(二) 基因与基因工程

1． 基因的结构

(1)原核细胞基因与真核细胞基因的结构比较：

①相同点：都分为编码区和非编码区。

②不同点；原核细胞基因的编码区是连续的，真核细胞基因的编码区是间隔的、不连续的，分为能编码蛋白质的外显子和不能编码蛋白质的内含子，外显子与内含子个数之差为1。

　 　特别提醒：真核生物基因结构中的非编码序列包括非编码区和内含子，原核生物的非编码序列即为非编码区。

2． 基因的功能

①传递遗传信息：(发生在生殖过程中)通过复制实现遗传信息(由亲代到子代)的传递。

②表达遗传信息：(发生在整个生物个体发育过程中)是通过转录和翻泽控制蛋白质合成过程实现的。

③功能简图：

3． 基因工程知识小结

(1)基因工程的内容：　　　 基因操作的工具(限制性内切酶、DNA连接酶、运载体)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 基因操作的基本步骤(四个步骤)

①　　 工具酶及其运用：

切取目的基因和运载体必须用同一种限制性内切酶，获得相同黏性末端；

限制性内切酶和DNA连接酶都作用于磷酸二酯键(而不是碱基之间的氢键)。

②　　 现在所用的运载体主要有两类：一类是细菌的质粒，它是一种相对分子质量较小、独立于细菌核区之外的环状DNA，有的细菌中有一个，有的细菌中有多个，质粒能通过细菌间的接合由一个细菌向另一个细菌转移，可以独立复制，也可以整合到细菌DNA中，随细菌DNA的复制而复制，另一类是噬菌体或某些动植物病毒等。现在人们还在不断地寻找新的运载体，如叶绿体或线粒体DNA等，也有可能成为运载体。

作为运载体必须具备三个条件：①在宿主细胞中能保存下来并能大量复制；②有多个限制酶切点，而且每种酶的切点最好只有一个；③有一定的标记基因，便于筛选。

③　　 受体细胞：

培育转基因植物时的受体细胞可以是体细胞，也可以是受精卵。若是前者，通过组织培养培育。

培育转基因动物时的受体细胞一般采用受精卵。

④　　 基因工程操作的基本步骤

提取目的基因→目的基因与运载体结合→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与表达

a．　 提取目的基因

提取目的基因的两种方法比较

　特别提醒

①由于一种氨基酸对应多种密码子，因此，根据蛋白质中氨基酸序列合成的目的基因可能有多种，但性状都相同。

②获得真核生物的目的基因一般采用人工合成法，因为人工合成法获得的目的基因不含内含子。

b．　 目的基因与运载体结合(体外重组DNA)

外源DNA很难直接进入受体细胞，即使进人也会受到细胞内限制酶的作用而分解。因而需要选择目的基因的载体(一般用细菌质粒或温和噬菌体)，使目的基因与运载体结合起来形成重组DNA。

c．　 将目的基因导入受体细胞

将重组DNA向选定的生物受体细胞中转移，让重组DNA在受体细胞中自主复制并得以表达。

d．　 目的基因的检测和表达(筛选)

把转化的和没有转化的受体细胞区分开。在转化的受体细胞中，外源DNA所携带的遗传信息得到了表达，受体细胞就有了新的性状，达到了基因工程的预期目的。

⑤　　 基因工程技术的应用

l　　　 转基因生物　 通过转基因技术把某种生物的基因或人工合成的基因转移到另一生物体内，从而培育出对人类有利的生物新品种。如转基因鲤鱼、抗虫棉、转基因牛等。

l　　　 转基因药物　 自从美国1977年第一次用改造的大肠杆菌生产出有活性的人的生长激素释放抑制素以来，现已研制成功的基因工程药物有几十种，如已上市的人的生长激素、胰岛素、干扰素等。

l　　　 基因治疗　 通过基因转移技术将外源墓因，插入到病人适当的受体细胞中，使外源基因控制合成的产物能治疗某种疾病。1990年美国国立卫生研究院的一个研究小组对一个四岁的患腺苷脱氨酶(ADA)缺乏症的女孩进行基因治疗。他们将正常ADA基因利用反转录病毒载体导入女孩淋巴细胞内，体外培养后回输入她体内，实验获得圆满成功。这是人类历史上第一个成功的基因治疗临床实验。

l　　　 人类基因组计划　 人类基因组汁划是通过国际间科学家联合探测人类基因组所含DNA分子中携带的全部遗传信息，即基因中碱基对序列，搞清它们在染色体上的位置，破译人类全部遗传密码，这为研究人类进化、种族血缘、寿命、衰老、疾病诊断和治疗等开拓了一个广阔的前景。

l　　　 基因芯片　 又叫生物芯片、DNA芯片，是将生物活性物质如DNA、蛋白质等以微阵列的方式有序地排布在固相载体上，在人工限定的条件下进行生化反应，用仪器读取生物信息的器件。

生物芯片作为一种准确、快捷的生物检测手段，在生产和生活中有着广泛的应用，它像计算机芯片一样，将成为21世纪新技术革命的催化剂。它的应用可以体现在生物样品的制备、基因扩增、基因表达分析、药物筛选、环保科学等方面。在生物分类、作物品系鉴定、品种培育、考古等方面，生物芯片也同样大有用处。

⑥　　 基因工程是把“双刃剑”

基因工程技术的应用在给人们带来福音的同时，也暗藏着对人类生存的巨大威胁。如利用基因工程可以制造超级细菌、超级杂草等；战争狂人、恐怖主义者可制造出难以制服的病原体、生物毒剂即生物武器，用以进行讹诈和大规模毁灭人类的生物战争；转基因动植物的出现引发物种入侵，有可能破坏原有的生态平衡，对原有物种造成威胁；还有转基因食品安全问题；人类基因组计划的研究还引发新的伦理、社会、哲学方面的思考等。

(一) 遗传的物质基础

肺炎双球菌转化实验

1． DNA是遗传物质的证据　　 　　　 噬菌体浸染细菌实验(同位素标记法)

　　　　　　　　　　　　 　　 烟草花叶病毒的重建实验

(1) 格里菲思的肺炎双球菌转化实验(体内转化)

实验过程：

实验结论：加热杀死的S型死细菌内必然存在某种物质(转化因子)，此转化因子促使R型活细菌转变为S型活细菌(但没有证明转化因子就是DNA)。

(2) 艾弗里的肺炎双球菌转化实验(体外转化)

　 ①设计思路：设法把DNA与蛋白质分离，单独直接地去观察其作用。

　 ②实验过程

实验结论：DNA是遗传物质，蛋白质、多糖等不是遗传物质。

特别提醒：

　　 ① 加热杀死S型细菌的过程中，其蛋白质变性失活，但是其内部的DNA具有稳定性，在加热结束后随温度的降低又逐渐恢复了活性。

　　 ② R型菌转化成S型菌的原因是S型菌DNA与R型菌DNA实现重组，表现出S型菌的性状，此变异属于基因重组。

(3) 噬菌体侵染细菌的实验

实验结论：在噬菌体中亲子代之间具有连续性的物质是DNA，DNA是遗传物质。

实验拓展应用--放射性同位素示踪法的应用：

①研究DNA半保留复制方式的特点；②在基因诊断和环境监测中的应用；③用放射性同位素研究光合作用、细胞呼吸中元素的去向；④用放射性元素¹⁵N标记氨基酸，研究氨基酸在细胞内合成分泌蛋白的场所、运输通道、分泌过程；⑤用放射性同位素⁴⁰K证明根吸收的矿质元素的运输部位；⑥用放射性同位素¹⁵N标记氨基酸；⑦用放射性同位素标记研究原肠胚三胚层的发育。

2． DNA复制、转录和翻译

3． 碱基数量的计算归类与应用

(1)　　　 双链DNA分子及其某条单链和转录生成的mRNA中碱基比例关系

	H链	h链	DNA 分子	mRNA (以H链为模板)	规律(DNA)
	m	m	m		互补碱基之和的比例在整个DNA及任一条链中都相等
	n	n	n
	a		1		非互补碱基之和的比例在整个DNA分子中为1，在两条互补链中互为倒数
	b		1

(2)　　　 DNA复制过程中的碱基数量计算

某DNA分子中含某碱基a个，则：①复制n次需要含该碱基的脱氧核苷酸数为a·(2ⁿ-1)；②第n次复制，需要含该碱基的脱氧核苷酸数为a·2^n-1。

(3)　　　 碱基种类及比例的运用

①　 由核酸所含碱基种类及比例可以分析判断核酸的种类：若有U无T，则该核酸为RNA；若有T无U，且A=T，G=C，则该核酸一般为双链DNA；若有T无U，且A≠T，G≠C，则该核酸为单链DNA。

②　 设某DNA分子的两条链均用放射性元素标记，置于无放射性的环境中复制n次后，则：含有放射性的DNA占总数的；含有放射性的链占全部子链的。

34．物种形成与生物进化的区别：生物进化是指同种生物的发展变化，时间可长可短，性状变化程度不一，任何基因频率的改变，不论其变化大小如何，都属进化的范围。物种的形成必须是当基因频率的改变在突破种的界限形成生殖隔离时，方可成立。

33．种群基因库间的差异是产生生殖隔离的根本原因。

32．隔离就是指同一物种不同种群间的个体，在自然条件下基因不能自由交流的现象。包括地理隔离和生殖隔离。其作用就是阻断种群间的基因交流，使种群的基因频率在自然选择中向不同方向发展，是物种形成的必要条件和重要环节。

31．生物的变异一般是不定向的，而自然选择则是定向的。

30． 突变(包括基因突变和染色体变异)和基因重组是产生进化的原材料；自然选择使种群基因频率定向改变并决定生物进化的方向。隔离是新物种形成的必要条件。

29．突变和基因重组、自然选择及隔离是物种形成过程的三个基本环节。

28．生物进化的实质在于种群基因频率的改变。

27．几种需记住的遗传病：

　 常染色体隐性遗传病：白化病、苯丙酮尿症

　 常染色体显性遗传：多指、软骨发育不全

　 X染色体隐性遗传：色盲、血友病

　 多基因遗传病：唇裂、无脑儿、原发性高血压、青少年型糖尿病

　 染色体异常遗传病：21三体综合症(先天愚型)(多了一条21号染色体)