第五章现代生物学与生物技术

第五章现代生物学与生物技术一、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．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．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．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．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．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．DN