生物选修3教师教学用书

《生物选修3：现代生物科技专题 教师教学用书》

（一）教学内容的特点

本专题的内容由题图、《科技探索之路》和四节内容构成。

题图为学习者创设了一个意境。沃森和克里克对DNA双螺旋结构的重大发现和随后的技术创新孕育了基因工程。在复制的DNA双螺旋结构上展示的转基因工程菌、牛、羊、

鱼、番茄、甜椒、牵牛等，代表了基因工程在三个重要方面的研究成果：转基因微生物、转基因动物和转基因植物。在上述画面的基础上，点出基因工程的主题：“基因工程是按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组和转基因技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。”此题图不仅寓意深刻，且十分生动。

《科技探索之路──基础理论和技术的发展催生了基因工程》是正文的前奏曲。没有基础理论的研究成果，没有技术方面的创新发明，基因工程不可能诞生，也不可能迅速

崛起。其内容分两部分：一部分介绍基础理论研究成果，一部分介绍在技术层面上发明的各种操作手段。编者精选这些最重要的成果，其目的是使学生从科技史实中，感悟创新是科学技术发展的不竭动力。

专题1基因工程本专题参考学时为7课时，其中第一节《DNA重组技术的基本工具》2课时；第二节《基因工程的基本操作程序》2课时；第三节《基因工程的应用》2课时；

第四节《蛋白质工程的崛起》1课时。

对本专题的特点分析如下。

1.纵观全章内容──折射创新与发展的光辉

纵观本章科技探索之路和四节内容，鲜明揭示出理论创新、技术进步是促进基因工程问世和迅猛发展的主导因素。例如，在《科技探索之路》中，有关基础理论研究，相关

操作工具的发现，催生了基因工程。在《基因工程的基本操作程序》中，PCR基因扩增技术的发明，又将基因工程提升到一个新阶段。由于基因导入方法的不断创新和完善，使基因工程技术在微生物、植物、动物领域硕果累累。在《基因工程的应用》中，不仅可以看到转基因技术在微生物、植物、动物中的应用，而且看到这项技术已经发展到基因工程药物治疗、基因治疗等医药卫生领域。在《蛋白质工程的崛起》中，描述基因工程虽然硕果累累，但仍满足不了日益发展的生活、生产的更多要求，从而崛起了第二代基因工程──蛋白质工程。基因工程从诞生到现在，时间虽短，但包括的内容已折射出人类不断开拓创新、不断寻求发展的精神光辉。

2.透视字里行间──体现“科学、技术、社会（STS）”教育思想

在科技探索之路──《基础理论和技术的发展催生了基因工程》中，以精选的史实，说明了科学和技术的关系。在《DNA重组技术的基本工具》中，“工欲善其事，必先利

其器”又一次说明科学和技术是一对孪生兄弟。在《基因工程的基本操作程序》中，目的基因获取等一系列步骤，把社会需求、基础理论和先进技术融合在一起。在《基因工程的应用》中，社会的需求推动着科学技术的迅猛发展；基因工程的迅猛发展，促进了社会的不断进步。而《蛋白质工程的崛起》一节说明，社会的更高需求召唤着科学、技术的再创新──第二代基因工程的崛起。

3.感悟呈现方式──体现“简约、形象、诱思”原则

由于基因工程内容上的“高”与“新”，处理不好，会提高学习难度，令学生视高科技为畏途，致使教学流于形式，为此，教材的编写采用简化手法，化复杂为简约。在科

技探索之路中，摘其基础理论和技术创新中主要内容呈现给学生，在《DNA重组技术的基本工具》中摘其基本工具介绍给学生。在《基因工程的基本操作程序》和《基因工程的应用》中，呈现主干，割舍枝杈，将非主干内容以资料卡、拓展视野等方法呈现，做到有主有次。

对于基因工程，学生接触得少，为此，教学内容的另一种呈现方式是形象化。在文字描述感到抽象时，课文中都配以插图，力争图文并茂。对课文中难以理解的名词、概念，

通过打比方，使其“形象化”。例如，基因文库中把基因组文库比作国家图书馆，而把cDNA文库比作某市图书馆，这样便于学生理解和掌握。

“简约”和“形象”不是为了降低学生智力参与的力度，恰恰相反，“简约”给学生留有了思维的时间和空间。“形象”为学生左右脑协同思考创设了情境。为此，在本章

教学内容中，结合图文，都提出了一些相应的问题，诱导学生思考，从而把学习的注意力，从简单的死记硬背引导到分析、批判、创新等有利于学生终身发展的能力上来。例如，在模拟制作中，通过提出问题，引导学生进一步思考特定限制酶的功能、DNA连接酶的作用位点。又如，在学习限制酶时，提出“限制酶在原核生物中的作用”的问题，是为学生创设一个问题情境，从而为深入理解限制酶在生物体中的作用打开思路。

（二）教学内容的结构

科技探索之路──基础理论和技术的发展催生了基因工程

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三、 与学生经验的联系

报刊、杂志、广播、电视等媒体都有基因工程技术的介绍。高中学生已经或多或少了解一些基因工程的内容，知道人的生长激素基因可在鲤鱼中表达，使鲤鱼生长迅速；知

道寒冷水域中鱼的抗寒基因可在植物中表达，从而培育出抗寒性能高的植物??由于基因工程的诞生，实现了在微生物、动物、植物之间的基因交流，人类以前不能实现的种种奇思妙想将变为现实。在现实生活中，转基因生物也来到了人们的身边：超市中摆放着转基因大豆榨出的油；大田里种植了转基因的抗虫棉；药品商店出售着转基因微生物生产的胰岛素??可以说，以上内容都是学生学习新知识可联系的经验。

还有一些必修课中学习过的知识可作为学习新知识的铺垫。

在学习限制酶与DNA连接酶时，可与必修本中有关DNA结构的知识紧密联系。有了DNA结构的基础知识，才能较好地理解这两种酶的功能。

在学习目的基因检测时，可与必修本中DNA指导蛋白质合成的过程联系。这样学生才能理解，为什么要在三个层次上检测：①检测转基因生物是否插入了目的基因；②检测

目的基因是否转录出mRNA；③检测目的基因是否翻译成蛋白质。

在学习基因组文库时，可联系必修本中人类基因组计划的内容，从而获得一些感性认识。而在学习cDNA文库时，建议联系DNA转录的有关知识：获得mRNA后，以它为模板，

反转录则可获一条DNA单链，再以单链为模板合成双链DNA。

在学习PCR扩增技术时，可联系必修本中的DNA复制的内容。

在学习基因工程的应用一节时，应鼓励学生主动联系当地生产、生活中的具体事例，引导学生思考用基因工程的方法解决实际问题。 四、 与其他专题的联系

本专题多数内容都与其他专题有紧密的联系。关于转基因生物，在学习技术知识的基础上应引导学生主动学习《生物技术的安全性和伦理问题》专题。《胚胎工程》中有关

胚胎移植技术的内容，可使学生对培育转基因动物有更加透彻的理解。《细胞工程》中介绍植物细胞培养技术，是目的基因导入植物细胞、培育转基因植物的重要环节。另外，学习本专题内容时，建议密切关注《生态工程》专题中呈现的生态环境问题，思考利用基因工程的方法，解决生态环境问题中常规技术难以解决的问题。 2005-03-03

1.1 DNA重组技术的基本工具

一、 教学目标

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

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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EcoRI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?

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?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臵，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·coli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。

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