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现代生物科技专题
选修三 现代生物科技专题
第1讲 基因工程——及其安全性(含生物武器)
\
一、基因工程的概念及基本工具
1.概念
(1)操作环境:
体外
(2)操作水平:
分子(DNA)水平,又叫①________
(3)原理:
②________
(4)优点:
定向改造生物性状
2.基因工程的基本工具
(1)限制性核酸内
切酶
(3)载体
①常用载体
——质粒
②其他载体:
λ噬菌体衍生物、⑪________等。
二、基因工程的基本操作程序
1.目的基因的获取
(1)目的基因:
编码蛋白质的基因。
(2)获取方法:
从基因文库中获取、利用⑫________扩增目的基因、利用⑬________人工合成。
2.基因表达载体的构建——基因工程的核心
(1)目的:
使目的基因在受体细胞中⑭____________,并可以遗传给下一代;使目的基因能够⑮____________和发挥作用。
(2)基因表达载体的组成:
目的基因、⑯________、终止子和标记基因等,如图。
①与载体相比较,增加启动子、目的基因和终止子三个基因片段,其功能各不相同。
②启动子(DNA片段)≠起始密码子(RNA);终止子(DNA片段)≠终止密码子(RNA)。
3.将目的基因导入受体细胞
导入植物细胞:
⑰________________、基因枪法、花粉管通道法
导入动物细胞:
⑱____________
导入微生物的方法:
先用⑲________处理再融合
4.目的基因的检测和鉴定
(1)检测:
分子水平。
检测是否有目的基因:
分子杂交技术
(⑳________+转基因生物
________)
检测是否转录:
分子杂交技术
(DNA探针+转基因生物
________)
检测是否翻译:
________
(2)鉴定:
个体水平。
三、基因工程的应用
技术名称
应用
植物基因
工程
培育抗虫转基因植物、抗病转基因植物和
________转基因植物,利用转基因改良植物的品质
动物基因
工程
提高动物生长速度,改善畜产品的品质,用转基因动物生产药物,用转基因动物作
________的供体
基因治疗
把
________导入病人体内,使其表达产物发挥作用,从而治疗疾病,分为体内基因治疗和体外基因治疗
四、蛋白质工程
1.崛起缘由
天然蛋白质
________人类生产和生活的需要。
2.目标
根据人们对蛋白质功能的特定需求,对
________进行分子设计。
3.操作手段
基因修饰或基因合成。
4.设计流程
预期蛋白质功能―→设计预期蛋白质结构―→推测应有的
________序列―→找到对应的
________序列(基因)。
基因工程的理论基础与操作工具
1.基因工程的基本原理和理论基础概括(如下图)
2.与DNA分子相关的酶
(1)几种酶的比较
比较项目
限制酶
DNA连接酶
DNA聚合酶
解旋酶
作用底物
DNA分子
DNA分子片段
脱氧核苷酸
DNA分子
作用部位
磷酸二酯键
磷酸二酯键
磷酸二酯键
碱基对间的氢键
作用结果
形成黏性末端或平末端
形成重组DNA分子
形成新的DNA分子
形成单链DNA分子
②DNA连接酶起作用时不需要模板。
基因工程的基本操作程序及其应用
1.目的基因的获取途径
(1)从基因文库中获取:
包括基因组文库和cDNA文库等。
(2)人工合成目的基因的常用方法
①化学合成法:
已知核苷酸序列的较小基因,直接利用DNA合成仪用化学方法合成,不需要模板。
②反转录法:
以RNA为模板,在逆转录酶作用下人工合成。
(3)通过PCR技术扩增目的基因
即通过指数式扩增获取大量的目的基因。
2.基因表达载体的构建
①该过程把三种工具(两种工具酶、一种载体)全用上了,是最核心、最关键的一步,在体外进行。
②基因表达载体结构模式图参见“双基自主落实”
3.将目的基因导入受体细胞
(1)目的:
目的基因进入受体细胞内并在受体细胞内维持稳定和表达。
(2)受体细胞种类不同,导入方法不同
生物种类
植物细胞
动物细胞
微生物细胞
常用方法
农杆菌转化法
显微注射技术
Ca2+处理法
受体细胞
体细胞
受精卵
原核细胞转化
过程
将目的基因插入Ti质粒的T—DNA上―→农杆菌―→导入植物细胞―→整合到受体细胞的DNA上―→表达
将含有目的基因的表达载体提纯―→取卵(受精卵)―→显微注射―→受精卵发育―→获得具有新性状的动物
Ca2+处理细胞―→感受态细胞―→重组表达载体DNA分子与感受态细胞混合―→感受态细胞吸收DNA分子
4.目的基因的检测与鉴定
关注热点——转基因技术的安全性、生物武器及蛋白质工程
1.转基因生物的安全性辨析
关注焦点
正方观点
反方观点
食物安全
有安全性评价、科学家负责的态度,转基因食品影响健康,无实例无证据
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
生物安全(对生物多样性的影响)
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
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”
环境安全(对生态系统稳定性的影响)
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
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
2.生物武器
(1)种类
种类
举例
致病菌
鼠疫菌、霍乱弧菌、伤寒杆菌、炭疽杆菌、痢疾杆菌
病毒
天花病毒、动物痘病毒等
基因重组的致病菌、生化毒剂
如肉毒杆菌毒素可以阻滞神经末梢释放乙酰胆碱,从而引起肌肉麻痹。
只要有0.01mg的肉毒杆菌毒素就可以使人死亡
(2)特点:
①传染性强;②污染面广,危害时间长;③难以防治;④具有一定的潜伏期;⑤受自然条件影响大。
(3)传播途径:
①经食物和水传播;②空气传播;③接触传播;④虫媒传播;⑤病原体直接传播。
3.蛋白质工程的过程和实例
(1)蛋白质工程的过程:
其基本途径是从预期的蛋白质功能出发―→设计预期的蛋白质结构―→推测应有的氨基酸序列―→找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。
其流程图如下:
(2)蛋白质工程的实例:
①通过蛋白质工程改造的干扰素可在-70℃条件下保存半年。
②经过蛋白质工程改造天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶这两种酶后,使玉米体内赖氨酸的含量大大提高。
第2讲 克隆技术及生物技术的伦理问题
知识点一 植物细胞工程
1.细胞工程
(1)操作水平:
①________。
(2)目的:
按照人的意愿来改变细胞内的②________或获得③________。
2.植物细胞的全能性
(1)概念:
具有某种生物全部④________的任何一个细胞,都具有发育成⑤________的潜能。
(2)原理:
细胞内含有本物种的⑥________。
(3)全能性表达条件:
具有完整的细胞结构,处于⑦________状态,提供一定的⑧________________和其他适宜外界条件。
3.植物组织培养技术
(1)原理:
植物细胞具有⑨________。
(2)过程:
想一想:
在诱导愈伤组织分化时哪些物质起作用?
4.植物体细胞杂交技术
(1)去壁:
酶解法,所用酶为⑬________。
(2)诱导原生质体融合:
物理法——离心、振动、电激等;化学法——常用⑭________(PEG)作诱导剂。
(3)植物体细胞杂交成功的标志:
⑮________。
(4)优点:
克服⑯________。
(5)变异类型:
⑰________。
5.植物细胞工程的应用
(1)植物繁殖
的新途径
(2)作物新品种的培育:
单倍体育种、突变体的利用。
(3)细胞产物的工厂化生产:
培养到⑳________阶段。
知识点二 动物细胞工程
1.动物细胞培养:
其他动物细胞工程技术的基础。
Ⅰ.培养过程
Ⅱ.培养条件
(1)无菌、无毒的环境——无菌处理、加
________杀菌、定期更换培养液。
(2)营养——葡萄糖、氨基酸、促生长因子、无机盐和微量元素+
________等天然成分。
(3)适宜的温度(36.5±0.5℃)和pH(7.2~7.4)。
(4)气体环境——95%空气+5%CO2(维持
________)。
2.动物体细胞核移植
(1)原理:
________。
(2)过程
3.单克隆抗体制备
(1)诱导动物细胞融合的方法:
物理法——离心、震动、电激等;化学法——聚乙二醇;生物法——
________。
(2)单克隆抗体制备过程
(3)单克隆抗体的优点:
________、灵敏度高,可大量制备。
(4)单克隆抗体的应用:
作为
________;用于治疗疾病和
________。
植物细胞工程
一、植物组织培养及细胞全能性
1.操作流程及培养条件
(1)操作流程
(2)培养条件:
营养物质(水、无机盐、蔗糖、氨基酸和有机酸等)、激素(如细胞分裂素、生长素等)及其他条件(无菌、适宜的温度和pH等)。
①愈伤组织再分化形成植物幼苗时,需光照处理,以便诱导叶绿素的形成。
3.原理
高度分化植物细胞仍然具有全能性。
二、植物体细胞杂交
1.技术操作流程图
2.原理及过程解读
(1)植物体细胞杂交的障碍
①植物细胞都有细胞壁。
根据酶的专一性原理,用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。
②原生质体融合。
人工诱导方法包括物理法,如离心、振动、电激;化学法,如聚乙二醇(PEG)诱导等。
(3)杂种细胞AB形成的标志:
新的细胞壁的生成。
(4)杂种植株遗传物质的变化:
细胞融合属于染色体变异,杂种植株的染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和,形成异源多倍体。
(5)植物体细胞杂交的原理:
原生质体融合的过程利用了细胞膜的流动性,杂种细胞发育成杂种植株利用了细胞的全能性。
动物细胞工程及相关技术的比较
一、植物组织培养和动物细胞培养的比较
项目
植物组织培养
动物细胞培养
理论基础
植物细胞全能性
细胞增殖
培养基类型
固定或半固体培养基
液体培养基
成分
水、矿质元素、维生素、蔗糖、氨基酸、琼脂
葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、促生长因子、动物血清等
取材
植物幼嫩部位或花药等
动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织
过程
结果
新的组织或植株个体,可以体现全能性
新的细胞系或细胞株,不形成个体,不体现全能性
目的
①植株快速繁殖;
②脱毒植株的培育;
③人工种子;
④生产药物、杀虫剂等;
⑤转基因植物的培育
①蛋白质生物制品的生产;
②皮肤移植材料的培育;
③检测有毒物质;
④生理、病理、药理学研究
相同点
(1)两技术手段培养过程中都进行有丝分裂,都是无性繁殖,都可称克隆,都不涉及减数分裂;
(2)均为无菌操作,需要适宜的温度、pH等条件
1.动物细胞融合
(1)动物细胞融合:
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)诱导方法:
化学法(聚乙二醇),灭活的病毒,物理法(离心、振动、电激等)。
(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。
2.单克隆抗体的制备
三、关注生物学热点内容——动物细胞核移植与克隆技术引起的伦理问题
1.动物细胞核移植操作流程
要点解读
(1)原理:
动物细胞核的全能性(不能说动物细胞全能性)。
(3)选卵细胞作为受体细胞的原因
①大,易于操作;②卵黄多,营养丰富,为发育提供充足的营养;③能激发重组细胞分裂、分化。
(4)该过程用到的技术手段:
动物细胞培养、动物细胞融合、早期胚胎培养和胚胎移植。
(5)应用:
加速家畜遗传改良进程、促进优良畜群繁育、保护濒危物种、克隆器官用于移植等。
2.克隆人的类型及其伦理问题
(1)类型
类型
项目
治疗性克隆
生殖性克隆
区别
目的
治疗人类疾病
用于生育,产生新个体
水平
细胞水平
个体水平
联系
都属无性繁殖;产生新个体、新组织,遗传信息相同
(2)克隆技术引发的伦理问题
观点
理由
不赞成
①克隆人严重违反了人类伦理道德;②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;③克隆人是人为地制造在心理上和社会地位上都不健全的人;④克隆技术尚不成熟
赞成
①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得到解决;②克隆人是一项科学研究,既然是科学,就应该允许研究克隆人
中国政
府的
态度
中国政府的观点:
不赞成,不允许,不支持,不接受任何生殖性克隆人的实验,不反对治疗性克隆
2.受精作用的过程
(1)受精前的准备阶段
①精子获能:
精子必须在雌性动物的生殖道中发生相应的生理变化后,才能获得受精能力的生理现象。
②卵子的准备:
在输卵管中发育到减数第二次分裂的中期,才具备与精子受精的能力。
(2)受精阶段
第一步:
精子穿越放射冠和透明带。
顶体反应使顶体内的酶释放出来并溶解放射冠内的卵丘细胞之间的物质;透明带反应是防止多精入卵受精的第一道屏障。
第二步:
精子进入卵黄膜。
卵黄膜封闭作用是防止多精入卵受精的第二道屏障。
第三步:
原核形成。
雄原核和雌原核形成。
第四步:
配子结合。
雌、雄原核融合形成合子(受精卵)。
3.早期胚胎发育
(1)过程:
受精卵―→卵裂期―→桑椹胚―→囊胚―→原肠胚。
(2)图示:
二、体外受精与胚胎的早期培养
1.体外受精的原理
人工模拟体内环境(包括营养、温度、pH等),使初级卵母细胞成熟和精子获能,最终完成受精和胚胎保存。
2.体外受精主要操作步骤
(1)卵母细胞的采集
方法一:
对小型动物一般采用促性腺激素处理,排卵后直接从输卵管中冲取卵子,直接与获能的精子在体外受精。
方法二:
对大型动物一般从活体的卵巢中吸取卵母细胞,经体外人工培养成熟后与获能的精子在体外受精。
(2)精子的采集和获能
(3)受精:
获能精子和成熟卵子在共同培养一段时间后便可受精。
3.胚胎的早期培养
(2)培养液的成分:
水、无机盐、有机盐、维生素、激素、氨基酸、核苷酸以及动物血清等。
①体外受精时,精子与卵子在体外结合前,需要对精子进行获能处理,并将卵母细胞培养成熟至减数第二次分裂中期。
②胚胎发育的起点是受精卵,发育过程中的细胞分裂均为有丝分裂。
③桑椹胚细胞仍具有全能性,是胚胎分割的最佳时期。
胚胎工程的应用及前景
一、胚胎移植及胚胎分割移植
1.胚胎移植的基本程序(以牛胚胎移植为例)
3.胚胎移植成功的保障(生理学基础)
第一,供、受体生殖器官的生理变化是相同的。
第二,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,这就为胚胎的收集提供了可能。
第三,受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应,这为胚胎在受体内的存活提供了可能。
第四,供体胚胎可与受体子宫建立正常的生理和组织联系,但移入受体的供体胚胎的遗传特性,在孕育过程中不受任何影响。
4.胚胎分割
(1)材料选择:
发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚。
(2)囊胚期分割要求:
内细胞团均等分割,以免影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。
(3)意义:
加快繁殖速度,是动物无性繁殖或克隆的方法之一,其他克隆方法还有核移植。
二、试管动物、克隆动物生产过程比较
①试管动物生殖实质是正常的有性生殖,只不过受精、早期胚胎发育在试管中(体外)进行。
②克隆动物生殖的实质是无性生殖,依赖动物细胞核(高度分化的体细胞的细胞核)具有全能性;特有的操作程序是核移植!
三、胚胎干细胞(ES细胞)的应用前景
胚胎干细胞是从早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞,包括人类囊胚的内细胞团,具有胚胎细胞的特性。
它能长期维持未分化状态,又有全能分化的潜能,在体外培养时仍能维持正常和稳定的染色体组型,在特定的环境诱导下,能分化成各类细胞。
因此,它是细胞的源头,是全能细胞,并能够制造机体需要的全部细胞。
第4讲 生态工程
1.概念
人类应用生态学和系统学等学科的基本原理和方法,通过系统设计、调控和技术组装,对已破坏的生态环境进行①________、②________,对造成环境污染和破坏的③________进行改善,并提高生态系统的④________,从而促进⑤________和⑥______的和谐发展
2.生态工程和生态经济
(1)生态工程建设的目的
遵循自然界⑦________的规律,充分发挥资源的生产潜力,防止环境污染,达到⑧________的同步发展
(2)生态工程的特点
⑨________;多效益;⑩________
(3)生态经济
通过实行“生态经济”原则,使一个系统产出的污染物能够成为本系统或者另一个系统的生产原料,从而实现⑪____________,而实现循环经济的最重要手段之一就是生态工程
3.生态工程所遵循的基本原理
(1)物质循环再生原理
物质在生态系统中循环往复,⑫________利用。
如无废弃物农业
(2)物种多样性原理
⑬________的生态系统具有较高的抵抗力稳定性
(3)协调与平衡原理
生物与环境的协调与平衡,需要考虑⑭________
(4)整体性原理
人类处于社会—经济—自然复合而成的巨大系统中。
进行生态工程建设时,不但要考虑自然生态系统的规律,还要考虑到⑮________等系统的影响力
(5)系统学和工程学原理
包括系统的⑯________________原理和⑰____________原理
4.生态工程的发展前景
(1)“生物圈2号”生态工程实验的启示:
使我们认识到⑱________________的重要性,深化了我们对自然规律的认识
(2)发展前景:
我们需要走有中国特色的道路,即不但要重视对生态环境的保护,更要注重与⑲____________效益的结合
生态工程的基本原理
2.生态工程建设的目的
遵循自然界物质循环规律,充分发挥资源的生产潜力,防止环境污染,达到经济效益和生态效益的同步发展。
3.整体性原理和系统整体性原理的比较
整体性原理指社会、经济、自然三方面协调统一,保障整个系统的稳定与平衡,例如林业建设中自然系统、社会系统与经济系统的关系问题,即种树的同时考虑经济收入,粮食、燃料等问题。
系统整体性原理指整体大于部分之和,即1+1>2。
原因是系统保持有很高的生产力,具体是指互利共生的生物体现系统整体性原理,如藻类和珊瑚虫、大豆和根瘤菌、地衣植物中藻类和真菌等。
1.主要生态工程实例的比较
类 型
问 题
主要原理
对 策
案例
农村综合发展型生态工程
资源有限,人多地少,产出不足
物质循环再生原理、整体性原理、物种多样性原理
建立农村综合发展型生态工程,实现物质的多级循环利用,在资源有限的条件下有较多的产出
窦店村以沼气为中心的生态工程
小流域综合治理生态工程
小流域的水土流失
整体性原理、协调与平衡原理、因地制宜的原理
运用多种原理,应用多种措施综合治理
甘肃陇南县“九子登科”模式
大区域生态系统恢复工程
土地荒漠
化
协调与平衡原理、整体性原理
退耕还林还草、植树造林等
“三北”防护林退耕还林还草工程
湿地生态恢复工程
湿地的缩小和破坏
控制污染、退耕还湖
江西鄱阳湖湿地生态恢复工程
矿区废弃地的生态恢复工程
矿区生态环境的破
坏
系统学和工程学原理
修复土地、恢复植被
赤峰市元宝山矿区生态恢复工程
城市环境生态工程
环境污染
协调与平衡原理、整体性原理等
城市绿化、污水净化、废弃物处理、合理布局等
污水及垃圾处理、城市绿化
3.生态农业
(1)原理:
生态农业运用生态学原理(即生态系统的物质循环再生、能量多级利用或生态系统的物质循环与能量流动),在环境与经济协调发展的思想指导下,应用现代科学技术建立起来的多层次、多功能的综合农业生态体系。
(2)优点:
实现物质的循环再生和能量的多级利用,减少环境污染,减少了化肥用量,降低了农业投入。
(3)生态农业常见类型
①桑基鱼塘模式
人工建立的高产稳产的农业生态系统。
做到蚕粪养鱼,鱼粪肥塘,塘泥肥田、肥桑,从而获得稻、鱼、蚕茧三丰收,如图所示。
②沼气农田立体养殖模式
通过控制温室内的温度、光照、气体和水肥等因素,缩短生产周期,大幅度提高粮食、蔬菜和水果的产量和质量。
(4)建立生态农业系统的最终目的是实现对能量的多级利用,提高能量的利用率,使能量尽可能多地流入对人类有益的部分。
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