高中生物选修3《现代生物技术专题》高考复习资料

2020届高三生物选修3复习资料专题1 基因工程一、基因工程的基本工具（限制酶、DNA连接酶、载体）1．限制性核酸内切酶（限制酶）——“分子手术刀”（具特异性）(1)来源：主要从原核生物中分离纯化而来。

(某些真核生物如酵母菌细胞内也存在)(2)作用：能够识别双链DN A分子的某种特定的核苷酸序列，使特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。

(3)结果：产生黏性末端（中心轴线两侧切）或平末端（中心轴线处切）。

(4)注意：①限制酶识别序列的核苷酸数目不一定为6个；获得目的基因一般要切2个切口，产生4个黏性末端。

②一般用同种限制酶切割目的基因和质粒，以获得相同的黏性末端，利于重组质粒的构建（但可能导致目的基因自身环化和随意连接）。

③用两种限制酶同时切割目的基因和质粒，可防止目的基因和质粒自身环化和随意连接。

④限制酶切割时不能破坏目的基因、全部的标记基因、复制原点；限制酶切割运载体时，切点应在启动子和终止子之间；若质粒上标出T-DNA片段，切点应位于T-DNA上。

⑤原核生物体内的限制酶不切割自身DNA的原因：原核生物的DNA中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。

（限制酶不能切割RNA和单链DNA）2．DNA连接酶——“分子缝合针”（不具特异性）（1）作用：将双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的磷酸二酯键，不需要模板。

(2)（3）比较有关DNA的酶（化学本质都是蛋白质）①DNA水解酶：能够将DNA水解成四种脱氧核苷酸，彻底水解成磷酸、脱氧核糖和含氮碱基②解旋酶：能够将DNA或DNA的某一段解成两条长链，作用的部位是氢键。

注意：使DNA解成两条长链的方法除用解旋酶以外，在适当的高温、重金属盐的作用下，也可使DNA解旋。

③DNA聚合酶：能将单个的脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接成DNA长链。

（针对单个的脱氧核苷酸）④DNA连接酶：是通过磷酸二酯键连接双链DNA的缺口。

（针对游离的DNA片段）3.载体——“分子运输车”（1）作用：携带目的基因进入受体细胞。

（2）种类：质粒、动植物病毒、λ噬菌体衍生物等。

（3）常用载体——质粒(裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并且具有自我复制能力）质粒的化学本质：双链环状DNA分子（3）载体必须具备的条件：①具有一个或多个限制酶切割位点，便于外源基因插入；②能够自我复制或整合到染色体DNA上，随染色体DNA进行自我复制；③带有标记基因，供重组DNA的鉴定和筛选；④本身是安全的，不能对受体细胞产生危害；⑤大小适中，便于操作。

实际上，天然载体一般不会同时具备上述条件，所以在基因工程中需要对载体进行人工改造。

现在所用的质粒几乎都是人工改造的。

二、基因工程的操作程序（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）（一）目的基因的获取（目的基因：主要指编码蛋白质的基因，也可以是一些具有调控作用的因子）获取方法：①从基因文库获取；②利用PCR技术扩增；③人工合成法1、从基因文库中获取（1）将含有某种生物不同基因的许多DNA片断，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因，称为基因文库。

（2）分类：基因组文库含有某种生物的全部基因；部分基因文库（如cDNA文库）：含有某种生物的部分基因，可由mRNA反转录而来。

（3）基因组文库较大,基因中有启动子、终止子，真核生物还有内含子，部分基因可以在物种间交流。

cDNA文库较小,基因中没有启动子、终止子、内含子，基因都可以在物种间交流。

2、利用PCR技术扩增目的基因（1）PCR的全称：多聚酶链式反应（2）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。

（3）前提条件：要有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物。

（4）原理：DNA双链复制（5）条件：模板DNA、原料（4种脱氧核苷酸或dNTP或dATP、dCTP、dGTP、dTTP）、Taq酶（热稳定DNA聚合酶）、引物（单链DNA或RNA片段，能与模板链互补配对，每次扩增需要2种）（6）引物的作用：使Taq酶从引物3´端开始连接脱氧核苷酸（7）过程：①变性：加热至90～95℃，DNA解旋成单链（不需要解旋酶）；②复性：冷却到55～60℃，引物与单链相应互补序列结合；③延伸：加热至70～75℃，Taq酶从引物起始进行互补链的合成。

(DNA合成方向：从子链的5´端到3´端) （8）特点：目的基因以指数的形式扩增，即2n扩增。

（9）仪器：PCR扩增仪3.人工合成法（1）逆转录法：目的基因的mRNA →单链DNA(cDNA) →双链DNA（目的基因）（2）化学合成法：如果基因比较小，核苷酸序列又已知，可通过DNA合成仪用化学方法人工合成(不需要模板) （二）基因表达载体的构建（基因工程的核心步骤——体外进行）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：启动子＋目的基因＋终止子＋标记基因（+复制原点）（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。

（2）终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的尾端，使转录在所需的地方停止下来(终止转录)。

基因工程的别名DNA重组技术、基因拼接技术、转基因技术操作环境生物体外操作对象基因操作水平DNA分子水平原理/实质（变异类型）基因重组结果人类需要的基因产物优点克服远缘杂交不亲和的障碍（与杂交育种相比），定向改造生物的遗传性状（与诱变育种相比）理论基础①不同生物的DNA分子结构基本相同②所有生物共用一套遗传密码常用类型E·coli DNA连接酶T4 DNA连接酶来源大肠杆菌T4噬菌体功能只连接互补的黏性末端连接互补黏性末端和平末端，但对平末端的连接效率低注意：启动子和终止子位于DNA上，本身不被转录；起始密码子和终止密码子位于mRNA上。

（3）标记基因：鉴别、筛选出含有目的基因的受体细胞。

常用的标记基因是抗生素抗性基因。

（4）目的基因需位于启动子的下游、终止子的上游，才能成功转录出mRNA。

3、过程：一般用同种限制酶分别切割载体和目的基因，再用DNA连接酶把两者连接。

（三）将目的基因导入受体细胞(不进行碱基互补配对)转化：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1、导入植物细胞（1）农杆菌转化法(最常用)：农杆菌的作用是能感染植物细胞，将目的基因转移到受体细胞中(双子叶植物和裸子植物受损伤时，伤口处细胞分泌大量酚类化合物，吸引农杆菌，农杆菌中Ti质粒的T-DNA能转移、并整合到受体细胞染色体的DNA上。

（2）基因枪法：单子叶植物中常用的一种基因转化方法。

常用的金属颗粒有钨粉离子和金粉离子。

（3）花粉管通道法：这是我国科学家独创的一种方法，转基因抗虫棉就是用此种方法获得。

2、导入动物细胞（1）方法：显微注射法（2）受体细胞：受精卵(原因：受精卵的全能性高，可使目的基因在相应组织细胞中表达)3、导入微生物细胞（1）原核生物作为受体细胞的优点：繁殖快、易培养、多为单细胞、遗传物质相对较少（2）常用的原核细胞：大肠杆菌（3）方法：Ca2+处理法（感受态细胞法）（4）过程(P13)：Ca2＋处理使细胞处于容易吸收周围环境中DNA分子的状态，这种细胞称为感受态细胞。

该过程在缓冲液中、一定的温度下进行。

（四）目的基因的检测和鉴定1、分子水平的检测（1）导入检测：利用DNA分子杂交技术，用放射性同位素标记含目的基因的（单链）DNA片段作探针，与受体细胞中提取的基因组DNA杂交，看是否有杂交带。

（2）转录检测：利用分子杂交技术，上述探针与受体细胞中提取的mRN A杂交，看是否有杂交带。

（3）翻译检测：用抗原－抗体杂交，即用相应的抗体与转基因生物中提取的蛋白质进行杂交，看是否有杂交带。

2、个体水平鉴定：做抗虫、抗病、抗病毒接种实验，低温处理检测抗寒性，或移栽至盐碱地检测耐盐性等。

3、转基因实验成功的标志：成功表达出目的基因的蛋白质和性状。

三、基因工程的应用1、乳腺（房）生物反应器：药用蛋白基因+含乳腺蛋白基因启动子的载体→受精卵→转基因动物→乳汁中提取药物优点：产量高、质量好、成本低、易提取(膀胱生物反应器则让膀胱细胞产生所需蛋白，不受性别和发育时期限制)2、培育无免疫排斥反应的转基因动物：抑制供体的抗原决定基因表达或除去抗原决定基因；受体用免疫抑制剂处理。

3、工程菌：用基因工程的方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系一般称为“工程菌”。

4、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。

(这是治疗遗传病最好的方法，一般治疗隐性遗传病）（1）体外基因治疗：从病人体内获得某种细胞→体外完成基因转移→筛选成功转移的细胞扩增培养→重新输入患者体内。

（特点：操作复杂，但效果可靠）（2）体内基因治疗：直接向病人组织细胞中转移基因（特点：操作简便，但效果难以控制）5、用于基因治疗的基因种类（教材P24）：正常基因、反义基因、自杀基因。

四、蛋白质工程（第二代基因工程）1、蛋白质工程的概念（P27）①目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计和改造。

②基础：以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础。

③手段：通过基因修饰或基因合成④实质：改造基因（优点：①改造基因能遗传，改造蛋白质不能遗传；②改造基因更容易）⑤结果：对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质2\ 2、基本途径：预期蛋白质的功能→设计预期蛋白质的结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列改3、改造蛋白质难度大的原因：对蛋白质的高级结构了解不够4、基因修饰：主要指利用生化方法修改原有的DNA序列或删除特定的基因片段，属于基因突变。

专题2 细胞工程细胞工程：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。

细胞工程包括：1、植物细胞工程：包括植物组织培养和植物体细胞杂交技术2、动物细胞工程：包括动物细胞培养、动物细胞核移植、动物细胞融合技术和单克隆抗体制备四方面。

(动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础。

）（一）植物细胞工程1、植物组织培养(培养体细胞属于无性生殖，花药离体培养属于有性生殖)（1）原理：植物细胞的全能性（2）固体培养基：含无机营养成分、有机营养成分、激素、琼脂四部分。

（3）概念：在无菌和人工控制的条件下，将离体的植物器官、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。