生物學(xué)案：課堂互動(dòng)DNA重組技術(shù)的基本工具

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精課堂互動(dòng)三點(diǎn)剖析一、基因工程的原理基因工程是指按照人們的愿望，進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，通過體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，賦予生物以新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。由于基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的,因此又叫做DNA重組技術(shù)?；蚬こ叹哂幸韵挛鍌€(gè)方面的特點(diǎn)：①它是一種按照人們的意愿，定向改造生物遺傳特性的技術(shù)；②在DNA分子水平上進(jìn)行操作；③是在體外進(jìn)行的人為的基因重組；④一旦成功，便可遺傳；⑤主要技術(shù)為體外DNA重組技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)。二、限制性內(nèi)切酶-—“基因手術(shù)刀”限制性內(nèi)切酶簡(jiǎn)稱限制酶，主要存在于微生物中,一種限制酶只能識(shí)別一種特定的核苷酸序列,在特定的核苷酸序列，在特定的切點(diǎn)上切割DNA分子（如下圖）。例如,從大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的一種限制酶只能識(shí)別GAATTC序列，并在G和A之間將這段序列切開。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了約4000種限制酶，它們的切點(diǎn)各不相同.蘇云金芽孢桿菌中的抗蟲基因，就能被某種限制酶切割下來。三、DNA連接酶——“分子縫合針”限制酶切割DNA分子示意圖從上圖中可以看出，被限制酶切開的DNA兩條單鏈的切口，帶有幾個(gè)伸出的核苷酸,它們之間正好互補(bǔ)配對(duì)，這樣的切口叫做黏性末端?？梢栽O(shè)想，如果把兩種來源不同的DNA用同一種限制酶來切割，然后讓兩者的黏性末端黏合起來，似乎就可以合成重組的DNA分子了。但是，實(shí)際上僅僅這樣做是不夠的,互補(bǔ)的堿基處雖然連接起來,兩邊的扶手的斷口處還沒有連接起來，如下圖。要把扶手的斷口處連接起來，也就是把兩條DNA末端之間的縫隙“縫合"起來，還要靠另一種極其重要的工具，即DNA分子“縫合針”——DNA連接酶。根據(jù)DNA連接酶的來源不同，可以將這些酶分為兩類：一類是從大腸桿菌中分離得到的,稱為E·coliDNA連接酶。E·coliDNA連接酶只能將雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端之間連接起來，不能將雙鏈DNA片段平末端之間進(jìn)行連接。另一類是從T4噬菌體中分離出來的,稱為T4DNA連接酶。T4DNA連接酶既可以“縫合"雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端，又可以“縫合”雙鏈DNA片段的平末端,但連接平末端之間的效率比較低。拓展延伸DNA連接酶是將雙鏈DNA片段“縫合”起來，或者說將斷成兩截的梯子的“扶手"接起來，其實(shí)質(zhì)是恢復(fù)被限制酶切開了的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵。而DNA聚合酶是將單個(gè)核苷酸加到已有的DNA片段上。所以說，DNA連接酶和DNA聚合酶不是一回事，兩者的催化作用不同。四、基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體——“分子運(yùn)輸車"載體使用有兩個(gè)目的：一是用它作為運(yùn)載工具，將目的基因轉(zhuǎn)移到宿主細(xì)胞中去；二是利用它在受體細(xì)胞內(nèi)對(duì)目的基因進(jìn)行大量復(fù)制?，F(xiàn)在所用的運(yùn)載體主要分兩類：一類是細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)的質(zhì)粒，它是一種相對(duì)分子質(zhì)量較小，獨(dú)立于擬核以外的一種小型環(huán)狀DNA，有的細(xì)菌有一個(gè)，有的含多個(gè)。質(zhì)粒可以通過細(xì)菌間的接合由一個(gè)細(xì)菌向另一個(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移，可以獨(dú)立復(fù)制，也可整合到細(xì)菌擬核中的大型DNA中，隨染色體DNA復(fù)制而同步復(fù)制。另一類是病毒，包括植物病毒、動(dòng)物病毒和細(xì)菌病毒（噬菌體），現(xiàn)在人們還在不斷尋找新的運(yùn)載體。作為運(yùn)載體必須具備三個(gè)條件：①在宿主細(xì)胞中能保存下來并能大量復(fù)制。②有多個(gè)限制酶切點(diǎn)，而且每種酶的切點(diǎn)最好只有一個(gè),例如大腸桿菌PBR322就有多種限制酶的單一識(shí)別位點(diǎn)，可適于多種限制酶切割的DNA插入。③有一定標(biāo)記基因,便于進(jìn)行篩選.如大腸桿菌的PBR322質(zhì)粒攜帶氨芐青霉素抗性基因和四環(huán)素抗性基因，就可以作為篩選的標(biāo)記基因。一般來說，天然載體往往不能滿足上述要求，因此要根據(jù)不同的目的和需要，對(duì)載體進(jìn)行人工改造,現(xiàn)在所使用的質(zhì)粒幾乎都是經(jīng)過改造的。學(xué)以致用【例1】科學(xué)家們經(jīng)過多年的努力，創(chuàng)立了一種新興生物技術(shù)-—基因工程，實(shí)施該工程的最終目的是（）A。定向提取生物體的DNAB.定向地對(duì)DNA分子進(jìn)行人工剪切C。在生物體外對(duì)DNA分子進(jìn)行改造D。定向地改造生物的遺傳性狀解析:基因工程是通過對(duì)生物體的基因進(jìn)行修飾改造，使之按照人們的意愿表現(xiàn)出人們所需要的性狀，產(chǎn)生出人類所需要的基因產(chǎn)物?？梢?，基因工程的目的是要定向地改造生物的遺傳性狀.答案：D【例2】在基因工程中用到的限制性核酸內(nèi)切酶主要從原核生物中獲得，一種限制酶只能識(shí)別雙鏈DNA某種特定核苷酸序列，并且能在特定的切點(diǎn)上切割DNA分子,這與酶的什么性質(zhì)相吻合（）A。高效性B。具有多樣性C。專一性D.催化活性受外界條件影響解析:酶具有多種性質(zhì),其中專一性是指一種酶只能催化一種或一類化合物的化學(xué)反應(yīng)。一種限制酶只能識(shí)別一種特定的核苷酸序列，并且能在特定的切點(diǎn)上切割DNA分子,這顯然和酶的專一性相吻合。答案：C【例3】下圖為DNA分子的切割和連接過程。DNA分子的切割和連接（1）EcoRⅠ是一種_________酶，其識(shí)別序列是_________，切割位點(diǎn)是_________與_________之間的_________鍵。切割結(jié)果產(chǎn)生的DNA片段末端形式為_________.（2）不同來源DNA片段結(jié)合，在這里需要的酶應(yīng)是_________連接酶,此酶的作用是在_________與_________之間形成_________鍵，而起“縫合”作用的.還有一種連接平末端的連接酶是_________。解析:根據(jù)限制酶和DNA連接酶在基因工程中的具體作用來解答，酶的特點(diǎn)及分類要搞清.答案：（1）限制性核酸內(nèi)切GAATTC鳥嘌呤脫氧核苷酸腺嘌呤脫氧核苷酸磷酸二酯黏性末端（2）E·coliDNA鳥嘌呤脫氧核苷酸腺嘌呤脫氧核苷酸磷酸二酯T4DNA連接酶【例4】DNA連接酶催化的反應(yīng)是（）A.DNA復(fù)制時(shí)母鏈與子鏈之間形成氫鍵B。黏性末端堿基之間形成氫鍵C.兩個(gè)DNA片段黏性末端之間的縫隙的連接D.A、B、C都不正確解析：本題考查的是DNA連接酶的功能。對(duì)于它的功能有個(gè)很形象的說法：將梯子兩邊的扶手的斷口處連接起來。實(shí)際上就是在相鄰的脫氧核苷酸之間形成磷酸二酯鍵,把兩個(gè)DNA片段末端之間的縫隙“縫合”起來，而不是在堿基之間形成氫鍵。答案：C【例5】作為基因的運(yùn)輸工具——載體，必須具備的條件之一及理由是（）A.能夠在宿主細(xì)胞中穩(wěn)定地保存下來并大量復(fù)制，以便提供大量的目的基因B。具有多個(gè)限制酶切點(diǎn)，以便于目的基因的表達(dá)C。具有某些標(biāo)記基因,以便為目的基因的表達(dá)提供條件D。能夠在宿主細(xì)胞中復(fù)制并穩(wěn)定保存，以便于進(jìn)行篩選解析：本題考查的是載體必須具備的條件及理由，條件與理由必須相符。作為載體要攜帶目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞并使之表達(dá)，必須能夠在宿主細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定地保存并大量復(fù)制，以便通過復(fù)制提供大量目的基因。同時(shí)要具有某些標(biāo)記基因，是為了通過標(biāo)記基因是否表達(dá)來判斷目的基因是否進(jìn)入了受體細(xì)胞，從而進(jìn)行篩選受體細(xì)胞。載體要具有多個(gè)限制酶切點(diǎn)，則是為了便于與外源基因連接.答案：A【例6】下列關(guān)于質(zhì)粒的敘述，正確的是(）A。質(zhì)粒是廣泛存在于細(xì)菌細(xì)胞中的一種顆粒狀細(xì)胞器B。質(zhì)粒是獨(dú)立于