高中生物: 现代生物科技 选修3.ppt

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1、生物选修3现代生物科技专题 标志 1973年重组DNA技术的诞生 目录 专题1基因工程专题2细胞工程专题3胚胎工程专题4生物技术的安全性和伦理问题专题5生态工程 专题1基因工程 基因工程的诞生基因工程的原理及技术基因工程的应用蛋白质工程 水母 荧光水母 普通热带斑马鱼 能发荧光的热带斑马鱼 基因工程的诞生和发展 1 基础理论艾弗里证明 沃森和克里克 克里克 尼伦贝格 DNA是遗传物质 DNA双螺旋结构的发现 中心法则的确立 遗传密码的破译 2 工具基础酶 载体 限制性核酸内切酶 DNA连接酶 逆转录酶 质粒等 基因工程的诞生和发展 3 诞生1973年 美国斯坦福大学分子生物学家科恩第一个建成

2、基因工程菌 科学界把这一年定为 基因工程元年 基因工程的概念 书P8金榜 基因工程的发展 1 经过哪几个时期 2 基因工程是如何曲折发展的 1974 1976 1977 1978 1980 1982 基因工程的工具 分子手术刀 分子缝合针 分子运输车 一 限制性核酸内切酶 分子手术刀 1 来源 主要是从原核生物中分离纯化而来 流感嗜血杆菌 2 功能 一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列 并在特定的切点上切割DNA分子 寻根问底 根据你掌握的知识 你能推测这类酶存在于原核生物中的作用是什么吗 原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵 但是生物在长期的进化过程中形成了完善的防御机制 以防

3、止外来病原物的侵害 限制性核酸内切酶就是细菌的防御性工具 当外源DNA侵入时 限制性核酸内切酶会将外源DNA切割掉 以保证自身的安全 所以 限制性核酸内切酶在原核生物中主要起到切割外源DNA 使之失效 从而保护自身的作用 限制性核酸内切酶作用的是DNA分子中的什么键 磷酸二酯键即脱氧核糖 磷酸之间的连接 GAATTC CTTAAG CCCGGG GGGCCC CTTAA G AATTC G 黏性末端 平末端 CCCGGG GGGCCC 限制性核酸内切酶能识别特定的核苷酸序列 科学家为何对 黏性末端 很感兴趣 GAATTCCGTAGAATTCGGATT 尝试写出下列序列受EcoRI限制酶作用后的

4、黏性末端 CTTCATGAATTCCCTAA GAAGTACTTAAGGGATT CTTAAGGCATCTTAAGCCTAA 二 DNA连接酶 分子缝合针 1 作用 把两条DNA末端之间的缝隙 缝合 起来 2 分类 E coliDNA连接酶 只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间连接起来 不能将双链DNA平末端之间进行连接 T4DNA连接酶 既可将双链DNA片段互补的黏性末端之间连接起来 也能将双链DNA平末端之间进行连接 但连接平末端的效率比较低 寻根问底 DNA连接酶和DNA聚合酶是一回事吗 为什么 不是 两者的差别在于 1 DNA聚合酶只能将单个的核苷酸加到已有的核酸片段的3 末端的羟基

5、上 形成磷酸二脂键 而DNA连接酶是在两个DNA片段之间形成磷酸二脂键 2 DNA聚合酶是以一条DNA为模板 将单个核苷酸通过形成磷酸二脂键形成一条与摸板互补的DNA链 而DNA连接酶是将双链上的两个缺口同时连接起来 因此DNA连接酶不需要摸板 三 基因进入受体细胞的载体 分子运输车 1 通常以质粒作为载体质粒 细菌细胞中一种很小的环状DNA分子 裸露的 结构简单 独立于细菌之外 并且有自我复制能力 思考 具备什么样的条件才能充当 分子运输车 能自我复制有一个或多个切割位点有标记基因对受体细胞无害等 2 作用将外源DNA携带进受体细胞后 停留在细胞中进行自我复制或整合到染色体上 随染色体DNA

6、进行同步复制 质粒DNA分子上有特殊的遗传标记基因 如抗四环素 氨苄青霉素等标记基因 供重组DNA的鉴定和选择 3 其他载体噬菌体 动植物病毒 在基因工程操作中 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造的 基因工程的一般过程与技术 1 据图1 4说出基因工程的基本过程 2 认真阅读13页图1 6 讨论 目的基因是什么 受体细胞是什么 基因表达产物是什么 土壤农杆菌在其中可能起什么作用 1 从基因文库中获取 将含有某种生物不同基因的许多DNA片段 导入受体菌的群体中储存 各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因 称为基因文库 一 目的基因的获取 基因组文库 含有一种生物全部基因的

7、基因文库 部分基因文库 含有一种生物部分基因的基因文库 像国家图书馆 像市图书馆如cDNA文库 基因文库像 图书馆 每个基因是一本书 概念 PCR全称为 是一项在生物 复制 的核酸合成技术 条件 做启动子 前提条件 原理 方式 以 方式扩增 即 n为循环的次数 结果 聚合酶链式反应 体外 特定DNA片段 DNA复制 已知基因的核苷酸序列 四种脱氧核苷酸 引物 DNA聚合酶 指数 2n 使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增 2 利用PCR技术扩增目的基因 一 目的基因的获取 过程 a DNA变性 95 双链DNA模板在热作用下 断裂 形成 b 退火 复性25 系统温度降低 引物与DNA模板结

8、合 形成局部 c 延伸 72 在Taq酶的作用下 从引物的5 端 3 端延伸 合成与模板互补的 氢键 单链DNA 双链 DNA链 引物 模板DNA 热稳定DNA聚合酶 Taq酶 DNA解链 引物结合到互补DNA链 Taq酶从引物起始进行互补链合成 加热至70 75 加热至90 95 冷却至55 60 若基因较小 核苷酸序列已知 也可以通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成 3 人工合成 一 目的基因的获取 1 用一定的 切割质粒 使其出现一个切口 露出 2 用 切断目的基因 使其产生 二 制备重组DNA分子 核心 3 将切下的目的基因片段插入质粒的 处 再加入适量 形成了一个重组DNA分子 重

9、组质粒 限制性核酸内切酶 黏性末端 同一种限制性核酸内切酶 的黏性末端 切口 DNA连接酶 相同 质粒 DNA分子 限制酶处理 一个切口两个黏性末端 两个切口获得目的基因 DNA连接酶 重组DNA分子 重组质粒 同一种 4 过程 二 制备重组DNA分子 复制原点 目的基因 启动子 终止子 标记基因 它们有什么作用 二 制备重组DNA分子 补 原核细胞的基因结构 非编码区 非编码区 编码区 编码区上游 编码区下游 与RNA聚合酶结合位点 启动子 终止子 RNA聚合酶能够识别调控序列中的结合位点 并与其结合 转录开始后 RNA聚合酶沿DNA分子移动 并以DNA分子的一条链为模板合成RNA 转录完毕

10、后 RNA链释放出来 紧接着RNA聚合酶也从DNA模板链上脱落下来 不能转录为信使RNA 不能编码蛋白质 能转录相应的信使RNA 能编码蛋白质 编码区 非编码区 原核细胞的基因结构 有调控遗传信息表达的核苷酸序列 在该序列中 最重要的是位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点 启动子 补 真核细胞的基因结构 编码区 与RNA聚合酶结合位点 内含子 外显子 能够编码蛋白质的序列叫做外显子 不能够编码蛋白质的序列叫做内含子 启动子 终止子 编码区上游 编码区下游 内含子 外显子 真核细胞的基因结构 编码区 非编码区 外显子 能编码蛋白质的序列内含子 不能编码蛋白质的序列 有调控作用的核苷酸序列 包括位

11、于编码区上游的RNA聚合酶结合位点 非编码序列 包括非编码区和内含子 原核细胞与真核细胞的基因结构比较 思考 编码相同数目氨基酸的蛋白质 原核细胞与真核细胞基因结构一样长吗 连续 不连续 编码区 非编码 三 转化受体细胞 转化 方法 将目的基因导入植物细胞 将目的基因导入动物细胞 将目的基因导入微生物细胞 农杆菌转化法 基因枪法 花粉管通道法 显微注射法 用钙离子处理细胞 感受态细胞 目的基因进入 内 并且在受体细胞内维持 和 的过程 受体细胞 稳定 表达 1 将目的基因导入植物细胞 1 农杆菌转化法 双子叶植物中常用方法 2 基因枪法 3 花粉管通道法 单子叶植物常用的转化方法 成本较高 我

12、国独创的转化方法 如 我国的转基因抗虫棉 三 转化受体细胞 书P16 显微注射技术 注入的是含有目的基因的表达载体 是转基因动物中采用最多 最有效的一种将目的基因导入动物细胞的方法 2 将目的基因导入动物细胞 三 转化受体细胞 用原核细胞作为受体细胞的原因 繁殖快 多为单细胞 遗传物质相对较少等 大肠杆菌应用最为广泛 大肠杆菌细胞最常用的转化方法 Ca2 处理细胞 感受态细胞 重组表达载体DNA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 将目的基因导入微生物细胞 三 转化受体细胞 四 筛选出获得目的基因的受体细胞 是检查基因工程是否成功的一步 一

13、 首先要检测转基因生物染色体上的DNA上是否插入了目的基因 检测方法是采用DNA分子杂交技术DNA DNA 二 其次 还需要检测目的基因是否转录出了mRNA 这是检测目的基因是否发挥功能的第一步 检测方法是采用分子杂交技术DNA mRNA 检查是否成功 检测 鉴定 检测转基因生物染色体的DNA上是否插入了目的基因 检测目的基因是否转录出了mRNA 检测目的基因是否翻译成蛋白质 抗虫鉴定 抗病鉴定 活性鉴定等 方法 方法 方法 DNA分子杂交 分子杂交 注意与上不同之处 抗原抗体杂交 四 筛选出获得目的基因的受体细胞 DNA分子杂交示意图 采用一定的技术手段 将两种生物的DNA分子的单链放在一起

14、 如果这两个单链具有互补的碱基序列 那么 互补的碱基序列就会结合在一起 形成杂合双链区 在没有互补碱基序列的部位 仍然是两条游离的单链 四 筛选出获得目的基因的受体细胞 第二节基因工程的应用 一 基因工程的应用 二 转基因生物的安全性问题 三 生物武器的危害性 1 抗虫转基因植物 从某些生物中分离出具有杀虫活性的基因 将其导入作物中 使其具有抗虫性 例如 我国转基因抗虫棉就是转入Bt毒蛋白基因培育出来的 它对棉铃虫具有较强的抗性 一 转基因植物 2 抗病转基因植物 3 其它抗逆转基因植物 4 利用转基因改良植物的品质 用基因重组蓝玫瑰 1 用于提高动物生长速度 二 转基因动物 超级小鼠 转生长

15、激素基因鲤鱼 2 用于改善畜产品的品质 3 用转基因动物生产药物 4 用转基因动物作器官移植的供体 假如某位心脏病人换上了经过改造的猪的心脏 在生活中他会遭到歧视吗 基因治疗使把正常基因导入病人体内 使该基因的表达产物发挥功能 从而达到治疗疾病的目的 这是治疗遗传病的最有效的手段 三 基因工程药物异军突起 四 基因治疗曙光初照 生产干扰素的车间 用于基因治疗的基因种类第一类从健康人体上分离得到的功能正常的基因 第二类反义基因第三类编码可以杀死癌变细胞的蛋白酶基因 又称自杀基因 4蛋白质工程的应用 一 蛋白质工程崛起的缘由 通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的活性物质 并借助转基因而改变

16、动植物性状 得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗 然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现 这些蛋白质只是适应生物自身的需要 而对它们进行产业化开发往往不合意 需要加以改造 1983年Ulmer首先提出蛋白质工程 它是指按照特定的需要 对蛋白质进行分子设计和改造的工程 自此以后 蛋白质工程迅速发展 已成为生物工程的重要组成部分 4蛋白质工程的应用 在已研究过的几千种酶中 只有极少数可以应用于工业生产 绝大多数酶都不能应用于工业生产 这些酶虽然在自然状态下有活性 但在工业生产中没有活性或活性很低 这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸 碱或有机溶剂存在 反应温度较高 在这种条件下 大多数酶会很快变性失活 提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题 一般来说 提高蛋白质的稳定性包括 延长酶的半衰期 提高酶的热稳定性 延长药用蛋白的保存期 抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等 例如 干扰素是一种抗病毒 抗肿瘤的药物 将人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达 产生的干扰素的抗病毒活性为106U mg 只相当于天然产品的十分之一 虽然在大肠杆菌中合成的 干扰素量很多

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