高三專題生物工程

生物工程授課人：浙江省椒江一中朱朝義高三生物專題復(fù)習(xí)一、基因工程概念、特點(diǎn)、應(yīng)用⒈概念：基因工程（也稱遺傳工程）：是指按照人類的愿望，將不同生物的遺傳物質(zhì)在體外人工剪切并和載體重組后轉(zhuǎn)入細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)增，并表達(dá)產(chǎn)生出所需的蛋白質(zhì)的技術(shù)。⒉特點(diǎn)：基因工程能夠打破種屬的界限，在基因水平上改變生物遺傳性，并通過工程化手段為人類提供有用的產(chǎn)品及服務(wù)。⒊應(yīng)用：如將人的胰島素基因等導(dǎo)入細(xì)菌中，由細(xì)菌生產(chǎn)出人的島素。將一些外源基因?qū)胫参锛?xì)胞，培育出諸如抗蟲棉花等植物新品種。將人的有關(guān)基因轉(zhuǎn)移到動物細(xì)胞，得到諸如含有人干擾素的羊奶等。另外在基因診斷、基因治療、基因工程疫苗、器官移植等方面也展現(xiàn)出廣闊的前景。第一步：獲取目的基因——基因的直接分離或人工合成。即獲取含有所需要的完整的遺傳信息的DNA片段。目的基因獲取方法①超速離心法②分子雜交法③反（逆）轉(zhuǎn)錄法④人工合成法二、基因工程基本步驟第二步：目的基因與運(yùn)載體結(jié)合——不同來源的DNA重組。一般將目的基因和運(yùn)載體（細(xì)菌的質(zhì)粒、噬菌體等）用相同的限制性內(nèi)切酶切斷，將用適宜的DNA連接酶將其粘性末端連接，形成重組DNA。第三步：目的基因的導(dǎo)入和表達(dá)——通過運(yùn)載體把目的基因帶入某生物體內(nèi)，并使目的基因在受體細(xì)胞內(nèi)能準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)錄和翻譯?；蚬こ汤?、基因工程方法基因工程在生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用前景極為廣闊，它在生產(chǎn)基因藥物、培育特殊的動植物品種以及環(huán)境保護(hù)等方面已展示出極大的魅力和其它傳統(tǒng)育種方法所沒有的優(yōu)點(diǎn)。度運(yùn)用有關(guān)原理分析作答：⑴在培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因植物的基因操作中，所用基因的“剪刀”是

，基因的“針線”是

，基因的“運(yùn)輸工具”是

。⑵與雜交育種、誘變育種相比，通過基因工程的方法來培育動植物新品種的主要優(yōu)點(diǎn)是：。⑶基因工程現(xiàn)已取得長足的發(fā)展，并在許多方面得到應(yīng)用。不過，在遺傳工程發(fā)展過程中，也可能出現(xiàn)負(fù)面影響。試舉一例加以說明：DNA限制性內(nèi)切酶DNA連接酶目的基因的運(yùn)載體（質(zhì)粒等）①目的性強(qiáng)，②育種周期短，③克服遠(yuǎn)緣雜交的障礙?；蚬こ汤?、基因工程方法答案⑶應(yīng)用參考：

例如基因治療：若知某種遺傳病是由某種基因引起的，則可以通過基因工程的方法，把這種引起疾病的基因去除，換上正常的基因，從而達(dá)到治病的目的。但是，重組的基因可能使細(xì)菌、病毒等發(fā)生突變而成為超級細(xì)菌、超級病毒，或被一些戰(zhàn)爭狂人利用。此外，重組基因的生物還可能會產(chǎn)生一些諸如基因污染等難以預(yù)測的危害。基因知識問答11、什么是基因？基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段，染色體是基因的載體、基因在染色體上呈線性排列，基因的實(shí)質(zhì)是DNA分子中脫氧核苷酸的排列順序所代表的遺傳信息，基因通過控制蛋白質(zhì)的合成來實(shí)現(xiàn)對生物性狀的控制。2、什么是基因組？制造一個(gè)機(jī)體的全部指令稱作基因組，基因組含有某個(gè)細(xì)胞或某個(gè)機(jī)體在有生之年所有細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞活動的藍(lán)圖。人體數(shù)萬億細(xì)胞的每個(gè)細(xì)胞核里都有基因組。2、我們共有多少基因？基因是一段DNA它告細(xì)胞如何制造某種蛋白質(zhì)。每種氨基酸的代碼都是三個(gè)字母組成的序列。細(xì)胞的機(jī)制解讀這些代碼后就會抓住適合的氨基酸，再把它們串起來，制造出蛋白質(zhì)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）。我們共有大約3~4萬個(gè)基因。3、什么叫堿基對？兩條DNA鏈的堿基通過氫鍵形成堿基對。基因組的大小通常由堿基對的數(shù)量表示。人類基因組計(jì)劃大約需要測定24條染色體（22條常染色體和1條性染色體構(gòu)成人的一個(gè)染色體組，但因人的X和Y染色差異很大，需單獨(dú)測定。）上的大約30億對堿基對的排列順序?；蛑R問答2基因研究年表11865年：孟德爾通過豌豆的雜交實(shí)驗(yàn)研究指出：生物的性狀都是通過遺傳因子（基因）來傳遞的。1909年：識別出DNA的化學(xué)構(gòu)成，首次使用“基因”這個(gè)詞1953年：沃森和克里克建立了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。1969年：分離出第一個(gè)基因1970年：第一個(gè)人造基因誕生1978年：利用細(xì)菌制造出胰島素1986年：杜伯克在美國《科學(xué)》雜志上首次提出了人類基因組計(jì)劃（HGP）1990年：被譽(yù)為生命科學(xué)“阿波羅登月計(jì)劃”的國際人類基因組計(jì)劃啟動。1998年私營的塞利拉基因組公司加入人體基因組研究的競爭。1999年：我國科學(xué)家應(yīng)邀承擔(dān)國際人類基因級大規(guī)模測序任務(wù)的1%。2000年：美國總統(tǒng)比爾·克林頓和英國首相托尼·布萊爾聯(lián)合呼吁，讓基因組序列成為全世界都能自由享用的研究成果。研究人員完成第一份人體基因組草圖。基因研究年表2人類基因組計(jì)劃11、人類基因組計(jì)劃的內(nèi)容人類基因組計(jì)劃（HGP）的目標(biāo)旨在闡明人類基因組DNA堿基對的序列，發(fā)現(xiàn)所有人類遺傳信息。在2000年6月26日，人類基因組的“工作框架圖”完成，（參照基因組序列）。接下來研究的是人類DNA序列的差異，以便為人類疾病與人類歷史的研究提供有力的工具（后基因組計(jì)劃。人類基因組計(jì)劃的提出和實(shí)施，以及第一張人類基因組“工作框架圖”的繪制完成，不僅意味著人類從分子水平認(rèn)識自身的開始，也意味著生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有了新的方向。人類基因組計(jì)劃廣闊的應(yīng)用前景為基因工程產(chǎn)業(yè)提供了契機(jī)，并使人類基因組計(jì)劃迅速地由研究領(lǐng)域轉(zhuǎn)向應(yīng)用領(lǐng)域。人類基因組計(jì)劃2２、人類基因組計(jì)劃的研究方向和應(yīng)用前景⑴結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究一是完成基因組全序列圖（完成工作圖），二是不同種族SNP（單核苷酸多態(tài)性）圖；三是基因序列的識別；四是結(jié)構(gòu)信息學(xué)和結(jié)構(gòu)——功能關(guān)系信息學(xué)的建立。⑵醫(yī)學(xué)基因組學(xué)研究主要是通過DNA序列差異的分析，從基因組水平上指導(dǎo)和優(yōu)化臨床應(yīng)用。⑶蛋白質(zhì)組學(xué)的研究在蛋白質(zhì)分子水平上大規(guī)模研究基因功能。⑷基因調(diào)控研究不同條件下基因表達(dá)譜的變化是基因組調(diào)控的結(jié)果。人類基因組計(jì)劃3３、人類基因組計(jì)劃帶來的啟示人類基因組計(jì)劃是人類從分子水平認(rèn)識自身的開端，特別是它提供了新的治療疾病的手段。任何藥物都是通過影響人類的各種生物學(xué)過程發(fā)揮其治療作用的。主要作用對象是以蛋白質(zhì)為主體的相關(guān)生物大分子，如各種酶、激素、受體。新藥的有效設(shè)計(jì)和開發(fā)要求對這些藥物靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)、性能有精確的了解。隨著人類基因給學(xué)研究的開展，以藥物靶分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，有理論依據(jù)的設(shè)計(jì)藥物是最有效的途徑，特別是基于靶分子結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)將成為新藥發(fā)展的主流。人類基因組計(jì)劃例1（2000年廣東高考）“人類基因組計(jì)劃”的目標(biāo)是繪制四張圖，具體情況如下：兩張圖上的染色體上都標(biāo)明人類全部的大約10萬個(gè)基因的位置（其中一張圖用遺傳單位表示基因間的距離，另一張圖用核苷酸數(shù)目表示基因原距離）；一張圖顯示出染色體上全部DNA約30億個(gè)堿基對的排列順序；還有一張圖是基因轉(zhuǎn)錄圖。⑴該計(jì)劃需要測定人類的24條染色體的基因和堿基順序。試指出是哪24條染色體？為什么不是23條染色體？⑵在上述的24條染色體中，估計(jì)基因的堿基對數(shù)目不超過全部堿基對的10%。試問平均每個(gè)基因最多含多少個(gè)堿基對？⑶你認(rèn)為“人類基因組計(jì)劃”有何意義？人類基因組計(jì)劃例1答案參考答案：⑴、是22條常染色體和X、Y兩條性染色體，因?yàn)閄、Y染色體具有不同的基因和堿基順序，所以一共測定24條染色體；⑵、3000；⑶、有利于疾病的診斷和治療；有利于研究生物進(jìn)化；有利于培育優(yōu)良和高等動植物品種；有利于研究基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。人類基因組計(jì)劃例1說明說明：⑴、一個(gè)基因組實(shí)際就是指一個(gè)染色體組，包括22個(gè)常染色體和2個(gè)性染色體（X和Y染色體），由于X染色體與Y染色體在基因組成上有很大的區(qū)別，所以在實(shí)際測定人類單基因組時(shí)，測定24條染色體，即22條常染色體和2條性染色體。⑵、3000000000×10%÷100000=3000⑶、人類基因組計(jì)劃的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，目前還很難作出全面的估計(jì)。但根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，在下列幾個(gè)方面產(chǎn)生重大的影響：一是疾病的診斷和治療；二是研究生物的進(jìn)貨；三是培育優(yōu)良的動植物新品種；四是研究基因的表達(dá)機(jī)制等?；蚬こ痰睦?轉(zhuǎn)基因生物有利的一面:⑴改變傳統(tǒng)的育種方式縮短育種時(shí)間。培育出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、抗病蟲害、抗旱、抗鹽堿，抗除草劑等特性的作物新品種。⑵克服異源、遠(yuǎn)源雜交障礙。如可以把動物的基因，甚至人的基因組合到植物里去。⑶生產(chǎn)有利于健康和抗病的食品。⑷培育出符合人們意愿的動物新品種。基因工程的利弊2基因工程的弊端：⑴有些轉(zhuǎn)基因食物含的一些物質(zhì)，可能會影響人體健康。⑵大量的轉(zhuǎn)基因生物進(jìn)入自然界后很可能會與野生物種進(jìn)行雜交，產(chǎn)生一些超級生物，從而造成基因污染。⑶如有些作物插入抗蟲基因，殺死環(huán)境中有益的生物?；蛸Y源的保護(hù)基因資源是指自然界中的全部基因的總和?；驇焓悄骋环N生物群體全部個(gè)體所含的全部基因（包括核內(nèi)和核外基因）。為防止基因資源的流失和基因污染，保護(hù)措施大致有以下幾種：①建立自然保護(hù)區(qū)；②建立好各類動植物園；③建立種子庫；④建立細(xì)胞銀行；⑤組織培養(yǎng)；⑥建立基因文庫；細(xì)胞工程概念和類型概念：細(xì)胞工程是指應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的方法，通過某種工程學(xué)手段，在細(xì)胞整體水平或細(xì)胞器水平上，按照人們的意愿來改變細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)或獲得細(xì)胞產(chǎn)品的一門綜合技術(shù)科學(xué)。類型：就技術(shù)范圍而言，大致有細(xì)胞融合技術(shù)、細(xì)胞拆合技術(shù)、染色體導(dǎo)入技術(shù)、胚胎移植技術(shù)、和細(xì)胞組織培養(yǎng)技術(shù)等。⑴細(xì)胞融合技術(shù)是指把兩個(gè)不同的細(xì)胞在融合劑的作用下，融合成一個(gè)細(xì)胞的技術(shù)。（如下圖）仙苔病毒、硫酸二乙酯等促融劑融合⑴細(xì)胞拆合技術(shù) 也稱為細(xì)胞核（包括細(xì)胞器）移植技術(shù)，是將細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)用某種方法拆開，然后再把分離的不同細(xì)胞的細(xì)胞核和胞質(zhì)體重新組合成一個(gè)新細(xì)胞。細(xì)胞工程的類型⑶細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù) 是將生物體內(nèi)的某一組織分散成單個(gè)細(xì)胞，接種在人工配制的培養(yǎng)基上，然后在適當(dāng)?shù)臈l件下（如一定的光照、溫度和pH值等）進(jìn)行培養(yǎng)技術(shù)。由于單個(gè)細(xì)胞的培養(yǎng)難度大一些，目前多采用組織培養(yǎng)技術(shù)。如通過植物胚胎或器官（根尖、莖尖、花藥等）的離體培養(yǎng)，生成新植株（試管苗）。從而快速、大量繁殖一些有價(jià)值的植物。細(xì)胞工程的應(yīng)用１、單克隆抗體將免疫Ｂ淋巴與骨髓瘤細(xì)胞融合在一起，形成雜交瘤細(xì)胞。這種細(xì)胞既能夠像腫瘤細(xì)胞那樣長期進(jìn)行無性繁殖，又能像Ｂ淋巴細(xì)胞那樣分泌抗體。而且由于這種抗體可以是由單一的無性繁殖細(xì)胞系的細(xì)胞產(chǎn)生的，故又可以稱單克隆抗體。２、植物組織培養(yǎng)是指將植物的器官、組織或細(xì)胞從植物體上取出，在一定的容器里供給適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)，使它們得到分化、發(fā)育和生長的培養(yǎng)技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是植物細(xì)胞的全能性。珊已得到廣泛的應(yīng)用。如繁殖名貴優(yōu)良的農(nóng)作物品種，培養(yǎng)脫毒苗等。細(xì)胞工程的應(yīng)用３、試管嬰兒是指將精子和卵子從人體內(nèi)取出來，在人工提供的生活條件下（通常是試管內(nèi)）進(jìn)行受精，并讓其發(fā)育到一定的階段形成早期胚胎，再將其移植到“代理母親”的子宮內(nèi)繼續(xù)發(fā)育，直至誕生。４、克隆動物克隆即無性繁殖系，是指從一個(gè)共同的祖先，通過無性繁殖的方法產(chǎn)生出來的一群遺傳特性相同的ＤＮＡ分子、細(xì)胞或個(gè)體。克隆動物一般是指通過無性繁殖形成動物后代。如1997年英國生物學(xué)家首次用成年羊的（乳腺細(xì)胞）體細(xì)胞，成功地克隆出一只小母羊“多莉”。（如下圖）多莉羊的培育過程1、誰是“多莉”的母親？2、“多莉羊”是雄還是雌？3、是否符合孟德爾遺傳？問題卵細(xì)胞C母綿羊子宮Ａ母綿羊Ｂ母綿羊乳腺細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核細(xì)胞核移植胚胎移植早期胚胎多莉羊分娩卵裂融合后的卵細(xì)胞細(xì)胞拆合技術(shù)妊娠多莉羊誕生的意義：

多莉羊在在技術(shù)上的突破之處在于供核細(xì)胞不是胚胎細(xì)胞，而是已分化的體細(xì)胞。這說明已經(jīng)分化的動物體細(xì)胞核，仍然具有全能性，在合適的條件下，就可以發(fā)育成新的個(gè)體。 克隆技術(shù)在繁育優(yōu)良家畜、治療人類遺傳病、搶救瀕危物種和保護(hù)生物多樣性等方面有廣闊的應(yīng)用前景?？寺〉囊饬x與應(yīng)用細(xì)胞工程應(yīng)用例1、多莉⑴寫出ａ、ｂ所指的細(xì)胞工程各稱：ａｂ。⑵實(shí)施細(xì)胞工程ａ時(shí)，所需的受體細(xì)胞大多采用動物卵細(xì)胞的原因是：。⑶多莉面部的毛色是

，判斷依據(jù)：

。⑷繼植物組織培養(yǎng)之后，克隆綿羊培育成功，證明動物細(xì)胞也具有

。⑸請舉例說明克隆綿羊培育成功的實(shí)際意義：。（1999上海高考）世界上第一只克隆綿羊“多莉”的培育等程序如圖所示。請仔細(xì)看