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1、 选修3现代生物科技专题知识梳理 专题1 基因工程1.1 基因工程的诞生一、基因工程的诞生1、20世纪中叶，基础理论取得了重大突破 DNA是遗传物质的证明：1944艾弗里等人 DNA双螺旋结构和中心法则的确立：1953年沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构模型。1958年，梅塞尔松和斯塔尔用实验证明了DNA的半保留复制，随后不久确立了中心法则。 遗传密码的破译：1963年，尼伦贝格等破译了遗传密码。2、技术的发明使基因工程的实施成为可能 基因转移载体的发现 工具酶的发明 DNA合成和测序技术的发明 DNA体外重组的实现 重组DNA表达实验的成功：1973年，博耶和科恩将两种不同来源的DNA 分子
2、进行体外重组，并首次实现了在大肠杆菌中的表达，至此，基因工程正式问世。 第一例转基因动物问世：1980年，科学家首次通过显微注射法，培育出世界上第一个转基因动物。这一实验被认为是基因工程发展史上的一个里程碑。 PCR技术的发明：1985年，科学家莫里斯发明。二、基因工程的概念是指在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞并使重组基因在受体细胞中表达，产生人类需要的基因产物的技术。又称重组DNA技术。思考：（1）基因工程的物质基础是：所有生物的DNA均由四种脱氧核苷酸组成。（2）基因工程的结构基础是：所有生物的DNA均为双螺旋结构。（3）一种生物的D
3、NA上的基因之所以能在其他生物体内得以进行相同的表达，是因为它们共用一套遗传密码子。1.2 基因工程的原理及技术一、基因工程的工具酶与载体1、分子手术刀：限制性核酸内切酶（简称限制酶）。（1）来源：主要从原核生物中分离和纯化。（2）特点：每种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的位点上切割DNA分子。 （切割的化学键：磷酸二酯键）（2）切割方式错位切：产生黏性末端。平切： 产生平口末端。2、分子针线：DNA连接酶。（1）类型：EcoliDNA连接酶、T4DNA连接酶等。（2）作用：可以将两个DNA 片段之间的2各缺口通过磷酸二酯键同时连接起来。3、运载工具：载体。（1）种类：质粒（常用
4、）、噬菌体、可起载体作用的动植物病毒。（2）质粒：来源：是细菌细胞质中一种很小的环状、双链DNA分子。条件：具有一个至多个限制酶切割位点。能在受体细胞中自我复制，或整合到染色体DNA上，随染色体DNA进行同步复制。具有某些标记基因。（供重组DNA的 鉴定和选择）能“友好”地“借居”在受体细胞内；二、基因工程的一般过程与技术苏教版人教版1、获得目的基因1、目的基因的获取2、制备重组DNA分子2、基因表达载体的构建3、转化受体细胞3、将目的基因导入受体细胞4、筛选出获得目的基因的受体细胞4、目的基因的检测与鉴定5、培养受体细胞并诱导目的基因的表达1、目的基因的获取从基因文库中获取目的基因利用PCR
5、技术扩增目的基因逆转录（1）目的基因：主要是指编码蛋白质的结构基因。（2）获取方法从自然界已有物种中分离人工合成补充：聚合酶链式反应技术（PCR技术）（1）PCR：即聚合酶链式反应（2）PCR技术：在体外通过酶促反应有选择地大量扩增目的基因或序列的技术。（3）方法：2、基因表达载体的构建（核心）（1）目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时，使目的基因可以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RNA聚合酶识别和结合部位，位于基因的首端。 终止信号，位于基因的尾端。鉴别受体细胞中是否含有目的基因。（3）构建步骤：用同一种限制酶切割目
6、的基因和载体，从而产生相同的黏性末端，再用DNA连接酶连接。（形成的分子称：重组DNA分子或重组质粒。）【特别提示】 插入的目的基因只是目的基因部分，其表达需要调控序列，因而用作载体的质粒前需有启动子，后需有终止子。3、将目的基因导入受体细胞（转化）（1）受体种类不同，导入方法不同导入植物细胞：农杆菌转化法（常用）、基因枪法、花粉管通道法。导入动物细胞：显微注射法。导入微生物细胞：Ca2+处理法。（2）受体细胞的种类植物：可以是受精卵、体细胞（可经组织培养成完整个体）动物：受精卵（因为动物细胞的全能性受到抑制）（3）转化实质：目的基因整合到受体细胞的染色体DNA上。4、目的基因的检测与鉴定（1
7、）分子检测检测转基因生物的染色体DNA是否插入了目的基因（DNA分子杂交法）检测目的基因是否转录出了mRNA（分子杂交法）检测目的基因是否翻译出了蛋白质（抗原抗体杂交法）（2）个体生物学水平鉴定检测转基因生物是否具有了我们所需要的遗传特性。三、基因工程育种1、方法：提取目的基因装入载体导入受体细胞基因表达筛选出符合要求的新品种2、原理：基因重组。3、优点：目的性强，可以按照人们的意愿定向改造生物；育种周期短。4、缺点：技术复杂，存在安全性问题。5、实例：抗软化番茄的培育。1.3 基因工程的应用一、转基因生物是指利用基因工程技术导入外源基因培育出的、能够将新性状稳定地遗传给后代的基因工程生物。二
8、、基因工程的应用1、植物基因工程 抗虫转基因植物减轻农药对环境的污染 抗病转基因植物 抗逆转基因植物 利用转基因改良植物的品质2、动物基因工程 提高动物的生长速度 改善畜产品的品质 用转基因动物生产药物（乳腺生物反应器） 用转基因动物作器官移植的供体3、基因工程药物的生产如用转基因工程菌生产细胞因子、抗体、疫苗、激素等。4、基因诊断和基因治疗（1）方法l 基因诊断：采用基因检测的方法（DNA分子杂交技术）来判断患者是否出现了基因异常（如遗传病患者的基因缺陷）或是否携带病原体（如乙型肝炎病毒）等。l 基因治疗：是指利用正常基因置换或弥补缺陷基因的的治疗方法。途径 体外基因治疗：先从病人体内获得某
9、种细胞，进行培养，然后在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内。 体内基因治疗：用基因工程的方法，直接向人体组织细胞中转移基因的方法。（2）实例：ADA基因缺陷症基因治疗机理1.4 蛋白质工程一、蛋白质工程崛起的缘由基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。二、蛋白质工程的概念指以蛋白质分子的结构规律及其与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需求。基因工程是其中的关键技术
10、，因此，蛋白质工程又被称为第二代基因工程。三、蛋白质工程的原理1、天然蛋白质合成：基因表达（转录和翻译）形成氨基酸序列的多肽链形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能。（中心法则）2、蛋白质工程：从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）四、蛋白质工程的类型1、类型（1）大改：是指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，使之具有特定的氨基酸序列、空间结构和预期的功能。（2）中改：是指在蛋白质分子中替代某一肽段或一个特定的结构域。（3）小改：是指通过基因工程中的定点诱变技术，有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的1个或几个氨
11、基酸残基，以改善蛋白质的性质和功能。2、定点诱变技术（见右图）五、蛋白质工程的应用1、通过改造酶的结构，有目的地提高酶的热稳定性。2、在生物工程制药领域，蛋白质工程也有广泛的应用。专题2 克隆技术2.1 细胞工程概述一、细胞工程的概念是指以细胞为基本单位，在体外无菌条件下，进行培养、繁殖或利用细胞融合、核移植等技术，使细胞某些生物学特性按照人们的意愿发生改变，从而改良生物品种、创造新品种和加速繁育生物个体，以及获得某些有用的细胞代谢产物的技术。二、细胞工程的类型1、按研究对象可分为：植物细胞工程、动物细胞工程、微生物细胞工程2、按所用技术可分为：l 植物组织培养、植物体细胞杂交l 动物细胞培养
12、、动物细胞融合和单克隆抗体制备、细胞核移植技术和动物体细胞克隆2.2 植物的组织培养一、植物细胞的全能性1、概念：生物体内几乎每一个细胞内都含有该物种的全套遗传物质，具有发育成为完整个体所必需的全部基因，因此，这些细胞都具有发育成为一个新的生物个体的潜能。细胞的这种特性称为细胞全能性。2、理论依据：生物体内几乎每一个细胞内都含有该物种的全套遗传物质，具有发育成为完整个体所必需的全部基因。3、全能性大小的判断（1）受精卵配子体细胞（2）植物细胞动物细胞（3）分化程度低的细胞分化程度高的细胞4、实现全能性的条件（1）离体状态。（2）环境条件条件适宜（如营养物质、激素、温度等）。5、体细胞未表现出全
13、能性的原因 基因的表达具有选择性。即未离体细胞只能在机体的调控下定向分化，不能表达其全能性。6、植物细胞的全能性是植物细胞工程的基础。【特别提示】目前的实验证明，离体的植物体细胞的全能性得到了充分的体现（如植物组织培养），而离体的动物体细胞，其全能性受到限制，但其细胞核仍然保持全能性（如克隆技术培养动物个体），然而需要卵细胞质才能体现出来。二、植物细胞工程（一）植物组织培养1、概念：是指依据细胞全能性的原理，在无菌条件下，分离植物的器官、组织、细胞或原生质体（称为外植体），并在培养基上培养，在适宜的条件下使其长成部分或完整植株的技术。2、理论基础：植物细胞的全能性。3、过程：愈伤组织胚状体试管
14、苗植物体再分化（分化培养基）离体的器官、组织、细胞脱分化附：相关概念l 愈伤组织：是一团没有特定结构和功能并处于旺盛分裂状态的薄壁细胞。l 脱分化：由已分化的植物细胞形成愈伤组织的过程。l 再分化：愈伤组织生长一段时间后再移植到新的培养基（人教版：分化培养基）上继续培 养，重新诱导分化形成根、芽等器官的过程。4、条件：首先用消毒剂除去外植体表面的微生物，在无菌条件下将其放到适宜的培养基上。培养基一般有五类成分：（1）水（2）无机营养：包括大量元素和微量元素。（3）有机营养：主要有糖、维生素、氨基酸。（4）生长物质：指植物激素，常用的有生长素和细胞分裂素，离体培养物的根芽分化取决于激素间的比例。此外，赤霉素对刺激细胞的伸长也有一定的作用。（5）天然附加物：如椰子乳、酵母提取物等。5、应用（1）微型繁殖：不仅可以保持优良品种的遗传特性，还可以高效快速地实现种苗的大量繁殖。（2）作物脱毒：植物分生区附近，如茎尖、根尖，很少被病毒感染，甚至无病毒，因而被用来培育无病毒植株。（3）制备人工种子概念：是指在植物组织培养中得到的体细胞胚状体，包埋在含有营养物质和保护物质的包被中，在适宜条件下能够发芽出苗的颗粒体。优点： l 不受环境因素的
