第五章现代生物学与生物技术Word格式.docx
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大量研究工作说明,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。
山于核糖体与蛋白质合成的紧密关系,在细胞器的研究匸作中,对核糖体的研究比较多。
1953年,核糖体在电子显微镜下被发觉。
核糖体的要紧成分是RNA和蛋白质。
核糖体是细胞中合成蛋口质的唯独场所。
附着核糖体,要紧合成外输性蛋白质;
游离核糖体,合成细胞本身生长所需的蛋白质。
山于细胞核与遗传的紧密关系,对它的研究也专门深入。
细胞核的遗传功能III海克尔在1866年笫一提出,以后这方面的研究越来越深入,由完整的细胞核转向其要紧结构成分及其功能。
现在,我们明白,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,在一定程度上操纵着细胞的代谢、分化和繁育。
细胞核的大小和形状在不同细胞里,或在同一细胞的不同时期会有所变化,但其差不多结构包括核膜、核仁、染色质和核液四个组成部分。
核膜是包用细胞核的膜,山内外两层膜组成,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泛,而是山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操纵作用。
此外,细胞核内外的物质,也能直截了当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显现的致密区,一样呈球形或卵圆形。
每个细胞有一个到儿个核仁,在细胞分裂的前期、中期和后期,核仁往往消逝,到末期乂会重新显现。
核仁要紧lIlRNA和蛋口质组成,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,要紧IIIDNA和蛋口质组成。
在高辨论率的电子显微镜下,染色质是一长审念珠状的结构。
核小体是构成染色质的差不多单位,它的核心山组蛋口构成,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片段确实是基因。
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□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?
细胞的全能性指差不多分化的细胞,仍旧具有发育的潜能。
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岀了不懈的努力。
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。
如此,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。
克隆羊的产生,在世界各国引起了震动。
它的难能可贵之处在于换到里面去的是体细胞的核,而不是胚胎细胞核。
那个结果证明:
动物体中执行专门功能、具有特定形状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,原先只执行某一种功能的细胞核照样也能操纵发育长成一个完整的个体,也确实是说,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,生物机体差不多上山他称之为蛋口质组成,英文为protein,来自希腊文的"
proteus"
原意为是占要紧的;
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觉的最重要的物质了。
新技术的产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°
19亦年,英国生物化学家桑格等测定了笫一个蛋口质一一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徳鲁等首次测定了肌红蛋口的晶体结构,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,我们对蛋口质的组成和结构差不多有了比较深入的了解,同时差不多能够人工合成蛋白质。
蛋口质是要紧的生命基础物质之一。
蛋口质约占生物体干物质重量的50%,它们的种类专门多,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。
蛋口质的差不多结构单位是氨基酸,常见的氨基酸有20利a
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,蛋口质含有成白•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),能够组成无限多样的多肽链。
我国科学工作者在蛋口质研究中作出了重要奉献。
1965年,我国在世界上第一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?
酶是一类山活细胞产生的具有催化功能的专门蛋白质。
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。
生物体内儿乎所有的化学反应差不多上酶催化的。
假如离开了酶,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笫一是从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,笫一次提出酶(enzyme)的名称,并确定酶是生物催化剂。
然而酶怎么说是大分子依旧小分子,在20世纪20年代前半期还在争辩不休。
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,并证明那个结晶是蛋白质。
4年后,另一位美国生物化学家乂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确信。
酶是催化剂,因而具有一样催化剂的性质。
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。
但酶与一样化学催化剂相比,还具有另外一些特性,即高度专一性、高效性和高度敏锐性。
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、本质和进展的一门新兴生物学科。
它通过对生物体的要紧物质基础,专门是蛋白质、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.分子生物学产生的标志性事件是什么?
分子生物学这一名词的显现,能够追溯到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,能够被称为分子生物学的领域。
在那儿,周密的现代技术被用来观测某些生命过程中专门小的细节。
”
分子生物学的产生,是科学家探究基因的化学实体的必定结果。
1900年,孟徳尔遗传定律的再发觉,标志着遗传学的产生,同时也开创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〃这一问题赶忙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S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0.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.薛定铐在英国出版了名为《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固?
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,并硏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,进行了多路探究,学术思想活跃,研究硕果累累,预示着重大突破的来临。
1933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觉,也被认为是分子生物学产生的标志。
此后,分子生物学取得了举世瞩LI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,病毒逆转录酶的发觉,更加速了基因工程技术的现实可行性。
20世纪50年代以来,儿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,能够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,是庞大而复杂的生物大分子。
早在1869年,核酸已被发觉。
因为这种物质是从细胞核中得到,同时呈酸性,因此命名为核酸。
生物体内存在两大类核酸。
一类是脱氧核糖核酸,简称DNA,是染色体的要紧成分,要紧存在于细胞核中:
另一类是核糖核酸,简称RNA,要紧存在于细胞质中。
核昔酸是组成核酸的差不多单位,把DNA和RNA放在酸或碱的环境中,或在酶的作用下水解,都各能够得到4种核昔酸。
8.DNA的结构
DNA的一级结构是山4种脱氧核糖核昔酸彼此相连而成的多核昔酸链。
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。
双螺旋结构有以下要紧特点:
1、双螺旋由两条多核昔酸链组成,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、两条多核昔酸链中所含的碱基,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。
H前,从一些病毒、线粒体、叶绿体分离出的DNA,发觉它们的双螺旋二级结构还能够进一步紧缩或缠绕形成超螺旋,这确实是DXA的三级结构。
9.RNA的结构是如何样的?
RNA在细胞核内形成,通过运输,要紧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的一级结构也是专门长的多核昔酸链,与DNA—级结构不同的是,其差不多组成单位是4种核糖核昔酸。
绝大多数RNA是以单链的多核昔酸存在,但在一些RNA中,多核昔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,研究得最清晰的是tRNAo1974年,利用X射线晶体衍射法测出笫一个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0.T.埃弗里笫一证明染色体中的DNA携带着遗传信息,第一次把基因与DNA联系在一起。
研究说明,基因是含特定遗传信息的核昔酸序列,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,多数生物的基因山D\A构成。
那么,核昔酸序列什么缘故能够含有遗传信息呢?
这是与核酸分子的多样性分不开的。
组成DNA和RNA的核昔酸尽管都各只有4种,但在多核昔酸链中,四种核昔酸的组合不同、排列顺序不同,使DNA和RNA分子具有极大的多样性。
DNA和RNA分子中核昔酸的排列组合变化儿乎是无穷的。
据此,生物学家认为,DNA和RNA分子中的核昔酸序列包含着丰富的遗传信息。
山于在DNA或RNA分子中,4种核昔酸在结构上的唯独区别是碱基不同,因此能够认为,遗传信息是山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固。
DNA分子在细胞有丝分裂的间期进行复制。
笫一,在解旋酶的作用下,把两条扭成螺旋的双链逐步解开,那个过程叫解旋;
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禺环境中互补的核昔酸配对,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。
如此一来,一个DNA分子就复制成两个D\A分子,它们在结构上是完全相同的。
山于每个子代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)。
D\A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?
基因表达的步骤是如何样的?
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,山DNA的碱基序列决定RNA的碱基序列,再山RNA的碱基疗;
列决定蛋口质分子中的氨基酸序列,从而通过特异性的蛋口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口质的过程。
12.什么是分子遗传学“中心法则”?
生物体内遗传信息的传递,要紧包括D\A的复制和蛋口质的合成两种行为,即遗传信息能够通过半保留复制从亲代DNA传递给子代DNA,还能够通过基因表达从DNA传递给RNA再传递给蛋口质。
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差不多规律。
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,生物技术确实是利用生物(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,按历史进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。
这也是我们一样所认为的生物技术。
随着显微镜的发明和微生物的发觉,二战期间抗生素的专门需求,DNA双螺旋结构的发觉,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产生。
依照操作的对象和技术,现代生物工程一样包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵匸程和蛋口质工程,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?
基因丄程是指在基因水平上,采纳与工程设计十分类似的方法,按照人类的需要进行设计,然后按设讣方案创建出具有某种新的性状的生物新品系,并能使之稳固地遗传给后代。
随着DNA的内部结构和遗传机制的隐秘一点一滴地出现在人们眼前,专门是了解到遗传密码是山信使RNA转录表达以后,生物学家不再仅仅满足于探究、揭示生物遗传的隐秘,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。
当这种朵合质粒进入大肠杆菌体后,这些大肠杆菌就能抗击两种药物,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,确实是重新组合,即利用供体生物的遗传物质,或人丄合成的基因,通过体外切割后与适当的载体连接起来形成重组DXA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,该种生物就能够按人类事先设计好的蓝图表现岀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
基因工程的原料确实是LI的基因。
所谓LI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,I」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
□的基因一样都不能直截了当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,U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D\A分子的完整,因而它们成为运载LI的基因的合适载体。
作为L1的基因的DM片段能够镶嵌在质粒、噬菌体和病毒的DNA分子中,被一同注入到受体细胞中。
因此,基因匸程中的载体实质上是一些专门的DM分子。
•工具酶
基因匸程需要有一套丄具,以便从生物体中分离U的基因,然后选择适合的载体,将口的基因与载体连接起来。
DNA分子专门小,其直径只有20埃(10-10米),约相当于五白•万分之一厘米,在它们身上进行“手术”是专门困难的,因此基因工程实际上是一种“超级显微匸程”,对DNA的切割、缝合与转运,必须有专门的工具。
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上识别特定的核昔酸序列,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”o这种“分子剪刀”能够完整地切下个别基因。
自70年代以来,人们差不多分离提取了400多种限制性内切酶,有了形形色色的“分子剪刀”,人们就能够为所欲为地进行DNA分子长链的切割了。
1976年,5个实验室的科学家儿乎同时发觉并提取出一种酶,这种酶能够将两个DM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”o
12.DNA重组技术的一样操作步骤
一个典型的D\A重组技术要紧包括五个步骤:
U的基因的猎取;
D\A分子的体外重组;
DNA重组体的导入;
受体细胞的选择;
基因表达。
1)目的基因的猎取
我们明白,DNA是十分庞大的生物分子。
病毒含有儿千到儿十万个核昔酸,原核生物的DXA分子平均为106个碱基对,真核生物的DNA分子可达109个碱基对。
我们熟知的一些LI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,差不多上仅有儿千个、儿白•个其至更少碱基对的DNA片段,人一辈子长激素开释抑制素基因只有42个碱基对。
要从数以万计的核昔酸序列中选岀如此小的L1的基因,真可谓是“大海捞针通过科学家困难细致的探究研究,人们现在差不多把握了分离和制造LI的基因的一些有效方法。
一样来说,U前猎取LI的基因的方法要紧有三种:
反向转录法、从细胞基因组直截了当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鬥的基因进行连接。
例如,以质粒作为载体时,第一要选择出合适的限制性内切酶,对LI的基因和载体进行切割,山于切割质粒和切割L1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D\A连接酶使切口两端的脱氧核甘酸连接,因此LI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LI的基因装在载体上后,就需要把它引入到受体细胞中。
一样情形下,导入成功率为白•分之一。
如此低的成功率实在难以满足要求。
为此,科学家们制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,要紧包括转化、转导、显微注射、微粒轰击和电击穿孔等方式。
4)受体细胞的选择
即使采纳了提高转化率的一些方法,DNA重组体的转化成功率仍旧不是太高,因此,需要在众多的细胞中把成功转入DNA重组体的细胞选择出来。
导入过程是我们肉眼看不到的,因此,要明白导入是否成功,事先应找到特定的标志。
例如我们用一种通过改造的抗四环素养粒PSC100作载体,将D\A重组体导入自身无抗性的大肠杆菌时,假如重组体导入后,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
L1的基因在成功导入受体细
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