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第四章 现代生物学与生物技术（习题与作业） 一、填空题 1、细胞膜具有 物质转与运 、 能量转换 、 信息传递 、 细胞和分子识别 。等重要功能。2、根据与内质网的关系，核糖体可分为 散在于细胞质中的叫游离核糖体 、 附着于内质网膜外表面的叫附着核糖体 两类。核糖体是细胞中合成 蛋白质 的唯一场所。 3、细胞核的基本结构包括 核膜 、 核仁 、 染色质 和 核液 四个组成部分。 4、染色质主要由 DNA 和蛋白质组成， 核小体 是构成染色质的基本单位。 5、目前大多数采用 诱导楔合 假说来解释酶的作用机理。 6、分子生物学诞生的标志是 科学家探索基因化学实体的必然结果 。 7、RNA有 核糖体RNA（rRNA）、 转运RNA（rRNA） 和 信使RNA（mRNA） 三种类型。 8、DNA复制的方式为 半保留复制 。 9、基因表达包括 转录 和 转译 两个步骤。 10、蛋白质的基本结构单位是 氨基酸 ，核酸的基本单位是 核苷酸 ，根据碱基配对原则，与碱基C配对的是 G（G - C） 。 11、细胞融合技术属于 细胞融合 工程，多利羊的培育主要采用了 细胞核移植 技术。 二、名词解释 1、细胞全能性：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。 2、酶：是一类由活细胞产生的具有催化个功能的特殊蛋白质，酶催化化学反应的能力叫酶活性，酶催化的化学反应叫酶促反应。3、基因：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。除某些病毒的基因由RNA构成外，多数生物的基因由DNA构成。 4、基因工程：是指在基因水平上，采用与工程设计十分类似的方法，按照人类的需要进行设计，然后按设计方案创建出具有某种新的性状的生物新品系，并能使之稳定地遗传给后代。根据这个定义，基因工程既具有理学的特点，也具有工程学的特点。 5、克隆（clone）：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。它既是名词，也是动词。作为名词，细胞克隆指细胞的一个无性繁殖系；作为动词，指用细胞去无性繁殖。 6、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新技术。可分为两部分：（1）生产酶；（2）应用酶。 7、发酵工程：又叫微生物工程，是大规模发酵生产工艺的总称。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。发酵工程是在发酵工艺基础上吸收基因工程、细胞工程和酶工程以及其他技术的成果而形成的。 8、蛋白质工程：是指在深入了解蛋白质空间结构与结构与功能的关系后，并在掌握基因操作技术的基础上，用人工合成生产自然界原来没有的、具有新的结构与功能的、对人类生活有用的蛋白质分子。类型：（1）设计合成蛋白质；（2）定位突变与局部修饰。 三、简答题：1、 与一般化学催化剂相比，酶有哪些特点？ 答：酶具有的特点：（a）高度专一性：指一种酶只能催化某一种或一类化学反应化性；（b）高效性：指酶催化化学反应的速度比一般催化剂高好几个数量级；（c）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。2、简述核酸的种类极其成分上的区别。 答：生物体内存在两大类核酸。一类是脱氧和糖核酸，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（参见教材P126-127页表4-1及图4-16）。DNA和RNA在组成上的区别：（1）碱基组成不同，DNA含A，G，C，T；RNA含A，G，C，U。（2）戊糖组成不同：DNA含脱氧核糖；RNA含核糖。3、DNA的二级结构是怎样？有什么特点？ 答：DNA的二级结构为双螺旋结构（参见教材P128页图4-18，图4-19）。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。（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：A - T、G C对应，称为“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0.34nm，的相等距离。（4）螺旋每旋转一圈的螺距为3.4nm，直径2nm。每个旋距有10个碱基对。4、简述生物技术的定义和范围。 答：生物技术就是利用生物（动物、植物或微生物）或其产物，来生产对人类有用的物质或生物。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。5、DNA重组技术的一般操作步骤是怎样的？ 答：DNA重组技术是基因工程的核心技术。主要包括五个步骤：（1）目的基因的获取；（2）DNA分子的体外重组；（3）DNA重组体的导入；（4）受体细胞的筛选；（5）基因表达（阅读教材P139-142页）6、举例说明细胞细胞工程的常用技术。 答：（一）细胞培养技术植物细胞培养的基本过程主要包括的步骤：（1）从健康植株的特定部位或组织，如根、茎、叶、花、果实、花粉等，选择用于培养的起始材料，（2）用一定的化学药剂（最常用的有次氯酸钠、升汞和酒精等）对外植体表面消毒，建立无菌培养体系。这是获得培养成功的重要一步。（3）形成愈伤组织和器官，外植体块在培养基上形成疏松的愈伤组织，由愈伤组织分化出芽并可进一步诱导形成小植株。另一途径是用外植体或愈伤组织细胞经液体悬浮培养诱导胚壮体再长成植株。胚壮体的形成可大大提高繁殖效率，并可减少变异。（参见教材P144页图4-30） 动物细胞培养的主要步骤（以人的皮肤细胞为例）：（1）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；（2）加入适宜浓度的酶与辅助物质进行消化作用使细胞分散；（3）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，于37C下培养，并适时进行传代。（参见教材P145页图4-31）（二）细胞核移植技术核移植法克隆哺乳动物的操作程序：在细胞核移植克隆哺乳动物的技术操作过程中，主要包括细胞质受体和核供体的处理和制备，核移植，重组胚的体内或体外培养和核移植胚胎移入代孕母畜（寄母）等步骤： 细胞质受体的准备：过去曾用去核受精卵和去核2细胞胚为细胞质受体，现在大部分多用去核卵母细胞。这是因为卵母细胞质中存在利于核重序因子，重组胚发育率较高。卵母细胞去核可用化学处理和紫外光灭活染色体的办法，但以显微手术法简便有效。通常借助显微操作仪，将成熟卵母细胞的极体及其下方的少量细胞质（包括卵母细胞中期染色体）吸出。卵母细胞的来源，多采用由卵巢排出或从输卵管回收M期成熟卵母细胞。 细胞核供体的准备：细胞核供体来源可以是胚胎卵裂球、胚盘细胞系、胎儿成纤维细胞、乳腺细胞等。现在对干细胞的研究发现，干细胞（胚胎干细胞）可作为一种良好的细胞核供体。分离囊胚细胞时，采取免疫手术法破坏滋养层吸取内细胞团，再用胰蛋白酶处理获取分散的卵裂球。同样可用胰蛋白酶处理将胚盘分散成单个细胞。绵羊胎儿成纤维细胞的获取办法是，采集妊娠26d龄胎儿组织，用胰蛋白酶处理分散细胞进行培养，用4-6代细胞即可。绵羊乳腺细胞为妊娠3个月的6岁母羊乳腺细胞培养的第3-6代细胞。 细胞核移植：过去曾采用仙台病毒和聚乙二醇进行细胞融合，后来多用电融合法。用显微注射法，则将供核细胞移入去核卵母细胞的卵周隙中构成重组胚，然后用电刺激进行细胞融合和用电刺激或化学刺激作激活处理。 重组胚的体内或体外培养：经融合和激活的重组胚移入中间受体作体内或体外培养，观察重组胚的发育率。羊、牛、猪的核移植胚常采用体内培养方法获得三桑椹胚和囊胚。羊和牛的重组胚用琼脂包埋后移入休情期的母羊结扎的输卵管中体内培养4-7d，发育至桑椹胚和囊胚。猪的核移植重组胚移入同期化受体母猪输卵管内作体内培养7d，发育为扩张囊胚。大鼠、小鼠和兔的核移植胚多作体外培养，发育至桑椹胚或囊胚。 胚胎移植：按常规方法将体内或体外发育的核移植桑椹胚或囊陪，移植到同种同期化代孕母畜（寄母）的子宫中，待其发育到产仔。（参见教材P147-148页图4-32，4-33）（三）细胞融合技术：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。细胞融合是一种无性方式；精子、卵细胞的结合虽然也是一种融合，但它是有性过程，而且必须在种内进行。不同生物的远缘杂交一般受到严格限制，即使偶然有远缘杂交出现，所产生的杂种后代也是不育的。列如，驴马杂交所生的骡，就是不育的。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，特别是植物间的体细胞融合所得到的杂交细胞，有些已达到了完整的枝株水平，获得了新的杂交植物（参见教材P151页图4-36）。如“西红柿马铃薯”、“拟南芥油菜”和“蘑菇白菜”等。动物细胞的融合过程：两个细胞紧密接触细胞膜合并细胞间出现通道或细胞桥细胞桥数增加扩大通道面积两细胞融合为一体（参见教材P150页图4-34）。植物细胞的融合过程：（1）制备亲本原生质体；（2）诱导融合。（参见教材P150页图4-35）四、论述题1、举例说明生物技术的应用。答：现代生物技术即生物工程，是以重组DNA技术和细胞融合技术为基础，包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等四大体系组成的现代高新技术。自20世纪70年代初，以DNA重组技术和淋巴细胞杂交瘤技术的发明和应用为标志的现代生物技术诞生以来，迄今已走过了近30年的发展历程。由于现代生物技术对解决人类面临的重大问题如：粮食、健康、环境和能源等将开辟广阔的前景，因此越来越为各国政府和企业界所关注，与信息、新材料和新能源技术并列成为影响国计民生的四大科学技术支柱，是21世纪高新技术产业的先导。（1）医药生物技术从1971年Cetus公司成立至今，医药生物技术已创造出了30多个重要的治疗药物，在治疗癌症、多发性硬化症、贫血、发育不良、糖尿病、肝炎、心力衰竭、血友病、囊性纤维变性和一些罕见的遗传性疾病中取得了良好效果。随着高科技成果不断转化为生产力，基因工程药物、单克隆诊断试剂、转基因动物、器官移植、基因治疗，更在治疗疾病和维护人类健康等问题上发挥着巨大作用。目前已经上市的生物工程药品，一般分为三大类：重组蛋白质药品、重组疫苗、诊断或治疗用的单克隆抗体。其中重要的生物工程药物有：干扰素（用于广谱抗病毒）、白细胞介素2（用于免疫调节，治疗恶性肿瘤）、人生长激素（用于治疗生长不良、肾功能不全）、人胰岛素（用于治疗糖尿病）、凝血因子9（用于治疗血友病）、人促红细胞生长素（用于治疗贫血）、重组人DNA酶（用于治疗囊性纤维变性）、巨细胞粒细胞集落刺激因子（用于骨髓移植）和乙型肝炎疫茵（用于预防乙型肝炎）等。遗传工程的研究发展，为器官移植提供了1个很有前途的新手段利用动物的器官代替人的器官。科学研究表明人体异种器官移植，猪较为合适：首先猪器官的大小与人的相当，生理上也比较接近；其次猪在无病原体条件下比较容易饲养和容易保证无病的供体；此外猪的繁殖率高，每窝可产十几只猪息，存活率也较高。为了保证植人的器官不被排斥，生物学者正在培养具有人的基因的新型猪，这种猪叫转基因猪。最近，日本科学家培养出具有人血型的猪。他们将制造人O型血酶的基因，注入到猪受精卵后再移植，在27头猪崽中，有1头猪具有猪G型血和人的O型血。虽然目前还不能用于移植，但这项研究的意义很大，通过不断移植人的基因，将来猪的内脏用于移植到人身上的可能性就会增大。目前这方面的研究十分活跃，也是器官移植最有希望的项目。科学家相信，转基因猪可为正在等待捐献器官移植者带来曙光。基因治疗是21世纪国际生物技术的又1个热点。基因治疗就是将外源基因通过载体导人人体内并在体内（器官、组织、细胞等）表达，从而达到治病的目的。基因治疗开辟了医学预防和治疗的崭新领域，自从1990年临床上首次将腺苷酸脱氨酶（ADA）基因导人患者白细胞，治疗遗传病重度联合免疫缺损病以来，利用基因治疗的手段治疗囊性纤维化（CF）、血友病，还扩大用于治疗肿瘤和艾滋病的临床试验已数以百计，基因治疗将引起临床医学的一场革命，将为治疗目前尚无理想治疗手段的大部分遗传病、重要病毒性传染病（如各型肝炎、艾滋病等）、恶性肿瘤、心脑血管疾病和老年病等开辟十分广阔的前景。可以比较乐观地认为，随着人类基因组计划（Human genome project）的顺利实施，随着“后基因组”时代的即将到来，人类23对染色体大约60亿个核苷酸的排列顺序被测定，人类基因组所包含的约3万个基因中与人的重要生命功能和重要疾病相关的基因将不断被发现，6000多种人类单基因遗传病和一些严重危害人类健康的多基因病（如恶性肿瘤、心血管疾病等）将有可能由此得到预防、诊断和治疗。基因治疗的研究将从过去的盲目阶段进入理性阶段。基因治疗有可能在21世纪20年代以前，成为临床医学上常规的治疗手段之一，人类很多目前无法治疗的疾病将通过基因治疗手段而获康复。（2）农业生物技术在农业生物技术中，转基因动植物的研究与开发最为突出。1983年转基因植物问世，1986年被批准进入田间试验，根据美国农业部动植物检疫局（APHIS）的数据，截止1997年1月31日，美国已批准的转基因植物田间试验达2584例。近年来，抗除草剂的大豆、抗病毒病的甜椒、抗腐能力强、耐贮性高的番前、具有高含量必须氨基酸的马铃薯等转基因植物开始进入市场，成为农业生物技术的第一批成果；转基因的瘦肉型猪、高产奶的奶牛和能从奶中提取药物的转基因羊等也将进入实用化阶段。未来农业的模式将是：农业工厂化，按人类要求，高水平的控制环境因素，实现规模化、机械化、自动化生产，产生质量稳定、供应稳定、价格稳定、营养丰富的农业产品；安全的转基因动、植物投放市场；具有营养保健、医疗功效的猪牛羊、蔬菜水果等转基因食品大批走向餐桌。农业生物技术的应用在我国也取得了丰硕成果，我国用花药培养、染色体工程等育种技术培养出水稻、小麦、油菜、橡胶等一批作物新品种、新品系、新种质。其中较突出的有京花3号、小但107号小麦和中花10号水稻新品种，具有优质高产、抗病、抗盐碱等特性，已经在生产中推广应用。我国转基因技术在家言及鱼类育种上也初见成效，中科院水生生物研究所在世界上率先进行转基因鱼的研究，成功地将人生长激素基因、鱼生长激素基因导入鲤鱼，育成的当代转基因鱼生长速度比对照快，并从子代测得生长激素基因的表达，为转基因鱼的实用化打下基础，中国农大生物学院瘦肉型猪基因工程育种取得初步成果，获得第2、3、4代转基因猪。（3）海洋生物技术随着海洋生物学的发展和海洋生物资源开发规模的扩大，以美国Cowell等（1984）编著的Biotechnologyin marine science为标志，海洋生物技术兴起并成为1个新的研究开发领域。海洋生物技术的研究范围广泛，发展迅速。其中包括探索、开发和利用有价值海洋生物，优良养殖品种的培育和病害防治，海洋生物天然产物的利用，海洋特殊功能的阐明和利用，海洋生态系统的阐明和利用，海洋生物利用系统和辅助系统。海水养殖、海洋生物、天然产物开发和海洋环境保护的生物技术是三大研究热点，海水养殖是提高水产品产量的重要途径，海水养殖的主要对象是鱼类、藻类、对虾和贝类。美国重点发展蛙、鲫等鱼类的养殖；日本主要养殖的鱼类有狮鱼、真鲷和香鱼等；西欧海水养殖业较发达的国家有挪威、意大利和法国：挪威重点发展网箱养殖，意大利主要发展鲈鱼、金鲷等鱼类，法国主要发展鳟鱼养殖。在海洋生物天然产物的研发方面，利用海藻生产的褐藻胶、卡拉胶在世界上占有重要地位。继用海带制碘和甘露醇之后，又开发了各种医用品，如降血脂药甘露烟酸酯和抗血栓新药藻酸双酯钠（PSS）；利用甲壳素（水溶性的虾皮，人体可吸收）和甲壳胺已制成864人工皮肤、创伤愈合海绵、做化妆品用的类透明质酸（AHA）等新产品。并且从一些软体动物和腔肠动物中初步筛选到抗血凝、降血压、防治心血管病、抗病毒病和抗癌的活性物质。1996年，我国政府已将海洋生物技术列入863计划，主要方向是大规模发展海水养殖，并已初见成效。海水养殖总产量、海藻、贝类等产量均居世界首位，对虾产量也曾一度居世界首位；裙带菜无性繁殖系、三倍体扇贝和牡蛎的培育，都已列入国家“攀登计划”，正在组织实施；山东省海藻养殖和海藻化工已成为世界上该领域第一大产地。此外我国在世界上首次研究成功海带的单倍体育种技术、紫菜的体细胞育苗技术、对虾的三倍体与四倍体育苗技术、对虾精英移植技术等；在海水鱼、贝类的三倍体育苗技术和鱼类性别控制技术的研究方面也取得了重大进展。（4）环境生物技求环境生物技术是21世纪国际生物技术的又一热点领域。人类赖以生存的环境，由于人类活动自身造成的各种污染（包括工业废水、废气、各种废弃物、有毒化学物质、声、光、电磁和放射性物质等）对环境生态的破坏，已成为威胁人民健康、制约经济发展的严重问题。治理环境污染，改善人类生活环境的质量已经成为人类共同努力的长期任务。生物技术在环境治理上发挥着不可替代的作用。环境生物技术不是1个新概念，过去用微生物处理工业废水就属于这一类研究。美国更把环境生物技术作为21世纪生物技术6个主要研究领域之一，美国培育的基因工程“超级菌”，几小时就可降解自然菌种需1年才能降解的水上浮油；日本将嗜油酸单抱杆菌的耐汞基因转入腐臭单抱杆菌，使该菌株既能有效处理环境汞污染，又能将汞口收利用。我国政府也十分重视环境保护，把它提高到可持续发展的基本国策的高度。考虑我国目前治理环境污染的迫切问题：如煤燃烧造成空气污染；工业废水污染水源和农田；不可降解塑料造成的白色污染；化学农药残毒对人和禽畜的危害等问题。 21世纪我国环境生物技术的重点在于：用工程微生物处理原煤脱硫的工业化工艺；无污染、能大量生产的生物