第五章现代生物学与生物技术浏览数296doc文档格式.docx

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　　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．DNA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：

　　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，两条链的走向相反。

　　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0.34纳米（nm）的相等距离。

　　４、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．RNA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）。

　　10．什么是基因的本质？

　　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。

　　11．什么是基因表达？

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。

　　12．什么是分子遗传学“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。

　　13．什么是生物技术？

　　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？

　　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ＤＮＡ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ＲＮＡ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。

　　12．DNA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”。

　　12．DNA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PSC１００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