高中生物选择性必修三 生物技术与工程 一轮复习知识清单

高中生物选择性必修三生物技术与工程一轮复习知识清单一、发酵工程（一）传统发酵技术发酵是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程。传统发酵技术则直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次发酵保存下来的发酵物中的微生物进行发酵、制作食品的技术【【重要】】【基础概念】。其特点是以混合菌种的固体发酵和半固体发酵为主，多为家庭式或作坊式生产。果酒制作以酵母菌为核心菌种，酵母菌为真核生物，代谢类型属异养兼性厌氧型，主要繁殖方式为出芽生殖。在自然界中，酵母菌广泛分布于葡萄等水果表皮。制作原理为：在有氧条件下，酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，反应式为C₆H₁₂O₆+6O₂+6H₂O→6CO₂+12H₂O+能量；在无氧条件下，进行酒精发酵，反应式为C₆H₁₂O₆→2C₂H₅OH+2CO₂+能量。酒精发酵的适宜温度一般控制在18~30℃【【高频考点】】。发酵液呈现深红色是由于红葡萄皮的色素进入发酵液所致。在缺氧、呈酸性的发酵液中，酵母菌可以生长繁殖，而绝大多数其他微生物因无法适应这一环境而受到抑制，从而保证果酒品质。酒精的检验可采用酸性条件下的重铬酸钾溶液，颜色变化为由橙色变为灰绿色【【难点】】。果醋制作以醋酸菌为主要菌种，醋酸菌为原核生物，代谢类型属异养需氧型，生殖方式为二分裂。菌种可来源于空气中的野生型醋酸菌。制作原理包括两种情况：当氧气、糖源都充足时，醋酸菌将葡萄汁中的糖分解成醋酸，反应式为C₆H₁₂O₆+2O₂→2CH₃COOH+2CO₂+2H₂O+能量；当缺少糖源时，醋酸菌则将乙醇转化为乙醛，再将乙醛变为醋酸，反应式为C₂H₅OH+O₂→CH₃COOH+H₂O+能量【【高频考点】】。醋酸发酵的适宜温度控制在30~35℃。变酸的酒表面观察到的菌膜是醋酸菌在液面大量繁殖而形成的。泡菜制作利用乳酸菌进行发酵，乳酸菌为原核生物，代谢类型属异养厌氧型。乳酸菌主要来源于植物体表面。制作原理是在无氧条件下，乳酸菌将葡萄糖分解为乳酸，反应式为C₆H₁₂O₆→2C₃H₆O₃+能量【【高频考点】】。盐水的配制一般用清水和食盐配制质量百分比为5%~20%的盐水，盐水需煮沸冷却后使用，煮沸的目的是杀灭盐水中的微生物并去除水中溶解氧，冷却则是为了防止高温杀死菜料表面的乳酸菌【【重要】】【操作要点】。盐水浓度需适宜，过高会抑制乳酸菌生长繁殖，过低则易导致杂菌繁殖并使亚硝酸盐含量增加。蔬菜装坛需装至八成满，原因在于防止发酵初期酵母菌、大肠杆菌等产生CO₂导致发酵液溢出坛外，同时也防止因装太满使盐水未完全淹没菜料而导致菜料腐烂变质。盐水需没过全部菜料以提供无氧环境并抑制其他微生物生长。可加少许陈泡菜水以增加乳酸菌含量，使其在短时间内形成菌种优势。泡菜制作过程中亚硝酸盐的含量变化为先上升后下降，一般在腌制10天后含量开始下降。影响亚硝酸盐含量的因素包括腌制方法、时间长短、温度高低等【【难点】【易错点】】。腐乳制作中起主要作用的是毛霉，毛霉为真核生物。制作原理是毛霉等微生物产生的蛋白酶能将豆腐中的蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸，脂肪酶可将脂肪水解为甘油和脂肪酸。含水量为70%左右的豆腐适于制作腐乳。腐乳外部的“皮”是前期发酵时在豆腐表面生长的菌丝。（二）微生物的培养技术及应用培养基是按照微生物对营养物质的不同需求配制而成的营养基质。各种培养基一般都含有水、碳源、氮源和无机盐等营养物质，此外还需满足微生物生长对pH、特殊营养物质以及氧气的要求【【基础概念】】。牛肉膏可为微生物提供碳源、磷酸盐和维生素等，蛋白胨提供氮源和维生素等。根据物理性质，培养基可分为液体培养基和固体培养基，固体培养基需加入凝固剂琼脂。根据用途，培养基可分为选择培养基和鉴别培养基：选择培养基允许特定种类微生物生长同时抑制或阻止其他种类微生物生长；鉴别培养基则通过加入指示剂或化学药品来区分不同类别的微生物【【重要】】。获得纯净培养物的关键是防止杂菌污染，无菌技术是实现这一目标的手段。消毒是指杀死物体表面或内部一部分微生物，方法包括煮沸消毒法、巴氏消毒法、化学药剂消毒法、紫外线消毒法等。灭菌则是指杀死物体内外所有的微生物，包括芽孢和孢子，方法包括灼烧灭菌法、干热灭菌法、湿热灭菌法（如高压蒸汽灭菌）【【高频考点】】【操作要点】。接种环、接种针、涂布器等金属用具通常采用灼烧灭菌；玻璃器皿、金属用具等采用干热灭菌；培养基、无菌水等采用高压蒸汽灭菌。微生物的纯培养是指由单一个体繁殖所获得的微生物群体称为纯培养物，获得纯培养物的过程即为纯培养。纯培养步骤包括配制培养基、灭菌、倒平板、接种、分离、培养等【【基础概念】】。倒平板操作需在培养基冷却至50℃左右时进行，锥形瓶口需通过火焰灼烧灭菌以防止瓶口微生物污染培养基。平板冷凝后需倒置，既可避免培养基表面水分过快挥发，又可防止皿盖上的水珠落入培养基造成污染【【重要】】。微生物接种方法主要包括平板划线法和稀释涂布平板法。平板划线法是通过接种环在琼脂固体培养基表面连续划线，将聚集的菌种逐步稀释分散到培养基表面，经培养后可获得由单个细胞繁殖而来的菌落。稀释涂布平板法则是将菌液进行系列梯度稀释后，将不同稀释度的菌液涂布到培养基表面。两种方法的目的均是使聚集在一起的微生物分散成单个细胞，以便获得纯培养物【【高频考点】】【操作要点】。平板划线操作中，第一次划线前灼烧接种环是为了杀死接种环上原有微生物避免污染培养物；每次划线前灼烧是为了杀死上次划线后残留的菌种，使下一次划线菌种直接来源于上次划线末端；划线结束后灼烧是为了杀死残留菌种，避免污染环境和感染操作者。灼烧后需冷却再进行划线，以免温度太高杀死菌种。微生物的选择培养是利用选择培养基实现特定微生物的分离。例如分离分解尿素的细菌，需配制以尿素为唯一氮源的选择培养基，此类细菌能合成脲酶催化尿素分解产生NH₃作为氮源【【重要】】。稀释涂布平板法可用于分离和计数：将土壤样品进行系列稀释后涂布于选择培养基上，培养后统计菌落数。计数时一般选择菌落数为30~300的平板进行计数。该方法统计的菌落数往往比活菌的实际数目少，原因是当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落【【难点】【易错点】】。显微镜直接计数法利用血细胞计数板或细菌计数板在显微镜下直接计数，但无法区分死菌与活菌。（三）发酵工程及其应用发酵工程的一般环节包括菌种的选育、扩大培养、培养基的配制、灭菌、接种、发酵罐内发酵、分离提纯产物等【【基础概念】】。优良菌种可从自然界中筛选，也可通过诱变育种或基因工程育种获得。扩大培养是因为工业发酵罐体积大，需要接入较大体积的菌种。培养基和发酵设备必须经过严格灭菌，防止杂菌污染导致产量下降。发酵过程中需随时检测微生物数量、产物浓度等，并严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件。如果发酵产品是微生物细胞本身，可采用过滤、沉淀等方法分离菌体；如果产品是代谢物，则需根据产物性质采取适当的提取、分离和纯化措施。发酵工程具有产物专一、生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、废弃物对环境污染小且易处理等特点【【重要】】。二、细胞工程（一）植物细胞工程植物细胞工程包括植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术。植物组织培养的原理是植物细胞具有全能性，即已分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能【【基础概念】】。表现全能性的条件包括：离体的器官、组织或细胞；适宜的营养成分（种类齐全、比例合适的营养物质及植物激素）；无菌条件；适宜的光照（愈伤组织培养初期避光培养，后期照光培养）【【重要】】。生长素和细胞分裂素的比值影响分化方向：比值高时有利于根的分化，抑制芽的形成；比值低时有利于芽的分化，抑制根的形成；比值适中时促进愈伤组织形成【【高频考点】】。植物体细胞杂交技术是将不同种植物的体细胞在一定条件下融合成杂种细胞，并利用植物组织培养技术培育成杂种植物的方法。过程包括：用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁获得原生质体；通过物理法（电融合）或化学法（聚乙二醇诱导）诱导原生质体融合；杂种细胞再生出细胞壁；通过植物组织培养获得杂种植株【【高频考点】】。该技术的意义在于克服远缘杂交不亲和的障碍。（二）动物细胞工程动物细胞培养是动物细胞工程的基础。动物细胞培养过程中存在细胞贴壁现象，即悬液中分散的细胞会贴附在瓶壁上。当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞会停止分裂增殖，这种现象称为接触抑制【【基础概念】】。原代培养是指动物组织经处理后的初次培养，细胞核型一般正常；传代培养则是指将原代培养的细胞经胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理后分瓶继续培养的过程【【重要】】。培养环境中需控制气体条件（通常为95%空气加5%CO₂的混合气体），CO₂的作用是维持培养液的pH。限制培养瓶中细胞分裂的因素包括细胞密度过大、有害代谢废物积累、营养物质缺乏以及接触抑制等。动物细胞融合技术是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的技术。杂交瘤技术与单克隆抗体的制备是动物细胞融合的重要应用。制备过程为：将抗原免疫小鼠，从小鼠脾脏中获得能产生特定抗体的B淋巴细胞；将B淋巴细胞与骨髓瘤细胞在聚乙二醇或灭活病毒等诱导下融合；用特定的选择性培养基筛选杂交瘤细胞（该培养基可未融合的亲本细胞和同型融合细胞）；对杂交瘤细胞进行克隆化培养和抗体检测，筛选出能产生特定抗体的杂交瘤细胞；将阳性杂交瘤细胞在体外大规模培养或注射到小鼠腹腔内增殖，最终从细胞培养液或小鼠腹水中获得单克隆抗体【【高频考点】】【难点】。单克隆抗体具有灵敏度高、特异性强、可大量制备的优点，可用于运载药物、治疗疾病等。动物体细胞核移植技术是将动物体细胞的细胞核移入去核的卵母细胞中，使其重组并发育成新个体的技术。该技术的原理是动物体细胞核具有全能性【【基础概念】】。涉及的技术包括动物细胞培养、动物细胞融合、早期胚胎培养、胚胎移植等。生殖性克隆是指通过克隆技术产生独立生存的新个体；治疗性克隆是指利用克隆技术产生特定的细胞、组织和器官用于修复或替代受损的细胞、组织和器官，以达到治疗疾病的目的【【重要】】。（三）胚胎工程胚胎工程包括体外受精、胚胎移植、胚胎分割等技术。体外受精需将卵母细胞培养至减数第二次分裂中期（MⅡ期），对精子进行获能处理，然后使其在体外完成受精过程。胚胎移植是指将通过体外受精或其他方式获得的胚胎，移植到同种的、生理状态相同的雌性动物体内，使之继续发育为新个体的技术。该技术的实质是早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移，其意义在于充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力【【重要】】。胚胎分割可选择桑椹胚或囊胚时期的胚胎进行分割，若为囊胚，需注意将内细胞团均等分割，以保证分割后胚胎的恢复和进一步发育【【难点】【操作要点】】。三、基因工程（一）重组DNA技术的基本工具基因工程的核心是重组DNA技术，其基本工具包括限制性内切核酸酶（限制酶）、DNA连接酶和载体。限制酶主要从原核生物中分离纯化，能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并在识别序列的内部或两侧切割DNA分子的磷酸二酯键，形成黏性末端或平末端【【基础概念】】。限制酶不切割自身DNA的原因在于原核生物DNA分子中不存在该酶的识别序列，或其识别序列已被甲基化修饰。DNA连接酶的作用是连接两个DNA片段，催化形成磷酸二酯键。与DNA聚合酶不同，DNA连接酶不需要模板，连接的是两个DNA片段而非单个核苷酸。常用的DNA连接酶包括从大肠杆菌中分离的E·coliDNA连接酶和从T4噬菌体中分离的T4DNA连接酶【【重要】】。载体是将外源基因导入受体细胞的运载工具。质粒是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外，具有自我能力的环状双链DNA分子。作为载体需具备的条件包括：能在受体细胞中稳定保存并自我；具有一个至多个限制酶切割位点，以便外源DNA插入；具有标记基因（如抗生素抗性基因），便于重组DNA分子的筛选；对受体细胞无害【【高频考点】】。除质粒外，噬菌体、动植物病毒等也可作为载体。（二）基因工程的基本操作程序基因工程的基本操作程序包括四个步骤：目的基因的获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定【【基础概念】】。目的基因的获取方法包括：从基因文库中获取；利用PCR技术扩增；通过化学方法人工合成。PCR技术（聚合酶链式反应）是一种在体外大量扩增特定DNA片段的分子生物学技术，其原理是DNA半保留【【高频考点】】。PCR反应体系一般包含DNA模板、引物、耐高温的DNA聚合酶（Taq酶）、四种脱氧核苷酸。基本过程包括变性（90℃以上，双链DNA解旋为单链）、复性（50℃左右，引物与单链DNA模板结合）、延伸（72℃左右，Taq酶从引物起始合成互补链）三个步骤的重复循环。基因表达载体的构建是基因工程的核心步骤。一个完整的基因表达载体应包括目的基因、启动子、终止子和标记基因等组成部分【【重要】】。启动子位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA；终止子位于基因的尾端，使转录在所需位置停止；标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因。构建过程为：用同种限制酶切割目的基因和载体，露出相同黏性末端；用DNA连接酶将目的基因与载体连接成重组DNA分子。将目的基因导入受体细胞的方法因受体细胞不同而异。导入植物细胞常用农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法等；导入动物细胞常用显微注射法；导入微生物细胞常用感受态细胞法（用钙离子处理细胞，增加细胞壁通透性）【【高频考点】】。目的基因的检测与鉴定需从分子水平和个体水平进行。分子水平检测包括：通过DNA分子杂交技术检测目的基因是否导入；通过核酸分子杂交或PCR技术检测目的基因是否转录出mRNA；通过抗原—抗体杂交技术检测目的基因是否翻译出蛋白质【【重要】】。个体水平鉴定则需观察转基因生物是否表现出目标性状。（三）基因工程的应用与蛋白质工程基因工程在农业、医药、工业等领域应用广泛。例如，利用转基因技术培育抗虫、抗病、抗逆的作物品种；使外源基因在微生物或动物乳腺中高效表达，生产生长激素、干扰素、胰岛素等药物；利用转基因动物作为生物反应器生产稀有蛋白等【【重要】】。蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和