生物制药习题.doc

第一章1. 生物技术药物：指采用DNA重组技术或其他创新生物技术研制的蛋白质或核酸类药物。2. 生物技术制药的特征：高技术、高投入、高风险、高收益、长周期第二章1.基因工程技术生产药物的优点是什么答案要点：1、大量生产过去难以获得的生理活性蛋白和多肽，为临床使用提供有效的保障；2、可以提供足够数量的生理活性物质，以便对其生理、生化和结构进行深入的研究，从而扩大这些物质的应用范围；3、可以发现、挖掘更多的内源性生理活性物质；4、内源生理活性物质在作为药物使用时存在的不足之处，可通过基因工程和蛋白质工程进行改造和去除；5、可获得新型化合物，扩大药物筛选来源。2.基因工程制药的基本过程答案要点：基因工程技术就是将重组对象的目的基因插入载体，拼接后转入新的宿主细胞，构建成工程菌，实现遗传物质的重新组合，并使目的基因在工程菌内进行复制和表达的技术。基因工程药物制造的主要程序是：目的基因的克隆；构建DNA重组体；将DNA重组体转入宿主菌构建工程菌；工程菌的发酵；外源基因表达产物的分离纯化；产品的检验等。通常将基因工程药物的生产分为上游和下游技术。上游阶段是研究开发必不可少的基础，它主要是分离目的基因，构建工程菌，主要在实验室完成。下游阶段是从工程菌的大规模培养到产品的分离纯化、质量控制，该阶段是将实验室成果产业化、商品化3.反转录法获得目的基因的过程：1.mRNA的纯化2.cDNA第一链的合成3.cDNA第二链的合成4.cDNA克隆5.将重组体导入宿主细胞6.cDNA文库的鉴定7.目的cDNA克隆的分离和鉴定逆转录法就是先分离纯化目的基因的mRNA，再反转录成互补DNA，然后进行互补DNA的克隆表达。从产生该蛋白质的真核细胞中提取mRNA，以其为模板，在逆转录酶的作用下，反转录合成该蛋白质mRNA的互补DNA，再以互补DNA为模板，在逆转录酶或DNA聚合酶作用下，最终合成编码该蛋白质的双链DNA序列，该序列不含内含子。4. 影响基因工程菌的要素及如何控制1、 培养基：需要对基质中营养物质的配比进行优化，以满足细菌大量繁殖和外源蛋白表达的需要。2、接种量：影响发酵产量和周期。3、溶解氧：菌体扩增及外源基因的表达都需要大量氧进行呼吸作用供能。4、pH：影响细胞的生长和基因产物的表达。5、温度：影响酶的反应速度，改变菌体代谢产物的反应方向，影响代谢调控机制。6、诱导时机：一般在对数生长后期升温诱导表达。7、代谢副产物：会抑制菌体的生长和蛋白的表达。5. 基因工程药物分离纯化常用的色谱法及原理 基因工程药物分离纯化常用的色谱技术主要有离子交换层析、疏水层析、亲和层析和凝胶过滤层析。 离子交换层析的原理：离子交换层析是用离子交换剂（具有离子交换性能的物质）作固定相，利用它与流动相中的离子能进行可逆的交换性质来分离离子型化合物的层析方法， 即溶液中的离子同离子交换剂上功能基团交换反应的过程。 疏水层析的原理：蛋白质表面一般有疏水与亲水集团，疏水层析是利用蛋白质表面某一部分具有疏水性，与带有疏水性的载体在高盐浓度时结合。在洗脱时，将盐浓度逐渐降低，因其疏水性不同而逐个地先后被洗脱而纯化，可用于分离其它方法不易纯化的蛋白质。 亲和层析的原理：生物分子间存在很多特异性的相互作用，它们之间都能够专一而可逆的结合，这种结合力就称为亲和力。亲和层析就是通过将具有亲和力的两个分子中一个固定在不溶性基质上，利用分子间亲和力的特异性和可逆性，对另一个分子进行分离纯化。被固定在基质上的分子称为配体，配体和基质是共价结合的，构成亲和层析的固定相，称为亲和吸附剂。亲和层析时首先选择与待分离的生物大分子有亲和力物质作为配体，并将配体共价结合在适当的不溶性基质上。将制备的亲和吸附剂装柱平衡，当样品溶液通过亲和层析柱的时候，待分离的生物分子就与配体发生特异性的结合，从而留在固定相上；而其它杂质不能与配体结合，仍在流动相中，并随洗脱液流出，这样层析柱中就只有待分离的生物分子。通过适当的洗脱液将其从配体上洗脱下来，就得到了纯化的待分离物质。 凝胶层析的原理:凝胶是一类多孔性高分子聚合物，每个颗粒犹如一个筛子。当样品溶液通过凝胶柱时，相对分子质量较大的物质由于直径大于凝胶网孔而只能沿着凝胶颗粒间的孔隙，随着溶剂流动，因此流程较短，向前移动速度快而首先流出层析柱；反之，相对分子质量较小的物质由于直径小于凝胶网孔，可自由地进出凝胶颗粒的网孔，在向下移动过程中，它们从凝胶内扩散到胶粒孔隙后再进入另一凝胶颗粒，如此不断地进入与逸出，使流量增长，移动速率慢而最后流出层析柱。而中等大小的分子，它们也能在凝胶颗粒内外分布，部分进入颗粒，从而在大分子物质与小分子物质之间被洗脱。这样，经过层析柱，使混合物中的各物质按其分子大小不同而被分离。6、提高质粒稳定性的方法如下：（1）选择合适的宿主细菌（2）选择合适的载体（3）选择压力（4）分阶段控制培养（5）控制培养条件（6）固定化7、干扰素：是人体细胞分泌的一种活性蛋白质，具有广泛的抗病毒，抗肿瘤和免疫调节活性，是人体防御系统的重要组成部分。8、高密度发酵：是指培养液中工程菌的菌体浓度在50gDCW/L以上，理论上的最高值可达200gDCW/L9、影响基因工程菌发酵的因素有哪些？如何控制发酵的各种参数？答：对发酵影响较大的几个因素有：培养基的影响；接种量的影响；温度的影响；溶解氧的影响；诱导时机的影响；诱导表达程序的影响；pH的影响。控制发酵的各种参数：培养基的组成既要提高工程菌的生长速率，又要保持工程菌的稳定性，使外源基因高效表达；接种量的大小影响发酵的产量和发酵周期。接种量小，菌体延迟期较长，使菌龄老化，不利于外源基因表达；接种量大，可缩短生长延迟期，菌体迅速繁衍，很快进入对数生长期，适于表达外源基因；接种量过高，使菌体生长过快，代谢物积累过多，反而会抑制后期菌体的生长。温度对发酵过程的影响是多方面的。它影响各种酶的反应速度，改变菌体代谢产物的反应方向，影响代谢调控机制。适宜的发酵温度是既适合菌体的生长，又适合代谢产物合成的温度。高温或低温都会使发酵异常，影响终产物的形成并导致减产。温度还影响蛋白质的活性和包含体的形成。对于好氧发酵,溶解氧浓度是重要的参数。好氧微生物利用溶解于培养液中的氧气进行呼吸。若能提高溶氧速度和氧的利用率，则能提高发酵产率。发酵时，随DO2浓度的下降，细胞生长减慢，ST值下降，发酵后期下降幅度更大。外源基因的高效表达需要大量的能量，促进细胞的呼吸作用，提高对氧的需求。维持较高的DO2值，才能提高工程菌的生长，利于外源蛋白产物的形成。采用调节搅拌转速的方法,可改变培养过程中的氧供给，提高活菌产量。一般在对数生长期或对数生长后期升温诱导表达。在对数生长期，细胞快速繁殖，直到细胞密度达到109/个为止，这时菌体数目倍增，对营养和氧需求量急增，营养和氧成了菌群旺盛代谢的限制因素。热诱导的程序提高外源蛋白表达量。根据工程菌的生长和代谢情况，对pH进行适当的调节。如采取两段培养工艺，培养前期重点是优化工程菌的生长条件，其最佳pH在6.87.4左右;培养后期重点是优化外源蛋白的表达条件,其最佳pH为6.06.5。第三章1、动物细胞的生理特点1、 细胞的分裂周期长动物细胞分裂所需的时间一般为1248h，要比原核细胞如细菌、真菌或原始的真核细胞如酵母等长。2、 细胞生长需贴附于基质，并有接触抑制现象除少数悬浮培养的细胞外，大多数正常二倍体细胞的生长都需在一定的基质（如玻璃。塑料等）上贴附，伸展后才能增殖。当细胞在基质上分裂增殖时，逐渐汇合成片，即每个细胞与其周围的细胞相互接触时，细胞就停止增殖。此时如能保持充足的营养，细胞仍可存活一段时间，但细胞密度不在增加，所以该现象又被称为接触抑制或密度依赖抑制现象。3、 正常二倍体细胞的生长的寿命是有限的即使培养条件都很理想，大多数细胞也只能生长有限的时间。细胞经若干代传代培养后将逐渐死亡。4、 动物细胞对周围环境十分敏感动物细胞与细菌和植物细胞相比，其培养难度大很多，主要原因是动物细胞比较娇弱，对周围环境非常敏感，包括对各种物理化学因素，如渗透压，pH、离子浓度、剪切力及微量元素等的变化耐受力很弱。5、 动物细胞对培养基的要求高动物细胞需要12种必需的氨基酸、8种以上的维生素、多种无机盐和微量元素，以及作为主要碳源的葡萄糖等，另外还需要多种细胞生长因子和贴壁因子等才能生长。6、 动物细胞对蛋白质的合成途径和修饰功能与细菌不同动物细胞蛋白质合成除了在游历的核糖体上进行外，还在与粗面内质网结合的核糖体上进行。与膜结合的蛋白对数为糖蛋白。在内质网上加接的是N-链寡糖，在高尔基体加接的是O-链寡糖。2、动物细胞大规模培养的方法1、 悬浮培养即让细胞自由悬浮于培养基内生长增殖。它适应一切种类的非贴壁依赖细胞，也适用于兼性贴壁细胞。优点是操作简单，培养条件比较均一，传质和传氧较好，容易大规模培养。不足由于细胞体积较小较难采用灌流培养，因而细胞密度一般较低。2、 贴壁培养必须让细胞贴附在某种基质上生长繁殖的培养方法。优点是实用的细胞种类广，较容易采用灌流式培养使细胞达到高密度，不足是操作比较麻烦，需要适合的贴附材料和足够的面积，培养条件不易均一，传质和传氧较差。3、 贴壁-悬浮培养微载体培养 创造相当大的贴附面积，又能满足绝大多数细胞的基本要求包埋和微囊培养 包埋或包裹在凝胶载体或微囊内。结团培养 细胞本身作为基质，相互贴壁后，再用悬浮培养大规模培养的操作方式：（1）分批式操作；（2）半连续式操作；（3）灌流式操作3、动物细胞生物反应器必须具备哪些基本要求？有哪些类型？特定是什么？动物细胞反应器具备的基本要求：（1） 制造生物反应器所采用的一切材料，尤其是与培养基，细胞直接接触的材料，对细胞必须是无毒性的。（2） 生物反应器的结构必须使之具有良好的传质、传热和混合的性能（3） 密封性良好，可避免一切外采的不需要的微生物污染。（4） 对培养基环境中多种物理化学参数能自动检测和调节控制，控制的精度高 ，而且能保持环境质量的均一。（5） 可长期连续运转，这对于培养动物细胞的生物反应器显得尤其重要。（6） 容器加工制造时要求内面光滑，无死角，以减少细胞或微生物的沉积。（7） 拆装，连结和清洁方便，能耐高压蒸汽消毒，便于操作维修（8） 设备成本尽可能低。反应器类型及特点：（1） 搅拌罐式生物反应器：主要用于是悬浮细胞培养，微载体培养，微囊和巨载体培养以及结团培养（2） 气升式生物反应器：气体通过装在罐底的喷管进入 反应器的导流管，致使该部液体的密度小于导流管外部的液体形成循环流。（3） 中空纤维式生物反应器：占地空间小，产品产量、质量高，生产成本低，不能重复使用，不能耐高压蒸汽灭菌，需用环氧乙烷或其它消毒剂灭菌，难以取样检测。（4） 透析袋或膜式生物反应器：可使细胞达到高密度 ，又可随意组合进行操作，对产品进行浓缩纯化。（5） 固定床或流化床生物反应器：结构简单，装填材料易得。半连续操作：该方式是当细胞和培养基一起加入反应器后，在细胞增长和产物形成过程中，每隔一段时间，取出部分培养物，或单纯是条件培养基，或连同细胞，载体，然后补充同样数量的新鲜培养基，或另取新鲜培养载体，继续培养。灌流式操作：该方式是当细胞和培养基一起加入反应器后，在细胞增长和产物形成过程中，不断地将部分条件培养基取出，同时不断地补充新鲜培养基。4、基因工程细胞的构建和筛选过程当前被用以构建基因工程细胞的动物细胞有BHK-21、C127、CHO-K1、COS、MDCK、Namalwa、Sf-9、Vero和多种骨髓瘤细胞1、 真核细胞表达载体的构建为了将外源基因在动物细胞中高效表达，首先要将其构建在一个高效的表达载体内。一类是病毒载体，如牛痘病毒、腺病毒、反转录病毒和杆状病毒等。另一类是质粒载体，而且常常是穿梭载体，即在细菌和哺乳动物细胞两者体内都能扩增。2、 基因载体的导入和高效表达工程细胞株的筛选目前方法大致分为4类，其中使用最普遍的是磷酸钙沉淀法和电穿孔法。筛选出已整合并表达的外源基因的工程细胞：首先是依靠构建在载体内的选择标记采用相应的筛选系统，其次是对选出的细胞要进行克隆和亚克隆使其纯化。最后在多数情况下需要利用其扩增系统，不断增加其基因拷贝数，从而获得能高效表达的稳定的工程细胞株。1. 什么是植物细胞全能性，分化，脱分化指植物的每个细胞都包含着该物种的全部遗传信息，从而具备发育成完整植株的遗传能力植物细胞全能性已分化的细胞在一定因素作用下恢复细胞分裂能力,失去原有分化状态的过程叫做脱分化在个体发育中,由一个或一种细胞增殖产生的后代,在形态结构和生理功能上发生稳定性的差异的过程称为细胞分化2. 继代培养对来自于外植体所增殖的培养物(包括细胞、组织或其切段)通过更换新鲜培养基及不断切割或分离，进行连续多代的培养，就称为继代培养或继代培养是指愈伤组织在培养基上生长一段时间后，营养物枯竭，水分散失，并已经积累了一些代谢产物，此时需要将这些组织转移到新的培养基上，这种转移称为继代培养或传代培养。3.植物细胞大规模培养的主要方法及其特点是什么？（1）成批培养法：将培养基一次性地加入反应器中，接种，培养一定时间后收获细胞的操作方式。特点：操作强度低，设备简单，容易发生污染，通气受限制。（2）半连续培养法：在反应器中投料和接种培养一段时间后，将部分培养液和新鲜培养液进行交换的培养方法。（3）连续培养法：是利用连续培养反应器，在投料和接种培养一段时间后，以一定速度采集细胞和培养液，并以同样速度供给诶新鲜培养基以使细胞生长环境长期恒定的方法。（4）固定化培养法：将细胞固定于尼龙网套内，或固定于中空纤维有网状多孔板，尼龙套和中空纤维膜上，放入培养液中进行培养，或连续流入新鲜培养液 ，进行连续培养及连续收集培养产物，也可通入净化空气以代替搅拌。4.各种植物细胞培养的生物反应器的特点是什么？（1）机械搅拌式生物反应器：有较大的操作范围，混合程度高，适应性广，剪切力大，容易损伤细胞。（2）鼓泡式生物反应器：优于机械搅拌式反应器。但由于鼓泡式反应器对氧的利用率较低，如果用较大通气量，则产生的剪切力会损伤细胞。（3）气升式生物反应器：广泛应用于植物细胞培养的研究和生产，最高细胞浓度和最短倍增时间可从气升罐中得到。（4）转鼓式生物反应器：生长速率高，其氧的传递及剪切力对细胞的伤害水平方面均优于气升式反应器。（5）固定化细胞反应器：可保护细胞免受剪切，可长时间重复使用，易于实现 细胞的高密度培养，细胞接触良好，易于分化，有利于次级代谢产物的合成，减少细胞的遗传不稳定 性，易于实现连续化操作。一、酶的生产菌对菌种的要求：1、酶产量高；2、产酶稳定性好，不易退化；3、容易培养和管理；4、营养要求低，利于降低生产成本；5、发酵结束后便于酶的分离纯化；6、安全可靠，生产菌本身及代谢产物应安全无害。二、1.固定化酶：酶本身还是溶于水的，只是是用物理的或化学的方法使酶与水不溶性大分子载体结合或把酶包埋在其中，使得酶在水中溶性凝胶或半透膜的微囊体从而导致流动性降低。2、酶固定的方法载体结合法：物理吸附法、离子结合法、共价结合法等三种。（1）物理吸附法：用物理方法将酶吸附于不溶性载体上的一种固定化方法，常用的载体有活性炭、多孔陶瓷、纤维素及其衍生物、甲壳素及其衍生物等。（2）离子结合法：将酶与含有离子交换基团的水不溶性载体以静电作用力相结合的固定化方法。该方法的处理条件温和，且酶的高级结构和活性中心的氨基酸很少发生变化，因而可以得到较高活性的固定化酶（3）共价结合法：酶蛋白的非必需基团通过共价键和载体形成不可逆的连接。在温和的条件下能偶联的蛋白质基团包括：氨基、羧基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基、酪氨酸的酚基、丝氨酸和苏氨酸的羟基。参加和载体共价结合的基团，不能是酶表现活力所必需的基团。此法曾先后用于3-核糖核酸酶、5-磷酸二酯酶和葡萄糖淀粉酶等的固定化。交联法：依靠双功能团试剂使酶分子之间发生交联凝集成网状结构，使之不溶于水从而形成固定化酶。常采用的双功能团试剂有戊二醛、顺丁烯二酸酐等。酶蛋白的游离氨基、酚基、咪唑基及巯基均可参与交联反应。包埋法 ：酶被裹在凝胶的细格子中或被半透性的聚合物膜包围而成为网格型和微囊型两种。包埋法制备固定化酶除包埋水溶性酶外还常包埋细胞，制成固定化细胞，例如可用明胶及戊二醛包埋具有青霉素酰化酶活力的菌体，可连续水解帤基青霉素，工业生产6-氨基青霉烷酸。三、酶反应器的类型及其特点：间歇式搅拌罐式反应器（batch Stirred Tank Reactor, BSTR）：底物和酶一次性投入反应器中，产物一次性取出，反应结束后，固定化酶（细胞）用过滤（或超滤）法回收。连续搅拌罐式酶反应器（continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）：向反应器中投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡后，再以恒定流速连续流入底物溶液，同时，以相同流速输出反应液（含产物）填充床（固定床）型酶反应器（packed bed reactor）：把催化剂填充在固定床（填充床）中的反应器，底物按照一定的方向以恒定流速通过反应器。这是一种使用得最广泛的固定化酶反应器。流化床型酶反应器（Fluidized Bed Reactor，FBR）：底物以一定的流速从下向上流过，使固定化酶颗粒在流体中维持悬浮状态并进行反应，这时的固定化颗粒和流体可以被看作是均匀以合的流体。循环反应器（recycle reactor，RCR）：可以提高液体的流速和减少底物向固定化酶表面传递的阻力，可以达到较高的转化率。四、抗体酶：具催化能力的免疫球蛋白五、分子印迹及其应用范围将各种生物大分子从凝胶转移到一种固定基质上的过程称为印迹技术（blotting）。当模板分子（印迹分子）与聚合物单体接触时会形成多重作用点，通过聚合过程这种作用就会被记忆下来，当模板分子除去后，聚合物中就形成了与模板分子空间构型相匹配的具有多重作用点的空穴，这样的空穴将对模板分子及其类似物具有选择识别特性。1.用于化学仿生传感器由于MIPS对于印迹分子的高选择性，故可以作为仿生传感器的分子识别元件；这种分子识别作用可以通过信号转化器（压电晶体、电极、电阻等）输出，然后通过各种电、热、光等手段转换成可测信号，可定量分析各种小分子有机化合物。2.色谱分离MIPS最广泛的应用之一是利用其特异的识别功能去分离混合物，近年来，引人瞩目的立体、特殊识别位选择性分离已经完成。其适用的印迹分子范围广，无论是小分子（如氨基酸、药品和碳氢化合物等）还是大分子（如蛋白质等）已被应用于各种印迹技术中 。3.固相萃取通常，样品的制备都包括溶剂萃取，由于分子印迹技术的出现，这可以用固相萃取代替，并且可利用分子印迹聚合物选择性富集目标分析物。由于印迹聚合物既可在有机溶剂中使用，又可在水溶液中使用，故与其他萃取过程相比，具有独特的优点。4.天然抗体模拟MIPS与印迹分子之间作用的强度与选择性在一定程度上可以和抗原与抗体之间的作用相媲美，因而可用于抗体模拟,这种模拟抗体制备简单、成本低，在高温、酸碱及有机溶剂中具有较好的稳定性，此外还可以重复使用。5.模拟酶催化例如以吡哆醛为印迹分子，用4一乙基咔哇为单体制备出分子印迹高聚物，它促进了氨基酸衍生物的质子转移。6.控缓释药物印迹高聚物可以吸收大量与印迹分子结构相似的物质，可以被用来作为一种反应性控制释放载体。六、发酵工程：采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，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的一种新技术。发酵基本过程（简述）：菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯。发酵基本方式及其特点1、 分批发酵：在操作上，先将一定量底物一次性装入密封的培养系统的单罐中，在适宜的温度下接种使发酵开始，经过一定时间后将全部发酵液取出，分离提取产物。分批发酵的特点：微生物所处的环境是不断变化的、可进行少量多品种的发酵生产、发生杂菌污染时能够很容易终止发酵、当运转条件发生变化时或者需要生产新产品时，灵活机动对原料组成要求较粗放。2、 连续发酵：是指在微生物培养至对数生长期时，以一定的速率把新鲜的培养基连续的供给均匀混合的发酵系统，并以相同的速率放出含有细胞和产物的发酵液的过程，发酵液中营养基质的浓度始终维持恒定状态，微生物保持在生长旺盛的对数生长期。连续发酵的特点：简化了装料、灭菌、出料、投料、清洗、消毒等许多单元操作，从而减少了非生长时间和提高了设备的利用率，缩短了发酵运转周期，提高了生产率连续培养始终使得细胞处于生长旺盛的对数生长期，可以明显的提高生产率。连续发酵生产过程比较稳定、均衡，发酵罐内的微生物、基质、产物、溶氧浓度、冷却要求以及pH值的控制等各种参数均维持在一定的水平上便于利用各种仪表进行自动控制。由于连续化发酵采用管道化和自动化生产，明显降低了劳动强度，节约了大量的动力、人力、水和蒸汽。产品稳定，产量比较高。3、 补料分批发酵以分批发酵为基础，是介于分批发酵与连续发酵之间的一种发酵技术。在分批发酵培养开始，投入较低的浓度底物，当微生物开始消耗底物后，间歇或连续地补加新鲜培养基，而不从发酵罐中放出培养液的一种发酵方式。补料分批发酵的优点：利用分批发酵的方式可以，使得发酵系统中维持较低基质浓度，解除底物阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，不至于加剧供氧矛盾。利用