高中生物选修三知识点总结

高中生物选修三知识点总结一、基因工程（GeneticEngineering）基因工程，又称基因拼接技术或DNA重组技术，其核心在于按照人们的意愿，把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。（一）基因工程的基本工具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而来。它们能够识别双链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。限制酶的作用特点是特异性切割，即“分子手术刀”。切割后产生的DNA片段末端通常有两种形式：黏性末端和平末端。2.DNA连接酶：能够将两个双链DNA片段连接起来，恢复被限制酶切开的磷酸二酯键，从而形成一个完整的DNA分子，被誉为“分子缝合针”。常用的DNA连接酶有E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶，它们在作用底物和连接效率上略有差异。3.载体（Vector）：要将目的基因导入受体细胞，需要借助载体。载体必须具备以下条件：能够在宿主细胞中稳定存在并自我复制；具有一个或多个限制酶切点，以便与外源基因连接；具有某些标记基因，便于进行筛选。常用的载体有质粒（细菌中独立于拟核DNA的小型环状DNA分子）、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。（二）基因工程的基本操作程序1.目的基因的获取：目的基因主要是指编码蛋白质的结构基因。获取方法多样，包括从基因文库中获取（基因组文库、cDNA文库）、利用PCR技术扩增目的基因（前提是已知目的基因的部分核苷酸序列，该技术能在体外快速大量复制特定DNA片段），以及如果基因比较小且核苷酸序列已知，也可以通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成。2.基因表达载体的构建：这是基因工程的核心步骤。一个基因表达载体的组成通常包括目的基因、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）、终止子（位于基因的尾端，使转录停止）、标记基因（用于鉴定受体细胞是否含有目的基因，如抗生素抗性基因）等。构建过程中需用同一种限制酶切割载体和目的基因，再用DNA连接酶连接。3.将目的基因导入受体细胞：*植物细胞：常用农杆菌转化法（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上的特点），此外还有基因枪法和花粉管通道法等。*动物细胞：最常用的方法是显微注射技术，将基因表达载体提纯后注入受精卵。*微生物细胞：常用感受态细胞法，即用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（感受态）。4.目的基因的检测与鉴定：这一步骤至关重要，以确保目的基因能在受体细胞中稳定遗传和表达。*分子水平的检测：首先检测目的基因是否导入，可采用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）；其次检测目的基因是否转录出mRNA，可采用分子杂交技术（探针与mRNA杂交）；最后检测目的基因是否翻译成蛋白质，可采用抗原-抗体杂交技术。*个体水平的鉴定：如抗虫或抗病的接种实验，观察转基因生物是否表现出相应的抗性性状。（三）基因工程的应用基因工程在农业上可培育抗虫、抗病、抗逆转基因植物，以及改良植物品质（如黄金大米）；在医药领域，可用于生产基因工程药物（如人胰岛素、干扰素、乙肝疫苗等）和进行基因治疗（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，分为体外基因治疗和体内基因治疗）。二、细胞工程（CellEngineering）细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞水平或细胞器水平上的操作，按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。根据操作对象的不同，可分为植物细胞工程和动物细胞工程。（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）经过脱分化形成愈伤组织（一团排列疏松而无规则、高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞），愈伤组织再经过再分化形成根或芽等器官，进而发育成完整的植株。*条件：无菌操作、适宜的营养（包括大量元素、微量元素、有机物如蔗糖、维生素、氨基酸等）、适宜的植物激素（生长素和细胞分裂素的比例调控脱分化和再分化的方向）、适宜的温度、pH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（将胚状体等包埋在人工种皮中制成，可解决某些植物繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题）、单倍体育种（通过花药离体培养获得单倍体植株，再用秋水仙素处理使其染色体加倍，可明显缩短育种年限）、突变体的利用（在组织培养过程中，培养细胞可能发生突变，从中筛选出对人们有用的突变体）、细胞产物的工厂化生产（如生产药物、香料、色素等）。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（原生质体融合的基础）和细胞的全能性（杂种细胞培育成杂种植株的基础）。*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（物理方法如离心、振动、电激；化学方法如聚乙二醇PEG诱导）→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，扩大了杂交亲本的组合范围。（二）动物细胞工程动物细胞工程常用的技术手段有动物细胞培养、动物细胞核移植、动物细胞融合、生产单克隆抗体等，其中动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础。1.动物细胞培养：*过程：取动物胚胎或幼龄动物的组织、器官→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（从机体取出后立即进行的细胞培养）→贴满瓶壁的细胞用胰蛋白酶处理后分瓶继续培养，进入传代培养。传代培养至一定代数后，细胞会出现接触抑制现象，且大多数细胞会逐渐衰老死亡，但少数细胞可克服寿命的自然极限，获得不死性，朝着等同于癌细胞的方向发展。*条件：无菌、无毒的环境（培养液需灭菌，加入抗生素，定期更换培养液以清除代谢废物）；营养（除基本的无机盐、糖、氨基酸等外，还需加入血清、血浆等天然成分）；适宜的温度和pH；气体环境（95%空气加5%CO₂，CO₂的作用是维持培养液的pH）。*应用：生产生物制品（如疫苗、干扰素）、检测有毒物质、用于医学研究（如研究细胞生理、病理过程，筛选药物等）。2.动物体细胞核移植技术（克隆技术）：*概念：将动物的一个体细胞的细胞核，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：动物体细胞核的全能性（已分化的动物体细胞的细胞核仍具有发育成完整个体的潜能）。*过程：（以体细胞核移植为例）供体细胞的采集和培养→卵母细胞的采集和培养并去核→供体细胞核注入去核卵母细胞→重组细胞的激活与培养→胚胎移植到代孕母体子宫内→克隆动物出生。*应用：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。同时，该技术也存在成功率低、克隆动物健康问题等挑战。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，这是动物细胞融合特有的诱导方法）。*应用：最重要的用途是制备单克隆抗体。4.单克隆抗体：*传统方法的缺陷：从动物血清中提取的抗体，产量低、纯度低、特异性差。*单克隆抗体的制备过程：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）在灭活的病毒或PEG诱导下融合→筛选出既能迅速大量繁殖又能产生专一抗体的杂交瘤细胞（通过特定的选择性培养基）→对杂交瘤细胞进行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→可在体外大规模培养或注射到小鼠腹腔内增殖，从培养液或小鼠腹水中提取单克隆抗体。*单克隆抗体的特点：特异性强、灵敏度高、可大量制备。*应用：作为诊断试剂（准确识别各种抗原物质的细微差异，并跟一定抗原发生特异性结合，具有准确、高效、简易、快速的优点）、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，利用抗体的导向作用，将药物带到癌细胞所在位置，在原位杀死癌细胞，既疗效高又副作用小）。三、胚胎工程（EmbryoEngineering）胚胎工程是指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，如体外受精、胚胎移植、胚胎分割、胚胎干细胞培养等技术。这些技术进一步挖掘了动物的繁殖潜力，为优良畜群的繁育提供了有效手段。（一）体内受精和早期胚胎发育1.精子的发生：场所是睾丸的曲细精管，从初情期开始，经过精原细胞的增殖、精母细胞的减数分裂（减数第一次分裂和减数第二次分裂），最终形成精子。精子变形过程中，细胞核变为精子头的主要部分，高尔基体发育为顶体，中心体演变为精子的尾，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：场所是卵巢和输卵管。胎儿期性别分化后，卵原细胞开始有丝分裂并演变为初级卵母细胞，被卵泡细胞包围形成卵泡。减数第一次分裂是在雌性动物排卵前后完成的，产生一个次级卵母细胞和第一极体。减数第二次分裂是在精子和卵子结合的过程中完成的，产生一个成熟的卵子和第二极体。判断卵子是否受精的重要标志是在卵细胞膜和透明带的间隙可以观察到两个极体。3.受精：场所是输卵管。过程包括精子获能（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（次级卵母细胞达到减数第二次分裂中期时，才具备受精能力）、顶体反应（精子顶体释放酶，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）、雌雄原核形成并融合，标志着受精作用的完成。4.早期胚胎发育：受精卵不断进行有丝分裂，经历桑椹胚（细胞数目约32个，形似桑椹，这一阶段的细胞仍具有全能性）、囊胚（细胞开始出现分化，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，囊胚腔是囊胚时期出现的空腔）、原肠胚（出现内、中、外三个胚层的分化，以及原肠腔）等阶段。（二）胚胎工程的应用及前景1.体外受精：主要包括卵母细胞的采集（对实验动物如小鼠、兔等，可超数排卵后从输卵管中冲取；对大家畜或大型动物，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（在获能溶液或专用的受精溶液中完成受精过程）。体外受精技术为试管婴儿和家畜改良提供了技术支持。2.胚胎移植：这是胚胎工程其他技术的最后一道“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。提供胚胎的个体称为供体，接受胚胎的个体称为受体。*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（为胚胎移入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（为胚胎的收集提供可能）；受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应（为胚胎在受体内的存活提供可能）；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在孕育过程中不受影响。*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、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，缩短繁殖周期，增加一生繁殖的后代数量。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。来自同一胚胎的后代具有相同的遗传物质，因此胚胎分割可看作动物无性繁殖或克隆的方法之一。*材料：发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚。对囊胚阶段的胚胎进行分割时，要注意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。*操作过程：用分割针或分割刀将胚胎切开，吸出其中的半个胚胎，注入预先准备好的空透明带中，或直接将裸半胚移植入受体。4.胚胎干细胞（ES或EK细胞）：*来源：由早期胚胎（如囊胚的内细胞团）或原始性腺中分离出来的一类细胞。*特点：在形态上，表现为体积小、细胞核大、核仁明显；在功能上，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，可以增殖而不发生分化，可进行冷冻保存，也可进行遗传改造。*应用前景：用于治疗人类的某些顽症（如帕金森综合征、少年糖尿病等，利用ES细胞诱导分化形成特定的组织细胞进行移植）；培育人造组织器官，解决供体器官不足和器官移植后免疫排斥的问题；研究体外细胞分化的理想材料；用于对哺乳动物个体发生和发育规律的研究等。四、生物技术的安全性和伦理问题随着生物技术的迅猛发展，其在带来巨大福祉的同时，也引发了一系列安全性和伦理方面的争论。1.转基因生物的安全性：主要包括食物安全（如“实质性等同”原则的探讨，担心出现滞后效应、新的过敏原、营养成