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高中生物人教版选修3《现代生物科技专题》共8页，第1页选修3《现代生物科技专题》书本知识点总结专题1基因工程1.基因工程的概念：基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组和转基因技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，又叫做DNA重组技术。2、基因工程的原理：基因重组一、DNA重组技术的基本工具1.“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）（1）来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。（2）功能：能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且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，因此具有专一性。（3）结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式：黏性末端和平末端。2.“分子缝合针”——DNA连接酶(1)两种DNA连接酶（E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶）的比较：①相同点：都缝合磷酸二酯键。②区别：E·coliDNA连接酶来源于T4噬菌体，只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间的磷酸二酯键连接起来；而T4DNA连接酶能缝合两种末端，但连接平末端的之间的效率较低。(2)与DNA聚合酶作用的异同:DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯键。DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键。3.“分子运输车”——载体（1）载体具备的条件：①能在受体细胞中复制并稳定保存。②具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入。③具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。（2）最常用的载体是质粒，它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌染色体之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。（3）其它载体：噬菌体的衍生物、动植物病毒。二、基因工程的基本操作程序基因工程的基本操作程序主要包括四个步骤: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。第一步：目的基因的获取1.目的基因是指：编码蛋白质的基因。2.基因组文库：包含了一种生物的所有基因。部分基因文库（cDNA文库）：只包含了一种生物的一部分基因。3.人工合成目的基因的常用方法有反转录法和化学合成法。4.PCR技术扩增目的基因（1）概念：PCR是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。通过这一技术，可以在短时间内大量扩增目的基因。（2）原理：DNA双链复制（3）过程：第一步：加热至90～95℃DNA解链；第二步：冷却到55～60℃，引物结合到互补DNA链；第三步：加热至70～75℃，热稳定DNA聚合酶（Taq酶）从引物起始互补链的合成。第二步：基因表达载体的构建（基因工程的核心）1.目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传至下一代，使目的基因能够表达和发挥作用。2.组成：目的基因＋启动子＋终止子＋标记基因（1）启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。高中生物人教版选修3《现代生物科技专题》共8页，第2页（2）终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的尾端。（3）标记基因的作用：是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。常用的标记基因是抗生素基因。第三步：将目的基因导入受体细胞_1.转化的概念：是目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。2.常用的转化方法：（1）将目的基因导入植物细胞：采用最多的方法是农杆菌转化法，其次还有基因枪法和花粉管通道法等。选农杆菌的原因：农杆菌中的Ti质粒上的T-DNA可转移至受体细胞，并且整合到受体细胞染色体的DNA上。（2）将目的基因导入动物细胞：最常用的方法是显微注射技术。此方法的受体细胞多是受精卵。选受精卵作为受体细胞原因：因为受精卵发育的全能性最高，体积大，容易操作。（3）将目的基因导入微生物细胞：Ca2+处理法。原核生物作为受体细胞的原因是繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少，最常用的原核细胞是大肠杆菌，其转化方法是：先用Ca2+处理细胞，使其成为感受态细胞，再将重组表达载体DNA分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合，在一定的温度下促进感受态细胞吸收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受体细胞的依据是标记基因是否表达。第四步：目的基因的检测和表达1.首先要检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是采用DNA分子杂交技术。如果显示杂交带，就表明目的基因已插入染色体DNA中。2.其次还要检测目的基因是否转录出了mRNA，方法是采用用标记的目的基因作探针与mRNA杂交。杂交带3.最后检测目的基因是否翻译成蛋白质，方法是从转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原－抗体杂交。杂交带4.有时还需进行个体生物学水平的鉴定。如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。（三）基因工程的应用1.植物基因工程：抗虫、抗病、抗逆转基因植物，利用转基因改良植物的品质。2.动物基因工程：提高动物生长速度（外源生长激素）、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物。3.基因治疗：把正常的外源基因导入病人体内，使该基因表达产物发挥作用。（四）蛋白质工程（1）概念：蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，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，以满足人类的生产和生活的需求。（2）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。（3）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。（4）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）。特别注意：蛋白质工程中，直接需要进行操作的对象是基因结构。高中生物人教版选修3《现代生物科技专题》共8页，第3页专题2细胞工程1.细胞工程的概念：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两大技术。一、植物细胞工程1.理论基础（原理）：细胞全能性（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个体生物体的潜能）全能性表达的难易程度：受精卵＞干细胞＞生殖细胞＞体细胞：植物细胞＞动物细胞2.植物组织培养技术（1）概念：植物组织培养体就是在无菌和人工控制条件下，将离体生物植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。（2）过程：离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织胚状体或丛芽植物体胡萝卜的组织培养案例注意事项：①愈伤组织：特点排列疏松、不定形、高度液泡化的薄壁组织。②选取胡萝卜形成层的部位进行脱分化的原因：分裂旺盛、全能性较高，容易诱导形成愈伤组织。③脱分化无光(形成愈伤组织之前需避光）、再分化需光照（长出芽和茎后需进行光合作用制造营养物质）。（3）用途：微型繁殖、作物脱毒、制造人工种子、单倍体育种、细胞产物的工厂化生产（培养到愈伤组织阶段）。Ⅰ植物繁殖的新途径①微型繁殖：快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。②作物脱毒：采用茎尖组织培养技术来除去病毒（因为植物分生区附近的病毒极少或没有）。③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。人工种子的优点：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。Ⅱ作物新品种培育①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）→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（基因型分别为AB、Ab、aB、ab四种）→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（基因型分别为AABB、AAbb、aaBB、aabb四种）。b优点：明显缩短育种年限。②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）Ⅲ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。（4）地位：是培育转基因植物、植物体细胞杂交培育植物新品种的最后一道工序。3.植物体细胞杂交技术（1）过程：②植物细胞A植物细胞B杂种细胞愈伤组织杂种植株①③④⑤脱分化再分化（试管苗）高中生物人教版选修3《现代生物科技专题》共8页，第4页其中，①表示酶解法（纤维素酶和果胶酶去壁得到原生质体），②表示诱导融合，③表示杂种细胞再生出细胞壁（杂交成功的标志，细胞壁形成与高尔基体有关），④⑤表示植物组织培养技术（脱分化和再分化）。（2）诱导融合的方法：物理法包括离心、振动、电刺激等。化学法一般是用聚乙二醇（PEG）作为诱导剂。（3）意义：克服了远缘杂交不亲和的障碍。（二）动物细胞工程1.动物细胞培养技术（1）概念：动物细胞培养就是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，让这些细胞生长和繁殖。（2）动物细胞培养的流程：取动物组织块（动物胚胎或幼龄动物的器官或组织）→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（目的是使每个细胞能与培养液接触）→转入培养瓶中进行原代培养（10代以内）→贴满瓶壁的细胞重新用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理分散成单个细胞继续传代培养。（3）细胞贴壁和接触抑制：悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上，称为细胞贴壁。细胞数目不断增多，当贴壁细胞分裂生长到表面相互抑制时，细胞就会停止分裂增殖，这种现象称为细胞的接触抑制。注：一般来说，细胞在传代培养至10～50代左右时，增值会逐渐缓慢，以至于完全停止，这是少数细胞的核基因（遗传物质）发生变化，获得不死性，朝着等同于癌细胞的方向发展。目前使用的或冷冻保存的正常细胞通常为10代以内，以保持细胞正常的二倍体核基因（遗传物质）。（4）动物细胞培养需要满足以下条件①无菌、无毒的环境：培养液应进行无菌处理。通常还要在培养液中添加一定量的抗生素，以防培养过程中的污染。此外，应定期更换培养液，防止代谢产物积累对细胞自身造成危害。②合适的营养：合成培养基成分：糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等。通常需加入血清(或血浆）等天然成分。③适宜的温度和PH：适宜温度：哺乳动物多是36.5℃＋0.5℃；适宜pH：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液的pH。（5）动物细胞培养技术的应用：制备病毒疫苗、制备单克隆抗体、检测有毒物质、培养医学研究的各种细胞。2.动物体细胞核移植技术和克隆动物（无性繁殖）（1）哺乳动物核移植可以分为胚胎细胞核移植（比较容易）和体细胞核移植（比较难）。（2）选用去核卵(母)细胞的原因：卵(母)细胞体积大，容易操作；营养丰富，可以提供充足的营养，细胞质不会抑制细胞核全能性的表达。（3）体细胞核移植的大致过程是：高产奶牛（提供体细胞）进行细胞培养（动物培养技术），同时采集卵母细胞，在体外培养到减Ⅱ中期的卵母细胞，去核→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（胚胎移植技术）→生出与供体奶牛遗传基因相同的犊牛。注：体细胞核移植技术中的犊牛并非是对体细胞供体母牛100%的复制，其原因主要有：生物的性状受体细胞核基因和细胞质基因共同控制；生物的性状受环境因素的影响。（4）体细胞核移植技术的应用：①加速家畜遗传改良进程，促进良畜群繁育；②保护濒危物种，增大存活数量；③生产珍贵的医用蛋白；④作为异种移植的供体；⑤医学上用于组织器官的移植等。（5）体细胞核移植技术存在的问题：克隆动物存在着健康问题、表现出遗传和生理缺陷等。3.动物细胞融合技术（1）动物细胞融合也称细胞杂交，是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。融合后形