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1、- 1 -专题专题 1414 现代生物科技专题现代生物科技专题一、基因工程和蛋白质工程1.1.掌握基因工程的掌握基因工程的 3 3 种工具种工具: :(1)限制性核酸内切酶:识别特定核苷酸序列,并在特定位点切割 DNA 分子,切开磷酸二酯键磷酸二酯键,产生黏性末端或平末端黏性末端或平末端。(2)DNA 连接酶:连接两个 DNA 片段形成磷酸二酯键。(3)载体:有质粒、 噬菌体的衍生物、动植物病毒等。2.2.掌握基因工程的操作流程掌握基因工程的操作流程: :(1)获取目的基因的 3 种途径:从基因文库中获取。利用 PCR 技术扩增。通过化学方法化学方法人工合成。(2)基因表达载体的构建:目的基因
2、。启动子:RNA 聚合酶识别和结合部位,驱动基因转录。终止子:RNARNA 聚合酶聚合酶脱离部位,终止转录。标记基因:鉴别受体细胞中是否导入含有目的基因的基因表达载体。(3)将目的基因导入受体细胞:导入方法根据生物的种类不同而不同:植物:农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法。动物:显微注射技术(导入受精卵)。微生物:感受态细胞法感受态细胞法(Ca2+处理)。(4)目的基因的检测与鉴定:检测目的基因是否导入受体细胞:DNA 分子杂交技术。检测目的基因是否转录出 mRNA:分子杂交技术。检测目的基因是否翻译成蛋白质:抗原-抗体杂交技术。个体生物学水平鉴定:根据表达性状判断。3.PCR3.PCR 技
3、术技术: :- 2 -(1)原理:DNA 双链复制。(2)条件:引物、DNA 模板、TaqDNA 聚合酶、四种脱氧核苷酸脱氧核苷酸。(3)过程:变性复性延伸。(4)结果:目的基因呈指数形式扩增(约为 2n,n 为扩增循环次数)。(5)与体内 DNA 复制不同:不需要解旋酶,需耐高温的 DNA 聚合酶。4.4.蛋白质工程蛋白质工程: :(1)原理:中心法则中心法则的逆推。(2)实质:改造基因。(3)产物:产生自然界中没有的新蛋白质。二、细胞工程1.1.植物组织培养植物组织培养: :(1)条件:离体,一定营养物质,激素(生长素、细胞分裂素)等。(2)培养基状态:固体培养基。(3)植物组织培养的目的
4、不同,培养阶段也就不一样:若生产人工种子,则培养到胚状体阶段。若提取细胞产物,则培养到愈伤组织阶段。若培育新个体,则应培养到试管苗阶段。2.2.植物体细胞杂交植物体细胞杂交: :(1)植物体细胞杂交技术:将不同的植物体细胞,在一定条件下融合成杂种细胞杂种细胞,并把杂种细胞杂种细胞培育成新的植物体的过程。不管是染色体数、基因组数,还是染色体组都采用直接相加的方法计算。(2)酶解法:用纤维素酶和果胶酶处理去除细胞壁细胞壁。(3)诱导原生质体融合:物理法(离心、振动、电激)、化学法(聚乙二醇)。(4)原生质体融合成功的标志再生出新的细胞壁。(5)杂种植物细胞培育成功的原理:植物细胞的全能性。3.3.
5、动物细胞培养的特殊营养条件动物细胞培养的特殊营养条件: :(1)液体培养基,加入动物血清动物血清、血浆等。(2)通入氧气以满足代谢的需要。(3)通入二氧化碳二氧化碳以维持培养液的 pH。4.4.动物体细胞核移植技术动物体细胞核移植技术: :- 3 -(1)流程图:(2)原理:动物细胞核的全能性全能性。(3)卵母细胞去核的方法:显微操作法。(4)供体细胞:传代 10 代以内的细胞。因为 10 代以内的细胞能保持正常的二倍体核型。(5)细胞核移植技术中也可将供体细胞直接注入去核卵母细胞中。5.5.动物细胞融合动物细胞融合: :(1)原理:细胞膜的流动性、细胞增殖细胞增殖。(2)诱导方法:物理法、化
6、学法和生物法物理法、化学法和生物法( (灭活的病毒灭活的病毒) )。6.6.单克隆抗体单克隆抗体: :(1)三种细胞特点不同:免疫后的 B 淋巴细胞:能分泌抗体,不能增殖。骨髓瘤细胞:能大量增殖,不能分泌抗体。杂交瘤细胞:既能分泌抗体,又能大量增殖。(2)两次筛选的目的不同:第一次筛选:通过选择培养基筛选出杂交瘤细胞。第二次筛选:通过克隆化培养、抗体检测,筛选出能产生特异性抗体的细胞群。三、胚胎工程1.1.操作对象操作对象: :早期胚胎或配子(生殖细胞、受精卵和早期胚胎细胞)。2.2.实质实质: :在体外条件下,对动物自然受精和早期胚胎发育条件进行的模拟操作。3.3.理论基础理论基础: :哺乳
7、动物受精机制和早期胚胎发育的规律。4.4.技术技术: :体外受精技术体外受精技术、胚胎移植技术、胚胎分割技术胚胎分割技术。5.5.胚胎移植过程中的四个解读胚胎移植过程中的四个解读: :(1)排卵是指卵子从卵泡中排出。(2)受精过程 3 大反应:顶体反应、透明带反应透明带反应、卵细胞膜反应。- 4 -(3)区别两个标志:受精标志:卵细胞膜和透明带的间隙可以观察到两个极体。受精完成标志:雌雄原核融合成合子。(4)防止多精入卵受精的两大屏障:透明带反应和卵细胞膜反应透明带反应和卵细胞膜反应。7.7.胚胎移植的生理学基础胚胎移植的生理学基础: :(1)胚胎移入的基础:哺乳动物发情排卵后,同种动物的供、
8、受体生殖器官的生理变化是相同的。(2)胚胎收集的基础:哺乳动物的早期胚胎形成后,在一定时间内不会与母体子宫建立组织上的联系,而是处于游离状态游离状态。(3)移入胚胎存活的基础:受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应不发生免疫排斥反应。(4)保留遗传特性的基础: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。四、生态工程1.1.生态工程的原理生态工程的原理: :(1)物质循环再生原理。(2)物种多样性原理物种多样性原理。(3)协调与平衡原理协调与平衡原理。(4)整体性原理。(5)系统学和工程学原理。2.2.生态工程基本原理的判断方法生态工程基本原
9、理的判断方法: :(1)强调物质循环、废物利用、减轻环境污染物质循环再生原理物质循环再生原理。(2)体现物种多,营养关系复杂物种多样性原理物种多样性原理。(3)强调生物与环境的协调与平衡;涉及环境承载力协调与平衡原理协调与平衡原理。(4)涉及自然、经济和社会,指整个系统,如林业生态工程建设整体性原理整体性原理。(5)涉及结构、功能,分布式、集中式、环式系统的结构决定功能原理(系统学和工程学原理)。(6)涉及系统组分的比例关系、总体功能大于各部分之和,指系统内部,如互利共生系统整体性- 5 -原理(系统学和工程学原理)。1.下列有关基因工程和细胞工程的叙述,正确的是_。 重组 DNA 技术所用的
10、工具酶是限制酶、连接酶和运载体。没有与目的基因重组的质粒也可以进入受体细胞。蛋白质工程是在分子水平上对基因进行操作。用人胰高血糖素基因制成 DNA 探针,检测胰岛 A 细胞中 mRNA,可形成杂交分子。转基因抗虫棉植株抗虫效果的鉴定必须通过分子检测。外植体应进行消毒处理以防止杂菌污染。脱分化和再分化过程需要考虑不同激素的浓度比例,同时还需要避光处理。制备单克隆抗体时,需要诱导免疫的 B 淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合。选择高度分化的动物体细胞进行培养,有利于获得大量细胞。2.下列有关胚胎工程和生态工程的叙述,正确的是。为获取更多的卵(母)细胞,要对供体母羊注射促性腺激素,使其同期发情。早期胚胎的培养
11、液中含有维生素、激素等多种能源物质。采用胚胎分割技术产生同卵多胎数量是有限的。早期胚胎培养和动物细胞培养的培养液通常都需要加入血清。胚胎干细胞可以从早期胚胎和原始性腺中分离获得。体外受精后的一定时间内,收集供体原肠胚用于胚胎分割。单一人工林比天然混合林稳定性低,易爆发病虫害协调与平衡原理。林业生态工程建设,既考虑种树又考虑生活问题整体性原理。1.(2018全国卷)回答下列问题:(1)博耶(H. Boyer)和科恩(S. Cohen)将非洲爪蟾核糖体蛋白基因与质粒重组后导入大肠杆菌细胞中进行了表达。该研究除证明了质粒可以作为载体外,还证明了_(答出两点即可)。 (2)体外重组的质粒可通过 Ca2
12、+参与的_方法导入大肠杆菌细胞;而体外重组的噬菌体 DNA 通常需与_组装成完整噬菌体后,才能通过侵染的方法将重组的噬菌体DNA 导入宿主细胞,在细菌、心肌细胞、叶肉细胞中,可作为重组噬菌体宿主细胞的是- 6 -_。 (3)真核生物基因(目的基因)在大肠杆菌细胞内表达时,表达出的蛋白质可能会被降解。为防止蛋白质被降解,在实验中应选用_的大肠杆菌作为受体细胞,在蛋白质纯化的过程中应添加_的抑制剂。 【解析】(1)体外重组的质粒进入受体细胞才能使子代细胞具有目的基因,故体外重组的质粒,必须可以进入受体细胞。目的基因是具有遗传效应的 DNA 片段,必须可在原核细胞中表达才能使受体细胞获得新性状。(2
13、)外源基因导入微生物受体细胞的方法是先用 Ca2+处理大肠杆菌,使其成为感受态细胞,然后让重组表达载体 DNA 分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合,在一定温度下促进感受态细胞吸收 DNA分子,完成转化过程。噬菌体属于专门侵染细菌的病毒,而心肌细胞和叶肉细胞均属于真核细胞,故可作为重组噬菌体宿主细胞的是细菌。(3)由于大肠杆菌细胞内含有可以分解目的基因表达的蛋白质的酶,故实验中需要选用蛋白酶缺陷型的大肠杆菌,蛋白质纯化时需要抑制蛋白酶的活性。答案:(1)体外重组的质粒可以进入受体细胞;真核生物基因可在原核细胞中表达(2)转化 外壳蛋白(或噬菌体蛋白) 细菌(3)蛋白酶缺陷型 蛋白酶2.(2018全
14、国卷)2018 年细胞期刊报道,中国科学家率先成功地应用体细胞对非人灵长类动物进行克隆,获得两只克隆猴“中中”和“华华” 。回答下列问题:(1)“中中”和“华华”的获得涉及核移植过程,核移植是指_。通过核移植方法获得的克隆猴,与核供体相比,克隆猴体细胞的染色体数目_(填“减半” “加倍”或“不变”)。 (2)哺乳动物的核移植可以分为胚胎细胞核移植和体细胞核移植,胚胎细胞核移植获得克隆动物的难度_(填“大于”或“小于”)体细胞核移植,其原因是_。 (3)在哺乳动物核移植的过程中,若分别以雌性个体和雄性个体的体细胞作为核供体,通常,所得到的两个克隆动物体细胞的常染色体数目_(填“相同”或“不相同”
15、),性染色体组合_(填“相同”或“不相同”)。 【解析】(1)核移植是指将动物的一个细胞的细胞核,移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中,使其重组并发育成一个新的胚胎,这个胚胎最后发育为动物个体;通过核移植方法获得的克隆猴的细胞核来自供体,因此克隆猴体细胞的染色体数目和核供体一致。- 7 -(2)胚胎细胞核移植的难度小于体细胞核移植,原因是动物胚胎细胞分化程度低,恢复其全能性相对容易。(3)哺乳动物雌性个体和雄性个体的体细胞染色体中的常染色体相同,性染色体前者是 XX,后者是XY,因此分别以雌性个体和雄性个体的体细胞作为核供体,通常所得到的两个克隆动物体细胞的常染色体数目相同,性染色体组合不相同。
16、答案:(1)将动物的一个细胞核,移入一个已去掉细胞核的卵母细胞中 不变 (2)小于 胚胎细胞分化程度低,恢复全能性相对容易 (3)相同 不相同3.(2016全国卷)某一质粒载体如图所示,外源 DNA 插入 Ampr或 Tetr中会导致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载体用 BamH酶切后,与用 BamH酶切获得的目的基因混合,加入 DNA 连接酶进行连接反应,用得到的混合物直接转化大肠杆菌,结果大肠杆菌有的未被转化,有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种,分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列
17、问题:(1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有_(答出两点即可)。而作为基因表达载体,除满足上述基本条件外,还需具有启动子和终止子。 (2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选,在上述四种大肠杆菌细胞中,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的,其原因是_;并且_和_的细胞也是不能区分的,其原因是_。在上述筛选的基础上,若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落,还需使用含有_的固体培养基。 (3)基因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其 DNA 复制所需的原料来自_。 【解题指导】解答本题的关键有两点:(1)理解基因工程中载体的特点。(2)熟悉导入重组质粒的
18、微生物的筛选方法。【解析】本题考查基因工程的相关知识。- 8 -(1)质粒被选用为基因工程的载体是因为:具有一个或多个限制酶切点;具有自我复制能力;带有标记基因;对宿主细胞无害。(2)未转化的和仅含环状目的基因的细胞都不能在含有氨苄青霉素的培养基上生长,故这两种不可区分。含有质粒载体和含有插入了目的基因的重组质粒的细胞在含有氨苄青霉素的培养基上都能生长,这两种也不可区分。因目的基因插入位点在四环素抗性基因上,四环素抗性基因被破坏,在获得的单个菌落中各挑取少许分别接种到含有四环素的培养基上,不能生长的为要筛选的菌落,即含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。(3)噬菌体营寄生生活,能利用宿主细胞内的原料和场所进行自身 DNA 的复制和蛋白质的合成。答案:(1)能自我复制、具有标记基因(2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插入了目的基因的重组质粒(或含有重组质粒) 二者均含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均能生长 四环素(3)受体细胞