生物选修三 第一单元知识点.docx

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生物选修三第一单元知识点

生物选修三第一单元知识点

1.1DNA重组技术的基本工具

1.2基因工程的基本操作程序

1.3基因工程的应用

1.4蛋白质工程的崛起

1.1、基因工程的工具

1、基因工程的概念：

按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。

由于基因工程在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做DNA重组技术。

2、DNA重组技术的基本工具

（1）限制酶

全称：

限制性核酸内切酶

来源：

主要从原核生物中分离纯化出来

特点：

识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，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。

结果：

产生黏性末端或平末端

（2）DNA连接酶

类型：

根据酶的来源不同，可分为E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶

作用：

连接双链DNA片段，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二脂键。

（3）载体

种类：

通常利用质粒作为载体，另外还有λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等

质粒：

化学本质：

小型环状DNA分子

特点：

能自我复制

有一个至多个限制酶切割位点

有特殊的标记基因

1.2、基因工程的基本操作程序

1、目的基因的获取途径

（1）目的基因：

编码蛋白质的结构基因。

（2）获取目的基因的方法：

从基因文库中获取

利用PCR技术扩增目的基因

通过DNA合成仪人工合成

（3）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聚合酶从引物起始互补链的合成。

2、基因表达载体的构建

是实施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。

（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（如抗生素基因）

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、将目的基因导入受体细胞

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、目的基因的检测与鉴定

（1）利用DNA分子杂交技术检测目的基因的有无

（2）利用分子杂交技术检测目的基因的转录

（3）利用抗原—抗体杂交检测目的基因的翻译

（4）利用个体生物学水平的检测鉴定重组性状的表达

1.1、基因工程的工具

1、与DNA有关的酶

（1）四种酶的比较

（2）限制酶和DNA连接酶之间的关系图示

2.载体

（1）作为载体的条件

①能在宿主细胞中稳定保存并大量复制。

②有一个至多个限制性核酸内切酶切割位点，以便与外源基因连接。

③具有特殊的标记基因，便于筛选。

（2）种类

①质粒：

一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。

②λ噬菌体的衍生物。

③动植物病毒。

（3）作用

①作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞内；

②利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。

1.2、基因工程的基本操作程序

1.目的基因的获取

（1）直接分离法：

从自然界已有的物种中分离，如从基因组文库或cDNA文库中获取。

（2）人工合成目的基因

①如果基因比较小，核苷酸序列又已知，可以通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成。

②以RNA为模板，在逆转录酶的作用下人工合成。

2.基因表达载体的构建

（1）基因表达载体各个组成的作用

①启动子：

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，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，能使转录在所需要的地方停下来。

③标记基因：

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，如抗生素抗性基因。

（2）基因表达载体的构建步骤

3、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

↓

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

4、目的基因的检测与鉴定

（1）分子水平检测

①导入检测：

DNA分子杂交技术，用放射性同位素标记的含目的基因的DNA片段作探针。

②转录检测：

分子杂交法，用标记的目的基因作探针与mRNA杂交。

③翻译检测：

抗原─抗体杂交法。

（2）个体生物学水平鉴定：

对转基因生物进行抗虫或抗病的接种实验，以确定是否具有抗性以及抗性的程度。

1.3、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。

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，用转基因动物作器官移植供体

3、基因工程药物

4、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。

1.4、蛋白质工程

1、崛起的缘由：

生物的长期进化过程中形成的天然蛋白质、结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。

2、目标：

根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。

3、操作手段：

基因修饰或基因合成

4、操作过程：

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）

1.3、基因工程的应用成果

1.乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较

（1）概念

①乳腺生物反应器是指将外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白。

②工程菌是指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系。

（2）两者的区别

比较项目

乳腺生物反应器

工程菌

基因结构

动物基因的结构与人类基因的结构基本相同

细菌或酵母菌等生物基因的结构与人类基因的结构有较大差异

基因表达

合成的药物蛋白与天然蛋白质相同

细菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器，产生的药物蛋白可能没有活性

受体细胞

动物的受精卵

微生物细胞

导入目的基因的方式

显微注射法

感受态细胞法

生产条件

不需严格灭菌，温度等外界条件对其影响不大

需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、Ph、营养物质浓度等外界条件

药物提取

从动物乳汁中提取

从微生物细胞中提取

生产设备

畜牧业生产，加提取设备

工业生产、设备精良

2、基因治疗的类型比较

比较项目

体外基因治疗

体内基因治疗

成果举例

用腺苷酸脱氨酶基因治疗复合型免疫缺陷病

用正常基因治疗遗传性囊性纤维化病

过程

取患者的淋巴细胞→细胞培养→将腺苷酸脱氨酶基因转入淋巴细胞中→筛选→将导入成功的淋巴细胞转入患者体内

用经过修饰的腺病毒作载体结合正常基因，构建基因表达载体→导入患者肺组织中

特点

操作复杂，成功率高一些

操作简单，成功率低

3、植物基因工程的应用

植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力（如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等）以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。

（1）提高抗逆性

①常用抗虫基因：

用于抗虫（杀虫）的基因主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。

②常用抗病基因：

a.抗病毒基因有：

病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因；b.抗真菌基因有：

几丁质酶基因和抗毒素合成基因

③其他抗逆基因：

环境条件对农作物的生产会造成很大影响，并且这些影响是多方面的，因此，抗逆性基因也有多种多样，如：

抗盐碱和干旱的调节细胞渗透压基因、抗冻基因、抗除草剂基因等等。

（2）改良植物品质

由于人们的食品含有的营养不平衡，不能满足人们对食品的要求，这样，可以通过转基因技术，使植物能够合成某些本来不能合成的物质。

如科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，或者改变这些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。

（3）生产药物

基因工程不但促进了传统技术的变革，也为人类提供了传统产业难以得到的许多昂贵药品，并已形成基因工程制药业的雏形。

目前诸如人胰岛素、人生长激素、人脑激素、α－干扰素、乙肝疫苗、蛋白C、组织血纤维蛋白溶酶原激活剂等数十种基因工程药物已实现商品化。

此外，还有促红细胞生成素、白细胞介素－2、肾素、心钠素等一大批珍贵药品正处于试用或临床试验阶段。

4、动物基因工程的应用

（1）用于提高动物生长速度：

由于外援生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快，将这类基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。

如：

转基因绵羊和转基因鲤鱼。

（2）用于改善畜产品的品质：

基因工程可用于改善畜产品的品质。

如：

有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，这样所获得的牛奶其成分不受影响，但乳糖的含量大大减低。

（3）用转基因动物做器官移植的供体：

目前，人体移植器官短缺是一个世界性的难题，用其它动物的器官替代，又会出现免疫排斥现象，现在，科学家正试图利用基因工程方法对一些动物的器官进行改造，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。

5、基因治疗

（1）概念：

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，从而达到治疗疾病的目的，这是治疗遗传病的最有效的手段。

（2）方法：

体外基因治疗和体内基因治疗

体外基因治疗：

先从病人体内获得某种相关细胞，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，这种方法叫做体外基因治疗。

体内基因治疗：

直接向人体组织细胞中转移基因的治疗方法叫做体内基因治疗。

说明：

对于遗传病的治疗最根本的方法是进行基因替换或修复。

基因治疗的最佳时期理论上是受精卵时期，这样可以使个体的每个细胞都含有正常基因，但在现实生活中是不可能的，因为不可能人人在受精卵时期进行基因检查。

其次是对患者进行相关细胞的基因替换，如：

对于遗传性糖尿病患者，只对胰腺的B细胞进行基因替换，该个体就能正常分泌胰岛素，糖尿病得以治疗；但这种局部细胞的基因替换，并没有改变其它部位细胞的基因，如精原细胞，其后代很大可能还会患遗传性糖尿病。

1.4、蛋白质工程和基因工程的关系

蛋白质工程

基因工程

区别

过程

预期蛋白质功能→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

获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定

实质

定向改造或生产人类所需的蛋白质

定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品

结果

可产生自然界没有的蛋白质

只能生产自然界已有的蛋白质

结果

（1）蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程

（2）基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质进行修饰、改造