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基因工程的應(yīng)用 1. 教學(xué)目標(biāo) 知識與技能: (1)簡述基因工程的基本原理。 (2)舉例說出基因工程在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。 (3)收集基因工程所取得的成果以及發(fā)展前景。 (4)通過對書中插圖、照片等的觀察,學(xué)會科學(xué)的觀察方法,培養(yǎng)學(xué)生收集和處理科學(xué)信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力。 2、過程與方法 (1)利用課本以外的資料和信息解決課內(nèi)學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)的問題,培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力。 (2) 通過制作模型的活動來模擬基因工程的操作過程,使學(xué)生在理解步驟的同時,切身體會基因工程的主要過程。 (3)通過模擬聽證會的活動,引導(dǎo)學(xué)生主動參與,樂于辯論、積極進(jìn)行交流與合作,從而培養(yǎng)學(xué)生對團(tuán)結(jié)、互助和協(xié)調(diào)的合作精神,訓(xùn)練學(xué)生思維的敏捷性、邏輯性、廣闊性及創(chuàng)造性,開闊學(xué)生的視野,提高學(xué)生的自學(xué)能力和良好的語言表達(dá)能力。 3、情感態(tài)度和價值觀 (1) 關(guān)注轉(zhuǎn)基因生物和轉(zhuǎn)基因食品的安全性。 (2) 進(jìn)行角色扮演,使學(xué)生體驗參與社會問題的討論和決策的方法。 (3)通過學(xué)習(xí)了解我國基因工程的發(fā)展前景及成果,激發(fā)學(xué)生對于生物知識的興趣,開闊學(xué)生的思路,養(yǎng)成學(xué)生的愛國主義熱情,樹立在學(xué)習(xí)上努力刻苦的決心。 2. 教學(xué)重點/難點 【教學(xué)重點】 (1)基因工程的基本原理。 (2)基因工程的安全性問題。 【教學(xué)難點】 (1)基因工程的基本原理。 (2)轉(zhuǎn)基因生物與轉(zhuǎn)基因食品的安全性。 3. 教學(xué)用具 4. 標(biāo)簽 教學(xué)過程 【導(dǎo)入】情境創(chuàng)設(shè) 演示多媒體課件列舉幾種生物的不同性狀,如下: (1)青霉菌能產(chǎn)生對人類有用的抗生素——青霉素。 (2)豆科植物的根瘤菌能夠固定空氣中的氮氣。 (3)人的胰島素細(xì)胞能分泌胰島素調(diào)節(jié)血糖的濃度。 教師: 以上幾種生物各自有其特定的性狀,這些性狀都是基因特異性表達(dá)的結(jié)果,但是人類能不能改造基因呢?能不能使本身沒有某個性狀的生物具有某個特定性狀呢?例如,讓禾本科植物能夠固定空氣中的氮氣;讓微生物生產(chǎn)出人的胰島素、干擾素等藥物。這樣既節(jié)省了人力,又簡化了生產(chǎn),同時還不會對環(huán)境造成污染。這種設(shè)想能實現(xiàn)嗎?回答是可以的。通過科學(xué)家們的不斷努力,在20世紀(jì)70年代終于創(chuàng)立了一種能定向改造生物的新技術(shù)——基因工程。 教師通過課件圖片和音像資料展示基因工程產(chǎn)品,如種子、水果、疫苗或藥物等。同時引出本節(jié)課題:基因工程的原理。 【活動】師生互動 教師:利用“問題探討”,提出問題組織學(xué)生討論、交流看法。 (1)為什么能把一種生物的基因“嫁接”到另一種生物上? (2)推測這種“嫁接”怎樣才能實現(xiàn)? (3)這種“嫁接”對品種的改良有什么意義? 學(xué)生:分組討論。學(xué)生設(shè)想用類似的方法來“改造”某種生物,使其符合人們某種特定需要,說出具體設(shè)想。各小組選派代表陳述觀點。 教師:雜交育種有哪些局限性?人類是否可以按照自己的意愿直接定向改變生物。 學(xué)生:雜交育種方法簡單,容易操作的優(yōu)點,但是,雜交育種只能利用已有基因的重組,按需選擇,并不能創(chuàng)造新的基因。雜交后代會出現(xiàn)性狀分離現(xiàn)象,育種進(jìn)程緩縵,過程繁瑣。我們可以利用基因工程的辦法解決。即把一種生物的基因“嫁接”到另一種生物上。 教師:肯定學(xué)生合理的想法,引發(fā)思考。“你的想法很好,可是用什么樣的方法才能實現(xiàn)你的設(shè)想呢?” 學(xué)生:頭腦中設(shè)想“嫁接”的過程。 教師:用類比的方法引導(dǎo)學(xué)生思考基因工程的大致步驟和所需要的工具:剪刀、針線、運載體等。并用問題啟發(fā)學(xué)生:“你能想像這種剪刀加漿糊式的’嫁接工作在分子水平的操作,其難度會有多大嗎?” 學(xué)生:頭腦中設(shè)想“嫁接”的過程。并跟隨教師的引導(dǎo),思考基因工程的大致步驟:找到目的基因、剪切、拼接、縫合、表達(dá)、檢測,所用到的工具:基因剪刀、基因針線、基因的運載體。 教師:下面以EcoRI為例,構(gòu)建重組DNA分子模型,體會基因的剪切、拼接、縫合的道理。 EcoRI是已發(fā)現(xiàn)的500多種限制性內(nèi)切酶中的一種,它是一種從細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的能在特定位置上切割DNA分子的酶。它的特殊性在于,它在DNA分子內(nèi)部“下剪刀”,專門識別DNA分子中含有的“GAATTC”這樣的序列,一旦找到就從G和A之間剪斷(參考教科書插圖6-3)。 同學(xué)們來試一試,動手做一個重組DNA模型吧。在動手做之前,先要明白“分子剪刀”和“分子針線”的用途和使用方法。 用同一種限制性內(nèi)切酶切割后的DNA片斷其末端可以用連接酶來縫合(參考教科書插圖6-4)。這樣“剪切拼接”就可以形成重組的DNA分子。 學(xué)生:4個人一組,再次閱讀課前教師下發(fā)的“構(gòu)建DNA分子模型的文字指導(dǎo)”。 教師:提出問題: (1)制作模型時用到的(剪刀和針線)各代表什么?比較剪切后的DNA片斷的末端切片,你發(fā)現(xiàn)有什么特點呢 ? (2)回顧在模型構(gòu)建過程中,每一步的操作和所用到的工具以及形成的“產(chǎn)品”,你對重組DNA的操作有什么新的理解? 學(xué)生:討論模型構(gòu)建的具體方法,按“指導(dǎo)”的方法步驟、依次完成模擬制作過程。并思考教師提出的問題。回答并交流對重組DNA技術(shù)的理解。 學(xué)生:剪刀——限制性內(nèi)切酶(簡稱限制酶)。它的作用具有特異性特點,即識別特定核苷酸序列,切割特定切點。例如大腸桿菌的EcoRI限制酶能識別GAATTC序列,并在G和A之間切開。剪切的結(jié)果是:產(chǎn)生黏性未端(堿基互補(bǔ)配對)。 教師:要想獲得某個特定性狀的基因必須要用限制酶切幾個切口?可產(chǎn)生幾個黏性未端? 學(xué)生:要想獲得某個特定性狀的基因必須要用限制酶切2個切口?？僧a(chǎn)生2個黏性未端。 學(xué)生:針線——DNA連接酶。連接的部位:磷酸和脫氧核糖交替連接而構(gòu)成的DNA骨架上的缺口(梯子的扶手),不是氫鍵(梯子的踏板)。結(jié)果是:把兩個來源不同卻有相同的黏性未端的DNA連接。 教師; 用DNA連接酶連接兩個相同的黏性未端要連接幾個磷酸和脫氧核糖交替連接而構(gòu)成的DNA骨架上的缺口(磷酸二酯鍵)?用限制酶切一個特定基因要切斷幾個磷酸和脫氧核糖交替連接而構(gòu)成的DNA骨架上的缺口(磷酸二酯鍵)? 學(xué)生:2個、2個。 教師:現(xiàn)在同學(xué)們分組各做一個重組DNA模型,看一看哪個組的最科學(xué)。 學(xué)生:分組做重組DNA模型,并分別在實物投影儀上演示,其他同學(xué)點評。 教師:重組后的DNA分子還需要特殊的搬運工具運載到受體細(xì)胞(如大腸桿菌、動植物細(xì)胞)中。哪么誰能承擔(dān)這個任務(wù)呢? 教師:用圖片或課件動畫展示質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)及特點。 學(xué)生:觀看圖片或課件,了解質(zhì)粒的特點及其運載體功能。 質(zhì)粒的特點: 細(xì)胞擬核之外的小的環(huán)狀DNA分子。 借宿于細(xì)菌、霉菌、酵母菌等細(xì)胞里,對細(xì)胞的正常生活幾乎沒有影響。 質(zhì)粒能夠自主復(fù)制,而且復(fù)制只能在宿主細(xì)胞內(nèi)完成。 可以容易地從細(xì)胞中取出或放入。 這些特點使它能夠勝任運載體的工作,攜帶目的基因進(jìn)入細(xì)胞。 教師:有了基因工程操作的工具后,哪么基因工程具體是如何進(jìn)行操作的呢, 教師:用多媒體課件或與教科書插圖6-6示意圖類似的基因操作步驟的有關(guān)錄像資料。思考問題如下:(可以利用幻燈或多媒體課件演示) (1)舉例說明什么是目的基因。 (2)從供體細(xì)胞DNA中直接分離基因的方法叫什么?簡要說出該方法的過程是什么。 (3)人工合成基因的方法有幾種?其操作過程分別是什么? (4)將目的基因與用限制性內(nèi)切酶處理后的運載體混合,用DNA連接酶處理會出現(xiàn)幾種結(jié)果?(只考慮兩兩結(jié)合) (5)將含目的基因的重組質(zhì)粒導(dǎo)入細(xì)菌受體細(xì)胞的過程中常用到哪種化學(xué)試劑?其作用是什么? (6)在目的基因的檢測過程中,檢測的對象是什么? 學(xué)生:觀看錄像資料,想像科學(xué)家在分子水平上進(jìn)行這一操作的精確性。然后思考、討論、回答。(通過觀看錄像資料學(xué)生對基因工程的步驟能夠大體了解,對以上的問題能基本回答,但是對具體的操作步驟還不能從生物學(xué)角度上很透徹地理解。) 教師:現(xiàn)在請同學(xué)們閱讀教材內(nèi)容,從理論上理解有關(guān)知識,同學(xué)們可從生物學(xué)的專業(yè)知識角度出發(fā),用生物學(xué)的專業(yè)術(shù)語準(zhǔn)確地解答有關(guān)問題。 簡要歸納基因工程操作的基本步驟和大致過程。 學(xué)生和教師一起歸納基因工程操作的幾個步驟: 第一步:提取目的基因、 第二步:目的基因與運載體的結(jié)合、 第三步:將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞、 第四步:目的基因的檢測和表達(dá)。 【講授】教師精講 1、基因工程的概念: 基因工程又叫基因拼接技術(shù)或DNA重組技術(shù)。通俗地說,就是按照人們地意愿,把一種生物的某種基因提取出來,加以修飾改造,然后放到另一種生物的細(xì)胞里,定向地改造生物的遺傳性狀。 2、基因操作的工具: 基因的剪刀——限制性內(nèi)切酶。 分布:主要在微生物中。 作用特點:特異性,即識別特定核苷酸序列,切割特定切點。 結(jié)果:產(chǎn)生黏性未端(堿基互補(bǔ)配對)。 基因的針線——DNA連接酶。 連接的部位:磷酸二酯鍵(梯子的扶手),不是氫鍵(梯子的踏板)。 結(jié)果:兩個相同的黏性未端的連接。 基因的運輸工具——運載體。 作用:將外源基因送入受體細(xì)胞。 具備的條件:能在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制并穩(wěn)定地保存。 具有多個限制酶切點。 具有某些標(biāo)記基因。 種類:質(zhì)粒、噬菌體和動植物病毒。 質(zhì)粒的特點:質(zhì)粒是基因工程中最常用的運載體。 最常用的質(zhì)粒是大腸桿菌的質(zhì)粒。 存在于許多細(xì)菌及酵母菌等生物中。 質(zhì)粒的存在對宿主細(xì)胞無影響。 質(zhì)粒的復(fù)制只能在宿主細(xì)胞內(nèi)完成。 細(xì)胞染色體外能自主復(fù)制的小型環(huán)狀DNA分子。 3、基因操作的基本步驟。 (1)提取目的基因 目的基因的提取途徑:兩條,一條是從供體細(xì)胞的DNA中直接分離基因;另一種是人工合成基因。 (2)目的基因與運載體結(jié)合(以質(zhì)粒為運載體)。 目的基因與運載體結(jié)合的結(jié)果可能有三種情況:目的基因與目的基因結(jié)合,質(zhì)粒與質(zhì)粒結(jié)合,目的基因與質(zhì)粒結(jié)合。 (3)將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。 導(dǎo)入方法:借鑒細(xì)菌或病毒侵染細(xì)胞的途徑。 導(dǎo)入過程:運載體為質(zhì)粒,受體細(xì)胞為細(xì)菌。 (4)目的基因的檢測和表達(dá) 檢測:通過檢測標(biāo)記基因的有無,來判斷目的基因是否導(dǎo)入。 表達(dá):通過特定性狀的產(chǎn)生與否來確定目的基因是否表達(dá)。 課后習(xí)題 1、 下列關(guān)于基因工程技術(shù)的敘述,正確的是( ) A.重組DNA技術(shù)所用的工具酶是限制酶、連接酶和運載體 B.所有限制酶都只能識別同一種按規(guī)定的核苷酸序列 C.選用細(xì)菌作為重組質(zhì)粒的受體細(xì)胞是因為細(xì)胞繁殖快 D.只要目的基因進(jìn)入了受體細(xì)胞就能成功實現(xiàn)表達(dá) 2、以下說法正確的是 ( ) A. 所有的限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列 B.質(zhì)粒是基因工程中惟一的運載體 C.運載體必須具備的條件之一是:具有多個限制酶切點,以便與外源基因連接 D.基因治療主要是對有缺陷的細(xì)胞進(jìn)行修復(fù) 3、實施基因工程第一步的一種方法是把所需的基因從供體細(xì)胞內(nèi)分離出來,這要利用限性內(nèi)切酶。一種限制性內(nèi)切酶能識別DNA子中的GAATTC順序,切點在G和A之間,這是應(yīng)用了酶的( ) A.高效性 B.專一性 C.多樣性 D.催化活性受外界條件影響 4、上海醫(yī)學(xué)遺傳研究所成功培育出第一頭攜帶白蛋白的轉(zhuǎn)基因牛,他們還研究出一種可大大提高基因表達(dá)水平的新方法,使轉(zhuǎn)基因動物乳汁中的藥物蛋白含量提高30多倍,轉(zhuǎn)基因動物是指( ) A.提供基因的動物 B.基因組中增加外源基因的動物 C.能產(chǎn)生白蛋白的動物 D.能表達(dá)基因信息的動物 5、基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計施工的,在基因操作的基本步驟中,不進(jìn)行堿基互補(bǔ)配對的步驟是 ( ) A.人工合成基因 B.目的基因與運載體結(jié)合 C.將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 D.目的基因的檢測和表達(dá) 解析: 1、考察對基因工程原理的理解運用,只要理解基因工程的工具、步驟,即可正確的作出判斷。 2、考察對基因工程原理的理解運用,只要理解基因工程的工具、步驟,即可正確的作出判斷。 3、將基因工程的工具與酶的特性結(jié)合起來,考察學(xué)生的學(xué)科內(nèi)綜合運用的能力。 4、考察對基因工程的靈活運用的能力。 5、從遺傳原理的角度,考察學(xué)生對基因工程的理解。 【答案】1.C 2.C 3.B 4.B 5.C