第四章现代生物学与生物技术 甘需广福播电大 现代生物学常被称为“生命科学”，它已经成为当代成果最多和最吸引人的基础学科之 一。本章瓷下面十个间愿来讨论现代生物学与生物技术， 一、细胞生物学的建立和发展 0世纪30年代电子显微镜的发明，使人们对细胞的结构有了新的认识，产生了细围生 物学这一新的独立学科。细胞生物学是从亚细胞结构水平，甚至从分子水平上，来研究细胞 整体功能的一门新兴分支学科。 1.细胞的亚曼微结构 细胞的亚显微结构又称为超微结构，是指用普通光学显微镜不能分辨的细散内各种微细 结构。 0世纪50年代起，用电子量微镜开始广泛应用，多位科学家对饵胞膜、细胞器和饵胞 核的内部结构进行了深入的研究。 由于核糖体与蛋白质合成关系密切，因此在细胞器的研究工作中，对核糖体的研究比较 多。核糖体可分为两类：一是游离核糖体，它们散在于细园质中：二是附着核糖体，它门附 着于内质网外表面。 核糖体的主要成分是心A和蛋白质。它是细散中合成蛋白质的难一场所。附着核糖体， 主要合成外输性蛋白质：辮离楼糖体，主要合成细胞本身生长所需的蛋白质。 由于细胞核与逍遗传有关，因而对它研究也较多，细胞核贮存了该种生物的绝大部分遗传 信息，在一定程度上控制着细胞的代谢、分化和繁殖。 多数细胞贝有一个细胞核，但也有双核细胞。细胞核的大小和形态在不同细胞里，或在 同一细胞的不同时期会有所变化，但其基本结构包括核膜、核仁、染色质和核液四个组成部 分。 核膜是包围细鞋核的膜。它在与细胞质物质交换中起控制作用。 核仁是细胞核内周期性出现的致密区，是合成核糖体然A和装配核糖体亚基的场所。 染色质是细围核里易被碱性染料染色的部分，主要由体队和蛋白质组成。 在细雕分菱过程中，染色质丝螺旋或折叠构建成染色体，每种生物细脑内染色体数目是 恒定的。而且成对存在。例如，人有46条(23对)染色体。同一物种染色体恒定的转性
1 第四章 现代生物学与生物技术 甘肃广播电大 现代生物学常被称为“生命科学”，它已经成为当代成果最多和最吸引人的基础学科之 一。本章就下面十个问题来讨论现代生物学与生物技术。 一、细胞生物学的建立和发展 20 世纪 30 年代电子显微镜的发明，使人们对细胞的结构有了新的认识，产生了细胞生 物学这一新的独立学科。细胞生物学是从亚细胞结构水平，甚至从分子水平上，来研究细胞 整体功能的一门新兴分支学科。 1．细胞的亚显微结构 细胞的亚显微结构又称为超微结构，是指用普通光学显微镜不能分辨的细胞内各种微细 结构。 20 世纪 50 年代起，用电子显微镜开始广泛应用，多位科学家对细胞膜、细胞器和细胞 核的内部结构进行了深入的研究。 由于核糖体与蛋白质合成关系密切，因此在细胞器的研究工作中，对核糖体的研究比较 多。核糖体可分为两类：一是游离核糖体，它们散在于细胞质中；二是附着核糖体，它们附 着于内质网膜外表面。 核糖体的主要成分是 RNA 和蛋白质。它是细胞中合成蛋白质的唯一场所。附着核糖体， 主要合成外输性蛋白质；游离核糖体，主要合成细胞本身生长所需的蛋白质。 由于细胞核与遗传有关，因而对它研究也较多，细胞核贮存了该种生物的绝大部分遗传 信息，在一定程度上控制着细胞的代谢、分化和繁殖。 多数细胞只有一个细胞核，但也有双核细胞。细胞核的大小和形态在不同细胞里，或在 同一细胞的不同时期会有所变化，但其基本结构包括核膜、核仁、染色质和核液四个组成部 分。 核膜是包围细胞核的膜，它在与细胞质物质交换中起控制作用。 核仁是细胞核内周期性出现的致密区，是合成核糖体 RNA 和装配核糖体亚基的场所。 染色质是细胞核里易被碱性染料染色的部分，主要由 DNA 和蛋白质组成。 在细胞分裂过程中，染色质丝螺旋或折叠构建成染色体。每种生物细胞内染色体数目是 恒定的，而且成对存在。例如，人有 46 条（23 对）染色体。同一物种染色体恒定的特性
目懒己作为分类学上区别物种的重要依据之一。 核液是细胞核内的无定形基质。提供了细胞核进行各种功能活动的内环境。 2。细徽的全能性 细胞的全能性指每一个细围中都包含着产生一个完整机体的全套基因，在适宜条件下， 能形成一个新的个体，许多科学家为证实植物细胞的全能性作出了不懈的务力，植物细胞全 能性己铁得了充分的论证。 1966年，科学家用非洲爪蜂进行核移植试验，第一次证明了动物的体细胞也具有全能性， 1996年，英国的研究小组成功地利用细型核移植的方法培养出一只克隆羊，这个结果证明： 动物体中执行特殊功能、具有特定形态的所酬高度分化的细围，与受精卵一样，有发育成完 整个体的潜在能力。动物细胞与植物细胞一样，也具有全能性。 二、生物化学的发展 生物化学是一门运用化学的原理及方法，研究生命体的科学。它主要研究生命物质的化 学组成，结构以及生命过程中的各种化学变化： 20世纪0年代以后，生物化学的成就，集中反映在蛋白质、酶等生物大分子的研究成果方 面。 1。蛋白质的组成与结构 蛋白质的化学组成和分子结构的研究，在0世纪有了突酸性的进展。 蛋白质是主要的生命基础物质之一。蛋白质约占生物体干重的50所，它们的种类银多， 功能多样，在生命活动中起着极其重要的作用。 蛋白质是结构复条的生物大分子.通常，蛋白质的分子量为60C01000000,有的甚至 更大 蛋白质的基本结构单位是氨基酸，常见的氨基酸有20种。这0种氨基酸在结构上具有 共同的特点，有氢基和骏基。 氢基酸按一定顺序以键形式首尾缩合，形成多肽链。通常，蛋白质含有成百个氨恭酸， 常见的0种氨基酸按各种顺序排列组合，可以组成无限多样的多肽蛙。 我国科学工作者在蛋白质研究中作出了重要贡献。195年，我国在世界上首先人工合 成了有生物活性的牛胰岛素：1972年，我国研究了猪璃岛素分子的品体结构。所得结果与 国外的相比，更为精确。 2。酶的本质与酶促反应 酶是一类由话细胞产生的具有催化功能的特珠蛋白质。酶催化反应的能力叫酶活性。酶 2
2 目前已作为分类学上区别物种的重要依据之一。 核液是细胞核内的无定形基质，提供了细胞核进行各种功能活动的内环境。 2．细胞的全能性 细胞的全能性指每一个细胞中都包含着产生一个完整机体的全套基因，在适宜条件下， 能形成一个新的个体。许多科学家为证实植物细胞的全能性作出了不懈的努力，植物细胞全 能性已获得了充分的论证。 1966 年，科学家用非洲爪蟾进行核移植试验，第一次证明了动物的体细胞也具有全能性。 1996 年，英国的研究小组成功地利用细胞核移植的方法培养出一只克隆羊。这个结果证明： 动物体中执行特殊功能、具有特定形态的所谓高度分化的细胞，与受精卵一样，有发育成完 整个体的潜在能力。动物细胞与植物细胞一样，也具有全能性。 二、生物化学的发展 生物化学是一门运用化学的原理及方法，研究生命体的科学。它主要研究生命物质的化 学组成、结构以及生命过程中的各种化学变化。 20 世纪 50 年代以后，生物化学的成就，集中反映在蛋白质、酶等生物大分子的研究成果方 面。 1．蛋白质的组成与结构 蛋白质的化学组成和分子结构的研究，在 20 世纪有了突破性的进展。 蛋白质是主要的生命基础物质之一。蛋白质约占生物体干重的 50%，它们的种类很多， 功能多样，在生命活动中起着极其重要的作用。 蛋白质是结构复杂的生物大分子。通常，蛋白质的分子量为 6000~1000000，有的甚至 更大。 蛋白质的基本结构单位是氨基酸，常见的氨基酸有 20 种。这 20 种氨基酸在结构上具有 共同的特点：有氨基和羧基。 氨基酸按一定顺序以肽键形式首尾缩合，形成多肽链。通常，蛋白质含有成百个氨基酸， 常见的 20 种氨基酸按各种顺序排列组合，可以组成无限多样的多肽链。 我国科学工作者在蛋白质研究中作出了重要贡献。1965 年，我国在世界上首先人工合 成了有生物活性的牛胰岛素；1972 年，我国研究了猪胰岛素分子的晶体结构，所得结果与 国外的相比，更为精确。 2．酶的本质与酶促反应 酶是一类由活细胞产生的具有催化功能的特殊蛋白质。酶催化反应的能力叫酶活性。酶
催化的化学反应叫衡促反应。酶在生命活动中具有重要作用。 研究表明。有相当数量的酶是以复合蛋白质的形式存在的，即除了蛋白质成分外，还含 有其他的辅助因子，如金属离子，某些维生素等小分子物质，这些小分子物质是酶表现催化 活性所必需的。蛋白质酶种类多，数量大，效率高。是酶中的主力： 酶是催化剂，也具有一般催化剂的性质。如能如快反应的速度：少量的酶能催化大量的 物质发生反应：反应前后酶的化学性质和数量不变等等。 酶又具有另外一些特性，即高度专一性、高效性和高度敏感性。 高度专一性指一种酶具能座化某一种或一类化学反应，例如：淀静衡贝使雁化淀粉水解。 高效性折酶催化化学反应的反应速度比一般催化剂高出好几个数量级。 高度敏感性指酶比其他催化剂脆蜀、敏感，容易失去化活性。 爵特殊的催化功能取决于它的特定结构。酶在反应中，和它所催化的底物发生结合，形 成了中间产物。有科学家提出“锁钥假说”和“诱导根合假说”来解释酶的行为，目前，大 多数人都采用了“诱导根合假议”来解释酶的作用机理。 解促反应的速度，受酶浓度、底物浓度、酸碱瘦、温度，反应产物、董活剂、抑制剂等 因素的形响。其中，最重要的是温度和酸碱度。 在一定温度范围内，酶活性面着温度升高而增高。但当温度升高到一定高度對，酶的活 性反而降低，如再继线升高温度。最锋酶会完全失去活性，一般地，植物米源的酶，最适温 度为4550℃，动物来源的酶，最适温度在37广0℃左右。 植物和微生物体内酶的最适为4&5。动物体内酶的最适出为658。 三、分子生物学的美生和发展 分子生物学是从分子水平研究生命现象、本质和发展的一门新兴生物学科。分子生物学 的藏生，是科学家探索基因的化学实体的必然结果。1900年，孟德尔遗传定律的发现，标 志着道传学的诞生，也开辟了现代生物学的新纪元，1909年，约翰设使用“基因”一词来 代替孟德尔的“边传因子”。 20世纪40年代至50年代初被认为是分子生物学的孕有时期。0年代，围绕着基因的 物质基础（包括队的结构）和基因的自我复制这两个中心问题。以核酸的遗传功能为突破 点，进行了多种探素。预示着重大突酸的米临。 1953年美国和英国的科学家利用X射线衍射技术确立了底双螺旋结构的分子模型， 这一成就后米被誉为0世纪以来生物学方面最伟大的发现，也被认为是分子生物学凝生的 标志，20世纪0年代以米，几平每年的诺贝尔生理学成医学奖以及若干诺贝尔化学奖都顺
3 催化的化学反应叫酶促反应。酶在生命活动中具有重要作用。 研究表明，有相当数量的酶是以复合蛋白质的形式存在的，即除了蛋白质成分外，还含 有其他的辅助因子，如金属离子、某些维生素等小分子物质，这些小分子物质是酶表现催化 活性所必需的。蛋白质酶种类多，数量大，效率高，是酶中的主力。 酶是催化剂，也具有一般催化剂的性质。如能加快反应的速度；少量的酶能催化大量的 物质发生反应；反应前后酶的化学性质和数量不变等等。 但酶又具有另外一些特性，即高度专一性、高效性和高度敏感性。 高度专一性指一种酶只能催化某一种或一类化学反应。例如：淀粉酶只能催化淀粉水解。 高效性指酶催化化学反应的反应速度比一般催化剂高出好几个数量级。 高度敏感性指酶比其他催化剂脆弱、敏感，容易失去催化活性。 酶特殊的催化功能取决于它的特定结构。酶在反应中，和它所催化的底物发生结合，形 成了中间产物。有科学家提出“锁钥假说”和“诱导楔合假说”来解释酶的行为。目前，大 多数人都采用了“诱导楔合假说”来解释酶的作用机理。 酶促反应的速度，受酶浓度、底物浓度、酸碱度、温度、反应产物、激活剂、抑制剂等 因素的影响。其中，最重要的是温度和酸碱度。 在一定温度范围内，酶活性随着温度升高而增高。但当温度升高到一定高度时，酶的活 性反而降低。如再继续升高温度，最终酶会完全失去活性。一般地，植物来源的酶，最适温 度为 45~50℃，动物来源的酶，最适温度在 37~40℃左右。 植物和微生物体内酶的最适 pH 为 4~6.5，动物体内酶的最适 pH 为 6.5~8。 三、分子生物学的诞生和发展 分子生物学是从分子水平研究生命现象、本质和发展的一门新兴生物学科。分子生物学 的诞生，是科学家探索基因的化学实体的必然结果。1900 年，孟德尔遗传定律的发现，标 志着遗传学的诞生，也开辟了现代生物学的新纪元。1909 年，约翰逊使用“基因”一词来 代替孟德尔的“遗传因子”。 20 世纪 40 年代至 50 年代初被认为是分子生物学的孕育时期。40 年代，围绕着基因的 物质基础（包括 DNA 的结构）和基因的自我复制这两个中心问题，以核酸的遗传功能为突破 点，进行了多种探索，预示着重大突破的来临。 1953 年美国和英国的科学家利用 X 射线衍射技术确立了 DNA 双螺旋结构的分子模型， 这一成就后来被誉为 20 世纪以来生物学方面最伟大的发现，也被认为是分子生物学诞生的 标志。20 世纪 50 年代以来，几乎每年的诺贝尔生理学或医学奖以及若干诺贝尔化学奖都颁
给了从事生物化学与分子生物学的科学家。可以说分子生物学已成为现代生物学的主导学 科。 四、核酸的组成与结构 早在18的年，楼酸被发现。因为这种物质是从细胞核中得到，并且呈酸性，所以命名 为核酸。核酸是生物的速传物质，它和蛋白质一样，是巨大的生物大分子。 1.核酸的组成 生物体内存在两大类核酸。，一类是脱氧核糖核酸。简称队。是染色体的主要成分，主 要存在于细数核中：另一类是核糖核酸，简称心A,。主要存在于细围质中。 组成核酸的基本单位是核苷酸，把依和然放在酸或碱的环境中，或在酶的作用下水 解，都各可以得到4种核背酸。这些核背酸有类根的结构，即每个核背酸由3种成分组成： 一个五碳糖（也叫戊糖）、一个磷酸和一个含氨碱基（嘌吟或嘧呢）。 在组成风的4种核苷酸中，五碳糖都是脱氧核糖。 在组成M的4种核杆酸中，五碳糖都是核糖（比脱氧核糖多一个氧原子）， 2.N的结构 4的一级结构是由4种殿氧核糖核苷酸(AP、dGW耀、OP、dTVP)筱此相连而成的 多核苷酸链。 风黑的二馒结购为双蝶旋结构，双螺旋结构有以下主要等点： 《1)双螺蒙由两条多核背酸链组成，两条链以右旋方式围绕同一中心触盘蒙，两条链 的走白相反。 (2)两条多背國M中所含的碱基，在双螺的内侧。通过氢键配对，配对原则是“互 补解则”· (3)每个碱基对中的两个对应碱基处于同一平面，且与中心拍垂直，各碱基对平面平 行，且保持034的米的相等距离。 (4)螺旋每靛转一陶的螺距为34纳米，直径2钠米，每个轮更内有10个碱基对。 3。私的结构 有三种类型：核糖体器A(r)、转运3(t)和信使XA(),它们与 NA一起在细园的蛋白质合成过程中起作用： M的一级结构也是根长的多核督酸链，其基本组成单位是4种核糖核苷酸《AWP,GP, P、0MP). 绝大多数然A是以单鞋的多核苷酸存在，但在一些中，多核苷胶的某些留位能进 4
4 给了从事生物化学与分子生物学的科学家。可以说分子生物学已成为现代生物学的主导学 科。 四、核酸的组成与结构 早在 1869 年，核酸被发现。因为这种物质是从细胞核中得到，并且呈酸性，所以命名 为核酸。核酸是生物的遗传物质，它和蛋白质一样，是巨大的生物大分子。 1．核酸的组成 生物体内存在两大类核酸。一类是脱氧核糖核酸，简称 DNA，是染色体的主要成分，主 要存在于细胞核中；另一类是核糖核酸，简称 RNA，主要存在于细胞质中。 组成核酸的基本单位是核苷酸，把 DNA 和 RNA 放在酸或碱的环境中，或在酶的作用下水 解，都各可以得到 4 种核苷酸。这些核苷酸有类似的结构，即每个核苷酸由 3 种成分组成： 一个五碳糖(也叫戊糖)、一个磷酸和一个含氮碱基（嘌呤或嘧啶）。 在组成 DNA 的 4 种核苷酸中，五碳糖都是脱氧核糖。 在组成 RNA 的 4 种核苷酸中，五碳糖都是核糖（比脱氧核糖多一个氧原子）。 2．DNA 的结构 DNA 的一级结构是由 4 种脱氧核糖核苷酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）彼此相连而成的 多核苷酸链。 DNA 的二级结构为双螺旋结构，双螺旋结构有以下主要特点： （1）双螺旋由两条多核苷酸链组成，两条链以右旋方式围绕同一中心轴盘旋，两条链 的走向相反。 （2）两条多核苷酸链中所含的碱基，在双螺旋的内侧，通过氢键配对。配对原则是 “互 补原则”。 （3）每个碱基对中的两个对应碱基处于同一平面，且与中心轴垂直，各碱基对平面平 行，且保持 0.34 纳米的相等距离。 （4）螺旋每旋转一圈的螺距为 3.4 纳米，直径 2 纳米，每个旋距内有 10 个碱基对。 3．RNA 的结构 RNA 有三种类型：核糖体 RNA（rRNA）、转运 RNA（tRNA）和信使 RNA（mRNA），它们与 DNA 一起在细胞的蛋白质合成过程中起作用。 RNA 的一级结构也是很长的多核苷酸链，其基本组成单位是 4 种核糖核苷酸（AMP、GMP、 CMP、UMP）。 绝大多数 RNA 是以单链的多核苷酸存在，但在一些 RNA 中，多核苷酸链的某些部位能进
行折叠。形成二级结构。4分子均可形成三叶草棱型的二级结构。 NM的三级结构，外形类似于倒写的英文字母1， 五、遭传信息的传递 1。基因的本质 基因是含特定遗传信息的核苷酸序列，是遭传物质的最小功能单位。 由于在WA或M分子中，4种核皆酸在结构上的区别是碱基不同，因此，可以认为， 速传信息是由核酸分子中的碱基序列表示的。 风心分子上的碱基序列储存着速传信息，前一代细胞的遵传信息通过风队的自我复制 忠实地传给下一代细胞，从而使一个物种的速传信息保转稳定。 分子在细胞有统分裂的间期进行复制。通常一个N分子就复制成两个路分子， 它门在结构上是完全相同的。由于每个子代风分子中的一条链米自亲代M分子，另一条 性则是新合成的，因此，这种夏制方式称为半保留复制。WA分子通过半保图复制的方式 把速传信皂一代一代地传下去。 2.基因表达 遗传信息表现为生物性状的过程称为基因表达。 基因表达包括转录和转译两个步骤。 转录是遗传信息从DN到NA的转移。 转泽也叫翻译，是生物按照从陈1转录得到的品上的速传信息，合成蛋白质的过程。 生物体内透传信息的传递，主要包括体的复制和蛋白质的合成两种行为，即遗传信息 可以通过半保留复制从亲代盛A传递给子代NA,还可以通过基因表达，从底传运给图 再传堤给蛋白质。生物学家把遗传信息的传递白纳为“中心法则”，它是分子速传学上的一 个基本规律 值得一提的是，随着分子生物学的进一步发展，有关核酸、蛋白质等生物大分子的研究 己经积累了大量的单始数据，生物情息学应运而生，生物信息学以计算机为主要工具对生物 信息进行储存、检索和分析，来探需生命起源、生物进化以及细胞、器官和个体的发生、发 育、病变、衰亡等生命科学中的重大月题，它是一门新的交叉学科，是生命科学研究的前 沿。 大、生物技术 现代生物技术是当代高新技术之一，它是由多学科棕合而成的一个技术体系，生物技术 也可称为生物工程，它是在分子生物学、细围生物学和生物化学等理论基继上建立起米的
5 行折叠，形成二级结构。tRNA 分子均可形成三叶草模型的二级结构。 RNA 的三级结构，外形类似于倒写的英文字母 L。 五、遗传信息的传递 1．基因的本质 基因是含特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。 由于在 DNA 或 RNA 分子中，4 种核苷酸在结构上的区别是碱基不同，因此，可以认为， 遗传信息是由核酸分子中的碱基序列表示的。 DNA 分子上的碱基序列储存着遗传信息，前一代细胞的遗传信息通过 DNA 的自我复制， 忠实地传给下一代细胞，从而使一个物种的遗传信息保持稳定。 DNA 分子在细胞有丝分裂的间期进行复制。通常一个 DNA 分子就复制成两个 DNA 分子, 它们在结构上是完全相同的。由于每个子代 DNA 分子中的一条链来自亲代 DNA 分子，另一条 链则是新合成的，因此，这种复制方式称为半保留复制。DNA 分子通过半保留复制的方式， 把遗传信息一代一代地传下去。 2．基因表达 遗传信息表现为生物性状的过程称为基因表达。 基因表达包括转录和转译两个步骤。 转录是遗传信息从 DNA 到 RNA 的转移。 转译也叫翻译，是生物按照从 DNA 转录得到的 mRNA 上的遗传信息，合成蛋白质的过程。 生物体内遗传信息的传递，主要包括 DNA 的复制和蛋白质的合成两种行为，即遗传信息 可以通过半保留复制从亲代 DNA 传递给子代 DNA，还可以通过基因表达，从 DNA 传递给 RNA 再传递给蛋白质。生物学家把遗传信息的传递归纳为“中心法则”，它是分子遗传学上的一 个基本规律。 值得一提的是，随着分子生物学的进一步发展，有关核酸、蛋白质等生物大分子的研究 已经积累了大量的原始数据，生物信息学应运而生。生物信息学以计算机为主要工具对生物 信息进行储存、检索和分析，来探索生命起源、生物进化以及细胞、器官和个体的发生、发 育、病变、衰亡等生命科学中的重大问题，它是一门崭新的交叉学科，是生命科学研究的前 沿。 六、生物技术 现代生物技术是当代高新技术之一，它是由多学科综合而成的一个技术体系。生物技术 也可称为生物工程，它是在分子生物学、细胞生物学和生物化学等理论基础上建立起来的
通俗地说，生物技术就是利用生物成其产物，米生产对人类有用的物质的。 一般，生物技术可分为传统生物技术和现代生物技术两大类。 传统生物技术是应用发酵，食交育种等传统的方法米获得需要的产品。从人莞文明一开 始，人们早就注意这择生物机体杂交，改进种植业和畜牧业，注意列优良品种的保留和改良， 应用发酵建立了酸清技术等等。 现代生物技术是以生物化学咸分子生物学方法改变细胞咸分子的性质而获得需要的产 品。 现代生物工程一般包括基因工程、细胞工程、酶工程、发醇工程和蛋白质工程，其中， 基因工程技术是现代生物技术的核心技术， 七、基因工程 基因工程是指在基因水平上，按照人类需要进行设计，创建出具有某种新性状的生物新 品系，并能使之稳定地速传给后代。基因工程采用与工程设计十分类拟的方法，既具有理学 的特点。也具有工程学的特点。 生物学家在了解了速传密码的奥秘后，还想从分子的水平去干预生物的遗传。1973年， 美国的科想教授的大肠杆商重组实险，拉开了基因工程的大幕。 NA重组技术是基因工程的核心技术。重组，现名思复，线是重新组合，即利用供体生物的 速传物质，成人工合成的基因，经过体外切图后与适当的载体连接起米，形成重组NA分子， 然后将重组NA分子导入到受体细散或受体生物，构建转基因生物。 1,N私重组技术的物质基础 (1)目的基因 基因工程是一种有预期目的的创透性工作，它的原料就是目的琴因。所谓目的基因，是 指通过人工方法获得的符合设计者要求的盛A片段，在适当条件下，目的基因将会以蛋白质 的形式表达，从而实联设计者改造生物性状的口标， (2)载体 目的基因一般都不能直接进入另一种生物细胞，它需要与特定的授体结合，才能安全地 进入到受体细胞中。目前常用的载体有质粒、？菌体和病毒。 质粒是在大多数细菌和某些真核生物的细鞋中发现的一种环状！分子，它位于细胞质 中。 壁菌体是专门感染饵商的一类病毒，由蛋白质外壳和中心的核酸组成。质较、醉菌体和 病毒的相椒之处在于，它们都能把自己的体A分子注入到宿主细验中，并保持分子的完 6
6 通俗地说，生物技术就是利用生物或其产物，来生产对人类有用的物质的。 一般，生物技术可分为传统生物技术和现代生物技术两大类。 传统生物技术是应用发酵、杂交育种等传统的方法来获得需要的产品。从人类文明一开 始，人们早就注意选择生物机体杂交，改进种植业和畜牧业，注意到优良品种的保留和改良， 应用发酵建立了酿酒技术等等。 现代生物技术是以生物化学或分子生物学方法改变细胞或分子的性质而获得需要的产 品。 现代生物工程一般包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程，其中， 基因工程技术是现代生物技术的核心技术。 七、基因工程 基因工程是指在基因水平上，按照人类需要进行设计，创建出具有某种新性状的生物新 品系，并能使之稳定地遗传给后代。基因工程采用与工程设计十分类似的方法，既具有理学 的特点，也具有工程学的特点。 生物学家在了解了遗传密码的奥秘后，还想从分子的水平去干预生物的遗传。1973 年， 美国的科恩教授的大肠杆菌重组实验，拉开了基因工程的大幕。 DNA 重组技术是基因工程的核心技术。重组，顾名思义，就是重新组合，即利用供体生物的 遗传物质，或人工合成的基因，经过体外切割后与适当的载体连接起来，形成重组 DNA 分子， 然后将重组 DNA 分子导入到受体细胞或受体生物，构建转基因生物。 1．DNA 重组技术的物质基础 （1）目的基因 基因工程是一种有预期目的的创造性工作，它的原料就是目的基因。所谓目的基因，是 指通过人工方法获得的符合设计者要求的 DNA 片段，在适当条件下，目的基因将会以蛋白质 的形式表达，从而实现设计者改造生物性状的目标。 （2）载体 目的基因一般都不能直接进入另一种生物细胞，它需要与特定的载体结合,才能安全地 进入到受体细胞中。目前常用的载体有质粒、噬菌体和病毒。 质粒是在大多数细菌和某些真核生物的细胞中发现的一种环状 DNA 分子，它位于细胞质 中。 噬菌体是专门感染细菌的一类病毒，由蛋白质外壳和中心的核酸组成。质粒、噬菌体和 病毒的相似之处在于，它们都能把自己的 DNA 分子注入到宿主细胞中，并保持 DNA 分子的完
整，因而，它们成为运载目的基因的合适载体。因此，基因工程中的载体实质上是一些特殊 的N分子。 (3)工具酶 基因工程需要有一套工具，以便从生物体中分离目的基因，然后透释适合的载体，将目 的基因与我体连接起来。基因工程实际上是一种“胡级显微工程”，用特麻的工具，对风 的切制、缝合与转运 98年，科学家第一次从大肠杆商中提取出了限制性内切酶。限制性内切酶最大的特 点是专一性强。能够在特定切点上切割A分子。0年代以来，人们已经分离提取了00 多种限制性内切酶。 976年，5个实验室的科学家几乎问时发现并提取出一种酶，作路A连核梅。从此，NA 连接酶就成了“粘合”基因的“分子粘合剂”。 2.W重组技术 一个具型的队重组有如下五个操作步露： (1)目的基因的获取 目前，获取目的基因的方法丰要有三种：反向转录法、直接分离法和人工合成法。 反向转录法是利用黑反转录获得目的基因的方法。现在用这种方法人们己先后合成 了家免、鸭和人的珠蛋白基因、期毛角蛋白基因等。 从闭胞基因组中直接分离日的基因常用“鸟枪法”，又称“散弹枪法”，用“鸟枪法” 分离目的基因，具有简单、方便和经济等优点。许多璃毒和原核生物、一些真核生物的基因， 都用这种方法获得了成功的分离， 化学合成目的基因是0世纪阳年代以米发展起米的一项新技术，应用化学合成法，可 在短时间内合成目的基因。科学家们己相继合成了人的生长激素释放抑制素，院岛素、干扰 素等蛋白质的编码基因。 (2)N分子的体外重组 体外重组是把我体与目的基因进行连接和重组。形成了一个新的环状N!分子（杂种 NA分子)· (3)N1重组体的导入 把目的基因装在载体上后，再把它引入到受体细胞中，导入的方式有多种，主要有转化， 转导，它主要近用于低等真核生物细鼠，显微注射、微粒数击和电击穿孔等方式，主要应用 于高等动植物的细胞
7 整，因而，它们成为运载目的基因的合适载体。因此，基因工程中的载体实质上是一些特殊 的 DNA 分子。 （3）工具酶 基因工程需要有一套工具，以便从生物体中分离目的基因，然后选择适合的载体，将目 的基因与载体连接起来。基因工程实际上是一种“超级显微工程”，用特殊的工具，对 DNA 的切割、缝合与转运。 1968 年，科学家第一次从大肠杆菌中提取出了限制性内切酶。限制性内切酶最大的特 点是专一性强，能够在特定切点上切割 DNA 分子。70 年代以来，人们已经分离提取了 400 多种限制性内切酶。 1976 年，5 个实验室的科学家几乎同时发现并提取出一种酶，作 DNA 连接酶。从此，DNA 连接酶就成了“粘合”基因的“分子粘合剂”。 2．DNA 重组技术 一个典型的 DNA 重组有如下五个操作步骤： （1）目的基因的获取 目前，获取目的基因的方法主要有三种：反向转录法、直接分离法和人工合成法。 反向转录法是利用 mRNA 反转录获得目的基因的方法。现在用这种方法人们已先后合成 了家兔、鸭和人的珠蛋白基因、羽毛角蛋白基因等。 从细胞基因组中直接分离目的基因常用“鸟枪法”，又称“散弹枪法”。用“鸟枪法” 分离目的基因，具有简单、方便和经济等优点。许多病毒和原核生物、一些真核生物的基因， 都用这种方法获得了成功的分离。 化学合成目的基因是 20 世纪 70 年代以来发展起来的一项新技术。应用化学合成法，可 在短时间内合成目的基因。科学家们已相继合成了人的生长激素释放抑制素、胰岛素、干扰 素等蛋白质的编码基因。 （2）DNA 分子的体外重组 体外重组是把载体与目的基因进行连接和重组，形成了一个新的环状 DNA 分子（杂种 DNA 分子）。 （3）DNA 重组体的导入 把目的基因装在载体上后，再把它引入到受体细胞中。导入的方式有多种，主要有转化、 转导，它主要适用于低等真核生物细胞，显微注射、微粒轰击和电击穿孔等方式，主要应用 于高等动植物的细胞
(4)受体细胞的筛选 由于N重组体的转化成功率不是太高，因而，要用特定标志在众多的饵胞中。把成功 转入NA重组体的细散挑速出米，证明导入是否成功。 (5)基因表达 目的基因在成功导入受体饵胞后，它所携箭的速传信息，必须要通过合成新的蛋白质才 能表现出来，从而改变受体细围的遗传性状。 基因工程作为现代生物技术的核心，将在社会生产和实践中发挥越来越重要的作用。 八、细胞工程 关于细敢工程的定义和范围还没有一个统一的说法，一般认为，细鞋工程是根据细融生 物学和分子生物学原理，采用细胞培养技术，在细胞水平进行的道传操作。细胞工程大体可 分染色体工程、细胞质工程和饵胞慰合工程， 1,细胞培养技术 细胞培养技术是细胞工程的基鸱技术。所谓细图培养，就是将生物机体的某一部分组 织，取出一小块进行培养，使之生长、分裂的技术。细胞培养又叫组织培养。 在体外细围培养中，优给离开整体的动植物细围所需营养的是培养基，培养基中除了 含有丰富的营养物质外，一般还含有料澄细胞生长和发有的一些微量物质。培养基一般有固 态和液态两种。它必须经灭菌处理后才可使用。此外，温度，光题，振荡频率等也都是影响 培养的重要条件。 植物细胞与组织培养的基本过程包括如下几个步骤： 第一步，从健康植株选择用于培养的起始材料（外植体）。 第二岁，用一定的化学药剂对外植体表而消毒，建立无南培养体系。 第三步，形成意伤组凯和器官。由患伤组凯再分化出芽并进一步诱导形成小植林。 动物细雕培养有两种方式。一种国非贴整培养：是细胞在培养过程中不贴度，条件较 为复杂。难度也大一些，但是容易同时获将大量的培养细胞。一般用于淋巴细胞。肿窄细 胞和一些转化细胞的培养。另一种是贴壁培养：也称为细胞贴壁，贴壁后的细胞呈单层生长， 所以，此法又国单层细胞培养。大多数哺乳动物细胞的培养，必须采用这种方法。 动物雏敷可以离体培养，动物细围培养的主要步骤如下： 第一步，在无菌条件下，从健康动物体内取出适量组织，剪切成小薄片。 第二步，加入适宜浓度的酶与辅助物质进行清化作用使细胞分放。 第三步，将分散的细选行洗涤并纯化后，以适直的浓度加在培养基中，37℃下培养
8 （4）受体细胞的筛选 由于 DNA 重组体的转化成功率不是太高，因而，要用特定标志在众多的细胞中，把成功 转入 DNA 重组体的细胞挑选出来，证明导入是否成功。 （5）基因表达 目的基因在成功导入受体细胞后，它所携带的遗传信息，必须要通过合成新的蛋白质才 能表现出来，从而改变受体细胞的遗传性状。 基因工程作为现代生物技术的核心，将在社会生产和实践中发挥越来越重要的作用。 八、细胞工程 关于细胞工程的定义和范围还没有一个统一的说法，一般认为，细胞工程是根据细胞生 物学和分子生物学原理，采用细胞培养技术，在细胞水平进行的遗传操作。细胞工程大体可 分染色体工程、细胞质工程和细胞融合工程。 1．细胞培养技术 细胞培养技术是细胞工程的基础技术。所谓细胞培养，就是将生物机体的某一部分组 织，取出一小块进行培养，使之生长、分裂的技术。细胞培养又叫组织培养。 在体外细胞培养中，供给离开整体的动植物细胞所需营养的是培养基，培养基中除了 含有丰富的营养物质外，一般还含有刺激细胞生长和发育的一些微量物质。培养基一般有固 态和液态两种，它必须经灭菌处理后才可使用。此外，温度、光照、振荡频率等也都是影响 培养的重要条件。 植物细胞与组织培养的基本过程包括如下几个步骤： 第一步，从健康植株选择用于培养的起始材料（外植体）。 第二步，用一定的化学药剂对外植体表面消毒，建立无菌培养体系。 第三步，形成愈伤组织和器官，由愈伤组织再分化出芽并进一步诱导形成小植株。 动物细胞培养有两种方式。一种叫非贴壁培养：是细胞在培养过程中不贴壁， 条件较 为复杂， 难度也大一些，但是容易同时获得大量的培养细胞。一般用于淋巴细胞、肿瘤细 胞和一些转化细胞的培养。另一种是贴壁培养：也称为细胞贴壁。贴壁后的细胞呈单层生长， 所以，此法又叫单层细胞培养。大多数哺乳动物细胞的培养，必须采用这种方法。 动物细胞可以离体培养，动物细胞培养的主要步骤如下： 第一步，在无菌条件下，从健康动物体内取出适量组织，剪切成小薄片。 第二步，加入适宜浓度的酶与辅助物质进行消化作用使细胞分散。 第三步，将分散的细胞进行洗涤并纯化后，以适宜的浓度加在培养基中，37℃下培养
并适时进行传代。 在细胞培养中，我们经常使用一个词一一克隆。克隆一词是由英文c1©音译而来， 指无性繁殖以及由无性繁殖而得到的细鞋群体减生物群体。白然界存在天然的克隆，如同卵 双型胎。 单克隆是指由一个细胞进行无性繁殖面形成的细胞群体，我门从经过消化而分散开的 动物细胞中，挑选一个出来进行培养，就是单克隆。 基因工程中，还有称为分子克隆，是指发生在N!分子水平上，从一种细胞中，肥某 种基因提取出来作为外源基因，在体外与载体连接，再将其引入另一受体细胞，自主复制面 得到的体A分子无性系。 2。细胞核移植技术 由于克隆是无性繁箱，所以，同一克隆内所有成员的速传构成是完全相同的，这样有 利于思实地保持解有品种的优良特性，辅乳动物克隆的方法主要有胚的分制和细胞核移植两 种。其中，细陬核移植是发展较晚，国富有潜力的一门新技术。 细胞核移植技术属于细胞质工程。所谓细胞核移植技术，是指用机械的办法肥一个被 称为“供体细胞”的饵园核移入另一个除去了细胞核被称为“受体”的细胞中，然后，这一 重组细胞进一步发育、分化。核移植的原理是基于动物细围的细围核的全能性。 细胞核移植技术克隆动物的设想，最初在1938年提出。从192年起，科学家们首先 采用两牺类动物开展细围钱移植克隆实验，先后获得了解鲜和成体蛙。163年，我国童第 周教授领导的科研组。以金鱼等为材料，研究了鱼类胚酚细雅核移植技术，获得成功。 196年，美国爱丁堡罗斯林研究所成功地利用细围核移植的方法培养出一只克降单一一多 利，这是世界上首次利用成年辅乳动物的体细粒进行雏酸核移植而培养出的克隆动物。 在核移植中，并不是所有的细胞都可以作为核供体。作为供体的细胞有两种：一是整 的饵胞。二是某些体细胞。 研究表明，卵细胞、卵母细胞和受精卵细胞都是合适的受体细胞。 2000年6月，我国西北农林科技大学利用成年山单体细胞克隆出两只“克隆单”。 核移植的研究，不仅在探明动物饵胞核的全能性、细胞核与饵胞质关系等重要理论问 思方面具有重要的科学价值，而且在备牧业生产中有着丰常重要的经济价值和应用前景。 3。细胞融合技术 细胞融合技术是一种新的获得杂交细胞以政变细胞性能的技术，它是指在离体条件下， 利用脸合诱导剂，把同种成不同物种的体细围人为地融合，形成杂合细围的过程。 9
9 并适时进行传代。 在细胞培养中，我们经常使用一个词——克隆。克隆一词是由英文 clone 音译而来， 指无性繁殖以及由无性繁殖而得到的细胞群体或生物群体。自然界存在天然的克隆，如同卵 双胞胎。 单克隆是指由一个细胞进行无性繁殖而形成的细胞群体，我们从经过消化而分散开的 动物细胞中，挑选一个出来进行培养，就是单克隆。 基因工程中，还有称为分子克隆，是指发生在 DNA 分子水平上，从一种细胞中，把某 种基因提取出来作为外源基因，在体外与载体连接，再将其引入另一受体细胞，自主复制而 得到的 DNA 分子无性系。 2．细胞核移植技术 由于克隆是无性繁殖，所以，同一克隆内所有成员的遗传构成是完全相同的，这样有 利于忠实地保持原有品种的优良特性。哺乳动物克隆的方法主要有胚胎分割和细胞核移植两 种。其中，细胞核移植是发展较晚，但富有潜力的一门新技术。 细胞核移植技术属于细胞质工程。所谓细胞核移植技术，是指用机械的办法把一个被 称为“供体细胞”的细胞核移入另一个除去了细胞核被称为“受体”的细胞中，然后，这一 重组细胞进一步发育、分化。核移植的原理是基于动物细胞的细胞核的全能性。 细胞核移植技术克隆动物的设想，最初在 1938 年提出。从 1952 年起，科学家们首先 采用两栖类动物开展细胞核移植克隆实验，先后获得了蝌蚪和成体蛙。1963 年，我国童第 周教授领导的科研组，以金鱼等为材料，研究了鱼类胚胎细胞核移植技术，获得成功。 1996 年，英国爱丁堡罗斯林研究所成功地利用细胞核移植的方法培养出一只克隆羊——多 利，这是世界上首次利用成年哺乳动物的体细胞进行细胞核移植而培养出的克隆动物。 在核移植中，并不是所有的细胞都可以作为核供体。作为供体的细胞有两种：一是胚 胎细胞，二是某些体细胞。 研究表明，卵细胞、卵母细胞和受精卵细胞都是合适的受体细胞。 2000 年 6 月，我国西北农林科技大学利用成年山羊体细胞克隆出两只“克隆羊”。 核移植的研究，不仅在探明动物细胞核的全能性、细胞核与细胞质关系等重要理论问 题方面具有重要的科学价值，而且在畜牧业生产中有着非常重要的经济价值和应用前景。 3．细胞融合技术 细胞融合技术是一种新的获得杂交细胞以改变细胞性能的技术，它是指在离体条件下， 利用融合诱导剂，把同种或不同物种的体细胞人为地融合，形成杂合细胞的过程
动物细胞雕合的主要步骤是： 第一步，获取亲本细胞。将取样的组织分离细围进行培养。 第二步，诱导聪合。把两种亲本细胞置于月一培养液中，进行细胞融合。 从0世起70年代开始，已经有许多种细胞雕合成功，有植物间、动物间、动植物阿 其至人体细数与动植物间的成功胜合。现有新的杂交植物，如“西红棒马铃薯”、“蘑选 白菜”等。从目前的技术水平来看，人们还不陵把许多远缘的细胞融合后培养成杂种个体， 尤其是动物细胞难度更大， 九、酶工程、发酵工程与蛋白质工程 1.酶工程 解工程是指利川酶、细胞或细胞器等具有的特异催化功能，售助生物反应装置和通过 一定的工艺手段，生产出人类所香要的产品。它是酶学理论与化工技术相结合而形成的一种 新技术。 酶工程，可以分为两部分。一部分是如何生产南，一邻分是如何应用酶。 酶的生产大致经历了四个发展阶受。最初从动物内脏中提取酶，随者酶工程的进展， 人们利用大量培养微生物来获取酶，基因基因工程测生后，通过基因重组来改造产酶的微生 物，近些年米，又出现了人工合成酶。 酶在使用中存在着一些缺点，如遇到高温、强酸、强碱时就会失去活性，成本高，价 钱贵，只能使用一次等。利用酶的固定化。按称为是酶工程的中心： 如今，解的固定化技术日新月异。它表现在两方面： 一是因定的方法。目前因定的方法有四大类：吸附法，共价键合法、交联法和色理法， 二是被国定下米的酶，要有多种南，能催化一系列的反应。 与自然舞相比，固定化酶和因定化细盥具有明显的优点： (1)可以做成各种形状，装在反应槽中，便于取出，也便于违续、反复使用。 (2)稳定性提高，不易失去活性，使用寿命延长。 (3)便于白动化操作，实现用电脑控制的连线生产。 如今已有数十个国家深用因定化南和固定化细胞进行工业生产，产品包括酒精、啤酒， 各种氨基酸、各种有机酸以及药品等。 2.发酵工程 现代的发酵工程。又叫微生物工程，指采用呢代生物工程技术手段，利用微生物的某 些特定的功能，为人类生产有用的产品，或直核把微生物应用于工业生产过程， 10
10 动物细胞融合的主要步骤是： 第一步，获取亲本细胞。将取样的组织分离细胞进行培养。 第二步，诱导融合。把两种亲本细胞置于同一培养液中，进行细胞融合。 从 20 世纪 70 年代开始，已经有许多种细胞融合成功，有植物间、动物间、动植物间 甚至人体细胞与动植物间的成功融合。现有新的杂交植物，如 “西红柿马铃薯”、“蘑菇 白菜”等。从目前的技术水平来看，人们还不能把许多远缘的细胞融合后培养成杂种个体， 尤其是动物细胞难度更大。 九、酶工程、发酵工程与蛋白质工程 1．酶工程 酶工程是指利用酶、细胞或细胞器等具有的特异催化功能，借助生物反应装置和通过 一定的工艺手段，生产出人类所需要的产品。它是酶学理论与化工技术相结合而形成的一种 新技术。 酶工程，可以分为两部分。一部分是如何生产酶，一部分是如何应用酶。 酶的生产大致经历了四个发展阶段。最初从动物内脏中提取酶，随着酶工程的进展， 人们利用大量培养微生物来获取酶，基因基因工程诞生后，通过基因重组来改造产酶的微生 物，近些年来，又出现了人工合成酶。 酶在使用中存在着一些缺点，如遇到高温、强酸、强碱时就会失去活性，成本高，价 钱贵，只能使用一次等。利用酶的固定化，被称为是酶工程的中心。 如今，酶的固定化技术日新月异。它表现在两方面： 一是固定的方法。目前固定的方法有四大类：吸附法、共价键合法、交联法和包埋法。 二是被固定下来的酶，要有多种酶，能催化一系列的反应。 与自然酶相比，固定化酶和固定化细胞具有明显的优点： （1）可以做成各种形状，装在反应槽中，便于取出，也便于连续、反复使用。 （2）稳定性提高，不易失去活性，使用寿命延长。 （3）便于自动化操作，实现用电脑控制的连续生产。 如今已有数十个国家采用固定化酶和固定化细胞进行工业生产，产品包括酒精、啤酒、 各种氨基酸、各种有机酸以及药品等。 2．发酵工程 现代的发酵工程。又叫微生物工程，指采用现代生物工程技术手段，利用微生物的某 些特定的功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程