高中生物生物技术重点知识复习提纲

高中生物生物技术重点知识复习提纲一、基因工程（GeneticEngineering）（一）核心概念与理论基础基因工程，亦称基因拼接技术或DNA重组技术。其核心在于按照人们的意愿，将一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。其理论基础主要包括：不同生物的DNA分子结构基本相同（均为双螺旋结构），以及所有生物共用一套遗传密码。（二）基因工程的工具1.限制性核酸内切酶（限制酶）：这类酶主要从原核生物中分离纯化得到，其作用是能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并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。限制酶切割DNA后可能产生黏性末端或平末端。2.DNA连接酶：其功能是将两个具有相同末端的DNA片段连接起来，形成一个完整的DNA分子，恢复被限制酶切开的磷酸二酯键。注意区分DNA聚合酶与DNA连接酶的作用。3.载体（Vector）：*作用：将目的基因送入受体细胞。*必备条件：能够在宿主细胞中复制并稳定保存；具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接；具有某些标记基因，便于进行筛选。*常用载体：质粒（最常用，是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的很小的双链环状DNA分子）、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。（三）基因工程的基本操作程序1.目的基因的获取：*从基因文库中获取。*利用PCR（聚合酶链式反应）技术扩增目的基因。PCR技术的原理是DNA双链复制，过程包括变性、复性（退火）、延伸，需要耐高温的DNA聚合酶（如Taq酶）。*人工合成（适用于基因较小且核苷酸序列已知的情况）。2.基因表达载体的构建（核心步骤）：*组成：目的基因+启动子（RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录）+终止子（使转录停止）+标记基因（用于筛选含有目的基因的受体细胞）+复制原点。*目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。3.将目的基因导入受体细胞：*植物细胞：农杆菌转化法（最常用，利用农杆菌Ti质粒上的T-DNA可转移至受体细胞并整合到受体细胞染色体DNA上的特性）、基因枪法、花粉管通道法。*动物细胞：显微注射法（将目的基因注入受精卵）。*微生物细胞：感受态细胞法（用Ca²⁺处理微生物细胞，使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态）。4.目的基因的检测与鉴定：*分子水平的检测：*检测目的基因是否导入：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）。*检测目的基因是否转录出mRNA：分子杂交技术（用探针与mRNA杂交）。*检测目的基因是否翻译成蛋白质：抗原-抗体杂交技术。*个体水平的鉴定：如抗虫或抗病的接种实验，观察生物体是否表现出相应的性状。（四）基因工程的应用与发展前景1.应用：*农业：培育抗虫、抗病、抗逆转基因植物，改良植物品质（如金大米）。*医药：生产基因工程药物（如胰岛素、干扰素、乙肝疫苗等），开展基因治疗（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）。*环境保护：环境监测（用基因探针检测环境中的有害物质），净化污染（培育“超级细菌”分解石油等）。2.发展前景：基因芯片、基因编辑（如CRISPR-Cas9技术）等新技术的发展为基因工程带来了更广阔的前景，但也伴随伦理、安全等问题。二、细胞工程（CellEngineering）（一）植物细胞工程1.植物组织培养技术：*原理：植物细胞的全能性（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）。*过程：离体的植物器官、组织或细胞（外植体）→（脱分化）愈伤组织（排列疏松、无规则、高度液泡化的薄壁细胞）→（再分化）根或芽等器官→完整植株。*条件：无菌操作、适宜的营养（含大量元素、微量元素、有机物、植物激素等）、适宜的温度、pH、光照等。*应用：微型繁殖（快速繁殖优良品种，保持遗传特性一致）、作物脱毒（利用茎尖等分生区组织培养获得无病毒植株）、人工种子（将胚状体等用人工薄膜包装而成）、单倍体育种（花药离体培养获得单倍体植株，再用秋水仙素处理使染色体加倍，可明显缩短育种年限）、突变体的利用（在组织培养过程中筛选突变体）、细胞产物的工厂化生产（如生产紫草素、紫杉醇等）。2.植物体细胞杂交技术：*概念：将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。*原理：细胞膜的流动性（原生质体融合）和细胞的全能性（杂种细胞培养成植株）。*过程：去除细胞壁（用纤维素酶和果胶酶处理，获得原生质体）→诱导原生质体融合（物理法：离心、振动、电激；化学法：聚乙二醇PEG）→杂种细胞的筛选与培养→杂种植株的再生与鉴定。*意义：克服了远缘杂交不亲和的障碍，打破了生殖隔离。（二）动物细胞工程1.动物细胞培养技术（基础技术）：*概念：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，让这些细胞生长和增殖。*过程：取动物组织块→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→原代培养（具有贴壁生长和接触抑制的特点）→传代培养（一般传至10-50代左右，部分细胞可能发生遗传物质改变，获得不死性）。*条件：无菌、无毒的环境（培养液和培养用具需灭菌，定期更换培养液以清除代谢废物）；营养（糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等，通常还需加入血清、血浆等天然成分）；适宜的温度（36.5±0.5℃）和pH（7.2-7.4）；气体环境（95%空气加5%CO₂，CO₂用于维持培养液的pH）。*应用：生物制品的生产（如疫苗、干扰素、单克隆抗体）、检测有毒物质、医学研究（如研究细胞生理、病理过程）。2.动物细胞核移植技术（克隆技术）：*概念：将动物的一个细胞的细胞核，移入一个已经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，这个新的胚胎最终发育为动物个体。用核移植方法得到的动物称为克隆动物。*原理：动物细胞核的全能性。*过程：供体细胞的采集和培养（通常选用传代10代以内的细胞，以保持正常的二倍体核型）→去核卵母细胞的准备（选择减数第二次分裂中期的卵母细胞）→细胞核移植（显微操作）→重组细胞的激活与培养→胚胎移植（将早期胚胎移植到代孕母体子宫内）→克隆动物出生。*应用前景：加速家畜遗传改良进程、保护濒危物种、生产医用蛋白、作为异种移植的供体、用于组织器官的移植等。存在问题：成功率低、克隆动物健康问题等。3.动物细胞融合（细胞杂交）：*概念：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。*原理：细胞膜的流动性。*诱导方法：物理法（离心、振动、电激）、化学法（PEG）、生物法（灭活的病毒，如灭活的仙台病毒）。*应用：最重要的应用是制备单克隆抗体。4.单克隆抗体的制备：*传统方法缺陷：从动物血清中提取的抗体产量低、纯度低、特异性差。*单克隆抗体优点：特异性强、灵敏度高、可大量制备。*过程：将已免疫的B淋巴细胞（能产生特异性抗体，但不能无限增殖）与骨髓瘤细胞（能无限增殖，但不能产生抗体）融合→用特定的选择培养基筛选出杂交瘤细胞（既能无限增殖又能产生专一抗体）→克隆化培养和抗体检测（筛选出能产生所需特异性抗体的杂交瘤细胞）→体外培养或注射到小鼠腹腔内增殖→提取单克隆抗体。*应用：作为诊断试剂（准确识别各种抗原物质的细微差异）、用于治疗疾病和运载药物（如“生物导弹”：将药物与单克隆抗体连接，定向带到癌细胞所在位置）。三、胚胎工程（EmbryoEngineering）（一）精子和卵子的发生1.精子的发生：场所是睾丸的曲细精管，时期是从初情期开始直到生殖机能衰退。过程包括精原细胞的增殖、减数分裂（形成精细胞）和变形（细胞核变为精子头的主要部分，高尔基体发育为顶体，中心体演变为尾，线粒体聚集在尾的基部形成线粒体鞘，细胞内的其他物质浓缩为原生质滴）。2.卵子的发生：场所是卵巢，时期是胎儿期（性别分化后开始减数第一次分裂，形成初级卵母细胞，被卵泡细胞包围形成卵泡；减数第一次分裂在排卵前后完成，形成次级卵母细胞和第一极体；减数第二次分裂在受精过程中完成，形成卵细胞和第二极体）。（二）受精1.场所：输卵管。2.过程：*精子获能：精子必须在雌性动物的生殖道内发生相应的生理变化后，才能获得受精能力。*卵子的准备：卵子在输卵管内达到减数第二次分裂中期时，才具备受精能力。*受精阶段：包括顶体反应（精子释放顶体酶溶解卵丘细胞之间的物质和透明带）、透明带反应（防止多精入卵的第一道屏障）、卵细胞膜反应（防止多精入卵的第二道屏障）、雌雄原核形成与融合。（三）胚胎发育1.过程：受精卵→卵裂期（细胞分裂方式为有丝分裂，细胞数量增加，胚胎总体积不增加或略有缩小）→桑椹胚（细胞数目约32个，属于全能细胞）→囊胚（细胞开始分化，内细胞团将来发育成胎儿的各种组织，滋养层细胞将来发育成胎膜和胎盘，囊胚腔）→原肠胚（出现内、中、外三个胚层和原肠腔）。（四）胚胎工程的应用及前景1.体外受精和早期胚胎培养：*体外受精：主要包括卵母细胞的采集（对实验动物常用促性腺激素处理使其超数排卵；对大型动物可从已屠宰母畜的卵巢中采集或直接从活体卵巢中吸取）、精子的采集和获能、受精。*早期胚胎培养：将受精卵移入发育培养液中继续培养，以检查受精状况和受精卵的发育能力，发育到适宜阶段（如桑椹胚或囊胚）可进行胚胎移植。2.胚胎移植（胚胎工程的最后一道“工序”）：*概念：将雌性动物的早期胚胎，或者通过体外受精及其他方式得到的胚胎，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。*生理学基础：*供、受体生殖器官的生理变化相同，为胚胎提供相同的生理环境。*早期胚胎在一定时间内处于游离状态，为胚胎收集提供可能。*受体对移入子宫的外来胚胎基本不发生免疫排斥反应，为胚胎存活提供可能。*供体胚胎可与受体子宫建立正常的生理和组织联系，但供体胚胎的遗传特性不受影响。*基本程序：对供、受体的选择和处理（供体超数排卵，受体同期发情处理）→配种或人工授精→胚胎的收集（冲卵）、检查、培养或保存→胚胎移植（手术法或非手术法）→移植后的检查。*意义：充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力。3.胚胎分割：*概念：采用机械方法将早期胚胎切割成2等份、4等份或8等份等，经移植获得同卵双胎或多胎的技术。*材料：发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚。*注意事项：对囊胚阶段的胚胎分割时，要将内细胞团均等分割，否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。*特点：后代具有相同的遗传物质，属于无性繁殖或克隆。4.胚胎干细胞（ES或EK细胞）：*来源：早期胚胎（囊胚的内细胞团）或原始性腺。*特点：体积小、细胞核大、核仁明显；具有发育的全能性，可分化为成年动物体内任何一种组织细胞；在体外培养条件下可增殖而不分化，可进行冷冻保存，也可进行遗传改造。*应用前景：治疗人类的某些顽症（如帕金森综合征、少年糖尿病等）、培育人造组织器官、研究体外细胞分化等。四、生物技术的安全性和伦理问题（一）转基因生物的安全性1.食物安全：可能存在滞后效应、过敏原问题、营养成分改变等争议。2.生物安全：可能造成基因污染，影响生物多样性。3.环境安全：可能影响生态系统的稳定性。*理性看待：应趋利避害，不能因噎废食。建立相应的法规，如我国制定的《基因工程安全管理办法》。（二）克隆人的伦理问题1.反对观点：克隆人严重违反人类伦理道德；冲击现有的婚姻、家庭和两性关系等传统伦理观念；克隆人是在人为地制造在心理上和社会地位上都不健全的人等。2.支持观点：克隆人技术可以帮助不孕夫妇拥有自己的孩子；可以利用克隆技术生产胚胎干细胞，用于治疗人类疾病等。*中国政府态度：禁止生殖性克隆人，不反对治疗性克隆。（三）设计试管婴儿的伦理争议1.概念：与试管婴儿技术类似，但在胚胎移植前，需对胚胎进行遗传学诊断，以筛选出符合特定要求的胚胎。2.争议焦点：把试管婴儿当作人体零配件工厂，是对生命的不尊重；早期的生命也有活下去的权利，抛弃或杀死多余胚胎无异于“谋杀”。支持者认为：符合伦理道德，是救治患者的最好、最快捷的方法之一；提供骨髓中造血干细胞并不会对试管婴儿造成损伤。（四）基因检测的伦理问题1.基因检测的优点：通过基因检测可以及早采取预防措施，适时进行治疗，达到挽救患者生命的目的。2.问题与争议：*基因歧视（如个人基因信息被泄露后，可能在就业、婚姻、保险等方面受到不公平待遇）。*可能会引发心理问题（如得知自己携带致病基因）。*基因检测结果本身的准确性和解读的科学性问题。五、发酵工程（传统生物技术与现代生物技术的结合）（一）基本概念与流程发酵工程是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术手段规模化生产对人类有