高中生物选修3总结.doc

生物选修3总结1. 基因工程的诞生基础理论：DNA是遗传物质；DNA双螺旋结构和中心法则的确立；遗传密码的破译。技术支持：基因转移载体的发现；工具酶的发明；DNA体外重组的实现；重组DNA表达实验的成功。2. 基因工程的原理及技术（1）基因重组的基本工具：限制性核酸内切酶（限制酶）：主要从原核生物中分离纯化出来，这种酶在原核生物中的作用是防止外来病原物的侵害，将外源DNA切割保证自身安全。它能识别DNA分子的某种特定核苷酸序列，并切割两个核苷酸之间的磷酸二酯键，产生的末端有黏性末端（如EcoR切割的末端）和平末端。DNA连接酶：EcoliDNA连接酶连接黏性末端的DNA片断；T4DNA连接酶黏性末端和平末端都可以连接；而DNA聚合酶是将单个的脱氧核苷酸加到DNA片断上。载体：种类：质粒（常用，并被人工改造）、动植物病毒；条件：能自我复制；有一个或多个酶切位点；有标记基因位点；对受体细胞无害。（2）基因工程的基本操作程序：目的基因的获取：概括地说，主要有两条途径：一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因；另一条是人工合成基因。直接分离基因最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“散弹射击法”。这种方法犹如用猎枪发射的散弹打鸟，无论哪一颗弹粒击中目标，都能把鸟打下来。鸟枪法的具体做法是：用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞所提供的DNA(外源DNA)的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制(在遗传学中叫做扩增)，从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来。如许多抗虫、抗病毒的基因都可以用上述方法获得。用“鸟枪法”获取目的基因的缺点是工作量大，具有一定的盲目胜。又由于真核细胞的基因含有不表达的DNA片段，不能直接用于基因的扩增和表达，因此，在获取真核细胞中的目的基因时，一般是用人工合成基因的方法。目前人工合成基因的方法主要有两条途径。一条途径是以目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的基因。另一条途径是根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测出它的结构基因的核苷酸序列，再通过化学的方法，以单核苷酸为原料合成目的基因。如人的血红蛋白基因、胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得。目的基因与运载体结合：将目的基因与运载体结合的过程，实际上是不同来源的DNA重新组合的过程。如果以质粒作为运载体，首先要用一定的限制酶切割质粒，使质粒出现一个切口，露出黏性末端。然后用同一种限制酶切断目的基因，使其产生相同的黏性末端。将切下的目的基因的片段插入到质粒的切口处，再加入适量的DNA连接酶，质粒的黏性末端与目的基因DNA片段的黏性末端就会因碱基互补配对而结合，形成了一个重组DNA分子。如人的胰岛素基因就是通过这种方式与大肠杆菌中的质粒DNA分子结合，形成重组DNA分子(也叫重组质粒)的。重组DNA分子的特点：具有目的基因、启动子、终止子、以及标记基因。将目的基因导入受体细胞：目的基因的片段与运载体在生物体外连接形成重组DNA分子后，下一步是将重组DNA分子引入受体细胞中进行扩增。基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。用人工的方法使体外重组的DNA分子转移到受体细胞，主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。导入植物细胞：农杆菌转化法（转基因抗虫棉用的是花粉管通道法）；导入动物细胞：显微注射技术（注射入受精卵中）；如果运载体是质粒，受体细胞是细菌，一般是将细菌用氯化钙处理，以增大细菌细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。目的基因导入受体细胞后，就可以随着受体细胞的繁殖而复制，由于细菌繁殖的速度非常快，在很短的时间内就能够获得大量的目的基因。目的基因的检测和表达：以上步骤完成以后，在全部受体细胞中，真正能够摄入重组DNA 分子的受体细胞是很少的。因此，必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了目的基因进行检测。检测的方法有很多种，1 DNA上检测是否有目的基因（利用DNA分子杂交技术）；2 目的基因是否转录出mRNA（基因探针与mRNA杂交）；3 目的基因是否翻译出蛋白质（利用抗原-抗体杂交）；4 性状水平的检测。例如，大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因，当这种质粒与外源DNA组合在一起形成重组质粒，并被转入受体细胞后，就可以根据受体细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。重组的DNA分子进入受体细胞后，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程。例如，科学家最初做抗虫棉试验时，虽然已经检测出棉的植株中含有抗虫的基因，但让棉铃虫食用棉的叶片时，棉铃虫并没有被杀死，这说明抗虫基因还不能在高等植物中表达。科学家在研究的基础上，又一次对棉植株中的抗虫基因进行了修饰，然后再让棉铃虫食用棉的叶片，结果食用的第二天棉铃虫就中毒死亡了。这说明抗虫基因在棉植株中得到了表达。例如：用基因工程的方法，使大肠杆菌生产出鼠的-珠蛋白。（1）从小鼠中克隆出-珠蛋白基因的编码序列（cDNA）注：鼠是真核生物因此用人工合成的方法来获得目的基因。.（2）将cDNA前接上在大肠杆菌中可以适用的启动子，另外加上抗四环素基因（为了在受体细胞中筛选出含有目的基因的细胞），构建成一个表达载体。（3）将表达载体导入无四环素抗性的大肠杆菌中，然后在含有四环素的培养基上培养大肠杆菌。如果表达载体未进入大肠杆菌中，大肠杆菌会因不含有抗四环素Metoo基因而死掉；如果培养基上长出大肠杆菌菌落，则表明-珠蛋白基因已进入其中。（4）培养进入了-珠蛋白基因的大肠杆菌，收集菌体，破碎后从中提取-珠蛋白。3. 基因工程的应用（1）植物基因工程成果：抗虫转基因植物（抗虫棉是转入Bt毒蛋白基因培育的）抗病转基因植物（病毒外壳蛋白基因、病毒复制酶基因） 抗逆转基因植物（生物的抗性基因） 转基因改良植物（营养价值、实用价值、观赏价值）（2）动物基因工程成果：*提高动物生长速度（外源生长激素基因）。*改善畜产品的品质。*转基因动物生产药物（牛、山羊等动物乳腺生物反应器中表达了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素、-抗胰蛋白酶）。*转基因动物作器官移植的供体（导入调节因子，抑制抗原决定基因表达或除去抗原决定基因培育没有免疫排斥反应的转基因克隆器官）。*基因工程药物（利用转基因工程菌生产细胞因子、抗体、疫苗等）。注：如果工程菌为原核生物，因其没有内质网、高尔基体，所以不能生产糖蛋白类物质。*基因治疗（从根本上治疗遗传病，不能治疗传染病）。4. 蛋白质工程（1）蛋白质工程崛起的缘由：基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质。（2）蛋白质工程的基本原理：它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代的基因工程。基本途径：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）以上是蛋白质工程特有的途径；以下按照基因工程的一般步骤进行。（注意：目的基因只能用人工合成的方法）设计中的困难：如何推测非编码区以及内含子的脱氧核苷酸序列。5. 植物的组织培养（1）克隆的含义：克隆（clone）是指通过无性生殖而产生的遗传上均一的生物群，即具有完全相同的遗传组成的一群细胞或者生物的个体。现在则指个体、细胞、基因等不同水平上的无性增殖物。个体水平：在植物的无性增殖中，植物的发芽、插条等由同一个体通过无性生殖而增长的个体群均被视为克隆。采用组织培养方法可使植物细胞培养发育成完全的个体（愈伤组织），采用这种方法得到的具有相同基因型的个体群，也被称为克隆；在动物的无性增殖中，典型的例子是采用核移植实验方法，把分化细胞的核移植到一个事先去核的蛙卵中，让其发育并得到克隆蛙。克隆动物具有均一遗传性质，在研究环境条件对发育、分化的影响以及药物的检测方面都是重要的实验材料。细胞水平：由一个细胞经过有丝分裂生成的细胞群叫克隆。但如果培养细胞发生转化，则很容易引起染色体变异。基因水平：利用基因重组操作技术，使特定的基因与载体结合，在细菌等宿主中进行增殖，有可能得到均匀的基因群。克隆是重组DNA技术的核心部分。事实上，克隆技术现已被人们用来通过营养方式繁殖病毒等微生物和植物的纯种，从而保证了这些生物基因组的准确连续性。细胞生物的克隆只需要营养培养基，而基因的克隆则需要某种载体复制子、特定的寄主细胞和营养培养基。（2）植物细胞全能性的含义：生物的任何一个细胞都具有发育成完整植株的潜力。原因：细胞中含有本物种全部的遗传信息。（3）植物组织培养的概念：从植物体分离出符合需要的组织.器官或细胞，原生质体等，通过无菌操作，在人工控制条件下进行培养以获得再生的完整植株或生产具有经济价值的其他产品的技术。（4）植物组织培养过程：取外植体（离体的器官、组织、细胞），注意要消毒（可用次氯酸钠、无菌水处理，在超净工作台上操作）；将外植体接种到培养基，并封口（培养基成分：有机物、生长素、细胞分裂素、水、矿质元素、琼脂）；通过脱分化，形成愈伤组织（挑选出没有被污染的）；进行转接到分化培养基上，进行再分化（生长素浓度较高利于生根，细胞分裂素浓度较高利于生芽）；一段时间后诱导出试管苗；移栽到大田。注意：整个过程要进行无菌操作。愈伤组织细胞的特点：排列疏松而无规则，是一种高度液泡化的薄壁细胞。脱分化：由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程。再分化：产生的愈伤组织继续进行培养，又可以重新分化成根、芽等器官。（5）植物体细胞杂交技术：去除细胞壁（用纤维素酶和果胶酶）得到原生质体，诱导原生质体间的融合（方法：离心、振动、电激、聚乙二醇），形成杂种细胞并再生出细胞壁，通过植物组织培养技术得到杂种植株。意义：克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍（通过基因工程技术也可以克服生殖隔离）。（6）植物细胞工程的实际应用：A植物繁殖微型繁殖：可以高效快速地实现种苗的大量繁殖。作物脱毒：采用茎尖组织培养来除去病毒（因为植物分生区附近的病毒极少或没有）。人工种子：以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经人工薄膜包装得到的种子。优点：完全保持优良品种的遗传特性，不受季节的限制；方便储藏和运输。B作物新品种培育单倍体育种：a.过程：植株（AaBb）通过减数分裂得到花粉（AB、Ab、aB、ab四种类型）；对花粉进行花药离体培养（技术是植物组织培养）；得到单倍体植株；对其幼苗时期进行秋水仙素处理；得到了正常的纯合二倍体植株（AABB、AAbb、aaBB、aabb四种类型）。b.优点：明显缩短育种年限。c.突变体利用：在组织培养中会出现突变体，通过从有用的突变体中选育出新品种（如筛选抗病、抗盐、含高蛋白的突变体）。d.细胞产物的生产：通过能够产生对人们有利的产物的细胞进行组织培养，从而让它们能够产生大量的细胞产物。6. 动物的细胞培养与体细胞克隆（1）动物细胞培养的概念：从动物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，让这些细胞生长和增殖。（2）动物细胞培养的基本过程：取出组织剪碎，用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理，使之分散成单个细胞；用培养液（含有糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素、血清、血浆；注意与植物培养基成分的区别）稀释制成细胞悬液，在培养瓶中适宜条件下培养。注意在此过程中的相关概念：细胞贴壁：悬液中分散的细胞帖附在瓶壁上。细胞的接触抑制：细胞分裂生长到表面相互接触时就会停止分裂增殖的现象。（癌细胞无）原代培养：动物组织消化后的初次培养。传代培养：贴满瓶壁的细胞要重新用胰蛋白酶处理，然后分瓶继续培养，让细胞继续增殖。细胞株：原代培养的细胞传至10到50代左右，这种传代细胞叫细胞株（遗传物质未改变）。细胞系：有可能在培养条件下无限制传代下去，这种传代细胞称细胞系（遗传物质已改变）。（3）培养条件：无菌、无毒；有营养（放在培养基中）；温度和pH值（分离细胞用胃蛋白酶为什么不行？）；气体环境（CO2维持培养液pH）。（4）应用：病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体都可以借助动物细胞的大规模培养生产，另外，基因工程也离不开动物细胞的培养（当受体细胞为动物细胞时）。（5）动物细胞核移植的概念：将动物细胞的细胞核移入已去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成一个新的胚胎，最终发育为动物个体。哺乳动物核移植分为胚胎细胞核移植和体细胞核移植。注：动物胚胎细胞分化程度低，恢复其全能性相对容易；而动物体细胞分化程度高，恢复其全能性十分困难。细胞分化程度：体细胞生殖细胞受精卵； 细胞全能性：受精卵生殖细胞体细胞。（6）动物细胞核移植的过程：高产奶牛（提供体细胞）进行细胞培养；同时采集卵母细胞，在体外培养到减二分裂中期的卵母细胞，去核（显微操作）注：为什么要用卵细胞？它可以提供充足的营养；操作简便；细胞质不会抑制细胞核全能性的表达；将供体细胞注入去核卵母细胞；通过电刺激使两细胞融合，供体核进入受体卵母细胞，构建重组胚胎；将胚胎移入受体（代孕）母牛体内；生出与供体奶牛遗传基因相同的犊牛。（7）应用：促进优良畜群繁育；保护濒危物种；可作为生物反应器，生产珍贵医用蛋白；体外培育组织、器官用于组织器官的移植。7. 细胞融合与单克隆抗体（1）动物细胞融合概念：是两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。（2）原理：与植物原生质体融合的基本原理相同；植物原生质体融合的原理：细胞膜的流动性；动物细胞融合的原理：细胞膜的流动性。（3）基本过程：不同DNA的两个细胞进行融合方法：灭活的病毒、PEG、电激等；形成融合细胞；再使之进行有丝分裂后，得到两个完整的杂交细胞。（4）特点：杂交细胞可以具备原先两种细胞的特点，突破了有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能。（5）总结:动物细胞融合与植物细胞融合的异同（6）应用：单克隆抗体的制备。（解决了获得的抗体产量低、纯度低、特异性差的问题）（7）单克隆抗体的制备过程：对免疫小鼠注射特定的抗原蛋白（目的使小鼠产生了效应B细胞）；提取B淋巴细胞；同时用动物细胞培养的方法培养骨髓瘤细胞并提取；促使它们细胞融合注：融合的结果是有很多不符合要求的；如有2个B淋巴细胞融合的细胞等，所以要进行筛选；在特定的选择培养基上筛选出融合的杂种细胞特点是能迅速大量增殖，又能产生专一的抗体；然后对它进行克隆化培养和抗体检测筛选出能够分泌所需抗体的杂种细胞；最后将杂交瘤细胞在体外做大规模培养或注射入小鼠腹腔内增殖，从细胞培养液或小鼠腹水中可得到大量的单克隆抗体。（8）单克隆抗体的优点：特异性强，灵敏度高，并可能大量制备。（9）实际应用：作为诊断试剂，识别各种抗原物质的细微差别；用于治疗疾病和运载药物，用于癌症治疗，可制成生物导弹。8. 动物胚胎发育的基本过程（1）精子的发生：补充，精原细胞先进行有丝分裂后进行减数分裂；变形过程中，细胞核为精子头的主要部分，高尔基体发育为顶体，中心体演变为精子的尾，线粒体在尾基部形成线粒体鞘膜，其他物质浓缩为原生质滴直至脱落。线粒体为精子运动提供能量（2）卵子的发生：在胎儿时期，卵原细胞进行有丝分裂演变成初级卵母细胞被卵泡细胞包围，减一分裂在排卵前后完成，形成次级卵母细胞和第一极体进入输卵管准备受精；减二分裂是在受精过程中完成的。（3）受精：精子获能（在雌性动物生殖道内）；卵子的准备（排出的卵子要在输卵管中进一步成熟到减二中期才具备受精能力）；受精阶段卵子周围的结构由外到内：放射冠、透明带、卵黄膜，a顶体反应：精子释放顶体酶溶解卵丘细胞之间的物质，穿越放射冠。b透明带反应：顶体酶可将透明带溶出孔道，精子穿入，在精子触及卵黄膜的瞬间阻止后来精子进入透明带的生理反应它是防止多精子入卵受精的第一道屏障；c卵黄膜的封闭作用：精子外膜和卵黄膜融合，精子入卵后，卵黄膜会拒绝其他精子再进入卵内的过程它是防止多精子入卵受精的第二道屏障；精子尾部脱落，原有核膜破裂形成雄原核，同时卵子完成减二分裂，形成雌原核注意：受精标志是第二极体的形成；受精完成标志是雌雄原核融合成合子。（4）胚胎发育：a卵裂期：细胞进行有丝分裂，数量增加，胚胎总体积不增加；b桑椹胚：32个细胞左右的胚胎之前所有细胞都能发育成完整胚胎的潜能属全能细胞；c囊胚：细胞开始分化，其中个体较大的细胞叫内细胞团将来发育成胎儿的各种组织；而滋养层细胞将来发育成胎膜和胎盘；胚胎内部逐渐出现囊胚腔注：囊胚的扩大会导致透明带的破裂，胚胎伸展出来，这一过程叫孵化；d原肠胚：内细胞团表层形成外胚层，下方细胞形成内胚层，由内胚层包围的囊腔叫原肠腔。细胞分化在胚胎期达到最大限度9. 胚胎工程的理论基础（1）胚胎工程的概念及技术手段：对动物早期胚胎或配子所进行的多种显微操作和处理技术，如胚胎移植、体外受精、胚胎分割、胚胎干细胞培养等技术。（2）体外受精属有性生殖过程：a卵母细胞的采集和培养对体型小的动物用促性腺激素处理，从输卵管冲取卵子（可直接受精）；对体型大的动物从卵巢中采集卵母细胞（要在体外培养成熟）b精子的采集假阴道法、手握法和电刺激法；获能对啮齿动物、兔、猪等的精子用培养法（放入人工配制的获能液中）；对牛、羊等精子用化学法（放在肝素或钙离子载体溶液中）（3）胚胎的早期培养：a培养液成分：无机盐、有机盐、维生素、激素、氨基酸、核苷酸、血清等注意与动物细胞培养液成分的比较；b当胚胎发育到适宜的阶段时，可将其取出向受体移植或冷冻保存。（4）胚胎移植：a.概念：将雌性动物的早期胚胎移植到同种的、生理状态相同的其他雌性动物的体内，使之继续发育为新个体的技术。是生产胚胎的供体和孕育胚胎的受体共同繁殖后代的过程，通过转基因、核移植、体外受精获得的胚胎必须移植给受体才能获得后代。b.优势：可以充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力，缩短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同期发情处理；早期胚胎形成后处于游离状态，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免疫排斥反应；移入受体的供体胚胎的遗传特性在孕育过程中不受影响。d.胚胎移植的程序：对供、受体母牛进行选择，用激素进行同期发情处理；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有性生殖过程；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桑椹胚或囊胚；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。（5）胚胎分割：a.概念：用机械方法将早期胚胎切割成2、4、8等分等，经移植获得同卵双胎或多胎的技术。可看作是动物无性繁殖或克隆b.基本过程：选择良好的桑椹胚或囊胚移入培养皿中，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：内细胞团要均等分割，否则会影响胚胎的恢复和进一步发育10. 胚胎干细胞的移植（1）胚胎干细胞的含义：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。（2）特征：形态上体积小、细胞核大、核仁明显；功能上具有发育的全能性，即可分化为成年动物体内任何一种组织细胞。体外培养下，ES细胞可以只增殖不分化（3）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。11. 胚胎工程的应用包含胚胎移植、胚胎分割等方面的内容，详见9、10。12. 转基因生物的安全性问题（1）转基因成果：见考点3。（2）对转基因生物安全性的疑问：担心出现滞后效应即过一段时间后才出现不良效应；担心出现新的过敏原；担心营养成分改变等。实质性等同：指在转基因农作物中只要某些重要成分没有发生改变，就可以认为与天然品种“没有差别”，因此不必再进行安全性检测。食品安全可能破坏区域生态平衡；可能成为“入侵的外来物种”威胁生态系统中的其他生物；例如可能重组中对人类或其他生物的病原体；抗除草剂基因可能是杂草成为“超级杂草”。生物安全重组微生物的中间产物可能会造成二次污染；转基因中的某些有毒蛋白或过敏蛋白可能通过食物链进入动物或人体内。