第三章 基因工程 知識點總結(jié) 高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

生物學(xué)選擇性必修三2019人教版第三章知識點總結(jié)第三章基因工程第一節(jié)重組DNA技術(shù)的基本工具知識點1基因工程是指按照人們的愿望，通過轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，賦予生物新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。從技術(shù)操作層面看，由于基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計和施工的，因此又叫作重組DNA技術(shù)、基因拼接技術(shù)。操作對象：基因操作水平：DNA分子水平操作原理：基因重組操作環(huán)境：體外基本過程：剪切→拼接→導(dǎo)入→表達(dá)操作結(jié)果：定向地改造生物的遺傳性狀，獲得符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品優(yōu)點：定向改造生物體的性狀，目的性強(qiáng)（與誘變育種相比）育種周期短，克服遠(yuǎn)緣雜交不親和障礙（與雜交育種相比）知識點2基因工程的基本工具1.“分子手術(shù)刀”——限制性核酸內(nèi)切酶（限制酶）（1）來源：主要從原核生物中分離出來。（2）種類：約4000種（3）作用:識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開。（4）限制酶識別序列的長度最常見的為6個核苷酸，也有少數(shù)限制酶的識別序列由4個、8個、或其他數(shù)量的核苷酸組成。①在中軸線兩側(cè)切割，形成黏性末端。如：EcoRI限制酶能識別GAATTC序列，為6個核苷酸，并在G和A之間切開。②在中軸線處切割，形成平末端。如：SmaI限制酶能識別CCCGGG序列，為6個核苷酸，并在G和C之間切開。2.“分子縫合針”——DNA連接酶(1)作用：將雙鏈DNA片段“縫合”起來，恢復(fù)被限制酶切開的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵。即把脫氧核糖和磷酸交替連接而構(gòu)成的DNA骨架上的缺口連接起來。(2)類型：3.“分子運輸車”——基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體（1）載體作用：將目的基因載入受體細(xì)胞。利用它在宿主細(xì)胞內(nèi)對目的基因進(jìn)行大量復(fù)制。（2）載體種類：質(zhì)粒、噬菌體、動植物病毒等（3）最常用載體：質(zhì)粒特點：①裸露的、結(jié)構(gòu)簡單、獨立于真核細(xì)胞細(xì)胞核或原核細(xì)胞擬核DNA外，具有自我復(fù)制能力的環(huán)狀雙鏈DNA。②有一個至多個限制酶切割位點。③在基因工程操作中，真正被用作載體的質(zhì)粒都是在天然質(zhì)粒的基礎(chǔ)上進(jìn)行過人工改造的。④有特殊的標(biāo)記基因，如：抗生素的抗性基因（四環(huán)素抗性基因(tetr)、氨芐青霉素抗性基因(ampr)等）、熒光蛋白基因（綠色熒光蛋白基因(GFP)、紅色熒光蛋白基因(RFP)。⑤對細(xì)胞無毒無害。⑥大小適中，便于提取和操作。知識點3DNA的粗提取與鑒定（一)提取生物大分子的基本思路選用一定的物理或化學(xué)方法分離具有不同物理或化學(xué)性質(zhì)的生物大分子。DNA粗提取的基本思路：利用DNA與RNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等在物理和化學(xué)性質(zhì)方面的差異，提取DNA，去除其他成分。（二)提取DNA的基本原理1.DNA在NaCl中的的溶解性：在NaCl溶液濃度低于0.14mol/L時，DNA的溶解度隨NaCl溶液濃度的增加而逐漸降低；在0.14mol/L時，DNA溶解度最??；當(dāng)NaCl溶液濃度繼續(xù)增加時，DNA的溶解度又逐漸增大。當(dāng)氯化鈉的物質(zhì)的量濃度為2mol/L時，DNA的溶解度最大；濃度為0.14mol/L時，DNA的溶解度最低。利用這一原理，可以使DNA在鹽溶液中溶解或析出。2.DNA對酶、高溫和洗滌劑的耐受性（1）對酶的耐受性：蛋白酶能水解蛋白質(zhì)，但對DNA沒有影響。（2）對溫度的耐受性：大多數(shù)蛋白質(zhì)不能忍受60～80℃的高溫，而DNA在80℃以上才會變性。（3）對洗滌劑的耐受性：洗滌劑能夠瓦解細(xì)胞膜，去除脂質(zhì)和蛋白質(zhì)但對DNA沒有影響。3.DNA在酒精溶液中的溶解性DNA不溶于酒精溶液，但細(xì)胞中某些蛋白質(zhì)則溶于酒精。將DNA與蛋白質(zhì)進(jìn)一步分離。（三）DNA的鑒定沸水浴條件下，DNA遇二苯胺試劑呈現(xiàn)藍(lán)色第二節(jié)因工程的基本操作程序知識點1第一步：目的基因的篩選與獲取1.目的基因：在基因工程的設(shè)計和操作中，用于改變受體細(xì)胞性狀或獲得預(yù)期表達(dá)產(chǎn)物等的基因。也指能夠編碼特定蛋白質(zhì)的基因，也可以是一些具有調(diào)控作用的因子。2.篩選目的基因：從相關(guān)的已知結(jié)構(gòu)和功能清晰的基因中篩選，是較為有效的方法之一3.獲取目的基因：（1）人工合成（2）基因文庫中獲取目的基因（3）利用PCR獲取和擴(kuò)增①PCR：PCR全稱為聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，又叫做體外DNA擴(kuò)增技術(shù)。根據(jù)DNA半保留復(fù)制的原理，在體外提供參與DNA復(fù)制的各種組分與反應(yīng)條件，對目的基因的核苷酸序列進(jìn)行大量復(fù)制的技術(shù)。通過這項技術(shù)可在短時間內(nèi)大量擴(kuò)增目的基因。②PCR利用的原理：DNA半保留復(fù)制③DNA復(fù)制的基本條件：④PCR的前提：有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根據(jù)這一序列合成引物。⑤PCR的條件：DNA模板（需含有目的基因）。分別與模板DNA相結(jié)合的2種引物。四種脫氧核苷酸（或四種dNTP：dATP、dTTP、dGTP、dCTP）。耐高溫的DNA聚合酶(Taq酶）。穩(wěn)定的緩沖溶液（一般添加Mg2+）。能嚴(yán)格控制溫度的溫控設(shè)備。⑥PCR的過程：⑦PCR的結(jié)果：以指數(shù)方式擴(kuò)增，即2n（n為擴(kuò)增循環(huán)的次數(shù)）⑧鑒定PCR的產(chǎn)物：常采用瓊脂糖凝膠電泳來鑒定產(chǎn)物知識點2第二步：基因表達(dá)載體的構(gòu)建基因表達(dá)載體的組成：目的基因、標(biāo)記基因、啟動子、終止子基因表達(dá)載體構(gòu)建過程：一般用同一種限制酶分別切割載體和含有目的基因的DNA片段，再用DNA連接酶將兩者連接。知識點3第三步：將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞1.轉(zhuǎn)化：目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并且在受體細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定存在和表達(dá)的過程。2.將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法：花粉管通道法：在植物受粉后，花粉形成的花粉管還未愈合前，剪去柱頭，滴加DNA(含目的基因)，使目的基因借助花粉管通道進(jìn)入受體細(xì)胞。（2）農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法：①農(nóng)桿菌的特點：農(nóng)桿菌是一種在土壤中生活的微生物，能在自然條件下感染雙子葉植物和裸子植物，而對大多數(shù)單子葉植物沒有感染能力。當(dāng)植物體受到損傷時，傷口處的細(xì)胞會分泌大量酚類化合物，吸引農(nóng)桿菌移向這些細(xì)胞，這時農(nóng)桿菌中的Ti質(zhì)粒上的T-DNA可轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞，并整合到受體細(xì)胞的染色體DNA上。②農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的原理：根據(jù)農(nóng)桿菌的特點，將目的基因插入Ti質(zhì)粒上的T-DNA中，通過農(nóng)桿菌的轉(zhuǎn)化作用，就可以使目的基因進(jìn)入細(xì)胞。③農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法適用于那些植物：農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法起初只被用于雙子葉植物中，近年來，農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化在一些單子葉植物（尤其是水稻）中也得到了廣泛應(yīng)用。3.方法步驟：目的基因插入Ti質(zhì)粒的T-DNA上→轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌→導(dǎo)入植物細(xì)胞→目的基因插入植物細(xì)胞中的染色體DNA上→目的基因表達(dá)。知識點4第四步：目的基因的檢測與鑒定1.分子水平的檢測(1)檢測目的基因是否插入受體細(xì)胞的DNA中：DNA分子雜交或PCR等技術(shù)?；蛱结槪汉喎Q探針，是一段帶有檢測標(biāo)記（同位素、熒光分子或化學(xué)發(fā)光催化劑）、且順序已知的、與目的基因互補核酸序列(DNA或RNA)。用放射性同位素標(biāo)記的含有目的基因的單鏈DNA片段制成基因探針。將轉(zhuǎn)基因生物的基因組DNA提取出來，和基因探針進(jìn)行雜交，如果出現(xiàn)雜交帶，說明目的基因已插入受體細(xì)胞的DNA中。(2)檢測目的基因是否轉(zhuǎn)錄：分子雜交或PCR技術(shù)。將轉(zhuǎn)基因生物提取出來的mRNA和基因探針進(jìn)行雜交，如果出現(xiàn)雜交帶，說明目的基因已經(jīng)轉(zhuǎn)錄。(3)檢測目的基因是否翻譯出蛋白質(zhì)：抗原—抗體雜交技術(shù)。從轉(zhuǎn)基因生物提取出來的蛋白質(zhì)和相應(yīng)的抗體進(jìn)行雜交，如果出現(xiàn)雜交帶，說明目的基因已經(jīng)翻譯。2.個體水平的鑒定(1)抗蟲或抗病的接種實驗。(2)有的基因工程產(chǎn)品需要與天然產(chǎn)品的功能進(jìn)行活性比較。常見轉(zhuǎn)基因生物在個體水平上鑒定、檢測的方法（列舉如下表）知識點5DNA片段的擴(kuò)增及電泳鑒定1.DNA片段擴(kuò)增的原理PCR利用了DNA熱變性原理，通過調(diào)節(jié)溫度來控制DNA雙鏈的解聚與結(jié)合。PCR儀實質(zhì)上就是一臺能夠自動調(diào)控溫度的儀器，一次PCR一般要經(jīng)歷30次循環(huán)。2.DNA片段電泳鑒定的原理DNA分子具有可解離的基團(tuán)，在一定的PH下，這些基團(tuán)可以帶上正電荷或負(fù)電荷。在電場的作用下，這些帶電分子會向著與它所帶電荷相反的電極移動，這個過程就是電泳。3.PCR產(chǎn)物的鑒定：一般通過瓊脂糖凝膠電泳來鑒定在凝膠中DNA分子的遷移速率與凝膠的濃度、DNA分子的大小和構(gòu)像等有關(guān)。凝膠中的DNA分子通過染色，可以在波長為300nm的紫外燈下被檢測出來。第三節(jié)基因工程的應(yīng)用知識點1基因工程在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用1.培育抗逆性品種將某些生物的抗蟲基因、某些病毒、真菌的抗病基因、降解或抵抗某種除草劑的基因、抗鹽堿、抗干旱、抗高溫等抗性基因轉(zhuǎn)移到作物體內(nèi)，將從根本上改變作物的特性。如轉(zhuǎn)基因抗蟲棉。抗蟲基因作物的意義：減少農(nóng)藥的用量，降低了生產(chǎn)的成本，減少了農(nóng)藥對環(huán)境的污染。2.改良植物的品質(zhì)利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良植物的營養(yǎng)價值、觀賞價值等。知識點2基因工程在畜牧業(yè)上的應(yīng)用1.提高動物的生長速率2.改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)知識點3基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用1.對微生物或動植物的細(xì)胞進(jìn)行基因改造生產(chǎn)藥物2.讓轉(zhuǎn)基因哺乳動物批量生產(chǎn)藥物實例：乳腺生物反應(yīng)器或乳房生物反應(yīng)器培育過程：應(yīng)用：目前已經(jīng)在牛、山羊等動物的乳腺生物反應(yīng)器中，獲得了抗凝血酶、血清白蛋白、生長激素和α-抗胰蛋白酶等重要醫(yī)藥產(chǎn)品。3.用轉(zhuǎn)基因動物作為器官移植的供體人體器官移植的難題：人體移植器官短缺是世界性難題解決途徑：尋求可替代的移植器官，如用豬的器官來解決人類器官移植的來源問題。豬的優(yōu)點：a.豬的內(nèi)臟構(gòu)造、大小、血管分布與人極為相似b.豬體內(nèi)隱藏的、可導(dǎo)致人類疾病的病毒遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于靈長類動物最大難題：免疫排斥改造方法：a.在器官供體的基因組中導(dǎo)入某種調(diào)節(jié)因子，以抑制抗原決定基因的表達(dá)；b.設(shè)法除去抗原決定基因，然后再結(jié)合克隆技術(shù)，培育出不會引起免疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因克隆豬器官。知識點4基因工程在食品工業(yè)方面的應(yīng)用1.基因工程菌概念：用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達(dá)的菌類。應(yīng)用：利用基因工程菌，除了可以生產(chǎn)藥物，還能生產(chǎn)食品工業(yè)用酶、氨基酸和維生素等。2.實例①阿斯巴甜：一種普遍使用的甜味劑，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，這兩種氨基酸可通過基因工程實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。②凝乳酶：應(yīng)用：奶酪生產(chǎn)中用來凝聚固化奶中的蛋白質(zhì)。傳統(tǒng)方法：殺死未斷奶的小牛，取出第四胃的黏膜進(jìn)行提取。現(xiàn)代制備方法：將編碼牛凝乳酶的基因?qū)氪竽c桿菌、黑曲霉或酵母菌的基因組中，再通過工業(yè)發(fā)酵批量生產(chǎn)凝乳酶。③淀粉酶、脂酶應(yīng)用：加工轉(zhuǎn)化糖漿需要淀粉酶加工烘烤食品、制造生物能源要用到脂酶制備方法：構(gòu)建基因工程菌，然后用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)。優(yōu)點：和天然產(chǎn)物中提取的酶相比，基因工程獲得的工業(yè)用酶的純度更高，生產(chǎn)成本顯著降低，生產(chǎn)效率較高。知識點5其他方面的應(yīng)用培育出具有優(yōu)良性狀的動植物品種，獲得過去難以得到的生物制品。培育可以降解多種污染物的“超級細(xì)菌”來處理環(huán)境污染。利用經(jīng)過基因改造的微生物來生產(chǎn)能源?；蚬こ套龀傻腄NA探針能夠十分靈敏地檢測環(huán)境中的病毒、細(xì)菌等污染。利用基因工程培育的“指示生物”能十分靈敏地反映環(huán)境污染的情況，卻不易因環(huán)境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉(zhuǎn)化污染物。第四節(jié)基因工程的延伸——蛋白質(zhì)工程知識點1蛋白質(zhì)工程以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求?；A(chǔ)：了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能途徑：改造或合成基因目的：改造或制造新蛋白質(zhì)，滿足人類的生產(chǎn)或生活的需要直接操作對象：基因結(jié)果：產(chǎn)生自然界原本不存在的蛋白質(zhì)知識點2蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基因工程的實質(zhì)：將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀。基因工程的不足：原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。天然蛋白質(zhì)的不足：天然蛋白質(zhì)是生物在長期進(jìn)化過程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。如：玉米中賴氨酸含量較低，原因在于天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的活性受細(xì)胞內(nèi)賴氨酸濃度的影響很大。通過基因修飾或合成，經(jīng)人工設(shè)計改造，可使其葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。提出了蛋白質(zhì)工程：改造或制造一種新的蛋白質(zhì)來滿足需求。直接操作對象：基因（基因修飾或基因合成）是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程。知識點3蛋白質(zhì)工程的基本原理1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)：根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計改造。2.蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)：通過改造或合成基因，來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)。3.天然蛋白質(zhì)合成的過程：天然蛋白質(zhì)合成的過程是按照中心法則進(jìn)行的?；颉磉_(dá)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）→形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈→形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)→行使生物功能。4.蛋白質(zhì)工程的基本思路：從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)。知識點4蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1．在醫(yī)藥方面（1）研發(fā)速效胰島素類似物（2）延長干擾素體外保存時間（3）降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)通過改