人教版 (2019)选择性必修3第1节 重组DNA技术的基本工具教学设计

这是一份人教版 (2019)选择性必修3第1节 重组DNA技术的基本工具教学设计，共11页。教案主要包含了教学目标，教学重难点，教学步骤，板书设计等内容，欢迎下载使用。

1.通过简介催生基因工程的基础理论和技术及基因工程的成果，提升学生的社会责任及追求科学的精神。
2.通过介绍科学家对DNA重组技术三种基本工具的研究历史，渗透科学思维。
3.通过视频学习限制性内切核酸酶、DNA连接酶的功能、作用部位及作用结果，介绍载体的种类及特点，渗透科学思维。
二、教学重难点
1.教学重点
（1）重组DNA技术所需的三种基本工具的作用。
（2）DNA的粗提取与鉴定。
2、教学难点
（1）基因工程载体需要具备的条件。
（2）DNA的粗提取与鉴定。
三、教学步骤
【章导入】
理解并归纳基因工程的概念：
基因工程：指按照人们的愿望，通过______转基因______等技术，赋予生物新的______遗传特性______，创造出更符合人们需要的新的______生物类型和生物制品______。从技术操作层面看，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______重组DNA技术______。
（1）手段：按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性。
（2）目的：创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。
（3）水平：分子水平。由于在DNA分子水平上进行设计和施工，因此又叫作重组DNA技术。
（4）操作对象：基因
（5）操作原理：基因重组
（6）操作环境：体外
（7）基本过程：剪切→拼接→导入→表达
（8）操作结果：定向地改造生物的遗传性状，获得符合人们需要的新的生物类型和生物产品
（9）优点：定向改造生物体的性状，目的性强（与诱变育种相比）
育种周期短，克服远缘杂交不亲和障碍（与杂交育种相比）
【新课导入】
从社会中来
番木瓜容易受番木瓜环斑病毒的侵袭。当番木瓜被这种病毒感染后，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。
DNA双螺旋的直径只有2 nm，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”。
提出问题：那么，科学家究竟用到了哪些“分子工县”？这些“分子工具”各具有什么特征呢？
学生：课前查阅资料，欣赏转基因番木瓜与非转基因番木瓜对比图片，了解分析转基因的效果，分析相关原因。
提示：科学家用到了限制酵、DNA连接酵、载体等“分子工具”。限制酶能识别双DNA分子的特定核苷酸序列，并将DNA双链切断，形成具有黏性末端或平术端的片段。DNA连接酵催化醉胺酯键的形成， 即催化一个DNA片段3'端的羟基与另一个DNA片段5'端的磷酸基团上的羟基连接起来形成酯键。载体上可以插入外源基因，它能携带该基因进入受体细胞，并在受体细胞中进行自我复制，或者整合到受体DNA上，随着受体DNA同步复制。载体一般还带有标记基因，以便进行重组DNA分子的筛选。
联系生活实例，激发学生的学习兴趣，引入新课。
提问：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？
根据图片和教材内容尝试作答：
【新课讲授】
（一）限制性核酸内切酶——“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.功能：能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开，因此具有专一性。
3.切割部位：磷酸二酯键，限制酶只切割两个核苷酸之间的磷酸二酯键
4.切割结果：切口有两种，即黏性末端和平末端
展示限制酶切割DNA分子产生两种不同末端的示意图（箭头表示酶的切割位置）：
结合教材中的内容和活动的经历，思考，回答问题：
1.限制酶的作用特点有哪些？
2.限制酶主要是从原核生物中分离纯化出来的，它们在原核生物中存在的意义是什么？
归纳总结：
大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，也有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
①无论是6个碱基还是4个碱基，都可以找到一条中心轴线，中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的 ，这就是回文序列。
②能被限制酶特异性识别的切割部位基本都具有回文序列：在切割部位，一条链正向读的碱基顺序与另一条链反向读的顺序完全一致。
A.形成的黏性末端（从5’往3’读）为AATT
B.一个限制酶切割一次断两个磷酸二酯键形成两个黏性末端
C.同一种限制酶切割形成的黏性末端相同
D.两个黏性末端有2个游离的磷酸基团
5.限制酶的命名：
资料卡：限制酶是如何命名的呢？是用生物署名的头一个字母与种加词的头两个字母，组成了3个字母的略语，以此来表示这个酶是从哪种生物中分离出来的。例如，一种限制酶是从大肠杆菌（Escherichia cli）的R型菌株分离来的，就用字母EcR表示；如果它是从大肠杆菌R型菌株中分离出来的第一种限制酶，则进一步表示成EcR I
现在已经从约300种微生物中分离出了约4000种限制性内核酸切酶(限制酶)。
用生物属名的头一个字母与种加词的头两个字母，组成了3个字母的略语，以此来表示这个酶是从哪种生物中分离出来的。例如，一种限制酶是从大肠杆菌（Escherichia cli)的R型菌株分离来的，就用字母EcR表示；如果它是从大肠杆菌R型菌株中分离出来的第一种限制酶，则进一步表示成EcR I。
5.识别序列：大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，也有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。
限制酶所识别的序列的特点是：呈现碱基互补对称，无论是6个碱基还是4个碱基，都可以找到一条中心轴线，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。
6.切割结果：DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式——黏性末端和平末端。
二、DNA连接酶——“分子缝合针”
让学生自学观察并思考：如果条件充分，此时我们得到的目的基因和载体是否能够成功连接？
学生在阅读教材后教师继续提出问题：DNA连接酶的作用位点是什么？
教师在学生回答问题后，利用课件展示DNA连接酶作用示意图，让学生更直观的学习DNA连接酶的作用机理。
知识梳理：
1.作用：将两个DNA片段连接起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键，形成重组DNA分子。。注意：不是连接氢键（氢键的形成不需要酶的催化）。
2.分类：
旁栏思考（P72）：DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗？为什么？
（三）基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
外源基因难以进入细胞，进入后也不容易稳定存在并表达。通常需要利用载体将基因送入细胞。常用的载体是质粒，它是一种裸露的、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
教师指导学生阅读教材，并提问：
1.将多个EcRⅠ酶切后的载体与目的基因混合后，加入什么可以使它们连接起来？其连接产物可能有哪些种？
2.载体要与外源基因连接，需要具备什么条件？
学生小组之间互相讨论并回答问题。
知识梳理：
1.作用：
（1）将目的基因转移到受体细胞中去
（2）利用运载体在受体细胞内对目的基因进行大量复制
2.种类：
质粒、噬菌体和动植物病毒等。它们的来源不同，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。最常用的载体——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。
3.作为载体需具备的条件
（1）有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段（基因）插入其中。
（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。
（3）常有特殊的标记基因，便于重组DNA分子的筛选。如四环素抗性基因、氨苄青霉素抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。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进行过人工改造的。
（4）对受体细胞无害等。
教师利用课件展示教材第73页的“思考·讨论”，并让学生小组之间互相讨论回答问题：
请在两张纸上分别写上下面两段DNA序列：
请你根据图3-3中的相关信息找到两条片段上EcRI的识别序列和切割位点。然后,用剪刀进行“切割”。待切割位点全部切开后,将从下面那条DNA链上切下的片段重组到上面那条DNA链的切口处,并用透明胶条将切口粘连起来。
讨论：
1.剪刀和透明胶条分别代表哪种“分子工具”？
提示答案：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相配对？如果不能，可能是什么原因造成的？
提示答案：根据学生实际操作的情况进行指导。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？
提示答案：不能，因为基因的长度一般在100个碱基对以上。
小组成员之间互相讨论问他，并得出答案。
最后教师利用剩余时间，让学生阅读“探究·实践”的实验内容，并利用课件展示这个实验的实验过程，在观看结束后，教师提出问题，让学生进一步探究：本实验只是对DNA进行了粗提取，请查阅资料，了解实验室提取纯度较高的DNA的一种方法，并与本实验中所使用的方法进行比较，总结两种方法的异同。
探究实践——DNA的粗提取与鉴定
【实验原理】
DNA、RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面存在差异，可以利用这些差异，选用适当的物理或化学方法对它们进行提取。例如：DNA不溶于酒精，但某些蛋白质溶于酒精，利用这一原理， 可以初步分离DNA与蛋白质。DNA在不同浓度的NaC1溶液中溶解度不同，它能溶于2 mlL的NaCl溶液。在一定温度下，DNA遇到二苯胺试剂会呈现蓝色，因此二苯胺试剂可以作为鉴定DNA的试剂。
【目的要求】
1.了解DNA的物理和化学性质，理解DNA粗提取和鉴定的原理。
2.学会DNA粗提取的方法以及用二苯胶试剂对DNA进行鉴定。
【材料用具】
1.材料：新鲜洋葱（也可以选择香焦、菠菜、菜花和猪肝等作为实验材料，提取DNA的方法可能稍有不同）、研磨液、体积分数为95%的酒精、2 ml/L的NaCl溶液、二苯胺试剂和蒸馏水等。研磨液和二苯胺试剂的配制方法参见本书附录2。
2.用具：烧杯、量筒、玻璃棒、研钵、纱布、漏斗、试管、试管架、试管夹、酒精灯、石棉网、三脚架、火柴、刀片和天平等。
【方法步骤】
1.称取约30 g洋葱，切碎，然后放入研钵中，倒入10 mL研磨液，充分研磨。
2.在漏斗中垫上纱布，将洋葱研磨液过滤到烧杯中，在4℃冰箱中放置几分钟后，再取上清液。也可以直接将研磨液倒入塑料离心管中，在1 500 r/min的转速下离心5 min，再取上清液放人烧杯中。
3.在上清液中加入体积相等的、预冷的酒精溶液(体积分数为95%)，静置2-3 min，溶液中出现的白色丝状物就是粗提取的DNA，用玻璃棒沿一个方向搅拌，卷起丝状物，并用滤纸吸去上面的水分；或者将溶液倒入塑料离心管中，在10 000 r/min的转速下离心5 min，弃上清液，将管底的沉淀物(粗提取的DNA )晾于。
4.取两支20 mL的试管，各加入2 ml/L的NaCl溶液5 ml，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4 mL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。
【结果分析与评价】
1.你提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？
提示：观察提取的DNA的颜色，如果不是白色丝状物，说明DNA中的会质较多。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。
2.你能分析出粗提取的DNA中可能含有哪些杂质吗？
提示：本实验粗提取的DNA可能仍然含有核蛋白、多糖等杂质。
3.与其他同学提取的DNA进行比较，看看实验结果有何不同，分析产生差异的原因。
提示：本实验可以采取分组的方式进行。 可以选取不同的实验材料；也可以在查阅资料了解其他提取DNA的方法，对同种材料采用不同的方法。最后从多方面比较实验结果，如DNA的纯度、DNA的颜色、二苯胺试剂显色的深浅等，看看哪种实验材料、哪种提取方法的效果更好。
【进一步探究】
本实验只是对DNA进行了粗提取，请查阅资料，了解实验室提取纯度较高的DNA的一种方法，并与本实验中所使用的方法进行比较，总结两种方法的异同。
提示：本实验只是对DNA进行了粗提取，请查阅资料，了解实验室提取纯度较高的DNA的一种方法，并与本实验中所使用的方法进行比较，总结两种方法的异同。
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，加入氯仿一异丙醇混合液（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。
五、板书设计
3.1 重组DNA技术的基本工具
种类
E·cli DNA连接酶
T4 DNA连接酶
来源
大肠杆菌
T4噬菌体
功能特性
只能将具有互补黏性末端的DNA片段连接起来，不能连接具有平末端的DNA片段
既可以连接双链DNA片段互补的黏性末端，又可以连接双链DNA片段的平末端（但连接平末端的效率相对较低）
相同点
恢复的都是磷酸二酯键