摘要 人教版高中生物選修3：《現(xiàn)代生物科技專題》中基因工程專題所涉及的內(nèi)容都是前沿科學(xué)，教材中對一些原理和操作過程的講解用到了流程圖和示意圖，教學(xué)時(shí)教師對這些流程圖和示意圖的正確理解和應(yīng)用有助于驅(qū)動(dòng)教學(xué)任務(wù)的順利進(jìn)行，本文主要是針對教材中相關(guān)流程圖、示意圖進(jìn)行認(rèn)真研究后的一些教學(xué)思考。

關(guān)鍵詞：流程圖 示意圖 基因工程 PCR   蛋白質(zhì)工程

一、        關(guān)于教材第8頁圖1-6 基因工程的基本操作流程圖

   聯(lián)系教材內(nèi)容可知，三種獲取目的基因的方法實(shí)際的應(yīng)用情境是這樣的：

1、如果不知道目的基因的核苷酸序列，可以通過構(gòu)建基因文庫的辦法，即通過用受體菌儲(chǔ)存并擴(kuò)增目的基因后，從基因文庫中去獲取目的基因。

2、如果知道目的基因的核苷酸序列，而且基因比較小，可以通過DNA合成儀用化學(xué)方法人工合成。

3、如果知道目的基因的核苷酸序列，但基因比較大，則可以通過PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因。

   教學(xué)中我們應(yīng)該注意比較這三種方法的實(shí)際應(yīng)用，幫助學(xué)生對知識的理解。至于基因工程操作的四部曲，教師不妨在流程圖中每一步前面加上“怎樣”，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)能夠簡述出具體的過程和方法即可。

二、關(guān)于教材第10頁圖1-8 PCR反應(yīng)原理示意圖

   在教學(xué)中我們對這個(gè)示意圖往往可能形成這樣的理解偏差：① PCR擴(kuò)增的模板就是目的基因（從上述第一個(gè)內(nèi)容中可以看出作為模板的可以是包含目的基因的DNA或cDNA）②這個(gè)過程中每次循環(huán)目的基因都可以增加一倍③合成引物必須要知道目的基因的全部序列④整個(gè)過程必須三段溫度等等。

   那么怎樣才能對這個(gè)示意圖的全面理解呢？我們不妨設(shè)置問題串，并逐一解決，對這個(gè)技術(shù)所包含的各項(xiàng)內(nèi)容就不難把握了。

1、什么是PCR擴(kuò)增？

   聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng) (Polymerase Chain Reaction)，簡稱PCR，是一種分子生物學(xué)技術(shù)，用于放大特定的DNA片段?？煽醋魃矬w外特殊的DNA復(fù)制。

2、依據(jù)什么原理？

   原理：利用DNA雙鏈復(fù)制的原理。

3、需要什么條件？

   PCR反應(yīng)五要素： 參加PCR反應(yīng)的物質(zhì)主要有五種即引物、酶、dNTP即脫氧核苷酸三磷酸（dATP dTTP dCTP dGTP）、模板和Mg2+（示意圖中沒有反映出來）。

4、基本反應(yīng)過程是什么？

  標(biāo)準(zhǔn)的PCR過程分為三步：

 （1）DNA變性（90℃-95℃）：雙鏈DNA模板在加熱作用后， 氫鍵斷裂，形成單鏈DNA。

 （2）退火（55℃-60℃）：系統(tǒng)溫度降低，引物與DNA模板結(jié)合，形成局部雙鏈。

 （3）延伸（70℃-75℃）：在Taq酶（在72℃左右最佳的活性）的作用下，以dNTP為原料，從引物的5′端→3′端延伸，合成與模板互補(bǔ)的DNA鏈。每一循環(huán)經(jīng)過變性、退火和延伸，DNA含量可以增加一倍。

5、為什么沒有用到解旋酶？

   DNA在沒有酶催化作用時(shí)可以通過體外加熱到90℃-95℃使其雙鏈解旋成單鏈。

6、原料為什么不是四種游離的脫氧核苷酸而是dNTP，為什么不用加ATP？

   實(shí)際上生物體內(nèi)DNA合成需要脫氧核苷酸三磷酸為原料。在合成DNA過程中脫氧核苷酸三磷酸（dNTP）往引物或已合成的DNA鏈上連接形成磷酸二酯鍵時(shí)，能量可以由磷酸基之間的高能磷酸鍵斷裂提供，這樣就不需要加入ATP，可以簡化擴(kuò)增目的基因的操作過程。

7、為什么要加引物？

   反應(yīng)過程中引物能夠與模板鏈特定的序列片段互補(bǔ)，因此加入的引物決定了擴(kuò)增目的基因的特異性。

8、是否需要知道目的基因的全部序列？

   由于PCR技術(shù)擴(kuò)增的是兩引物結(jié)合位點(diǎn)之間的序列，所以只要知道合成引物的脫氧核苷酸序列，即被擴(kuò)增的目的基因DNA的片段兩端的核苷酸序列即可。

9、為什么整個(gè)反應(yīng)過程需要三段溫度？

   90-95℃熱作用下， 氫鍵斷裂，能夠形成單鏈DNA。55-60℃系統(tǒng)溫度降低，使引物與DNA模板結(jié)合，形成局部雙鏈。這往往與引物長短、CG堿基含量有關(guān)。70-75℃Taq酶在72℃左右活性最佳，有利于復(fù)制過程的進(jìn)行。

   現(xiàn)在有些PCR因?yàn)閿U(kuò)增區(qū)很短，即使Taq酶活性不是最佳也能在很短的時(shí)間內(nèi)復(fù)制完成，因此可以改為兩步法，即退火和延伸同時(shí)在60℃-65℃間進(jìn)行，以減少一次升降溫過程，提高了反應(yīng)速度。

10、PCR技術(shù)有哪些應(yīng)用？

   ① 可用于 DNA 的擴(kuò)增和克隆，制備單鏈或雙鏈 DNA 探針；也可用于定位誘變和 DNA 測序。 ② 在臨床醫(yī)學(xué)上可用于檢測病原體，診斷遺傳病，以及對癌基因的分析確定。 ③ 用于微生物分離菌株的系統(tǒng)發(fā)育分析，以確定分類地位。當(dāng)用多對引物進(jìn)行 PCR 時(shí)，可得到對個(gè)體特定的條帶圖譜，稱為指紋圖譜（ DNA fingerprinting ）。 DNA 指紋圖譜能確定個(gè)體間的血緣關(guān)系。由于 PCR 技術(shù)操作簡單、實(shí)用性強(qiáng)、靈敏度高，并可自動(dòng)化，因而在分子生物學(xué)、基因工程研究，微生物分子系統(tǒng)學(xué)以及臨床醫(yī)學(xué)、法醫(yī)和檢疫等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。如可直接用臨床標(biāo)本如血液、體腔液、洗嗽液、毛發(fā)、細(xì)胞、活組織等DNA擴(kuò)增檢測。

   教師對這個(gè)示意圖有了正確的理解后，才能把握好對有關(guān)PCR技術(shù)教學(xué)的深度和尺度。

三、關(guān)于圖1-29 蛋白質(zhì)工程流程圖

根據(jù)蛋白質(zhì)工程流程圖，我們雖然可以明確天然的蛋白質(zhì)是按照中心法則進(jìn)行合成的，蛋白質(zhì)工程對蛋白質(zhì)性質(zhì)、功能的改造根本上是要對控制蛋白質(zhì)合成的基因進(jìn)行改造。但這個(gè)流程圖中并不能體現(xiàn)出對基因應(yīng)該如何進(jìn)行改造，因此我們對蛋白質(zhì)工程概念中基因修飾或基因合成的正確理解就有一定的難度。

通過研究我了解到蛋白質(zhì)分子的改造實(shí)際上可以分為“小改”（即有目的改造蛋白質(zhì)分子中某活性部位的1個(gè)或幾個(gè)氨基酸殘基以改善蛋白質(zhì)的性質(zhì)和功能），“中改”（是指在蛋白質(zhì)分子中替代某一個(gè)肽段或一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)域）， “大改”（根據(jù)氨基酸的性質(zhì)和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制造出自然界中不存在的全新蛋白質(zhì)）。即蛋白質(zhì)工程包括對蛋白質(zhì)改造和創(chuàng)造。其中“小改”是通過基因定點(diǎn)誘變技術(shù)改變蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)。而“大改”需要人工合成DNA，實(shí)現(xiàn)從頭合成全新的蛋白質(zhì)。

教學(xué)中不妨把教材中提及的對干擾素、胰島素、天然酶的改造等問題放入流程圖中去討論。這對基因修飾和基因合成的理解可能會(huì)容易一些。

蛋白質(zhì)工程中所提的基因修飾就是造成堿基對的缺失、插入或替代，使基因定點(diǎn)誘變，這樣便可以對蛋白質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的改造。目前DNA定位誘變主要有三種：①寡核苷酸指導(dǎo)的誘變 ②盒式誘變 ③PCR 誘變。

1、核苷酸指導(dǎo)的誘變    基本原理是，合成一段寡聚脫氧核糖核苷酸作為引物，其中含有所需要改變的堿基，使其與帶有目的基因的單鏈 DNA 配對。合成的寡核苷酸除短的錯(cuò)配區(qū)外，與目的基因完全互補(bǔ)。然后用 DNA 聚合酶使寡核苷酸引物延伸，完成單鏈 DNA 的復(fù)制。由此產(chǎn)生的雙鏈 DNA ，一條鏈為野生型親代鏈，另一條為突變型子代鏈。將獲得的雙鏈分子通過轉(zhuǎn)導(dǎo)入宿主細(xì)胞，并篩選出突變體，其中基因已被定向修改。

2、盒式誘變    所謂盒式誘變（ cassette mutagenesis ）就是用一段人工合成具有突變序列的 DNA 片段，取代野生型基因中的相應(yīng)序列。這就好像用各種不同的盒式磁帶插入收錄機(jī)中一樣，故而稱合成的片段為“盒”，這種誘變方式為盒式誘變。然而，并非所有變異區(qū)附近都能找到合適的限制位點(diǎn)，如果不存在限制位點(diǎn)，就要用寡核苷酸指導(dǎo)的定位誘變引入限制位點(diǎn)。

3、 PCR 誘變     重組 PCR （ recombinant PCR ）進(jìn)行定位誘變的方法，即可以在 DNA 片段的任意部位產(chǎn)生定位突變。它在需要誘變的位置合成兩個(gè)帶有變異基因堿基的互補(bǔ)引物，然后分別與 5' 引物和 3' 引物作 PCR ，這樣得到的兩個(gè) PCR 產(chǎn)物分別帶有變異堿基，并且彼此重疊，在重疊部位經(jīng)重組 PCR 就能得到誘變的 PCR 產(chǎn)物。

任何基因，只要兩端及需要變異的部位的序列已知，就可用 PCR 誘變?nèi)ジ脑旎虻男蛄?。方法簡便易行，結(jié)果準(zhǔn)確、高效，因此已成為最常用的定位誘變方法。

學(xué)無止境，教師應(yīng)該在教學(xué)中提高，在學(xué)習(xí)中提高。作為學(xué)生知識的源頭之一，教師必須不斷充實(shí)自己，真正做到手中有“糧”，心里不慌。這是我對教學(xué)的感悟。

參考資料：1、微生物學(xué)       沈萍主編

                 2、生物   現(xiàn)代生物科技專題   選修3    蘇教版

                 3、生物學(xué)教學(xué)     2008 3

                  4、百度知道

                  5、生物化學(xué)簡明教程