生物技术简介 同济大学物理系 1 一、生物技术释义 传统生物技术: 发酵、酿酒、制酱、育种等 当代生物技术：应用自然科学 原理，利用生命有机体(从微生 物到高级动物、植物等作为反 应器)及其组成(含器官组织、细 胞、细胞器甚至基因)，在生物 体内生产实用产品的一种技术 体系。 现代科学前沿：探索生命和宇宙的奥秘 (微生物学、 生物化学、化学工程等多学科密切相关的综合性边 缘学科。 ) 2 生物技术的诞生： 1953年 沃森(James Watson)和克立克(Francis Crick) 共同发现DNA(脱氧核糖核酸)双螺旋结构 Francis Crick James Watson 3 1972年， Stanford大学史坦 利.可汉(Stanley Cohen)教 授发现质体DNA能送到大 肠杆菌中进行体外大量培 养；加州大学贺伯特.波义 耳(Herbert Boyer)教授发 现革命性酵素─依可阿万 (EcoR1)，利用此限制性核 酸酵素，能将质体DNA的 特定片段核酸切割下来。 生物技术释义 4 生物技术中常用的基因重组技术： 在体外进行脱氧核糖核酸剪接的技术。利用限制性 核酸酵素，将特定的基因从染色体上切下，再用核 酸连结酵素，将剪下的基因连接到特定的载体上， 最后将含有特定基因的载体送到大肠杆菌内培养， 以便获得大量的特定基因。然后配合基因转殖技术， 将特定基因送到动物或植物体内表达，以达到基因 转殖的目的。 生物技术是现代生物学发展及其与相关学科交差融 和的产物，其核心是以DNA重组技术为中心的基因 工程，还包括微生物工程、生化工程、细胞工程及 生物制品等领域。 5 生物技术产业包括： 传统生物技术产业 现代生物技术产业 现代生物技术产业包括：基因工程 细胞工程 酶工程 发酵工程 主要是医药生物技术、农业生物技术和工业生物技 术，如天然药物、保健品、环保产业、生物能源、 生物材料和组织器官工程等。 生物技术产业的发展目标： 解决世界人口、粮食、环境、健康、能源和海洋等 影响21世纪人类生存的重大问题。 生物技术将成为 21世纪的高新技术与支柱产业。 6 常量 元素 C(9.4%)； H(64%)； O(25.5%)； N(1.4%)； P(0.22%)； S(0.05%)； Na+(0.003%); K+(0.06); Mg2+(0.01%); Ca2+(0.31%); Cl-(0.08%) 微量 元素 二、生命大厦的基本砖石 1. 生物体的结构层次 元素——生物小分子——生物大分子——细胞—— 器官——生物体 2. 组成人体的各种元素 7 生物体与非生物体元素丰度比较 生命大厦的基本砖石 8 3. 生物小分子 1) 水 2) 氨基酸 已发现： 180多种 作为天然蛋白质合成原料： 20种 人体必需(不能合成，只能从食物来)：8种 氨基 侧链 氨基酸的通式： 羧基 9 主要天然氨基酸分类(20种) * * * * * * * * 10 3) 单糖 6碳糖——葡萄糖 5碳糖——核糖 脱氧核糖 碱基(嘌呤或嘧啶) 糖(核糖或脱氧核糖) 磷酸 由三部 分组成 4) 核苷酸 11 5) 脂类(不溶解于水，溶解于有机溶剂) 油脂 分类 磷脂和鞘脂 萜类和固醇类 6) 维生素(按生物学功能归类) 是一类天然有机化合物，人体不能合成，只能从 食物中获取。 维生素 A 生成视黄醛 维生素 K 凝血 维生素 D 吸收钙 12 维生素 C 抗氧化， 维生素 E 消除自由基 维生素 B 辅酶成分 1) 蛋白质是生物体的重要组成成分 重量占细胞干重的一半以上(肌肉、皮肤、血液、毛发...) 参与所有的生命活动(催化反应、代谢调节、机体运动、 物质运输、免疫防卫、遗传控制、记忆、思维, ...) 种类繁多，自然界： ；人体： 10万种 基本结构：氨基酸组成的长链，因结构不同而形成 不同形状，完成不同功能。 13 4. 生命物质——生物大分子 各种生命现象的物质基础 *蛋白质 核酸 多糖 2) 从物理角度看蛋白质结构 (1) 生物大分子—— 多粒子系统 n个原子：至多 3n个自由度 平动自由度： 3 转动自由度： 3 描述形状： 3n-6(如键长、键角、扭角) (2) 分子结构的稳定性由分子间的相互作用维持 初级结构：共价键 高级结构：非共价键(氢键、离子键、疏水键、 范德瓦尔斯键) 14 非共价键敏感易变，存储活性能，在生命运动中起 重要作用(扭转振动能量 ~ 微波范围) 例：酶(一种特殊的蛋白质)的催化特点 高效： 反应速度为无机催化剂的107 ~ 1013倍。 专一： 每一种酶有自己特定的靶分子或靶反应， 即最适底物。 可控： 能感受底物或产物的浓度变化，可调节。 酶的催化机理： 酶蛋白和底物分 子间形m6米乐官网 米乐M6平台入口状契合， (~手+手套)降低 反应活化能。 15 5. 细胞——生命的功能单位 1)分类： 原核细胞(没有细胞核、细胞器) 真核细胞(有细胞核、多种细胞器) 大肠杆菌的细胞结构(原核细胞) 16 动物细胞(线 植物细胞(线) 生物膜的结构和功能 (1) 生物膜： 由脂质蛋白质、糖类组成，包在细胞表 面，并在细胞内分隔形成各种细胞器，如线粒体膜、 内质网膜…... (2) 脂分子在水中自发形成脂双层 脂分子 亲水 疏水 19 脂双层形成框架； 蛋白质镶嵌其中； 具有动态特征； 用液晶描述生物膜的 特性。 (流动性和各向异性) (3) 流体镶嵌模型 20 栅栏结构破坏，养分的流入、废料的排出失控； 光滑特性破坏，吸附作用减弱，接触抑制的调节 功能失控。 (3) 癌细胞的生物膜病变 液晶 各向同性液体 生命大厦的基本砖石 21 三、生命信息 ---- 遗传和变异 遗传和变异 遗传: 生物亲代繁殖与其相似的后代，以保持物种 的相对稳定。 变异： 后代与亲代间或后代个体间的差异，以产生 发展和进化。 遗传特性是由过去的变异得来。 变异的新特性需由遗传保存下去。 辨证 关系 22 1. 遗传物质 历史上曾经错误认为蛋白质是遗传物质 后来发现蛋白质合成的准确度不能达到遗传所需的 灵敏度，蛋白质不是遗传物质。 20世纪50年代， 荷西—蔡斯实验 判定遗传物质是 核酸。 23 DNA RNA 碱基 嘧啶 嘌呤 胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T) 胞嘧啶(C)尿嘧啶(U) 腺嘌呤(A)鸟便嘌呤(G) 腺嘌呤(A)鸟便嘌呤(G) 戊糖 D-2脱氧核糖 D-核糖 1) 核酸——遗传信息的携带者和传递者 核酸是核苷酸组成的线性多聚体， (由碱基、糖、磷酸组成的小分子) 核酸分为两类： 核糖核酸(RNA) 脱氧核糖核酸(DNA) 24 2) DNA分子的双螺旋结构： 大部分为右旋的。 两股糖-磷酸骨架盘绕，由氢键结合的碱基对搭在中间。 命 生 25 生命信息 ： 遗传和变异 26 配对固定，一条链就包含了全部信息。 27 生命信息 ： 遗传和变异 按功能分类 信使： mRNA；转运： tRNA；组装： rRNA 28 3) RNA分子的单链结构： 含短的、不完全螺旋区的多核苷酸链 生命信息 ： 遗传和变异 2. 遗传密码 生命的物质载体是非周期性晶体,遗传基因分子正是 这种由大量原子秩序井然地结合起来的非周期性晶 体；这种非周期性晶体的结构,可以有无限可能的排 列,不同样式的排列相当于遗传的微型密码. ——薛定谔《生命是什么？》 用4个字符(碱基)去编码蛋白质中的20 种氨基酸 ---- 如何编码？ 密码子(64个密码子)是三联体1961年——1963年， 通过人工合成蛋白质实验破译遗传密码 核酸： 用4种碱基书写的语言 蛋白质： 用20种氨基酸书写的语言 二者联系 ——遗传密码 29 3. 基因和基因表达 DNA折叠包装 染色质 折叠包装 染色体 平均长度： 5 cm 平均长度： 2-3 (核小体串) 30 遗传信息在DNA分子上按一定区段组织起来，犹如 词典中的一个个词条，每个区段指导细胞合成一种 特定的蛋白质分子，称为一个基因。 基因： 指位于细胞核内的染色体上的一段特定的 DNA(有时是RNA)顺序。具体指DNA(有时是RNA) 上具有遗传学效应的核苷酸顺序，是遗传信息传递、 表达、性状分化发育的依据。 基因是遗传信息的基本单位， 基因组是遗传信息的 总和。 31 遗传的中心法则(克里克)：遗传信息的传递途径： DNA转录——mRNA翻—译—蛋白质 遗传信息的自我复制是 后来发现有些病毒RNA能够自我复制,并产生逆转录. 32 DNA——RNA 最终确定蛋白质分子的 结构和功能。 DNA——DNA 遗传信息的传递是 生命信息 ： 遗传和变异 遗传密码 复制和转录的动力学机制 十分复杂,由多种酶参与。 高速旋转 原核细胞： 9000转/分 线转/分， 并同时在数以百计的复 制单元进行。 用量子跃迁才能解释。 DNA分子的半保留复制 33 解读过程 34 4. 遗传变异与生物进化 环境影响 变异 基因重组(例如杂交) 染色体结构改变 染色体畸变 突变 染色体数目改变 基因突变 自发突变： 随机产生，在自然选择中优胜劣汰。 诱发突变： 物理诱变(辐射) 化学诱变(烷化剂、碱基类似物) 35 遗传 变异 四、现代生物技术工程 1. 酶工程： 在一定的生物反应器中，利用酶的特异 催化功能，快速、高效地将相应的原料转化成有用 物质的技术。 酶工程技术的应用范围： (1) 对生物宝库中存在天然酶的开发和生产； (2) 自然酶的分离纯化及鉴定技术； (3) 酶的固定化技术(固定化酶m6米乐官网 米乐M6平台入口和固定化细胞技术)； (4) 酶反应器的研制和应用； (5) 与其它生物技术领域的交叉和渗透。 36 2. 发酵工程(微生物工程)：利用微生物，特别是用 经过DNA重组技术改造过的微生物来生产商业产品 的技术。 发酵工程三组成部分：上游工程，发酵工程和下游 工程。 上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件(pH 、 温度、溶氧和营养组成)的确定，营养物的准备等。 发酵工程指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养 细胞和生产代谢产物的工艺技术。 发酵前严格的无菌生长环境建立； 发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤 技术、加料速度的计算机控制技术、种子培养的工艺技术。 下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术。 37 3. 细胞工程： 在细胞水平上利用生物、改良生物和创 造生物的技术。包括植物组织培养和细胞培养，动物 细胞大规模培养，细胞核移植，细胞胚胎分割，细胞 融合等多方面的操作。 1) 细胞培养 在体外培养成完整的植株,名贵花卉繁殖制取许多有 应用价值的细胞产品，如疫苗和生长因子等。 2) 细胞融合 用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞融合的 为一个细胞(含有原来两个细胞的染色体) 3) 细胞亚结构移植 细胞亚结构移植是指将细胞的亚结构(如细胞核、染 色体等)移植到另一个细胞中，从而改变细胞的遗传 性状。 38 现 代 生 物 工 程 噬菌体、酵母人工染色体...)上，形成重组DNA分子; 3) 将重组DNA分子转移到适当的受体细胞内; 4) 筛选获得了重组DNA分子的受体细胞克隆; (无性繁殖系) 5) 克隆基因的表达，产生人类需要的物质。 4. 基因工程(DNA重组) 1) 用“手术刀”(内切酶)从生物体基因组中分离出带目 的基因的DNA片段; 2) 将外源DNA片段连接到能自我复制的载体分子(质粒、 基因组测序 O实施战略 39 人类基因组计划 基因组作图 .信息和材料管理 管理战略 五、生物技术的应用前景 1.在农业方面的应用 品质育种: 高产作物,促进健康的食品,生物改良新饲 料,含抗疾病物质农作物,特种转基因棉花和玉米 抗性育种: 抗虫植物,抗病毒植物,抗除草剂植物,抗盐 碱作物,抗旱作物,抗寒作物 固氮育种 2. 在医药方面的应用 基因工程药物 基因诊断和治疗 3. 转基因动物及克隆动物 40 1 ：人需要的基因； 2：质粒； 3：用内切酶处理过的质粒(出现断裂)； 4：重组的DNA(质粒)； 5 ：新质粒进入大肠杆菌； 6：质粒复制(繁殖) 目的基因 重组 受体细胞 载体 基因克隆过程示意： 现代生物工程 无性 繁殖 41 A：提供遗传信息； B：提供载体 C ：提供受体； D：与A完全相同的小绵羊 克隆绵羊示意图 42
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