生物高考一轮复习选修3 讲义.docx

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生物高考一轮复习选修3讲义

高中生物选修三专题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。

（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。

2.“分子缝合针”——DNA连接酶

（1）两种DNA连接酶（E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶）的比较：

①相同点：

都缝合磷酸二酯键。

②区别：

E·coliDNA连接酶来源于大肠杆菌，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；T4DNA连接酶来源于T4噬菌体，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）与DNA分子相关的酶

限制酶

DNA连接酶

DNA聚合酶

解旋酶

作用底物

DNA分子

DNA分子片段

脱氧核苷酸

DNA分子

作用部位

磷酸二酯键

磷酸二酯键

磷酸二酯键

碱基对间的氢键

作用结果

形成粘性末端或平末端

形成重组DNA分子

形成新的DNA分子

形成单链DNA分子

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。

（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：

λ噬菌体的衍生物、动植物病毒

（2）基因工程的基本操作程序

第一步：

目的基因的获取

1、获取目的基因的方法：

从基因文库中获取、PCR扩增法、人工合成：

反转录法和化学合成

2.目的基因是指：

编码蛋白质的基因。

3.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_。

4.PCR技术扩增目的基因

（1）原理：

DNA双链复制

（2）过程：

第一步：

加热至90～95℃DNA解链；第二步：

冷却到55～60℃，引物结合到互补DNA链；第三步：

加热至70～75℃，热稳定DNA聚合酶（Taq酶）从引物起始互补链的合成。

PCR技术

DNA复制

过程

DNA变性（90～95℃）→退火（复性55～60℃）→子链延伸（70～75℃）重复循环

DNA复制起始，DNA引物生成→DNA片段生成→RNA引物水解→完整的DNA分子形成

相同

点

原则

碱基互补配对

条件

模板、原料（dCTP、dATP、dGTP、dTTP）、能量、酶、引物等

不

同

点

解旋

方式

氢键在高温下断裂、双链全部解开

解旋酶催化氢键逐步断裂

场所

体外

主要在细胞核中

引物

DNA

RNA

酶

热稳定DNA聚合酶（Taq酶）

解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等

结果

在短时间内形成大量的DNA片断

形成完整的DNA分子

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。

3、目的基因与运载体结合（以质粒为运载体）

第三步：

将目的基因导入受体细胞_

1．将目的基因导入受体细胞

受体细胞：

细菌

↓氯化钙

细胞壁的通透性增大（感受态细胞）

↓

重组质粒进入受体细胞

↓

目的基因随受体细胞的繁殖而复制

2.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。

3.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法。

此方法的受体细胞多是受精卵。

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：

诱导转化法

先用Ca2+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。

生物种类

植物细胞

动物细胞

微生物细胞

常用方法

农杆菌转化法

显微注射技术

Ca2＋处理法

受体细胞

体细胞

受精卵

原核细胞

转化过程

将目的基因插入Ti质粒的T—DNA上→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的DNA→表达

将含有目的基因的表达载体提纯→取卵（受精卵）→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物

Ca2＋处理细胞→微生物细胞壁的通透性增加→重组质粒与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子

4.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

类型

步骤

检测内容

方法

结果

分子

检测

第一步

目的基因是否进入受体细胞

DNA分子杂交（DNA和DNA之间）

是否显示出杂交带

第二步

目的基因是否转录出mRNA

分子杂交技术（DNA和RNA之间）

第三步

目的基因是否翻译出蛋白质

抗原一抗体杂交方法

个体水平检测

包括抗虫、抗病的接种实验，以确定是否有抗性以及抗性的程度；基因工程产品与天然产品的活性比较，以确定功能是否相同等

（三）基因工程的应用

1.植物基因工程：

提高农作物的抗逆能力（抗除草剂、抗虫、抗病、抗逆转基因植物等），利用转基因改良农作物的品质（如转基因大豆、转基因玉米）利用植物生产药物

2.动物基因工程：

Ø提高动物生长速度（用外源生长激素基因使鲤鱼长得更快）

Ø改善畜产品品质（将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组）

Ø用转基因动物生产药物（乳腺生物反应器、乳房生物反应器）：

将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，显微注射入动物受精卵中，分泌乳汁来生产药物。

Ø用转基因动物作器官移植供体。

（最大难题是免疫排斥）

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（体内基因治疗）。

从病人体内获取某种细胞，在体外完成基因转移，然后筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内（体外基因治疗）

（四）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，这些蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要）

转录翻译

蛋白质工程的基本途径：

从预期蛋白质的功能出发→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

概念

基础

蛋白质分子的结构规律及与生理功能的关系

手段

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

目的

获得满足人类生产和生活需求的蛋白质

原理

由预期的蛋白质找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）

流程

脱氧核苷酸序列（基因）

专题2细胞工程

（一）细胞工程的含义

原理和方法

细胞生物学和分子生物学

操作水平

细胞水平或细胞器水平

目的

按照入的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品

分类

植物细胞工程和动物细胞工程

植物细胞工程

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。

每个生物细胞都具有全能性的特点。

）

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

2.植物组织培养技术

（1）过程：

培养条件：

营养物质（水、无机盐、蔗糖、氨基酸和有机酸等）、激素（如细胞分裂素、生长素等）及其他条件（无菌、适宜的温度和pH等）。

Ø两种植物激素的配比，影响分化方向。

细胞分裂素（考试时出现的CTK，6-BK），有利于分化成芽和叶；生长素（考试时出现的NAA，2,4-D），有利于分化成根。

（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。

人工种子:

植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽或腋芽，包上人工种皮就可形成人工种子。

人工种皮中可以加人适量的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等，以利于胚状体生长发育成幼苗。

3.植物体细胞杂交技术

（1）过程：

去壁过程用到：

纤维素酶和果胶酶。

融合过程完成的标志：

原生质体再生细胞壁。

因为融合过程是随机的，所以人工诱导会形成多种融合细胞，筛选出杂种细胞，并将其进一步培养成杂种植林。

（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）意义：

克服了远缘杂交不亲和的障碍。

植物细胞工程的应用

微型繁殖、作物脱毒、制造人工种子、单倍体育种、细胞产物的工厂化生产。

单倍体育种：

花药离体培养过程就是植物组织培养程。

花药

单倍体幼苗纯合子

单倍体育种的优点是后代不发生性状分离，都是纯合子，能够稳定遗传，明显缩短了育种年限。

（二）动物细胞工程

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，当贴壁细胞分裂生长到表面相互抑制时，细胞就会停止分裂增殖，这种现象称为细胞的接触抑制。

注意：

在动物细胞培养过程中，一般情况下10代以前的细胞核型不变，10代以后有些细胞核型发生改变，50代以后的细胞可能发生癌变。

原代培养与传代培养

区别两种“培养”的关键是看用胰蛋白酶处理的对象。

①第一次：

用胰蛋白酶对剪碎的动物组织进行处理，分散后培养，即为原代培养。

②第二次：

细胞培养过程中出现接触抑制，用胰蛋白剩走其从瓶壁上脱离下来，分散到多个培养瓶中继续培养,即为传代培养。

（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：

（如图）

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；②保护濒危物种，增大存活数量；

③生产珍贵的医用蛋白；④作为异种移植的供体；

⑤用于组织器官的移植等。

（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。

特别说明：

动物体细胞不能经培养直接发育成完整个体,原因是动物体细胞的全能性受到限制。

用体细胞核移植技术能够得到克隆动物,说明动物体细胞的细胞核具有全能性。

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：

比较项目

细胞融合的原理

细胞融合的方法

诱导手段

用法

植物体细胞杂交

细胞膜的流动性

去除细胞壁后诱导原生质体融合

离心、电刺激、振动，聚乙二醇等试剂诱导

克服了远缘杂交的不亲和性，获得杂种植株

动物细胞融合

细胞膜的流动性

使细胞分散后诱导细胞融合

除应用植物细胞杂交手段外，再加灭活的病毒诱导

制备单克隆抗体的技术之一

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：

注意：

制备单克隆抗体过程中有两次筛选

第一次筛选是将未融合的B淋巴细胞、骨髓瘤细胞以及BB融合、瘤瘤融合的细胞通过选择培养基淘汰，筛选出B瘤融合的细胞。

第二次筛选是将产生特定抗体的B瘤细胞通过细胞培养用相应抗原检测的办法筛选出来。

因为从体内取免疫过的B淋巴细胞时取出很多种，形成的杂交瘤细胞有很多种，所以需筛选出产生特定抗体的杂交瘤细胞。

（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。

（5）单克隆抗体的作用：

①作为诊断试剂：

准确识别各种抗原物质的细微差异，并跟一定抗原发生特异性结合，具有准确、高效、简易、快速的优点。

②用于治疗疾病和运载药物：

主要用于治疗癌症治疗，可制成“生物导弹”，也有少量用于治疗其它疾病。

动物细胞融合与植物体细胞杂交的比较

项目

动物细胞融合

植物体细胞杂交

原理

细胞膜的流动性

细胞膜的流动性和植物细胞的全能性

融合前提

分散成单个细胞

去除细胞壁

诱导融

合方法

离心、振动、电激;聚乙二醇；灭活病毒等

离心、振动、电激；聚乙二醇等

结果

获得杂种细胞或细胞产物

获得杂种植株

用途

制备单克隆抗体等

培育作物新品种等

意义

使远缘杂交成为可能

克服远缘杂交的障碍

思维拓展

（1）核移植和植物体细胞杂交产生的后代中都含有两个亲本的遗传物质；植物组织培养和人工种子产生的后代中都只含一个亲本的遗传物质。

（2）植物细胞培养中去掉细胞壁的原因是这层细胞壁阻碍了植物体细胞杂交融合；动物细胞培养中用胰蛋白酶处理动物组织的目的是使组织分散成单个细胞。