选修三第一章 基因工程.doc

第一章 基因工程第一节 基因工程概述一基因工程的概念操作环境操作对象操作水平基本过程结果生物体外基因人类需要的基因产物由于基因工程是在 水平上进行操作,因此又叫做 。二基因工程的基本工具（一）“分子手术刀”限制性核酸内切酶（简称限制酶）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。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。 （二）“分子针线”DNA连接酶1分类：根据酶的来源不同，可分为EcoliDNA连接酶和T4DNA连接酶两类2功能：恢复被限制酶切开了的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。两种DNA连接酶(EcoliDNA连接酶和T4DNA连接酶)的比较：相同点：都缝合磷酸二酯键 区别：EcoIiDNA连接酶来源于大肠杆菌，只能使黏性末端之间连接；T4DNA连接酶能缝合两种末端，但连接平末端之间的效率较低。DNA连接酶与DNA聚合酶作用的比较DNA连接酶DNA聚合酶不同点连接的DNA模板不要模板连接的对象相同点作用实质化学本质蛋白质(三) “分子运输车” 1.载体具备的条件：能在受体细胞中 并 ；具有一至多个 ，供外源DNA片段插入；具有 ，供重组DNA的鉴定和选择。 2.基因工程常用的载体有： 、 和 等最早应用的载体是 ，它是双链 DNA分子。三基因工程的基本过程 (一) 获得目的基因（目的基因的获取）1.获取方法主要有两种：从自然界中已有的物种中分离出来，如可从基因文库中获取。用人工的方法合成。获得原核细胞的目的基因可采取 ，获取真核细胞的目的基因一般是 。人工合成目的基因的常用方法有反转录法和化学合成法。2.利用PCR技术扩增目的基因（1）PCR的含义：是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。（2）目的：获取大量的目的基因（3）原理： （4）过程：第一步：加热至9095 第二步：冷却到5560， ；第三步：加热至7075， 。（5）特点：指数形式扩增(二) 制备重组DNA分子（基因表达载体的构建） 1重组DNA分子的组成：除了目的基因外，还必须有 。标记基因的作用：鉴定受体细胞中是否含有 ，从而将 筛选出来。2方法： 限制酶分别切割载体和目的基因，再用 把两者连接。(三) 转化受体细胞（将目的基因导入受体细胞）1.转化的概念：是 进入受体细胞内，并且在受体细胞内 和 的过程。2.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 介导转化技术（ 转化法），其次还有 介导转化技术（ 法）和 技术（ 法）。将目的基因导入动物细胞：最常用的方法是 技术。此方法受体细胞多是 。将目的基因导入微生物细胞： 法。(四) 筛选出获得目的基因的受体细胞、培养受体细胞并诱导目的基因的表达（目的基因的检测与鉴定）1.首先要检测转基因生物的染色体DNA上是否 ，方法是采用 技术。2.其次还要检测目的基因是否 ，方法是采用 技术。3.最后检测目的基因是否 ，方法是采用 技术。4.有时还需进行 的鉴定。如抗虫或抗病的鉴定等。由于基因工程是在 平上进行操作,因此又叫做 。第二节 基因工程的应用1运用基因工程改良动植物品种最突出的优点是：能打破常规育种难以突破的 。2基因工程的应用（1）植物基因工程：抗 、抗 、抗 转基因植物，利用转基因改良植物的品质。（2）动物基因工程：提高动物生长速度来提高产品 改善产品 ，用转基因动物生产 ，用转基因动物作器官移植的 等。（3）基因诊断和基因治疗：基因诊断：又称为DNA诊断，是采用 的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体。基因治疗：指利用 置换或弥补缺陷基因的治疗方法。实例：ADA基因缺陷症的基因治疗第三节 蛋白质工程1蛋白质工程的实质：根据蛋白质的 之间的关系，通过 。以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的、具有优良特性的蛋白质。2蛋白质工程的基本原理预期蛋白质功能测定蛋白质三维空间结构推测应有的 序列找到对应的 序列（基因）具有预期功能的蛋白质3.蛋白质工程的应用（1）通过改造酶的结构 有目的地提高蛋白质的热稳定性（2合成嵌合抗体（3）改变蛋白质的活性。蛋白质工程与基因工程区别蛋白质工程基因工程实质通过 ，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质将 从供体转移到受体细胞，并在受体细胞中表达结果合成自然界 的蛋白质只能生产自然界 的蛋白质联系蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出的 基因工程 细胞工程（一）植物细胞工程 1.理论基础（原理）： 全能性表达的难易程度： ； 2.植物组织培养技术（1）过程：离体的植物器官、组织或细胞 试管苗 植物体（2）用途 、 、 、 、 。（3）地位：是培育 、 培育植物新品种的最后一道工序。3.植物细胞培养（苏教版）（1）概念：在实验室工厂化生产的条件下，将组织培养过程中形成的 或其他易分散的组织置于液体培养基中，进行 ，得到分散游离的 ，通过 使细胞增殖，从而获得大量的 的一种技术。 （2）与植物组织培养的关系 植物组织培养是基础。 目的不同：植物组织培养的目的是得到更多的 ，植物细胞培养的目的是获得人类所需的 （3）实例：成功地培养红豆杉的细胞，从中提取出重要的 物紫杉醇。4.植物体细胞杂交技术（1）过程：（2）诱导融合的方法：物理法包括 等。化学法一般是用 ）作为诱导剂。（3）意义： 。（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 ，将它分散成 ，然后放在适宜的 中，让这些细胞 。（2）动物细胞培养的流程：取动物组织块（ ）剪碎用 处理分散成 制成 转入培养瓶中进行 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 培养。（3）细胞贴壁和接触抑制：悬液中分散的细胞很快就 ，称为 。细胞数目不断增多，当贴壁细胞分裂生长到表面 时，细胞就会 ，这种现象称为细 。（4）动物细胞培养需要满足以下条件 ：培养液应进行 处理。通常还要在培养液中添加一定量的 ，以防培养过程中污染。此外，应定期更换培养液，防止 。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 等天然成分。 ：适宜温度：哺乳动物多是 ；pH： 。 ：95% 5% 。O2是 所必需的，CO2的主要作用是 。（5）动物细胞培养技术的应用： 、 、 、 。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 核移植（比较容易）和 核移植（比较难）。（2）选用去核卵(母)细胞的原因：卵(母)细胞 ；卵(母)细胞 。（3）体细胞核移植的大致过程是： 核移植 胚胎移植 （4）体细胞核移植技术的应用： ； ； ； （5）体细胞核移植技术存在的问题：克隆动物存在着 问题、表现出 缺陷等。4.动物细胞融合（1）动物细胞融合也称 ，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 细胞遗传信息的单核细胞，称为 。（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 等。（3）动物细胞融合的意义：克服了 ，成为研究 、 、 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一5.单克隆抗体 （1）抗体：一个B淋巴细胞只分泌一种 。从血清中分离出的抗体 （2）单克隆抗体的制备过程：（3）杂交瘤细胞的特点：既能大量繁殖，又能产生 。（4）单克隆抗体的优点： 。（5）单克隆抗体的作用： 作为诊断试剂：准确识别各种抗原物质的细微差异，并跟 发生特异性结合，具有 的优点。 用于 ：主要用于治疗 ，可制成“ ”，也有少量用于治疗其它疾病。胚胎工程第一节 动物的胚胎发育和胚胎工程一、哺乳动物生殖细胞的发生和受精作用1哺乳动物生殖细胞 11精子的发生 精原细胞先进行 后进行 ，最后形成 个 ，再经过 过程形成 。产生部位： ；储存部位： ；营养来源： 。12卵子的发生 卵原细胞先进行 后进行 ，最后形成 个 。 具体过程：卵原细胞进行 演变成初级卵母细胞被 包围形成 ，经过 形成 和 ，其中， 经过减数第二次分裂形成 个 ，而 的减数第二次分裂是在 过程 中完成的，形成 个 ， 个 ，最终结果产生 个 和 个 。13精子卵子形成过程的不同点项目精子的发生过程卵子的发生过程发生场所发生时间发生过程核物质含量是否变形一个性原细胞最终产生的生殖细胞个数细胞质分裂2受精作用 精子获能 精子在 中成熟后必须在 内经历一段时间才能获得 能力的过程。 等液体可使精子获能。特征 （1）受精作用的定义：卵细胞和精子相互 成为 的过程。（2）受精作用的场所： （3）受精标志： 的形成；受精完成标志是 融合成 。（4）受精作用的结果：使 的精子和卵子结合形成 的受精卵，染色体数目恢复到 中的数目，其中一半染色体来自 ，另一半来自 。（5）减数分裂和受精作用的意义：对于 ，对于 ，都是十分重要的。二、哺乳动物胚胎发育的基本过程 过程的完成，标志着胚胎发育的开始。起点： ；终点： ；包括 （细胞进行 分裂，数量 ，胚胎总体积 ）、 （细胞开始 ，其中个体较大的细胞叫 ，将来发育成胎儿的各种组织）、 、 等主要阶段。三、胚胎工程的主要技术与应用1胚胎工程的概念及技术手段对动物 、 和 所进行的多种显微操作和处理技术，由 、 、 、 和 等组成的现代生物技术。 是胚胎工程的理论基础。11体外受精技术是指哺乳动物的精子和卵子在 的环境中完成受精过程的技术。属 性生殖过程基本原理：人工模拟 环境，包括 、 、 等，使 细胞成熟，同时使精子 ，最终完成 作用，并有计划地保存 等。卵母细胞的采集和培养 对体型小的动物用 处理，从输卵管冲取卵子（可直接受精）；对体型大的动物从 中采集卵母细胞（要在体外培养成熟）。体外受精技术是哺乳动物胚胎移植技术、克隆技术、转基因技术和性别控制技术不可缺少的组成部分。12胚胎移植技术a概念：将雌性动物的 移植到 的其他雌性动物的体内，使之继续发育为新个体的技术。b优势：可以充分发挥 性优良个体的繁殖潜力， 供体本身的繁殖周期。c胚胎移植的生理学基础：同种动物的供、受体生殖器官的生理变化是相同的对供体和受体进行 处理；早期胚胎形成后处于 状态，为胚胎的收集提供可能；受体对移入子宫的外来胚胎基本不发生 反应；移入受体的供体胚胎的遗传特性在孕育过程中 。d胚胎移植的程序：对供、受体母牛进行选择，用 进行同期发情处理；对供体母牛用激素做超数排卵处理；选择同种优秀公牛配种 ；对胚胎进行收集此时胚胎处于游离状态；对胚胎进行质量检查此时胚胎应发育到 ；胚胎移植或冷冻保存；检查受体母牛是否受孕；产下胚胎移植的犊牛。13胚胎分割技术a概念：用 方法将 切割成2、4、8等份，经 培养后植入受体，以获得 后代的技术可看作是动物无性繁殖或克隆。b基本过程：选择良好的 移入培养皿中，用分割针或分割刀片将其切开，吸出其中的半个胚胎注入透明带中或直接移植给受体。注意：内细胞团要 分割，否则会影响胚胎的恢复和进一步发育14胚胎冷冻保存技术a概念：将动物的 ，通过特殊的保护剂和降温措施，使其长期保存在 环境下。B优势：可以使胚胎移植不受 的限制，简化 过程。15动物性别控制技术指通过 ，使动物按照人们的愿望繁衍所需性别的后代的技术。第二节 胚胎干细胞的研究及其应用一、胚胎干细胞及其研究进展1干细胞：动物（包括人）胚胎及某些器官中具有 和 潜能的原始细胞，是重建、修复病损或衰老组织、器官功能的种子细胞。按照 的大小，干细胞基本上可分为 干细胞（只能分化成一种类型或功能密切相关的两种类型的细胞）、 干细胞（具有分化成多种细胞或组织的潜能却失去发育成完全个体能力的细胞）和 干细胞（可以分化为全身各种细胞，并进一步形成机体的所有组织、器官）。2成体干细胞：存在于胎儿、儿童和成人组织中的 干细胞。造血干细胞是体内各种 的唯一来源，主要存在于 、 、 中。3胚胎干细胞：由早期胚胎囊胚或原始性腺胎儿中分离出来的一类细胞，又叫ES或EK细胞。具有 能力并保持 状态、在一定的条件下可以向各种组织和器官分化、易于进行 操作等特点。如内细胞团细胞（位于 的 腔一侧）特征：形态上体积 、细胞核 、核仁 ；功能上具有发育的 性，即可分化为成年动物体内任何一种组织细胞。二、胚胎干细胞的应用用于治疗人类疾病，如利用ES细胞诱导其分化成新的组织细胞特性，移植ES细胞可使坏死或退化的部位得以修复。三、胚胎干细胞研究面临的挑战：在法律、伦理、国家和社会安全等方面带来冲击。 生物技术的安全性和伦理问题：转基因技术成果1972年美国斯坦福大学的柏格第一次 成功。微生物方面：（）制造出具有重要经济价值的各种重组微生物，如清除石油污染的 （）利用DNA重组的微生物生产稀缺的生化药物即 转基因动物方面：）在培育生长迅速、营养品质优良的 方面不断取得辉煌成就（）科学家把转基因动物变成生物反应器，让它们的奶中富含某种营养物质、珍贵药物或人类所需的蛋白质。转基因植物方面：（）抗虫作物：目前已经开发和利用的抗虫基因已有多个，如苏云金芽孢杆菌杀虫晶体 （Bt）是目前应用最广泛的基因；还有植物的蛋白酶和淀粉抑制因子、动物的蛋白酶抑制因子、动物几丁质酶基因（）抗病作物：将病毒外壳蛋白基因（CP）导入植物，从而使植物具有抗性。我国将人巨细胞病毒（CMV）和烟草花叶病毒（TMV）外壳蛋白基因用质粒导入烟草，获得抗TMV、CMV转基因抗病烟草。（）抗除草剂作物：已获得的 作物有大豆、棉花、玉米等（）作物品质改良：如将抗寒基因导入作物，增强植物的耐寒性。目前从极地鱼体中分离到的基因已被转入番茄、黄瓜，使作物耐寒或耐天气的骤然变化。二转基因生物的安全性（一）食物安全两种观点的比较：观点存在安全问题不存在安全问题论据1.对食物安全检测不全面2.可能出现滞后效应3.可能出现新的过敏源4.营养成分可能改变.“实质性等同”只是评价的起点，而不是终点.多环节、严谨的安全性评价.科学家对社会负责的态度.至今未发现转基因食品影响人体健康的实例实质性等同原则是指转基因生物与自然存在传统生物在相同条件下进行性状表现比较。保证转基因食品安全的监控和预防措施：立法、多环节监控、安全评价内容具体而严格（二）生物安全两种观点的比较：观点引起生物安全问题不存在生物安全问题论据1可能变成野生种类或杂草2可能重组出新的有害病原体3有可能形成用除草剂除不去的“超级杂草”4可能成为“入侵的外来物种”1进入非种植区生命力很差2存在生殖隔离，难与其他植物杂交3花粉的传播距离和存活时间有限4新性状的表现必须具有一定的条件和配套的种植技术外来物种入侵（）指有意或无意的人类活动，将某物种从一个地区引入其他地区，给当地的生态系统和社会经济造成明显的损害。（）危害：破坏当地的生态系统；对当地的农业或林业带来严重的损害（即爆发生物灾害）；造成生物多样性减少；有些外来植物产生的花粉可能成为新的过敏源。（三）环境安全潜在的不安全问题：可能会影响生态系统中原有的动态平衡，加剧环境污染，危害其他动植生存或人体健康。安全依据：（）科学家转入的仅仅是有限的一种或几种基因，而转入的基因是否可能会对其他生物或环境造成危害，都要经过分析、实践的，一旦发现有害后果，科学家就会停止实验。（）转基因生物从实验室到自然界释放，都要经过一系列安全评价、审批。（）制定相关法规监控1、是指应用生态系统中 原理、 原则，结合经 的最优化方法而设计的 的生产工艺系统。2、实例：农林牧副渔一体化生态工程依据 基本原理，其关键是调控 ，进行优化组合，提高 的能力，充分发挥 的潜力，尽量充分利用 ，提高整体的综合效益。3、（人教版）人类设计生态工程的根本目的是在促进 的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防治 ，达到 的同步发展。与传统的工程相比，生态工程具有 的特征。4、（人教版）生态经济：主要是通过实行“ ”的原则，使一个系统产出的污染物，能够成为本系统或者另一个系统的 ，从而实现 ，而实现循环经济最重要的手段之一就是 。二、生态工程所遵循的基本原理（人教版）1、物质循环再生原理：物质能够在各类生态系统中，进行区域小循环和全球地质大循环，循环往复，分层分级利用，从而达到取之不尽、用之不竭的效果。2、物种多样性原理：一般而言，物种 的生态系统具有较高的 稳定性。生物多样性高，可以为各类生物的生存提供多种机会和条件。众多的生物通过 关系互相依存，就可以在 资源条件下，产生或容纳更多的 ，提高 。即使某个物种由于某种原因而死亡，也会很快有其他物种占据它原来的 位置，从而避免了系统结构或功能的失衡。3、协调与平衡原理：处理好生物与环境的协调与平衡， ，还需要考虑 。环境承载力（又称 ）：是指某种环境所能养活的 的数量。4、整体性原理：人类处在一个 复合而成的巨大系统中。进行生态工程建设时，不但要考虑到 的规律，更重要的是，还要考虑到 等系统的影响力。除此之外， 等也都对生态工程建设有着重要影响。建立在对系统成分的性质及相互关系充分了解基础之上的 理论，是解决生态环境问题的必要基础。5、系统学和工程学原理：（1）系统的结构决定功能原理：生态工程需要考虑 ，通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目的。（2）系统整体性原理：系统各组分之间要有 ，只有这样才能顺利完成 等的转化和流通，并且实现 的效果，即“1+12”。三、生态工程的类型 根据性质和设计目标的不同，生态工程可分为不同的类型。例如，具有农业生态保护性质并以农产品生产为目标的 ；以环境保护为目标的 ，包括 等；以治理环境污染为目标的 ，包括 等。实例1：“人工湿地”生态工程。（1）湿地是 和 之间过渡性的生态系统，其重要特点之一是 。湿地生态系统具有较强的 功能，被誉为“ ”。（2）“人工湿地”是模拟 的人工生态系统。它的组成成分包括 等。（3）“人工湿地”对污水的净化作用是通过 的共同作用实现的。水生植物除了能 物质外，还能促进 。在“人工湿地”生态系统中，对废水净化起作用的是 以及相关的 ，如沉淀、吸附、过滤等。实例2：矿山废弃地生态修复工程（1）矿山废弃地是指因 活动而遭破坏且 的土地。它包括 、大量采矿而形成的 、 等。（2）矿山废弃地的危害：不仅 大片森林、草地和农田，还造成 ，有的甚至成为巨大的 。（3）矿山废弃地的生态修复：关键在于 ，以及为其所必需的 的重建（人教版）。在植被恢复过程中要注意选择 的树种，优先选择 树种，尽量选择适应性强的 树种和 树种，注意树种的 效益。实例3：林业生态工程（1）林业生态工程是环境与生态保护、修复和改善的重要组成部分。它是在维 的目标下，以 为基础，以发挥 为依据，形成各林种、各树种的合理配置和组合，充分利用多林种、多树种生物群体的 特点，建设 的生态系统。（2）我国先后批准建设了 林业生态工程，特别是 建设工程、 建设工程、 工程、 建设工程等。四、生态工程建设的基本过程生态工程建设既要遵循 原理，也要遵循 原则和 原则，即在强调 的前提下，突出 生态系统的整体与功能，以 促进产业发展，并将 融于产业工程之中。生态工程建设的基本过程包括 等。其中 是整个生态工程建设的核心环节。拟定目标与本底调查：设计时必须强调 的目标。本底调查的内容包括 。系统分析：是生态工程可行性分析和决策的 。可行性评价与决策：通过可行性评价与决策分析，在达到最佳的 的同时，也达到最佳的 ，增加复合生态系统的 ，降低生态系统恶化的风险。技术设计：通过改变 的方法，提高系统自身的 的能力，充分利用 ，提高整体的综合效益。生态系统技术设计的常用方法之一是 。即连接平行的原本不相连接的种类，形成 ，提高效率，促进 。生态系统技术设计的常用方法之二是 。即在食物链（网）的中增加一些环节，以充分利用 ，促使物流和能流的路径畅通，发挥生产潜力，提高 效益。五