生物工程导论.doc

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1、第一章绪论生物工程是生命科学和工程科学的交叉科学。生物工程学科的任务是促进和实现生命科学的实验室研究成果向应用领域的转化。1.1生物工程的学科基础以生物科学和生物技术为基础，结合化学工程、机械工程、控制工程、环境工程等工程学科，研究和发展利用生物体系或其中的一部分生产有益于社会的产品或达到一定社会目标的过程工程科学。生物工程的研究对象包括活的生物体或它们的一部分。生物工程的任务就是为细胞的生长和目标产物积累创造最好的条件，研究开发最适合的工艺路线和设备，实现工业化生产以满足社会需要。1.2生物工程的研究领域生物工程

2、的研究领域包括：基因工程、细胞工程、酶工程、微生物工程（发酵工程）及生物分离工程。1.2.1基因工程DNA是遗传的物质基础，1967年第一个基因工程产品——人胰岛素通过定位突变的方法使所表达的蛋白质产物的结构和功能发生变化，根据需要设计新的蛋白质氨基酸序列，已经发展成为一门新的交叉学科——蛋白质工程。1.2.2细胞工程细胞是构成包括人类、动物、植物和微生物在内的几乎所有生物的基本单元。哺乳动物的干细胞（即未分化的细胞）也具有全能性和无限繁殖的能力。发酵工程和生物分离技术的进步则是提高细胞培养工程和目标产物回收过程效

3、率的可靠保障。1.2.3酶工程几乎所有的酶都是蛋白质，酶又具有催化剂的功能，即能够降低化学反应的活化能、加快反应速率，在反应中不消耗，反应结束时恢复到原来的状态。酶工程是研究酶的分离、提纯及利用酶作为生物催化剂，实现化学转化，合成各种产物或达到人类所需社会目标的工程科学。酶催化反应的特点是很高的效率和专一性1.2.4发酵工程发酵工程已经泛指所有细胞（动物、植物、微生物及基因工程细胞）的大规模培养并获得目标产物的过程。1.2.5生物分离工程与其他分离过程类似，生物技术产品的分离方法也是根据被分离对象及主要杂质的物理化

4、学性质设计分离提纯流程，但是生物技术产品的分离也具有其特殊性，主要表现：(1)目标产物的浓度低（2）目标产物和杂质的物理和化学性质十分接近，而且成分非常复杂（3）目标产物往往具有生物活性（4）在许多应用领域，生物技术产品有很高的纯度和安全性要求。第二章基因工程2.1概述2.1.1基因工程的诞生基因工程的诞生于1973年2.1.1.1理论上的三大发现（1）20世纪40年代发现了生物的遗传物质是DNA1934年Avery（2）20世纪50年代提出了DNA的双螺旋结构1953年Watson和Crick提出了DNA的双螺旋

5、结构（3）20世纪60年代确定了遗传信息的传递方式1961年，Monod和Jacob提出每三个核苷酸组成一个密码子，代表一种氨基酸，1966年全部破译了64个密码，叙述了中心法则，提出遗传信息流，即DNA→RNA→蛋白质2.1.1.2技术上的三大发明(1)工具酶限制性核酸内切酶称为“剪刀”,把DNA连接酶比喻成“缝纫针线”(2)载体(3)逆转录酶1970年,Baltimore等人和Temin等人同时在各自的实验室发现了逆转录酶，打破了中心法则，使真核基因的制备成为可能。在完成以上三大理论发现和三大技术发明后，基因工

6、程诞生的条件已经成熟。1973年，斯坦福大学的Cohen等人进行了另一个体外重组DNA实验并成功地发现了细菌间性状的转移。这是人类历史上第一次有目的地进行基因重组实验，是第一个实现重组体转化的成功例子，1973年被许多科学家称为基因工程元年。体外快速扩增技术即聚合酶链式反应（PCR）2.1.2基因工程的内容2.1.2.1基因工程的定义将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体内复制、转录、翻译表达的操作过程称为基因工程。基因工程的实施至少有四个必要条件：①工具酶②基因③载体④受体细胞基因工程也称为基

7、因克隆或DNA分子克隆2.2基因工程的理论基础2.2.1DNA的结构与功能基因工程的核心是重组DNA2.2.1.1DNA的组成核苷酸分子中有四种不同的碱基，即腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）2.2.1.2DNA结构1953年Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构，阐明了DNA分子的二级结构决定DNA的双螺旋结构的因素有：氢键的形成、碱基的堆积力、磷酸基之间的静电斥力、碱基分子内能的作用等DNA复制有如下特点：①DNA的复制从特定的位点开始，这个位点称为复制起始点，在复制起始点双链D

8、NA解旋，形成复制叉②半保留复制，每一双链体都是由一条亲链和一条新合成的子链组成③DNA的复制具有高度的忠实性④虽然DNA聚合酶是DNA复制的主酶。然而DNA复制是多种酶和蛋白因子协同有序工作的结果。DNA解旋酶的功能是在复制叉处使双螺旋DNA解旋2.2.2DNA的变性、复性与杂交在加热或某些试剂的作用下，DNA配对碱基之间的氢键结构受到破坏，双链DNA的多