人教版 (2019)选择性必修3重组DNA技术的基本工具教案设计

这是一份人教版 (2019)选择性必修3重组DNA技术的基本工具教案设计，共11页。教案主要包含了教学目标，教学重难点，教学过程等内容，欢迎下载使用。
一、教学目标
1.阐明基因工程的理论基础。
2.阐明限制酶、DNA连接酶和载体的作用。
3.认同基因工程的诞生和发展离不开多个学科的理论研究和技术创新。
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、教学过程
【科技探索之路】基因工程的诞生和发展
【基因工程概述】基因工程是指按照人们的愿望，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产品。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，因此又叫作重组DNA技术。
【本节聚焦】
1重组DNA技术所需的三种基本工具是什么？它们的作用分别是什么？
2.基因工程载体需要具备什么条件？
【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侵染后，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2nm，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”。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？
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？
工具：
①“分子手术刀”——限制性内切核酸酶：准确切割DNA分子
②“分子缝合针”——DNA连接酶：将DNA片段连接起来
③“分子运输车”——载体：将体外重组好的DNA分子导入受体细胞
【一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀”】
1.切割DNA分子的工具是限制性内切核酸酶，又称限制酶，主要是从原核生物中分离纯化出来的；
2.限制酶能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开；
3.大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成；
4.DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段通常有两种形式：黏性末端和平末端。
资料卡——限制酶的命名
例如：流感嗜血杆菌(Haemphilus influenzae)d株中先后分离到3种限制酶，则分别命名为：Hind I Hind II Hind III
思考：
1.你能根据所掌握的知识，推测限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么吗？
提示：原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，所以它在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制。限制酶就是它的一种防御性工具。当外源DNA入侵时，它会利用限制酶来切割外源DNA，使之失效，以保证自身的安全。
2.为什么限制酶不剪切细菌本身的DNA?
提示：微生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，可以将外源入侵的DNA降解掉。生物在长期的演化过程中，含有某种限制酶的细胞，其DNA分子中或者不具备这种限制酶的识别切割序列，或者通过甲基化酶将甲基转移到所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开。这样，尽管细菌中含有某种限制酶，也不会使自身的DNA被切断，并且可以防止外源DNA的入侵。
【二、DNA连接酶——“分子缝合针”】
1.DNA连接酶能够将DNA片段连接起来
2.基因工程常用的DNA连接酶有两种：E·cli DNA连接酶，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；T4 DNA连接酶，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（但连接平末端的效率相对较低）。
3.DNA连接酶和DNA聚合酶的比较（表格见课件）
动画演示DNA连接酶作用示意图
4.与DNA相关的五种酶的比较（表格见课件）
【三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”】
1.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。
2.载体需具备的条件
①有一个至多个限制酶切割切点；
作用：供外源DNA片段（基因）插入其中
②能在受体细胞中自我复制或整合到受体DNA上，随受体DNA同步复制；
作用：使外源基因在受体细胞中稳定存在并复制
③有特殊的标记基因；
作用：便于重组DNA分子的筛选
④对受体细胞无害。
3.其他载体
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
在基因工程中使用的载体除质粒外，还有噬菌体、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片段的大小也有很大差别。
{思考讨论}重组DNA分子（教材73页序列）
请你在上述序列中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，并用透明胶带将切口粘起来。
讨论：
1．剪刀和透明胶带分别代表哪种“分子工具”？
提示：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补配对？如果不能，可能是什么原因造成的？
提示：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：不能，因为基因的长度一般在100个碱基对以上。
视频演示：重组DNA分子
【{探究实践}DNA的粗提取与鉴定】
实验原理
1.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。DNA不溶于酒精，某些蛋白质溶于酒精；DNA在不同NaCl溶液中的溶解度不同，可溶于2ml/L的NaCl溶液中；
2.在一定的温度下（沸水浴），DNA遇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。
实验步骤
1．30g洋葱切碎＋10mL研磨液，充分研磨。
2．双层纱布过滤，4℃放置几分钟，取上清液。加入等体积冷酒精，静置2～3min，用玻璃棒沿一个方向搅拌卷起丝状物。
可替换操作：
1500r/min离心5min，取上清液。然后10000r/min离心5min，取管底沉淀物晾干。
3．2ml/L的NaCl 5mL＋丝状物或沉淀物。再加二苯胺试剂4mL混匀，沸水浴5min，冷却后观察到蓝色（不加DNA做对照）。
视频演示：DNA的粗提取与鉴定
【课堂小结】
【练习与应用】
一、概念检测
1.DNA连接酶是重组DNA技术常用的一种工具酶。下列相关叙述正确的是（ C ）
A.能连接DNA分子双链碱基对之间的氢键
B.能将单个脱氧核苷酸加到DNA片段的末端，形成磷酸二酯键
C.能连接用同种限制酶切开的两条DNA片段，重新形成磷酸二酯键
D.只能连接双链DNA片段互补的黏性末端，不能连接双链DNA片段的平末端
2.在重组DNA技术中,将外源基因送入受体细胞的载体可以是 （ A ）
A.大肠杆菌的质粒 B.切割DNA分子的酶
C.DNA片段的黏性末端 D.用来识别特定基因的DNA探针
二、拓展应用
1.想一想，为什么限制酶不切割细菌本身的DNA分子？
提示：迄今为止，在基因工程操作中使用的限制酶绝大部分都是从细菌或霉菌中提取出来的。微生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，可以将外源入侵的DNA降解。
细菌中限制酶之所以不切割自身的DNA，一是因为不具备限制酶的识别序列，或者通过甲基化酶将甲基转移到了限制酶所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开（DNA分子被甲基化保护）。这样，尽管细菌中含有某种限制酶，也不会使自身的DNA被切断，并且可以防止外源DNA入侵。
2.有2个不同来源的DNA片段A和B，A片段用限制酶speⅠ进行切割，B片段分别用限制酶HindⅢ , XbaⅠ、EcRⅤ和XhⅠ进行切割。各限制酶的识别序列和切割位点如下。
(1)哪种限制酶切割B片段产生的DNA片段能与限制酶speⅠ切割A片段产生的DNA片段相连接？为什么？
提示：XbaⅠ。因为XbaⅠ与SpeⅠ切割产生了相同的黏性末端。
(2)不同的限制酶切割可能产生相同的黏性末端，这在基因工程操作中有什么意义？
提示：识别DNA分子中不同核苷酸序列，但能切割产生相同黏性末端的限制酶被称为同尾酶。同尾酶使构建载体时，扩大了切割位点的选择范围。例如，我们选择了用某种限制酶切割载体，如果目的基因的核苷酸序列中恰好含有该限制酶的识别序列，那么用该限制酶切割含有目的基因的DNA片段时，目的基因就很可能被切断；这时可以考虑用合适的同尾酶(目的基因的核苷酸序列中不能有它的识别序列)来获取目的基因。
【教学反思】
本节课的主要特点如下。
1.在回顾已学知识的基础上引导学生认识基因工程实现的可能
教师通过引导学生回顾在必修2模块所学的知识，让他们认识到由于绝大多数生物的遗传物质都是DNA,并且所有生物共用一套遗传密码，因此基因可以在不同的生物之间转移，从而赋于生物新的遗传特性，这是基因工程重要的理论基础。像这样建立新旧知识之间的联系，既能够进学生理解新知识，还能够让学生切实体会到科学理论与技术之间的联系，即理论指导技术研究，技术研究反过来又会促进理论的建设。
2.创造性地安排和改进教材中的活动，帮助学生理解“分子工具”的特征
很多教师在进行本节课的教学时，通常是先讲授完所有的知识内容，再安排学生开展教材“思考，讨论”栏目中的模拟制作活动，以帮助他们巩固学习的知识。而在本案例中，教师采用了边开展活动边教授相关知识内容的形式。通过活动，微观、抽象的知识内容变得具体化和形象化，这可以提高学生对三种基本工具的感性认识，从而帮助他们理解这些工具在基因工程操作中所起的重要作用。同时，教师还改进了活动，例如，将教材活动中使用的透明胶条用订书器和订精代替，有利于学生更好地理解DNA连接酶连接的是磷酸二酯键而不是氢键:将其中一张纸条连接成环，模拟了质粒载体，从而帮助学生认识构建携带外源基因的质粒的过程，为后续内名的学习打下基础。
3.通过问题驱动学生自主建构知识，发展科学思维
本案例中，教师在进行每种“分子工具”的教学时，都通过提出系列问题来引导学生分析和思考。这些问题精心设计，直指几种工具的关键特征，例如，讲授载体部分的内容时，提出的三个问题分别指向载体具有限制酶切割位点、能在受体细胞中复制、具有标记基因的三个特征，从而有助于学生自主建构相关知识，学生在分析、推理、归纳和总结的过程中，科学思维也将得到充分发展。
在本节课的数学实施中，如果时间允许，建议教师给学生创造一些“试错”的机会。教师放手止学生“试带”和在修正错误中充分讨论，都有助于学生深人理解知识。