第五章现代生物学与生物技术浏览数296doc

一 内容提要一 内容提要 本章内容从结构上看分为两大块 第一 第二节是现代生物学的一些基础知识 第三 第四节是生物 技术及其应用的介绍 前者是后者的理论基础 应该有意识地将前后的相关内容联系起来学习 第四节的 内容与社会结合紧密 学习时可将视野打开 注意从社会中观察和搜集相关资料 加深理解 二 重点与难点二 重点与难点 本章重难点是 蛋白质的组成与结构 核酸的种类 DNA 的结构 基因工程 细胞工程 生物技术的 应用及其伦理和安全性问题 三 教学辅导三 教学辅导 20 世纪以前 生物学的研究成果以描述和定性为主要特征 因而常常受到缺乏精确性的批评 进入 20 世纪特别是 50 年代以后 生物学同化学 物理学和数学相互交叉渗透 借鉴了物理等精确学科的研究 思想 引入了新的研究方法和技术装备 取得了一系列划时代的科学成就 现在的生物学常被称为 生命 科学 不仅因为它更深入到生命本质问题 还因为它是多学科的共同产物 现代生物学已经跻身精确科 学 成为当代成果最多和最吸引人的基础学科之一 在微观方面 生物学已经从细胞水平进入到分子水平 去探索生命的本质 在宏观方面 生态学的发展已经成为综合探讨全球问题的环境科学的主要组成部分 下面我们将本章内容分解为 12 个问题进行学习 1 1 细胞的亚显微结构 细胞的亚显微结构 细胞的亚显微结构又称为超微结构 指在普通光学显微镜下观察不能分辨清楚的细胞内各种微细结构 20 世纪 50 年代起 随着电子显微镜的广泛应用 细胞学家对细胞膜 细胞器和细胞核的内部结构进行 了深入的研究 1959 年 多位科学家各自用电子显微镜作的研究指出 多数细胞膜是由暗 明 暗 即蛋白 磷脂 蛋白三层组成的 三合板 式结构 这种膜的模型有相当普遍性 故称单位膜 单位膜模型未能反 映细胞膜的动态结构和膜功能的多样性与专一性 到 20 世纪 70 年代 又先后有人提出 流体镶嵌膜 模 型 晶格镶嵌膜 模型 反映了膜的流动性 但仍无定论 大量研究工作表明 把细胞与外界环境分隔 开来的细胞膜的功能十分复杂 具有物质转运 能量转换 信息传递 细胞和分子识别等多项重要功能 由于核糖体与蛋白质合成的密切关系 在细胞器的研究工作中 对核糖体的研究比较多 1953 年 核 糖体在电子显微镜下被发现 核糖体的主要成分是 RNA 和蛋白质 核糖体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 合成细胞本身生长所需的蛋白质 由于细胞核与遗传的密切关系 对它的研究也非常深入 细胞核的遗传功能由海克尔在 1866 年首先 提出 以后这方面的研究越来越深入 由完整的细胞核转向其主要结构成分及其功能 现在 我们知道 除哺乳类动物的红细胞和高等植物的成熟筛管外 所有真核细胞都有细胞核 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 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 由内外两层膜组成 膜上有规则地分布着许多直径 50 0 100 0 纳米的核孔 核孔并不是简单的空洞 而是由细微的颗粒和细丝构成的动态结构 它们在与细胞质物质交换中起控制作 用 此外 细胞核内外的物质 也能直接通过核膜进出核内外 实现核内外物质的交换 核仁是细胞核内周期性出现的致密区 一般呈球形或卵圆形 每个细胞有一个到几个核仁 在细胞分 裂的前期 中期和后期 核仁往往消失 到末期又会重新出现 核仁主要由 RNA 和蛋白质组成 也含有 DNA 核仁是合成核糖体 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 呈细丝状并具有一定的结构 主要由 DNA 和蛋白质组成 在高分辨率的电子显微镜下 染色质是一长串念珠状的结构 核小体是构成染色质的基本单位 它的核心 由组蛋白构成 外绕 DNA 分子 核小体靠 DNA 互相连接形成串珠结构 DNA 是遗传物质 有遗传效应的 DNA 片段就是基因 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 牛有 38 条 19 对 染色体 水稻有 24 条 12 对 染色体 同一物种染色体恒定的特性 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 其中存在多种酶类 无机盐和水等 核仁和染色质也都悬浮于其中 核液提供了细胞核进行各种功能活动的有利的内环境 何谓细胞的全能性 细胞的全能性指已经分化的细胞 仍然具有发育的潜能 早在 1902 年 一位德国植物学家指出 植物的体细胞具有母体全部的遗传信息 并具有发育成为完 整个体的潜能 因而每个植物细胞都可像胚胎细胞那样 经离体培养再生成为完整植株 许多科学家为证 实植物细胞的全能性作出了不懈的努力 1958 年 有科学家成功地将一个胡萝卜细胞试管培养 长成了一 株具有根 茎 叶等器官的完整植株 这样 植物细胞全能性获得了充分的论证 植物细胞具有的全能性 动物细胞是否也具有 每个动物细胞 包括体细胞都具有该物种的全套基因 是不容怀疑的 为了证明动物细胞也具有全能性 生物学家进行了大量的细胞核移植试验 1996 年 英国 爱丁堡罗斯林研究所伊恩 维尔穆特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 他们把芬 兰多塞特母绵羊乳腺细胞的细胞核移植进苏格兰黑面母绵羊的去核卵细胞中 形成融合细胞 融合细胞也 能象受精卵一样进行细胞分裂 分化 从而形成胚胎细胞 将胚胎细胞转移到另一只苏格兰黑面母绵羊的 子宫内 胚胎细胞进一步分化和发育 最后形成一只小绵羊 克隆羊的诞生 在世界各国引起了震惊 它 的难能可贵之处在于换进去的是体细胞的核 而不是胚胎细胞核 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具有发育成完整个体的潜在能力 动物体细胞中的细胞 核 只要有合适的条件 原来只执行某一种功能的细胞核照样也能控制发育长成一个完整的个体 也就是 说 动物细胞 准确的说是细胞核 与植物细胞一样 也具有全能性 3 3 蛋白质是如何组成的 蛋白质是如何组成的 对蛋白质的研究大约从 19 世纪上半叶开始 1838 年荷兰鹿特丹医学校的一位教师发表意见认为 生 物机体基本上由他称之为蛋白质组成 英文为 protein 来自希腊文的 proteus 原意为是占主要的 到 1842 年德国化学家李比希写 动物化学 一书时 蛋白质已被视为生命系统中所发现的最重要的物质 了 新技术的诞生使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 1955 年 英国生 物化学家桑格等测定了第一个蛋白质 牛胰岛素的一级结构 为此桑格于 1958 年获得诺贝尔化学奖 1960 年英国生物化学家肯德鲁等首次测定了肌红蛋白的晶体结构 揭示了蛋白质的三维空间结构 为此肯 德鲁于 1962 年获得诺贝尔化学奖 现在 我们对蛋白质的组成和结构已经有了比较深入的了解 并且已 经能够人工合成蛋白质 蛋白质是主要的生命基础物质之一 蛋白质约占生物体干物质重量的 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 氨基酸按一定顺序以肽键形式首尾缩合 形成多肽链 多肽链中氨基酸的排列顺序称作蛋白质的一级 结构 蛋白质的种类和结构是复杂多样的 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 一级结构 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 我国在世界上首先成功地人工合成了有生 物活性的牛胰岛素 4 4 何谓酶的本质 它有何种作用 何谓酶的本质 它有何种作用 酶是一类由活细胞产生的具有催化功能的特殊蛋白质 酶催化化学反应的能力叫酶活性 酶催化的化 学反应叫酶促反应 酶催化的反应物质叫底物 生物体内几乎所有的化学反应都是酶催化的 如果离开了 酶 生物体的新陈代谢就不能进行 生命就会停止 因此 酶在生命活动中具有重要作用 人类对酶的科学认识首先是从 19 世纪研究酒精发酵开始的 1897 年 一位德国生化学家证明酵母无 细胞提取液能使糖发酵产生酒精 第一次提出酶 enzyme 的名称 并确定酶是生物催化剂 但是酶究竟 是大分子还是小分子 在 20 世纪 20 年代前半期还在争论不休 1926 年 一位美国生物化学家成功地从刀 豆中提取出能分解尿素的尿素酶结晶 并证明这个结晶是蛋白质 4 年后 另一位美国生物化学家又得到 胃蛋白酶和胰蛋白酶的结晶 并证明它们也是蛋白质 从此 酶是蛋白质的概念才被肯定 酶是催化剂 因而具有一般催化剂的性质 如酶能加快反应的速度 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 但酶与一般化学催化剂相比 还具有另外一些特性 即高度专一性 高效性和高度敏感性 5 5 何谓分子生物学 何谓分子生物学 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 它通过对生物体的主要物 质基础 特别是蛋白质 酶和核酸等大分子结构 运动规律的研究 来揭示生命现象的本质 分子生物学有 分子遗传学 分子细胞学 分子人类学 分子病理学 分子药理学等分支学科 6 6 分子生物学诞生的标志性事件是什么 分子生物学诞生的标志性事件是什么 分子生物学这一名词的出现 可以追溯到 1938 年 这一年美国洛克菲勒基金会的韦弗 在他的一份 自然科学 的报告中说 基金会支持了一系列相当新的 可以被称为分子生物学的领域 在那里 精 密的现代技术被用来观测某些生命过程中非常小的细节 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 孟德尔遗传定律的再发现 标志着遗传学的诞生 同时也开辟了现代生物学的新纪元 与此同时 细胞中有什么结构能够和孟德尔 的遗传因子相对应 这一问题随即被提到议事日程上来 1903 年 有两位科学家提出了染色体是遗传物质 载体的假说 1909 年 丹麦学者约翰逊 使用 基因 一词来代替孟德尔的 遗传因子 三四十年代生物化 学的成就及其与遗传学相结合的研究 对分子生物学从遗传学打开突破口产生了重要的作用 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 1944 年 美国细菌学家 O T 埃弗里 第 一次证明染色体中的脱氧核糖核酸 DNA 携带着遗传信息 这一成就刺激了人们对 DNA 化学组成和晶体 结构的研究 同年 奥地利物理学家 量子力学的奠基人之一 E 薛定谔在英国出版了名为 生命是什么 的小册子 其中对生命问题提出的一些发人深思的见解 他认为 生物学的真正问题是信息传递问题 信息如何被编码 在从一代细胞到另一代细胞的大量传递中它如何保持稳定 这些思想启发了人们用物理 学的思想和方法去探讨生命物质的运动 因而这本书被誉为 从思想上唤起生物学革命的小册子 1948 年至 1952 年 一些科学家进行了核酸中四种碱基含量的重新测定 并研究了核酸是如何连接成一条长链 总之 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 进行了多路探索 学术思想活跃 研究硕果累累 预示着重大突破的来临 1953 年 美国的沃森和英国的克里克 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 此后 分子 生物学取得了举世瞩目的成就 解决了生物学中许多重大问题 如核酸复制 遗传密码 遗传的中心法则 等 病毒逆转录酶的发现 更加速了基因工程技术的现实可行性 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 因此 可以说分 子生物学已成为现代生物学的主导学科 核酸是如何组成的 核酸是如何组成的 核酸是生物的遗传物质 它和蛋白质一样 是巨大而复杂的生物大分子 早在 1869 年 核酸已被发 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 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 核苷酸是组成核酸的基本单位 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 8 8 DNADNA 的结构的结构 DNA 的一级结构是由 4 种脱氧核糖核苷酸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 是由美国的沃森和英国的克里克在 1953 年提出的 双螺旋结构有以下主要特点 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 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 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 nm 的相等距离 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 目前 从一些病毒 线粒体 叶绿体分离出的 DNA 发现它们的双螺旋二级结构还可以进一步紧缩或 缠绕形成超螺旋 这就是 DNA 的三级结构 9 9 RNARNA 的结构是怎样的 的结构是怎样的 RNA 在细胞核内形成 通过运输 主要存在于各种细胞的细胞质中 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 与 DNA 一级结构不同的是 其基本组成单位是 4 种核糖核苷 酸 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 RNA 的三级结构中 研究得最清楚的是 tRNA 1974 年 利用 X 射线晶体衍射法测出第一个 tRNA 酵母苯丙氨酸 tRNA 的三级结构 它是在二级结构基础上进一步折叠形成的 外形类似于倒写的英文字母 L 图 4 2 7 1010 什么是基因的本质 什么是基因的本质 在生物学家探寻基因的化学实体的过程中 1944 年 美国细菌学家 O T 埃弗里首先证明染色体中的 DNA 携带着遗传信息 第一次把基因与 DNA 联系在一起 研究表明 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 构成以外 多数生物的基因由 DNA 构成 那么 核苷酸序列为什么可以含有遗传信息呢 这是与核酸分子的多样性分不开的 组成 DNA 和 RNA 的核苷酸虽然都各只有 4 种 但在多核苷酸链中 四种核苷酸的组合不同 排列顺序不同 使 DNA 和 RNA 分子具有极大的多样性 DNA 和 RNA 分子中核苷酸的排列组合变化几乎是无穷的 据此 生物学家认为 DNA 和 RNA 分子中的核苷酸序列包含着丰富的遗传信息 由于在 DNA 或 RNA 分子中 4 种核苷酸在结构上 的唯一区别是碱基不同 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 首先 在解旋酶的作用下 把两条扭成螺旋的双链逐步解开 这个过程叫解旋 然后以解开的每一段链 母链 为模板 按照碱基互补配对原则 在聚合酶催化下各自与周 围环境中互补的核苷酸配对 形成两段子链 同时新合成的子链不断延伸 与相应的母链互相盘绕成双螺旋 结构 这样一来 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 这种复制方式称为半保留复制 图 4 2 8 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 1111 什么是基因表达 基因表达的步骤是怎样的 什么是基因表达 基因表达的步骤是怎样的 遗传信息表现为生物性状的过程称为基因表达 基因是 DNA 中有遗传效应的片段 DNA 的碱基序列包 含着遗传信息 由 DNA 的碱基序列决定 RNA 的碱基序列 再由 RNA 的碱基序列决定蛋白质分子中的氨基酸 序列 从而通过特异性的蛋白质决定了生物的性状 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 1212 什么是分子遗传学 什么是分子遗传学 中心法则中心法则 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 图 4 2 10 它是分子遗传学上的一个基本规律 1313 什么是生物技术 什么是生物技术 生物技术是应用自然科学及工程学的原理 依靠微生物 动物 植物细胞及其产生的活性物质 作为 某种化学反应的执行者 将原料进行加工成某种产品来为社会服务的技术 通俗地说 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 生物技术并不完全是一门完全新兴的技术 按历史发展和使用方法的不同 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 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 这也是我们 一般所认为的生物技术 随着显微镜的发明和微生物的发现 二战期间抗生素的特殊需求 DNA 双螺旋结 构的发现 现代生物技术的雏形逐步形成 20 世纪 70 年代 DNA 体外重组的成功 标志着现代生物技术的 正式诞生 根据操作的对象和技术 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 14 什么是基因工程 什么是基因工程 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 随着 的内部结构和遗传机制的秘密一点一滴地呈现在人们眼前 特别是了解到遗传密码是由信 使 转录表达以后 生物学家不再仅仅满足于探索 揭示生物遗传的秘密 而开始跃跃欲试 想从分 子的水平去干预生物的遗传 1973 年 美国斯坦福大学的科恩 S Cohen 教授 从大肠杆菌里取出了两 种不同的质粒 它们各自具有一个抗药的基因 科恩把两种质粒上不同的抗药基因 裁剪 下来 再把这两 种基因 拼接 在同一个质粒中 当这种杂合质粒进入大肠杆菌体后 这些大肠杆菌就能抵抗两种药物 而 且这种大肠杆菌的后代都具备双重抗菌性 科恩的重组实验拉开了基因工程的大幕 科恩本人也以 DNA 重 组技术发明人的身份向美国专利局申报了世界上第一个基因工程的技术专利 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 该种生物就可以按人类事先设计好的蓝图表现出另外一种生物的 某种性状 1212 DNADNA 重组技术的物质基础有哪几类 重组技术的物质基础有哪几类 有以下三类 1 目的基因 基因工程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 即使人工注入 也将受到受体细胞内核酸酶的分解而 被消灭掉 目的基因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 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 作为目的基因的 DNA 片段可以镶嵌在质粒 噬菌体和病 毒的 DNA 分子中 被一同注入到受体细胞中 因此 基因工程中的载体实质上是一些特殊的 DNA 分子 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 DNA 分子很小 其直径只有 20 埃 10 10 米 约相当于五百万分之一厘米 在它们身上进行 手术 是非常困难的 因此基因工程实际上是一种 超级显微工程 对 DNA 的切割 缝合与转运 必 须有特殊的工具 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 DNA 上识别特定的核苷酸序列 并在特定切点上切割 DNA 分子 人们把这种限制性内切酶称为 分 子剪刀 这种 分子剪刀 可以完整地切下个别基因 自 70 年代以来 人们已经分离提取了 400 多种 限制性内切酶 有了形形色色的 分子剪刀 人们就可以随心所欲地进行 DNA 分子长链的切割了 1976 年 5 个实验室的科学家几乎同时发现并提取出一种酶 这种酶可以将两个 DNA 片段连接起来 修复好 DNA 链的断裂口 这种酶被叫作 DNA 连接酶 从此 DNA 连接酶就成了 粘合 基因的 分子粘合 剂 1212 DNADNA 重组技术的一般操作步骤重组技术的一般操作步骤 一个典型的 DNA 重组技术主要包括五个步骤 目的基因的获取 DNA 分子的体外重组 DNA 重组体的 导入 受体细胞的筛选 基因表达 1 目的基因的获取 我们知道 DNA 是十分庞大的生物分子 病毒含有几千到几十万个核苷酸 原核生物的 DNA 分子平均 为 106 个碱基对 真核生物的 DNA 分子可达 l09 个碱基对 我们熟知的一些目的基因 例如乙型肝炎病毒 抗原基因 生长激素基因和干扰素基因等等 都是仅有几千个 几百个甚至更少碱基对的 DNA 片段 人生 长激素释放抑制素基因只有 42 个碱基对 要从数以万计的核苷酸序列中选出这样小的目的基因 真可谓 是 大海捞针 经过科学家艰苦细致的探索研究 人们现在已经掌握了分离和制造目的基因的一些有效方 法 一般来说 目前获取目的基因的方法主要有三种 反向转录法 从细胞基因组直接分离法和人工合成 法 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 例如 以质粒作为载体时 首先要选择出合适的限制性内切 酶 对目的基因和载体进行切割 由于切割质粒和切割目的基因使用相同的限制性内切酶 因此 它们各 自的首尾两端均带有互补的碱基单链 能对应配合连接 然后再以 DNA 连接酶使切口两端的脱氧核苷酸连 接 于是目的基因被镶嵌进质粒 DNA 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 就需要把它引入到受体细胞中 一般情况下 导入成功率为百分之一 这 样低的成功率实在难以满足要求 为此 科学家们创造了一些化学和物理方法来提高导入率 导入的方式 有多种 主要包括转化 转导 显微注射 微粒轰击和电击穿孔等方式 4 受体细胞的筛选 即使采用了提高转化率的一些方法 DNA 重组体的转化成功率仍然不是太高 因此 需要在众多的细 胞中把成功转入 DNA 重组体的细胞挑选出来 导入过程是我们肉眼看不到的 因此 要知道导入是否成功 事先应找到特定的标志 例如我们用一种经过改造的抗四环素质粒 PSC 作载体 将 DNA 重组体导入 自身无抗性的大肠杆菌时 如果重组体导入后 大肠杆菌不能被四环素杀死 就说明导入成功了 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 目的基因在受体细胞中要表达 需要满足一些条件 例如 目的基因是利用 受体细胞的核糖体来合成蛋白质 因此目的基因上必须含有能启动受体细胞核糖体工作的功能片段 以上五个步骤代表了基因工程的一般操作流程 图 4 3 5 图 4 3 5 基因工程的操作流程 何谓细胞工程 何谓细胞工程 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 1414 细胞工程包括哪几种技术 细胞工程包括哪几种技术 对细胞的遗传操作可以在细胞结构的不同层次上进行 将体外重组的基因导入细胞 实际上是和基因 工程交叉的领域 除此以外 按遗传操作对象的结构层次 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 就是将生物有机体的某一部分组织取出一小块 在体外经过表面消毒处理后 使其由于生物体的一种组织 往往包含有两种或两种以上的细胞 在培养过 程中不易分开 所以细胞培养有时又叫组织培养 或统称为细胞与组织培养 近二十年来细胞生物学的一 些重要理论研究的进展 例如细胞全能性的揭示 细胞周期及其调控 癌变机理与细胞衰老的研究 基因 表达与调控等 都是与细胞培养技术分不开的 分散成单个游离的细胞 并放置在人工配制的培养基中进 行培养 使之生长 分裂的技术 2 细胞核移植技术 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 含遗传物质 移入另一个被称为 受体 的除去了细胞核的细胞中 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 1996 年 英国爱丁堡罗斯林研究所伊恩 维尔穆特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 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 这些研究 证明了动物已分化的体细胞的细胞核可被逆转 而回复到全能性 3 细胞融合技术 细胞融合技术属于细胞融合工程 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 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植株水平 获 得了新的杂交植物 图 4 3 12 如 西红柿马铃薯 拟南芥油菜 和 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 图 4 3 12 利用细胞融合培育杂交植物 细胞工程突破了只有同种生物才能进行杂交的限制 为改良生物品种或创造新品种开创了宽广的前景 一般来说 用细胞工程的技术来改造和创造新生物 比起用基因工程技术来稍为容易些 它毕竟是细胞水 平的技术 基因工程是分子水平的技术 1515 何谓酶工程 何谓酶工程 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 1616 何谓发酵工程 何谓发酵工程 生物技术起源于传统的食品发酵 而传统的发酵技术已发展为现代的发酵工程 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 1717 何谓蛋白质工程 何谓蛋白质工程 在现代生物技术中 蛋白质工程出现得最晚 是在 20 世纪 80 年代初期出现的 1983 年 蛋白质工程 这个名词出现后 随即被广泛接受和采用 蛋白质工程是指在深入了解蛋白质空间结构以及结构与功能的 关系 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 1818 目前生物技术的应用主要在哪几个方面 目前生物技术的应用主要在哪几个方面 伴随着生命科学的新突破 现代生物技术已经广泛地应用于工业 农牧业 医药 环保等众多领域 产生了巨大的经济和社会效益 1919 生物技术在工业方面的应用 生物技术在工业方面的应用 生物技术在工业领域的应用非常广泛 下面选取一些有代表性的方面作简要介绍 1 食品方面 食品生产是世界上最大的工业之一 食品生物技术包含的内容很广 如提高食品产量和质量 开拓食 品种类等 首先 生物技术被用来提高生产效率 从而提高食品产量 例如 现代发酵工程可以认为是从传统的 酿造业脱胎而来 然而 现代发酵工程与传统的酿造业已经是不可同日而语的两回事了 作为人们的重要 调味品之一的酱油 世界上不少地方至今仍用传统的酿造工艺进行生产 但那可是一个很繁琐 很费时的 过程 从发酵 晒酱 泡酱 直到取得成品酱油 需要半年到一年的时间 在 20 世纪 80 年代 日本的一 家公司用现代的发酵工程取而代之 他们的做法是将一种耐乳酸细菌和一种酵母菌一起固定在海藻酸钙凝 胶上 再装入制造酱油的发酵罐 从原料到成品的周期还不满 3 天 其次 生物技术可以提高食品质量 例如 由于人体吸收过量的砂糖会增加脂肪的积累 引起肥胖 高血压 糖尿病 心血管等疾病 因此许多甜味食品中使用高果糖浆来代替蔗糖 高果糖浆以淀粉为原料 生产过程中先后使用了 淀粉酶 糖化酶和异构化酶 随着固定化酶的研究和应用的发展 从 1973 年 起 便开始采用固定化酶 或含酶菌体 生产高果糖浆 目前世界上每年淀粉糖的用量与日俱增 其中 70 是高果糖浆 而砂糖用量逐年下降 可以说高果糖浆的生产是食糖工业的一场革命 又是酶工程在工业生 产中最成功 规模最大的应用 第三 生物技术还用于开拓食品种类 例如 蛋白质是构成人体组织的主要材料 每个人在一生中要 吃下约 1 6 吨蛋白质 然而 蛋白质是地球上最为缺乏的食品 按全世界人口的实际需要计算 每年缺少 蛋白质的数量达 3000 4000 万吨 利用生物技术生产单细胞蛋白为解决这一问题提供了一条可行之路 所谓单细胞蛋白 是指由单细胞的微生物生产出来的蛋白质 微生物体内含有丰富的蛋白质 按干重计算 酵母菌的蛋白质含量为 45 55 细菌的蛋白质含量更是高达 60 80 而农作物中含蛋白质量最高的是 大豆 它的蛋白质含量也不过是 40 左右 另外 微生物的繁殖速度很快 因此 通过微生物获取蛋白质 比种植业和养殖业快得多 以发酵工程来生产单细胞蛋白是不太复杂的事 关键是选育出性能优良的酵母 菌或细菌 这些微生物迅速繁殖 一天里要繁殖十几代甚至几十代 每一代新生的微生物又会拼命吞噬 食物 合成蛋白质 并繁殖下一代 当然 这些过程都是在发酵罐里完成的 人们通过电脑严密地 控制着发酵罐内的发酵过程 不断加入水和营养物 甲醇 甲烷 纤维素 不时取出高浓度的发酵 液 用快速干燥法制取成品 单细胞蛋白 20 世纪 60 年代 英国率先实现了单细胞蛋白的工业化生产 此后 日本 美国 法国 前苏联 德国相继建立了生产单细胞蛋白的工厂 目前 全世界单细胞蛋白的 产量已经超过 3000 万吨 质量也有了重大突破 从主要用作饲料发展到走上人们的餐桌 2020 生物技术在材料方面的应用 生物技术在材料方面的应用 材料是一个社会经济建设的重要支柱之一 通过生物技术构建新型生物材料 是现代新材料发展的重 要途径之一 首先 生物技术使一些废弃的生物材料变废为宝 例如 虾 蟹等甲壳类动物被食用后甲壳往往丢弃 一边 利用生物技术可以从中获取甲壳素 其用途非常广泛 日本旭化成工业公司将其制成一种抗菌剂 掺入到纤维中 开发出能抑制细菌 霉菌生长的无纺布料 美国杜邦化学公司发现 甲壳素是制造手术缝 合线的极好材料 这种缝合线比人工纤维柔软 易打结 并且不过敏 可加速伤口愈合 还可被人体吸收 而免于拆线 我国已建成多家甲壳素工厂 为甲壳素材料广泛利用展现了良好的开发前景 其次 生物技术为大规模生产一些稀缺生物材料提供了可能 例如 蜘蛛丝是一种特殊的蛋白质 其 强度大约是钢材的 5 倍 而可塑性比钢材高 30 可用于生产防弹背心 降落伞等轻而坚固的用品 但是 我们无法像养蚕一样饲养蜘蛛而获得大量的蜘蛛丝 美国怀俄明大学的一个研究小组将编码蛛丝蛋白的基 因转入细菌获得表达 产生的蛛丝蛋白与蜘蛛丝中的蛋白质相同 有可能通过发酵途径大量生产 而加拿 大研究人员将蛛丝蛋白的基因在山羊的乳腺细胞中成功表达 这种转基因山羊产出的奶便含有了能制造蜘 蛛丝的蛋白质 然后利用特殊的溶剂 就可以从羊奶中 抽出 连续不断的纤维 这种纤维在机械强度上 可以和真正的蜘蛛丝媲美 因此 用这种 活体生物反应器 同样有可能大量生产优质的 蛛丝蛋白 据报道 我国也正在试验大量生产蛛丝蛋白的方法 第三 利用生物技术可开发出新的材料类型 例如 化工塑料废弃后很难降解 从而造成环境污染 有 白色污染 之称 一些微生物却能生产出可降解塑料 如生产聚羟基丁酸酯 PHB 塑料物质的微生 物有产碱杆菌 固氮菌 根瘤菌 假单胞菌 球衣菌等 这些生物塑料不仅安全无毒害 而且在土壤中降 解后还能为作物提供营养 正因为如此 生物塑料的研制是塑料工业发展的新方向 韩国在用生物技术生 产可降解塑料方面发展较快 他们用 3 个发酵罐培养 工程菌 40 小时 可产出 80 公斤的塑料 其生产 效率目前是世界上最高的 2121 生物技术在能源方面的应用 生物技术在能源方面的应用 能源是人类生存的物质基础之一 是社会经济发展的原动力 能源分为不可再生能源 如石油 天然 气 煤 和可再生能源 如太阳能 风能 生物质能等 生物技术一方面能提高不可再生能源的开采率 另一方面能开发更多可再生能源 因而生物技术与能源的研究及开发备受世界各国的重视 首先 生物技术提高了石油开采的效率 在石油开采过程中 石油通过油层的压力自发地沿着油井的 管道向上喷出 但通过这种方式开采到的油量只有油田总储量的 1 3 左右 二次采油常用的方法是强化注 水以提高油层的压力 此外 也利用微生物进行二次采油 微生物在油层中发酵产生大量酸性物质 降低 了原油的粘度 使其容易流动 微生物还可产生气体 增加地层压力 这两方面都提高了采油率 美国德 克萨斯州一口 40 年井龄的油井中 加入蜜糖和微生物混合物 然后封闭 经细菌发酵后 井内压力增加 出油量提高近 5 倍 其次 生物技术为新能源的利用开辟了道路 地球上每年生产出的纤维物质 也就是那些稻草 麦秆 玉米秸 灌木 干草 树叶等等 只要拿出 5 来 加以合理的利用 就足够满足全球对能源的需求量了 这就是生物质能的利用 完成这一使命的是发酵工程 这些纤维物质 都是由纤维素 半纤维素 木质素 这三种成分组成的 除了木质素另有用途之外 纤维素和半纤维素可以分别进入发酵罐 采用不同的微生 物来进行发酵 它们的发酵过程都分为两个阶段 第一阶段的产物是糖类 即碳水化合物 第二阶段的产 物主要是乙醇 日本科学家培养出一种先进的菌株 能将纤维素百分之百地转化为葡萄糖 而 2 吨葡萄糖 可以生产出 1 吨乙醇 酒精是一种新颖的能源 汽油中掺入 10 的酒精 在略加改装的汽车上即可使用 另外 直接以酒精为燃料的发动机也已经诞生了 目前 在领先一步的 20 多个国家里 酒精替代汽油作 燃料的比例已达到 5 10 22 22 生物技术在农业方面的应用生物技术在农业方面的应用 农业是世界上规模最大和最重要的产业 即使在发达国家如美国 其农业总产值也占国民生产总值的 20 以上 现代生物技术越来越多地运用于农业中 使农业经济达到高产 高质 高效的目的 1 农作物和花卉生产 生物技术应用于农作物和花卉生产的目标 主要是提高产量 改良品质和获得抗逆植物 首先 生物技术既能提高作物产量 还能快速繁殖花卉 例如 由我国科学家袁隆平培育成功的杂交 水稻使水稻的产量有了大幅度的提高 为解决我国和世界的粮食问题作出了巨大的贡献 另外 我国杂交 水稻工程技术研究中心在野生稻中发现了两种有增产潜力的基因 分别位于 1 号染色体和 2 号染色体上 如果将此基因转到杂交水稻中 则杂交水稻的产量有可能在原有的基础上再提高 20 左右 目前科研人员 正在袁隆平院士的带领下开展这方面的研究 又如 20 世纪 70 年代以后 由于植物组织培养技术的成熟 许多种花卉特别是一些不易繁殖的名贵花卉都实现了快速繁殖 由于诱导分化的小植株多长在试管中 所 以被称为试管植物 栽培兰花的常规无性繁殖方法只有分株法一种 但繁殖速度极慢 充其量每年只能使 株数增加 1 倍 此外 分株法只适用于合轴兰花的无性繁殖 单轴兰花不能形成侧芽 因此 兰花种植者 曾经长期采用种子繁殖 结果后代品质不一 造成很大的经济损失 利用组织培养技术 由兰花的一个不 到 1 毫米长的茎尖开始 在一年内可以产生几百万个植株 现在 组织培养已经成为兰花无性繁殖最常用 的体系 组织培养技术和常规方法相比具有显著的优点 一是繁殖速度快 周期短 二是占用空间少 在 20 平方米的培养室内 最多可容纳 100 万株试管苗 三是不受季节气候 自然灾害等因素影响 并可实现 工厂化生产 工厂化生产兰花已经成为有着巨大产值的工业生产体系 美国有 10 多个兰花工业中心 年 产值达 5000 6000 万美元 新加坡 泰国仅出口兰花一项就创汇 1000 万美元左右 其次 生物技术还能改良作物品质 例如 植物收获后往往在转运和贮藏过程中造成损失 过软的水 果和蔬菜容易破损 并且过熟后失去原味 利用生物技术延缓植物的成熟 就可以克服这些问题 1994 年 美国在世界上首次销售转基因番茄 这种番茄的货架期可长达 152 天 由于植物体内合成的乙烯能加速成 熟 因此 美国科学家利用基因工程技术抑制乙烯合成酶的活性 降低了番茄在成熟过程中乙烯的合成量 延迟了果实的变软 大大提高了番茄的保藏期 现在 美国许多超市都可以随时看到这种果实不软 色泽 橙红的转基因番茄 第三 生物技术在培育抗逆作物中发挥了重要作用 所谓抗逆作物 是指能耐受不良环境的作物 包 括抗虫害 病毒 除草剂 干旱 盐碱等的作物 例如 化学杀虫剂的长期和大量使用不仅使许多害虫产 生了抗药性 而且污染了环境 用基因工程方法培育出的抗虫害作物 不需施用农药 即提高了种植的经 济效益 又保护了我们的环境 20 世纪 50 年代 科学家发现苏云金杆菌能产生一种毒蛋白 特异性地杀 死鳞翅目昆虫 这种毒蛋白由 Bt 基因编码 1987 年 比利时 PGS 公司首先报道了转 Bt 基因的烟草对烟草 天蛾的毒杀率在 3 天后可达到 95 100 此后 转 Bt 基因马铃薯也表现出对科罗拉多马铃薯甲虫很强的 抗性 这两种转基因作物均已被美国农业部批准应用于商业生产 20 世纪 90 年代初 我国的抗病毒转基 因烟草首次在田间大面积种植 1996 年的种植面积达 100 万公顷 1997 年上升到 160 万公顷 曾一度被 誉为世界上最大的转基因植物群落 我国的转基因抗虫棉品种 1999 年已经推广 200 多万亩 创造了巨大 的经济效益 1 畜禽生产 生物技术用于畜禽生产的目标 与农作物类似 主要是获得高产优质的畜禽产品和提高畜禽的抗病能 力 首先 生物技术不仅能加快畜禽的繁殖和生长速度 而且能改良畜禽的品质 提供优质的肉 奶 蛋 产品 例如 哺乳动物的成熟期长 产仔数少 孕期不排卵 繁殖有季节性 这些特性成为制约家畜良种 大量繁殖的因素 胚胎分割和移植技术为大量繁殖优良牲畜品种提供了有力的技术手段 母牛一般一胎只 能生一头小牛 一头良种母牛一生只能繁殖大约 10 头牛犊 如果将良种牛的早期胚胎切割成数块 再分 别移植入数头普通母牛 代理母亲 子宫内培养 可同时获得数头良种牛犊 由于这一技术的应用 使本 来一生只能生下 10 头后代的优良母牛变得可以每年产 50 头以上的小牛 目前 牛胚胎移植技术已进入商 品化阶段 特别是奶牛冷冻胚胎的应用 胚胎冷冻技术不仅解决了胚胎移植中母畜性周期的时间限制 同 时也解决了远距离的运输问题 1000 只牛胚胎连同冷冻容器总重量不超过 50 公斤 在飞机上只要相当于 一个座位的地方就能够容纳 从而使世界范围内的良种推广大大简化 另外 转生长激素基因以提高生长 速度的研究已经有不少报道 1981 年 美国科学家将大鼠生长激素基因引入小鼠受精卵中 获得了平均生 长速度快 50 体重增加 2 倍的超级鼠 这一成果启发人们通过生长素基因工程培养超级生物 例如转生 长激素的猪不仅饲料转化率 增重率提高 而且脂肪减少 此外 生物技术在改良畜禽产品质量方面也显 示出巨大的潜力 例如 利用基因工程使外源基因在哺乳动物乳腺中的表达可改变乳汁的成分 提高乳汁 的营养价值 荷兰的金发马公司培育出含人乳铁蛋白的转基因牛 每升牛奶中含有人乳铁蛋白 1 克 弥补 了牛奶中铁含量的相对不足 其次 生物技术可以培育抗病的畜禽品种 减少饲养业的风险 利用转基因的方法 可以培育出抗病 动物 这就可以大大减少牲畜瘟疫的发生 保证牲畜健康 也保证人类健康 20 世纪 80 年代美国农业研 究局的两位科学家 将禽类白血病病毒的一种弱型基因注入白色力行鸡体内 改良后的力行鸡 已能繁殖 后代 其后代也能获得这种病毒基因 这种转基因鸡对致癌性白血病病毒感染具有高度抵抗力 1988 年 有科学家把小鼠抗流感基因 Mx 转入猪体内 使猪的抗流感能力增强 1993 年 研究人员曾把从植物中产 生的能抵抗害虫的一种酶 壳多糖酶的基因转入绵羊体内 这种绵羊的皮肤内便出现具有杀虫性能的物质 可以避免绿头苍蝇和虱子侵害 农业新领域 传统意义上的农业是向我们提供食物和工业原料 然而 由于生物技术的飞速发展 使农业的生产领 域有了新的拓展 基因工程不仅提高了农牧产品的产量和质量 而且一些转基因植物和动物有了远远超出 仅供食用的价值 生产药物 利用转基因植物生产疫苗是目前的一个研究热点 科研人员希望能用食用植物表达疫苗 人们通过食 用这些转基因植物就能达到接种疫苗的目的 这样既方便又能节省大量费用 目前已经在转基因烟草中表 达出了乙型肝炎疫苗 转基因马铃薯 番茄等也都已用来进行生产疫苗的研究 专家们认为 香蕉可能是 最适合于生产疫苗的植物 因为香蕉易于接受导入的外源目的基因 又是最普通和受欢迎的水果 利用转基因动物生产药用蛋白同样是目前的研究热点 科学家已经培育出多种转基因动物 它们的乳 腺能特异性地表达外源目的基因 因此从它们产的奶中能获得所需的蛋白质药物 这种生产蛋白质药物的 方式叫做乳腺生物反应器 目前 国外在乳腺生物反应器技术研究上取得了巨大的进展 例如英国爱丁堡 制药公司已培育成功含 1 抗胰蛋白酶 AAT 的转基因羊 每升羊奶中会有此