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人教版 (新课标)选修3《现代生物科技专题》1.1 DNA重组技术的基本工具导学案及答案
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这是一份人教版 (新课标)选修3《现代生物科技专题》1.1 DNA重组技术的基本工具导学案及答案，共13页。学案主要包含了基因工程的概念，基因工程的基本工具，重组DNA分子的模拟操作等内容，欢迎下载使用。
一、基因工程的概念、优点和理论基础
1.基因工程的概念:
(1)操作环境:生物体外。
(2)操作水平:DNA分子水平。
(3)主要技术:体外DNA重组和转基因等技术。
(4)供体:提供目的基因的细胞。
(5)受体:接受并表达目的基因的细胞。
(6)操作目的: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。
(7)转基因生物发生的变异类型:基因重组。
2.基因工程的优点:
(1)与杂交育种相比:克服了远缘杂交不亲和的障碍。
(2)与诱变育种相比:定向改造生物的遗传性状。
3.基因工程实现的理论基础:
(1)不同生物的DNA实现成功拼接的原因。
①化学成分相同:所有生物的DNA都以4种脱氧核苷酸为基本单位。
②空间结构相同:一般情况下,DNA分子具有独特的双螺旋结构。
(2)某种生物的基因能在另一种生物细胞内表达的原因:所有生物共用一套遗传密码。
(3)基因是控制生物性状的遗传物质的结构和功能的基本单位,具有一定的独立性,这为目的基因在受体细胞中的表达提供了前提条件。
二、基因工程的基本工具
1.限制性核酸内切酶(简称限制酶)——“分子手术刀”:
(1)来源:主要是从原核生物中分离纯化出来的。
(2)作用:识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,并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)结果:产生黏性末端或平末端。
2.DNA连接酶——“分子缝合针”:
(1)DNA连接酶的作用: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。
(2)DNA连接酶的种类、来源和特点:
3.基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”:
(1)种类:通常用质粒作为载体,另外还有λ噬菌体的衍生物和动植物病毒等。
(2)载体的作用。
①将目的基因转运到受体细胞中去。
②在受体细胞内对目的基因进行大量复制。
(3)作为载体必须具备的条件。
①在宿主细胞中能保存下来并大量复制。
②有一个至多个限制酶切割位点。
③有特殊的标记基因,便于筛选。
④对受体细胞无害。
三、重组DNA分子的模拟操作
1.材料用具:剪刀代表EcRⅠ,透明胶条代表DNA连接酶。
2.切割位点:
(1)分别从两块硬纸板上的一条DNA链上找出G—A—A—T—T—C序列,并选G—A之间作切口进行“切割”。
(2)再从另一条链上互补的碱基之间寻找EcRⅠ相应的切口剪开。
(3)目的基因两侧都有“切割”位点,载体上至少有一处“切割”位点。
3.操作结果:若操作正确,不同颜色的黏性末端应能互补配对;否则,说明操作有误。
1.基因工程的原理是基因重组。(√)
2.DNA重组技术所需要的工具酶有限制酶、DNA连接酶和载体。(×)
【分析】注意是“工具酶”,载体不是酶。
3.DNA聚合酶可以将目的基因和载体连接在一起。(×)
【分析】DNA聚合酶的作用是将单个的脱氧核苷酸添加到脱氧核苷酸链上,即一个一个地往上“聚”,而目的基因和载体都是DNA片段。
4.限制酶只能用于切割目的基因。(×)
【分析】限制酶既能用于切割目的基因,也能用于切割载体。
5.不同DNA分子用同一种限制酶切割形成的黏性末端相同。(√)
6.载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因。(×)
【分析】载体质粒通常采用抗生素抗性基因作为筛选标记基因。
7.载体的种类有质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等,其中动植物病毒必须是DNA病毒。(√)
8.DNA连接酶能连接所有相同或互补的黏性末端,故该酶没有专一性。(×)
【分析】任何酶都具有专一性。酶的专一性是指一种酶只能催化一种或一类化学反应,黏性末端相连接属于一类合成反应。
一、基因工程的工具酶
1.限制酶:
(1)限制酶的作用。
限制酶具有特殊的识别和切割功能,在基因工程中,一方面被用于切割含目的基因的DNA分子,以获取目的基因;另一方面用于切割载体。
(2)限制酶切割产物类型。
①EcRⅠ限制酶识别的碱基序列是GAATTC,切割位点在G和A之间,产生黏性末端,如图1。
②SmaⅠ限制酶识别的碱基序列是CCCGGG,切割位点在C和G之间,产生平末端,如图2。
(3)限制酶的特性:限制酶具有专一性。
2.DNA连接酶:
(1)作用。
将具有相同或互补黏性末端以及具有平末端的DNA片段“缝合”成新的DNA分子。
(2)连接方式。
DNA连接酶可把黏性末端或平末端之间的缝隙“缝合”起来,相当于把梯子两边的扶手的断口连接起来,形成两个磷酸二酯键,而与碱基之间的氢键形成无关。如图:
3.限制酶的选择依据:
(1)根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类。
①应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择PstⅠ。
②不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择SmaⅠ。
(2)根据质粒的特点确定限制酶的种类。
①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶一致,以确保产生相同的黏性末端。
②质粒作为载体必须具备标记基因等,所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构,如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因;如果所选酶的切割位点不是一个,则切割重组后可能丢失某些片段,若丢失的片段含复制起点区,则切割重组后的片段进入受体细胞后不能自主复制。
③为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接,也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒,如图甲也可选择用PstⅠ和EcRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点)。
【易错提醒】
与DNA有关的酶的作用不同
(1)限制酶作用于DNA,使特定部位的磷酸二酯键断开。
(2)DNA连接酶作用于DNA片段,恢复被限制酶切开的磷酸二酯键,将两个DNA片段连接为一个DNA分子。
(3)DNA聚合酶作用于脱氧核苷酸,将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端。
(4)DNA水解酶作用于DNA,将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸。
(5)解旋酶作用于DNA,将双链DNA分子局部解旋为单链,形成两条长链。
(6)RNA聚合酶识别DNA上的特定碱基序列,启动转录过程,使单个核糖核苷酸依次连接到单链末端。
【选修对接必修】
对接必修1:酶的特性
(1)酶具有哪些特性?
提示:专一性、高效性、作用条件较温和。
(2)限制酶具有专一性吗?
提示:具有专一性,限制酶能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列,并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。
对接必修2:DNA复制与PCR
(1)DNA分子复制时在DNA聚合酶的作用下,利用细胞中游离的4种脱氧核糖核苷酸为原料,按照碱基互补配对原则,各自合成与母链互补的一段子链。
(2)PCR是生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术,需要热稳定DNA聚合酶(Taq酶)参与。
通过重组DNA技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物,运用这一技术使羊乳中含有人体蛋白质,如图表示基本过程,在该过程中所用的基因“手术刀”能识别的序列和切点是,请回答下列问题:
(1)从羊DNA中“切下”羊蛋白质基因的酶是________,人体蛋白质基因“插入”羊DNA中需要的酶是______________。
(2)请写出质粒被切割形成黏性末端的过程:
【解题关键】解答本题的关键有两点:
(1)明确重组DNA技术需要三种工具,分别是限制酶、DNA连接酶和载体,理解各工具操作特点。
(2)能够说明不同生物的DNA能够连接的理论基础是基因结构均是相同的。
【解析】(1)限制酶可以识别并切割特定的脱氧核苷酸序列,可用于从羊DNA中“切下”羊蛋白质基因,使用DNA连接酶将人体蛋白质基因与载体“缝合”,然后“插入”羊的DNA中。
(2)限制酶识别的序列为—GGATCC—,并且在G与G之间切开,因此形成的黏性末端为反向重复的,其过程为
答案:(1)限制酶 DNA连接酶
1.下列有关基因工程中限制性核酸内切酶的描述,错误的是( )
A.一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核糖核苷酸序列
B.限制性核酸内切酶的活性受温度、pH的影响,总有一个最合适的条件
C.限制性核酸内切酶能破坏相邻脱氧核苷酸之间的化学键
D.限制性核酸内切酶不只存在于原核生物中,其合成场所是核糖体
【解析】选A。本题考查基因工程的“分子手术刀”——限制酶的作用、特点和来源。限制酶只能够识别双链DNA分子的某种特定的脱氧核苷酸序列,不能识别RNA分子的核糖核苷酸序列,A项错误;同其他的酶一样,限制酶同样受温度和pH的影响,而且具有发挥最大催化效率的最适温度和最适pH,B项正确;限制酶催化的是特定部位磷酸二酯键的断裂,属于水解反应,C项正确;限制酶主要从原核生物中分离纯化,也有来自真核细胞的,其本质是蛋白质,在核糖体上合成,D项正确。
2.(2018·北京高考)用Xh Ⅰ和Sal Ⅰ两种限制性核酸内切酶分别处理同一DNA片段,酶切位点及酶切产物分离结果如图。以下叙述不正确的是( )
A.图1中两种酶识别的核苷酸序列不同
B.图2中酶切产物可用于构建重组DNA
C.泳道①中是用Sal Ⅰ处理得到的酶切产物
D.图中被酶切的DNA片段是单链DNA
【解题关键】
(1)题眼:限制性核酸内切酶。
(2)解题关键:限制性核酸内切酶识别的是双链DNA的特定的核苷酸序列。
(3)解题思路:酶的特异性;根据不同的酶有几个酶切位点可以判断最终有几个DNA片段。
【解析】选D。因为酶具有特异性,所以两种酶识别的核苷酸序列不同,A项正确;酶切产物可以用于构建重组DNA,B项正确;泳道①中有3条较短的片段和1条较长的片段,共4个片段,符合Sal Ⅰ处理得到的酶切产物,C项正确;图中被酶切的DNA片段是双链DNA,D项错误。
【补偿训练】
1.一环状DNA分子,设其长度为1,限制酶A在其上的切点位于0.0处;限制酶B在其上的切点位于0.3 处;限制酶C的切点未知,但C单独切或与A或与B同时切的结果如表,请确定C在该环状DNA分子上的切点应位于图中的哪处( )
A.0.2和0.4处 B.0.4和0.6处
C.0.5和0.7处D.0.6和0.9处
【解题关键】(1)图示信息:明确限制酶A、B的切点位置分别是0.0处和0.3处。
(2)关键信息:限制酶C与限制酶A或限制酶B同时切时,可先考虑限制酶A或限制酶B先把环状DNA切开成为线状DNA分子,然后再被限制酶C切割。
【解析】选A。据图表信息可知:限制酶C单独切割环状DNA分子,获得长度为0.8和0.2的两个片段,可推知限制酶C有2个切割位点,而限制酶A 只有1个切割位点,且位于0.0处。又知限制酶C与限制酶A同时切割时,获得2个0.2和1个0.6的片段,因此以限制酶A切割点向左或向右推测,可得知限制酶C的切割位点可能为0.2、0.8或0.2、0.4或0.6、0.8处。再根据限制酶C与限制酶B同时切割时,获得2个0.1和1个0.8的片段,可推知限制酶C的切割位点可能为0.1、0.2或0.4、0.5或0.2、0.4处。综上分析,只有0.2和0.4两处与之前推测相吻合,选项A正确。
2.如图所示的酶M和酶N是两种限制酶,图中DNA片段只注明了黏性末端处的碱基种类,其他碱基的种类未注明。
(1)酶M特异性切割的DNA片段是,则酶N特异性切割的DNA片段是________。
(2)多个片段乙和多个片段丁混合在一起,用DNA连接酶拼接得到环状DNA,其中只由两个DNA片段连接成的环状DNA分子有________种。
【解题关键】(1)运用逆向思维,将切口“缝合”,寻找特定序列。
(2)既要找出相同或互补的黏性末端,又要注意题干里的条件——“多个”。
【解析】本题考查限制酶的切割特点。限制酶识别的一般是DNA上特定的回文序列,切割的是特定部位的磷酸二酯键。既然酶M识别的是片段乙和丙相接后的特定序列,那么酶N识别的就一定是片段甲和乙相接后的特定序列,这两个序列都具有回文的特点。片段乙和片段丁是同种限制酶切割后形成的,二者存在互补的黏性末端,完全可以首尾相接,形成环状的DNA分子(乙-丁);又由于是多个片段混合在一起,乙和丁本身也会分别发生“两两”连接,形成乙-乙和丁-丁两种环状的DNA分子。
答案:(1) (2)3
【误区警示】
(1)限制酶识别的序列一般是特定的回文核苷酸序列;DNA连接酶连接的是相同或互补的黏性末端,而有的DNA连接酶连接平末端后也会形成特定的回文序列。
(2)同一种限制酶一定能切出相同的黏性末端,相同的黏性末端不一定来自同一种限制酶的切割,但同样能相互连接。
二、基因工程中的常用载体
2.作用:
(1)作为运输工具,携带外源DNA片段进入受体细胞。
(2)携带目的基因在受体细胞内大量复制。
3.质粒:
(1)本质:质粒是一种裸露的、小型环状的DNA分子,而不是细胞器。
(2)来源:主要来源于原核生物,部分真菌细胞内也含有。
4.作为载体所具备的条件:
【易错提醒】
基因工程中载体的三点提醒
(1)细胞膜上的载体与基因工程中的载体的区别。
①化学本质不同:细胞膜上的载体化学成分是蛋白质;基因工程中的载体可能是物质,如质粒(DNA)、λ噬菌体的衍生物,也可能是生物,如动植物病毒等。
②功能不同:细胞膜上的载体功能是协助细胞膜控制物质进出细胞;基因工程中的载体是一种“分子运输车”,把目的基因导入受体细胞。
(2)载体需要加工:一般来说,天然载体不能同时满足所有条件,要对其进行人工改造才可以使用。
(3)标记基因的筛选原理。
①前提:载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。
②过程:含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞,抗性基因在受体细胞内表达,受体细胞对该抗生素产生抗性,然后在培养基中加入该抗生素。
③结果:在培养基上,被抗生素杀死的是没有抗性的受体细胞,没被杀死的具有抗性的受体细胞得以筛选。
某一质粒载体如图所示,外源DNA插入Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载体用BamHⅠ酶切后,与用BamHⅠ酶切获得的目的基因混合,加入DNA连接酶进行连接反应,用得到的混合物直接转化大肠杆菌,结果大肠杆菌有的未被转化,有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种,分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列问题:
(1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有______________________
____________________________(答出两点即可)。而作为基因表达载体,除满足上述基本条件外,还需具有启动子和终止子。
(2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选,在上述四种大肠杆菌细胞中,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的,其原因是_________________
________________________________________;并且________________________
____________的细胞也是不能区分的,其原因是____________________________
____________________。在上述筛选的基础上,若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落,还需使用含有________________的固体培养基。
(3)基因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其DNA复制所需的原料来自____________。
【解题关键】(1)掌握基因工程中载体应具备的基本条件。
(2)明确抗性基因的作用,能够依据题干信息灵活利用。熟练掌握病毒增殖的相关知识。
【解析】本题考查基因工程的相关知识。(1)质粒被选用为基因工程的载体是因为:具有一个至多个限制酶切点;具有自我复制能力;带有标记基因;对受体细胞无害。(2)未转化的和仅含环状目的基因的细胞都不能在含有氨苄青霉素的培养基上生长,故这两种不可区分。含有质粒载体和含有插入了目的基因的重组质粒的细胞在含有氨苄青霉素的培养基上都能生长,这两种也不可区分。因目的基因插入位点在四环素抗性基因上,四环素抗性基因被破坏,在获得的单个菌落中各挑取少许分别接种到含有四环素的培养基上,不能生长的为要筛选的菌落,即含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。
(3)噬菌体营寄生生活,能利用宿主细胞内的原料和场所进行自身DNA的复制和蛋白质的合成。
答案:(1)能自我复制、具有标记基因 (2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插入了目的基因的重组质粒(或含有重组质粒) 二者均含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均能生长 四环素 (3)受体细胞
【误区警示】用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选时,只要氨苄青霉素抗性基因结构完整,又成功地导入受体细胞并成功表达的细胞都能生长,反之则不能生长。
1.(2020·辽宁联考)质粒是细菌中的有机分子,下列对其描述,正确的是( )
A.质粒完全水解后最多可产生4种化合物
B.质粒能够自我复制
C.质粒中含有两个游离的磷酸基团
D.质粒是基因工程的工具酶
【解题关键】明确质粒的本质:独立于细菌拟核DNA之外,具有自我复制能力的小型双链环状DNA分子。
【解析】选B。质粒是一种具有自我复制能力的很小的双链环状DNA分子,不含游离的磷酸基团,完全水解后最多可产生6种化合物:脱氧核糖、磷酸、4种含氮碱基,A、C错误,B正确;质粒是基因工程的载体,不是工具酶,D错误。
2.下面是四种不同质粒的示意图,其中ri为复制必需的序列,Ampr为氨苄青霉素抗性基因,Tetr为四环素抗性基因,箭头表示一种限制性核酸内切酶的酶切位点。若要得到一个能在四环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长的含重组DNA的细胞,应选用的质粒是( )
【解析】选C。质粒中Ampr和Tetr均为标记基因,若要得到一个能在四环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长的含重组DNA的细胞,目的基因应该插入到Ampr上,破坏Ampr,保证Tetr的完整性。综上所述,C符合题意。
【补偿训练】
限制酶MunⅠ和限制酶EcR Ⅰ的识别序列及切割位点分别是和。如图表示四种质粒和目的基因,其中,质粒上箭头所指部位为酶的识别位点,阴影部分表示标记基因。适于作为图示目的基因载体的质粒是( )
【解题关键】作为载体的质粒必须与目的基因具有相同的限制酶切点,并且该切点不能破坏质粒的标记基因。
【解析】选A。用限制酶MunⅠ切割A质粒后,不会破坏标记基因,而且还能产生与目的基因两侧黏性末端相同的末端,适于作为目的基因的载体。B项中质粒没有标记基因,不适于作为目的基因的载体。C、D质粒含有标记基因,但用限制酶切割后会被破坏,因此不适于作为目的基因的载体。种 类
来 源
特 点
E·cli
DNA连接酶
大肠杆菌
只能“缝合”具有互补黏性末端的双链DNA片段
T4DNA
连接酶
T4噬菌体
既可以“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端,又可以“缝合”双链DNA片段的平末端
C单独切
长度为0.8和0.2的两个片段
C与A同时切
长度为2个0.2和1个0.6的
片段
C与B同时切
长度为2个0.1和1个0.8的
片段
条件
意义
稳定并能复制
目的基因稳定存在且数量可扩大
有一至多个限制酶切割位点
便于与目的基因连接
具有特殊的标记基因
便于重组DNA的鉴定和选择
无毒害作用
避免受体细胞受到损伤
一、基因工程的概念、优点和理论基础
1.基因工程的概念:
(1)操作环境:生物体外。
(2)操作水平:DNA分子水平。
(3)主要技术:体外DNA重组和转基因等技术。
(4)供体:提供目的基因的细胞。
(5)受体:接受并表达目的基因的细胞。
(6)操作目的: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。
(7)转基因生物发生的变异类型:基因重组。
2.基因工程的优点:
(1)与杂交育种相比:克服了远缘杂交不亲和的障碍。
(2)与诱变育种相比:定向改造生物的遗传性状。
3.基因工程实现的理论基础:
(1)不同生物的DNA实现成功拼接的原因。
①化学成分相同:所有生物的DNA都以4种脱氧核苷酸为基本单位。
②空间结构相同:一般情况下,DNA分子具有独特的双螺旋结构。
(2)某种生物的基因能在另一种生物细胞内表达的原因:所有生物共用一套遗传密码。
(3)基因是控制生物性状的遗传物质的结构和功能的基本单位,具有一定的独立性,这为目的基因在受体细胞中的表达提供了前提条件。
二、基因工程的基本工具
1.限制性核酸内切酶(简称限制酶)——“分子手术刀”:
(1)来源:主要是从原核生物中分离纯化出来的。
(2)作用:识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,并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)结果:产生黏性末端或平末端。
2.DNA连接酶——“分子缝合针”:
(1)DNA连接酶的作用: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。
(2)DNA连接酶的种类、来源和特点:
3.基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”:
(1)种类:通常用质粒作为载体,另外还有λ噬菌体的衍生物和动植物病毒等。
(2)载体的作用。
①将目的基因转运到受体细胞中去。
②在受体细胞内对目的基因进行大量复制。
(3)作为载体必须具备的条件。
①在宿主细胞中能保存下来并大量复制。
②有一个至多个限制酶切割位点。
③有特殊的标记基因,便于筛选。
④对受体细胞无害。
三、重组DNA分子的模拟操作
1.材料用具:剪刀代表EcRⅠ,透明胶条代表DNA连接酶。
2.切割位点:
(1)分别从两块硬纸板上的一条DNA链上找出G—A—A—T—T—C序列,并选G—A之间作切口进行“切割”。
(2)再从另一条链上互补的碱基之间寻找EcRⅠ相应的切口剪开。
(3)目的基因两侧都有“切割”位点,载体上至少有一处“切割”位点。
3.操作结果:若操作正确,不同颜色的黏性末端应能互补配对;否则,说明操作有误。
1.基因工程的原理是基因重组。(√)
2.DNA重组技术所需要的工具酶有限制酶、DNA连接酶和载体。(×)
【分析】注意是“工具酶”,载体不是酶。
3.DNA聚合酶可以将目的基因和载体连接在一起。(×)
【分析】DNA聚合酶的作用是将单个的脱氧核苷酸添加到脱氧核苷酸链上,即一个一个地往上“聚”,而目的基因和载体都是DNA片段。
4.限制酶只能用于切割目的基因。(×)
【分析】限制酶既能用于切割目的基因,也能用于切割载体。
5.不同DNA分子用同一种限制酶切割形成的黏性末端相同。(√)
6.载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因。(×)
【分析】载体质粒通常采用抗生素抗性基因作为筛选标记基因。
7.载体的种类有质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等,其中动植物病毒必须是DNA病毒。(√)
8.DNA连接酶能连接所有相同或互补的黏性末端,故该酶没有专一性。(×)
【分析】任何酶都具有专一性。酶的专一性是指一种酶只能催化一种或一类化学反应,黏性末端相连接属于一类合成反应。
一、基因工程的工具酶
1.限制酶:
(1)限制酶的作用。
限制酶具有特殊的识别和切割功能,在基因工程中,一方面被用于切割含目的基因的DNA分子,以获取目的基因;另一方面用于切割载体。
(2)限制酶切割产物类型。
①EcRⅠ限制酶识别的碱基序列是GAATTC,切割位点在G和A之间,产生黏性末端,如图1。
②SmaⅠ限制酶识别的碱基序列是CCCGGG,切割位点在C和G之间,产生平末端,如图2。
(3)限制酶的特性:限制酶具有专一性。
2.DNA连接酶:
(1)作用。
将具有相同或互补黏性末端以及具有平末端的DNA片段“缝合”成新的DNA分子。
(2)连接方式。
DNA连接酶可把黏性末端或平末端之间的缝隙“缝合”起来,相当于把梯子两边的扶手的断口连接起来,形成两个磷酸二酯键,而与碱基之间的氢键形成无关。如图:
3.限制酶的选择依据:
(1)根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类。
①应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择PstⅠ。
②不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择SmaⅠ。
(2)根据质粒的特点确定限制酶的种类。
①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶一致,以确保产生相同的黏性末端。
②质粒作为载体必须具备标记基因等,所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构,如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因;如果所选酶的切割位点不是一个,则切割重组后可能丢失某些片段,若丢失的片段含复制起点区,则切割重组后的片段进入受体细胞后不能自主复制。
③为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接,也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒,如图甲也可选择用PstⅠ和EcRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点)。
【易错提醒】
与DNA有关的酶的作用不同
(1)限制酶作用于DNA,使特定部位的磷酸二酯键断开。
(2)DNA连接酶作用于DNA片段,恢复被限制酶切开的磷酸二酯键,将两个DNA片段连接为一个DNA分子。
(3)DNA聚合酶作用于脱氧核苷酸,将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端。
(4)DNA水解酶作用于DNA,将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸。
(5)解旋酶作用于DNA,将双链DNA分子局部解旋为单链,形成两条长链。
(6)RNA聚合酶识别DNA上的特定碱基序列,启动转录过程,使单个核糖核苷酸依次连接到单链末端。
【选修对接必修】
对接必修1:酶的特性
(1)酶具有哪些特性?
提示:专一性、高效性、作用条件较温和。
(2)限制酶具有专一性吗?
提示:具有专一性,限制酶能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列,并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。
对接必修2:DNA复制与PCR
(1)DNA分子复制时在DNA聚合酶的作用下,利用细胞中游离的4种脱氧核糖核苷酸为原料,按照碱基互补配对原则,各自合成与母链互补的一段子链。
(2)PCR是生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术,需要热稳定DNA聚合酶(Taq酶)参与。
通过重组DNA技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物,运用这一技术使羊乳中含有人体蛋白质,如图表示基本过程,在该过程中所用的基因“手术刀”能识别的序列和切点是,请回答下列问题:
(1)从羊DNA中“切下”羊蛋白质基因的酶是________,人体蛋白质基因“插入”羊DNA中需要的酶是______________。
(2)请写出质粒被切割形成黏性末端的过程:
【解题关键】解答本题的关键有两点:
(1)明确重组DNA技术需要三种工具,分别是限制酶、DNA连接酶和载体,理解各工具操作特点。
(2)能够说明不同生物的DNA能够连接的理论基础是基因结构均是相同的。
【解析】(1)限制酶可以识别并切割特定的脱氧核苷酸序列,可用于从羊DNA中“切下”羊蛋白质基因,使用DNA连接酶将人体蛋白质基因与载体“缝合”,然后“插入”羊的DNA中。
(2)限制酶识别的序列为—GGATCC—,并且在G与G之间切开,因此形成的黏性末端为反向重复的,其过程为
答案:(1)限制酶 DNA连接酶
1.下列有关基因工程中限制性核酸内切酶的描述,错误的是( )
A.一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核糖核苷酸序列
B.限制性核酸内切酶的活性受温度、pH的影响,总有一个最合适的条件
C.限制性核酸内切酶能破坏相邻脱氧核苷酸之间的化学键
D.限制性核酸内切酶不只存在于原核生物中,其合成场所是核糖体
【解析】选A。本题考查基因工程的“分子手术刀”——限制酶的作用、特点和来源。限制酶只能够识别双链DNA分子的某种特定的脱氧核苷酸序列,不能识别RNA分子的核糖核苷酸序列,A项错误;同其他的酶一样,限制酶同样受温度和pH的影响,而且具有发挥最大催化效率的最适温度和最适pH,B项正确;限制酶催化的是特定部位磷酸二酯键的断裂,属于水解反应,C项正确;限制酶主要从原核生物中分离纯化,也有来自真核细胞的,其本质是蛋白质,在核糖体上合成,D项正确。
2.(2018·北京高考)用Xh Ⅰ和Sal Ⅰ两种限制性核酸内切酶分别处理同一DNA片段,酶切位点及酶切产物分离结果如图。以下叙述不正确的是( )
A.图1中两种酶识别的核苷酸序列不同
B.图2中酶切产物可用于构建重组DNA
C.泳道①中是用Sal Ⅰ处理得到的酶切产物
D.图中被酶切的DNA片段是单链DNA
【解题关键】
(1)题眼:限制性核酸内切酶。
(2)解题关键:限制性核酸内切酶识别的是双链DNA的特定的核苷酸序列。
(3)解题思路:酶的特异性;根据不同的酶有几个酶切位点可以判断最终有几个DNA片段。
【解析】选D。因为酶具有特异性,所以两种酶识别的核苷酸序列不同,A项正确;酶切产物可以用于构建重组DNA,B项正确;泳道①中有3条较短的片段和1条较长的片段,共4个片段,符合Sal Ⅰ处理得到的酶切产物,C项正确;图中被酶切的DNA片段是双链DNA,D项错误。
【补偿训练】
1.一环状DNA分子,设其长度为1,限制酶A在其上的切点位于0.0处;限制酶B在其上的切点位于0.3 处;限制酶C的切点未知,但C单独切或与A或与B同时切的结果如表,请确定C在该环状DNA分子上的切点应位于图中的哪处( )
A.0.2和0.4处 B.0.4和0.6处
C.0.5和0.7处D.0.6和0.9处
【解题关键】(1)图示信息:明确限制酶A、B的切点位置分别是0.0处和0.3处。
(2)关键信息:限制酶C与限制酶A或限制酶B同时切时,可先考虑限制酶A或限制酶B先把环状DNA切开成为线状DNA分子,然后再被限制酶C切割。
【解析】选A。据图表信息可知:限制酶C单独切割环状DNA分子,获得长度为0.8和0.2的两个片段,可推知限制酶C有2个切割位点,而限制酶A 只有1个切割位点,且位于0.0处。又知限制酶C与限制酶A同时切割时,获得2个0.2和1个0.6的片段,因此以限制酶A切割点向左或向右推测,可得知限制酶C的切割位点可能为0.2、0.8或0.2、0.4或0.6、0.8处。再根据限制酶C与限制酶B同时切割时,获得2个0.1和1个0.8的片段,可推知限制酶C的切割位点可能为0.1、0.2或0.4、0.5或0.2、0.4处。综上分析,只有0.2和0.4两处与之前推测相吻合,选项A正确。
2.如图所示的酶M和酶N是两种限制酶,图中DNA片段只注明了黏性末端处的碱基种类,其他碱基的种类未注明。
(1)酶M特异性切割的DNA片段是,则酶N特异性切割的DNA片段是________。
(2)多个片段乙和多个片段丁混合在一起,用DNA连接酶拼接得到环状DNA,其中只由两个DNA片段连接成的环状DNA分子有________种。
【解题关键】(1)运用逆向思维,将切口“缝合”,寻找特定序列。
(2)既要找出相同或互补的黏性末端,又要注意题干里的条件——“多个”。
【解析】本题考查限制酶的切割特点。限制酶识别的一般是DNA上特定的回文序列,切割的是特定部位的磷酸二酯键。既然酶M识别的是片段乙和丙相接后的特定序列,那么酶N识别的就一定是片段甲和乙相接后的特定序列,这两个序列都具有回文的特点。片段乙和片段丁是同种限制酶切割后形成的,二者存在互补的黏性末端,完全可以首尾相接,形成环状的DNA分子(乙-丁);又由于是多个片段混合在一起,乙和丁本身也会分别发生“两两”连接,形成乙-乙和丁-丁两种环状的DNA分子。
答案:(1) (2)3
【误区警示】
(1)限制酶识别的序列一般是特定的回文核苷酸序列;DNA连接酶连接的是相同或互补的黏性末端,而有的DNA连接酶连接平末端后也会形成特定的回文序列。
(2)同一种限制酶一定能切出相同的黏性末端,相同的黏性末端不一定来自同一种限制酶的切割,但同样能相互连接。
二、基因工程中的常用载体
2.作用:
(1)作为运输工具,携带外源DNA片段进入受体细胞。
(2)携带目的基因在受体细胞内大量复制。
3.质粒:
(1)本质:质粒是一种裸露的、小型环状的DNA分子,而不是细胞器。
(2)来源:主要来源于原核生物,部分真菌细胞内也含有。
4.作为载体所具备的条件:
【易错提醒】
基因工程中载体的三点提醒
(1)细胞膜上的载体与基因工程中的载体的区别。
①化学本质不同:细胞膜上的载体化学成分是蛋白质;基因工程中的载体可能是物质,如质粒(DNA)、λ噬菌体的衍生物,也可能是生物,如动植物病毒等。
②功能不同:细胞膜上的载体功能是协助细胞膜控制物质进出细胞;基因工程中的载体是一种“分子运输车”,把目的基因导入受体细胞。
(2)载体需要加工:一般来说,天然载体不能同时满足所有条件,要对其进行人工改造才可以使用。
(3)标记基因的筛选原理。
①前提:载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。
②过程:含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞,抗性基因在受体细胞内表达,受体细胞对该抗生素产生抗性,然后在培养基中加入该抗生素。
③结果:在培养基上,被抗生素杀死的是没有抗性的受体细胞,没被杀死的具有抗性的受体细胞得以筛选。
某一质粒载体如图所示,外源DNA插入Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载体用BamHⅠ酶切后,与用BamHⅠ酶切获得的目的基因混合,加入DNA连接酶进行连接反应,用得到的混合物直接转化大肠杆菌,结果大肠杆菌有的未被转化,有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种,分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列问题:
(1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有______________________
____________________________(答出两点即可)。而作为基因表达载体,除满足上述基本条件外,还需具有启动子和终止子。
(2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选,在上述四种大肠杆菌细胞中,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的,其原因是_________________
________________________________________;并且________________________
____________的细胞也是不能区分的,其原因是____________________________
____________________。在上述筛选的基础上,若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落,还需使用含有________________的固体培养基。
(3)基因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其DNA复制所需的原料来自____________。
【解题关键】(1)掌握基因工程中载体应具备的基本条件。
(2)明确抗性基因的作用,能够依据题干信息灵活利用。熟练掌握病毒增殖的相关知识。
【解析】本题考查基因工程的相关知识。(1)质粒被选用为基因工程的载体是因为:具有一个至多个限制酶切点;具有自我复制能力;带有标记基因;对受体细胞无害。(2)未转化的和仅含环状目的基因的细胞都不能在含有氨苄青霉素的培养基上生长,故这两种不可区分。含有质粒载体和含有插入了目的基因的重组质粒的细胞在含有氨苄青霉素的培养基上都能生长,这两种也不可区分。因目的基因插入位点在四环素抗性基因上,四环素抗性基因被破坏,在获得的单个菌落中各挑取少许分别接种到含有四环素的培养基上,不能生长的为要筛选的菌落,即含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。
(3)噬菌体营寄生生活,能利用宿主细胞内的原料和场所进行自身DNA的复制和蛋白质的合成。
答案:(1)能自我复制、具有标记基因 (2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插入了目的基因的重组质粒(或含有重组质粒) 二者均含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均能生长 四环素 (3)受体细胞
【误区警示】用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选时,只要氨苄青霉素抗性基因结构完整,又成功地导入受体细胞并成功表达的细胞都能生长,反之则不能生长。
1.(2020·辽宁联考)质粒是细菌中的有机分子,下列对其描述,正确的是( )
A.质粒完全水解后最多可产生4种化合物
B.质粒能够自我复制
C.质粒中含有两个游离的磷酸基团
D.质粒是基因工程的工具酶
【解题关键】明确质粒的本质:独立于细菌拟核DNA之外,具有自我复制能力的小型双链环状DNA分子。
【解析】选B。质粒是一种具有自我复制能力的很小的双链环状DNA分子,不含游离的磷酸基团,完全水解后最多可产生6种化合物:脱氧核糖、磷酸、4种含氮碱基,A、C错误,B正确;质粒是基因工程的载体,不是工具酶,D错误。
2.下面是四种不同质粒的示意图,其中ri为复制必需的序列,Ampr为氨苄青霉素抗性基因,Tetr为四环素抗性基因,箭头表示一种限制性核酸内切酶的酶切位点。若要得到一个能在四环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长的含重组DNA的细胞,应选用的质粒是( )
【解析】选C。质粒中Ampr和Tetr均为标记基因,若要得到一个能在四环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长的含重组DNA的细胞,目的基因应该插入到Ampr上,破坏Ampr,保证Tetr的完整性。综上所述,C符合题意。
【补偿训练】
限制酶MunⅠ和限制酶EcR Ⅰ的识别序列及切割位点分别是和。如图表示四种质粒和目的基因,其中,质粒上箭头所指部位为酶的识别位点,阴影部分表示标记基因。适于作为图示目的基因载体的质粒是( )
【解题关键】作为载体的质粒必须与目的基因具有相同的限制酶切点,并且该切点不能破坏质粒的标记基因。
【解析】选A。用限制酶MunⅠ切割A质粒后,不会破坏标记基因,而且还能产生与目的基因两侧黏性末端相同的末端,适于作为目的基因的载体。B项中质粒没有标记基因,不适于作为目的基因的载体。C、D质粒含有标记基因,但用限制酶切割后会被破坏,因此不适于作为目的基因的载体。种 类
来 源
特 点
E·cli
DNA连接酶
大肠杆菌
只能“缝合”具有互补黏性末端的双链DNA片段
T4DNA
连接酶
T4噬菌体
既可以“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端,又可以“缝合”双链DNA片段的平末端
C单独切
长度为0.8和0.2的两个片段
C与A同时切
长度为2个0.2和1个0.6的
片段
C与B同时切
长度为2个0.1和1个0.8的
片段
条件
意义
稳定并能复制
目的基因稳定存在且数量可扩大
有一至多个限制酶切割位点
便于与目的基因连接
具有特殊的标记基因
便于重组DNA的鉴定和选择
无毒害作用
避免受体细胞受到损伤
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