生物高考选修3知识点总结

选修 3 现代生物科技专题 知识点 专题 1 基因工程 基因工程的概念 基因工程是指按照人们的愿望,进行严格的设计,通过体外 DNA 重组和转基因技术,赋 予生物以新的遗传特性,创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。

基因工程是在 DNA 分子水平上进行设计和施工的,又叫做 DNA 重组技术。

概念分析 ①基因工程技术的原理=基因重组 ②目的:创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。

③操作水平:DNA 分子水平 属于有性生殖 (一)基因工程的基本工具 1.“分子手术刀”——限制性核酸内切酶(限制酶) (1)来源:主要是从原核生物中分离纯化出来的。

(2)功能:能够识别双链 DNA 分子的某种特定的核苷酸序列,并且使每一条链中特定部位的 两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开,因此具有专一性。

(3)结果:经限制酶切割产生的 DNA 片段末端通常有两种形式:黏性末端和平末端(回文结 构特点)。

2.“分子缝合针”——DNA 连接酶 (1)两种 DNA 连接酶(E·coliDNA 连接酶和 T4-DNA 连接酶)的比较: ①相同点:都缝合磷酸二酯键。

②区别:E·coliDNA 连接酶来源于 T4 噬菌体,只能将双链 DNA 片段互补的黏性末端之间的磷 酸二酯键连接起来;而 T4DNA 连接酶能缝合两种末端,但连接平末端的之间的效率 较低。

(2)与 DNA 聚合酶作用的异同:DNA 聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端, 形成磷酸二酯键。

DNA 连接酶是连接两个 DNA 片段的末端,形成磷酸二酯键。

3.“分子运输车”——载体 (1)载体具备的条件:①能在受体细胞中复制并稳定保存。

②具有一至多个限制酶切点,供外源 DNA 片段插入。

③具有标记基因,供重组 DNA 的鉴定和选择。

④大小合适,具有一定的安全性。

(2)最常用的载体是质粒,它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌染色体之外,并具有 自我复制能力的双链环状 DNA 分子。

(3)其它载体: 噬菌体的衍生物、动植物病毒 4.在进行基因工程操作中,真正被用作载体的质粒,都是在天然质粒的基础上进行过人工改 选的。

(二)基因工程的基本操作程序 步骤:目的基因的获取,基因表达载体的构建,将目的基因导入受体细胞,目的基因的检测 与鉴定 第一步:目的基因的获取 1.目的基因是指: 编码蛋白质的结构基因 。

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2.原核基因采取直接分离获得,真核基因是人工合成。

人工合成目的基因的常用方法有反转 录法和化学合成法。

3.PCR 技术扩增目的基因 (1)PCR 是聚合酶链性反应的缩写,发明人:穆里斯等人 原理:DNA 双链复制 实质:是一项在生物体外复制特定 DNA 片段的核酸合成技术。

(2)过程:第一步: (变性)加热至 90~95℃DNA 解链;第二步: (复性)冷却到 55~60℃, 引物结合到互补 DNA 链;第三步:(延伸)加热至 70~75℃,热稳定 DNA 聚合酶从引物起始 互补链的合成。

PCR 利用 DNAR 热变性原理,PCR 扩增仪实质上是一台能够自动调控调控的仪器。

4,获取目的基因的方法:从自然界中已有的特种中分离及人工合成。

第二步:基因表达载体的构建 1.目的:使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传至下一代,使目的基因能够表达 和发挥作用。

2.组成:目的基因+启动子+终止子+标记基因 (1)启动子:是一段有特殊结构的 DNA 片段,位于基因的首端,是 RNA 聚合酶识别和结合的 部位,能驱动基因转录出 mRNA,最终获得所需的蛋白质。

(2)终止子:也是一段有特殊结构的 DNA 片段 ,位于基因的尾端。

(3)标记基因的作用:是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因,从而将含有目的基因的细 胞筛选出来。

常用的标记基因是抗生素基因。

第三步:将目的基因导入受体细胞_ 1.转化的概念:是目的基因进入受体细胞内,并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。

2.常用的转化方法: 将目的基因导入植物细胞: 采用最多的方法是 农杆菌转化法,其次还有 基因枪法和 花粉管 通道法等。

将目的基因导入动物细胞:最常用的方法是 显微注射技术。

此方法的受体细胞多是 受精卵 (也可以是卵细胞)。

将目的基因导入微生物细胞:原核生物作为受体细胞的原因是 繁殖快、多为单细胞、遗传物 质相对较少 , 最常用的原核细胞是 大肠杆菌 , 其转化方法是: 2+ 先用 Ca 处理细胞, 使其成为 感受态细胞 ,再将 重组表达 载体 DNA 分子 溶于缓冲液中与感受态细胞混合, 在一定的温度 下促进感受态细胞吸收 DNA 分子,完成转化过程。

3.重组细胞导入受体细胞后,筛选含有基因表达载体受体细胞的依据是标记基因是否表达。

第四步:目的基因的检测和表达 1.首先要检测 转基因生物的染色体 DNA 上是否插入了目的基因,方法是采用 DNA 分子杂交 技术。

基因探针:是指用放射性同位素或荧光分子等标记的 DNA 分子 2.其次还要检测 目的基因是否转录出了 mRNA,方法是采用 用标记的目的基因作探针与 mRN A 杂交。

3.最后检测 目的基因是否翻译成蛋白质,方法是从转基因生物中提取 蛋白质,用相应的 抗体进行抗原-抗体杂交。

4.有时还需进行 个体生物学水平的鉴定。

如 转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。

(三)基因工程的应用 1.植物基因工程:抗虫、抗病、抗逆转基因植物,利用转基因改良植物的品质。

①抗虫棉,抗盐碱地的农作物,耐寒的番茄,抗除草剂的玉米, ②富含赖氨酸的转基因玉米 2

2.动物基因工程:提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物。

①③④导入人的生长激素的鲤鱼,比一般的鲤鱼长的快且大。

②用转基因动物生产药物:乳腺生物反应器(乳房生物反应器) 最令人兴奋的是利用基因工程技术,使哺乳动物本身变成“批量生产药物的工厂” 大概过程:目的基因(蛋白基因+乳腺蛋白基因的启动子) 显微注射方法 导入哺乳动 物受精卵 母体子宫内 能产生药品蛋白质转基因动物 能产生如:抗凝血酶,血清白蛋白,生长激素,抗胰蛋白酶,等大量蛋白质类药品。

3.基因治疗:把正常的外源基因导入病人体内,使该基因表达产物发挥作用。

基因诊断:是指用基因探针,利用 DAN 分子杂交原理,鉴定被检测样本上的遗传信息,从而 达到检测病症的目的,如镰刀形贫血症,苯丙酮尿症,癌症 基因治疗:基因治疗是把正常基因导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到 治疗病症的目的,这是治疗遗传病的最有效的手段。

基因治疗包括:体外基因治疗和体内基因治疗 微生物的基因工程: 利用转基因工程菌生产药物:如细胞因子,抗体,疫苗,激素(胰岛素),干扰素等,已形 成工业化。

工程菌:用基因工程的方法,使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系一般称为工程菌。

转基因动物作器官移植的供体:最大的难题是解决免疫排斥问题 (四)微生物在基因工程中的应用研究 工具酶主要来自微生物, 最重要的目的基因供体库之一, 目的基因的载体之一 作用受体细胞, 用于发酵的工程菌。

基因工程的优点:克服不同生物远缘杂交的障碍。

目的性强,能够定向的改变生物的品质。

缩短育种周期。

(五)蛋白质工程的概念 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础,通过基因修饰或基 因合成,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。

(基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质) 转录 翻译 专题 2 细胞工程 细胞工程:是指导应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法,通过细胞水平或细胞器水平 上的操作,按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术, 根据操作对象不同分为:植物细胞工程,动物细胞工程 操作水平:细胞水平的操作 (一)植物细胞工程 (属于无性繁殖) 无性繁殖最大优点:保持优良品种的遗传特征。

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1.理论基础(原理):细胞全能性(具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞都具有发育 成完整生物体的潜能,也就是说,每个生物细胞都具有全能性的特点,) 植物具有全能性的原因:分化的细胞,仍具有形成完整植株所需要的全部基因。

全能性表达的难易程度:受精卵>生殖细胞>干细胞>体细胞;植物细胞>动物细胞 理论上,生物的任何一个细胞都具有发育成完整植物的潜力,但是在生物的生长发育过程中, 细胞并不会表现出全能性,而是分化成各种器官和组织,是因为在特定的时间和空间条件下, 植物细胞工程的基本技术:植物组织培养,植物体细胞杂交技术 2.植物组织培养技术 (1)过程: 离体的植物器官、组织或细胞 脱分化 愈伤组织 再分化 试管苗 ―→植物体 (外植体消毒) 生长素及细胞素 (避光) 生长素及细胞素(给光) 植物全能性表达的条件:离体的,人为条件(营养,激素,适宜的外界条件) 愈伤组织:细胞排列疏松而无规则是一种高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞 培养基:固体培养基,含有矿质元素,碳源(蔗糖),氮源,植物激素,维生素 (2)植物组织培养技术的应用:探究植物科学理论的重要手段,微型繁殖、培养脱毒苗、生 产人工种子、培养新品种(单倍体育种)、转基因植物的培养,细胞产物的工厂 化生产。

(3)地位:是培育转基因植物、植物体细胞杂交培育植物新品种的最后一道工序。

3.植物体细胞杂交技术 (1)过程: 原生质制备 细胞融合 杂种细胞筛选 植物鉴定 细胞培养 组织培养技术 植物再生 (2)诱导融合的方法:物理法包括离心、振动、电刺激等。

化学法一般是用聚乙二醇(PEG)作为诱导剂。

(3)去细胞壁:纤维素酶和果胶酶 等到杂种细胞再生出细胞 壁即细胞杂交结束, 意义: 克服了远缘杂交不亲和的障碍。

打破特种之间的生殖隔离, 扩大遗传重组范围。

微型繁殖的优点:可以保持优良品种的遗传特性,可以高效快速 地实验种苗的大量繁殖 人工种子的优点:无性繁殖,完全保持优良品种的遗传特性,不受季节限制,方便运输及贮 藏 单倍体育种的优点:极大缩短了育种的年限,节约了大量的人力物力。

(二)动物细胞工程 常用的技术手段:动物细胞培养,动物细胞核移植,动物细胞融合,生产单克隆抗体。

其中 动物细胞培养技术是基础技术 4

1. 动物细胞培养 (1)概念:动物细胞培养就是从动物机体中取出相关的组织,将它分散成单个细胞,然后放 在适宜的培养基中,让这些细胞生长和繁殖。

(2)动物细胞培养的流程:取动物组织块(动物胚胎或幼龄动物的器官或组织)→剪碎→用 胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理分散成单个细胞→制成细胞悬液→转入培养瓶中进行原代 培养→贴满瓶壁的细胞重新用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理分散成单个细胞继续传代培 养。

(3)细胞贴壁和接触抑制:悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上,称为细胞贴壁。

细胞数 目不断增多,当贴壁细胞生长到表面相互抑制时,细胞就会停止增殖,这种现 象称为细胞的接触抑制。

(4)动物细胞培养需要满足以下条件 ①无菌、无毒的环境:培养液应进行无菌处理。

通常还要在培养液中添加一定量的抗生素, 以防培养过程中的污染。

此外,应定期更换培养液,防止代谢产物积 累对细胞自身造成危害。

②营养:合成培养基成分:糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等。

通常需加入血 清、血浆等天然成分。

③温度:适宜温度:哺乳动物多是 36.5℃+0.5℃;pH:7.2~7.4。

④气体环境:95%空气+5%CO2。

O2 是细胞代谢所必需的,CO2 的主要作用是维持培养液的 pH。

(5)动物细胞培养技术的应用:制备病毒疫苗、 制备单克隆抗体、 检测有毒物质、 培养医学研究的各种细胞。

2.动物体细胞核移植技术和克隆动物 (1)哺乳动物核移植可以分为胚胎细胞核移植(比较容易)和体细胞核移植(比较难)。

(2)选用去核卵(母)细胞的原因:卵(母)细胞比较大,容易操作;卵(母)细胞细胞质多,营 养丰富。

(3)体细胞核移植的大致过程是:(右图) 核移植 胚胎移植 (4)体细胞核移植技术的应用: ①加速家畜遗传改良进程,促进良畜群繁育; ③生产珍贵的医用蛋白; ⑤用于组织器官的移植等。

5 ②保护濒危物种,增大存活数量; ④作为异种移植的供体;

(5)体细胞核移植技术存在的问题: 克隆动物存在着健康问题、表现出遗传和生理缺陷等。

3.动物细胞融合 (1)动物细胞融合也称细胞杂交,是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。

融合 后形成的具有原来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞,称为杂交细胞。

(2)动物细胞融合与植物原生质体融合的原理基本相同,诱导动物细胞融合的方法与植物原 生质体融合的方法类似,常用的诱导因素有聚乙二醇、灭活的病毒、电刺激等。

(3)动物细胞融合的意义:克服了远缘杂交的不亲和性,成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿 瘤和生物生物新品种培育的重要手段。

(4)动物细胞融合与植物体细胞杂交的比较: 比较项 细胞融合的原 细胞融合的方 诱导手段 用法 目 理 法 植物体 细胞膜的流动 去除细胞壁后 离心、电刺 克服了远缘杂 细胞杂 性 诱导原生质体 激、振动,聚 交的不亲和性, 交 融合 乙二醇等试 获得杂种植株 剂诱导 动物细 细胞膜的流动 使细胞分散后 除应用植物 制备单克隆抗 胞融合 性 诱导细胞融合 细胞杂交手 体的技术之一 段外,再加灭 活的病毒诱 导 4.单克隆抗体 (1) 抗体: 一个 B 淋巴细胞只分泌一种特异性抗体。

从血清中分离出的抗体产量低、 纯度低、 特异性差。

(2)单克隆抗体的制备过程: 抗原注入小鼠体内 分离 B 淋巴细胞 细胞融合 杂交瘤细胞 细胞培 养 选择培养细胞 注入小 鼠 体内培养 从腹水提取 单克隆抗体 培养基 体外培养 从培养液提 取 骨髓瘤细胞 (3)杂交瘤细胞的特点:既能大量繁殖,又能产生专一的抗体。

(4)单克隆抗体的优点:特异性强,灵敏度高,并能大量制备。

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