2020秋高中生物人教版选修1课堂演练：专题5课题2多聚酶链式反应扩增DNA片段 10页

专题 5 DNA 和蛋白质技术 课题 2 多聚酶链式反应扩增 DNA 片段 1．PCR 技术控制 DNA 的解聚与结合是利用 DNA 的( ) A．特异性 B．稳定性 C．热变性 D．多样性 解析：DNA 分子在 80～100 ℃的温度范围内变性，双链解开成单 链，当温度慢慢降低时，又能重新结合形成双链。 答案：C 2．下图表示 PCR 扩增的产物，请分析它是哪次循环的产物( ) A．第一次循环 B．第二次循环 C．第三次循环 D．第四次循环 解析：在 PCR 反应中以引物为标记，第一次循环时，以加入的 DNA 为模板，两条 DNA 链分别由引物Ⅰ和引物Ⅱ与其结合，并在 DNA 聚合酶的作用下延伸，所以，形成的每个子代 DNA 中只有一种引物。 答案：A 3．PCR 一般要经过三十多次循环，从第二轮循环开始，上一次 循环的产物也作为模板参与反应，由引物Ⅰ延伸而成的 DNA 单链作模 板时将( ) A．仍与引物Ⅰ结合进行 DNA 子链的延伸 B．与引物Ⅱ结合进行 DNA 子链的延伸 C．同时与引物Ⅰ和引物Ⅱ结合进行子链延伸 D．无需与引物结合，在酶的作用下从头合成子链 解析：当由引物Ⅰ延伸而成的 DNA 单链作模板时，此单链引物端 为 5′端，因此与它互补的子链应从另一端开始合成，即由引物Ⅱ结合 延伸 DNA 的子链。 答案：B 4．下列关于 DNA 对高温的耐受性的说法，不正确的是( ) A．DNA 对高温的耐受性一般要比蛋白质强 B．温度超过 80℃后 DNA 将变性，即使恢复到常温，生物活性也 不能恢复 C．不同生物的 DNA 的“变性”温度不一定相同 D．深海热泉附近生活的生物的 DNA 对高温的耐受性更强，其 DNA 中鸟嘌呤所占的比例更高 解析：温度超过 80 ℃后 DNA 变性，温度降低，DNA 分子会复 性，B 错误。G、C 碱基对占比越高，DNA 分子热稳定性越高，D 正 确。 答案：B 5．随着研究的不断深入，PCR 技术被不断改进，从原先只能扩 增几个 kb(千碱基对)的基因到目前已能扩增长达几十个 kb 的 DNA 片 段。PCR 的简要过程如下图所示，请分析回答下列有关问题： (1)通过分析得出新合成的 DNA 分子中，A＝T，C＝G，这个事实 说明 DNA 分子的合成遵循________。 (2)若将 1 个 DNA 分子拷贝 10 次，则需要在缓冲液中至少加入 ________个引物。 (3)DNA 子链复制的方向是________，这是由于____________。 解析：(1)分析得出新合成的 DNA 分子中，A＝T，C＝G，这个事 实说明 DNA 分子的合成遵循碱基互补配对原则。 (2)在 DNA 分子扩增时，需要两种引物，由于新合成的子链都需 要引物作为复制的起点，故所需的引物数目等于新合成的 DNA 子链数 目，即 2×210－2＝(211－2)个。 (3)引物是一种单链 DNA 或 RNA 分子，它能与解开的 DNA 母链 的 3′端结合，为 DNA 聚合酶提供延伸位点，使 DNA 聚合酶从引物的 3′端开始连接脱氧核苷酸，从而决定了 DNA 子链复制的方向是从 5′ 端到 3′端。 答案：(1)碱基互补配对原则 (2)211－2 (3)5′端到 3′端 DNA 聚合酶只能从引物的 3′端拼接单个脱氧核苷 酸分子 A 级 基础巩固 1．下列有关 PCR 过程的叙述中不正确的是( ) A．受热变性破坏的是 DNA 分子内碱基对之间的氢键，也可利用 解旋酶实现 B．引物与单链相应互补序列结合是依靠碱基互补配对原则完成 C．延伸过程中需要 DNA 聚合酶、ATP、四种核糖核苷酸 D．PCR 与细胞内 DNA 复制相比所需酶的最适温度较高 解析：DNA 解成单链可用热变性方法或解旋酶处理，受热变性破 坏的是 DNA 分子内碱基对之间的氢键，A 正确；引物为一段 DNA 序 列，引物与单链相应互补序列结合是依靠碱基互补配对原则完成，B 正确；延伸过程中需要热稳定 DNA 聚合酶、ATP、四种脱氧核糖核苷 酸，C 错误；PCR 技术需要高温解成单链，故 PCR 与细胞内 DNA 复 制相比所需酶的最适温度较高，D 正确。 答案：C 2．PCR 技术最突出的优点是( ) A．原理简单 B．原料易找 C．Taq DNA 聚合酶有耐热性 D．快速、高效、灵活、易于操作 答案：D 3．PCR 技术的操作步骤依次是( ) A．高温变性、中温延伸、低温复性 B．高温变性、低温复性、中温延伸 C．中温延伸、高温变性、低温复性 D．中温延伸、低温复性、高温变性 答案：B 4．利用 PCR 技术扩增目的基因，其原理与细胞内 DNA 复制类似 (如图所示)。图中引物为单链 DNA 片段，它是子链合成延伸的基础。 下列有关 PCR 过程的叙述中，正确的是( ) A．PCR 是一项在生物体外复制特定的完整的 DNA 分子的核酸合 成技术 B．PCR 过程中只需要两个引物分子 C．Taq 酶的作用是将单个的脱氧核苷酸连接到双链 DNA 片段上 D．在第三轮循环产物中开始出现两条核苷酸链等长的 DNA 片段 解析：PCR 是一项在生物体外复制特定的 DNA 分子片段的技术， A 错误；PCR 过程中需要两种引物分子，B 错误；Taq 酶的作用是将 单个的脱氧核苷酸连接到延伸的单链 DNA 片段上，C 错误；由于引物 A 和引物 B 均不在该片段的端点，因此第一轮循环后，得到的两 DNA 片段中两条脱氧核苷酸链都不等长；通过绘图可推知，第二轮中亦不 会出现两条脱氧核苷酸链等长的 DNA 片段，所以在第三轮循环产物中 开始出现两条核苷酸链等长的 DNA 片段，D 正确。 答案：D 5．PCR 技术扩增 DNA 的过程中，DNA 片段经若干次扩增后， 其数目的理论值变化曲线是( ) 解析：PCR 反应中 DNA 的扩增与体内 DNA 复制是类似的，即 1 个 DNA 分子复制 1 次，产生 2 个 DNA 分子，复制 2 次产生 4 个 DNA 分子，呈指数扩增。1 个 DNA 分子，经过 n 次复制后得到的 DNA 分 子数量为 2n，与 C 项曲线相符。 答案：C 6．在 PCR 扩增 DNA 的实验中，预计一个 DNA 分子经过 30 次 循环后，应该得到 230 个 DNA 分子，但是结果只有约 210 个 DNA 分子， 那么出现该现象的原因不可能是( ) A．Taq DNA 聚合酶的活力不够，或活性受到抑制 B．系统设计欠妥 C．循环次数不够 D．引物不能与母链结合 解析：如果 TaqDNA 聚合酶活力不够或活性受到抑制，则导致催 化效率降低，得到的产物比预期的少，A 正确。如果 PCR 系统设计欠 妥，则达不到预期的结果，B 正确。如果循环次数过少，产物的量比 预期的少，C 正确。如果引物设计不合理，若不能与模板 DNA 结合， 将造成无法进行扩增，而结果得到了 210 个 DNA 分子，D 错误。 答案：D B 级 能力训练 7．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，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。 ①为什么 Taq 细菌能从热泉中被筛选出来呢？______________ _____________________________________________________。 ②Taq DNA 聚合酶的功能是____________________________。 ③为了使 Taq DNA 聚合酶能够多次反复利用，可采用________ 技术，常用的方法为___________________________________。 (3)与体内 DNA 复制相比，PCR 反应要在________中才能进行， 并且要严格控制________条件。 (4)PCR 中加入的引物有________种，加入引物的作用是 _____________________________________________________。 答案：(1)高温使双链 DNA 分子解聚为单链 (2)①热泉 70～80 ℃的高温条件淘汰了绝大多数微生物 ②催化脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键 ③固定化酶 化学结合法、物理吸附法 (3)一定的缓冲溶液 温度 (4)2 作为 DNA 复制的起点 8．H7N9 型禽流感是全球首次发现的新亚型 RNA 流感病毒，目 前最为快速有效的检测手段是 RT－PCR 核酸检测。RT－PCR 的过程 包括反转录作用从 RNA 合成 cDNA，再以 cDNA 为模板进行扩增，过 程如下图所示。据此分析下列问题： (1)传统 PCR 技术的原理是________，过程中低温退火的含义是 _________________________________________________________。 (2)在 RT－PCR 中每一步都有酶的参与，上图中过程 1 中的关键 酶是________；PCR 中的关键酶是________，该酶的作用特点是 ________、__________________。 (3)在对病毒核酸进行检测时，主要通过 RT－PCR 扩增其关键的 基因序列，这时引物的设计就非常关键，根据下图分析，请你选择合 适的引物：________。 答案：(1)DNA 复制 引物与模板链互补配对 (2)反转录酶 Taq DNA 聚合酶(DNA 聚合酶) 耐高温 不能从头合成 DNA，只能从 3′端延伸 DNA 链 (3)引物Ⅰ和引物Ⅱ 9．多聚酶链式反应(PCR)是一种体外迅速扩增 DNA 片段的技术。 请回答下列有关 PCR 技术的基本原理及应用问题。 (1)DNA 的两条链是反向平行的，通常将__________的末端称为 5′ 端，当引物与 DNA 母链通过碱基互补配对结合后，DNA 聚合酶就能 从引物的__________开始延伸 DNA 链。 (2)PCR 利用 DNA 的热变性原理解决了打开 DNA 双链的问题， 但又导致了 DNA 聚合酶失活的新问题。到 20 世纪 80 年代，科学家从 一种 Taq 细菌中分离到____________________，它的发现和应用解决 了上述问题。要将 Taq 细菌从其他普通的微生物中分离出来，所用的 培养基叫__________。 (3)PCR 的每次循环可以分为__________三步。假设在 PCR 反应 中，只有一个 DNA 片段作为模板，请计算在 5 次循环后，反应物中大 约有__________个这样的 DNA 片段。 (4)请用简图表示出一个 DNA 片段在 PCR 反应中第二轮的产物。 (5)简述 PCR 技术的主要应用。 解析：(2)因 PCR 利用了 DNA 的热变性原理解决了打开 DNA 双 链的问题，所以用于催化 DNA 复制过程的 DNA 聚合酶要具有耐高温 的特性。用选择培养基可将 Taq 细菌从其他普通的微生物中分离出来。 (3)DNA 复制两条链均作为模板，进行半保留复制，所以复制 5 次后得 到的子代 DNA 分子数为 25＝32 个。(4)新合成的 DNA 链带有引物， 而最初的模板 DNA 的两条链中只有一条带有引物。(5)PCR 技术可以 对 DNA 分子进行扩增，所以可用于遗传疾病的诊断、刑侦破案、古生 物学、基因克隆和 DNA 序列测定等方面。 答案：(1)磷酸基团 3′端 (2)耐高温的 Taq DNA 聚合酶 选择培养基 (3)变性、复性和延伸 32 (4)如图所示： (5)遗传疾病的诊断、刑侦破案、古生物学、基因克隆和 DNA 序 列测定等 10．近 20 年来，PCR 技术(多聚酶链式反应)成为分子生物学实验 室的一种常规实验手段，其原理是利用 DNA 半保留复制，在试管中进 行 DNA 的人工复制(如下图)，在短时间内，将 DNA 扩增几百万倍甚 至几十亿倍，从而使实验室所需要的遗传物质不再受限于活的生物体。 (1)加热使 DNA 双链间的________键完全打开，称为________； 而在细胞中是在________酶的作用下进行的。 (2)如果只需要大量克隆模板 DNA 中间的某个特定区段，应该加 入________种特定的引物。当温度降低至 55 ℃时，引物与两条“舒展” 的模板链的特定位置结合，在 DNA 聚合酶的作用下，只能在引物的 ______端连接脱氧核苷酸，两条子链的延伸方向都是_______。 (3)PCR 技术的必需条件，除了模板、原料、酶之外，至少还有三 个条件，即液体环境、适宜的__________和__________，前者由 ________自动调控，后者则靠________来维持。 (4)通过 PCR 技术使 DNA 分子大量复制，如果将一个用 15N 标记 的 DNA 分子放入试管中，以 14N 标记的脱氧核苷酸为原料，连续复制 四次之后，则 15N 标记的 DNA 分子占全部 DNA 分子总数的比例是 ________。 解析：(1)PCR 技术利用热变性原理使 DNA 双链之间的氢键断裂， 称为解旋，而在细胞内是在解旋酶的作用下使氢键断裂。(2)PCR 分为 三个基本反应步骤：变性(95 ℃)、复性(55 ℃)、延伸(72 ℃)，其特异 性依赖于与靶序列互补的引物，引物是两段与待扩增 DNA 序列互补的 片段，两引物之间的距离决定扩增片段的长度。由于 DNA 聚合酶不能 从头开始合成 DNA，只能从引物的 3′端延伸 DNA 链，则 DNA 的合成 方向总是从子链的 5′端向 3′端延伸。(3)PCR 技术与细胞内的 DNA 复 制不完全相同，除了需要模板、原料、酶以外，至少还需要液体环境(稳 定的缓冲溶液)，每一个步骤需要适宜的温度和酸碱度等。(4)一个 DNA 分子连续复制四次之后，形成 16 个 DNA 分子，15N 标记的 DNA 分子 有 2 个，则 15N 标记的 DNA 分子占全部 DNA 分子总数的比例为 1/8。 答案：(1)氢 解旋 解旋 (2)两 3′ 从子链的 5′端向 3′端延伸 (3)温度 酸碱度 PCR 仪 缓冲液 (4)1/8