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高中生物人教版 (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教案
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这是一份高中生物人教版 (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教案，共6页。教案主要包含了 教学目标， 教学重点和难点， 教学策略，答案与提示， 知识拓展等内容，欢迎下载使用。
1.简述DNA重组技术所需三种基本工具的作用。
2.认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。
二、 教学重点和难点
1.教学重点
DNA重组技术所需的三种基本工具的作用。
2.教学难点
基因工程载体需要具备的条件。
三、 教学策略
1.设置问题情境，引导学生在思索中学习新知识。
本节内容主要是介绍DNA重组技术的三种基本工具及其作用。如果我们采用直白、平淡的方式介绍，不利于调动学生学习的积极性，也不利于学生科学素养的全面提高。应当通过创设情境，提出问题，诱导学生积极参与教学活动，开启他们思想的闸门。
限制酶──“分子手术刀”，主要是介绍限制酶的作用，切割后产生的结果。可在进入这部分内容学习时，设置学生关心的问题“限制酶从哪里寻找”，诱导学生联想从前学过的内容──噬菌体侵染细菌的实验，进而认识细菌等单细胞生物容易受到自然界外源DNA的入侵。那么这类原核生物之所以长期进化而不绝灭，有何保护机制？进而诱导学生产生“可能是有什么酶来切割外源DNA，而使之失效，达到保护自身的目的”。这样就将书中直白的“这类酶主要是从原核生物中分离纯化出来”的写法，变成了一个自主探索的思想活动。
DNA连接酶──DNA片段的“分子缝合针”，写得比较简洁。我们可以从原有的知识出发，诱发学生思考，达到辨析、明理的作用。要想连接被切割开的DNA，学生根据从前学过的知识，第一反应就想到“DNA聚合酶”。学生这种想法的产生是很自然的。但实际上并不能用这种酶进行DNA片段的连接。应引领学生分析DNA聚合酶与DNA连接酶的不同作用，从而达到更深层次认识DNA连接酶的目的。
基因进入受体细胞的载体──“分子运输车”的学习内容，提到作为载体必需的四个条件。教学不能仅仅着眼于让学生记住这几个条件，而应该通过诱导思索，明确为什么要有这四个条件才能充当载体。
2.让抽象的语言在直观的插图中找到注释，在实际动手中形成正确认识。
语言文字具有抽象、概括的特点；插图等信息媒体，具有形象、直观的特点，容易被感知和理解，但抽象、概括功能差。要想真正理解本节语言文字中的含义，教师必须将抽象的语言文字与形象的插图等非语言信息媒体有机地结合起来，做到优势互补。这样学生一时琢磨不透的抽象语言，就能在具体、直观的插图中找到注解。
抽象的黏性末端、平末端的叙述以及磷酸二酯键的部位，与直观的插图协同运用，可使学生准确地理解切割或连接部位，理解“黏性”的内涵。DNA连接酶是“缝合”磷酸二酯键的，在重组DNA过程中到底体现在何处，结合插图会易于理解。紧密结合质粒载体结构的模式图教学，也将使学生对构建载体条件的有关内容变得容易理解。
在模拟制作DNA重组模型时，单纯动手剪纸板只能算是手工劳动，而模拟制作是富含科学内涵的动手过程。当拿来剪刀时，首先意识到这是一把EcRI的特异剪刀，应去寻找G —A—A—T—T—C的碱基序列，然后从G和A之间剪开。当拿来不干胶时，意识到只能黏连磷酸二酯键处，而不能去黏连碱基对处。当出现模拟制作失误时，也要想想，这在真实情况下可能是什么原因所致。
3.引导学生从基因工程的整体思考问题，解决本节教学难点。
本节的难点是对载体必须具备条件的分析。要想解决这个问题，就事论事的做法不能奏效。只有将这局部的内容整合到整个基因工程的设计过程中才能理解。例如，我们选用从霍乱弧菌中的质粒来做载体，结合基因工程的实际目的来想：谁敢用它来做受体细胞的载体？显然人们对分离出的基因产物运用后果有顾虑，从而认清载体必须对细胞无害。当然这里主要考虑载体不能有害于受体细胞，影响其生命活动的正常进行。
又如，载体上没有标记基因，我们用肉眼又看不到载体是否真正进入，那么如何鉴定？因此只有真正想到实际工作中这方面的困难，才会明白预先为什么要选具备标记基因的载体。
再如，没有一个和多个切割位点，就不能进行DNA的重组。重组DNA不能复制，就可能丢失。所以教师要引导学生，将一个个的问题置于整体过程中考虑，这样才能理解局部的做法是为了实现整体的目标。
四、答案与提示
（一）思考与探究
1.限制酶在DNA的任何部位都能将DNA切开吗？以下是四种不同限制酶切割形成的DNA片段：
(1) …CTGCA (2) …AC (3) GC…
…G …TG CG…
（4） …G (5) G… (6) …GC
…CTTAA ACGTC… …CG
(7) GT… (8)AATTC…
CA… G…
你是否能用DNA连接酶将它们连接起来？
答：
2和7能连接形成…ACGT…
…TGCA…；
4和8能连接形成…GAATTC…
…CTTAAG…；
3和6能连接形成…GCGC…
…CGCG…；
1和5能连接形成…CTGCAG…
…GACGTC…。
2.联系你已有的知识，想一想，为什么细菌中限制酶不剪切细菌本身的DNA？
提示：迄今为止，基因工程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，它们各自可以识别和切断DNA上特定的碱基序列。细菌中限制酶之所以不切断自身DNA，是因为微生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，对于外源入侵的DNA可以降解掉。生物在长期演化过程中，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（本题不要求学生回答的完全，教师可参考教师用书中的提示，根据学生的具体情况，给予指导。上述原则也应适用于其他章节中有关问题的回答。）。
3.天然的DNA分子可以直接用做基因工程载体吗？为什么？
提示：基因工程中作为载体使用的DNA分子很多都是质粒（plasmid），即独立于细菌拟核处染色体DNA之外的一种可以自我复制、双链闭环的裸露的DNA分子。是否任何质粒都可以作为基因工程载体使用呢？其实不然，作为基因工程使用的载体必需满足以下条件。
（1） 载体DNA必需有一个或多个限制酶的切割位点，以便目的基因可以插入到载体上去。这些供目的基因插入的限制酶的切点所处的位置，还必须是在质粒本身需要的基因片段之外，这样才不至于因目的基因的插入而失活。
（2） 载体DNA必需具备自我复制的能力，或整合到受体染色体DNA上随染色体DNA的复制而同步复制。
（3） 载体DNA必需带有标记基因，以便重组后进行重组子的筛选。
（4） 载体DNA必需是安全的，不会对受体细胞有害，或不能进入到除受体细胞外的其他生物细胞中去。
（5） 载体DNA分子大小应适合，以便提取和在体外进行操作，太大就不便操作。
实际上自然存在的质粒DNA分子并不完全具备上述条件，都要进行人工改造后才能用于基因工程操作。
4.网上查询：DNA连接酶有连接单链DNA的本领吗？
提示：迄今为止，所发现的DNA连接酶都不具有连接单链DNA的能力，至于原因，现在还不清楚，也许将来会发现可以连接单链DNA的酶。
（二）寻根问底
1.根据你所掌握的知识，你能分析出限制酶存在于原核生物中的作用是什么吗？
提示：原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，但是，生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，以防止外来病原物的侵害。限制酶就是细菌的一种防御性工具，当外源DNA侵入时，会利用限制酶将外源DNA切割掉，以保证自身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要起到切割外源DNA、使之失效，从而达到保护自身的目的。
2. DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗？为什么？
答：不是一回事。基因工程中所用的连接酶有两种：一种是从大肠杆菌中分离得到的，称之为E·cli连接酶。另一种是从T4噬菌体中分离得到，称为T4连接酶。这两种连接酶催化反应基本相同，都是连接双链DNA的缺口（nick），而不能连接单链DNA。DNA连接酶和DNA聚合酶都是形成磷酸二酯键（在相邻核苷酸的3位碳原子上的羟基与5位碳原子上所连磷酸基团的羟基之间形成），那么，二者的差别主要表现在什么地方呢？
（1）DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核酸片段的3′末端的羟基上，形成磷酸二酯键；而DNA连接酶是在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键，不是在单个核苷酸与DNA片段之间形成磷酸二酯键。
（2）DNA聚合酶是以一条DNA链为模板，将单个核苷酸通过磷酸二酯键形成一条与模板链互补的DNA链；而DNA连接酶是将DNA双链上的两个缺口同时连接起来。因此DNA连接酶不需要模板。
此外，二者虽然都是由蛋白质构成的酶，但组成和性质各不相同。
（三）模拟制作讨论题
1. 你模拟插入的DNA片段能称得上一个基因吗？
提示：不能。因为一般基因有上千个碱基对。
2. 如果你操作失误，碱基不能配对。可能是什么原因造成的？
提示：可能是剪切位点或连接位点选得不对（也可能是其他原因）。
（四）旁栏思考题
想一想，具备什么条件才能充当“分子运输车”？
提示：能自我复制、有一个或多个切割位点、有标记基因位点及对受体细胞无害等。
五、 知识拓展
1.限制酶所识别的序列有什么特点？
限制酶所识别的序列，无论是6个碱基还是4个碱基，都可以找到一条中心轴线（图1-1），中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。
图1-1 限制酶识别序列的中心轴线
2.限制酶在DNA的任何部位都能将DNA切开吗？
任何一种限制酶都只识别和切断特定的核苷酸序列，这是由限制酶的性质所决定的。
3.DNA连接酶连接的是什么部位？
DNA连接酶是将一段DNA片段3′端的羟基与另一DNA片段5′端磷酸基团上的羟基连接起来形成酯键，而不是连接互补碱基之间的氢键。
4.什么叫磷酸二酯键？
3,5磷酸二酯键是核酸中核苷酸的连接方式，组成了核酸的一级结构。在核酸中一个核苷酸核糖上第3位的羟基与下一个核苷酸核糖上第5位的磷酸羟基脱水缩合成酯键，该酯键称3,5磷酸二酯键。若干个核苷酸间以3′,5′磷酸二酯键（图1-2）连接成的多核苷酸链为核酸。在链的一端的一个核苷酸，其核糖上第5位连接的磷酸只有一个酯键，称此核苷酸为DNA链的5′磷酸末端或5′端。另一端核苷酸上第3位的羟基是自由的，所以此核苷酸称为3′羟基末端或3′端。链内的核苷酸第5位上的磷酸已形成二酯键，第3位上的羟基也已参与二酯键的形成，故称核苷酸残基。
图1-2 DNA上的磷酸二酯键
1.简述DNA重组技术所需三种基本工具的作用。
2.认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。
二、 教学重点和难点
1.教学重点
DNA重组技术所需的三种基本工具的作用。
2.教学难点
基因工程载体需要具备的条件。
三、 教学策略
1.设置问题情境，引导学生在思索中学习新知识。
本节内容主要是介绍DNA重组技术的三种基本工具及其作用。如果我们采用直白、平淡的方式介绍，不利于调动学生学习的积极性，也不利于学生科学素养的全面提高。应当通过创设情境，提出问题，诱导学生积极参与教学活动，开启他们思想的闸门。
限制酶──“分子手术刀”，主要是介绍限制酶的作用，切割后产生的结果。可在进入这部分内容学习时，设置学生关心的问题“限制酶从哪里寻找”，诱导学生联想从前学过的内容──噬菌体侵染细菌的实验，进而认识细菌等单细胞生物容易受到自然界外源DNA的入侵。那么这类原核生物之所以长期进化而不绝灭，有何保护机制？进而诱导学生产生“可能是有什么酶来切割外源DNA，而使之失效，达到保护自身的目的”。这样就将书中直白的“这类酶主要是从原核生物中分离纯化出来”的写法，变成了一个自主探索的思想活动。
DNA连接酶──DNA片段的“分子缝合针”，写得比较简洁。我们可以从原有的知识出发，诱发学生思考，达到辨析、明理的作用。要想连接被切割开的DNA，学生根据从前学过的知识，第一反应就想到“DNA聚合酶”。学生这种想法的产生是很自然的。但实际上并不能用这种酶进行DNA片段的连接。应引领学生分析DNA聚合酶与DNA连接酶的不同作用，从而达到更深层次认识DNA连接酶的目的。
基因进入受体细胞的载体──“分子运输车”的学习内容，提到作为载体必需的四个条件。教学不能仅仅着眼于让学生记住这几个条件，而应该通过诱导思索，明确为什么要有这四个条件才能充当载体。
2.让抽象的语言在直观的插图中找到注释，在实际动手中形成正确认识。
语言文字具有抽象、概括的特点；插图等信息媒体，具有形象、直观的特点，容易被感知和理解，但抽象、概括功能差。要想真正理解本节语言文字中的含义，教师必须将抽象的语言文字与形象的插图等非语言信息媒体有机地结合起来，做到优势互补。这样学生一时琢磨不透的抽象语言，就能在具体、直观的插图中找到注解。
抽象的黏性末端、平末端的叙述以及磷酸二酯键的部位，与直观的插图协同运用，可使学生准确地理解切割或连接部位，理解“黏性”的内涵。DNA连接酶是“缝合”磷酸二酯键的，在重组DNA过程中到底体现在何处，结合插图会易于理解。紧密结合质粒载体结构的模式图教学，也将使学生对构建载体条件的有关内容变得容易理解。
在模拟制作DNA重组模型时，单纯动手剪纸板只能算是手工劳动，而模拟制作是富含科学内涵的动手过程。当拿来剪刀时，首先意识到这是一把EcRI的特异剪刀，应去寻找G —A—A—T—T—C的碱基序列，然后从G和A之间剪开。当拿来不干胶时，意识到只能黏连磷酸二酯键处，而不能去黏连碱基对处。当出现模拟制作失误时，也要想想，这在真实情况下可能是什么原因所致。
3.引导学生从基因工程的整体思考问题，解决本节教学难点。
本节的难点是对载体必须具备条件的分析。要想解决这个问题，就事论事的做法不能奏效。只有将这局部的内容整合到整个基因工程的设计过程中才能理解。例如，我们选用从霍乱弧菌中的质粒来做载体，结合基因工程的实际目的来想：谁敢用它来做受体细胞的载体？显然人们对分离出的基因产物运用后果有顾虑，从而认清载体必须对细胞无害。当然这里主要考虑载体不能有害于受体细胞，影响其生命活动的正常进行。
又如，载体上没有标记基因，我们用肉眼又看不到载体是否真正进入，那么如何鉴定？因此只有真正想到实际工作中这方面的困难，才会明白预先为什么要选具备标记基因的载体。
再如，没有一个和多个切割位点，就不能进行DNA的重组。重组DNA不能复制，就可能丢失。所以教师要引导学生，将一个个的问题置于整体过程中考虑，这样才能理解局部的做法是为了实现整体的目标。
四、答案与提示
（一）思考与探究
1.限制酶在DNA的任何部位都能将DNA切开吗？以下是四种不同限制酶切割形成的DNA片段：
(1) …CTGCA (2) …AC (3) GC…
…G …TG CG…
（4） …G (5) G… (6) …GC
…CTTAA ACGTC… …CG
(7) GT… (8)AATTC…
CA… G…
你是否能用DNA连接酶将它们连接起来？
答：
2和7能连接形成…ACGT…
…TGCA…；
4和8能连接形成…GAATTC…
…CTTAAG…；
3和6能连接形成…GCGC…
…CGCG…；
1和5能连接形成…CTGCAG…
…GACGTC…。
2.联系你已有的知识，想一想，为什么细菌中限制酶不剪切细菌本身的DNA？
提示：迄今为止，基因工程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，它们各自可以识别和切断DNA上特定的碱基序列。细菌中限制酶之所以不切断自身DNA，是因为微生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，对于外源入侵的DNA可以降解掉。生物在长期演化过程中，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（本题不要求学生回答的完全，教师可参考教师用书中的提示，根据学生的具体情况，给予指导。上述原则也应适用于其他章节中有关问题的回答。）。
3.天然的DNA分子可以直接用做基因工程载体吗？为什么？
提示：基因工程中作为载体使用的DNA分子很多都是质粒（plasmid），即独立于细菌拟核处染色体DNA之外的一种可以自我复制、双链闭环的裸露的DNA分子。是否任何质粒都可以作为基因工程载体使用呢？其实不然，作为基因工程使用的载体必需满足以下条件。
（1） 载体DNA必需有一个或多个限制酶的切割位点，以便目的基因可以插入到载体上去。这些供目的基因插入的限制酶的切点所处的位置，还必须是在质粒本身需要的基因片段之外，这样才不至于因目的基因的插入而失活。
（2） 载体DNA必需具备自我复制的能力，或整合到受体染色体DNA上随染色体DNA的复制而同步复制。
（3） 载体DNA必需带有标记基因，以便重组后进行重组子的筛选。
（4） 载体DNA必需是安全的，不会对受体细胞有害，或不能进入到除受体细胞外的其他生物细胞中去。
（5） 载体DNA分子大小应适合，以便提取和在体外进行操作，太大就不便操作。
实际上自然存在的质粒DNA分子并不完全具备上述条件，都要进行人工改造后才能用于基因工程操作。
4.网上查询：DNA连接酶有连接单链DNA的本领吗？
提示：迄今为止，所发现的DNA连接酶都不具有连接单链DNA的能力，至于原因，现在还不清楚，也许将来会发现可以连接单链DNA的酶。
（二）寻根问底
1.根据你所掌握的知识，你能分析出限制酶存在于原核生物中的作用是什么吗？
提示：原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，但是，生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，以防止外来病原物的侵害。限制酶就是细菌的一种防御性工具，当外源DNA侵入时，会利用限制酶将外源DNA切割掉，以保证自身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要起到切割外源DNA、使之失效，从而达到保护自身的目的。
2. DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗？为什么？
答：不是一回事。基因工程中所用的连接酶有两种：一种是从大肠杆菌中分离得到的，称之为E·cli连接酶。另一种是从T4噬菌体中分离得到，称为T4连接酶。这两种连接酶催化反应基本相同，都是连接双链DNA的缺口（nick），而不能连接单链DNA。DNA连接酶和DNA聚合酶都是形成磷酸二酯键（在相邻核苷酸的3位碳原子上的羟基与5位碳原子上所连磷酸基团的羟基之间形成），那么，二者的差别主要表现在什么地方呢？
（1）DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核酸片段的3′末端的羟基上，形成磷酸二酯键；而DNA连接酶是在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键，不是在单个核苷酸与DNA片段之间形成磷酸二酯键。
（2）DNA聚合酶是以一条DNA链为模板，将单个核苷酸通过磷酸二酯键形成一条与模板链互补的DNA链；而DNA连接酶是将DNA双链上的两个缺口同时连接起来。因此DNA连接酶不需要模板。
此外，二者虽然都是由蛋白质构成的酶，但组成和性质各不相同。
（三）模拟制作讨论题
1. 你模拟插入的DNA片段能称得上一个基因吗？
提示：不能。因为一般基因有上千个碱基对。
2. 如果你操作失误，碱基不能配对。可能是什么原因造成的？
提示：可能是剪切位点或连接位点选得不对（也可能是其他原因）。
（四）旁栏思考题
想一想，具备什么条件才能充当“分子运输车”？
提示：能自我复制、有一个或多个切割位点、有标记基因位点及对受体细胞无害等。
五、 知识拓展
1.限制酶所识别的序列有什么特点？
限制酶所识别的序列，无论是6个碱基还是4个碱基，都可以找到一条中心轴线（图1-1），中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。
图1-1 限制酶识别序列的中心轴线
2.限制酶在DNA的任何部位都能将DNA切开吗？
任何一种限制酶都只识别和切断特定的核苷酸序列，这是由限制酶的性质所决定的。
3.DNA连接酶连接的是什么部位？
DNA连接酶是将一段DNA片段3′端的羟基与另一DNA片段5′端磷酸基团上的羟基连接起来形成酯键，而不是连接互补碱基之间的氢键。
4.什么叫磷酸二酯键？
3,5磷酸二酯键是核酸中核苷酸的连接方式，组成了核酸的一级结构。在核酸中一个核苷酸核糖上第3位的羟基与下一个核苷酸核糖上第5位的磷酸羟基脱水缩合成酯键，该酯键称3,5磷酸二酯键。若干个核苷酸间以3′,5′磷酸二酯键（图1-2）连接成的多核苷酸链为核酸。在链的一端的一个核苷酸，其核糖上第5位连接的磷酸只有一个酯键，称此核苷酸为DNA链的5′磷酸末端或5′端。另一端核苷酸上第3位的羟基是自由的，所以此核苷酸称为3′羟基末端或3′端。链内的核苷酸第5位上的磷酸已形成二酯键，第3位上的羟基也已参与二酯键的形成，故称核苷酸残基。
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