第2节 基因工程及其应用
●从容说课
本节内容包括两个主要方面：一是基因工程的基本原理，二是基因工程的应用。分别用一个课时完成。对于基因工程的基本原理而言，既是学生进入高中以来第一次接触到的生物工程方面的有关内容，又是生物工程中四大主要工程的重点和难点，其知识内容比较抽象和复杂，属于生物科学中的前沿科学。学生理解和接受起来都十分困难。因此本节的侧重点是基因工程的原理和大致过程，在教学深度的把握上应定位在学生了解基因工程的过程和方法，而不必引入过多的专业术语和详细的操作技术，语言力求形象生动，避免不适当地扩展，增加深度和难度。有兴趣的学生可以在生物选修3《现代生物科技专题》中进一步学习。教学时从杂交育种及诱变育种的特点总结入手，结合“问题探讨”，引入基因工程的概念。教学中，教师先结合学生熟悉的具体事例通过类比的方法来讲述基因工程的基本工具，然后安排学生制作模型的活动来模拟基因工程的操作过程，使学生切身体会基因工程“剪、拼、接、转”的主要过程。最后教师用制作的电脑动画来表现这一动态过程。通过第1课时的学习使学生达到能简述基因工程所用到的“工具”和了解基因工程的大致过程的目的。
对于第2课时基因工程的应用的教学，重在在列举基因工程各种应用的基础上，引导学生讨论基因工程应用的利与弊。在进行教学的过程中，布置学生在课前浏览相应的信息资料，搜集有关资料并分析、归纳、整理，提出相应的问题或自主探究的课题，提交组内讨论；各小组讨论归纳，在课堂上进行全体同学的交流和讨论。在课堂上通过模拟一次听证会，让学生进行角色扮演，要求学生采用思考、分析、想象、推断和辩论相结合的方法，围绕基因工程的利与弊，分析讨论是否需要关注转基因食品和转基因生物。对于这个问题，教师不必刻意将学生的争论引向一致的结论，争辩的过程本身就是对学生思维的训练，能够给予学生不少启发。教师要注意引导学生摆事实、讲道理，作出合乎逻辑的推断，鼓励学生积极参与。还可设计合适的情境，组织学生制作公益广告、撰写咨询报告等多种活动，让学生站在不同角度思考问题并作出判断，使学生体会到参与社会问题的讨论和决策的方法。
最后，教师可以组织学生对本章进行小结，进一步突出从杂交育种到基因工程这条技术发展的主线。同时，教师也应强调科学技术是一把双刃剑，既可以为人类造福，又可能造成一些负面影响。身为现代公民，应该关注科学技术的发展和影响。
●三维目标
1.知识与技能
（1）简述基因工程的基本原理。
（2）举例说出基因工程在农业、医药等领域的应用。
（3）收集基因工程所取得的成果以及发展前景。
（4）通过对书中插图、照片等的观察，学会科学的观察方法，培养学生收集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力。
2.过程与方法
（1）利用课本以外的资料和信息解决课内学习中发现的问题，培养自主学习能力。
（2）通过制作模型的活动来模拟基因工程的操作过程，使学生在理解步骤的同时，切身体会基因工程的主要过程。
（3）通过模拟听证会的活动，引导学生主动参与、乐于辩论，积极进行交流与合作，从而培养学生团结、互助和协调的合作精神，训练学生思维的敏捷性、逻辑性、广阔性及创造性，开阔学生的视野，提高学生的自学能力和良好的语言表达能力。
3.情感态度与价值观
（1）关注转基因生物和转基因食品的安全性。
（2）进行角色扮演，使学生体验参与社会问题的讨论和决策的方法。
（3）通过学习了解我国基因工程的发展前景及成果，激发学生对生物知识的兴趣，开阔学生的思路，培养学生的爱国主义热情，树立在学习上努力刻苦的决心。
●教学重点
（1）基因工程的基本原理。
（2）基因工程的安全性问题。
●教学难点
（1）基因工程的基本原理。
（2）转基因生物与转基因食品的安全性。
●教具准备
教师课件。
●课时安排
2课时。第1课时：基因工程的原理，第2课时：基因工程的应用。
第1课时
●教学过程
［课前准备］
1.教师收集有关基因工程的音像图片资料和实物，并制作成课件。
2.教师参考选修3《现代生物科技专题》P6“重组DNA分子的模拟操作”编辑成构建重组DNA模型的文字指导，复印后发给各组。
3.学生以EcoRI为例，根据教师下发的指导构建重组DNA分子模型，体会基因的剪切、拼接、缝合的道理。
［情境创设］
演示多媒体课件列举几种生物的不同性状，如下：
（1）青霉菌能产生对人类有用的抗生素——青霉素。
（2）豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮气。
（3）人的胰岛素细胞能分泌胰岛素调节血糖的浓度。
教师：以上几种生物各自有其特定的性状，这些性状都是基因特异性表达的结果，但是人类能不能改造基因呢？能不能使本身没有某个性状的生物具有某个特定性状呢？例如，让禾本科植物能够固定空气中的氮气；让微生物生产出人的胰岛素、干扰素等药物。这样既节省了人力，又简化了生产，同时还不会对环境造成污染。这种设想能实现吗？回答是可以的。通过科学家们的不断努力，在20世纪70年代终于创立了一种能定向改造生物的新技术——基因工程。
教师通过课件图片和音像资料展示基因工程产品，如种子、水果、疫苗或药物等。同时引出本节课题：基因工程的原理。
［师生互动］
教师：利用“问题探讨”，提出问题，组织学生讨论、交流看法。
（1）为什么能把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上？
（2）推测这种“嫁接”怎样才能实现？
（3）这种“嫁接”对品种的改良有什么意义？
学生：分组讨论。学生设想用类似的方法来“改造”某种生物，使其符合人们某种特定需要，说出具体设想。各小组选派代表陈述观点。[Ks5u.com]
教师：杂交育种有哪些局限性？人类是否可以按照自己的意愿直接定向改造生物。
学生：杂交育种有方法简单、容易操作的优点。但是，杂交育种只能利用已有基因的重组，按需选择，并不能创造新的基因。杂交后代会出现性状分离现象，育种进程缓缦，过程烦琐。我们可以利用基因工程的办法解决，即把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上。
教师：肯定学生合理的想法，引发思考。“你的想法很好，可是用什么样的方法才能实现你的设想呢？”
学生：头脑中设想“嫁接”的过程。
教师：用类比的方法引导学生思考基因工程的大致步骤和所需要的工具：剪刀、针线、运载体等。并用问题启发学生：“你能想象这种剪刀加浆糊式的嫁接工作在分子水平的操作，其难度会有多大吗？”
学生：头脑中设想“嫁接”的过程。并跟随教师的引导，思考基因工程的大致步骤：找到目的基因、剪切、拼接、缝合、表达、检测，所用到的工具：基因剪刀、基因针线、基因的运载体。
教师：下面以EcoRI为例，构建重组DNA分子模型，体会基因的剪切、拼接、缝合的道理。
EcoRI是已发现的500多种限制性内切酶中的一种，它是一种从细菌中发现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分子内部“下剪刀”，专门识别DNA分子中含有的“GAATTC”这样的序列，一旦找到就从G和A之间剪断（参考教科书插图6－3）。
同学们来试一试，动手做一个重组DNA模型吧。在动手做之前，先要明白“分子剪刀”和“分子针线”的用途和使用方法。
用同一种限制性内切酶切割后的DNA片段其末端可以用连接酶来缝合（参考教科书插图6－4）。这样“剪切拼接”就可以形成重组的DNA分子。
学生：4个人一组，再次阅读课前教师下发的“构建DNA分子模型的文字指导”。
教师：提出问题：
（1）制作模型时用到的“剪刀”和“针线”各代表什么?比较剪切后的DNA片段的末端切片，你发现有什么特点呢 ?
（2）回顾在模型构建过程中,每一步的操作和所用到的工具以及形成的“产品”，你对重组DNA的操作有什么新的理解？
学生：讨论模型构建的具体方法，按“指导”的方法步骤依次完成模拟制作过程，并思考教师提出的问题。回答并交流对重组DNA技术的理解。
学生：剪刀——限制性内切酶（简称限制酶）。它的作用具有特异性特点，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点。例如大肠杆菌的EcoRI限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。剪切的结果是产生黏性未端（碱基互补配对）。
教师：要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性末端？
学生：要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切2个切口。可产生2个黏性末端。
学生：针线——DNA连接酶。连接的部位：磷酸和脱氧核糖交替连接而构成的DNA骨架上的缺口（梯子的扶手），不是氢键（梯子的踏板）。结果是把两个来源不同却有相同的黏性末端的DNA连接。
教师：用DNA连接酶连接两个相同的黏性末端要连接几个磷酸和脱氧核糖交替连接而构成的DNA骨架上的缺口（磷酸二酯键）？用限制酶切一个特定基因要切断几个磷酸和脱氧核糖交替连接而构成的DNA骨架上的缺口（磷酸二酯键）？
学生：2个、2个。
教师：现在同学们分组各做一个重组DNA模型，看一看哪个组的最科学。
学生：分组做重组DNA模型，并分别在实物投影仪上演示，其他同学点评。
教师：重组后的DNA分子还需要特殊的运载工具运载到受体细胞（如大肠杆菌、动植物细胞）中。那么谁能承担这个任务呢？
教师：用图片或课件动画展示质粒的结构及特点。
学生：观看图片或课件，了解质粒的特点及其运载功能。
质粒的特点：
细胞拟核之外的小的环状DNA分子。借宿于细菌、霉菌、酵母菌等细胞里，对细胞的正常生活几乎没有影响。质粒能够自主复制，而且复制只能在宿主细胞内完成。可以容易地从细胞中取出或放入。这些特点使它能够胜任运载体的工作，携带目的基因进入细胞。
教师：有了基因工程操作的工具后，那么基因工程具体是如何进行操作的呢？
教师：用多媒体课件或与教科书插图6－6示意图类似的基因操作步骤的有关录像资料进行展示。思考问题如下：（可以利用幻灯或多媒体课件演示）
（1）举例说明什么是目的基因。
（2）从供体细胞DNA中直接分离基因的方法叫什么？简要说出该方法的过程是什么。
（3）人工合成基因的方法有几种？其操作过程分别是什么？
（4）将目的基因与用限制性内切酶处理后的运载体混合，用DNA连接酶处理会出现几种结果？（只考虑两两结合）
（5）将含目的基因的重组质粒导入细菌受体细胞的过程中常用到哪种化学试剂？其作用是什么？
（6）在目的基因的检测过程中，检测的对象是什么？
学生：观看录像资料，想象科学家在分子水平上进行这一操作的精确性。然后思考、讨论、回答。（通过观看录像资料学生对基因工程的步骤能够大体了解，对以上的问题能基本回答，但是对具体的操作步骤还不能从生物学角度上很透彻地理解）
教师：现在请同学们阅读教材内容，从理论上理解有关知识，同学们可从生物学的专业知识角度出发，用生物学的专业术语准确地解答有关问题。
简要归纳基因工程操作的基本步骤和大致过程。[Ks5u.com]
学生和教师一起归纳基因工程操作的几个步骤：
第一步：提取目的基因；
第二步：目的基因与运载体的结合；
第三步：将目的基因导入受体细胞；
第四步：目的基因的检测和表达。
［教师精讲］
1.基因工程的概念
基因工程又叫基因拼接技术或DNA重组技术。通俗地说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。
2.基因操作的工具
基因的剪刀——限制性内切酶。
分布：主要在微生物中。
作用特点：特异性，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点。
结果：产生黏性末端（碱基互补配对）。
基因的针线——DNA连接酶。
连接的部位：磷酸二酯键（梯子的扶手），不是氢键（梯子的踏板）。
结果：两个相同的黏性末端的连接。ks5u.com
基因的运载工具——运载体。
作用：将外源基因送入受体细胞。
具备的条件：能在宿主细胞内复制并稳定地保存。
具有多个限制酶切点。
具有某些标记基因。
种类：质粒、噬菌体和动植物病毒。
质粒的特点：质粒是基因工程中最常用的运载体。
最常用的质粒是大肠杆菌的质粒。
存在于许多细菌及酵母菌等生物中。
质粒的存在对宿主细胞无影响。
质粒的复制只能在宿主细胞内完成。
细胞染色体外能自主复制的小型环状DNA分子。
3.基因操作的基本步骤
（1）提取目的基因。
目的基因的提取途径有两条：一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因；另一种是人工合成基因。[高考资源网]
（2）目的基因与运载体结合（以质粒为运载体）。
目的基因与运载体结合的结果可能有三种情况：目的基因与目的基因结合，质粒与质粒结合，目的基因与质粒结合。
（3）将目的基因导入受体细胞。
导入方法：借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。
导入过程：运载体为质粒，受体细胞为细菌。
（4）目的基因的检测和表达。
检测：通过检测标记基因的有无，来判断目的基因是否导入。
表达：通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达。
［评价反馈］
1.下列关于基因工程技术的叙述，正确的是
A.重组DNA技术所用的工具酶是限制酶、连接酶和运载体
B.所有限制酶都只能识别同一种按规定排列的核苷酸序列
C.选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细胞繁殖快
D.只要目的基因进入了受体细胞就能成功地实现表达
解析：考查学生对基因工程原理的理解运用，只要理解基因工程的工具、步骤，即可正确地作出判断。
答案：C
2.以下说法正确的是
A.所有的限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列
B.质粒是基因工程中唯一的运载体
C.运载体必须具备的条件之一是具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接
D.基因治疗主要是对有缺陷的细胞进行修复
解析：考查学生对基因工程原理的理解运用，只要理解基因工程的工具、步骤，即可正确地作出判断。
答案：C
3.实施基因工程第一步的一种方法是把所需的基因从供体细胞内分离出来，这要利用限制性内切酶。一种限制性内切酶能识别DNA分子中的GAATTC顺序，切点在G和A之间，这是应用了酶的
A.高效性 B.专一性
C.多样性 D.催化活性受外界条件影响
解析：将基因工程的工具与酶的特性结合起来，考查学生学科内综合运用的能力。
答案：B
4.上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带白蛋白的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍，转基因动物是指
A.提供基因的动物 B.基因组中增加了外源基因的动物
C.能产生白蛋白的动物 D.能表达基因信息的动物
解析：考查学生对基因工程灵活运用的能力。
答案：B
5.基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的，在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的步骤是
A.人工合成基因 B.目的基因与运载体结合
C.将目的基因导入受体细胞 D.目的基因的检测和表达
解析：从遗传原理的角度，考查学生对基因工程的理解。
答案：C
［课堂小结］
基因工程的别名
基因拼接技术或DNA重组技术
操作环境
生物体外
操作对象
基因
操作水平
DNA分子水平
操作工具
基因的剪刀、针线、运载体
基本过程
剪切→拼接→导入→表达
结 果
人类需要的基因产物
［布置作业］
P106：基础题1、2、3，拓展题1。
［课后拓展］
1.学生搜集基因工程应用的事例及其价值的资料。
2.搜集有关基因工程技术安全性方面的报道、法规等的资料。
●板书设计
第2节 基因工程及其应用
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