2019-2020学年人教版生物选修一抢分教程能力提升：专题5课题2　多聚酶链式反应扩增DNA片段

2019-2020学年人教版生物选修一抢分教程能力提升：专题5课题2　多聚酶链式反应扩增DNA片段

专题 5 课题 2 多聚酶链式反应扩增 DNA 片段 [随堂巩固] 1．下列关于 PCR 的描述中，正确的是 ①PCR 是一种酶促反应 ②引物决定了扩增的特异性 ③扩增 DNA 利用了热变性的原理 ④扩增的对象是氨基酸序列 A．①②④ B．②③④ C．①③④ D．①②③ 解析 PCR 是一种体外迅速扩增 DNA 片段的技术，在高温条件下，把 DNA 的双链打开，缓慢冷却后，又重新结合，需要耐高温 DNA 聚合酶，同时，还需 要引物，从引物的 3′端连接脱氧核苷酸。 答案 D 2.下列关于 PCR 技术的叙述，错误的是 A．利用了细胞内 DNA 复制的原理 B．引物是合成子链的条件之一 C．Taq 酶在 90－95 ℃时会变性 D．每一次循环后目的基因的量增加一倍 解析 PCR 技术的原理是 DNA 分子的复制，A 正确；PCR 技术需要两个 不同的引物，B 正确；Taq 酶是耐高温的 DNA 聚合酶，在 90－95 ℃时不会变性， C 错误；PCR 技术的原理是 DNA 分子的复制，每一次循环后目的基因的量增加 一倍，D 正确。 答案 C 3．下列关于 DNA 复制和 PCR 技术的比较中，描述正确的是 A．两个过程都是边解旋边复制 B．两个过程都是随时都能进行 C．两个过程都需要相同的酶催化 D．两个过程都遵循碱基互补配对原则 解析 DNA 复制是边解旋边复制，而 PCR 是变性→复性→延伸，分开、循 环进行。DNA复制发生在细胞有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期，而PCR 只要反应条件合适随时可以进行。DNA 复制需要 DNA 解旋酶、DNA 聚合酶等， 而 PCR 只需要耐高温的 TaqDNA 聚合酶，不需要 DNA 解旋酶。 答案 D 4．小鼠杂交瘤细胞表达的单克隆抗体用于人体试验时易引起过敏反应，为 了克服这个缺陷，可选择性扩增抗体的可变区基因(目的基因)后再重组表达。下 列相关叙述正确的是 A．设计扩增目的基因的引物时不必考虑表达载体的序列 B．用 PCR 方法扩增目的基因时必须知道基因的全部序列 C．PCR 体系中一定要添加从受体细胞中提取的 DNA 聚合酶 D．一定要根据目的基因编码产物的特性选择合适的受体细胞 解析 本题考查 PCR 技术。A 项中，设计扩增目的基因的引物时，要考虑 扩增的目的基因与载体两端序列碱基互补配对，故错误。B 项中，DNA 复制沿 着模板进行，不必知道基因的全部序列，故错误。C 项中，PCR 技术中的 DNA 聚合酶是耐高温的 DNA 聚合酶，不是从受体细胞中提取的 DNA 聚合酶，故错 误。D 项中，目的基因编码产物不同，相应的受体细胞不同，故正确。 答案 D 5．PCR 技术有效地解决了因为样品中 DNA 含量太低而难以对样品进行研 究的问题，而被广泛应用，此过程需要一种 Taq DNA 聚合酶。请回答有关问题： (1)体内 DNA 复制过程中用解旋酶打开双链 DNA，而 PCR 技术中应用 ____________。 (2)Taq DNA 聚合酶是从水生耐热细菌 Taq 中分离的。 Taq DNA 聚合酶的功能是_________________________________________。 (3)相对于细菌分离，DNA 分子的分离和提取操作要复杂的多。 ① 在 DNA 提 取 中 两 次 用 到 蒸 馏 水 ， 其 目 的 分 别 是 ____________ 、 ____________。 ② 实 验 中 能 否 以 哺 乳 动 物 成 熟 的 红 细 胞 为 实 验 材 料 ？ 为 什 么 ？ ____________________。 (4)与体内 DNA 复制相比较，PCR 反应要在____________中才能进行，并 且要严格控制________条件。 (5)PCR 中加入的引物有________种，加入引物的作用是________________。 解析 (1)PCR 技术中用高温使 DNA 分子中的氢键打开，从而解旋。 (2)在 DNA 分子复制中，Taq DNA 聚合酶将一个脱氧核苷酸的脱氧核糖和 另一脱氧核苷酸的磷酸连结形成磷酸二酯键。 (3)①在使用蒸馏水时，第一次使血细胞破裂，第二次使 NaCl 溶液浓度降低 至 0.14 mol/L。 ②哺乳动物成熟的红细胞中无 DNA 分子，不能用它作为 DNA 分子分离和 提取的材料。 (4)PCR 反应是在一定的缓冲溶液中进行的，并需严格控制好温度条件。 (5)PCR 中与体内 DNA 复制过程中的原料是完全相同的，并加入小段单链 DNA 作为引物，引导 DNA 复制，可以使游离的脱氧核苷酸与之结合形成磷酸 二酯键，成为 DNA 复制的起点。 答案 (1)高温使 DNA 分子热变性 (2)催化脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键 (3)①使血细胞破裂，释放出 DNA 分子 稀释 NaCl 溶液，使 DNA 分子析 出 ②不能，哺乳动物成熟的红细胞中无 DNA 分子 (4)一定的缓冲溶液 温度 (5)2 作为 DNA 复制的起点 [限时检测] [时间 45 分钟，满分 80 分] 一、选择题(每小题 5 分，共 50 分) 1．以下为形成 cDNA 过程和 PCR 扩增过程示意图，据图分析，下列说法 正确的是 A．催化②⑤过程的酶都是 DNA 聚合酶，都能耐高温 B．催化①过程的酶是 RNA 聚合酶 C．④过程发生的变化是引物与单链 DNA 结合 D．如果 RNA 单链中 A 与 U 之和占该链碱基含量的 40%，则一个双链 DNA 中，A 与 U 之和也占该 DNA 碱基含量的 40% 解析 图中②⑤过程为形成子链，这两个过程都需要 DNA 聚合酶的催化， 其中⑤过程进行的温度是 70～75 ℃，因此催化该过程的 DNA 聚合酶能耐高温， 但催化②过程的酶不耐高温，A 错误；①为逆转录过程，该过程需要逆转录酶的 催化，B 错误；④为复性过程，发生的变化是引物与互补 DNA 链结合，C 正确； 根据碱基互补原则 A－T，U－A，如果 RNA 单链中 A 与 U 之和占该链碱基含 量的 40%，则一个双链 DNA 中，A 与 T 之和也占该 DNA 碱基含量的 40%，而 DNA 分子中不含碱基 U，D 错误。 答案 C 2．下列关于 PCR 反应体系中所加物质作用的描述，错误的是 A．热稳定的 DNA 聚合酶用于合成 DNA 子链 B．引物使 Taq 酶能从引物的 5′端延伸 DNA 链 C．四种游离脱氧核苷酸用于合成子链的原料 D．目标 DNA 母链用于合成 DNA 复制的模板 解析 PCR 反应体系中，DNA 聚合酶催化合成 DNA 子链；引物使 DNA 聚合酶能从引物的 3′端开始连接脱氧核苷酸；四种游离的脱氧核苷酸是用于合 成子链的原料；DNA 母链提供 DNA 复制的模板。故选 B。 答案 B 3．在 PCR 反应中，只有一个 DNA 的片段作为模板，经过三次循环后，含 引物 I 的 DNA 单链占 DNA 总链数的 A．1/2 B．1/4 C．1 D．7/16 解析 聚合酶链式反应(PCR)技术是在人为条件下进行的 DNA 分子复制技 术，而 DNA 复制为半保留方式，经过 3 次循环即复制 3 次，则合成 23 个 DNA 拷贝，共 16 条单链，而含有引物Ⅰ的 DNA 除亲代 DNA 片段外，其余每个 DNA 片段都有一条单链含引物Ⅰ，所以，含引物 I 的 DNA 单链占 DNA 总链数的 7/16， 选 D。 答案 D 4．(2019·荆门检测)下列有关 PCR 技术的叙述，正确的是 A．作为模板的 DNA 序列必须不断地加进每一次的扩增当中 B．作为引物的脱氧核苷酸序列必须不断地加进每一次的扩增当中 C．反应需要的 DNA 聚合酶必须不断地加进反应当中 D．反应需要的 DNA 连接酶必须不断地加进反应当中 解析 模板 DNA 只需要加入一次，A 项错误；引物在合成过程中不断被利 用，需要不断加入，B 项正确；DNA 聚合酶可反复使用，C 项错误；PCR 技术 中用到耐热的 DNA 聚合酶，D 项错误。 答案 B 5．SRY 基因为 Y 染色体上的性别决定基因，可用 SRY—PCR 法鉴定胚胎 性别，其基本程序如图。相关说法正确的是 提取少量胚胎 细胞 DNA ――――――――→SRY 基因引物 PCR 扩增 ―→ 大量 DNA ―→ SRY 探 针检测 A．PCR 扩增的操作步骤依次是：高温变性、中温复性、低温延伸 B．上述过程需要使用的工具酶之一是 RNA 聚合酶 C．PCR 技术中以核糖核苷酸为原料，以指数方式扩增 D．SRY 探针能与雄性胚胎样品中 DNA 配对 解析 PCR 扩增的操作步骤依次是高温变性、低温复性及适温延伸等，A 项错误；上述过程需要使用的工具酶之一是热稳定 DNA 聚合酶，B 项错误；PCR 技术的原理是 DNA 双链的复制，其产物是大量的 DNA，所以需要以脱氧核苷 酸为原料，C 项错误；SRY 基因为 Y 染色体上的性别决定基因，SRY 探针是用 位于 Y 染色体上的性别决定基因(SRY 基因)制成的，因此 SRY 探针能与雄性胚 胎样品中 DNA 配对，D 项正确。 答案 D 6．复性温度是影响 PCR 特异性的较重要因素。变性后温度快速冷却至 40 ～60 ℃，可使引物和模板发生结合。PCR 的结果可不考虑原来解旋开的两个 DNA 模板链的重新结合，原因是 A．引物是人工合成的 B．引物为 DNA 聚合酶提供了 3′端 C．加入引物的量足够多而模板链数量少 D．模板链加热解旋已经变性不可能再次结合 解析 PCR 的结果可不考虑原来解旋开的两个 DNA 模板链的重新结合，原 因是引物的量足够多，而模板链数量少。 答案 C 7．在实验室中，做 PCR 时通常使用的微量离心管是一种薄壁塑料管，此 过程可以使用玻璃离心管吗，为什么？ A．可以，玻璃离心管、塑料微量离心管都可以使用 B．不可以，玻璃离心管易碎，使用不安全 C．不可以，玻璃离心管一般较大，不适合作为微量离心管 D．不可以，玻璃离心管容易吸附 DNA 解析 玻璃离心管容易吸附 DNA，在进行 DNA 操作时应选用塑料器皿。 答案 D 8．多聚酶链式反应(PCR)是一种体外迅速扩增 DNA 片段的技术。PCR 过 程一般经历下述三十多次循环：95 ℃下变性(使模板 DNA 解旋)→55 ℃下复性(引 物与 DNA 模板链结合)→72 ℃下延伸(形成新的脱氧核苷酸链)。下列有关 PCR 过程的叙述中不正确的是 A．变性过程中破坏的是 DNA 分子内碱基对之间的氢键，也可利用解旋酶 实现 B．复性过程中引物与 DNA 模板链的结合是依靠碱基互补配对 C．延伸过程中需要 DNA 聚合酶和四种核糖核苷酸 D．PCR 与细胞内 DNA 复制相比所需要酶的最适温度较高 解析 变性是为了使 DNA 内部的氢键断裂，双螺旋打开，体内复制时借助 解旋酶来实现；借助碱基互补配对原则，引物可与 DNA 模板链结合；延伸时是 形成新的 DNA 分子，需要以脱氧核苷酸为原料；PCR 过程的温度高，会导致一 般的 DNA 聚合酶失活，需特定的耐高温 DNA 聚合酶。 答案 C 9．下列对 PCR 技术的叙述，错误的是 A．PCR 技术的原理是 DNA 复制 B．PCR 是一种酶促反应，需耐高温的解旋酶和 DNA 聚合酶 C．一个 DNA 片段经 PCR 扩增，可以形成 2n 个 DNA 片段(n 代表循环次数) D．PCR 利用了 DNA 的热变性来控制 DNA 的解旋与结合 解析 PCR 是一种体外迅速扩增 DNA 片段的技术，它以极少量的 DNA 为 模板，以四种脱氧核苷酸为原料，在引物作用下使 DNA 聚合酶从引物的 3′端连 接脱氧核苷酸，短时间内迅速复制上百万份的 DNA 拷贝。PCR 利用 DNA 在不 同温度下变性解旋或复性的特性来解旋并结合引物，不需要用解旋酶来解旋。 答案 B 10．下列关于 DNA 复制和 PCR 的描述中，正确的是 A．DNA 聚合酶不能从头开始合成 DNA，只能从 5′端延伸 DNA 链 B．DNA 复制不需要引物 C．引物与 DNA 母链通过碱基互补配对进行结合 D．PCR 扩增的对象是核糖核苷酸序列 解析 由于 DNA 聚合酶不能从头开始合成 DNA，只能从 3′端延伸 DNA 链， 故 DNA 复制需要引物，而且它与 DNA 母链通过碱基互补配对结合。PCR 扩增 的对象是 DNA，即脱氧核苷酸序列而不是核糖核苷酸序列。 答案 C 二、非选择题(共 3 小题，共 30 分) 11．(10 分)RT－PCR 是将 RNA 逆转录(RT)和 cDNA 的聚合酶链式扩增反 应相结合的技术，具体过程如图所示： (1)过程Ⅰ需要加入缓冲液、原料、________________、________________ 和引物 A 等。 (2) 过 程 Ⅱ 首 先 要 将 反 应 体 系 的 温 度 升 高 到 95 ℃ ， 其 目 的 是 ________________________，该反应体系中所用的 Taq 聚合酶至少应能耐受 ________℃。 (3)过程Ⅱ模拟对单链 cDNA 进行 n 次循环的扩增，理论上至少需要________ 个引物 B。 (4)利用 RT－PCR技术获取的目的基因________(填“能”或“不能”)在物 种之间交流；该技术还可用于对某些微量 RNA 病毒的检测，可提高检测的灵敏 度，原因是________________________。 (5)RT－PCR 过程中主要借助对____________________的控制，影响酶的活 性，从而使得化学反应有序高效地进行。 解析 试题分析：PCR 技术的原理是模拟生物体内 DNA 分子复制的过程， 利用 DNA 分子热变性原理，通过控制温度控制 DNA 分子的解旋和结合，DNA 分子体内复制过程中 DNA 的解旋是在解旋酶的作用下实现的；PCR 扩增 DNA 片段过程最高经过 n 次扩增，形成的 DNA 分子数是 2n 个，其中只有 2 条单链不 含有引物。分析题图：过程Ⅰ是由 mRNA 形成 cDNA 的过程，表示逆转录．过 程Ⅱ先使 mRNA－cDNA 杂合双链解开，再以单链的 DNA 合成双链的 DNA， 最后利用 RCR 技术进行 DNA 复制。 (1)过程Ⅰ是由 mRNA 形成 cDNA 的过程，表示逆转录，需要加入缓冲液、 原料、RNA 提取物、逆转录酶和引物 A 等。 (2)过程Ⅱ首先要将反应体系的温度升高到 95 ℃，其目的是让逆转录酶变性 失活、使 mRNA－cDNA 杂合双链解开，该反应体系中所用的 Taq 酶至少应能 耐受 95 ℃。 (3)过程Ⅱ模拟对单链 cDNA 进行 n 次循环的扩增，理论上至少需要 2n－1 个引物 B。 (4)利用 RT－PCR 技术获取的目的基因能在物种之间交流；该技术还可用 于对某些微量 RNA 病毒的检测，可提高检测的灵敏度，原因是增加了待测 RNA 逆转录产生的 DNA 的数量(或浓度)，便于检测。 (5)RT－PCR 过程中主要借助对温度的控制，影响酶的活性，从而使得化学 反应有序高效地进行。 答案 (1)RNA 提取物 逆转录酶 (2)让逆转录酶变性失活、使 mRNA－ cDNA 杂合双链解开 95 (3)2n－1 (4)能 增加了待测 RNA 逆转录产生的 DNA 的数量(或浓度)，便于检测 (5)温度 12．(12 分)(2017·江苏)金属硫蛋白(MT)是一类广泛存在的金属结合蛋白， 某研究小组计划通过多聚酶链式反应(PCR)扩增获得目的基因，构建转基因工程 菌，用于重金属废水的净化处理。PCR 扩增过程示意图如下，请回答下列问题： (1)从高 表达 MT 蛋白 的生 物组 织中 提取 mRNA， 通过________获得 ________用于 PCR 扩增。 (2)设计一对与 MT 基因两端序列互补配对的引物(引物 1 和引物 2)，为方便 构建重组质粒，在引物中需要增加适当的________________位点。设计引物时需 要避免引物之间形成________________，而造成引物自连。 (3)图中步骤 1 代表________，步骤 2 代表复性，步骤 3 代表延伸，这三个 步骤组成一轮循环。 (4)PCR 扩增时，复性温度的设定是成败的关键。复性温度过高会破坏 ________________的碱基配对。复性温度的设定与引物长度、碱基组成有关，长 度相同但________________的引物需要设定更高的复性温度。 (5)如 果 PCR 反 应 得 不 到 任 何 扩 增 产 物 ， 则 可 以 采 取 的 改 进 措 施 有 ________(填序号：①升高复性温度 ②降低复性温度 ③重新设计引物)。 解析 (1)由 mRNA 获得目的基因片段需要通过逆转录，获得的片段为 cDNA。 (2)为方便构建重组质粒，可在引物中增加适当的限制性核酸内切酶位点， 以便使复制出的目的基因两端含限制性核酸内切酶切点；设计引物时，需避免 引物之间碱基互补配对，以防引物间自连。 (3)图中步骤 1 为高温下实现 DNA 变性解链。 (4)PCR 扩增时，若复性温度过高会破坏引物与模板间的碱基互补配对。 DNA 片段中 G 与 C 间可形成三个氢键，GC 碱基含量越高的 DNA 分子越稳定， 其复性温度应越高。 (5)若 PCR 反应得不到任何扩增产物，则可通过降低复性温度及重新设计引 物等措施，以便使引物与模板结合，从而进行后序扩增过程。 答案 (1)逆转录 cDNA (2)限制性核酸内切酶 碱基互补配对 (3)变性 (4)引物与模板 GC 碱基含量高 (5)②③ 13．(8 分)聚合酶链式反应是一种用于放大扩增特定的 DNA 片段的分子生 物学技术，由 1983 年美国 Mullis 首先提出设想，1985 年由其发明了聚合酶链式 反应，即简易 DNA 扩增法，意味着 PCR 技术的真正诞生。到如今 2013 年，PCR 已发展到第三代技术。1973 年，台湾科学家钱嘉韵，发现了稳定的 Taq DNA 聚 合酶，为 PCR 技术发展也做出了基础性贡献。下图为 PCR 扩增中第一轮的变 化，结合所学回答下列问题： (1)PCR 是一项在生物____________复制特定 DNA 片段的核酸合成技术， 它是利用____________的原理，将基因的核苷酸序列不断的加以复制，使其数 量呈____________方式增加。利用 PCR 技术扩增目的基因的前提，是要有 ____________________________________________________________________。 (2)PCR 技术每一轮扩增中，需要参与的引物有____________种，引物的本 质是____________，PCR 扩增中需要 dATP、dTTP、dCTP、dGTP 的参与，它 们的作用是____________________。参与 PCR 扩增的酶是 Taq 聚合酶，它与普 通的 DNA 聚合酶相比，特点是__________________________________________。 解析 试题分析：解答本题需识记有关 PCR 技术的相关知识： ①概念：PCR 全称为聚合酶链式反应，是一项在生物体外复制特定 DNA 的 核酸合成技术。 ②原理：DNA 复制。 ③前提条件：要有一段已知目的基因的核苷酸序列以便合成一对引物。 ④过程：高温变性：DNA 解旋过程；低温退火(复性)：引物结合到互补链 DNA 上；中温延伸：合成子链，PCR 扩增中双链 DNA 解开不需要解旋酶，高 温条件下氢键可自动解开。 (1)PCR 全称为聚合酶链式反应，是一项在生物体外复制特定的 DNA 片段 的核酸合成技术，其原理是 DNA 双链的复制，将基因的核苷酸序列不断的加以 复制，使其数量呈指数方式增加。利用 PCR 技术扩增目的基因的前提是要有一 段已知目的基因的核苷酸序列。 (2)PCR 技术每一轮扩增中，需要不同的 2 种引物，引物的本质是单链 DNA， PCR 扩增中需要 dATP、dTTP、dCTP、dGTP 的参与，提供能量和原料。参与 PCR 扩增的酶是 Taq 聚合酶具有耐高温的特点。 答案 (1)体外 DNA 双链复制 指数(或 2n) 一段已知目的基因的核苷酸 序列 (2)2 单链 DNA(单链 DNA 或 RNA) 提供能量和原料 耐高温