1.3 基因工程的应用
1.4 蛋白质工程的崛起
【高考新动向】
1、基因工程的应用
2、蛋白质工程
【考纲全景透析】
一、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，用转基因动物作器官移植供体
3、基因工程药物
4、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。
二、蛋白质工程
1、崛起的缘由：生物的长期进化过程中形成的天然蛋白质、结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合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，对蛋白质的结构进行分子设计。
3、操作手段：基因修饰或基因合成
4、操作过程：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）
【热点难点全析】
一、基因工程的应用成果
1.乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较
(1)概念
①乳腺生物反应器是指将外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白。
②工程菌是指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系。
(2)两者的区别
比较项目 乳腺生物反应器 工程菌
基因结构 动物基因的结构与人类基因的结构基本相同 细菌或酵母菌等生物基因的结构与人类基因的结构有较大差异
基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白质相同 细菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器，产生的药物蛋白可能没有活性
受体细胞 动物的受精卵 微生物细胞
导入目的基因的方式 显微注射法 感受态细胞法
生产条件 不需严格灭菌，温度等外界条件对其影响不大 需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、Ph、营养物质浓度等外界条件
药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞中提取
生产设备 畜牧业生产，加提取设备 工业生产、设备精良
2、基因治疗的类型比较[ ]
比较项目 体外基因治疗[ ] 体内基因治疗
成果举例 用腺苷酸脱氨酶基因治疗复合型免疫缺陷病 用正常基因治疗遗传性囊性纤维化病
过程 取患者的淋巴细胞→细胞培养→将腺苷酸脱氨酶基因转入淋巴细胞中→筛选→将导入成功的淋巴细胞转入患者体内 用经过修饰的腺病毒作载体结合正常基因，构建基因表达载体→导入患者肺组织中
特点 操作复杂，成功率高一些 操作简单，成功率低
3、植物基因工程的应用
植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力（如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等）以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。
（1）提高抗逆性[高考资源网]
①常用抗虫基因：用于抗虫（杀虫）的基因主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。
②常用抗病基因：a.抗病毒基因有：病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因；b.抗真菌基因有：几丁质酶基因和抗毒素合成基因
③其他抗逆基因：环境条件对农作物的生产会造成很大影响，并且这些影响是多方面的，因此，抗逆性基因也有多种多样，如：抗盐碱和干旱的调节细胞渗透压基因、抗冻基因、抗除草剂基因等等。
（2）改良植物品质
由于人们的食品含有的营养不平衡，不能满足人们对食品的要求，这样，可以通过转基因技术，使植物能够合成某些本来不能合成的物质。如科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，或者改变这些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。
（3）生产药物
基因工程不但促进了传统技术的变革，也为人类提供了传统产业难以得到的许多昂贵药品，并已形成基因工程制药业的雏形。目前诸如人胰岛素、人生长激素、人脑激素、α－干扰素、乙肝疫苗、蛋白C、组织血纤维蛋白溶酶原激活剂等数十种基因工程药物已实现商品化。此外，还有促红细胞生成素、白细胞介素－2、肾素、心钠素等一大批珍贵药品正处于试用或临床试验阶段。
4、动物基因工程的应用
（1）用于提高动物生长速度：由于外援生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快，将这类基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。如：转基因绵羊和转基因鲤鱼。
（2）用于改善畜产品的品质：基因工程可用于改善畜产品的品质。如：有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，这样所获得的牛奶其成分不受影响，但乳糖的含量大大减低。
（3）用转基因动物做器官移植的供体：目前，人体移植器官短缺是一个世界性的难题，用其它动物的器官替代，又会出现免疫排斥现象，现在，科学家正试图利用基因工程方法对一些动物的器官进行改造，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。
5、基因治疗
（1）概念：基因治疗是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，这是治疗遗传病的最有效的手段。
（2）方法：体外基因治疗和体内基因治疗
体外基因治疗：先从病人体内获得某种相关细胞，进行培养，然后在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内，这种方法叫做体外基因治疗。
体内基因治疗：直接向人体组织细胞中转移基因的治疗方法叫做体内基因治疗。
说明：对于遗传病的治疗最根本的方法是进行基因替换或修复。基因治疗的最佳时期理论上是受精卵时期，这样可以使个体的每个细胞都含有正常基因，但在现实生活中是不可能的，因为不可能人人在受精卵时期进行基因检查。其次是对患者进行相关细胞的基因替换，如：对于遗传性糖尿病患者，只对胰腺的B细胞进行基因替换，该个体就能正常分泌胰岛素，糖尿病得以治疗；但这种局部细胞的基因替换，并没有改变其它部位细胞的基因，如精原细胞，其后代很大可能还会患遗传性糖尿病。
二、蛋白质工程和基因工程的关系[高考资源网 ]
[ 蛋白质工程 基因工程
[ ] 区别 过程 预期蛋白质功能→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 获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
实质 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品
结果 可产生自然界没有的蛋白质 只能生产自然界已有的蛋白质
联系 （1）蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程（2）基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质进行修饰、改造
PAGE专题2 细胞工程
2.1 植物细胞工程
【高考新动向】
植物组织培养
【考纲全景透析】
一、细胞工程的概念
1、原理和方法：应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法
2、操作水平：细胞水平或细胞器水平
3、工程目的：按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品
4、分类：根据操作对象不同，可分为植物细胞工程和动物细胞工程。
二、植物细胞工程
1、原理：细胞的全能型
概念：已分化的细胞仍然具有发育成完整个体的潜能
原因：生物体的任一细胞都含有包含本物种的全部遗传信息
生物体上的细胞未表现出全能性，而是形成特定的组织器官，其原因是：细胞中的基因进行了选择性表达，使细胞分化成不同的组织和器官
表现出全能性的条件：完整的细胞核、脱离母体、无菌、一定的营养、激素；适宜的外部条件。
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）概念：在无菌和人工控制条件下，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。
（2）过程：离体的植物器官、组织或细胞 ―→愈伤组织 ―→试管苗 ―→植物体
（3）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。
（4）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）概念：将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术
（2）过程：
（3）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。
（4）意义：克服了远缘杂交不亲和的障碍。
三、植物细胞工程的实际应用[
1、植物繁殖的新途径
（1）微型繁殖：用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。
特点：保持优良品种的遗传特性；高效快速的实现种苗的大量繁殖。
（2）作物脱毒：选取作物无毒组织（如茎尖）进行组织培养，获得脱毒苗的技术。
（3）人工种子：以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽、腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。
2、作物新品种的培育：单倍体育种和突变体的利用。
3、细胞产物的工厂化生产：细胞产物有蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。
【热点难点全析】[ ]
一、植物组织培养和植物体细胞杂交的比较
名称 植物组织培养 植物体细胞杂交
原理 细胞的全能性 细胞膜具有一定的流动性和细胞的全能性
过程
注意事项 选材：选取根尖、茎尖、形成层部位、最容易诱导脱分化光照：脱分化过程不需光照，在分化过程一定要有光照[ 不同植物细胞融合后形成的杂种细胞 酶解法去细胞壁（纤维素酶、果胶酶）人工诱导融合：物理法：离心、震动、电激 化学法：聚乙二醇诱导
技术操作 脱分化、再分化等[ ] 除脱分化、再分化外，还要用酶解法去除细胞壁，用一定的方法诱导细胞融合
关系 植物组织培养时植物体细胞杂交的基础，植物体细胞杂交所用的技术更复杂
二、植物细胞工程的实际应用
1、植物繁殖的新途径
(1)微型繁殖：用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。[ ]
微型繁殖有两个优点：[高考资源网 ]
①保持优良品种的遗传特性
②高效快速地实现种苗的大量繁殖
(2)作物脱毒
①解决的问题：无性繁殖的作物，感染的病毒在体内逐年积累，产量降低，品质变差。
②解决方法：切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。
③理论基础：植物分生区附近病毒极少，甚至无病毒。
④成果：采用茎尖组织培养技术，已获得脱毒的马铃薯、草莓、甘蔗、菠萝和香蕉等。[高考资源网]
(3)人工种子
①获取方法：以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，用人工薄膜包装。
②解决的问题：
a.一些植物繁殖周期长,数年后才能结出种子；
b.有些作物优良杂种的后代因发生性状分离而丧失其优良特性；
c.常规种子的生产受季节、气候和地域的限制，并且占用大量的土地。
2、细胞产物的工厂化生产
(1)细胞产物的种类：蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。
(2)成功的实例：人参、三七、紫草和银杏的细胞产物都已实现了工厂化生产。
PAGE选修3
专题1 基因工程
1.1 DNA重组技术的基本工具
1.2 基因工程的基本操作程序
【高考新动向】
1、基因工程的诞生
2、基因工程的原理及技术
【考纲全景透析】
一、基因工程的工具
1、基因工程的概念：按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做DNA重组技术。
2、DNA重组技术的基本工具
（1）限制酶——分子手术刀
全称：限制性核酸内切酶
主要从原核生物中分离纯化出来
特点：识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，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。[ ]
结果：产生黏性末端或平末端
（2）DNA连接酶——分子缝合针
类型：根据酶的来源不同，可分为E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶
作用：连接双链DNA片段，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二脂键。
（3）载体——分子运载体
种类：通常利用质粒作为载体，另外还有λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等
质粒：化学本质：小型环状DNA分子
特点：能自我复制
有一个至多个限制酶切割位点
有特殊的标记基因
二、基因工程的基本操作程序
1、目的基因的获取途径
（1）目的基因： 编码蛋白质的结构基因 。
（2）获取目的基因的方法：[高考资源网 ]
从基因文库中获取
利用PCR技术扩增目的基因
通过DNA合成仪人工合成
（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。
2、基因表达载体的构建
是实施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。
（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（如抗生素基因）
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。
3、将目的基因导入受体细胞
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→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→微生物细胞壁的通透性增加→重组质粒与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子
4、目的基因的检测与鉴定
（1）利用DNA分子杂交技术检测目的基因的有无
（2）利用分子杂交技术检测目的基因的转录
（3）利用抗原—抗体杂交检测目的基因的翻译
（4）利用个体生物学水平的检测鉴定重组性状的表达
【热点难点全析】
一、基因工程的工具
1、与DNA有关的酶
（1）四种酶的比较
(2)限制酶和DNA连接酶之间的关系图示
2.载体
(1)作为载体的条件
①能在宿主细胞中稳定保存并大量复制。
②有一个至多个限制性核酸内切酶切割位点，以便与外源基因连接。
③具有特殊的标记基因，便于筛选。
(2)种类
①质粒：一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。
②λ噬菌体的衍生物。
③动植物病毒。
(3)作用
①作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞内；
②利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。
二、基因工程的基本操作程序
1.目的基因的获取[ ]
(1)直接分离法：从自然界已有的物种中分离，如从基因组文库或cDNA文库中获取。
(2)人工合成目的基因
①如果基因比较小，核苷酸序列又已知，可以通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成。
②以RNA为模板，在逆转录酶的作用下人工合成。
2.基因表达载体的构建
(1)基因表达载体各个组成的作用
①启动子：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，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，能使转录在所需要的地方停下来。
③标记基因：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，如抗生素抗性基因。[高考资源网]
(2)基因表达载体的构建步骤
3、将目的基因导入受体细胞
受体细胞：细菌
↓氯化钙
细胞壁的通透性增大
↓
重组质粒进入受体细胞[高考资源网 ]
↓
目的基因随受体细胞的繁殖而复制
4、目的基因的检测与鉴定
(1)分子水平检测
①导入检测：DNA分子杂交技术，用放射性同位素标记的含目的基因的DNA片段作探针。
②转录检测：分子杂交法，用标记的目的基因作探针与mRNA杂交。
③翻译检测：抗原─抗体杂交法。
(2)个体生物学水平鉴定：对转基因生物进行抗虫或抗病的接种实验，以确定是否具有抗性以及抗性的程度。
PAGE2.2 动物细胞工程
【高考新动向】
1、动物细胞培养和体细胞克隆
2、动物细胞融合和单克隆抗体
【考纲全景透析】
一、动物细胞培养与体细胞克隆
1、动物细胞培养
（1）概念：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，让这些细胞生长和增殖。
（2）原理：细胞增殖
（3）过程：
（4）条件：无菌无毒的环境；营养；适宜的pH和温度；气体环境[ ]
（5）应用：生物制品的生产、转基因动物的培养、检测有毒物质、医学研究。
2、核移植技术和克隆动物[高考资源网]
项目 细胞核的移植
概念 利用一个细胞的细胞核（供体核）来取代另一个细胞中的细胞核，形成一个重建的“合子”
原理 动物体细胞核具有全能性
类型 胚胎细胞核移植和体细胞核移植
过程
结果 获得与供体遗传物质基本相同的个体[高考资源网]
意义 ①有利于遗传疾病的治疗，优良品种的培育②对物种的优化、濒危动物的保护和转基因动物的扩群有重要意义③降低畜牧业的成本，缩短育种年限，提高生产效率
存在问题 成功率低，绝大多数克隆动物存在健康问题，对克隆动物食品的安全性问题也存在争议
二、动物细胞融合与单克隆抗体制备
1、动物细胞融合
（1）概念：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。融合后形成的是杂交细胞
（2）原理：细胞膜的流动性、细胞增殖
（3）诱导融合的因素：聚乙二醇（PEG）、灭活的病毒、电激等。
（4）意义：突破了有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能。
（5）应用：通过杂交瘤技术，制备单克隆抗体
4、单克隆抗体：
（1）概念：单一的B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合，经培养筛选后产生的专一抗体。
（2）过程
（3）主要优点：特异性强、灵敏度高，并可大量制备。
（4）用途：作为诊断试剂；用于治疗疾病和运载药物。
【热点难点全析】
一、动物细胞融合与植物体细胞杂交的不同
比较项目 细胞融合的原理 细胞融合的方法 诱导手段[高考资源网] 用法
植物体细胞杂交 细胞膜的流动性 去除细胞壁后诱导原生质体融合 离心、电刺激、振动，聚乙二醇等试剂诱导 克服了远缘杂交的不亲和性，获得杂种植株
动物细胞融合 细胞膜的流动性 使细胞分散后诱导细胞融合 除应用植物细胞杂交手段外，再加灭活的病毒诱导 制备单克隆抗体的技术之一
二、动物细胞融合与单克隆抗体
1、动物细胞融合与植物体细胞杂交的比较
比较项目 植物体细胞杂交 动物细胞融合
原理 细胞膜的流动性、细胞的全能性[高考资源网 ] 细胞膜的流动性、细胞的增殖
融合方法 去除细胞壁后诱导原生质体融合 使细胞分散后诱导细胞融合
使用的酶 纤维素酶和果胶酶 胰蛋白酶或胶原蛋白没
诱导手段 物理法：离心、电激、震动化学法：聚乙二醇等试剂诱导 除物理法和化学法，也可用灭活得病毒诱导
结果 杂种植株 杂交细胞
意义 克服了远缘杂交成不亲和性，获得杂种植株 突破了有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能
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