下图甲是一个DNA片段,箭头处代表不同限制酶的切点,据图回答:(1)用EcoR Ⅰ 酶切,能得到 种DNA片段;(2)用PstⅠ 完全酶切,能得到 种DNA片段;(3)同时用SmaⅠ 和PstⅠ 完全酶切,能得到 种DNA片段;(4)只用PstⅠ 酶切,最多能得到 种DNA片段。2355【问题探究6】推测限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么?限制酶是原核生物的一种防御工具,用来切割侵入细胞的外源DNA,以保证自身安全。【问题探究6】为什么限制酶不切割细菌本身的DNA分子?p47拓展应用二含某种限制酶的细菌的DNA分子(1)不具备这种限制酶的识别序列,(2)或者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。如果把两种来源不同的DNA用同一种限制酶来切割,会怎样呢?会产生相同的黏性末端,可以进行碱基互补配对。CGGCCGTATAATATGCGCGCTAATCGTATAATATGCTATAEcoRIEcoRICGGCCGTTAAAATTGCGCGCTAATCGTTAAAATTGCTATACGGCCGTTAAAATTGCTATA将双链DNA片段“缝合”起来,恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键(氢键的形成?)。1.作用:二、DNA连接酶—“分子缝合针”2.种类:类型 E·coli DNA连接酶 T4DNA连接酶来源 ____________ ____________功能 只缝合____________ 缝合____________和____________结果 恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的_________________ 大肠杆菌T4噬菌体黏性末端黏性末端平末端磷酸二酯键EcoRIEcoRICGGCCGTTAAAATTGCGCGCTAATCGTTAAAATTGCTATACGGCCGTTAAAATTGCTATA思考:连接的黏性末端需要满足什么条件?什么酶也能催化磷酸二酯键的形成?EcoRIEcoRICGGCCGTTAAAATTGCGCGCTAATCGTTAAAATTGCTATACGGCCGTTAAAATTGCTATADNA连接酶 DNA聚合酶相同 不 同 点 模板作用对象作用结果用途CAATTGAGTATCDNA聚合酶以DNA母链为模板,连接单个脱氧核苷酸形成单链DNA聚合酶作用示意图DNA连接酶 DNA聚合酶相同 作用实质 化学本质 不 同 点 模板作用对象作用结果用途都能催化形成磷酸二酯键都是蛋白质不需要需要DNA的一条链作模板形成完整的重组DNA分子形成DNA的一条链基因工程DNA复制只能将单个核苷酸连接到已有的DNA片段上,形成磷酸二酯键在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键DNA连接酶与DNA聚合酶的比较(p72)二、DNA连接酶—“分子缝合针”【问题探究7】请判断:DNA片段经不同限制酶处理后产生的相同黏性末端,再经过DNA连接酶处理后,形成的新的识别序列,能否再被所用的限制酶识别。(1)若两个相同黏性末端都是由同种限制酶(EcoRⅠ)切割后所得,(填“能”或“不能”)再被所用的限制酶识别(如图)。能(2)若两个相同黏性末端是由不同限制酶切割所得,形成的新的识别序列 (填“能”或“不能”)再被所用的限制酶识别(如图)。不能(1)通过基因工程产生的变异是不定向的 ( )(2)限制性内切核酸酶均能特异性地识别6个核苷酸序列 ( )(3)DNA连接酶能将两碱基间通过氢键连接起来 ( )(4)E.coli DNA连接酶既可连接平末端,又可连接黏性末端 ( )(5)限制酶和解旋酶的作用部位相同 ( )判断常考语句,澄清易混易错【核心归纳】与DNA相关的几种酶的比较项目 DNA连接酶 限制酶 DNA聚合酶 解旋酶作用 部位 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 氢键作用 对象 DNA片段 DNA 单个的脱氧 核苷酸 DNA作用 结果 将两个DNA片段连接成完整的DNA分子 切割双链DNA分子 将单个的脱氧核苷酸连接到DNA单链末端 将双链DNA分子局部解旋为单链RNA聚合酶磷酸二酯键DNA将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸DNA酶基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”--p72三1.作用:将目的基因送入受体细胞 & 在受体细胞内对目的基因进行大量复制2.最常用的载体——质粒质粒: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。质粒基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”三★思考:质粒为什么适合作为载体?作为载体需要具备那些条件?质粒3.载体需具备的条件——供外源DNA片段(目的基因)插入其中 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。②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。①有一个至多个限制酶切割位点③具有标记基因④对受体细胞无害,易分离。——便于重组DNA分子的筛选——鉴别和筛选含有目的基因的受体细胞标记基因的作用重组DNA导入受体细胞不是100%,而且导入率较低接下来应该如何设计实验筛选出导入了重组DNA的细胞 标记基因通常有:①抗生素的抗性基因,如: 抗氨苄青霉素基因(ampr)、抗四环素基因(tetr)②荧光蛋白基因,如: 绿色荧光蛋白基因(GFP)、红色荧光蛋白基因(RFP)思考:噬菌体或某些动植物病毒作为载体,其原理是 。病毒对宿主细胞的侵染具有一定的 。利用病毒对宿主细胞的侵染性物种(组织)特异性若用家蚕作为某基因表达载体的受体细胞,在噬菌体和昆虫病毒两种载体中,不选用 作为载体,其原因是 。噬菌体噬菌体的宿主细胞是细菌,而不是家蚕基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”三种类 用途 不同点质粒 噬菌体植物病毒 动物病毒 将外源基因导入细菌等受体细胞将外源基因导入植物细胞将外源基因导入动物细胞来源不同,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4.种类:质粒(常用)、噬菌体、动植物病毒1. 剪刀和透明胶条分别代表哪种“分子工具” ?剪刀代表限制酶;透明胶条代表DNA连接酶。2. 你制作的黏性末端的碱基能不能互补配对?如果不能,可能是什么原因造成的?如果制作的黏性末端的碱基不能互补配对可能是剪切位点或连接位点选得不对,也可能是其他原因。3. 你插入的DNA片段能称得上一个基因吗?不能,因为基因的长度一般在100个碱基对以上。4.基因进入受体细胞的载体——分子运输车以下两种酶切割后形成的黏性末端能连接吗?原因是?若能,请画出连接后的序列。结论2:不同限制酶切割所得若两个相同黏性末端连接的DNA片段不能再被所用的限制酶识别。结论1:同种限制酶产生的黏性末端相同,不同的限制酶可能会形成相同的黏性末端,可通过DNA连接酶连接。(在基因工程中的操作意义?)关于限制酶、连接酶与黏性末端的深度探究(导学案P46 )连接后的序列还能被以上两种酶识别切割吗?原因?同尾酶,使切割点的选择范围扩大限制酶DNA连接酶载体①对受体细胞无害;②有一个至多个限制酶切割位点;③有特殊的标记基因;④能自我复制或能整合到宿主DNA上。质粒、λ噬菌体衍生物 、动植物病毒基因工程的基本工具作为载体的条件种类:磷酸二酯键来源:主要来源于原核生物特点:作用部位:识别特定的核苷酸序列,使特定部位的磷酸二酯键断开。具有专一性结果:形成黏性末端或平末端连接部位:磷酸二酯键种类: E.coliDNA连接酶、T4 DNA连接酶(来源、区别?)作用: 把两条双链DNA片段拼接起来课堂小结便于重组DNA分子的筛选供外源DNA片段(目的基因)插入其中将外源基因送入受体细胞质粒是基因工程最常用的载体,下列关于质粒的说法正确的是( )A.质粒在宿主细胞内都要整合到染色体DNA上B.质粒是独立于细菌拟核DNA之外的小型细胞器C.基因工程使用的质粒一定含有标记基因和复制原点D.质粒上碱基数量之间存在A+G=U+CC练习与应用一、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.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CA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 提示:迄今为止。在基因工程操作中使用的限制酶绝大部分都是从细菌或霉菌中提取出来的,它们可以识别DNA上特定的碱基序列并使特定部位的磷酸二酯键断开。微生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制,可以将外源入侵的DNA降解。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分子或者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。这样,尽管细菌中含有某种限制酶,也不会使自身的DNA被切断,并且可以防止外源DNA入侵。2.有2个不同来源的DNA片段A和B,A片段用限制酶SpeI进行切割,B片段分别用限制酶HindⅢ、XbaI、EcoRV和XhoI进行切割。各限制酶的识别序列和切割位点如下。(1)哪种限制酶切割B片段产生的DNA片段能与限制酶SpeI切割A片段产生的DNA片段相连接 为什么 XbaⅠ。因为XbaI与SpeI切割产生了相同的黏性末端。(2)不同的限制酶切割可能产生相同的黏性末端,这在基因工程操作中有什么意义 提示:识别DNA分子中不同核苷酸序列,但能切割产生相同黏性末端的限制酶被称为同尾酶。同尾酶使构建载体时,切割位点的选择范围扩大。例如,我们选择了用某种限制酶切割载体,如果目的基因的核苷酸序列中恰好含有该限制酶的识别序列,那么用该限制酶切割含有目的基因的DNA片段时,目的基因就很可能被切断;这时可以考虑用合适的同尾酶(目的基因的核苷酸序列中不能有它的识别序列)来获取目的基因。DNA的粗提取与鉴定(p74)实践·探究DNA含量相对较高的生物组织,如新鲜洋葱、香蕉、菠菜、菜花和猪肝等。(注意:不能选择哺乳动物成熟的红细胞,因为哺乳动物成熟的红细胞中没有细胞核和线粒体,几乎不含DNA。)二、材料用具1.选材:2.试剂及作用:①研磨液②体积分数为95%的预冷的酒精③2mol/L 的NaCl溶液④二苯胺试剂⑤蒸馏水(定容研磨液)——溶解并提取DNA——析出DNA——溶解DNA——鉴定DNA,要现配现用、混合使用、沸水浴研磨液、二苯胺的配制方法 课本P117鉴定时用3.DNA粗提取与鉴定的 原理利用DNA与RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面的差异,提取DNA,去除其他成分。2.DNA在 溶液中溶解度不同1.DNA不溶于酒精溶液DNA 酒精溶液,但细胞中 则溶于酒精。利用这一原理,可初步分离DNA与蛋白质。在 NaCl溶液中的溶解性:DNA和蛋白质等其他成分在不同浓度的NaCl溶液中 不同,利用这一特点,选择适当的盐浓度就能使DNA 充分溶解,而使杂质沉淀,或者相反,以达到分离目的。不溶于某些蛋白质不同浓度的NaCl溶解度DNA溶解量(1)对酶的耐受性∶ 能水解蛋白质,但对DNA没有影响。(2)对温度的耐受性∶大多数蛋白质不能忍受60~80 ℃的高温,而DNA在 以上才会变性。(3)对洗涤剂的耐受性∶洗涤剂能够瓦解 ,但对DNA没有影响。3.DNA对酶、高温和洗涤剂的耐受性在 的条件下,DNA与 反应呈现 。4.DNA 的鉴定鉴定原理80℃细胞膜蛋白酶二苯胺蓝色沸水浴称取 ,切碎,放入研钵,倒入 ,充分研磨。在漏斗中垫上纱布过滤研磨液,4℃冰箱中静置后取 ;或将研磨液倒入塑料离心管中离心,取 。在上清液中加入体积相等的、 溶液, 静置2~3min,溶液中出现的 就是粗提取的DNA 。将丝状物或沉淀物溶于 溶液中,加入试剂,混合均匀后,将试管置于沸水中加热5min2.去除杂质:3.DNA的析出:4.DNA的鉴定:1.破碎细胞:对照组:如何设置?洋葱研磨液上清液上清液预冷的酒精白色丝状物二苯胺阴性对照:在等体积的NaCl溶液中加入二苯胺试剂(不加丝状物DNA),将试管置于同等沸水浴中加热5min四、过程思考:如何评价结果?—看提取物颜色—看与二苯胺反应颜色的深浅DNA纯度DNA的量用玻璃棒沿一个方向搅拌,卷起丝状物;或将溶液倒入塑料离心管中离心,取沉淀物晾干。2mol/L的NaClDNA的粗提取与鉴定实践·探究(1)选什么样的材料实验更易成功?用洋葱做材料,为什么要充分研磨?(2)猪血和鸡血,哪个适合用作提取DNA的材料?操作时如何防止血液凝固?(3)如果用鸡血动物细胞做材料,也需要研磨裂解释放细胞中的DNA吗?猪血(哺乳动物的成熟红细胞)无细胞核,不适合;鸡血中红细胞有核DNA,且核DNA的量较多,适合.含DNA的生物材料都可以,选取DNA含量相对较高的生物组织,成功率更大。充分研磨,可以破坏细胞壁,裂解细胞,释放DNA。加入清水,让细胞吸水胀破,释放DNA。思考与讨论:如果是猪肝呢?鸡血中加入柠檬酸钠,可防止血液凝固。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。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?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。实验室提取纯度较高的DNA的方法有不少。例如,可以先添加质量分数为25%的SDS溶液,使蛋白质变性后与DNA分开;随后,加入氯仿—异丙醇混合液(体积比为24:1),通过离心将蛋白质及其他杂质除去,取上清液;可重复上述操作几次,直至上清液变成透明的黏稠液体。此外由于苯酚可以迅速使蛋白质变性,抑制核酸酶的活性,因此还可以先用苯酚处理,然后离心分层,这时DNA溶于上层水相,蛋白质变性后存在于酚层中,用吸管、微量移液器等实验用具就可以将两者分开。3.提纯DNA时,选用体积分数为95%的冷酒精的原因:体积分数为95%的冷酒精提纯效果更佳。预冷的酒精具有以下优点:①可抑制核酸水解酶的活性,进而抑制DNA降解;②抑制分子运动,使DNA易形成沉淀析出;③低温有利于增加DNA分子的柔韧性,减少其断裂。DNA的鉴定④取两支(??)20mL的试管,各加入2mol/L的NaCl溶液5mL(作用?)。将丝状物或沉淀物溶于其中一支试管的NaCl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。4.过程:5.DNA的粗提取与鉴定1号试管 2号试管加入2mol/L NaCl溶液 5mL 5mL丝状物(DNA) 不加 加入用玻璃棒搅拌 无 丝状物溶解加入二苯胺试剂 4mL 4mL沸水浴 5min 5min观察现象 不变蓝 变蓝空白对照组:目的基因… TCCTAG… AGGATCTTAAAATTCCATAC …GAGCCATACTTAAAATTCTCGGTATGGGTATG …GAGC…………CATACTTAAAATTCTCG…………GTATG如何降低自身环化的概率??深入 探究 思考 展开更多...... 收起↑ 资源预览