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摘要 人教版高中生物选修3：《现代生物科技专题》中基因工程专题所涉及的内容都是前沿科学，教材中对一些原理和操作过程的讲解用到了流程图和示意图，教学时教师对这些流程图和示意图的正确理解和应用有助于驱动教学任务的顺利进行，本文主要是针对教材中相关流程图、示意图进行认真研究后的一些教学思考。 关键词：流程图 示意图 基因工程 PCR 蛋白质工程 一、 关于教材第8页图1-6 基因工程的基本操作流程图 这个流程图是对基因工程的基本操作程序的一个高度概括。其中在第一步目的基因获取部分之前的内容意在指出获取目的基因的三种方法，即从基因文库中获取目的基因、利用PCR扩增目的基因、人工合成目的基因。但书中的图不容易让人看懂，教学中不妨对此图这部分稍作改动（如图）既可帮助学生梳理知识，而且有助于后面PCR扩增目的基因的学习。 联系教材内容可知，三种获取目的基因的方法实际的应用情境是这样的： 1、如果不知道目的基因的核苷酸序列，可以通过构建基因文库的办法，即通过用受体菌储存并扩增目的基因后，从基因文库中去获取目的基因。 2、如果知道目的基因的核苷酸序列，而且基因比较小，可以通过DNA合成仪用化学方法人工合成。 3、如果知道目的基因的核苷酸序列，但基因比较大，则可以通过PCR技术扩增目的基因。 教学中我们应该注意比较这三种方法的实际应用，帮助学生对知识的理解。至于基因工程操作的四部曲，教师不妨在流程图中每一步前面加上“怎样”，使学生通过学习能够简述出具体的过程和方法即可。 二、关于教材第10页图1-8 PCR反应原理示意图 在教学中我们对这个示意图往往可能形成这样的理解偏差：① PCR扩增的模板就是目的基因（从上述第一个内容中可以看出作为模板的可以是包含目的基因的DNA或cDNA）②这个过程中每次循环目的基因都可以增加一倍③合成引物必须要知道目的基因的全部序列④整个过程必须三段温度等等。 那么怎样才能对这个示意图的全面理解呢？我们不妨设置问题串，并逐一解决，对这个技术所包含的各项内容就不难把握了。 1、什么是PCR扩增？ 聚合酶链式反应 (Polymerase Chain Reaction)，简称PCR，是一种分子生物学技术，用于放大特定的DNA片段。可看作生物体外特殊的DNA复制。 2、依据什么原理？ 原理：利用DNA双链复制的原理。 3、需要什么条件？ PCR反应五要素： 参加PCR反应的物质主要有五种即引物、酶、dNTP即脱氧核苷酸三磷酸（dATP dTTP dCTP dGTP）、模板和Mg2+（示意图中没有反映出来）。 4、基本反应过程是什么？ 标准的PCR过程分为三步： （1）DNA变性（90℃-95℃）：双链DNA模板在加热作用后， 氢键断裂，形成单链DNA。 （2）退火（55℃-60℃）：系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部双链。 （3）延伸（70℃-75℃）：在Taq酶（在72℃左右最佳的活性）的作用下，以dNTP为原料，从引物的5′端→3′端延伸，合成与模板互补的DNA链。每一循环经过变性、退火和延伸，DNA含量可以增加一倍。 事实上PCR扩增的DNA片段是在第三个循环才产生的以后呈现指数增长（见下图）。  5、为什么没有用到解旋酶？ DNA在没有酶催化作用时可以通过体外加热到90℃-95℃使其双链解旋成单链。 6、原料为什么不是四种游离的脱氧核苷酸而是dNTP，为什么不用加ATP？ 实际上生物体内DNA合成需要脱氧核苷酸三磷酸为原料。在合成DNA过程中脱氧核苷酸三磷酸（dNTP）往引物或已合成的DNA链上连接形成磷酸二酯键时，能量可以由磷酸基之间的高能磷酸键断裂提供，这样就不需要加入ATP，可以简化扩增目的基因的操作过程。 7、为什么要加引物？ 反应过程中引物能够与模板链特定的序列片段互补，因此加入的引物决定了扩增目的基因的特异性。 8、是否需要知道目的基因的全部序列？ 由于PCR技术扩增的是两引物结合位点之间的序列，所以只要知道合成引物的脱氧核苷酸序列，即被扩增的目的基因DNA的片段两端的核苷酸序列即可。 9、为什么整个反应过程需要三段温度？ 90-95℃热作用下， 氢键断裂，能够形成单链DNA。55-60℃系统温度降低，使引物与DNA模板结合，形成局部双链。这往往与引物长短、CG碱基含量有关。70-75℃Taq酶在72℃左右活性最佳，有利于复制过程的进行。 现在有些PCR因为扩增区很短，即使Taq酶活性不是最佳也能在很短的时间内复制完成，因此可以改为两步法，即退火和延伸同时在60℃-65℃间进行，以减少一次升降温过程，提高了反应速度。 10、PCR技术有哪些应用？ ① 可用于 DNA 的扩增和克隆，制备单链或双链 DNA 探针；也可用于定位诱变和 DNA 测序。 ② 在临床医学上可用于检测病原体，诊断遗传病，以及对癌基因的分析确定。 ③ 用于微生物分离菌株的系统发育分析，以确定分类地位。当用多对引物进行 PCR 时，可得到对个体特定的条带图谱，称为指纹图谱（ DNA fingerprinting ）。 DNA 指纹图谱能确定个体间的血缘关系。由于 PCR 技术操作简单、实用性强、灵敏度高，并可自动化，因而在分子生物学、基因工程研究，微生物分子系统学以及临床医学、法医和检疫等领域得到日益广泛的应用。如可直接用临床标本如血液、体腔液、洗嗽液、毛发、细胞、活组织等DNA扩增检测。 教师对这个示意图有了正确的理解后，才能把握好对有关PCR技术教学的深度和尺度。 三、关于图1-29 蛋白质工程流程图 根据蛋白质工程流程图，我们虽然可以明确天然的蛋白质是按照中心法则进行合成的，蛋白质工程对蛋白质性质、功能的改造根本上是要对控制蛋白质合成的基因进行改造。但这个流程图中并不能体现出对基因应该如何进行改造，因此我们对蛋白质工程概念中基因修饰或基因合成的正确理解就有一定的难度。 通过研究我了解到蛋白质分子的改造实际上可以分为“小改”（即有目的改造蛋白质分子中某活性部位的1个或几个氨基酸残基以改善蛋白质的性质和功能），“中改”（是指在蛋白质分子中替代某一个肽段或一个特定的结构域）， “大改”（根据氨基酸的性质和特点，设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质）。即蛋白质工程包括对蛋白质改造和创造。其中“小改”是通过基因定点诱变技术改变蛋白质分子的结构。而“大改”需要人工合成DNA，实现从头合成全新的蛋白质。 教学中不妨把教材中提及的对干扰素、胰岛素、天然酶的改造等问题放入流程图中去讨论。这对基因修饰和基因合成的理解可能会容易一些。 蛋白质工程中所提的基因修饰就是造成碱基对的缺失、插入或替代，使基因定点诱变，这样便可以对蛋白质进行相应的改造。目前DNA定位诱变主要有三种：①寡核苷酸指导的诱变 ②盒式诱变 ③PCR 诱变。 1、核苷酸指导的诱变 基本原理是，合成一段寡聚脱氧核糖核苷酸作为引物，其中含有所需要改变的碱基，使其与带有目的基因的单链 DNA 配对。合成的寡核苷酸除短的错配区外，与目的基因完全互补。然后用 DNA 聚合酶使寡核苷酸引物延伸，完成单链 DNA 的复制。由此产生的双链 DNA ，一条链为野生型亲代链，另一条为突变型子代链。将获得的双链分子通过转导入宿主细胞，并筛选出突变体，其中基因已被定向修改。 2、盒式诱变 所谓盒式诱变（ cassette mutagenesis ）就是用一段人工合成具有突变序列的 DNA 片段，取代野生型基因中的相应序列。这就好像用各种不同的盒式磁带插入收录机中一样，故而称合成的片段为“盒”，这种诱变方式为盒式诱变。然而，并非所有变异区附近都能找到合适的限制位点，如果不存在限制位点，就要用寡核苷酸指导的定位诱变引入限制位点。 3、 PCR 诱变 重组 PCR （ recombinant PCR ）进行定位诱变的方法，即可以在 DNA 片段的任意部位产生定位突变。它在需要诱变的位置合成两个带有变异基因碱基的互补引物，然后分别与 5' 引物和 3' 引物作 PCR ，这样得到的两个 PCR 产物分别带有变异碱基，并且彼此重叠，在重叠部位经重组 PCR 就能得到诱变的 PCR 产物。 任何基因，只要两端及需要变异的部位的序列已知，就可用 PCR 诱变去改造基因的序列。方法简便易行，结果准确、高效，因此已成为最常用的定位诱变方法。 学无止境，教师应该在教学中提高，在学习中提高。作为学生知识的源头之一，教师必须不断充实自己，真正做到手中有“粮”，心里不慌。这是我对教学的感悟。 参考资料：1、微生物学 沈萍主编 2、生物 现代生物科技专题 选修3 苏教版 3、生物学教学 2008 3 4、百度知道 5、生物化学简明教程
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