第三章 基因工程 知识点总结 高二下学期生物人教版选择性必修3

生物学选择性必修三2019人教版第三章知识点总结第三章基因工程第一节重组DNA技术的基本工具知识点1基因工程是指按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。从技术操作层面看，由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫作重组DNA技术、基因拼接技术。操作对象：基因操作水平：DNA分子水平操作原理：基因重组操作环境：体外基本过程：剪切→拼接→导入→表达操作结果：定向地改造生物的遗传性状，获得符合人们需要的新的生物类型和生物产品优点：定向改造生物体的性状，目的性强（与诱变育种相比）育种周期短，克服远缘杂交不亲和障碍（与杂交育种相比）知识点2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：主要从原核生物中分离出来。（2）种类：约4000种（3）作用: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。（4）限制酶识别序列的长度最常见的为6个核苷酸，也有少数限制酶的识别序列由4个、8个、或其他数量的核苷酸组成。①在中轴线两侧切割，形成黏性末端。如：EcoRI限制酶能识别GAATTC序列，为6个核苷酸，并在G和A之间切开。②在中轴线处切割，形成平末端。如：SmaI限制酶能识别CCCGGG序列，为6个核苷酸，并在G和C之间切开。2.“分子缝合针”——DNA连接酶(1)作用：将双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。即把脱氧核糖和磷酸交替连接而构成的DNA骨架上的缺口连接起来。(2)类型：3.“分子运输车”——基因进入受体细胞的载体（1）载体作用：将目的基因载入受体细胞。利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。（2）载体种类：质粒、噬菌体、动植物病毒等（3）最常用载体：质粒特点：①裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA外，具有自我复制能力的环状双链DNA。②有一个至多个限制酶切割位点。③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。④有特殊的标记基因，如：抗生素的抗性基因（四环素抗性基因(tetr)、氨苄青霉素抗性基因(ampr)等）、荧光蛋白基因（绿色荧光蛋白基因(GFP)、红色荧光蛋白基因(RFP)。⑤对细胞无毒无害。⑥大小适中，便于提取和操作。知识点3DNA的粗提取与鉴定（一)提取生物大分子的基本思路选用一定的物理或化学方法分离具有不同物理或化学性质的生物大分子。DNA粗提取的基本思路：利用DNA与RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面的差异，提取DNA，去除其他成分。（二)提取DNA的基本原理1.DNA在NaCl中的的溶解性：在NaCl溶液浓度低于0.14mol/L时，DNA的溶解度随NaCl溶液浓度的增加而逐渐降低；在0.14mol/L时，DNA溶解度最小；当NaCl溶液浓度继续增加时，DNA的溶解度又逐渐增大。当氯化钠的物质的量浓度为2mol/L时，DNA的溶解度最大；浓度为0.14mol/L时，DNA的溶解度最低。利用这一原理，可以使DNA在盐溶液中溶解或析出。2.DNA对酶、高温和洗涤剂的耐受性（1）对酶的耐受性：蛋白酶能水解蛋白质，但对DNA没有影响。（2）对温度的耐受性：大多数蛋白质不能忍受60～80℃的高温，而DNA在80℃以上才会变性。（3）对洗涤剂的耐受性：洗涤剂能够瓦解细胞膜，去除脂质和蛋白质但对DNA没有影响。3.DNA在酒精溶液中的溶解性DNA不溶于酒精溶液，但细胞中某些蛋白质则溶于酒精。将DNA与蛋白质进一步分离。（三）DNA的鉴定沸水浴条件下，DNA遇二苯胺试剂呈现蓝色第二节因工程的基本操作程序知识点1第一步：目的基因的筛选与获取1.目的基因：在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。也指能够编码特定蛋白质的基因，也可以是一些具有调控作用的因子。2.筛选目的基因：从相关的已知结构和功能清晰的基因中筛选，是较为有效的方法之一3.获取目的基因：（1）人工合成（2）基因文库中获取目的基因（3）利用PCR获取和扩增①PCR：PCR全称为聚合酶链式反应，又叫做体外DNA扩增技术。根据DNA半保留复制的原理，在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。通过这项技术可在短时间内大量扩增目的基因。②PCR利用的原理：DNA半保留复制③DNA复制的基本条件：④PCR的前提：有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物。⑤PCR的条件：DNA模板（需含有目的基因）。分别与模板DNA相结合的2种引物。四种脱氧核苷酸（或四种dNTP：dATP、dTTP、dGTP、dCTP）。耐高温的DNA聚合酶(Taq酶）。稳定的缓冲溶液（一般添加Mg2+）。能严格控制温度的温控设备。⑥PCR的过程：⑦PCR的结果：以指数方式扩增，即2n（n为扩增循环的次数）⑧鉴定PCR的产物：常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定产物知识点2第二步：基因表达载体的构建基因表达载体的组成：目的基因、标记基因、启动子、终止子基因表达载体构建过程：一般用同一种限制酶分别切割载体和含有目的基因的DNA片段，再用DNA连接酶将两者连接。知识点3第三步：将目的基因导入受体细胞1.转化：目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内稳定存在和表达的过程。2.将目的基因导入受体细胞的方法：花粉管通道法：在植物受粉后，花粉形成的花粉管还未愈合前，剪去柱头，滴加DNA(含目的基因)，使目的基因借助花粉管通道进入受体细胞。（2）农杆菌转化法：①农杆菌的特点：农杆菌是一种在土壤中生活的微生物，能在自然条件下感染双子叶植物和裸子植物，而对大多数单子叶植物没有感染能力。当植物体受到损伤时，伤口处的细胞会分泌大量酚类化合物，吸引农杆菌移向这些细胞，这时农杆菌中的Ti质粒上的T-DNA可转移至受体细胞，并整合到受体细胞的染色体DNA上。②农杆菌转化法的原理：根据农杆菌的特点，将目的基因插入Ti质粒上的T-DNA中，通过农杆菌的转化作用，就可以使目的基因进入细胞。③农杆菌转化法适用于那些植物：农杆菌转化法起初只被用于双子叶植物中，近年来，农杆菌转化在一些单子叶植物（尤其是水稻）中也得到了广泛应用。3.方法步骤：目的基因插入Ti质粒的T-DNA上→转入农杆菌→导入植物细胞→目的基因插入植物细胞中的染色体DNA上→目的基因表达。知识点4第四步：目的基因的检测与鉴定1.分子水平的检测(1)检测目的基因是否插入受体细胞的DNA中：DNA分子杂交或PCR等技术。基因探针：简称探针，是一段带有检测标记（同位素、荧光分子或化学发光催化剂）、且顺序已知的、与目的基因互补核酸序列(DNA或RNA)。用放射性同位素标记的含有目的基因的单链DNA片段制成基因探针。将转基因生物的基因组DNA提取出来，和基因探针进行杂交，如果出现杂交带，说明目的基因已插入受体细胞的DNA中。(2)检测目的基因是否转录：分子杂交或PCR技术。将转基因生物提取出来的mRNA和基因探针进行杂交，如果出现杂交带，说明目的基因已经转录。(3)检测目的基因是否翻译出蛋白质：抗原—抗体杂交技术。从转基因生物提取出来的蛋白质和相应的抗体进行杂交，如果出现杂交带，说明目的基因已经翻译。2.个体水平的鉴定(1)抗虫或抗病的接种实验。(2)有的基因工程产品需要与天然产品的功能进行活性比较。常见转基因生物在个体水平上鉴定、检测的方法（列举如下表）知识点5DNA片段的扩增及电泳鉴定1.DNA片段扩增的原理PCR利用了DNA热变性原理，通过调节温度来控制DNA双链的解聚与结合。PCR仪实质上就是一台能够自动调控温度的仪器，一次PCR一般要经历30次循环。2.DNA片段电泳鉴定的原理DNA分子具有可解离的基团，在一定的PH下，这些基团可以带上正电荷或负电荷。在电场的作用下，这些带电分子会向着与它所带电荷相反的电极移动，这个过程就是电泳。3.PCR产物的鉴定：一般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定在凝胶中DNA分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA分子的大小和构像等有关。凝胶中的DNA分子通过染色，可以在波长为300nm的紫外灯下被检测出来。第三节基因工程的应用知识点1基因工程在农业方面的应用1.培育抗逆性品种将某些生物的抗虫基因、某些病毒、真菌的抗病基因、降解或抵抗某种除草剂的基因、抗盐碱、抗干旱、抗高温等抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。如转基因抗虫棉。抗虫基因作物的意义：减少农药的用量，降低了生产的成本，减少了农药对环境的污染。2.改良植物的品质利用转基因技术改良植物的营养价值、观赏价值等。知识点2基因工程在畜牧业上的应用1.提高动物的生长速率2.改善畜产品的品质知识点3基因工程在医药卫生领域的应用1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物2.让转基因哺乳动物批量生产药物实例：乳腺生物反应器或乳房生物反应器培育过程：应用：目前已经在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要医药产品。3.用转基因动物作为器官移植的供体人体器官移植的难题：人体移植器官短缺是世界性难题解决途径：寻求可替代的移植器官，如用猪的器官来解决人类器官移植的来源问题。猪的优点：a.猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似b.猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物最大难题：免疫排斥改造方法：a.在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达；b.设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。知识点4基因工程在食品工业方面的应用1.基因工程菌概念：用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。应用：利用基因工程菌，除了可以生产药物，还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。2.实例①阿斯巴甜：一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。②凝乳酶：应用：奶酪生产中用来凝聚固化奶中的蛋白质。传统方法：杀死未断奶的小牛，取出第四胃的黏膜进行提取。现代制备方法：将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。③淀粉酶、脂酶应用：加工转化糖浆需要淀粉酶加工烘烤食品、制造生物能源要用到脂酶制备方法：构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。优点：和天然产物中提取的酶相比，基因工程获得的工业用酶的纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高。知识点5其他方面的应用培育出具有优良性状的动植物品种，获得过去难以得到的生物制品。培育可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染。利用经过基因改造的微生物来生产能源。基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。第四节基因工程的延伸——蛋白质工程知识点1蛋白质工程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，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。基础：了解蛋白质的结构和功能途径：改造或合成基因目的：改造或制造新蛋白质，满足人类的生产或生活的需要直接操作对象：基因结果：产生自然界原本不存在的蛋白质知识点2蛋白质工程崛起的缘由基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。基因工程的不足：原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。天然蛋白质的不足：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。如：玉米中赖氨酸含量较低，原因在于天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性受细胞内赖氨酸浓度的影响很大。通过基因修饰或合成，经人工设计改造，可使其叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。提出了蛋白质工程：改造或制造一种新的蛋白质来满足需求。直接操作对象：基因（基因修饰或基因合成）是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。知识点3蛋白质工程的基本原理1.蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。2.蛋白质工程的实质：通过改造或合成基因，来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。3.天然蛋白质合成的过程：天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的。基因→表达（转录和翻译）→形成具有特定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。4.蛋白质工程的基本思路：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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。知识点4蛋白质工程的应用1．在医药方面（1）研发速效胰岛素类似物（2）延长干扰素体外保存时间（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应通过改