高中生物：基因工程與蛋白質(zhì)工程

　　一、基因工程

　　基因工程是指按照人們的愿望，進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，通過(guò)體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，賦予生物以新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類(lèi)型和生物產(chǎn)品。基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的，又叫做DNA重組技術(shù)。

　�。ㄒ唬┗�因工程的基本工具：

　　1.“分子手術(shù)刀”——限制性核酸內(nèi)切酶（限制酶）

　�。�1）來(lái)源：主要是從原核生物中分離純化出來(lái)的。

　　（2）功能：能夠識(shí)別雙鏈DNA分子的某種特定的核苷酸序列，并且使每一條鏈     中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開(kāi)，因此具有專(zhuān)一性。

　�。�3）結(jié)果：經(jīng)限制酶切割產(chǎn)生的DNA片段末端通常有兩種形式：黏性末端和平末端。

　　2.“分子縫合針”——DNA連接酶

　�。�1）兩種DNA連接酶（E？coliDNA連接酶和T4-DNA連接酶）的比較：

　�、傧嗤�點(diǎn)：都縫合磷酸二酯鍵。

　�、趨^(qū)別：E？coliDNA連接酶來(lái)源于T4噬菌體，只能將雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端之間的磷酸二酯鍵連接起來(lái)；而T4DNA連接酶能縫合兩種末端，但連接平末端的之間的效率較低。

　　（2）與DNA聚合酶作用的異同： DNA聚合酶只能將單個(gè)核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯鍵。DNA連接酶是連接兩個(gè)DNA片段的末端，形成磷酸二酯鍵。

　　3.“分子運(yùn)輸車(chē)”——載體

　�。�1）載體具備的條件：①能在受體細(xì)胞中復(fù)制并穩(wěn)定保存。

　�、诰哂幸恢炼鄠�(gè)限制酶切點(diǎn)，供外源DNA片段插入。

　�、劬哂袠�(biāo)記基因，供重組DNA的鑒定和選擇。

　�。�2）最常用的載體是--質(zhì)粒，它是一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、獨(dú)立于細(xì)菌染色體之外，并具有自我復(fù)制能力的雙鏈環(huán)狀DNA分子。

　�。�3）其它載體：噬菌體的衍生物、動(dòng)植物病毒

　�。ǘ�）基因工程的基本操作程序

　　第一步：目的基因的獲取

　　1.目的基因是指：編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因。

　　2.原核基因采取直接分離獲得，真核基因是人工合成。人工合成目的基因的常用方法有反轉(zhuǎn)錄法和化學(xué)合成法。

　　3.PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因

　　（1）原理：DNA雙鏈復(fù)制

　�。�2）過(guò)程：第一步：加熱至90～95 ℃DNA解鏈；第二步：冷卻到55～60 ℃，引物結(jié)合到互補(bǔ)DNA鏈；第三步：加熱至70～75 ℃，熱穩(wěn)定DNA聚合酶從引物起始互補(bǔ)鏈的合成。

　　第二步：基因表達(dá)載體的構(gòu)建

　　1.目的：使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并且可以遺傳至下一代，使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用。

　　2.組成：目的基因＋啟動(dòng)子＋終止子＋標(biāo)記基因

　�。�1）啟動(dòng)子：是一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位，能驅(qū)動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，最終獲得所需的蛋白質(zhì)。

　　（2）終止子：也是一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段，位于基因的尾端。

　�。�3）標(biāo)記基因的作用：鑒定受體細(xì)胞中是否含有目的基因，從而將含有目的基因的細(xì)胞篩選出來(lái)。常用的標(biāo)記基因是抗生素基因。

　　第三步：將目的基因?qū)�入受體細(xì)胞

　　1.轉(zhuǎn)化：目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并且在受體細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達(dá)的過(guò)程。

　　2.常用的轉(zhuǎn)化方法：

　　將目的基因?qū)�入植物�?xì)胞：采用最多的方法是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，其次還有基因槍法和花粉管通道法等。

　　將目的基因?qū)�入�?dòng)物細(xì)胞：最常用的方法是顯微注射技術(shù)。此方法的受體細(xì)胞多是受精卵。

　　將目的基因?qū)�入微生物�?xì)胞：原核生物作為受體細(xì)胞的原因是繁殖快、多為單細(xì)胞、遺傳物質(zhì)相對(duì)較少，最常用的原核細(xì)胞是大腸桿菌，其轉(zhuǎn)化方法是：先用 Ca2+處理細(xì)胞，使其成為感受態(tài)細(xì)胞，再將重組表達(dá)載體DNA分子溶于緩沖液中與感受態(tài)細(xì)胞混合，在一定的溫度下促進(jìn)感受態(tài)細(xì)胞吸收DNA分子，完成轉(zhuǎn)化過(guò)程。

　　3.重組細(xì)胞導(dǎo)入受體細(xì)胞后，篩選含有基因表達(dá)載體受體細(xì)胞的依據(jù)是標(biāo)記基因是否表達(dá)。

　　第四步：目的基因的檢測(cè)和表達(dá)

　　1.首先要檢測(cè)轉(zhuǎn)基因生物的染色體DNA上是否插入了目的基因，方法是采用DNA分子雜交技術(shù)。

　　2.其次還要檢測(cè)目的基因是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA，方法是采用用標(biāo)記的目的基因作探針與 mRNA雜交。

　　3.最后檢測(cè)目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì)，方法是從轉(zhuǎn)基因生物中提取蛋白質(zhì)，用相應(yīng)的抗體進(jìn)行抗原－抗體雜交。

　　4.有時(shí)還需進(jìn)行個(gè)體生物學(xué)水平的鑒定。如轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)植物是否出現(xiàn)抗蟲(chóng)性狀。

　�。ㄈ�）基因工程的應(yīng)用

　　1.植物基因工程：抗蟲(chóng)、抗病、抗逆轉(zhuǎn)基因植物，利用轉(zhuǎn)基因改良植物的品質(zhì)。

　　2.動(dòng)物基因工程：提高動(dòng)物生長(zhǎng)速度、改善畜產(chǎn)品品質(zhì)、用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物。

　　3.基因治療：把正常的外源基因?qū)�入病人體內(nèi)，使該基因表達(dá)產(chǎn)物發(fā)揮作用。

　　二、蛋白質(zhì)工程的概念

　　蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿(mǎn)足人類(lèi)的生產(chǎn)和生活的需求。（基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)）

　　1.蛋白質(zhì)工程的基本原理：它可以根據(jù)人的需求來(lái)設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)為第二代的基因工程。

　　2.基本途徑：從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)，設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列，找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）是蛋白質(zhì)工程特有的途徑；以下按照基因工程的一般步驟進(jìn)行。（注意：目的基因只能用人工合成的方法）

　　3.設(shè)計(jì)中的困難：如何推測(cè)非編碼區(qū)以及內(nèi)含子的脫氧核苷酸序列。