《生物必修二第四章思维导图》
一、基因的表达
1.1 基因的本质和载体
1.1.1 基因的本质
- 定义： 具有遗传效应的DNA片段。
- 功能： 控制生物性状。
- 组成：
- 编码区：决定氨基酸序列，又分外显子和内含子。
- 非编码区：调控基因表达。
- 启动子：RNA聚合酶结合的部位，启动转录。
- 终止子：转录终止的信号。
- DNA与基因的关系： 基因是有遗传效应的DNA片段，一段DNA上有多个基因。
1.1.2 基因的载体
- 质粒：
- 存在于细菌、酵母菌等细胞内。
- 环状DNA分子。
- 有复制原点，能在宿主细胞中复制。
- 带有标记基因，便于筛选含有目的基因的细胞。
- 病毒：
- 噬菌体、动植物病毒等。
- 易于侵染细胞。
- 复制能力强。
1.2 基因的表达过程
1.2.1 转录
- 定义： 以DNA一条链为模板合成RNA的过程。
- 场所： 主要在细胞核，原核生物在细胞质。
- 模板： DNA的一条链（模板链）。
- 原料： 四种游离的核糖核苷酸。
- 酶： RNA聚合酶。
- 过程：
- RNA聚合酶识别并结合到启动子上。
- DNA双链解旋。
- RNA聚合酶沿DNA模板链移动，按照碱基互补配对原则合成mRNA。
- 到达终止子，mRNA与DNA分离。
- 产物： mRNA（原核生物直接翻译），前体mRNA（真核生物需要加工）。
1.2.2 翻译
- 定义： 以mRNA为模板合成蛋白质的过程。
- 场所： 核糖体。
- 模板： mRNA。
- 原料： 游离的氨基酸。
- 工具： tRNA（转运氨基酸），酶，ATP。
- 过程：
- mRNA与核糖体结合。
- tRNA携带氨基酸进入核糖体，按照密码子与反密码子互补配对的原则配对。
- 肽键形成，氨基酸之间连接。
- 核糖体沿mRNA移动，直到遇到终止密码子。
- 肽链释放，蛋白质形成。
- 密码子： mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基。
- 起始密码子：AUG，也编码甲硫氨酸。
- 终止密码子：UAA、UAG、UGA，不编码氨基酸。
- 反密码子： tRNA上与mRNA密码子互补配对的三个碱基。
1.3 基因表达的调控
1.3.1 原核生物基因表达调控
- 乳糖操纵子：
- 组成： 启动子、操纵序列、结构基因。
- 调控：
- 无乳糖时，阻遏蛋白与操纵序列结合，阻止RNA聚合酶与启动子结合，基因不表达。
- 有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合，使其失去与操纵序列结合的能力，RNA聚合酶可以与启动子结合，基因表达。
1.3.2 真核生物基因表达调控
- 调控方式： 多层次调控，包括转录水平、翻译水平、翻译后加工水平等。
- 染色质的结构： 染色质的松紧程度影响基因的表达。
- 转录因子： 参与转录的蛋白质，影响RNA聚合酶与启动子的结合。
- RNA加工： mRNA剪切、加帽、加尾等。
二、基因突变及其应用
2.1 基因突变
2.1.1 基因突变的定义
- 定义： DNA分子中碱基对的增添、缺失或替换而引起的基因结构的改变。
2.1.2 基因突变的特点
- 普遍性： 普遍存在于各种生物中。
- 随机性： 突变发生的时间和基因部位是随机的。
- 低频性： 突变频率很低。
- 多害少利性： 大多数突变是有害的，只有少数是有利的。
- 不定向性： 基因突变可以向不同的方向发生。
2.1.3 基因突变的原因
- 自发突变： 生物体内自然发生的突变。
- 诱发突变： 由于环境因素的影响而发生的突变。
- 物理因素：射线、高温等。
- 化学因素：亚硝酸、碱基类似物等。
- 生物因素：某些病毒。
2.1.4 基因突变的意义
- 生物进化： 基因突变是生物进化的原始材料。
- 育种： 诱变育种。
- 疾病： 某些遗传病的病因。
2.2 诱变育种
2.2.1 诱变育种的原理
- 人工诱发基因突变，提高突变率，产生更多优良变异。
2.2.2 诱变育种的方法
- 物理诱变： 利用射线、激光、紫外线等处理生物。
- 化学诱变： 利用化学诱变剂处理生物。
2.2.3 诱变育种的优点和缺点
- 优点：
- 可以提高突变率，缩短育种年限。
- 可以获得在自然界中罕见的优良变异。
- 扩大了育种材料的来源。
- 缺点：
- 突变具有不定向性，有利突变少。
- 诱变后需要进行大量的筛选工作。
- 诱变可能导致不良变异。
2.3 基因突变的应用实例
- 青霉素高产菌株的获得： 利用诱变育种方法获得青霉素高产菌株。
- 抗病植物的获得： 利用诱变育种方法获得抗病植物。
三、基因重组及其应用
3.1 基因重组
3.1.1 基因重组的定义
- 定义： 在生物的亲代与子代之间，基因的重新组合。
3.1.2 基因重组的类型
- 减数分裂过程中的基因重组：
- 交叉互换： 同源染色体上的非姐妹染色单体之间的互换。
- 非同源染色体上的基因重组： 非同源染色体自由组合。
- 细菌的转化： 细菌吸收外源DNA片段，发生基因重组。
- 病毒的转导： 病毒携带宿主细胞的DNA片段，转移到其他细胞，发生基因重组。
3.1.3 基因重组的意义
- 增加生物的多样性。
- 为生物进化提供原始材料。
- 在育种中可以获得新的优良品种。
3.2 基因工程（DNA重组技术）
3.2.1 基因工程的原理
- 原理： DNA重组技术。
- 基本操作步骤：
- 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。
- 目的基因的检测和表达。
3.2.2 基因工程的应用
- 医药： 生产胰岛素、生长激素、干扰素等。
- 农业： 培育转基因植物、转基因动物。
- 工业： 生产酶制剂、氨基酸等。
- 环保： 治理环境污染。
3.3 杂交育种
3.3.1 杂交育种的原理
- 原理： 基因重组。
3.3.2 杂交育种的方法
- 杂交： 将具有不同优良性状的亲本进行杂交。
- 自交： 将杂交后代进行自交，提高纯合度。
- 选择： 选择具有优良性状的个体。
3.3.3 杂交育种的优点和缺点
- 优点：
- 可以将多个优良性状集中到一个个体上。
- 操作简单，易于掌握。
- 缺点：
- 育种周期长。
- 后代可能出现性状分离。
四、染色体变异及其应用
4.1 染色体变异
4.1.1 染色体变异的类型
- 染色体结构变异：
- 缺失：染色体中某一片段的缺失。
- 重复：染色体中某一片段的重复。
- 倒位：染色体中某一片段的颠倒。
- 易位：染色体中某一片段转移到非同源染色体上。
- 染色体数目变异：
- 个体增加或减少一条或几条染色体。
- 三体综合征（21三体）。
- 细胞内的染色体数目以染色体组为单位成倍地增加或减少。
- 多倍体。
- 个体增加或减少一条或几条染色体。
4.1.2 染色体变异的原因
- 减数分裂过程中染色体分配异常。
- 有丝分裂过程中染色体分配异常。
- 外界因素的影响。
4.1.3 染色体变异的意义
- 导致生物性状的改变。
- 为生物进化提供原材料。
- 某些染色体变异可用于育种。
4.2 多倍体育种
4.2.1 多倍体育种的原理
- 利用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗，抑制纺锤体的形成，使染色体数目加倍。
4.2.2 多倍体育种的特点
- 植株器官增大，产量提高。
- 发育延迟，成熟期延长。
- 抗逆性增强。
4.2.3 多倍体育种的应用实例
- 无籽西瓜： 利用秋水仙素处理二倍体西瓜的幼苗，获得四倍体西瓜，再与二倍体西瓜杂交，获得三倍体无籽西瓜。
- 小黑麦： 利用秋水仙素处理小麦和黑麦的杂交后代，获得小黑麦。