现代生物技术概论

生物技术被世界各国视为一项高新技术，它广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工、食品、化工和能源等领域，促进传统产业的技术改造和新兴产业的形成，对人类社会生活将产生深远的、革命性的影响。七大高科技：生物，航天，信息，激光，自动化，新能源，新材料生物技术概念：生物技术（biotechnology），是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的科学原理，采用先进的科学技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。生物技术的种类：生物技术不完全是一门新兴学科，包括传统生物技术（指旧有的制造酱、酒、面包、奶酪、酸奶及其它食品的传统工艺）和现代生物技术（包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程）两部分。基因工程是20世纪70年代随着DNA重组技术的发展应运而生的一门新技术。是指在基因水平上操作并改变生物遗传特性的技术，也称为DNA重组技术。细胞工程是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种的目的，加速繁育动植物个体，或获得某种有用物质的技术。动物细胞工程（胚胎移植细胞融合细胞培养单克隆抗体，核移植）酶工程是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的技术。发酵工程是指利用包括工程微生物在内的某些微生物或动植物细胞及其特定功能，通过现代工程技术手段生产各种特定的有用物质，或者把微生物直接用于某些工业化生产的一种技术。蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过有控制的修饰和合成，对现有蛋白质加以定向改造和设计，构建并最终生产出性能比自然界存在的蛋白质更加优良、更符合人类需要的新型蛋白质。不同生物技术间的相互关系微生物工程菌发酵工程基因工程蛋白质或酶蛋白质工程或酶工程产品动、植物个体或细胞细胞工程优良动、植物品系生物技术所涉及的学科现代生物技术是所有自然科学领域中涵盖范围最广的学科之一。它以包括分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫生物学、人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物生理学、生物化学、生物物理学、遗传学等几乎所有生物科学的次级学科为支撑，又结合了诸如化学、化学工程学、数学、微电子技术、计算机科学、信息学等生物学领域之外的尖端基础学科,从而形成一门多学科互相渗透的综合性学科。其中又以生命科学领域的重大理论和技术的突破为基础。生物技术所涉及的行业种类行业种类经营范围疾病治疗用于控制人类疾病的医药产品及技术,包括抗生素、生物药品、基因治疗、干细胞利用等诊断临床检测与诊断，食品、环境与农业检测农业、林业与园艺新的农作物或动物，肥料，生物农药食品扩大食品、饮料及营养素的来源环境废物处理、生物净化、环境治理能源能源的开采、新能源的开发化学品酶、DNA/RNA及特殊化学品设备由生物技术生产的金属、生物反应器、计算机芯片及生物技术使用的设备等传统生物技术的产生：应该说从史前时代起就一直为人们所开发和利用，以造福人类。在石器时代后期，我国人民就会利用谷物造酒，这是最早的发酵技术。◆古老的酿造技术◆巴斯德的发现理论背景：现代生物技术是以20世纪70年代DNA重组技术的建立为标志的。◆1944年Avery等阐明了DNA是遗传信息的携带者◆1953年Watson&Crick发现DNA双螺旋结构开创分子生物学◆1961年Nirenberg破译了遗传密码,揭开了DNA编码的遗传信息是如何传递给蛋白质这秘密现代生物技术的诞生1973年加州大学的Boyer等实现了细菌间遗传物质的人工重组，转入一个抗药基因，使大肠杆菌获得了抗药性，第一例DNA重组技术成功1978年Genetech公司和洛衫矶Hope市医学中心将具有明显医药实用价值的蛋白质胰岛素基因导入到E.coli中表达成功1980转基因动物首获成功，美国人得到转人生长激素基因的超级鼠1983年美国人和比利时人将外源基因引入植物中，并稳定遗传1997年第一只克隆羊在英国Rosslyn研究所诞生生物技术对经济社会发展的影响：生物技术的发展将越来越深刻地影响着世界经济、军事和社会发展的进程。1改善农业生产，解决食品短缺：提高农作物的产量及品质（培育抗逆的作物优良品系，植物种苗的工厂化生产，提高作物品质，生物固氮，减少化肥使用量）发展畜牧业生产（动物的大量快速无性繁殖，培育动物的优良品系）2提高生命质量，延长人类寿命（开发制造贵重的新型药品，疾病的预防和诊断，基因治疗，人类基因组计划）3解决能源危机、治理环境污染：解决能源危机生物能源将是最有希望的新能源之一，而其中又以乙醇最有希望成为新的替代能源。保护环境人们可以利用微生物净化有毒的化合物，降解石油污染，清除有毒气体和恶臭物质，综合利用废水和废渣，处理有毒金属，达到净化环境、保护环境、废物利用并获得新的产品的目的。4制造工业原料、生产贵重金属：制造工业原料，利用微生物在生长过程中积累的代谢产物,生产食品工业原料,种类繁多。生产贵重金属，利用微生物的浸矿技术对废渣矿、贫矿、尾矿、废矿进行提炼。5生物技术的安全及其对伦理、道德、法律的影响：１基因工程对微生物的改造是否会产生某种有致病性的微生物，这些微生物都带有特殊的致病基因，如果它们从实验室逸出并且扩散，有可能造成类似鼠疫那样的可怕疾病的流行。２转基因作物及食品的生产和销售，是否对人类和环境造成长期的影响，擅自改变植物基因是否可能引起一些难以预料的危险。３分子克隆技术在人类身上的应用可能造成巨大的社会问题，并对人类自身的进化产生影响；而应用在其他生物上同样具有危险性，因为所创造出的新物种有可能具有极强的破坏力而引发一场浩劫。４生物技术的发展将不可避免地推动生物武器的研制与发展，使笼罩在人类头上的生存阴影越来越大。５动物克隆技术的建立，如果被某些人用来制造克隆人、超人，将可能破坏整个人类社会的和平。第二章基因工程基础学习内容1了解核酸和蛋白质的结构和功能2了解基因工程的四大要素3了解基因工程的原理和过程4了解克隆子的筛选和鉴定5了解基因工程的应用6了解基因工程产品和食品可能潜在的风险一、核酸遗传信息的贮存和传递者1.核酸的化学结构2.核酸的分类核酸分为：脱氧核糖核酸(DeoxyribonucleicacidDNA),DNA含A,T,G,C四种碱基和脱氧核糖、核糖核酸(RibonucleicacidRNA)，RNA含A,U,G,C四种碱基和核糖3.DNA的结构（１）DNA的碱基组成•（1）组成A+G=C+T,G=C,A=T•同种生物的不同组织的碱基组成相同,不同生物的同种组织的碱基组成不同•年龄,营养,环境不影响碱基组成•（2）DNA的书写方式如：5’-GATCATAATTC-3’、3’-CTAGTATTAAG-5’可写成：5’-GATCATAATTC-3’（3）DNA双链的存在形式：几乎所有的真核生物的DNA都以线形存在，大部分原核生物的染色体DNA和全部线粒体DNA以及细菌的质粒DNA是环状DNA分子。病毒和噬菌体中有的含线形DNA，有的含环状DNA。（4）DNA双链的基本特点•DNA分子是由两条互相平行的脱氧核甘酸长链盘旋而成。•DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本的骨架，碱基排在内侧。•两条链上的碱基通过氢键结合，形成碱基对，它们的组成有一定的规律。DNA的一级结构四种核苷酸的连接及其排列顺序DNA的二级结构(双螺旋)指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构DNA的高级结构核小体、30nm纤维、300nm棒、染色体DNA分子结构特征１原核生物结构简炼,序列利用率高,不转录序列＜5%不编码的序列也为调控序列２原核生物DNA分子中有基因重叠现象３真核生物基因组大，主要是非编码的DNA，可以是单一序列或重复序列。４真核基因具有不连续性(断裂基因)５原核生物DNA分子中有基因重叠现象６真核生DN分子中普遍存在插入序列７编码的核苷酸顺序就携带着遗传信息）4.RNA的结构组成上与DNA相似，但为核糖核酸，碱基为A，U，G，C。•单链，不存在碱基比例关系。•局部能形成碱基对，出现双螺旋，不配对区域形成突起(环)RNA的分类•信使RNA(mRNA)-转录遗传信息•转运RNA(tRNA)-运载氨基酸•核糖体RNA(rRNA）-蛋白质合成•mRNA的特点（１线形单链结构，携带DNA信息，作为指导合成蛋白质的模板２真核生物5ˊ-端有帽子结构，免遭核酸酶的破坏３有非翻译序列４真核生物3ˊ--polyA结构，提高mRNA在细胞质中的稳定性）tRNA的特点1.四环四臂2.氨基酸臂与反密码臂是识别氨基酸与密码的重要结构rRNA的特点（１是细胞内含量最多（82%），也是质量最大的RNA２与蛋白结合形成核糖体参与蛋白合成３不具备单独功能）蛋白合成过程5.DNA分子的功能DNA复制的特点：1．半保留复制：DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制。DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M.Meselson和F.Stahl所完成的实验所证明。2．有一定的复制起始点：DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点（复制子）。在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。3．需要引物(primer)：DNA聚合酶必须以一段具有3'端自由羟基（3'-OH）的RNA作为引物，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50～100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。4．双向复制：DNA复制时，以复制起始点为中心，向两个方向进行复制。但在低等生物中，也可进行单向复制。5．半不连续复制：由于DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA链，因此两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。以3'→5'方向的亲代DNA链作模板的子代链在聚合时基本上是连续进行的，这一条链被称为领头链(leadingstrand)。而以5'→3'方向的亲代DNA链为模板的子代链在聚合时则是不连续的，这条链被称为随从链(laggingstrand)。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazakifragment)。冈崎片段的大小，在原核生物中约为1000～2000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。•DNA复制所需的蛋白质和酶酶和蛋白质作用拓扑异构酶帮助解开复制叉前后的超螺旋结构DNA解旋酶解开螺旋Rep蛋白帮助解开双螺旋结构引物合成酶合成RNA引物单链结合蛋白稳定单连区DNA聚合酶Ⅰ消除引物，填满裂缝DNA聚合酶Ⅲ合成DNADNA连接酶连接DNA末端携带遗传信息DNA的转录转录包括：转录启动子、转录区•转录启动子：是5¡¯端上游区的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确相结合并具有转录起始的特异性原核生物：-10区（TATAAT）、-35区（TTGACA）真核生物：-25---30区（TATA）、-70---80区（CAAT）、-80---100区（GC）•转录区：从转录RNA的起录点开始，包括基因编码区和转录终止子二、蛋白质（一）蛋白质的化学组成蛋白质含有：碳、氢、氧、氮、硫。蛋白质水解可成为肽，肽进一步水解为氨基酸，它是组成蛋白质的最小单位。（二）蛋白质的构件分子(氨基酸)氨基酸的化学通式•R不同，组成的氨基酸就不同氨基酸的分类对于20种标准的氨基酸，按照侧链化学性质的不同，可以分为以下三组：•疏水性的氨基酸（Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro和Met）•带电氨基酸（Arg、Lys（+）和Asp、Glu（-））•亲水性氨基酸（Ser、Thr、Cys、Asn、Gln、His、Tyr、Trp）肽键、肽和多肽•不同数目的氨基酸以肽键顺序相连，形成链状分子，即是肽或多肽，通常分子量在1500以下的为肽，在1500以上的为多肽，-NH2端为N末