生物技术概论考试复习资料.docx

[南京工业大学]
[江苏南京浦口区浦珠南路30号]
2024年7月1日

[生物技术概论]

第一讲 绪论
1、 非生物学专业的本科生为什么要学习生命科学课程?
一、 生命科学与人类和社会的联系比其他任何学科都更紧密；
二、 生命科学知识的普及是提高新世纪大学生整体素质的有效途径。
三、 生命科学是21世纪自然科学的带头学科；
四、 生命科学、生物技术与人类社会的发展息息相关（工业、农业、医药。。。）。

2、 什么是生命？（生命或生物体的基本特性）
细胞是生物的基本组成单位（病毒除外）；
新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能；
生命通过繁殖而延续，DNA是生物遗传的基本物质；
生物具有个体发育和系统进化的历史；
生物对外界可产生应激反映和自我调节，对环境具有适应性。

3、生命科学与生命技术的发展
生命科学：是研究生物体及其活动规律的科学，广义的生命科学还涉及生物技术、生物与环境、生物学与其他学科交叉的领域。
生物技术：也称生物工程是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需的产品或达成某种目的。生物技术一般分为：发酵工程，酶工程，细胞工程，基因工程，生物化学工程等。

4、 生命科学的三大基石。
细胞学说、进化论和遗传学。

第二讲 生命的起源与进化

宗教认为上帝发明了生命
古代人认为生命是自然发生的
达尔文的探索
奥巴林的生命起源假说
米勒的实验——生命起源于无机物

1、 生命究竟是如何起源的，有机体能自发地由非生命物质随时形成吗？
18世纪意大利科学家斯帕兰札尼(Spallanzan)的实验:置于烧瓶中的肉汤加热沸腾后让其冷却，开口的烧瓶中不久就繁殖生长出许多微生物；但加了瓶塞与外界隔离的烧瓶中就没有出现微生物。这一实验结果为解决上述的争论提供了重要的线索。
巴斯德的实验：将烧瓶瓶口做成弯曲细长的玻璃管。
巴斯德的实验结论：所有生物只能来源于生物，从非生命物质中绝对不也许随时自发地产生出新的生命个体。
2、 地球上的第一个生命是如何而来的？
在生命物质与非生命物质之间没有不可逾越的鸿沟；
地球初期化学演化的结果。
3、奥巴林的生命起源假说。
192023苏联生物化学家奥巴林院士提出“化学进化”假说：原始地球环境可以产生组成生物体的糖、脂类、蛋白质和核酸等大分子结构单元，甚至到生物多分子体系，但还没有出现真正的生命，这一时期称为化学演化期或前生物期。
4、从化学演化期到产生最简朴的生命形式涉及4个阶段：
一、氨基酸、核苷酸等有机单体分子的非生物合成和积累；
二、有机单体分子在非生物体系中聚合成多聚体；
三、多聚体整合为多分子体系颗粒（原球体）；
四、代谢与遗传体系的形成和进化，最终产生出最简朴的生命形式——原核细胞。
5、原始地球条件：
一、没有氧气，最初形成的生命物质不会被氧化降解；
二、能量输入——紫外线辐射；
三、其他因素如粘土矿物的化学催化作用、太阳和紫外线辐射对有机分子的浓缩作用、火山爆发形成的特殊环境和条件等。
（模拟原始地球条件进行实验-----Miller实验）

6、生命起源的基本条件：
原始大气、能源(热能)、原始海洋。
原始大气：海洋是生命的摇篮，但是生命化学演化的最初舞台是原始大气，而不是海洋。具有还原性。
能源(热能)：热能、太阳能、放电。
原始海洋：同原始大气一起，由地球内部产生的。
7、生命起源的重要阶段：
一）无机小分子生成有机小分子
（米勒实验，1953）；
二）有机小分子生成生物大分子（蛋白质、核酸）
陆相起源说：由有机小分子物质聚合成大分子的反映，是在火山附近局部地区的高温条件下发生的，生成的大分子再经雨水冲刷到海洋中。因此这一派的模拟实验重要是将氨基酸或核苷酸的混合物在无氧的干燥条件下，加热到一定的温度使其发生热聚合。如福克斯等的实验。
海相起源说：认为在原始海洋中，氨基酸和核苷酸可附着在粘土等物的活性表面上，在有适当的缩合剂（如当时也许有羟胺类化合物）的条件下，可发生聚合反映。
8、 关于最简朴生命形式起源的几个假说：
Oparin的团聚体学说：
蛋白质和核酸等生物大分子聚合在团聚体内并具有类似于膜那样的边界，其内部的化学特性显著区别于外部的溶液环境。团聚体是一种多分子体系，它具有一定的生命现象。
Fox的微球体学说：
微球体可以从外界吸取更多的生物多聚体分子，使得微球体上产生出芽，甚至形成新的微球体
脂球体学说：
磷脂与蛋白质混合在一起形成外形类似于细胞并具有双层膜的结构。
9、代谢系统的进化
一、最原始的生命形式或最早出现的细胞应当是异养的。
二、光合作用的进化产生出光能自养细胞（条件：自然选择压力）。
自养细胞出现的意义：不仅可为异养细胞提供继续生存的营养物质及能量，更改变了地球的环境（氧气和臭氧层的出现）。
10、RNA最也许成为最早的遗传物质（因素）：
一、实验显示，试管中RNA链可以自发地延伸和复制；
二、Cech和Altman发现，某些RNA具有像酶同样的化学催化活性；
三、RNA组成及三维空间结构的多样性和稳定性；
四、偶尔以RNA为模板合成了DNA链，后者贮存和复制遗传信息比RNA更稳定也更有效，生命起源初期RNA发挥重要作用的时代便让位于DNA-RNA-蛋白质共同作用的时代。
11、Darwin主义包含了两方面的基本含义：
（1） 现代所有的生物都是从过去的生物进化来的；
（2） 自然选择是生物适应环境而进化的因素。
核心思想：自然选择,适者生存。
12、 生物性状和特性变化往往是环境和遗传互相作用的结果。
13、 自然选择导致生物进化
生物进化：是指地球上的生命从最初最原始的形式通过漫长的岁月变异演化为几百万种形形色色生物的过程。
自然选择：实质上是自然环境导致生物出现生存和繁殖能力的差别，一些生物生存下去，另一些生物被淘汰。
14、自然选择和基因库：
自然选择作用下群体水平的进化实质上反映了生物基因库的变化。
基因库是一种生物群体所有遗传基因的集合，它决定了下一代的遗传性状。
生物细胞中同源染色体上的一对等位基因可以决定生物个体的某一性状。

物种形成的机理
物种：是生物分类的单元，更是遗传生殖和进化的单元。
种群：是同一物种的一群个体，享有共同的基因库。同一种群生物个体之间的交配便导致了彼此间的基因交流并保持着基因库的稳定。
地理隔离：Darwin将某些地理障碍如大的山脉、峡谷、海洋等把生物互相隔开称为地理隔离。
生殖隔离：地理隔离导致小种群间基因交流的阻断使基因库的差异越来越大，最终出现了生殖隔离，即不同小种群间的个体不能彼此交配和产生有生殖能力的后代。
1、生物进化的证据
比较解剖学证据：退化器官痕迹、反祖现象；
比较胚胎学证据：亲源关系相近的生物在它们发育过程中有相同的发育阶段；
分子生物学证据：亲源关系近的生物，其DNA或蛋白质有更多相同性。反之亦然。

2、人在生物界的地位和特性：
一、人的细胞结构属于真核细胞；
二、人种或种族：根据肤色、发型、鼻型等体质特性，人类通常被划分为4种类型（黄、白、黑、棕）；
三、不同人群存在地理隔离和文化隔离，但是并没导致生殖隔离。
3、人类文化发展的阶段
狩猎与积聚 农业的发展 工业革命 信息技术革命 生物技术革命
4、身体内细菌作用
一、帮助我们消化食物；
二、合成维生素等必需的营养素；
三、调节免疫系统，帮助战胜癌细胞。
5、人类在进化中发明了不断发展的文化
一、人类在进化中发明了不断发展的文化，反过来，人类文化的发展又改变了生物进化的进程；
二、人类出现及迅速发展成为地球上最庞大的种群，大大加快了地球环境的改变；
三、人类文化发展随着的负面效应与人类文明相背离，是当今人类社会面临的最严重挑战。

第三讲 生命的单位——细胞
细胞是组成生物体的基本单位
细胞学说：由19 世纪初，两位德国生物学家施莱登和施旺正式明确提出：细胞是植物体和动物体的基本结构单位。
公认的细胞学说：（1）细胞是所有动、植物的基本结构单位；
（2）每个细胞相对独立，一个生物体内各细胞之间协同配合；
（3）新细胞由已经存在的细胞分裂产生。
1 为什么说细胞是生命的基本单位？
细胞是生命的基本结构单位，所有生物都是由细胞组成的；
细胞是生命活动的功能单位，一切代谢活动均以细胞为基础；
细胞是生殖和遗传的基础与桥梁；具有相同的遗传语言；
细胞是生物体生长发育的基础；
形状与大小各异的细胞是生物进化的结果；
没有细胞就没有完整的生命（病毒的生命活动离不开细胞）。
2 细胞学说的科学意义
细胞学说的提出先于进化论约2023，它与进化论一起，奠定了生物科学的基础。细胞学说使生命世界有机结构多样性的统一，从哲学推断走向自然科学论证。
3 细胞的基本概念
原核细胞、真核细胞.
在真核细胞中，按照细胞的营养类型，可分为自养与异养，还可将大部分真核细胞分为植物细胞和动物细胞。
原核细胞 遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；细胞内没有核膜和具有专门结构与功能的细胞器的分化 。
4、 细胞的基本结构与功能
细胞膜和细胞壁
细胞膜 又称质膜，具有半透性，可选择地让物质通过；它尚有一些细胞辨认位点如激素的受体、抗原结合点等，具有接受外界信息、与外界通讯等功能。

细胞壁 植物细胞的细胞膜外尚有细胞壁，具有支持和保护植物细胞的功能。

细胞核
核被膜 包在核外的双层膜，外膜可延伸与细胞质中的内质网相连。一些蛋白质和RNA分子可通过核被膜或核被膜上的核孔进入或输出细胞核。
染色质 是核中由DNA和蛋白质组成并可被苏木精等染料染色的物质，染色质DNA具有大量基因片段，是生命的遗传物质。
核仁 是核中颗粒状结构，富含蛋白质和RNA，核糖体的装配场合。
染色质 和核仁都被液态的核基质所包围。

细胞器
细胞膜内是透明粘稠并可流动的细胞质基质，细胞器分布在细胞质基质中。
细胞器重要涉及：内质网、核糖体、高尔基体、溶酶体、线粒体、质体、微体、液泡、微管、微丝等。有的细胞表面尚有鞭毛或纤毛。

线粒体 是细胞呼吸和能量代谢中心。有两层膜，线粒体基质中还具有DNA分子
和核糖体。

叶绿体 植物光合作用的细胞器。有两层膜，也具有环状的DNA和核糖体。

内质网 光面内质网与脂类合成和代谢有关。糙面内质网膜上附有颗粒状的核糖体。糙面内质网合成并运送蛋白质。

核糖体 是细胞合成蛋白质的场合。

高尔基体 是细胞分泌物的加工和包装场合，最后形成分泌泡将分泌物排出体外。还与植物分裂时的新细胞壁和细胞膜的形成有关。

溶酶体 是单层膜小泡，由高尔基体断裂而产生, 内含多种水解酶, 可催化蛋白质、核酸、脂类、多糖等生物大分子，消化细胞碎渣和从外界吞入的颗粒。

细胞骨架 由微管、肌动蛋白和中间丝构成的，维持着细胞的形态结构和内部结构的有序性。

生物膜及其假设模型
生物膜
各类细胞器的膜（如内质网膜、内囊体膜等）、质膜和核膜在分子结构上基本相同，它们统称为生物膜
流动镶嵌模型：有序性、流动性、不对称性
（生物膜的结构是与其功能相一致的。）

物质的跨膜运送
被动运送 自由扩散、协助扩散
积极运送 钠钾泵（动）、质子泵（植）、协同运送
胞吞和胞吐作用——生物大分子或颗粒物质的运送

物质的跨膜运送比较

类别
被动运送
积极运送

方式

自由扩散
协助扩散
运送方向
高→低

高→低

低→高
载体蛋白

不需要

需要

需要

能量

不需要

不需要

需要

例子

H2O、CO2、 O2、甘油、乙醇、苯
葡萄糖进入红细胞
离子；葡萄糖、氨基酸进入小肠绒毛上皮细胞

物质的跨膜运送 （总结）
被动运送——简朴扩散
——易化扩散
积极运送——直接消耗ATP
（动物细胞）——钠钾泵
（植物细胞）——质子泵
——间接消耗ATP——协同运送
胞吞和胞吐作用
——生物大分子或颗粒物质的运送

第4讲 生命的化学组成
生物体的重要元素：组成生物体的重要元素涉及C、H、O、N、P、S、K、Na、Ca、等，以上元素约占生物体的99.35%，其中C、H、O、N 4种元素占96%。
微量元素：铁、铜、锌、锰、钼、钴、镍、镉、锡、硅、碘等。

1、生命的基本化学反映
一、脱水缩合反映 由生物单体分子合成生物大分子多聚体往往涉及与功能基团相关的脱水反映。
水解反映 使生物大分子多聚体分解为单体的分解反映往往需要有水分子参与。
（水解反映是脱水缩合反映的逆反映）

生命化合物的骨架与基本功能基团
在生命元素中，碳原子具有特别重要的作用，碳原子互相连接成链或成环，形成各种生物大分子的基本结构。
碳碳之间可以不同的键型相结合，形成不同长度的链状、分支链状或环状结构。
碳骨架 结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质
生物大分子的基本性质还取决于与碳骨架相连接的功能基团

二、功能基团
生物体中的有机化合物重要具有羟基、羰基、羧基和氨基等功能基团， 这些功能基团几乎都是极性基团。
功能基团的极性使得生物分子具有亲水性，有助于这些化合物稳定于有大量水分子存在的细胞中。
三、生物小分子
A 水
水对生物体非常重要：
水占生物体的 60％ 以上的重量
地球上生命起源于水中，陆生生物体内细胞也生活在水环境中
水的性质影响生命活动，如：溶解性质，酸碱度，pH

B 氨基酸
是指一类具有羧基并在与羧基相连的碳原子下连有氨基的有机化合物。已发现的有180多种，参与蛋白合成的共有20种天然氨基酸
氨基酸的功能：（1）作为组建蛋白质的元件；（2）有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代谢调节、信号传递等）。

不同氨基酸其R基各不相同，R基的结构决定了20种氨基酸的特殊性质
必需氨基酸是指人体内不能合成，必须从食物中获取的氨基酸，其他为非必需氨基酸。
人体8种必需氨基酸： 异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸 。

C 单糖
多羟基醛或多羟基酮称为单糖。以葡萄糖为例，葡萄糖是六碳糖。
单糖的生物功能：作为多糖的组成元件；参与新成代谢；组成寡糖参与细胞信号传递
重要的单糖涉及葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖等。

D 二糖
二糖最常见，是两分子的单糖通过脱水缩合作用形成糖苷键连接而成。
重要的二糖涉及蔗糖、麦芽糖、乳糖等
麦芽糖由两分子葡萄糖单体脱水缩合形成；
蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合形成；
乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成。

E 核苷酸 （DNA的碱基是A、T、G、C，RNA的碱基是A、U、G、C。）

核苷酸分子由三个部分组成：碱基（嘧啶、嘌呤）；五碳糖（核糖或脱氧核糖）；磷酸。
脱氧核糖或核糖上第一位碳原子与嘌呤或嘧啶结合，就成为脱氧核苷或核苷，第三位或第五位碳原子再与磷酸结合，就成为脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸
核苷酸的有机碱分为两类；一类是嘌呤，是双环分子；一类是嘧啶，是单环分子。
嘌呤涉及腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)2种
嘧啶有胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)3种。

F 脂肪酸
脂肪酸是一类一端具有一个羧基的长的脂肪族碳氢链。脂肪酸涉及有分支的或无分支的、饱和的或不饱和的（碳氢链具有双键）等类型。
常见的饱和脂肪酸：软脂酸、硬脂酸；
常见的不饱和脂肪酸：油酸、亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、棕榈油酸、DHA（二十二碳六烯酸）、EPA（二十碳五烯酸）。
不饱和脂肪酸常温下多呈液态，饱和脂肪酸多呈固态或者半固态。
脂肪酸与维生素、氨基酸同样是人体最重要的营养素之一。

四、生物大分子
蛋白质、核酸、脂类和多糖是组成生物体最重要的生物大分子，其中蛋白质占15％，核酸占7％，糖占3％，脂类占2％，无机盐占1％。水占70％左右。
由生物小分子到生物大分子，分子增大，其中最重要的特点是：生物大分子有独特的立体结构、空间构型和分子整体形状。

1、多糖的结构与功能
糖分子含C、H、O 3种元素，通常3者的比例为1:2:1，一般化学通式为(CH2O)n,，故曾被称为碳水化合物
糖是生物代谢反映的重要中间代谢物，糖类是细胞重要的结构成分，可构成核酸和糖蛋白等重要生物成分、糖又是生命活动的重要能源
多糖由许多单糖分子缩合、脱水而成。根据其单糖组分分为同聚多糖和杂多糖。
多糖可以作为能量贮存物质如淀粉、糖原，人体内作为能源的糖类重要是糖原和葡萄糖，糖原是糖的贮存形式，在肝脏和肌肉中含量最多，而葡萄糖是糖的运送形式，两者均可氧化而释放能量。一些多糖也可作为动植物的结构支架，如纤维素、几丁质。此外很多多糖具有复杂的生理功能，如一些植物多糖具有抗病毒作用。
重要的多糖有淀粉、糖原、纤维素、氨基葡聚糖等

2、蛋白质的结构与功能
一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合形成肽键，氨基酸通过肽键联成肽链 。（肽键-CONH-）
一条肽链的两端有不同结构和性质：肽链有方向性：氨基端（ N 端）， 羧基端（ C 端）
一端的氨基酸残基带有游离氨基，称氨基端；
另一端的氨基酸残基带有游离羧基，称羧基端。
多肽：含 10－20 个氨基酸残基。
多肽是形成蛋白质分子的亚单位。
蛋白质：由20种L-型α氨基酸组成的长链生物大分子，含几十个氨基酸残基。
蛋白质的重要种类： 结构蛋白 伸缩蛋白、贮存蛋白、保护蛋白、运送蛋白、 激素蛋白、信号蛋白、酶和辅酶。
蛋白质的高级结构：
蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸的排列顺序
蛋白质的二级结构是指邻近几个氨基酸形成的一定的结构形状。
蛋白质的三级结构是指整条肽链盘绕折叠形成一定的空间结构形状。如纤维蛋白和球状蛋白。
蛋白质的四级结构是指各条肽链之间的位置和结构。（亚基组成的寡聚蛋白结构）所以，四级结构只存在于由两条肽链以上组成的蛋白质。
蛋白质结构与功能的关系
蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。如纤维蛋白可作为结构蛋白。
蛋白质变性（构象发生变化）使得其特定的功能便立即丧失。加热、紫外线照射、化学因素、重金属盐、高压。

3、脂类化合物
脂类的组成和功能
脂类是指生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种分子,是脂肪、和类脂及其衍生物的总称。
脂类分子也含C、H、O 3种元素，但H:O远大于2，有些脂含P和N，各种脂类分子的结构可以差异很大。
脂类不溶于水，可溶于非极性溶剂。
脂类是生物膜的重要成分；脂肪氧化时产生的能量大约是糖氧化时的二倍。
脂类是生物表面的保护层/保持体温/生物活性物质。

（1）脂肪
脂肪是由1分子甘油和3分子脂肪酸构成的酯，故称三脂酰甘油或甘油三酯；
如三个脂肪酸相同，称为简朴甘油三脂，否则称为混合甘油三脂；
多数天然油脂都是简朴甘油三脂与混合甘油三脂的复杂混合物。
（2） 磷脂
类脂是一些物理性质与脂肪相似的生物分子，重要涉及磷脂、糖酯、胆固醇及胆固醇酯。
磷脂又称磷酸甘油脂，与脂肪不同之处在于甘油的一个羟基不是与脂肪酸结合成酯，而是与磷酸及其衍生物(如磷酸胆碱)结合，形成。常见如卵磷脂、脑磷脂。
（3） 类固醇
类固醇如胆固醇等脂类也是细胞膜的重要成分。
1 固醇类的内核由4个环组成；
2 一些人体重要维生素（维生素D）和激素是固醇；
3 胆固醇是细胞的必要成份（特别内脏中），生物膜的透性、对毒素的保护；
4 血清中的胆固醇太多会促使形成动脉硬化 和心脑血管疾病。

4、核酸
核酸贮存遗传信息，控制蛋白质的合成
核酸涉及脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),都是由许多顺序排列的核苷酸组成的大分子。
贮存遗传信息的特殊DNA片段称为基因，它编码蛋白质的氨基酸序列，从而决定蛋白质的功能。通过蛋白质的作用，DNA事实上控制着细胞和生物体的生命过程
DNA控制蛋白质的合成是通过RNA来实现的，即遗传信息由DNA转录到RNA，后者决定蛋白质的氨基酸序列
参与大分子核酸组成的共有8种核苷酸
DNA水解液中
RNA水解液中
腺嘌呤脱氧核苷酸（dAMP）
腺嘌呤核苷酸（AMP）
鸟嘌呤脱氧核苷酸（dGMP）
鸟嘌呤核苷酸（GMP）
胞嘧啶脱氧核苷酸（dCMP）
胞嘧啶核苷酸（CMP）
胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP）
尿嘧啶核苷酸（UMP）

DNA双螺旋结构
DNA分子是由两条脱氧核糖核酸长链互以碱基配对相连而成的螺旋状双链分子；
DNA重要存在于细胞核内的染色质中，线粒体和叶绿体中也有，是遗传信息的携带者。
1953年James Watson 和 Francis Crick描述了DNA双螺旋结构,标志了现代遗传学时代的开始
DNA双螺旋结构理论
A、两条反向平行的核苷酸链共同盘绕形成双螺旋，糖－磷酸－糖构成螺旋主链
B、两条链的碱基都位于中间，碱基平面与螺旋轴垂直
C、两条链相应碱基呈配对关系
A（腺嘌呤）＝T（胸腺嘧啶） G（鸟嘌呤）≡C（胞嘧啶）
D、螺旋直径 2nm(20A)，螺距 3.4nm (34A) ，每一螺距中含 10 个核苷酸
RNA分子结构
RNA是单链的， 为单链盘绕，局部形成碱基配对。 RNA在细胞核内产生，然后进入细胞质，负责将DNA的遗传信息转变成特定蛋白质的氨基酸序列,在蛋白质的合成中起重要作用。

第5讲 遗传与基因
性状 生物体或其组成部分所表现的形态特性和生理特性称为性状。
单位性状 生物某一方面的特性特性。
相对性状 不同生物个体在单位性状上存在不同的表现，这种同一单位性状的相对差异称为相对性状(contrasting character)。
正交、反交 通常人们将这两种杂交组合方式之一称为正交，另一种则是反交。
显性性状、隐性性状 相对性状中，在F1代表现出来的相对性状称为显性性状(dominant character)，而在F1中未表现出来的相对性状称为隐性性状(recessive character)
性状分离 隐性性状在F1中并没有消失，只是被掩盖了，在F2代显性性状和隐性性状都会表现出来，这就是性状分离(character segregation)现象。
一、孟德尔遗传因子假说：
（1）生物性状是由遗传因子决定，且每对相对性状由一对遗传因子控制；
（2）显性性状受显性因子控制，而隐性性状由隐性因子控制；只要成对遗传因子中有一个显性因子，生物个体就表现显性性状；
（3）遗传因子在体细胞内成对存在，而在配子中成单存在。体细胞中成对遗传因子分别来自父本和母本。
遗传因子的分离规律
(性母细胞中)成对的遗传因子在形成配子时彼此分离、分派到配子中，配子只具有成对因子中的一个。
而杂种体细胞中，分别来自父母本的成对遗传因子也各自独立，互不混杂；在形成配子时彼此分离、互不影响。
杂种产生含两种不同因子(分别来自父母本)的配子，并且数目相等；各种雌雄配子受精结合是随机的，即两种遗传因子是随机结合到子代中。
1、孟德尔第一定律－－分离律
分离律：基因在成对状态下保持其独立性，当形成配子时完全按照原样分离到不同的配子中去，互相不发生影响。
2、孟德尔第二定律－－自由组合律
自由组合律：当两对或更多对基因处在异质结合状态（即不在同一条染色体上）时，它们在形成配子时彼此独立的完毕分离，然后互相间进行自由组合。
3、孟德尔学说的要点
孟德尔认为，每株豌豆植株中的每一对性状，都是由一对遗传因子所控制的，遗传因子有显性因子和隐性因子之分。
4、 孟德尔学说的重要意义
（1）孟德尔第一次明确提出遗传因子的概念, 并且提出了遗传因子控制遗传性状的若干规律：
大多数生物体通常由 一对遗传因子（后来称为两个等位基因）控制同一性状。这样的生物体称为 2n 个体。
 遗传因子可以区分为显性和隐性。
 控制不同性状的遗传因子是各自独立的。
显性律——当成对基因中同时存在显性及隐性基因时，只有显性基因控制之性状才会显现。
（2） 孟德尔提出了杂交、自交、回交等一套科学有效的遗传研究方法，来研究遗传因子的规律。孟德尔创建的这套方法一直沿用到 1950s，才被分子遗传学方法取代。

二、 基因
1、 基因在染色体上
显微镜技术与染色技术的发展，使人们注意到，细胞分裂时，特别是减数分裂中，染色体的行为和孟德尔提出的等位基因的分离规律相称一致，所以，拟定基因在细胞核中，在染色体上。
染色体是染色质在细胞分裂过程中通过凝缩和精确包装而成的遗传物质的固定存在形式，由蛋白质和DNA组装而成，是遗传信息的载体。
基因组是指一个细胞或病毒所包含的所有基因，通常在真核生物中指一个物种的单倍体染色体组所具有的一整套基因。
人类有23对染色体，只有一个基因组，大约有3～5万个基因。
摩根实验室用果蝇为材料的工作，拟定了基因在染色体上的分布规律。
2、基因从组
基因重组（广义） 从广义上讲，任何导致基因型变化的基因交流过程，都叫做基因重组
减数分裂时发生染色体交叉/基因重组。
基因重组（狭义） 同一个染色体上的两个或两个以上的基因始终连锁在一起，不能自由组合；而在同源染色体配对时，非姊妹染色体会发生交叉，导致染色体片段之间的互换，导致基因重组。
基因重组服从这样的规则：
两个基因在染色体离得越远，重组频率越高；
两个基因在染色体上离得越近，重组频率越低。
一对基因控制一种性状，一种性状也许由一或多对基因控制，例如肤色的控制至少有三个基因参与。控制相同性状的一对基因，位于同源染色体上的相对位置。
一条 染色体上有许多不同的基因，分别控制不同的性状。 基因决定性状，环境还起不起作用？在基因型拟定的基础上, 环境经常会影响表型。
3、 遗传物质是 DNA
基因是生命遗传的基本单位，贮存遗传信息的特殊DNA (脱氧核糖核酸的简称)片段称为基因，DNA由A、T、C、G四种核苷酸组成，一个基因就是一般由A、T、C、G按照特定顺序排列而成的DNA片段，它的总合就是基因组。
实验：分别用放射性同位素标记噬菌体（DNA：P32、蛋白质：S35）
4、 华生和克里克提出 DNA 双螺旋模型。
DNA 双螺旋模型说明 DNA 分子可以充当遗传的物质基础。
按照双螺旋模型，在细胞分裂时，DNA 的复制应是“半保存复制”的模式。
DNA的半保存复制规律为：DNA分子解旋后，两条链分别为模版，按照碱基互补配对原则，合成两分子双链DNA，每个新的DNA分子中的两条链，一条来自本来DNA分子，一条为新合成的。
5、DNA作为遗传物质的功能
（1）贮藏遗传信息
（2）传递遗传信息
（3）表达遗传信息
由此，克里克提出中心法则, 拟定遗传信息由 DNA 通过 RNA 流向蛋白质的普遍规律, DNA是自身复制和RNA合成的模板，RNA又是蛋白质合成的模板。
中心法则：遗传信息可以从DNA流向DNA，即完毕DNA的自我复制过程，也可以从DNA流向RNA，进而流向蛋白质，即完毕遗传信息的转录和翻译过程。
后来的科学研究又发现，在某些病毒中，RNA也可以自我复制，并且还发现在一些病毒蛋白质的合成过程中，RNA可以在逆转录酶的作用下合成DNA。
因此，在某些病毒中，遗传信息可以沿图中的蓝线方向流动。上述逆转录过程以及RNA自我复制过程的发现，补充和发展了“中心法则”，使之更加完整。    

第六讲 基因工程
一、基因工程：在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出所需要的基因产物。是故意识地将把一个生物体中有用的目的基因转入另一个生物体中。
基因工程的别名
基因拼接技术或DNA重组技术
操作环境
生物体外
操作对象
基因
操作水平
DNA分子水平
基本过程
剪切→拼接→导入→表达
结果
人类需要的基因产物

二、限制性内切酶
分布：重要在微生物中。
特点：特异性，即辨认特定核苷酸序列，切割特定切点。
结果：产生黏性未端（碱基互补配对）。
举例：大肠杆菌的一种限制酶能辨认GAATTC序列，并在G和A之间切开。
一种限制酶只能辨认一种特定的核苷酸序列，并在特定的切割点上将DNA 分子切断。目前已发现的限制酶有200多种。

三、DNA连接酶
连接酶的作用：DNA连接酶是将碱基互补配对的两个黏性末端连接起来，封闭DNA链上的缺口，使之成为一个完整的DNA分子
连接的部位：可以催化DNA链上的5-PO4与3-OH生成磷酸二脂键。可用于将目的基因与载体的DNA连接起来。

四、基因工程载体
要让一个从甲生物细胞内取出来的基因在乙生物体内进行表达，一方面得将这个基因送到乙生物的细胞内去。载体是能将目的基因片段送入宿主细胞的工具，在基因工程中可与包含目的基因的外源DNA片段连接构成重组体，并将重组体导入宿主细胞。
作用：将外源基因送入受体细胞。
条件：
1） 能在宿主细胞内复制并稳定地保存；
2）具有多个限制酶切点；
3）具有某些标记基因。
种类：质粒、噬菌体和动植物病毒。

基因工程中常用的载体
细菌或酵母的质粒：环状双链小分子DNA，适于做小片断基因的载体。
最常用细菌质粒：大肠杆菌质粒pBR322
λ噬菌体：线状双链DNA，适于做大片断基因的载体,是最常用的噬菌体。

质粒的特点：质粒是细菌、真菌及少数其他生物细胞中自然存在于细胞染色体外能自主复制的DNA分子，大部分为小型环状双链DNA。
特点：细胞染色体外能自主复制的小型环状DNA分子；
质粒是基因工程中最常用的运载体；
最常用的质粒是大肠杆菌的质粒；
存在于许多细菌及酵母菌等生物中；
质粒的存在对宿主细胞无影响；
质粒的复制只能在宿主细胞内完毕。
基因工程中常用的受体细胞为细菌及动植物细胞等。

五、 基因操作的基本环节
1）目的基因的寻找、获得
2）构造重组DNA分子
3）将目的基因导入受体（通过转化或转染）并进行扩增（复制表达和遗传）
4）对受体细胞进行筛选和鉴定，筛出具有重组DNA的细胞
5）通过发酵、细胞培养等手段最终获得所需要的产物，并进行分离纯化，或者获得所需要的遗传性状。
1、提取目的基因
（1）直接从生物体中提取总DNA，构建基因文库，从中调用目的基因（印迹法）。 （假如不知道目的基因的核酸顺序）
印迹法的重要环节：
（1）基因文库－ DNA 用限制性内切酶解决。
（2）DNA 片断混合物通过电泳分离。
（3）电泳后，通过印迹技术转到酯酰纤维薄膜上，以便操作。
（4）用已知小片断DNA 作为探针，互补结合需要找的基因片断。
（5）探针DNA 片断已用放射性元素标记，使胶片感光后可看出。
印迹法的关键是“分子杂交”，运用碱基配对的原则，用一段小的已知的 DNA 片断去寻找大的未知的基因片断。
（2）逆转录合成法（假如所需要的DNA片段很小）
以RNA为模版，逆转录合成互补的DNA片段。先将细胞核内的基因组转录为RNA，以信使RNA（mRNA）为模板，在逆转录酶的作用下根据碱基互补原则人工合成一段与之互补的DNA片段，再以此单链DNA为模版，人工合成此外一条互补的DNA子链，从而获得所需的目的基因。mRNA→单链DNA→ 双链DNA（cDNA）
（3）聚合酶链式反映（PCR）（如目的基因的核酸顺序已知）
聚合酶链式反映（PCR）是近年来开发出来的基因工程新技术，它的最大优点是把目的基因的寻找和扩增，放在一个环节里完毕。
反映在特制的PCR仪中进行，需要DNA模版、引物、TaqDNA聚合酶、四种脱氧核苷酸。
2、构造重组DNA分子
以质粒作载体为例
用与提取目的基因相同的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互补配对后，在连接酶的作用下连接形成一个环形的重组DNA分子。
3、 将目的基因导入受体细胞并扩增
基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌和动植物细胞等。
转化是指外源DNA分子或片段被细菌细胞吸取，并整合进细胞染色体的遗传现象，若受体细胞是动/植物细胞，通常称为转染。
导入受体细胞常用的方法是借鉴细菌或者病毒侵染细胞的途径。通常还要对一些受体细胞进行增大通透性的解决。（氯化钙或高压电脉冲打孔）
目的基因可以随着受体细胞进行快速的繁殖，在很短的时间内获得大量的基因。
4、目的基因的检测
（1）克隆基因的凝胶电泳检测
将克隆了目的基因的重组质粒从受体细胞中分离出来，选择合适的限制性内切酶对其进行酶解，采用凝胶电泳法检测酶解片段。
凝胶电泳法是用于分离、纯化、鉴定DNA片段的常用方法，DNA片段上的磷酸基团都带有负电荷，当不同长度的DNA片段装入琼脂糖凝胶一端后，DNA分子便向阳极运动，不同长度的DNA片段就会表现出的不同迁移速率，可根据DNA分子大小来使其分离，通过度子质量标准参照物和示踪染料与样品一起电泳而得到检测。
（2）Southern杂交
对于外源目的基因在转基因生物中的情况检测好可采用放射性同位素标记的核酸杂交法进行检测，也称为该法是运用毛细管作用使在凝胶电泳中分离的DNA片段转移并结合在合适的滤膜上，然后通过与已用同位素标记的单链DNA探针的杂交作用以检测这些被转移的DNA片段。
（3）核苷酸测序法（自动检测分析）。
已知目的基因的核苷酸序列可运用序列测定进行鉴定。
该方法是一种使用荧光染料的无放射性标记的DNA测序法。它使用4种不同颜色的荧光染料分别标记4种不同的碱基，并在一个凝胶电泳的泳道中进行电泳，然后通过激光作用诱发荧光，达成检测碱基的目的。激光检测器招收集到的信息传到电脑，计算机会自动显示或打印出碱基顺序。一块凝胶36个泳道可测36×450约16200个碱基。后来又发明了一种用毛细管电泳代替凝胶电泳的方法，可大大加快电泳的速度分辨率，并可实现自动灌胶和自动进样。

六、基因工程的应用
基因工程技术已经在医学、工业、农业等各个领域得到了广泛的应用。
1、微生物基因工程
（1）在制药方面（重组人胰岛素、重组干扰素）
生产新的抗生素，提高产量；基因工程被用于大量生产过去难以得到或几乎不也许得到的蛋白质－肽类药物。
（2）生产生物小分子
生产维生素C替代合成法。
提高氨基酸产量（将某些基因转入高产菌中）
（3）生产生物多聚体
生产黄原胶、生物合成橡胶、生产生物可降解塑料
（4）在生物农药上的应用
通过基因改造大规模生产微生物杀虫剂、生物除草剂。
（5）在环境工程中应用
美国 GE 公司构导致功具有巨大烃类分解能力的基因工程菌，并获专利，用于清除石油污染。
（6）转基因植物
抗病虫基因、抗除草剂基因、抗旱基因