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2019-2020年高中生物《基因工程的原理和技術(shù)》教案1 浙科版選修3 【教學(xué)目標(biāo)】 知識與能力方面： 1．簡述基因工程的原理 2．描述基因工程基本步驟的幾個步驟 3．舉例說出篩選含有目的基因的受體細(xì)胞的原理 過程與方法方面： 運用基因工程的技術(shù)，提出解決某一實際問題的方案 情感態(tài)度、價值觀方面： 關(guān)注基因工程的發(fā)展，體會S、T、S三者之間的關(guān)系。 【教學(xué)重點】 基因工程的基本操作步驟 【教學(xué)難點】 從基因文庫中獲取目的基因 篩選含有目的基因的受體細(xì)胞 【教學(xué)方法】 講授法。 【教學(xué)課時】 1課時。 【教學(xué)過程】 導(dǎo)入新課）復(fù)習(xí)：基因工程的操作工具： 限制性核酸內(nèi)切酶 DNA連接酶 運載體或載體） 提出問題）﹙先解決為什么要分五個步驟的問題，然后解決每一步驟的技術(shù)方法問題。﹚ 1．為什么要有“目的基因的獲取”這一步？ 學(xué)生活動）引導(dǎo)學(xué)生看本專題題圖中基因工程的概念：“基因工程是指按照人們的愿望，進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計，通過體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，賦予生物以新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品?！笨梢哉f這既是概念，也是原理。這里所說的“更符合人們需要”，就是目的，那么更符合人們需要的那個基因就是目的基因了。有了目的基因，我們才能賦予一種生物以另一種生物的遺傳特性。 2．為什么要有“表達(dá)載體的構(gòu)建”這一步？ 學(xué)生活動）思考：單獨的DNA片段──目的基因是不能穩(wěn)定遺傳的。課文中談到構(gòu)建表達(dá)載體的目的是為了使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并且可以遺傳給下一代，同時使目的基因能表達(dá)和發(fā)揮作用。 3.為什么要有“目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞”這一步？ 學(xué)生活動）思考討論：教材指出含有目的基因的表達(dá)載體只有進(jìn)入受體細(xì)胞，并且維持穩(wěn)定和表達(dá)，才能實現(xiàn)一種生物的基因在另一種生物中的轉(zhuǎn)化。 4.為什么要有“篩選含有目的基因的受體細(xì)胞 學(xué)生活動）思考討論：這是因為目的基因是否真正插入受體細(xì)胞的DNA中，是否能夠在受體細(xì)胞中穩(wěn)定遺傳只有通過檢測、鑒定才能得知。 5.為什么要有“目的基因的表達(dá)”這一步？ 學(xué)生活動）思考討論：目的基因在受體細(xì)胞中的表達(dá)與否，決定了基因工程是否最終成功，必須進(jìn)行鑒定，確定其是否表達(dá)。 學(xué)習(xí)過程： 一、目的基因的獲取 （問題引入）“目的基因的獲取”有什么方法呢？你能推測出由mRNA反轉(zhuǎn)錄形成cDNA的過程大致分為哪些步驟嗎？ （學(xué)生活動）學(xué)生思考討論。 （總結(jié)歸納） 1970年，特明H.M. Temin）和巴爾的摩D. Baltimore）證實了RNA病毒中含有一種能將RNA轉(zhuǎn)錄成DNA的酶，這種酶被稱為依賴RNA的DNA聚合酶，由于與中心法則中的從DNA到RNA的轉(zhuǎn)錄是反向的，所以稱為反轉(zhuǎn)錄酶reverse transcriptase）。 反轉(zhuǎn)錄酶既可以利用DNA又可以利用RNA作為模板合成與之互補(bǔ)的DNA鏈。像其他DNA聚合酶一樣，反轉(zhuǎn)錄酶也以5′→3′方向合成DNA的過程圖1-3）。 圖1-3 由mRNA反轉(zhuǎn)錄形成cDNA cDNA合成過程是：第一步，反轉(zhuǎn)錄酶以RNA為模板合成一條與RNA互補(bǔ)的DNA單鏈，形成RNA-DNA雜交分子。第二步，核酸酶H使RNA-DNA雜交分子中的RNA鏈降解，使之變成單鏈的DNA。第三步，以單鏈DNA為模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一條互補(bǔ)的DNA鏈，形成雙鏈DNA分子。 1.PCR的擴(kuò)增過程是怎樣的？ PCR擴(kuò)增是獲取目的基因的一種非常有用的方法，也是進(jìn)行分子鑒定和檢測的一種很靈敏的方法。PCR的擴(kuò)增反應(yīng)過程包括以下幾個主要過程。 第一步：將反應(yīng)體系包括雙鏈模板、引物、耐高溫的DNA聚合酶、四種脫氧核糖核苷酸以及酶促反應(yīng)所需的離子等）加熱至90～95 ℃，使雙鏈DNA模板兩條鏈之間的氫鍵打開，變成單鏈DNA，作為互補(bǔ)鏈聚合反應(yīng)的模板。 第二步：將反應(yīng)體系降溫至55～60 ℃，使兩種引物分別與模板DNA鏈3′端的互補(bǔ)序列互補(bǔ)配對，這個過程稱為復(fù)性。 第三步：將反應(yīng)體系升溫至70～75 ℃，在耐高溫的DNA聚合酶催化作用下，將與模板互補(bǔ)的單個核苷酸加到引物所提供的3-OH上，使DNA鏈延伸，產(chǎn)生一條與模板鏈互補(bǔ)的DNA鏈。 上述三步反應(yīng)完成后，一個DNA分子就變成了兩個DNA分子，隨著重復(fù)次數(shù)的增多，DNA分子就以2n的形式增加。PCR的反應(yīng)過程都是在PCR擴(kuò)增儀中完成的。 2.如何從基因文庫中找到所需要的基因？ 從基因文庫中找到目的基因是一件比較復(fù)雜的事情，要根據(jù)目的基因已有的某些信息來進(jìn)行。下面介紹一種根據(jù)基因的部分核苷酸序列找到目的基因的方法。 第一步，通過PCR方法將目的基因已知的部分核苷酸序列擴(kuò)增出來，進(jìn)行放射性同位素標(biāo)記也可以用別的標(biāo)記方法進(jìn)行，如生物素、熒光素等），即用標(biāo)記了放射性同位素的目的DNA片段作為探針，與擴(kuò)增出來的DNA雜交。 第二步，將基因文庫中的所有菌落轉(zhuǎn)移至硝酸纖維膜上也可以用其他類型的膜），然后，通過處理溶解消化掉細(xì)菌中的蛋白質(zhì)，并使DNA固定在膜上。 第三步，按Southern雜交的方法進(jìn)行雜交。 第四步，在X光底片上出現(xiàn)黑斑的菌落，這表明這個菌落中含有所需要的目的基因若選用別的標(biāo)記方法，有陽性信號的菌落則含有所需要的目的基因）。 第五步，從該菌落中再提取目的基因。 二、形成重組DNA分子 （提出問題）1.作為基因工程表達(dá)載體，只需含有目的基因就可以完成任務(wù)嗎？為什么？ （學(xué)生活動）學(xué)生思考討論。 （總結(jié)歸納） 不可以。因為目的基因在表達(dá)載體中得到表達(dá)并發(fā)揮作用，還需要有其他控制元件，如啟動子、終止子和標(biāo)記基因等。必須構(gòu)建上述元件的主要理由是： 1） 生物之間進(jìn)行基因交流，需使用啟動子和終止子才能比較有利于基因的表達(dá)；如通過cDNA文庫獲得的目的基因沒有啟動子，只將編碼序列導(dǎo)入受體生物中無法轉(zhuǎn)錄； 2）為了增強(qiáng)目的基因的表達(dá)水平，往往還要增加一些其他調(diào)控元件，如增強(qiáng)子等； 3）目的基因是否導(dǎo)入受體生物中需要有篩選標(biāo)記； 4）有時需要確定目的基因表達(dá)的產(chǎn)物存在于細(xì)胞的什么部位，往往要加上可以標(biāo)識存在部位的基因或做成目的基因與標(biāo)識基因的融合基因），如綠色熒光蛋白基因等。 1.基因工程載體的構(gòu)建需要考慮哪些方面的因素？道理何在？ 主要考慮以下幾方面的因素。 1）基因的特點：如果一個來自動物的目的基因含有內(nèi)含子，就不能用于轉(zhuǎn)基因植物，因為動物中內(nèi)含子的剪接系統(tǒng)與植物的不同，植物不能將動物基因的內(nèi)含子剪切掉，只能用該基因的cDNA?；虻漠a(chǎn)物如果是一個糖蛋白，那么該基因在原核生物細(xì)菌中表達(dá)出來的蛋白就可能不具備天然狀態(tài)下的活性，因為糖蛋白上的糖鏈?zhǔn)窃趦?nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體上加上的，而細(xì)菌無這些細(xì)胞器。 2）要選擇強(qiáng)啟動子或組織特異性啟動子。啟動子有強(qiáng)有弱，選擇強(qiáng)啟動子可以增加轉(zhuǎn)錄活性，使基因產(chǎn)物量增多。如果希望基因在生物的某個組織表達(dá)，如只在植物種子中表達(dá)，就要選擇種子中特異表達(dá)的啟動子。 三、將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 （提出問題）1、不同的受體細(xì)胞導(dǎo)入方法相同嗎？2、導(dǎo)入是否意味著轉(zhuǎn)化？ （學(xué)生活動）學(xué)生思考討論。 （總結(jié)歸納） 轉(zhuǎn)化：目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并且在受體細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達(dá)的過程。 ① 導(dǎo)入植物細(xì)胞：農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法（表達(dá)載體導(dǎo)入農(nóng)桿菌，再讓農(nóng)桿菌感染植物細(xì)胞） 將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞： 細(xì)菌 ↓氯化鈣 細(xì)胞壁的通透性增大 ↓ 重組質(zhì)粒進(jìn)入受體細(xì)胞 ↓ 目的基因隨受體細(xì)胞的繁殖而復(fù)制 ②導(dǎo)入動物細(xì)胞：顯微注射法（將基因表達(dá)載體提純，用顯微儀注射到受精卵中） ③導(dǎo)入微生物細(xì)胞：Ca2＋處理受體細(xì)胞成為感受態(tài)細(xì)胞，再進(jìn)行混合。 提示：農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的原理是利用農(nóng)桿菌（胞內(nèi)寄生菌）對植物的感染而把目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。 四．篩選含有目的基因的受體細(xì)胞 （提出問題）1、篩選的目的是什么？2、篩選方法有哪些？ （學(xué)生活動）學(xué)生思考討論。 （總結(jié)歸納） 篩選是為了確定重組DNA是否導(dǎo)入受體細(xì)胞。篩選的方法有兩種。 ①檢測是否插入目的基因，利用DNA分子雜交技術(shù)，目的基因DNA一條鏈（作探針）與受體細(xì)胞中提取的DNA雜交，看是否有雜交帶。 ②檢測是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA，利用DNA分子雜交技術(shù)，目的基因DNA一條鏈（作探針）與受體細(xì)胞中提取的mRNA雜交，看是否有雜交帶。 五、目的基因的表達(dá) 通過鑒定表達(dá)的蛋白產(chǎn)物或性狀來確定目的基因是否表達(dá)。 ①檢測目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì)。抗體與蛋白質(zhì)進(jìn)行抗原－抗體雜交，看是否有雜交帶。 ②還可以進(jìn)行個體水平的鑒定，根據(jù)其性狀。 提示：①DNA分子雜交技術(shù)首先提取受體細(xì)胞中的DNA，然后高溫解成單鏈，再與同位素標(biāo)記的DNA探針雜交；②抗原－抗體雜交所用到的抗體是用表達(dá)出的蛋白質(zhì)注射動物進(jìn)行免疫，產(chǎn)生相應(yīng)的抗體，并提取出而來的。 3）要有選擇標(biāo)記基因，如抗生素基因，以便選擇出真正的轉(zhuǎn)基因生物。 【板書設(shè)計】 1.2 基因工程的基本操作程序 一、目的基因的獲取 二、形成重組DNA分子 （基因工程的核心） 三、將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 四、篩選含有目的基因的受體細(xì)胞 五、目的基因的表達(dá) 【隨堂練習(xí)】 1．基因工程常用的受體細(xì)胞有（　 ） ①大腸桿菌 ②枯草桿菌 ③支原體 ④動植物細(xì)胞 A．①②③④ B．①②③ C．②③④ D．①②④ 2．基因工程的操作步驟：①使目的基因與運載體相結(jié)合，②將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞，③檢測目的基因的表達(dá)是否符合特定性狀要求，④提取目的基因，正確的操作順序是（ ?。? 　　A．③②④① 　　B.②④①③ 　C．④①②③ 　D．③④①② 【布置作業(yè)】完成學(xué)案和作業(yè)本上內(nèi)容。 【教學(xué)反思】因為基因工程對學(xué)生來說是比較抽象的，所以首先設(shè)置問題情景，利用生活中的的問題激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在思索中學(xué)習(xí)新知識。在教學(xué)中要注意讓抽象的語言在直觀的插圖中找到注釋，在實際動手中形成正確的認(rèn)識。還要引導(dǎo)學(xué)生從基因工程的整體思考問題，解決問題。