现代生物科技导学案.docx
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现代生物科技导学案
现代生物科技专题
导学案
高二生物备课组:
现代生物科技专题
专题一基因工程
生物选修三现代生物技术专题(绪论).................................
1.1DNA重组技术的基本工具.......................................
1.2基因工程的基本操作程序........................................
1.3基因工程的应用...............................................
1.4蛋白质工程的崛起..............................................
专题二细胞工程
2.1植物细胞工程基本技术............................................
2.2植物细胞工程的实际应用..........................................
2.3动物细胞培养和核移植技术........................................
2.4动物细胞融合与单克隆抗体........................................
专题三胚胎工程
3.1体内受精和早期胚胎发育.........................................
3.2体内受精和早期胚胎发育.........................................
3.3体外受精和早期胚胎培养.........................................
3.4胚胎工程的应用及前景...........................................
专题四生物技术的安全性和伦理问题
4.1转基因生物的安全性.............................................
4.2关注生物技术的伦理问题.........................................
4.3禁止生物武器...................................................
专题五生态工程
5.1生态工程的基本原理............................................
5.1生态工程的基本原理............................................
课题1.1DNA重组技术的基本工具
【知识方面】简述DNA重组技术所需三种基本工具的来源、特点、条件及作用。
【能力方面】模拟重组DNA分子的操作过程,说出基本原理。
【情感、态度与价值观】认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。
【学习重点】DNA重组技术所需要的三种基本工具的作用
【学习难点】基因工程载体需要具备的条件
【自主学习】
一、基因工程的概念
基因工程是指按照,进行严格的设计,并通过DNA重组和转基因等技术,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。
由于基因工程是在水平上进行设计和施工的,因此又叫做。
二、DNA重组技术的基本工具
1、限制性核酸内切酶
(1)切割DNA的工具是,又称。
来源:
主要是从中分离纯化出来的。
(2)这类酶在生物体内能将外来的DNA切断,即能够限制异源DNA的侵入并使之失去活力,但对自己的DNA却无损害作用,这样可以保持细胞原有的遗传信息。
(3)由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的,故名限制性核酸内切酶(简称限制酶)。
功能:
能够识别双链DNA分子的某种核苷酸序列,并且使每一条链中部位的两个核苷酸之间的断开,因此具有性。
大多数限制酶的识别序列由个核苷酸组成。
(4)DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段,末端通常有两种形式,即和。
前者是限制酶在它识别序列的将DNA的两条链切开产生的,后者是限制酶在它识别序列的切开产生的。
2、DNA连接酶——“分子缝合针”
根据DNA连接酶的来源不同,可以将它分为两类:
一类是从大肠杆菌中分离得到的,称为DNA连接酶。
另一类是从分离出来的,称为T4DNA连接酶。
(1)相同点:
都缝合键。
(2)区别:
E·coliDNA连接酶只能将双链DNA片段互补的之间连接起来,而不能将双链DNA片段之间进行连接;而T4DNA连接酶既可以“缝合”双链DNA片段互补的,又可以“缝合”双链DNA片段的。
但连接平末端的之间的效率较。
3、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
(1)基因操作过程中使用载体两个目的:
一是用它作为运载工具,将目的基因转移到宿主细胞中去;二是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量的复制。
(2)基因工程中使用的载体有:
、和等。
其中最常用的是。
质粒:
是一种的、、,并具有
能力的。
有的细菌中有一个,有的细菌中有多个。
(3)质粒通过细菌间的接合由一个细菌向另一个细菌转移,可以复制,也可整合到细菌拟核DNA中,随着拟核DNA的复制而复制。
【合作探究】
1、限制酶是否只能来自原核生物?
2、限制性核酸内切酶能识别和切割单链DNA吗?
3、限制酶能识别特定的核苷酸序列,在该序列的任意两个核苷酸之间起作用吗?
4、绘制粘性末端、平末端的形成过程。
5、两种DNA连接酶有什么区别?
6、DNA连接酶能否连接任意的两个DNA片段,举例说明。
7、标记基因的作用是什么?
举例说明。
8、运载体必须具备什么条件,这些条件的作用是什么?
【重点精讲】
1.“分子手术刀”——限制性核酸内切酶(限制酶)
(1)来源:
主要是从微生物中分离纯化出来的
(2)功能:
能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列,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开,因此具有专一性。
(3)结果:
经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式即黏性末端和平末端。
2.“分子缝合针”——DNA连接酶
(1)两种DNA连接酶(E·coliDNA连接酶和T4-DNA连接酶)的比较:
①相同点:
都缝合磷酸二酯键。
②区别:
E·coliDNA连接酶来源于T4噬菌体,只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间的磷酸二酯键连接起来;而T4DNA连接酶能缝合两种末端,但连接平末端的之间的效率较低。
(2)与DNA聚合酶作用的异同:
DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端,形成磷酸二酯键。
DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端,形成磷酸二酯键。
3.“分子运输车”——载体
(1)载体具备的条件:
①能在受体细胞中复制并稳定保存;
②具有一至多个限制酶切点,供外源DNA片段插入;
③具有标记基因,供重组DNA的鉴定和选择。
(2)最常用的载体是质粒,它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌染色体之外,并具有自我复制能力的环状DNA分子。
(3)其它载体:
λ噬菌体衍生物、动植物病毒
【反馈训练】
1、下列关于限制酶的说法正确的是()
A、限制酶广泛存在于各种生物中,但微生物中很少
B、一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列
C、不同的限制酶切割DNA后都会形成黏性末端
D、限制酶的作用部位是特定核苷酸形成的氢键
2、下图为DNA分子的切割和连接过程。
(1)EcoRI是一种酶,其识别序列是,切割位点是与之间的键。
切割结果产生的DNA片段末端形式为。
(2)不同来源DNA片段结合,在这里需要的酶应是连接酶,此酶的作用是在与之间形成键,而起“缝合”作用的。
还有一种连接平
末端的连接酶是。
3、以下是两种限制酶切割后形成的DNA片段,分析回答问
题。
(1)其中①和是由一种限制酶切割形成的末端,两者要重组成一个DNA分子,所用DNA连接酶通常是。
(2)和是由另一种限制酶切割形成的末端,两者要形成重组DNA片段,所用DNA连接酶通常是。
【教学反思】
课题1.2基因工程的基本操作程序
【知识目标】简述基因工程原理及基本操作程序
【能力目标】尝试设计某一转基因生物的研制过程
【情感、态度与价值观】认同基因工程的程序性
【学习重点】基因工程基本操作程序的四个步骤
【学习难点】从基因文库中获取目的基因;利用PCR技术扩增目的基因
【自主学习】
一.基因工程的基本操作程序:
1、基因工程的四个基本操作程序:
、 、 、 。
二.基本操作程序具体步骤:
(一)目的基因的获取
1.目的基因:
符合人们需要的,编码蛋白质的 。
2.获取目的基因的方法
(1)从 中获取目的基因:
基因组文库:
含有一种生物的 基因
cDNA文库:
含有一种生物的 基因
②目的基因的获取
根据基因的有关信息:
基因的 序列、基因在 上的位置、基因的 产物mRNA、基因的 产物蛋白质等特性获取目的基因。
(2)利用 扩增目的基因:
①PCR:
是一项在生物体外 特定DNA片段的核酸合成技术。
②条件:
已知目的基因的 序列。
③过程:
目的基因DNA受热形成 ,与 结合,然后在 _的作用下进行延伸形成DNA。
④方式:
指数扩增=2n(n为扩增循环的次数)
(3)人工合成法:
基因较小,核苷酸序列已知,可以人工合成。
①反转录法:
以目的基因转录成的信使RNA为模板,反转录成互补的单链DNA,然后在酶的作用下合成双链DNA,从而获得所需的基因。
②根据已知的氨基酸序列合成DNA法:
根据已知蛋白质的氨基酸序列,推测出相应的信使RNA序列,然后按照碱基互补配对原则,推测出它的结构基因的核苷酸序列,再通过化学方法,以单核苷酸为原料合成目的基因。
(二)基因表达载体的构建——基因工程的核心
1.表达载体的组成:
目的基因+ + +标记基因等。
(1)启动子:
是一段有特殊结构的 ,位于基因的 ,它是 结合的部位,驱动基因转录产生mRNA。
(2)终止子:
也是一段有特殊结构的 位于基因的 ,终止 。
(3)标记基因:
受体细胞是否含有目的基因。
常用的标记基因是 。
2.表达载体的功能:
使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且 给下一代;使目的基因 和发挥作用。
(三)将目的基因导入受体细胞
1.将目的基因导入植物细胞
采用最多的方法是 ,其次还有 和 等。
(1)农杆菌转化法
①农杆菌特点:
易感染 植物和裸子植物,对___________植物没有感染力;Ti质粒的 可转移至受体细胞,并整合到受体细胞的染色体上。
②转化:
目的基因插人 农杆菌→导入植物细胞→目的基因整合到植物细胞染色体上→目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达。
(2)基因枪法
基因枪法:
是单子叶植物中常用的一种基因转化方法,但是成本较高。
(3)花粉管通道法
花粉管通道法:
这是我国科学家独创的一种方法,是一种十分简便经济的方法。
(我的的转基因抗虫棉就是用此种方法获得的)
2.将目的基因导入动物细胞
(1)方法:
注射技术。
(2)操作程序:
目的基因表达载体 →取卵(受精卵)→显微注射→注射了目的基因的受精卵移植到____性动物的 ____________内发育→新性状动物。
3.将目的基因导人微生物细胞
(1)原核生物作为受体细胞的原因是 ,最常用的原核细胞是 。
(2)转化:
处理细胞→ 细胞→表达载体与感受态细胞混合→
_________ 细胞吸收DNA分子。
(四)目的基因的检测与鉴定
1.检测:
(1)首先要检测 ,方法是采用 。
(2)其次还要检测 ,方法是采用 。
(3)最后检测 ,方法是从转基因生物中提取 ,用相应的 进行 杂交。
2.鉴定:
有时还需进行 的鉴定。
如一个抗虫或抗病的目的基因导入植物细胞后,是否赋予了植物抗虫或抗病特性,需要做 实验。
【合作探究】
1、什么是部分基因组文库?
什么是cDNA文库?
部分基因组文库就是指cDNA文库吗?
列表比较基因组文库和部分基因组文库。
2、怎样根据目的基因的有关信息从基因文库中得到我们所需的目的基因呢?
请举例说明。
3、PCR技术的原理是什么?
需要不需要解旋酶?
PCR技术中的聚合酶有什么特点?
PCR技术过程中能量由什么物质提供?
引物是DNA还是RNA?
4、用同种限制内切酶切割的质粒和目的基因,用连接酶连接,会产生几种重组质粒?
5、目的基因的结构必须要求有启动子和终止子吗?
6、什么是转化?
讨论一下什么是可转移的DNA,它可能有什么特点?
7、在把目的基因通过运载体后,该基因是被运载到细胞核中还是在细胞质中?
8、将目的基因导入动物细胞时,采用显微注射仪进行显微注射,那么注射的是纯目的基因还是含有目的基因的表达载体?
9、简述DNA探针的作用过程?
10、目的基因检测的关键和最简单方法分别是?
【重点精讲】
1、基因工程的基本操作程序为什么要分四个步骤,分析每一步骤的必要性。
(1)为什么要有“目的基因的获取”这一步?
从基因工程的概念所说的“更符合人们需要”,就是目的,那么更符合人们需要的那个基因就是目的基因了。
有了目的基因,我们才能赋予一种生物以另一种生物的遗传特性。
(2)为什么要有“表达载体的构建”这一步?
单独的DNA片段──目的基因是不能稳定遗传的。
构建表达载体的目的是为了使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代,同时使目的基因能表达和发挥作用。
(3)为什么要有“目的基因导入受体细胞”这一步?
含有目的基因的表达载体只有进入受体细胞,并且维持稳定和表达,才能实现一种生物的基因在另一种生物中的转化。
(4)为什么要有“目的基因的检测与鉴定”这一步?
这是因为目的基因是否真正插入受体细胞的DNA中,是否能够在受体细胞中稳定遗传和正确表达,只有通过检测、鉴定才能得知。
2.目的基因的获取方法:
3.基因表达载体的构成:
目的基因+启动子+终止子+标记基因
(1)启动子:
是一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的首端,是RNA聚合酶
识别和结合的部位,能启动基因转录出mRNA,最终获得所需的蛋白质。
(2)终止子:
也是一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的尾端,终止基因的转录。
(3)标记基因:
一段特殊的基因序列,主要是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因,从而将含有目的基因的细胞筛选出来,常用的标记基因是抗生素基因。
4.为了防止转基因作物的目的基因通过花粉转移的自然界的其他植物上,科学家设法将目的基因整和到受体细胞的叶绿体基因组中,其原因是什么?
提示:
受精卵中的细胞质几乎全部来自卵细胞?
!
如果转基因作物的目的基因整合到细胞核的基因组中,则既可以通过父本传递,又可以通过母本传递,特别是花粉,不仅数目多,而且传播远,能转移的自然界的其他植物上。
如果使其只能通过母本传递,则只能传给母本的后代。
细胞质遗传是母系遗传,如果目的基因整合到受体细胞的叶绿体基因组中,其目的基因是细胞质遗传,只能传给母本的后代。
这就是科学家设法将目的基因整和到受体细胞的叶绿体基因组中的原因。
5、简述DNA探针的作用过程?
DNA探针一般用放射性同位素(如P32、S35、C14或H3)或荧光标记的某种病基因的一条链,一般是通过加热使其变性而达到解链目的。
解链DNA分子被迅速冷却到只能缓慢复性的温度以下,可使探针保持单链状态。
这样已知的经过标记的单链的探针能够在化验样品中通过碱基互补找到互补链,并与之结合(杂交)在一起,杂交体发出射线或荧光可被观察到。
找不到互补链的DNA探针,则可以被洗脱。
这样可通过有无射线或荧光判断是否有某病基因。
6、如何在分子水平和个体水平检测目的基因是否表达?
(1)检测目的基因的染色体DNA上是否插入了目的基因——DNA分子杂交
(2)检测目的基因是否转录出了mRNA——用标记的目的基因作探针与mRNA杂交
(3)检测目的基因是否翻译成蛋白质——用相应的抗体进行抗原-抗体杂交
(4)有时还需进行个体生物学水平的鉴定,如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。
7、在基因工程操作步骤中,哪些步骤需要碱基配对,哪些不需要?
只有第三步将目的基因导入受体细胞不需要碱基互补配对
【反馈训练】
1 、下列获取目的基因的方法中需要模板链的是( )
①从基因文库中获取目的基因 ②利用PCR技术扩增目的基因 ③反转录法 ④通过DNA合成仪利用化学方法人工合成
A.①②③④ B.①②③ C.②③④ D.②③
2、科学家在培育抗虫棉时,经过了许多复杂的过程和不懈的努力,才获得成功。
起初把苏云金芽孢杆菌的抗虫基因插入载体质粒中,然后导入棉花的受精卵中,结果抗虫基因在棉花体内没有表达。
然后在插入抗虫基因的质粒中插入启动子(抗虫基因首端),导人棉花受精卵,长成的棉花植株还是没有抗虫能力。
科学家又在有启动子、抗虫基因的质粒中插入终止子(抗虫基因末端),导入棉花受精卵,结果成长的植株,有了抗虫能力。
由以上过程推知,作为目的基因的运载体应具备的结构是
A.目的基因、启动子 B.目的基因、终止子
C.目的基因、启动子、终止子 D.目的基因、启动子、终止子、标记基因
3、采用基因工程的方法培育抗虫棉,下列导入目的基因的做法正确的是( )
①将毒素蛋白注射到棉受精卵中②将编码毒素蛋白的DNA序列,注射到棉受精卵中③将编码毒素蛋白的DNA序列,与质粒重组,导人细菌,用该细菌感染棉的体细胞,再进行组织培养④将编码毒素蛋白的DNA序列,与细菌质粒重组,注射到棉的子房并进入受精卵
A、①② B、②③ C、③④ D、①④
4、下图是将人的生长激素基因导人细菌B细胞内制造“工程菌”的示意图,所用载体为质粒A。
已知细菌B细胞内不含质粒A,也不含质粒A上的基因,质粒A导人细菌B后,其上的基因能得到表达。
请回答下列问题:
(1)人工合成目的基因的途径一般有哪两种?
(2)如何将目的基因和质粒结合成重组质粒?
(3)目前把重组质粒导入细菌细胞时,效率还不高,导入完成后得到的细菌,实际上有的根本没有导入质粒,有的导入的是普通质粒A,只有少数导入的是重组质粒。
以下步骤可鉴别得到的细菌是否导人了质粒A或重组质粒:
将得到的细菌涂布在一个含有氨苄青霉素的培养基上,能够生长的就导人了质粒A或重组质粒,反之则没有。
使用这种方法鉴别的原因是_________ 。
(4)若把通过鉴定证明导人了普通质粒A或重组质粒的细菌放在含有四环素的培养基上培养,会发生的现象是 _________________。
原因是:
______________________。
(5)导人细菌B细胞中的目的基因成功表达的标志是什么?
_____________________________________________________________________。
【教学反思】
课题1.3基因工程的应用
【知识目标】举例说出基因工程应用及取得的丰硕成果
【能力目标】设计一个理想的基因工程。
【情感、态度与价值观】关注基因工程的进展。
认同基因工程的应用促进生产力的提高。
【学习重点】基因工程在农业和医疗等方面的应用;
【学习难点】基因治疗。
【自主学习】
一、植物基因工程的成果:
植物基因工程技术主要用于提高农作物的 能力,以及改良农作物的 和利用植物生产 等方面。
(一)抗虫转基因植物
1.杀虫基因种类:
Bt毒蛋白基因、 抑制剂基因、 抑制剂基因、植物凝集素基因等。
2.成果:
抗虫植物:
棉、玉米、马铃薯、番茄等。
(二)抗病转基因植物
1.植物的病原微生物:
、真菌和细菌等。
2.抗病基因种类
(1)抗病毒基因:
病毒 基因和病毒的复制酶基因。
(2)抗真菌基因:
基因和抗毒素合成基因。
(3)成果:
烟草花叶病毒的转基因烟草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等。
(三)抗逆转基因植物
1.抗逆基因:
调节细胞 基因使作物抗碱、抗旱;鱼的抗冻蛋白基因使作物耐寒;抗除草剂基因,使作物抗除草剂。
2.成果:
烟草、大豆、番茄、玉米等。
(四)转基因改良植物品质
1.优良基因:
必需氨基酸的蛋白质编码基因、控制番茄果实成熟的基因和植物花青素代谢有关的基因。
2.成果:
转基因玉米、转基因延熟番茄和转基因矮牵牛。
二、动物基因工程的成果
(一)提高动物的生长速度
1.生长基因:
外源 基因。
2.成果:
转基因绵羊、转基因鲤鱼。
(二)改善畜产品的品质
1.优良基因:
肠乳糖酶基因。
2.成果:
转基因牛 含量少。
(三)转基因动物生产药物
1.基因来源:
药用 基因+ 蛋白基因启动子。
2.成果:
乳腺生物反应器。
(四)转基因动物作器官移植的供体
1.器官供体:
抑制或除去抗原决定基因。
2.成果:
利用克隆技术培育没有免疫排斥反应的猪器官。
(五)基因工程药物
1.来源:
转基因 。
2.成果:
人胰岛素、细胞因子、抗体、疫苗、激素等。
3.工程菌:
用的方法,使 得到高效率表达的菌类细胞株系一般
称为“工程菌”。
三、基因治疗
1.概念:
把 导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的。
基因治疗可分为 和 两种方法。
2.成果:
将腺苷脱氢酶基因导入患者的淋巴细胞。
【合作学习】
1、
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