学年高中生物 专题一 基因工程 11 DNA重组技术的基本工具课时作业 新人教版选修3.docx
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学年高中生物 专题一 基因工程 11 DNA重组技术的基本工具课时作业 新人教版选修3.docx
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学年高中生物专题一基因工程11DNA重组技术的基本工具课时作业新人教版选修3
2019-2020学年高中生物专题一基因工程1.1DNA重组技术的基本工具课时作业新人教版选修3
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1.结合课本插图,记住DNA重组技术所需三种基本工具的作用。
2.结合图1-5,识记基因工程中,作为载体需要具备的条件。
一、基因工程的概念(阅读P1)
1.对概念的理解
基因工程的别名
DNA重组技术
操作环境
生物体外
操作对象
基因
操作水平
DNA分子水平
目的
创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品
2.基因工程的理论基础和技术支持(阅读P2-3)
理论
基础
DNA是遗传物质的证明
DNA双螺旋结构和中心法则的确立
遗传密码的破译
技术支持
基因转移载体——质粒的发现
多种限制酶和连接酶,以及逆转录酶(工具酶)的发现
DNA合成和测序技术的发明
DNA体外重组的实现、重组DNA表达实验的成功
第一例转基因动物问世、PCR技术的发明
二、限制性核酸内切酶——“分子手术刀”(阅读P4-5)
1.来源:
主要来自于原核生物。
2.特点
(1)识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列。
(2)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开。
3.作用结果
(1)黏性末端:
在所识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开时形成的末端。
(2)平末端:
在所识别序列的中心轴线处切开时形成的末端。
三、DNA连接酶——“分子缝合针”(阅读P5-6)
1.种类
E·coliDNA连接酶
T4DNA连接酶
2.作用:
将切开的DNA片段“缝合”,恢复被限制酶切开的磷酸二酯键,拼接成新的DNA分子。
四、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”(阅读P6)
1.种类:
质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。
2.常用载体——质粒
(1)质粒是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外,并具有自我复制能力的很小的双链环状DNA分子。
(2)质粒DNA分子上有一个至多个限制酶切割位点,供外源DNA片段插入其中。
(3)质粒DNA分子上有特殊的标记基因,供重组DNA的鉴定和选择。
(4)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经过人工改造的。
判断正误:
(1)限制性核酸内切酶只能用于切割目的基因。
( )
(2)DNA连接酶能将两碱基间通过形成氢键连接起来。
( )
(3)E·coliDNA连接酶既可连接平末端,又可连接黏性末端。
( )
(4)质粒是小型环状DNA分子,是基因工程常用的载体。
( )
(5)载体的作用是携带目的基因导入受体细胞中。
( )
(6)变异一般是不定向的,但基因工程使生物产生新的性状变异却是定向的,是按照人们的实际需要进行的有目的的改造。
( )
(7)不同生物的DNA能够重组是由于基本单位和空间结构相同。
( )
答案
(1)×
(2)× (3)× (4)√ (5)√ (6)√ (7)√
一、基因工程的理论基础
1.不同生物DNA分子得以重新拼接的基础
(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。
(3)所有生物DNA碱基对均遵循严格的“互补配对”原则,即A总与T配对,G总与C配对——如此,方可使具相同末端(黏性末端)的不同DNA分子得以连接在一起。
2.外源基因在受体内表达的理论基础
(1)基因是控制生物性状的遗传物质的结构和功能单位,具有相对独立性。
(2)遗传信息的传递都遵循中心法则所阐述的信息流动方向。
(3)生物界共用一套遗传密码。
1.与其他生物变异相比,基因工程所导致的变异有何特点?
答案 变异一般是不定向的,但基因工程使生物产生新的性状变异却是定向的,是按照人们的实际需要进行的有目的的改造。
2.基因工程的原理是什么?
答案 基因重组。
3.将人的胰岛素基因导入大肠杆菌体内,通过大肠杆菌能大量生产人胰岛素。
请分析人胰岛素基因能在大肠杆菌体内表达的理论基础是什么?
答案 生物共用一套遗传密码。
1.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.定向提取生物体内的DNA分子
B.定向地对DNA分子进行人工“剪切”
C.在生物体外对DNA分子进行改造
D.定向地改造生物的遗传性状
问题导析
(1)基因工程是在体外进行基因重组,然后导入受体细胞内。
(2)重组基因在受体细胞内表达,产生人类所需的生物类型和产品,也就定向地改造了生物的遗传性状。
答案 D
一题多变
判断正误:
(1)基因工程是细胞水平上的生物工程。
( )
(2)基因工程的产物对人类都是有益的。
( )
(3)基因工程产生的变异属于人工诱变。
( )
(4)基因工程育种的优点之一是目的性强。
( )
答案
(1)×
(2)× (3)× (4)√
二、基因工程的工具酶
1.限制酶与DNA连接酶的比较
(1)区别
项目
作用
应用
限制酶
使特定部位的磷酸二酯键断裂
用于提取目的基因和切割载体
DNA连
接酶
在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键
用于基因表达载体的构建
(2)两者的关系可表示为
(3)磷酸二酯键指的是下图圆圈中的化学键,而限制酶切割或DNA连接酶连接的只能是箭头所指处的化学键,因为圈中另一个化学键属于一个核苷酸的内部结构。
2.DNA连接酶与DNA聚合酶的比较
项目
DNA连接酶
DNA聚合酶
相同点
催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键
不
同点
模板
不需要模板
需要DNA的一条链为模板
作用对象
游离的DNA片段
单个的脱氧核苷酸
作用结果
形成完整的DNA分子
形成DNA的一条链
用途
基因工程
DNA复制
1.限制酶与DNA连接酶的化学本质和基本组成单位分别是什么?
答案 化学本质均是蛋白质;基本组成单位均是氨基酸。
2.氢键的断裂与重新形成与限制酶和DNA连接酶是否有关?
答案 氢键是分子间作用力,其断裂与重新形成均与限制酶和DNA连接酶无关。
3.限制性核酸内切酶的作用特点体现了酶的哪种特性?
答案 限制性核酸内切酶只能识别特定的核苷酸序列,并且只能在特定部位切割,这说明了酶具有专一性。
4.不同限制酶切割形成的黏性末端能发生黏合吗?
借助于什么方式来完成黏合?
答案 能。
前提是不同限制酶切割形成的黏性末端要互补,通过碱基相互配对形成氢键的方式来完成黏合。
5.在下图中标出限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶和DNA解旋酶的作用部位。
答案 如图所示
限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶作用于a处化学键,而解旋酶作用于b处化学键。
2.如下图,两个核酸片段在适宜条件下,经X酶的催化作用,发生下列变化,则X酶是( )
A.DNA连接酶B.RNA聚合酶
C.DNA聚合酶D.限制酶
问题导析
(1)_DNA连接酶可以连接两个DNA片段之间的磷酸二酯键。
(2)RNA聚合酶可以催化单个游离的核糖核苷酸形成RNA。
(3)DNA聚合酶可以催化单个游离的脱氧核糖核苷酸形成DNA。
(4)限制酶可以将DNA分子从特定的位点进行切割。
答案 A
一题多变
判断正误:
(1)DNA连接酶催化相同黏性末端的DNA片段之间的连接。
( )
(2)DNA连接酶催化两个黏性末端互补碱基间氢键的形成。
( )
(3)DNA连接酶催化DNA分子两条链的脱氧核糖与磷酸之间磷酸二酯键的形成。
( )
(4)限制酶切割后不一定形成黏性末端。
( )
(5)不同限制酶切割后一定形成不同的黏性末端。
( )
(6)不同DNA分子用同一种限制酶切割形成的黏性末端都相同。
( )
(7)DNA连接酶无识别的特异性,DNA连接酶对于黏性末端或平末端都能催化其“缝合”,重新形成DNA分子。
( )
(8)下列所示的黏性末端是由3种限制性核酸内切酶作用产生的。
( )
答案
(1)√
(2)× (3)√ (4)√ (5)× (6)√ (7)√ (8)×
三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
1.载体的作用
(1)用它作为运载工具,将目的基因送入受体细胞中去。
(2)利用它在受体细胞内对目的基因进行大量复制。
2.作为载体的必备条件
(1)有一个至多个限制酶切割位点,供外源DNA片段插入。
(2)具备自我复制能力,且能在受体细胞中复制并稳定保存。
(3)带有标记基因,供重组DNA的鉴定和选择。
(4)必须是安全的,不会对受体细胞有害。
3.载体的种类
(1)细菌质粒,它是细菌拟核DNA以外的小型双链环状DNA分子,有的细菌只有一个,有的细菌有多个。
(2)λ噬菌体的衍生物和某些动植物病毒的DNA。
一般来说,天然载体往往不能满足人类的所有要求,因此人们根据不同的目的和需求,对某些天然的载体进行人工改造。
1.基因工程的载体和主动运输的载体有哪些区别?
答案
(1)主动运输中载体的化学本质是蛋白质,其作用是运输离子、氨基酸、核苷酸等物质进出细胞。
(2)基因工程中的载体的化学本质是DNA,其作用是携带目的基因进入受体细胞。
2.霍乱弧菌中也含有质粒,能否用来作为载体?
答案 不能。
因为,我们选择的载体应该对受体细胞无害。
3.
质粒是基因工程中最常用的载体,它存在于许多细菌体内。
某细菌质粒上有标记基因如右图所示,通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转入成功。
外源基因插入的位置不同,细菌在培养基上的生长情况也不同,如图所示是外源基因插入位置(插入点有a、b、c),请根据表中提供的细菌生长情况,推测①②③三种重组后细菌的外源基因插入点,正确的一组是( )
细菌在含氨苄青霉素的培养基上的生长状况
细菌在含四环素的培养基上的生长状况
①
能生长
能生长
②
能生长
不能生长
③
不能生长
能生长
A.①是c;②是b;③是a
B.①是a和b;②是a;③是b
C.①是a和b;②是b;③是a
D.①是c;②是a;③是b
问题导析
(1)①细菌能在含氨苄青霉素和四环素的培养基上生长,说明抗氨苄青霉素基因和抗四环素基因没有被破坏,所以插入点是c。
(2)对②细菌来说,能在含氨苄青霉素的培养基上生长,而不能在含四环素的培养基上生长,说明其抗氨苄青霉素基因正常而抗四环素基因被破坏,插入点为b。
(3)③细菌不能在含氨苄青霉素的培养基上生长,说明其抗氨苄青霉素基因被插入而破坏,故插入点为a。
答案 A
一题多变
判断正误:
(1)为供外源DNA插入质粒,质粒DNA分子上有一个至多个限制酶切割位点。
( )
(2)质粒上的特殊标记基因可以供外源DNA片段插入质粒。
( )
(3)被用做载体的一般都是天然质粒。
( )
(4)细菌核区的DNA也常被用做载体。
( )
答案
(1)√
(2)× (3)× (4)×
1.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.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 基因工程可在不同物种间进行,它可打破生殖隔离的界限,定向改造生物的遗传性状。
2.下列关于限制酶和DNA连接酶的说法中,正确的是( )
A.其化学本质都是蛋白质
B.DNA连接酶可恢复DNA分子中的氢键
C.在基因工程中DNA聚合酶可以替代DNA连接酶
D.限制酶切割后一定能产生黏性末端
答案 A
解析 限制酶和DNA连接酶的化学本质都是蛋白质。
3.结合图,判断下列有关基因工程的工具酶功能的叙述,不正确的是( )
A.切断a处的酶为限制性核酸内切酶
B.连接a处的酶为DNA连接酶
C.切断b处的酶为解旋酶
D.切断b处的为限制性核酸内切酶
答案 D
解析 切断a处磷酸二酯键的酶是限制性核酸内切酶,连接a处磷酸二酯键的酶为DNA连接酶;切断b处氢键的酶为解旋酶,b处氢键的形成不需要酶。
4.如图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图,据图回答下列问题:
(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①________________________________________________________________________,
②________________________________________________________________________(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用作载体的是( )
A.苏云金芽孢杆菌抗虫基因
B.土壤农杆菌环状RNA分子
C.大肠杆菌的质粒
D.动物细胞的染色体
答案
(1)DNA 能够自我复制 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,是一种祼露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外,并具有自我复制能力的双链环状DNA分子,具有一个至多个限制酶切割位点,进入受体细胞后能自我复制,具有标记基因便于重组DNA的鉴定和选择。
基础巩固
1.切取动物控制合成生长激素的基因,注入鲇鱼受精卵中,与其DNA整合后产生生长激素,从而使鲇鱼比同种正常鱼增大3~4倍。
此项研究遵循的原理是( )
A.基因突变B.基因重组
C.细胞工程D.染色体变异
答案 B
解析 将动物控制合成生长激素的基因注入鲇鱼受精卵中,通过DNA复制、转录、翻译合成特定的蛋白质,表现出特定的性状,此方法依据的原理是基因重组。
2.下列关于限制酶的叙述中,错误的是( )
A.它能在特殊位点切割DNA分子
B.同一种限制酶切割不同的DNA产生的黏性末端能够很好地进行碱基配对
C.它能任意切割DNA,从而产生大量DNA片段
D.每一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列
答案 C
解析 限制酶是基因工程的重要工具之一。
每种限制酶只能识别特定的核苷酸序列,并在特定的位点上切割DNA分子。
同一种限制酶切割不同的DNA产生的黏性末端能进行互补配对。
3.关于限制酶识别序列和切开部位的特点,叙述错误的是( )
A.所识别的序列都可以找到一条中轴线
B.中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列
C.只识别和切割特定的核苷酸序列
D.在任何部位都能将DNA切开
答案 D
解析 一种限制酶只能识别某种特定的核苷酸序列,并且能在特定的位点上切割DNA分子。
4.下图为DNA分子的某一片段,其中①②③分别表示某种酶的作用部位,则相应的酶依次是( )
A.DNA连接酶、限制酶、解旋酶
B.限制酶、解旋酶、DNA连接酶
C.解旋酶、限制酶、DNA连接酶
D.限制酶、DNA连接酶、解旋酶
答案 C
解析 限制酶能够识别双链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,形成黏性末端或平末端。
DNA连接酶是在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键。
解旋酶能使DNA分子双螺旋结构解开,氢键断裂。
所以①处是解旋酶作用部位,②处是限制酶作用部位,③处是DNA连接酶作用部位。
故选C。
5.下列关于DNA连接酶的作用的叙述,正确的是( )
A.将单个核苷酸加到某DNA片段末端,形成磷酸二酯键
B.将断开的两个DNA片段的骨架连接起来,重新形成磷酸二酯键
C.连接两条DNA链上碱基之间的氢键
D.只能将双链DNA片段互补的黏性末端连接起来
答案 B
解析 选项A是DNA聚合酶的作用。
DNA连接酶能将双链DNA片段末端连接起来,重新形成磷酸二酯键。
D项只涉及了E·coliDNA连接酶的作用。
巩固提升
6.下列有关细菌质粒的叙述,正确的是( )
A.质粒是存在于细菌细胞中的一种颗粒状的细胞器
B.质粒是细菌细胞中能自我复制的小型环状DNA分子
C.质粒只有在侵入宿主细胞后在宿主细胞内才能复制
D.细菌质粒的复制过程一定是在宿主细胞外独立进行
答案 B
解析 质粒是细菌细胞质中能自我复制的小型环状DNA分子,可以在细菌细胞内或宿主细胞内复制。
7.如图是基因工程主要技术环节的一个基本步骤,这一步骤需用到的工具是( )
A.DNA连接酶和解旋酶
B.DNA聚合酶和限制性核酸内切酶
C.限制性核酸内切酶和DNA连接酶
D.DNA聚合酶和RNA聚合酶
答案 C
解析 目的基因和载体结合需“分子手术刀”——限制性核酸内切酶和“分子缝合针”——DNA连接酶。
此过程不涉及DNA复制,不需要DNA聚合酶和解旋酶。
8.某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶(Amy)基因a,通过基因工程的方法,将基因a与载体结合后导入马铃薯植株中,经检测发现Amy在成熟块茎细胞中存在。
下列有关这一过程的叙述不正确的是( )
A.获取基因a的限制酶的作用部位是图中的①
B.连接基因a与载体的DNA连接酶的作用部位是图中的②
C.基因a进入马铃薯细胞后,可随马铃薯DNA分子的复制而复制,传给子代细胞
D.通过该技术人类实现了定向改造马铃薯的遗传性状
答案 B
解析 限制酶和DNA连接酶的作用部位都位于①,但两者作用相反。
载体具有在宿主细胞中复制的能力,与目的基因结合后,目的基因也会在宿主细胞中一起复制。
基因工程的目的就是定向改造生物的遗传性状。
9.下列黏性末端是由同一种限制酶切割而成的是( )
①TCGGACTTAA
②ACTGTCCA
③AATTCG
④AGCTTCAG
A.①②B.①③C.①④D.②③
答案 B
解析 只有①和③两个黏性末端的碱基是互补的,可以说明一般情况下是由同一种限制酶切开。
10.如图为基因工程的部分操作过程示意图,甲~丁代表各不同阶段参与作用的成分。
根据图示资料,下列叙述正确的是( )
A.细菌中的质粒都可以作为甲
B.丙是生物体内的RNA分子
C.乙和丁所用的酶相同
D.图中各个过程都可在试管内完成反应
答案 D
解析 图示中的甲是载体,必须具有限制酶切割位点、标记基因等结构,因此并不是所有质粒都可以作为载体;乙为限制性核酸内切酶,丁为DNA连接酶,二者不同;丙为目的基因;上述过程均在体外进行,故D项正确。
11.通过DNA重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。
运用这一技术使羊奶中含有人体蛋白质,如图表示了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________________________________________________________________________。
人体蛋白质基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中时需要的酶是________________。
(2)请画出质粒被切割形成黏性末端的过程图。
(3)人体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)限制酶 DNA连接酶
(2)
(3)基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的 载体 质粒、动植物病毒、λ噬菌体的衍生物等
解析 基因工程所用的工具酶是限制酶和DNA连接酶,不同生物的基因之所以能整合在一起,是因为基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的。
将目的基因导入受体细胞,离不开载体的协助,基因工程中用的载体除质粒外,还有动植物病毒、λ噬菌体的衍生物等。
12.基因工程中,需要使用限制酶切割目的基因和质粒,便于重组和筛选。
已知限制酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—,限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。
(1)根据已知条件和图回答下列问题:
①上述质粒用限制酶________切割,目的基因用限制酶__________切割。
②将切下的目的基因片段插入质粒的切口处,还要加入适量的__________。
③请指出质粒上至少要有一个标记基因的理由:
____________________________________
___________________________________________________。
(2)不同生物的基因可以拼接的结构基础是___________________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)①Ⅰ Ⅱ ②DNA连接酶 ③检测重组质粒(或目的基因)是否导入受体细胞
(2)DNA结构基本相同(其他合理答案亦可)
解析 要形成重组质粒,质粒只能出现一个切口,并且至少保留一个标记基因,因序列在GeneⅡ上,因此用限制酶Ⅰ切割质粒,保留GeneⅠ标记基因;目的基因必须切割两次,切割后产生的黏性末端能与质粒的黏性末端互补,序列中有酶Ⅱ的切割序列,因此用酶Ⅱ,产生的末端互补。
走进高考
13.(2012·新课标全国卷,40改编)根据基因工程的有关知识,回答下列问题:
(1)限制性核酸内切酶切割DNA分子后产生的片段,其末端类型有________和________。
(2)质粒载体用EcoRⅠ切割后产生的片段如下:
为使载体与目的基因相连,含有目的基因的DNA除可用EcoRⅠ切割外,还可用另一种限制性核酸内切酶切割,该酶必须具有的特点是_____________________________________
________。
(3)按其来源不同,基因工程中所使用的DNA连接酶有两类,即________DNA连接酶和________DNA连接酶。
(4)基因工程中除质粒外,____________和________也可作为载体。
(5)若用重组质粒转化大肠杆菌,一般情况下,不能直接用未处理的大肠杆菌作为受体细胞,原因是_____________________________________________
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