生物技术简介课件.ppt

1、P.2/42传统生物技术传统生物技术:发酵、酿酒、制酱、育种等发酵、酿酒、制酱、育种等当代当代生物技术生物技术：应用自然科学：应用自然科学原理，利用生命有机体原理，利用生命有机体(从微生从微生物到高级动物、植物等作为反物到高级动物、植物等作为反应器应器)及其组成及其组成(含器官组织、细含器官组织、细胞、细胞器甚至基因胞、细胞器甚至基因)，在生物，在生物体内生产实用产品的一种技术体内生产实用产品的一种技术体系。体系。：探索探索生命和宇宙的奥秘生命和宇宙的奥秘(微生物学、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生物化学、化学工程等多学科密切相关的综合性边缘学科。缘学科。)P.3/42

2、生物技术的诞生：生物技术的诞生：1953年年 沃森沃森(James Watson)和和克立克克立克(Francis Crick)共同发现共同发现DNA(脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸)双螺旋结构双螺旋结构 Francis Crick&James WatsonP.4/421972年，年，Stanford大学史坦大学史坦利利 可汉可汉(Stanley Cohen)教教授发现质体授发现质体DNA能送到大能送到大肠杆菌中进行体外大量培肠杆菌中进行体外大量培养；加州大学贺伯特养；加州大学贺伯特 波义波义耳耳(Herbert Boyer)教授发教授发现革命性酵素现革命性酵素依可阿万依可阿万(EcoR1)，利用此

3、限制性核，利用此限制性核酸酵素，能将质体酸酵素，能将质体DNA的的特定片段核酸切割下来。特定片段核酸切割下来。P.5/42生物技术中常用的生物技术中常用的基因重组技术基因重组技术：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，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，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，以便获得大量的特定基因

4、。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。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，其核心是以和的产物，其核心是以DNA重组技术为中心的基因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。生物制品等领域。P.6/42生物技术产业包括：生物技术产业包括：传统生物技术产业传统生物技术产业 现代生物技术产业现代生物技术产业现代生物技术产业包括：基因工程现代生物技术产业包括：基因

5、工程 细胞工程细胞工程 酶工程酶工程 发酵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、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。生物材料和组织器官工程等。生物技术产业的生物技术产业的发展目标发展目标：解决世界人口、粮食、环境、健康、能源和海洋等解决世界人口、粮食、环境、健康、能源和海洋等影响影响21世纪人类生存的重大问题。世纪人类生存的重大问题。生物技术将成为生物技术将成为21世纪的高新技术与支柱产业。世纪的高新技术与支柱产业。P.7/421.生物体的结构层次生物体的

6、结构层次 元素元素生物小分子生物小分子生物大分子生物大分子细胞细胞 器官器官生物体生物体2.组成人体的各种元素组成人体的各种元素常量常量元素元素微量微量元素元素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%)Al;B;Sr;V;Sn;Ni;Co;Cr;Mo;I;Mn;Se;Si;Zn;F;Fe;P.8/42生物体与非生物体元素丰度比较生物体与非生物体元素丰度比较P.9/423.生物小分子生物小分子1)水水OH22)氨基酸氨基酸已发现：

7、已发现：180多种多种作为天然蛋白质合成原料：作为天然蛋白质合成原料：20种种人体必需人体必需(不能合成，只能从食物来不能合成，只能从食物来)：8种种2NHHOOCCRH碳碳原原子子 羧基羧基氨基氨基侧链侧链氨基酸的通式：氨基酸的通式：P.10/42主要天然氨基酸分类主要天然氨基酸分类(20种种)*P.11/423)单糖单糖6碳糖碳糖葡萄糖葡萄糖5碳糖碳糖核糖核糖 脱氧核糖脱氧核糖6126OHC5105OHC4105OHC4)核苷酸核苷酸碱基碱基(嘌呤或嘧啶嘌呤或嘧啶)糖糖(核糖或脱氧核糖核糖或脱氧核糖)磷酸磷酸由三部由三部分组成分组成P.12/425)脂类脂类(不溶解于水，溶解于有机溶剂不溶

8、解于水，溶解于有机溶剂)油脂油脂磷脂和鞘脂磷脂和鞘脂萜类和固醇类萜类和固醇类分类分类6)维生素维生素(按生物学功能归类按生物学功能归类)是一类天然有机化合物，人体不能合成，只能从是一类天然有机化合物，人体不能合成，只能从食物中获取。食物中获取。维生素维生素 C 抗氧化，抗氧化，维生素维生素 E 消除自由基消除自由基维生素维生素 B 辅酶成分辅酶成分维生素维生素 A 生成视黄醛生成视黄醛维生素维生素 K 凝血凝血维生素维生素 D 吸收钙吸收钙P.13/424.生命物质生命物质生物大分子生物大分子各种生命现象的物质基础各种生命现象的物质基础*蛋白质蛋白质核酸核酸多糖多糖1)蛋白质是生物体的重要组成

9、成分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重量占细胞干重的一半以上(肌肉、皮肤、血液、毛发肌肉、皮肤、血液、毛发.)参与所有的生命活动参与所有的生命活动(催化反应、代谢调节、机体运动、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、思维物质运输、免疫防卫、遗传控制、记忆、思维,.)种类繁多，自然界：种类繁多，自然界：；人体：；人体：10万种万种种种12101010：氨基酸组成的长链，因氨基酸组成的长链，因不同而形成不同而形成不同形状，完成不同功能。不同形状，完成不同功能。P.14/422)从物理角度看蛋白质结构从物理角度看蛋白质结构(1)生物大分子生物大分子多粒

10、子系统多粒子系统 n个原子：至多个原子：至多 3n个自由度个自由度 平动自由度：平动自由度：3 转动自由度：转动自由度：3 描述形状：描述形状：3n-6(如键长、键角、扭角如键长、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：共价键初级结构：共价键 高级结构：非共价键高级结构：非共价键(氢键、离子键、疏水键、氢键、离子键、疏水键、范德瓦尔斯键范德瓦尔斯键)P.15/42非共价键敏感易变，存储活性能，在生命运动中起非共价键敏感易变，存储活性能，在生命运动中起重要作用重要作用(扭转振动能量扭转振动能量 微波范围微波范围)：酶酶(一种特殊的

11、蛋白质一种特殊的蛋白质)的催化特点的催化特点高效：高效：反应速度为无机催化剂的反应速度为无机催化剂的107 1013倍。倍。专一：专一：每一种酶有自己特定的靶分子或靶反应，每一种酶有自己特定的靶分子或靶反应，即最适底物。即最适底物。可控：可控：能感受底物或产物的浓度变化，可调节。能感受底物或产物的浓度变化，可调节。酶的催化机理：酶的催化机理：酶蛋白和底物分酶蛋白和底物分子间形状契合，子间形状契合，(手手+手套手套)降低降低反应活化能。反应活化能。P.16/425.细胞细胞生命的功能单位生命的功能单位1)分类：分类：原核细胞原核细胞(没有细胞核、细胞器没有细胞核、细胞器)真核细胞真核细胞(有细胞

12、核、多种细胞器有细胞核、多种细胞器)大肠杆菌的细胞结构大肠杆菌的细胞结构(原核细胞原核细胞)P.17/42动物细胞动物细胞(真核细胞真核细胞)P.18/42植物细胞植物细胞(真核细胞真核细胞)P.19/422)生物膜的结构和功能生物膜的结构和功能(1)生物膜：生物膜：由脂质蛋白质、糖类组成，包在细胞表由脂质蛋白质、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、面，并在细胞内分隔形成各种细胞器，如线粒体膜、内质网膜内质网膜.(2)脂分子在水中自发形成脂双层脂分子在水中自发形成脂双层亲水亲水疏水疏水脂分子脂分子P.20/42(3)流体镶嵌模型流体镶嵌模型脂双层形成框架；脂双层形

13、成框架；蛋白质镶嵌其中；蛋白质镶嵌其中；具有动态特征；具有动态特征；用液晶描述生物膜的用液晶描述生物膜的特性。特性。(流动性和各向异性流动性和各向异性)P.21/42(3)癌细胞的生物膜病变癌细胞的生物膜病变 液晶液晶 各向同性液体各向同性液体栅栏结构破坏，养分的流入、废料的排出失控；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，接触抑制的调节光滑特性破坏，吸附作用减弱，接触抑制的调节功能失控。功能失控。P.22/42遗传和变异遗传和变异遗传遗传:生物亲代繁殖与其相似的后代，以保持物种生物亲代繁殖与其相似的后代，以保持物种的相对稳定。的相对稳定。变异：变异：后代与亲代间

14、或后代个体间的差异，以产生后代与亲代间或后代个体间的差异，以产生发展和进化。发展和进化。遗传特性是由过去的变异得来。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。变异的新特性需由遗传保存下去。辨证辨证关系关系P.23/421.遗传物质遗传物质历史上曾经错误认为蛋白质是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。灵敏度，蛋白质不是遗传物质。20世纪世纪50年代，年代，荷西荷西蔡斯实验蔡斯实验判定遗传物质是判定遗传物质是核酸。核酸。P.24/421)核酸核酸遗传信息的携带者

15、和传递者遗传信息的携带者和传递者DNARNAD-2脱氧核糖脱氧核糖D-核糖核糖胞嘧啶胞嘧啶(C)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T)腺嘌呤腺嘌呤(A)鸟便嘌呤鸟便嘌呤(G)胞嘧啶胞嘧啶(C)尿嘧啶尿嘧啶(U)腺嘌呤腺嘌呤(A)鸟便嘌呤鸟便嘌呤(G)碱基碱基嘧啶嘧啶嘌呤嘌呤戊糖戊糖4105OHC5105OHC核酸是核苷酸组成的线性多聚体，核酸是核苷酸组成的线性多聚体，(由碱基、糖、磷酸组成的小分子由碱基、糖、磷酸组成的小分子)核酸分为两类：核酸分为两类：核糖核酸核糖核酸(RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA)P.25/422)DNA分子的双螺旋结构：分子的双螺旋结构：大部分为右旋的。大部分为右旋的。两股糖

16、两股糖-磷酸骨架盘绕，由氢键结合的碱基对搭在中间。磷酸骨架盘绕，由氢键结合的碱基对搭在中间。P.26/42P.27/42配对固定，一条链就包含了全部信息。配对固定，一条链就包含了全部信息。P.28/423)RNA分子的分子的结构：结构：含短的、不完全螺旋区的多核苷酸链含短的、不完全螺旋区的多核苷酸链按功能分类按功能分类 信使：信使：mRNA；转运：；转运：tRNA；组装：；组装：rRNAP.29/422.遗传密码遗传密码生命的物质载体是非周期性晶体生命的物质载体是非周期性晶体,遗传基因分子正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是这种由大量原子秩序井然地结合起来的非周期性晶

17、体；这种非周期性晶体的结构晶体；这种非周期性晶体的结构,可以有无限可能可以有无限可能的排列的排列,不同样式的排列相当于遗传的微型密码不同样式的排列相当于遗传的微型密码.薛定谔薛定谔生命是什么？生命是什么？核酸：核酸：用用4种碱基书写的语言种碱基书写的语言蛋白质：蛋白质：用用20种氨基酸书写的语言种氨基酸书写的语言二者联系二者联系遗传密码遗传密码用用4个字符个字符(碱基碱基)去编码蛋白质中的去编码蛋白质中的20 种氨基酸种氨基酸 -如何编码？如何编码？1961年年1963年，年，通过人工合成蛋白质实验破译遗传密码通过人工合成蛋白质实验破译遗传密码P.30/423.基因和基因表达基因和基因表达DN

18、A染色质染色质(核小体串核小体串)染色体染色体折叠包装折叠包装折叠包装折叠包装平均长度：平均长度：5 cm平均长度：平均长度：2-3mP.31/42基因：基因：指位于细胞核内的染色体上的一段特定的指位于细胞核内的染色体上的一段特定的DNA(有时是有时是RNA)顺序。具体指顺序。具体指DNA(有时是有时是RNA)上具有遗传学效应的核苷酸顺序，是遗传信息传递、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。表达、性状分化发育的依据。遗传信息在遗传信息在DNA分子上按一定区段组织起来，犹如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词典中的一个个

19、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。特定的蛋白质分子，称为一个基因。基因是遗传信息的基本单位，基因是遗传信息的基本单位，基因组基因组是遗传信息的是遗传信息的总和。总和。P.32/42后来发现有些病毒后来发现有些病毒RNA能够自我复制能够自我复制,并产生逆转录并产生逆转录.遗传信息的自我复制是遗传信息的自我复制是 DNADNA遗传信息的传递是遗传信息的传递是 DNARNA最终确定蛋白质分子的最终确定蛋白质分子的结构和功能。结构和功能。遗传密码遗传密码DNAmRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译遗传的中心法则遗传的中心法则(克里克克里克)：遗传信息的传递途径：遗传信息的传递

20、途径：P.33/42DNA分子的半保留复制分子的半保留复制复制和转录的动力学机制复制和转录的动力学机制十分复杂十分复杂,由多种酶参与。由多种酶参与。高速旋转高速旋转原核细胞：原核细胞：9000转转/分分真核细胞：真核细胞：300转转/分，分，并同时在数以百计的复并同时在数以百计的复制单元进行。制单元进行。用量子跃迁才能解释。用量子跃迁才能解释。P.34/42解读过程解读过程P.35/424.遗传变异与生物进化遗传变异与生物进化变异变异环境影响环境影响遗传遗传变异变异基因重组基因重组(例如杂交例如杂交)突变突变基因突变基因突变染色体畸变染色体畸变染色体结构改变染色体结构改变染色体数目改变染色体数

21、目改变自发突变：自发突变：随机产生，在自然选择中优胜劣汰。随机产生，在自然选择中优胜劣汰。诱发突变：诱发突变：物理诱变物理诱变(辐射辐射)化学诱变化学诱变(烷化剂、碱基类似物烷化剂、碱基类似物)P.36/421.酶工程：酶工程：在一定的生物反应器中，利用酶的特异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。物质的技术。酶工程技术的应用范围：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；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；自然酶的分离纯化及鉴定技术；(3)酶

22、的固定化技术酶的固定化技术(固定化酶和固定化细胞技术固定化酶和固定化细胞技术)；(4)酶反应器的研制和应用；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。与其它生物技术领域的交叉和渗透。P.37/422.发发酵酵工程工程(微生物工程微生物工程)：利用微生物，特别是用利用微生物，特别是用经过经过DNA重组技术改造过的微生物来生产商业产品重组技术改造过的微生物来生产商业产品的技术。的技术。发酵工程三组成部分：上游工程，发酵工程和下游发酵工程三组成部分：上游工程，发酵工程和下游工程。工程。上游工程上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件包括优良种株的选育，最适发酵条件(pH、温度、溶氧

23、和营养组成温度、溶氧和营养组成)的确定，营养物的准备等。的确定，营养物的准备等。发酵工程发酵工程指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养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。细胞和生产代谢产物的工艺技术。发酵前发酵前严格的无菌生长环境建立；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。技术、加料速度的计算机控制技术、种子培养的工艺技术。下游工程下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术。指从发酵液中分离和纯化产品的技术。P.38/423.细胞工

24、程：细胞工程：在细胞水平上利用生物、改良生物和创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。融合等多方面的操作。1)细胞培养细胞培养在体外培养成完整的植株在体外培养成完整的植株,名贵花卉繁殖制取许多有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。应用价值的细胞产品，如疫苗和生长因子等。2)细胞融合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用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞融

25、合的为一个细胞为一个细胞(含有原来两个细胞的染色体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细胞亚结构移植是指将细胞的亚结构细胞亚结构移植是指将细胞的亚结构(如细胞核、染如细胞核、染色体等色体等)移植到另一个细胞中，从而改变细胞的遗传移植到另一个细胞中，从而改变细胞的遗传性状。性状。P.39/424.基因工程基因工程(DNA重组重组)1)用用“手术刀手术刀”(内切酶内切酶)从生物体基因组中分离出带目从生物体基因组中分离出带目 的基因的的基因的DNA片段片段;2)将外源将外源DNA片段连接到能自我复制的载体分子片段连接到能自我复制的载体分子(质粒、质粒、噬菌体、酵母人工染色体噬菌

26、体、酵母人工染色体.)上，形成重组上，形成重组DNA分子分子;3)将重组将重组DNA分子转移到适当的受体细胞内分子转移到适当的受体细胞内;4)筛选获得了重组筛选获得了重组DNA分子的受体细胞克隆分子的受体细胞克隆;(无性繁殖系无性繁殖系)5)克隆基因的表达，产生人类需要的物质。克隆基因的表达，产生人类需要的物质。人类基因组计划人类基因组计划基因组作图基因组作图 基因组测序基因组测序 信息和材料管理信息和材料管理 实施战略实施战略 管理战略管理战略 P.40/421.在农业方面的应用在农业方面的应用品质育种品质育种:高产作物高产作物,促进健康的食品促进健康的食品,生物改良新饲生物改良新饲料料,含

27、抗疾病物质农作物含抗疾病物质农作物,特种转基因棉花和玉米特种转基因棉花和玉米抗性育种抗性育种:抗虫植物抗虫植物,抗病毒植物抗病毒植物,抗除草剂植物抗除草剂植物,抗盐抗盐碱作物碱作物,抗旱作物抗旱作物,抗寒作物抗寒作物固氮育种固氮育种2.在医药方面的应用在医药方面的应用基因工程药物基因工程药物基因诊断和治疗基因诊断和治疗 3.转基因动物及克隆动物转基因动物及克隆动物P.41/421：人需要的基因；：人需要的基因；2：质粒；：质粒；3：用内切酶处理过的质粒：用内切酶处理过的质粒(出现断裂出现断裂)；4：重组的：重组的DNA(质粒质粒)；5：新质粒进入大肠杆菌；：新质粒进入大肠杆菌；6：质粒复制：质粒复制(繁殖繁殖)基因克隆过程示意：基因克隆过程示意：目的基因目的基因载体载体重组重组受体细胞受体细胞无性无性繁殖繁殖P.42/42A：提供遗传信息；：提供遗传信息；B：提供载体：提供载体C：提供受体；：提供受体；D：与：与A完全相同的小绵羊完全相同的小绵羊克隆绵羊示意图克隆绵羊示意图