高中生物选修课三个知识点总结

基因工程的概念

基因工程是指根据人的意愿进行严格设计，通过体外DNA重组和转基因技术赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人需求的新的生物类型和生物产品。基因工程是在DNA分子水平上设计和构建的，也称为DNA重组技术。

(一)基因工程的基本工具

1.“分子手术刀”——限制性核酸内切酶(限制性内切酶)

(1)来源:主要从原核生物中分离纯化。

(2)功能:能识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，断裂每条链特定部位两个核苷酸之间的磷酸二酯键，因此具有特异性。

(3)结果:限制性内切酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式:粘端和平端。

2.“分子缝合针”——DNA连接酶

(1)两条DNA连接酶(e？大肠DNA连接酶和T4-DNA连接酶)；

①相似性:均为磷酸二酯键缝合。

2区别:e？大肠杆菌DNA连接酶来源于T4噬菌体，它只能连接双链DNA片段的互补粘性末端之间的磷酸二酯键。T4DNA连接酶可以缝合两种末端，但连接平端的效率较低。

(2)DNA聚合酶和DNA聚合酶的异同:？DNA聚合酶只能在现有核苷酸片段的末端添加一个核苷酸，形成磷酸二酯键。DNA连接酶连接两个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键。

3.“分子运输工具”-载体

(1)载体具备以下条件:①能在受体细胞中复制并稳定保存。

②它有一个或多个限制酶切点，用于插入外源DNA片段。

③有识别和选择重组DNA的标记基因。

(2)最常用的载体是什么？质粒是一种裸露的、结构简单的、不依赖于细菌染色体并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。

(3)其他载体:噬菌体衍生物、动植物病毒。

(2)基因工程的基本操作程序

第一步:获得目标基因。

1.目标基因是指编码蛋白质的结构基因。

2.原核基因是直接分离出来的，真核基因是人工合成的。合成目的基因常用的方法有逆转录法和化学合成法。

3.目的基因的PCR扩增

原理(1): DNA双链复制

(2)过程:步骤1:加热至90-95℃使DNA熔化；第二步:冷却至55-60℃，将引物结合到互补DNA链上；第三步:加热到70 ~ 75℃，用热稳定的DNA聚合酶从引物合成互补链。

第二步:基因表达载体的构建。

1.目的:使目的基因在受体细胞中稳定存在并能遗传给下一代，使目的基因得以表达并发挥作用。

2.组成:目的基因+启动子+终止子+标记基因。

启动子(1)是一段具有特殊结构的DNA片段，位于基因的头部，RNA聚合酶在此识别结合，并能驱动基因转录mRNA，最终获得所需的蛋白质。

(2)终止子:也是一种具有特殊结构的DNA片段，位于基因的末端。

(3)标志基因的作用是鉴别受体细胞是否含有目的基因，从而筛选出含有目的基因的细胞。常用的标志基因是抗生素基因。

步骤3:将目标基因导入受体细胞

1.转化的概念:是目的基因进入受体细胞并在受体细胞中保持稳定表达的过程。

2.常见的转换方法:

将目的基因导入植物细胞:农杆菌转化是最常用的方法，其次是粒子轰击和花粉管通道法。

将目的基因导入动物细胞:最常用的方法是显微注射技术。这种方法的受体细胞多为受精卵。

将目的基因导入微生物细胞:原核生物因其繁殖快、细胞单一、遗传物质相对较少而被用作受体细胞。最常用的原核细胞是大肠杆菌。转化方法是先用Ca2+处理细胞成为感受态细胞，然后将重组表达载体DNA分子溶于缓冲液中，与感受态细胞混合，促使感受态细胞在一定温度下吸收DNA分子，完成转化过程。

3.重组细胞导入受体细胞后，筛选含有基因表达载体的受体细胞的依据是标记基因是否表达。

步骤4:目标基因的检测和表达。

1.首先，需要利用DNA分子杂交技术检测目的基因是否插入转基因生物的染色体DNA中。

2.其次，需要检测目的基因是否有转录的mRNA，方法是用标记的目的基因作为探针与mRNA杂交。

3.最后，从转基因生物中提取蛋白质，与相应的抗体进行抗原抗体杂交，检测目的基因是否翻译成蛋白质。

4.有时需要鉴定个体的生物学水平。比如转基因抗虫植物是否具有抗虫性状。

(三)基因工程的应用

1.植物基因工程:植物具有抗虫性、抗病性和抗逆转性，并通过转基因技术提高植物的品质。

2.动物基因工程:提高动物生长速度，提高畜产品质量，用转基因动物生产药物。

3.基因治疗:将正常的外源基因导入患者体内，使基因表达产物发挥作用。

蛋白质工程的概念。

蛋白质工程是指根据蛋白质分子的结构规律及其生物学功能之间的关系，改造现有的蛋白质或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产生活的需要。(原则上，基因工程只能产生自然界已经存在的蛋白质)

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主题2细胞工程

(一)植物细胞工程

1.理论基础(原理):细胞全能性

全能性表达的难度:受精卵>生殖细胞>干细胞>体细胞；植物细胞>动物细胞

2.植物组织培养技术

(1)过程:离体植物器官、组织或细胞→愈伤组织→试管苗→植株。

(2)用途:微繁殖、作物脱毒、人工种子生产、单倍体育种和细胞产品的工业化生产。

(3)地位:培育植物新品种是培育转基因植物和植物体细胞杂交的最后一道工序。

3.植物体细胞杂交技术

(1)流程:

(2)诱导融合的方法:物理方法包括离心、振动和电刺激。化学方法一般使用聚乙二醇(PEG)作为诱导剂。

(3)意义:克服远缘杂交不亲和的障碍。

(2)动物细胞工程

1.动物细胞培养

(1)概念:动物细胞培养是从动物体内取出相关组织，分散成单细胞，然后放入合适的培养基中，让这些细胞生长繁殖。

(2)动物细胞培养的过程:取动物组织块(动物胚胎或幼龄动物的器官或组织)→切片→用胰蛋白酶或胶原酶处理并分散成单细胞→制成细胞悬液→转入培养瓶中进行原代培养→用胰蛋白酶或胶原酶处理覆盖在瓶壁上的细胞并分散成单细胞，继续传代培养。

(3)细胞粘附和接触抑制:悬液中分散的细胞迅速粘附在瓶壁上，称为细胞粘附。细胞的数量在增加。当贴壁细胞分裂生长到表面并相互抑制时，细胞就会停止分裂增殖。这种现象被称为细胞接触抑制。

(4)动物细胞培养需要满足以下条件

①无菌无毒环境:培养液应灭菌。通常在培养液中要加入一定量的抗生素，防止培养过程中的污染。另外，要定期更换培养基，防止代谢产物的积累对细胞本身造成伤害。

②营养:合成培养基成分:糖、氨基酸、生长促进因子、无机盐、微量元素等。通常需要添加血清、血浆等天然成分。

③温度:适宜温度:哺乳动物36.5℃±0.5℃；pH值:7.2~7.4 .

④气体环境:95%空气+5% CO2。O2是细胞代谢所必需的，CO2的主要作用是维持培养基的pH值。

(5)动物细胞培养技术的应用:病毒疫苗的制备、单克隆抗体的制备、有毒物质的检测、医学研究用各种细胞的培养。

2.动物体细胞核移植技术与克隆动物

(1)哺乳动物核移植可分为胚胎核移植(容易)和体细胞核移植(困难)。

(2)选择去核卵母细胞(母细胞)的原因是卵母细胞(母细胞)比较大，容易操作；卵(母)细胞富含细胞质和营养。

(3)体细胞核移植的一般过程是:(右)

核移植

胚胎移植

(4)体细胞核移植技术的应用:

①加快家畜遗传改良进程，促进优良畜群的选育；(2)保护濒危物种，增加幸存者数量；

③生产珍贵的医用蛋白质；④作为异种移植供体；

⑤用于组织器官移植。

(5)体细胞核移植技术中的问题:

克隆动物有健康问题，表现出遗传和生理缺陷。

3.动物细胞融合

(1)动物细胞融合又称细胞杂交，是指两个或两个以上的动物细胞结合形成一个细胞的过程。融合后形成的具有两个或两个以上细胞原有遗传信息的单核细胞称为杂交细胞。

(2)动物细胞融合的原理与植物原生质体融合基本相同，诱导动物细胞融合的方法与植物原生质体融合相似。常用的诱发因素有聚乙二醇、灭活病毒和电刺激。

(3)动物细胞融合的意义:克服了远缘杂交的不亲和性，成为研究细胞遗传学、细胞免疫、肿瘤和生物新品种培育的重要手段。

(4)动物细胞融合和植物体细胞杂交的比较:

比较细胞融合的原理、细胞融合的方法、诱导方法和细胞融合的用途

植物体细胞杂交的细胞膜流动性诱导原生质体融合，去细胞壁后离心、电刺激、振动，用聚乙二醇等试剂克服远缘杂交的不亲和性，获得杂交植株。

动物细胞融合细胞膜的流动性使细胞分散并诱导细胞融合。除了植物细胞杂交外，还加入灭活病毒诱导制备单克隆抗体。

4.单克隆抗体

抗体(1):一个B淋巴细胞只分泌一种特异性抗体。从血清中分离的抗体产量低、纯度低、特异性差。

(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，又能产生特异性抗体。

(4)单克隆抗体的优势:特异性强，灵敏度高，可大量制备。

(5)单克隆抗体的作用:

①作为诊断试剂，通过准确识别各种抗原物质的细微差异，并与某些抗原特异性结合，具有准确、高效、简便、快速的优点。

②用于治疗疾病和携带药物:主要用于治疗癌症，可制成“生物导弹”，少量也用于治疗其他疾病。

主题3胚胎工程

(一)动物胚胎发育的基本过程

1.胚胎工程是指对动物早期胚胎或配子的各种显微操作和加工技术，如胚胎移植、体外受精、胚胎分割、胚胎干细胞培养等技术。处理后获得的胚胎需要移植到雌性动物体内产生后代，以满足人类的各种需求。

2.动物胚胎发育的基本过程。

(1)受精部位是母亲的输卵管上段。

(2)卵裂期:特征:细胞有丝分裂，细胞数量在增加，但胚胎整体体积不增加，或略有减少。

(3)桑葚:特点:胚胎细胞数达到32个左右时，胚胎形成致密的细胞团，看起来像桑葚。这是一种全能细胞。

(4)囊胚:特征:细胞开始分化(这个时期细胞全能性还是比较高的)。聚集在胚胎一端的较大细胞称为内细胞团，将来会发育成胎儿的各种组织。中间的空腔叫囊胚腔。

(5)原肠胚:特征:具有三胚层的分化，有胚泡腔和原肠胚腔。

(2)胚胎干细胞

1.哺乳动物胚胎干细胞(简称ES或EK细胞)来源于早期胚胎或分离自原始性腺。

2.具有胚胎细胞的特征，体积小，细胞核大，核仁明显；在功能上，它具有发育全能性，可以分化成成年动物的任何一种组织细胞。另外，在体外培养的条件下，可以不分化增殖，可以冷冻保存，也可以进行基因改造。

3.胚胎干细胞的主要用途是:

①可用于研究哺乳动物个体发育和发育的规律；

②是体外研究细胞分化的理想材料。在培养基中添加牛磺酸等化学物质，可以诱导es细胞分化为不同类型的组织细胞，为揭示细胞分化和凋亡的机制提供了有效手段。

③可用于治疗人类的一些慢性疾病，如帕金森综合症、青少年糖尿病等。

④利用被诱导分化为新组织细胞的特性，移植的ES细胞可以修复坏死或变性的部位，恢复正常功能；

⑤随着组织工程技术的发展，通过体外诱导es细胞分化，定向培养人工组织和器官，用于器官移植，解决器官移植后供体器官不足和免疫排斥等问题。

(三)胚胎工程的应用

1.体外受精和早期胚胎培养

(1)卵母细胞的收集和培养；

主要方法:使用促性腺激素，使其排出更多的卵子。然后，从输卵管中洗出卵子，在体外直接与获能精子受精。第二种方法:从新宰杀的母畜卵巢中收集卵母细胞；第三种方法是通过超声波探测器和腹腔镜直接从活体动物的卵巢中吸取卵母细胞。收集的卵母细胞必须在体外进行人工培养和成熟，然后才能与获能精子受精。

(2)精子采集和获能:体外受精前，精子应获能。

(3)受精:获能精子和培养的成熟卵细胞在获能液或特殊受精液中完成受精过程。

(4)早期胚胎培养:精子和卵子体外受精后，将受精卵转移到发育培养液中继续培养，以检查受精状态和受精卵的发育能力。培养基成分复杂，除了一些无机盐和有机盐外，还需要添加维生素、激素、氨基酸、核苷酸等营养物质，以及血清等物质。当胚胎发育到合适的阶段，可以取出，移植给受体或冷冻保存。不同的动物有不同的胚胎移植时间。牛羊只有培养到桑椹胚或囊胚期才能移植。小鼠、兔等实验动物可早期移植，人类体外受精胚胎可在8~16细胞期移植。)

2.胚胎移植

(1)胚胎移植是指将雌性动物的早期胚胎，或通过体外受精等方式获得的胚胎，移植到其他具有相同生理状态的同种雌性动物体内，使其继续发育为新个体的技术。其中，提供胚胎的个体称为“供体”，接受胚胎的个体称为“受体”。(供体为优良品种，作为受体的母畜应为普通或大原种品种。)

现状:任何胚胎工程技术产生的胚胎，如转基因、核移植、或体外受精，都必须经过胚胎移植技术才能获得后代，这是胚胎工程的最后一道“工序”。

(2)胚胎移植的意义:大大缩短了供体本身的生殖周期，充分发挥了优秀雌性个体的生殖能力。

(3)生理基础:①动物发情排卵后，同一动物的供体和受体生殖器官的生理变化是相同的。这为供体胚胎移入受体提供了相同的生理环境。

②早期胚胎在一定时间内处于自由状态。这使得收集胚胎成为可能。

③受体对移植入子宫的外来胚胎没有免疫排斥反应。这为受体体内胚胎的存活提供了可能性。

④供体胚胎可与受体子宫建立正常的生理和组织学联系，但供体胚胎的遗传特性在妊娠期间不受影响。

(4)基本程序主要包括:

①供体和受体的选择和处理。选择遗传特征和生产性能优良的供体，体格健康、生殖能力正常的受体。捐献者和接受者是同一物种。供体母牛的激素同期发情和促性腺激素超数排卵。

②配种或人工授精。

③胚胎的收集、检查、培养或保存。配种或授精后第7天，供体牛子宫内的胚胎用专门的洗卵器洗出(也叫洗卵)。检查胚胎的质量，此时胚胎应该发育到桑葚或胚泡阶段。直接移植到受体体内或保存在-196℃的液氮中。

④胚胎移植。

⑤移植后检查。检查受体牛是否怀孕。

3.胚胎分割

(1)概念:是指通过机械手段将早期胚胎切割成2等份和4等份，通过移植获得同卵双胞胎或多胞胎的技术。

(2)意义:来自同一个胚胎的后代具有相同的遗传物质，属于无性繁殖。

(3)材料:发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚。在桑椹胚到囊胚的发育过程中，细胞开始分化，但全能性仍然较高，也可用于胚胎分割。)

(4)操作过程:囊胚期胚胎分裂时，内细胞团要等分，否则会影响分裂胚胎的恢复和进一步发育。

议题4生物技术的安全和伦理问题

(一)转基因生物的安全性争论:

(1)基因生物学与食品安全；

反对观点:反对“实质等效”、滞后效应、新过敏原和营养成分变化。

正面观点:安全性评价，科学家负责任的态度，无例无据。

(2)转基因生物和生物安全:对生物多样性的影响

相反的观点:扩散出种植区成为野生物种，成为外来入侵物种，重组有害病原体，成为超级杂草，可能造成“基因污染”

正面观点:生命力有限，生殖隔离，花粉传播距离有限，花粉存活时间有限。

(3)转基因生物与环境安全:对生态系统稳定性的影响。

反对观点:打破物种界限、二次污染、有害病原微生物和有毒蛋白质的重组都可能通过食物链进入人体。

正面观点:不改变生物原有分类状态，减少农药使用，保护农田土壤环境。

(B)生物技术的伦理问题

(1)克隆人:有两种不同的观点，大多数人持否定态度。

否定理由:克隆人严重违反人类伦理，是对克隆技术的滥用；克隆人冲击了婚姻、家庭、两性关系等现有的传统伦理观念；克隆人是因为人工创造而心理和社会地位不健全的人。

正面原因:技术问题可以通过胚胎分级、基因诊断、染色体检查来解决。不成熟的技术只有通过实践才能成熟。

中国政府的态度:禁止生殖性克隆，不反对治疗性克隆。四不原则:不赞成、不允许、支持、不接受任何生殖性克隆人的实验。

(2)试管婴儿:试管婴儿的两个目的有两个区别。大多数人同意不同的观点。

负面原因:把试管婴儿当成人体零件厂，是对生命的不尊重；早期生命也有生存的权利。抛弃或杀死多余的胚胎无异于“谋杀”。

正面理由:解决了不孕不育的问题，为骨髓造血干细胞治疗患者提供了最好最快的方法，不会对试管婴儿造成损伤。

(3)基因身份证:

否认理由:个人基因信息泄露导致基因歧视，必然导致基因失业、个人婚姻困难、人际疏远等严重后果。

正面原因:通过基因检测，可以尽早采取预防措施，及时进行治疗，达到挽救患者生命的目的。

⑶生物武器

(1)种类:病原菌、病毒、生化剂、基因重组后的病原菌。

(2)传播方式:吸入、误食、接触染病物品、被染病昆虫叮咬等。

(3)特点:致病性强，多数情况下具有传染性，感染途径多，污染面广，潜伏期长，不易发现，危害时间长等。

⑷《生物武器公约》与中国政府的态度。