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人教版高中生物课堂笔记生物选修3


生物选修三知识点 专题 1 基因工程 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。 (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 T4-DNA 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 第一步:目的基因的获取 1.目的基因是指: 编码蛋白质的结构基因 。 2.原核基因采取直接分离获得,真核基因是人工合成。人工合成目的基因的常 用方法有反转录法_和化学合成法_。 3.PCR 技术扩增目的基因 (1)原理:DNA 双链复制

(2)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 聚合酶从引物 起始互补链的合成。

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。 (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: 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。 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。 将目的基因导入微生物细胞: 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。 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。 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。 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、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)蛋白质工程的概念 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。(基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋 白质)

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专题 2 细胞工程 (一)植物细胞工程 1.理论基础(原理):细胞全能性 全能性表达的难易程度: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:离体的植物器官、组织或细胞 ―→愈伤组织 ―→试管苗 ―→植 物体 (2)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。 (3)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)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 (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 →转入培养瓶中进行原代培养→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。 (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、血浆等天然成分。 ③温度:适宜温度:哺乳动物多是 36.5℃+0.5℃;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 (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)细胞比较大,容易操作;卵(母)细胞 细胞质多,营养丰富。 (3)体细胞核移植的大致过程是:(右图)

核移植

胚胎移植

(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 (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。 (2) 动物细胞融合与植物原生质体融合的原理基本相同, 诱导动物细胞融合的 方法与植物原生质体融合的方法类似,常用的诱导因素有聚乙二醇、灭活 的病毒、电刺激等。 (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、 细胞免疫、肿瘤和生物新品种培育的重要手段。 (4)动物细胞融合与植物体细胞杂交的比较: 比较项 细胞融合的原 细胞融合的方 诱导手段 用法 目 理 法 植物体 细胞膜的流动 去除细胞壁后 离心、电刺 克服了远缘杂 细胞杂 性 诱导原生质体 激、振动,聚 交的不亲和性, 交 融合 乙二醇等试 获得杂种植株 剂诱导 动物细 细胞膜的流动 使细胞分散后 除应用植物 制备单克隆抗 胞融合 性 诱导细胞融合 细胞杂交手 体的技术之一 段外,再加灭 活的病毒诱 导 4.单克隆抗体 (1)抗体:一个 B 淋巴细胞只分泌一种特异性抗体。从血清中分离出的抗体产 量低、纯度低、特异性差。 (2)单克隆抗体的制备过程:

抗原注入小鼠体内 分离 B 淋巴细胞 细胞融合 杂交瘤细胞 细胞培 养 选择培养细胞 注入小 鼠 体内培养 从腹水提取 单克隆抗体 培养基 体外培养 从培养液提 取 骨髓瘤细胞

(3)杂交瘤细胞的特点:既能大量繁殖,又能产生专一的抗体。 (4)单克隆抗体的优点:特异性强,灵敏度高,并能大量制备。 (5)单克隆抗体的作用: ① 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。② 用于治疗疾病和运载药 物:主要用于治疗癌症治疗,可制成“生物导弹”,也有少量用于治疗其它 疾病。 专题 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所进行的多种显微操作和处理技术, 如 胚胎移植、体外受精、胚胎分割、胚胎干细胞培养等技术。经过处理后获得 的胚胎,还需移植到雌性动物体内生产后代,以满足人类的各种需求。 2、动物胚胎发育的基本过程 (1)受精场所是母体的输卵管上段。 (2)卵裂期:特点:细胞有丝分裂,细胞数量不断增加,但胚胎的总体体积并 不增加,或略有减小。 (3)桑椹胚:特点:胚胎细胞数目达到 32 个左右时,胚胎形成致密的细胞团, 形似桑椹。是全能细胞。 (4)囊 胚:特点:细胞开始出现分化(该时期细胞的全能性仍比较高)。聚 集在胚胎一端个体较大的细胞称为内细胞团,将来发育成胎儿的各种组织。中 间的空腔称为囊胚腔。 (5)原肠胚:特点:有了三胚层的分化,具有囊胚腔和原肠腔。 (二)胚胎干细胞

1、 哺乳动物的胚胎干细胞简称 ES 或 EK 细胞, 来源于早期胚胎或从原始性腺中 分离出来。 2、具有胚胎细胞的特性,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。 另外, 在体外培养的条件下,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。 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生和发育规律; ②是在体外条件下研究细胞分化的理想材料,在培养液中加入分化诱导因子, 如牛黄酸等化学物质时, 就可以诱导 ES 细胞向不同类型的组织细胞分化, 这 为揭示细胞分化和细胞凋亡的机理提供了有效的手段; ③可以用于治疗人类的某些顽疾,如帕金森综合症、少年糖尿病等; ④利用可以被诱导分化形成新的组织细胞的特性, 移植 ES 细胞可使坏死或退化 的部位得以修复并恢复正常功能; ⑤随着组织工程技术的发展, 通过 ES 细胞体外诱导分化, 定向培育出人造组织 器官,用于器官移植,解决供体器官不足和器官移植后免疫排斥的问题。 (三)胚胎工程的应用 1.体外受精和胚胎的早期培养 (1)卵母细胞的采集和培养: 主要方法:用促性腺激素处理,使其排出更多的卵子,然后,从输卵管中冲取 卵子,直接与获能的精子在体外受精。第二种方法:从刚屠宰母畜的卵巢中采 集卵母细胞;第三种方法是借助超声波探测仪、腹腔镜等直接从活体动物的卵 巢中吸取卵母细胞。采集的卵母细胞,都要在体外经人工培养成熟后,才能与 获能的精子受精。 (2) 精子的采集和获能:在体外受精前,要对精子进行获能处理。 (3) 受精:获能的精子和培养成熟的卵细胞在获能溶液或专用的受精溶液中完成 受精过程。 (4)胚胎的早期培养: 精子与卵子在体外受精后, 应将受精卵移入发育培养液中 继续培养,以检查受精状况和受精卵的发育能力。培养液成分较复杂,除一些 无机盐和有机盐外,还需添加维生素、激素、氨基酸、核苷酸等营养成分,以 及血清等物质。当胚胎发育到适宜的阶段时,可将其取出向受体移植或冷冻保 存。不同动物胚胎移植的时间不同。(牛、羊一般要培育到桑椹胚或囊胚阶段才 能进行移植,小鼠、家兔等实验动物可在更早的阶段移植,人的体外受精胚胎 可在 8~16 个细胞阶段移植。) 2.胚胎移植 (1)胚胎移植是指将雌性动物的早期胚胎, 或者通过体外受精及其它方式得到的 胚胎,移植到同种的、生理状态相同的其它雌性动物的体内,使之继续发育为 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,作为受体的雌性动物应为常见或存量大的品种。)

地位:如转基因、核移植,或体外受精等任何一项胚胎工程技术所生产的胚胎, 都必须经过胚胎移植技术才能获得后代,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繁殖周期,充分发挥雌性优良个 体的繁殖能力。 (3) 生理学基础:①动物发情排卵后,同种动物的供、受体生殖器官的生理变 化是相同的。这就为供体的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游离状态。这就为胚胎的收集提供了可能。 ③受体对移入子宫的外来胚胎不发生免疫排斥反应。这为胚胎在受体的存活提 供了可能。 ④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。 (4) 基本程序主要包括: ①对供、受体的选择和处理。选择遗传特性和生产性能优秀的供体,有健康的 体质和正常繁殖能力的受体,供体和受体是同一物种。并用激素进行同期发情 处理,用促性腺激素对供体母牛做超数排卵处理。 ②配种或人工授精。 ③对胚胎的收集、检查、培养或保存。配种或输精后第 7 天,用特制的冲卵装 置,把供体母牛子宫内的胚胎冲洗出来(也叫冲卵)。对胚胎进行质量检查,此 时的胚胎应发育到桑椹或胚囊胚阶段。 直接向受体移植或放入-196℃的液氮中 保存。 ④对胚胎进行移植。 ⑤移植后的检查。对受体母牛进行是否妊娠的检查。 3.胚胎分割 (1)概念:是指采用机械方法将早期胚胎切割 2 等份、4 等份等,经移植获得同 卵双胎或多胎的技术。 (2)意义:来自同一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。 (桑椹胚至囊胚的发育过程中, 细胞开始分化,但其全能性仍很高,也可用于胚胎分割。) (4)操作过程:对囊胚阶段的胚胎分割时,要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。

专题 4 生物技术的安全性和伦理问题 (一)转基因生物的安全性争论 : (1)基因生物与食物安全: 反方观点:反对“实质性等同”、出现滞后效应、出现新的过敏原、营养成分 改变 正方观点:有安全性评价、科学家负责的态度、无实例无证据 (2)转基因生物与生物安全:对生物多样性的影响

反方观点:扩散到种植区之外变成野生种类、成为入侵外来物种、重组出有害 的病原体、成为超级杂草、有可能造成“基因污染” 正方观点:生命力有限、存在生殖隔离、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 反方观点:打破物种界限、二次污染、重组出有害的病原微生物、毒蛋白等可 能通过食物链进入人体 正方观点:不改变生物原有的分类地位、减少农药使用、保护农田土壤环境 (二)生物技术的伦理问题 (1)克隆人:两种不同观点,多数人持否定态度。 否定的理由:克隆人严重违反了人类伦理道德,是克隆技术的滥用;克隆人冲 击了现有的婚姻、家庭和两性关系等传统的伦理道德观念;克隆人是在人为的 制造在心理上和社会地位上都不健全的人。 肯定的理由:技术性问题可以通过胚胎分级、基因诊断和染色体检查等方法解 决。不成熟的技术也只有通过实践才能使之成熟。 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、不支持、不接受任何生殖性克隆人的实验。 (2)试管婴儿:两种目的试管婴儿的区别两种。不同观点,多数人持认可态度。 否定的理由:把试管婴儿当作人体零配件工厂,是对生命的不尊重;早期生命 也有活下去的权利,抛弃或杀死多余胚胎,无异于“谋杀”。 肯定的理由:解决了不育问题,提供骨髓中造血干细胞救治患者最好、最快捷 的方法,提供骨髓造血干细胞并不会对试管婴儿造成损伤。 (3)基因身份证: 否定的理由:个人基因资讯的泄漏造成基因歧视,势必造成遗传学失业大军、 造成个人婚姻困难、人际关系疏远等严重后果。 肯定的理由:通过基因检测可以及早采取预防措施,适时进行治疗,达到挽救 患者生命的目的。 (三)生物武器 (1)种类:致病菌、病毒、生化毒剂,以及经过基因重组的致病菌。 (2)散布方式:吸入、误食、接触带菌物品、被带菌昆虫叮咬等。 (3)特点:致病力强、多数具传染性、传染途径多、污染面广、有潜伏期、不 易被发现、危害时间长等。 (4)禁止生物武器公约及中国政府的态度 不发展、不生产、不储存生物武器,并反对生物武器及其技术和设备的扩散。

专题 5 生态工程 1.生态原理

2.生态工程实例分析 实例 问题 实现物质的多级 循环利用,在资 农村综合 源有限的条件下 发展型生 能较多的产出, 态工程 以解决人多地少 的矛盾

原理

对策

案例 窦店村以沼 气工程为中 心的生态工 程 甘肃陇南地 区“九子登 科”模式

物质循环再生 建立综合发 原理、整体性 展型生态工 原理、物种多 程 样性原理 运用多种原 理, 应用多种 措施综合治 理 退耕还林还 草、 植树造林 等

整体性原理、 小流域综 小流域的水土流 协调与平衡原 合治理生 失 理、因地制宜 态工程 的原理 大区域生 态 系 统 恢 土地荒漠化 协调与平衡原 复工程 理、整体性原 理 湿地生态 湿地缩小和破坏 恢复工程

“三北”防护 林退耕还林 还草工程 江西鄱阳湖 控制污染、 退 的生态恢复 田还湖 工程 矿 区 废 弃 矿区生态环境问 系统学和工程 修复土地、 恢 赤峰市元宝 地的生态 题 学原理 复植被 山矿区生态

恢复工程

恢复工程

城市绿化、 污 协调与平衡原 污水及垃圾 城市生态 水净化、 废弃 环境污染 理、整体性原 处理、城市绿 工程 物处理、 合理 理等 化 布局等 3.意义:在肯定生态工程的作用,体别是对恢复和重建受损生态环境的重要作 用的同时,不要忘记大自然固有的强大的生态恢复力量;更不能误认为只要有 了生态工程,就可以走发达国家“先污染、破坏,后治理”的老路。 附页: 1.离体的植物器官、组织或细胞 ―(脱分化)→愈伤组织 ―(再分化)→试 管苗 ―→植物体 2.除去细胞壁的酶:纤维素酶和果胶酶。 3.植物培养基中的激素:细胞分裂素和生长素,当生长素的含量高于细胞分裂 素时,主要诱导植物细胞脱分化和根原基的形成;当细胞分裂素的含量高于生 长素时,主要诱导植物细胞再分化和芽原基的形成。 4.各培养基成分比较: 植物组织(固体) 动物细胞(液 胚胎(液 体) 体) 无机营养成分、 有机营 葡萄糖、氨基酸、 无机盐、有机盐、 成 养成分(蔗糖)、激素 促生长因子、 无机 维生素、激素、氨 分 (细胞 分裂素,生长 盐、微量元素、动 基酸、核苷酸、动 素)、琼脂 物血清 物血清 5.体细胞核移植用去核的卵母细胞的原因:①体积大,易操作 ②营养多 ※③ 激发细胞核的全能性。 6.精子的发生:从初情期开始,细胞核→头部,高尔基体→顶体,线粒体→线 粒体鞘,中心体→尾 7.卵子的发生:在胚胎性别分化后,卵巢内的卵母细胞通过有丝分裂增加其数 量。排卵:马排出初级卵母细胞,绵羊,牛等排出次级卵母细胞。 8.判断卵子受精的标志:在卵黄膜和透明带的间隙看到两个极体。 9.受精:场所:输卵管 准备:精子获能(体外受精时,使用一定浓度的肝素或 者钙离子载体 A23187 溶液) , 卵子在受精前也要经历类似精子获能的过程。 受 精阶段:获能精子与卵子相遇,首先发生顶体反应,释放的顶体酶可直接溶解 卵丘细胞质之间的物质,并在透明带融出一条通道,当精子与卵黄膜接触时, 与卵黄膜融合,精子入卵。 10.防止多精入卵的两道屏障:透明带反应、卵黄膜封闭作用 11.牛的体外受精技术最高。 12.胚胎移植最重要意义:胚胎移植可充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力。 13.使用性激素使受体和供体母牛进行同期处理, 使用促性腺激素促进供体母牛 超数排卵。


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