環境生物工程（研究生）全冊配套完整課件3

環境生物工程參考書目環境微生物工程馬文漪等南京大學出版社污染控制微生物徐亞同等化學工業出版社生物化學沈同高等教育大學出版社微生物學microbiologyJ.Nicklin科學出版社基因與倫理范冬萍等羊城晚報出版社現代環境生物技術王建龍等清華大學出版社概述一、引言二、生物工程（技術）（一）定義（二）內容（三）發展（四）應用三、環境生物四、主要內容一、引言（一）歷史（二）意義（三）展望一、引言（一）歷史1917：提出1953：基因的奠基人－詹姆斯.沃森和弗朗西斯.克里克，他們發現DNA的雙螺旋結構。－－DNA之父。DNA之母：羅莎琳德.富蘭克林，她用X射線衍射DNA晶體得到了影像，從而分辨出這種分子的維度、角度和形狀；她發現DNA是螺旋結構，至少兩股，其化學“信息”面向進里面。1973：第一個成功的克隆轉化實驗，第一個有目的的基因重組實驗，是現代生物技術的標志。1997：英培育出世界上第一例體細胞克隆動物“多莉”羊，2003年2月14日去世。1998：日本培育出體細胞克隆動物8頭牛犢。DNA的雙螺旋結構世界首只克隆羊“多莉”一、引言一、引言2000：果蠅的基因組圖譜繪制完成；人類基因組圖譜的繪制工作完成。2002：瘧原蟲、按蚊的基因組圖譜完成；完成水稻、小鼠的基因組圖譜。2003：意大利培育出第一匹克隆馬，人類基因組序列基本完成。2005年：全球首只克隆狗在韓國公開露面一、引言“斯納皮”與“父母”（二）意義

生物工程作為一個現代前沿學科領域，受到當今世界各國的廣泛關注，全球生物工程技術每年創造的產值約5000億美元，單項產品產值高達40億美元，僅美國生物工程技術產值達2240億美元。

比如“三色”農業－綠色“露天農業”、白色“工廠農業”、藍色“水生農業”。其中白色農業主要表示這種農業的生產過程沒有環境污染并嚴格要求環境條件的高度潔凈，節水、節土、不污染環境、資源可循環利用。一座年產10萬噸單細胞蛋白的微生物工廠，相當于180萬畝耕地生產的大豆蛋白或3億畝草原飼養牛羊的動物蛋白質。一、引言一、引言（三）展望現代生物工程技術將為糧食、健康、環境、能源等人類面臨的重大問題開辟廣闊的前景，與信息、新材料和新能源技術將成為四大科學技術支柱，是21世紀高新技術產業的先導。美國于2003年3月5日啟動了牛基因組測序工程，將能夠改進牛奶和牛肉制品的質量以及提高食品的安全系數。諸如此類，將為人類開創美好的明天。

二、生物工程（一）定義生物工程技術：以現代生命科學為基礎，結合先進的工程技術手段和其他基礎學科的科學原理，按照預先的設計改造生物體或加工生物原料，為人類生產出所需產品或達到某種目的。（二）學科體系酶工程、基因工程、細胞工程和發酵工程等。

二、生物工程（三）發展（開始比較緩慢，后迅速發展）

生物工程技術的發展簡史：傳統生物工程技術；初期生物工程技術；近代生物工程技術（抗生素工業的興起為標志）；現代生物工程技術（DNA重組技術的建立為標志）（四）生物工程技術的高新特征高效益；高智力；高投入；高競爭；高風險；高勢能三、環境生物工程（一）定義環境生物工程技術：廣義來講，凡是自然界中涉及環境污染控制的一切與生物技術有關的技術。嚴格地說，環境生物工程技術指的是直接或間接利用生物或生物體的某些組成部分或某些機能，建立降低或消除污染物的生產工藝，或者能夠高效凈化環境污染，同時又生產有用物質的工程技術。（二）層次高:以基因工程為主導的現代污染防治生物工程技術中：傳統生物處理工程技術（如活性污泥法）低：利用天然系統進行廢物處理（人工濕地）（三）核心：微生物學過程三、環境生物工程（四）技術體系：環境污染生物治理工程技術；環境污染生物修復工程技術；環境污染預防生物工程技術；環境生物監測工程技術；環境生物資源化工程技術（五）學科結構：生物學生物工程學環境工程學（六）研究范圍1、從實驗室到模擬和現場應用；2、開發廢物資源化和能源化技術；3、建立無害化生物技術清潔生產新工藝；4、發展對環境污染物的生理毒性及其對生態影響的檢測技術三、環境生物工程

環境生物工程暨南大學環境工程系秦華明E-mail:huamingqin@163.com第一節微生物學基礎知識1微生物的類群：原核微生物：細菌、放線菌、光合細菌、立克次氏體、衣原體、支原體等

真核微生物：霉菌、酵母、藻類、原生動物等

非細胞微生物：病毒第二章環境生物工程技術的生物學基礎

第一節微生物學基礎知識1微生物的類群：原核微生物：細菌：形態大小；構造；繁殖方式與菌落特征；環境工程領域常見重要細菌；

第二章環境生物工程技術的生物學基礎

第一節微生物學基礎知識1微生物的類群：原核微生物：放細菌：形態；繁殖與菌落特征；常見放線菌；

第二章環境生物工程技術的生物學基礎

第一節微生物學基礎知識1微生物的類群：原核微生物：光合型原核生物：藍細菌；光合細菌；

第二章環境生物工程技術的生物學基礎

第一節微生物學基礎知識1微生物的類群：原核微生物：其他原核生物：鞘細菌；立克次氏體；支原體；衣原體；螺旋體；第二章環境生物工程技術的生物學基礎

第一節微生物學基礎知識1微生物的類群：真核微生物：真菌：霉菌；酵母；藻類：原生動物

第二章環境生物工程技術的生物學基礎

第一節微生物學基礎知識1微生物的類群：非細胞微生物：病毒：分類；大小和形態；化學組成和結構；侵染和繁殖；危害；第二章環境生物工程技術的生物學基礎

第二章環境生物工程技術的生物學基礎

第一節微生物學基礎知識2微生物的營養：微生物細胞的化學組成：碳,氫,氧,氮,磷,硫,鉀,鈣,鎂,鐵，鉬,鋅,錳,鈷,銅,硼,碘,鎳等微生物的營養物質及其生理功能：碳源；氮源；無機鹽；水；生長因子微生物營養類型：光能自養型、光能異養型、化能自養型、化能異養型第二章環境生物工程技術的生物學基礎

第一節微生物學基礎知識3微生物的代謝：微生物的產能代謝本質：生物氧化還原反應生物能量的轉移“通貨”：ATP微生物的產能代謝類型：好氧呼吸（外源性呼吸，內源性呼吸）；無氧呼吸；發酵電子傳遞鏈酶ATP酶第二章環境生物工程技術的生物學基礎

第二節生態學基礎知識

1生態系統及其基本特征：生態學：是研究生物與環境以及生物與生物之間相互關系及其作用機理的一門學科。生態系統：由生物群落與其周圍環境組成的綜合體。生態系統基本特征：整體性；開放性；區域分異性；可變性第二章環境生物工程技術的生物學基礎

第二節生態學基礎知識

2生態系統的基本結構與主要功能：基本結構：形態結構（生物種類、種群數量、種的空間配置、種的時間變化等）；生態結構（生態系統各組分建立起來的營養關系）；生態系統的物質循環：循環環境類型：氣相循環；沉積循環；循環類型：水循環；碳循環；氮循環；磷循環第二章環境生物工程技術的生物學基礎

第二節生態學基礎知識

2生態系統的基本結構與主要功能：生態系統的能量流動：生態系統的能量都來源于太陽；生態系統利用太陽能最重要的化學反應是光合作用；生態系統的能量流動都按照熱力學第一定律和熱力學第二定律；生態系統的能量流動是通過食物鏈（各生物之間以營養為中心形成的鏈鎖關系）或食物網（各種食物鏈交錯形成）來實現的。食物鏈類別：捕食性食物鏈；碎食性食物鏈；寄生性食物鏈；腐生性食物鏈主要功能：物質、能量、信息的傳遞第二章環境生物工程技術的生物學基礎

第二節生態學基礎知識

3生態系統的環境功能與自凈作用：生態系統的環境功能：生產生物資源；蓄水保水、緩解旱澇等極端水情；保護土壤防止水土流失；防風固沙、防止土地沙化；改善小氣候；吸收二氧化碳和制造氧氣；凈化空氣和水、去除污染物；保護和維護生物多樣性；經濟功能、社會文化功能等生態系統的自凈作用：自凈作用機制（物理作用、化學作用、生物作用）；自凈作用具局限性第三章環境生物工程

基因工程一、概述二、基因三、酶四、載體五、基因重組1、要點基因工程的分子生物學基礎、基因工程工具酶、基因工程載體、目的基因的獲得、目的基因導入受體細胞、重組體的篩選、DNA序列分析、基因工程在環境污染治理中的應用2、重點基因工程的分子生物學、目的基因的獲得、基因工程工具酶、基因工程載體、目的基因導入受體細胞、重組體的篩選教學要點、重點一、概述（一）基因組的相關名詞1、DNA：遺傳物質脫氧核糖核酸的簡稱。每個DNA分子都包含螺旋結構的雙股鏈。2、基因：DNA上有遺傳意義的片段叫基因，基因包含一定數量的堿基。基因是基礎的遺傳單位。一、概述3、測序：確定DNA雙股鏈上每個獨立結構單元或堿基的確切順序的過程。測序經常被稱為“破譯”，因為其結果就像解碼一樣。解碼結果包含數百頁和成千上萬行4種字母的序列，這些字母表示4種不同的堿基，它們是腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，分別用它們的首字母A、T、C、G表示，其排列順序中蘊藏著各種各樣的遺傳信息和生命指令。

4、ＤＮＡ芯片，又稱基因芯片（ｇｅｎｅｃｈｉｐ），實質上是一種高密度的寡聚核苷酸（ＤＮＡ探針）陣列。它采用在位組合合成化學和微電子芯片的光刻技術，或者利用其他方法將大量特定系列的ＤＮＡ片段（探針）有序地固化在玻璃或磋襯底上，從而構成儲存有大量生命信息的ＤＮＡ芯片。

5、所謂轉基因技術就是把外源基因整合到宿主基因組中去。一、概述

6、基因突變：是指由于DNA堿基對的置換、增添或缺失而引起的基因結構的變化，亦稱點突變。7、克隆是英文clone的音譯，簡單講就是一種人工誘導的無性繁殖方式。8、基因表達(geneexpression)：是基因的轉錄、轉譯過程，也就是遺傳信息從核酸到蛋白質的傳遞和實現。一、概述（二）基因工程1、定義：將外源基因體外重組后導入受體細胞內，使這個基因能在受體細胞內復制、轉錄、翻譯表達的操作。2、理論和技術支撐（1）理論：40年代發現了生物的遺傳物質是DNA、50年代弄清了DNA的雙螺旋結構、60年代確定了遺傳信息的傳遞方式。一、概述（2）技術：工具酶、載體、逆轉錄酶2、基因工程實施至少四個必要條件：工具酶、基因、載體、受體細胞3、基因工程的內容4、遺傳工程、基因工程、DNA重組技術的區別5、基因工程操作的基本技術一、概述二、基因（一）結構與功能（二）DNA的變性、復性與雜交（三）中心法則（一）結構與功能1、DNA的組成堿基、脫氧核糖、磷酸基二、基因（一）結構與功能2、DNA的雙螺旋結構模型核心是堿基配對（A＝T，G＝C）a.兩鏈平行反向且右旋，也發現了三股DNA和左旋Z－DNAb.以堿基配對c.每周含10個堿基對，現發現堿基對也可變，A－DNAd.磷酸－核糖主鏈在外側，堿基以平面在內側且與主鏈垂直e.超螺旋結構普遍存在二、基因NucleotideDNA的雙螺旋結構3.DNA的復制1）在復制起始點形成復制起始叉；2）半保留復制；3）具有高度忠實性；4）需要多種酶4、DNA作為遺傳物質的優點1）信息量大，可以微縮；2）表面互補，電荷互補；3）在水溶液中穩定性好4）可突變，能進化5）有T無U，不會帶來潛在危險二、基因（一）結構與功能

變性（熔解）－在加熱或某些試劑的作用下，DNA配對堿基之間的氫鍵結構受到破壞，雙鏈DNA多核苷酸鏈能完全分離，此分離過程稱為變性。

復性－變性DNA在一定條件下能恢復其雙是螺旋結構的過程。二、基因（二）DNA的變性、復性與雜交1、變性1）變性表象ａ粘度降低ｂ沉速加快ｃ紫外吸收值增大2）影響因素ａDNA本身穩定性ｂ外部條件3）變性研究Tｍ二、基因（二）DNA的變性、復性與雜交2、復性1）影響因素ａDNA分子的大小和順序復雜性ｂ樣品的濃度ｃ溶液的離子強度

ｄ溫度2）復性條件ａ鹽濃度要高ｂ溫度要高得適當3）復性動力學滿足二級動力學

注:復雜度－DNA中最長的沒有重復序列的核苷酸對的個數值。二、基因（二）DNA的變性、復性與雜交3、雜交當復性的DNA分子由不同的兩單鏈分子形成時，稱為雜交。復性是分子雜交的理論基礎。二、基因（二）DNA的變性、復性與雜交轉錄－利用DNA為模板合成RNA的過程。翻譯－以RNA為模板合成蛋白質的過程。1、RNA的轉錄

1）RNA聚合酶結合于DNA分子上的特定位置；

2）使DNA雙鏈解旋，起始RNA合成；

3）RNA鏈的延伸；

4）RNA合成的終止和釋放。二、基因（三）中心法則2、逆轉錄和逆轉錄酶

逆轉錄－以RNA為模板在逆轉錄酶催化下合成DNA的過程。

逆轉錄酶－是一種依賴于RNA的DNA聚合酶。

意義：逆轉錄和逆轉錄酶的發現使我們可以用真核ｍRNA為模板，通過逆轉錄而獲得為特定蛋白質編碼的基因。3、翻譯－蛋白質的生物合成二、基因（三）中心法則RNARibonucleicAcidmRNA依照DNA上面的核甘酸序列，可翻譯成蛋白質的氨基酸序列，這是如何做到的？

(1)DNA的序列可以A=U及C=G的互補關系，轉成messengerRNA。

(2)mRNA與核糖體結合，準備開始進行轉譯蛋白質。

(3)mRNA序列以三個為一組，稱為“遺傳密碼”，每組密碼可對應一種氨基酸。

(4)由RNA譯成胺基酸序列時，需要有“翻譯者”，此翻譯者即為

tRNA。

(5)每個

tRNA可說是一種介面，一邊認得特定的

RNA密碼，一邊攜帶對應的氨基酸。

(6)當

tRNA一邊認出其特定密碼，一邊可把所攜帶的氨基酸接上連成蛋白質。三、酶（一）限制性內切酶（二）修飾酶（三）連接酶限制性核酸內切酶切割DNADNA連接酶生成3′-5′磷酸二酯鍵DNA聚合酶Ⅰ探針標記、補平3′末端反轉錄酶cDNA合成多聚核苷酸激酶5′磷酸化、探針標記末端轉移酶3′末端多聚尾堿性磷酸酶切除末端磷酸基粘性末端與平頭末端（一）限制性內切酶史密斯（1931--）內森斯（1928--）DNA連接酶相同內切酶切出的兩段粘性末端DNA的互補配對同尾酶切出的兩段粘性末端DNA的互補配對兩段平末端DNA的互補配對四、載體

（一）定義、分類、要求

（二）載體因宿主而不同1、原核2、真核3、植物4、動物（一）定義、分類、要求1、定義

能承載外源DNA片段（基因）并帶入受體細胞的傳遞者。2、分類克隆載體、穿梭載體、表達載體3、要求（1）自主復制能力（2）可利用的限制酶切點（二）載體因宿主而不同1、原核（1）質粒載體：能裝載10kb左右的DNA片段質粒：是能自主復制的雙鏈環狀DNA分子，它們在細菌中以獨立于染色體之外的方式存在，一個質粒就是一個DNA分子，1kb--200kb。a、pBR322b、pUC18/19(p101)（二）載體因宿主而不同1、原核（1）質粒載體：a、pBR322（二）載體因宿主而不同1、原核（1）b、pUC18顏色反應：帶有沒有插入DNA片段的Puc18/19質柆的菌落呈藍色；插入有目的DNA片段，那么就會破壞lacZ’的結構，導致細菌無法產生功能性的lacZ蛋白，也就無法形成雜合β－半乳糖苷酶，因而菌落是白色的。（2）噬菌體載體：能裝載24kb左右的外源DNA。噬菌體內含雙鏈環形、單鏈環形、雙鏈線形、單鏈線形等多種形式、大小不一的DNA，且感染率高。（二）載體因宿主而不同（3）人工載體：大多具有大腸桿菌質粒的抗藥性和噬菌體強感染力，同時滿足攜帶真核生物的目的基因大片段DNA。柯斯質粒：是將質粒與λ

噬菌體DNA包裝有關的區段（cos序列）相結合構建而成的克隆載體。能裝載35kb—45kb的外源DNA。（二）載體因宿主而不同2、真核微生物（1）酵母質粒（2）人工染色體載體：a、YACb、BAC（二）載體因宿主而不同

人類、動物、植物的全基因組序列分析往往需要克隆數百甚至上千kb的DNA片段，此時考斯質粒和噬菌粒載體的裝載量也遠遠不能滿足需要。將細菌接合因子或酵母菌染色體上的復制區、分配區、穩定區與質粒組裝在一起，即可構成染色體載體。當大片段的外源DNA克隆在這些染色體載體上后，便形成重組人造染色體，它能像天然染色體那樣，在受體細胞中穩定的復制并遺傳。3、植物（1）Ti質粒（2）植物DNA病毒（很少應用）（3）植物轉座子（很有前景）4、動物（1）取代型（2）病毒－質粒重組型（二）載體因宿主而不同五、基因重組（一）目的基因的獲得1、基因的組成：結構基因、調節基因、操縱基因2、目的基因的獲得（1）原核：基因文庫（2）真核：cDNA、DNA的化學合成、PCR（二）目的基因導入受體細胞1、受體細胞及分類（1）定義：也稱宿主細胸或表達系統，主目的基因的表達，名手為復制、轉錄、翻譯、后加工、分泌等提供條件。五、基因重組（2）受體細胞選擇的原則（p118)(3)分類：微生物表達系統、植物細胞表達系統、動物細胞表達系統（4）注意區分幾個概念a融合系統與融合蛋白b瞬時表達系統與穩定表達系統c導入方法：高等動植物－－－顯微注射、電穿孔原核細胞－－－轉導、轉化轉化：是指某一基因型的細胞從周圍介質中吸收來自另一基因型細胞的DNA而使它的基因型和表型發生相應變化的現象。轉導：是由病毒介導的細胞間進行遺傳交換的一種方式，即一個細胞的DNA或RNA通過病毒載體的感染轉移到另一個細胞中。2、導入過程（1）目的基因導入克隆載體：強啟動子、便于連接、因細胞不同選用合適的載體五、基因重組（2）重組DNA分子導入受體細胞：轉化、高壓電穿孔法、多聚物介導法、磷酸鈣或DEAE－葡聚糖介導的轉染法、原生質體融合法、脂質體介導法、顯微注射法、粒子轟擊法、激光微束穿孔法(三）重組體的篩選1、物理方法：如電泳2、生物學方法（1）遺傳學方法：利用抗生素抗性基因、營養缺陷互補法（2）免疫學方法（3）利用噬菌斑篩選3、核酸雜交基本原理：(探針－prob)(1)原位雜交（2）southern(3)northern(四）DNA序列分析1、Maxam－Gilbert化學降解法2、Sanger雙脫氧法CloningintoaPlasmidCloningintoaYeastArtificialChromosome(YAC)新基因來源

基因工程在農業上的應用轉基因植物目的基因抗蟲基因抗病毒轉基因小麥抗立枯絲核菌(真菌)的煙草抗鹽堿和干旱作物耐寒的番茄抗除草劑的大豆富含賴氨酸的轉基因玉米轉基因延遲番茄轉基因牽牛花Bt毒蛋白基因病毒外殼基因和病毒復制酶基因幾丁質酶基因和抗毒素合成基因調節細胞滲透壓的基因抗凍蛋白基因抗除草劑基因富含賴氨酸的蛋白質編碼基因控制番茄果實成熟的基因植物花青素代謝有關的基因六、基因工程的環境保護應用轉乙肝抗原基因的西紅柿預防乙肝遭到玉米螟侵害和真菌感染的普通玉米(左)與Bt玉米(右)3.其他抗逆轉基因植物4.利用轉基因改良植物的品質富含賴氨酸的轉基因玉米“轉基因熒光豬”不含膽固醇的轉基因小鼠熒光斑馬魚熒光熱帶魚基因工程在動物方面上的應用轉基因幼猴和母親首只轉基因猴降生轉基因蝴蝶基因工程與環境保護⑴環境監測：

基因工程做成的DNA探針能夠十分靈敏地檢測環境中的病毒、細菌等污染。1t水中只有10個病毒也能被DNA探針檢測出來基因工程與環境保護

利用基因工程培育的“指示生物”能十分靈敏地反映環境污染的情況，卻不易因環境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉化污染物。

基因工程做成的“超級細菌”能吞食和分解多種污染環境的物質。通常一種細菌只能分解石油中的一種烴類，用基因工程培育成功的“超級細菌”卻能分解石油中的多種烴類化合物。有的還能吞食轉化汞、鎘等重金屬，分解DDT等毒害物質。下課啦!!!第三章環境生物工程基礎酶工程教學內容一、概述二、酶作用原理三、酶的生產及分離純化四、酶分子修飾五、酶的固定化六、酶反應器七、酶的應用及發展展望（一）酶的概念目前將生物催化劑分為兩類酶、核酶（脫氧核酶）酶是一類由活細胞產生的，對其特異底物具有高效催化作用的蛋白質。一、概述酶學研究簡史公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。一百余年前，Pasteur認為發酵是酵母細胞生命活動的結果。1877年，Kuhne（屈內

）首次提出Enzyme一詞。1897年，Buchner（比希納

）兄弟用不含細胞的酵母提取液，實現了發酵。1926年，Sumner（薩姆納

）首次從刀豆中提純出脲酶結晶。1982年，Cech和Altman首次發現RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。酶與生命活動密切相關所有生命活動或過程都需要酶的參與（1）執行具體生理機能（2）降解大分子（3）協同激素起信號轉化、傳遞、放大作用（4）催化代謝反應酶的組成和分布是生物進化與組織功能分化的基礎在生物進化過程中形成了從酶的合成到酶的結構和活性各種水平的調節機構。酶的分子結構與功能

TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme

（一）結構組成僅含氨基酸組分的酶稱為單純酶有些酶其分子結構僅由氨基酸組成，沒有輔助因子。這類酶稱為單純酶（simpleenzyme）。如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核酸酶等。酶的分子組成（二）結構組成中既含氨基酸組分又含非氨基酸組分的酶稱為結合酶

結合酶（conjugatedenzyme）是除了在其組成中含有由氨基酸組成的蛋白質部分外，還含有非蛋白質部分

蛋白質部分：酶蛋白(apoenzyme)輔助因子(cofactor)

金屬離子小分子有機化合物全酶(holoenzyme)決定反應的特異性及其催化機制

決定反應的性質和反應類型

輔助因子分類（按其與酶蛋白結合的緊密程度）

輔酶

(coenzyme):與酶蛋白結合疏松，可用透析或超濾的方法除去。

輔基

(prostheticgroup):與酶蛋白結合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。酶的活性中心必需基團(essentialgroup)酶分子中氨基酸殘基側鏈的化學基團中，一些與酶活性密切相關的化學基團。常見的必需基團

Ser-OHHis-咪唑基Cys-SHAsp、Glu-COOH

或稱活性部位(activesite)，指必需基團在空間結構上彼此靠近，組成具有特定空間結構的區域，能與底物特異結合并將底物轉化為產物。酶的活性中心(activecenter)活性中心內的必需基團結合基團(bindinggroup)與底物相結合催化基團(catalyticgroup)催化底物轉變成產物位于活性中心以外，維持酶活性中心應有的空間構象所必需。活性中心外的必需基團底物活性中心以外的必需基團結合基團催化基團活性中心（二）分類1、分類：氧化還原酶、轉移酶、水解酶、裂解酶、異構酶、連接酶或合成酶一、概述1．氧化還原酶(Oxidoreductase)包括脫氫酶(Dehydrogenase)、氧化酶(Oxidase)、過氧化物酶、氧合酶、細胞色素氧化酶等2．轉移酶(Transferase)包括酮醛基轉移酶、酰基轉移酶、糖苷基轉移酶、含氮基轉移酶等3．水解酶(Hydrolase)脂肪酶、糖苷酶、肽酶等，水解酶一般不需輔酶4．裂合酶(Lyase)這類酶可脫去底物上某一基團留下雙鍵，或可相反地在雙鍵處加入某一基團。5．異構酶(Isomerase)此類酶為生物代謝需要對某些物質進行分子異構化，分別進行外消旋、差向異構、順反異構等6．連接酶（合成酶）這類酶關系很多生命物質的合成，其特點是需要三磷酸腺苷等高能磷酸酯作為結合能源，有的還需金屬離子輔助因子。分別形成C-O鍵（與蛋白質合成有關）、C-S鍵（與脂肪酸合成有關）、C-C鍵和磷酸酯鍵。

7.核酸酶（催化核酸）核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一類特殊的RNA，能夠催化RNA分子中的磷酸酯鍵的水解及其逆反應。酶用于生物催化的概況類別占總酶比例%利用率%水解酶hydrolases2665氧化還原酶oxidoreductases2725轉移酶transferases245裂合酶lyases12~5異構酶isomerases5~1連接酶ligases6~1（三）酶工程的研究內容酶工程：是利用酶的催化作用進行物質轉化的技術，是將酶學理論與化工技術結合而形成的新技術。其主要任務是：通過預先設計，經過人工操作控制而獲得大量所需的酶，并通過各種方法使酶發揮出最大的催化功能；目的是為我們提供產品或以特定的功能為我們服務。1、生產2、分離純化3、酶分子修飾4、酶的固定化5、酶反應動力學6、酶反應器7、酶的應用一、概述（一）酶是生物催化劑活化能（J/mol)：在一定溫度下一摩爾底物全部進入活化狀態所需要的自由能。酶能大大降低活化能，增加活化分子。二、酶作用原理1、與一般催化劑的共性（1）用量少；效率高；反應前后質和量不變（2）加速化學反應的速度，不改變反應的平衡點

(3)不能夠觸發熱力學上不能進行的反應。（4）催化可逆反應的酶對正反應、逆反應都有催化作用（5）降低反應的活化能。（一）高度的催化效率（二）高度的特異性（三）可調節性2、作為生物催化劑的特性（二）酶與底物結合中間產物學說二、酶作用原理在酶催化的反應中，第一步是酶與底物形成酶－底物中間復合物。當底物分子在酶作用下發生化學變化后，中間復合物再分解成產物和酶。

E+S====E-SP+E許多實驗事實證明了E－S復合物的存在。E－S復合物形成的速率與酶和底物的性質有關。二、酶作用原理二、酶作用原理酶與底物結合形成中間絡合物的方式（理論）(1)鎖鑰假說(lockandkeyhypothesis)：認為整個酶分子的天然構象是具有剛性結構的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結合如同一把鑰匙對一把鎖一樣二、酶作用原理酶與底物結合形成中間絡合物的方式（理論）(2)誘導契合假說（induced–fithypothesis):該學說認為酶表面并沒有一種與底物互補的固定形狀，而只是由于底物的誘導才形成了互補形狀.酶的催化作用機理a.廣義的酸堿催化b.共價催化c.鄰近效應及定向效應d.變形或張力e.酶的活性中心為疏水區域a.廣義的酸堿催化能供給質子的物質即為酸，能接受質子的物質即為堿例HA=A-+H+HA為酸，A-為堿例HA（酸）+A=AXH（酸催化）AXH+B-（堿）=Y+BH+A-（堿催化）b.共價催化底物與酶以共價方式形成中間物。這種中間物可以很快轉變為活化能大為降低的轉變態，從而提高催化反應速度親電試劑：一種試劑具有強烈親和電子的原子中心。親核試劑：就是一種試劑具有強烈供給電子的原子中心。c.鄰近效應及定向效應所謂鄰近效應就是底物的反應基團與酶的催化基團越靠近，其反應速度越快。d.變形或張力e.酶的活性中心為疏水區域酶的活性中心為酶分子的凹穴此處常為非極性或疏水性的氨基酸殘基（三）酶促反應的影響因素

1、pH；

2、溫度；

3、酶濃度；

4、抑制劑的影響

二、酶作用原理（一）酶的生產

1.對酶源的要求

2.微生物作為酶的優勢

3.對酶生產菌的要求（二）酶的分離純化

1.酶提取

2.酶分離純化的沉淀技術

3.酶分離純化的層析技術

4.酶分離純化的電泳技術三、酶的生產及分離純化（一）酶的生產1.對酶源的要求

1）酶含量豐富

2）提取、純化方便三、酶的生產及分離純化2.微生物作為酶的優勢

1）易得到所需的酶類

2）易獲得高產菌株

3）生產成本低

4）微生物生長周期短

5）生產易管理

6）提高微生物產酶能力的途徑較多

7）可提高酶產量或改造酶（一）酶的生產三、酶的生產及分離純化3.對酶生產菌的要求

1）不是致病菌，也不產毒素

2）不易變異退化，不易感染噬菌體

3）產酶量高，而且最好產生胞外酶

4）原料廉價，周期短，易培養三、酶的生產及分離純化（一）酶的生產（二）酶的分離純化酶的分離提純可分為四個要點：酶源選材勻漿方法分離步驟結晶方法酶的分離提純涉及的理論與技術：酶主要是蛋白質酶具有催化功能三、酶的生產及分離純化酶分離提純步驟如下：三、酶的生產及分離純化半勻漿選材提取液粗酶制品精制細胞器純酶酶結晶抽取或分散親和分離法少量酶分離方法結晶法1.酶提取定義：是將酶從生物組織或細胞中以溶解狀態釋放出來的過程，以供進一步從中分離純化出所需的酶。1）組織及細胞的破碎（1）物理法（包括機械法）（2）化學法（3）酶解法

2）酶的提取原理———相似相溶常用方法：（1）酸、堿、鹽溶液提取（2）有機溶液提取三、酶的生產及分離純化2．酶分離純化的沉淀技術1）鹽析———溶解度的差異鹽溶－低濃度的中性鹽可增加電解質類物質的溶解度；鹽析－當鹽濃度繼續增加時，蛋白質的溶解度反而降低而析出。（1）基本原理

a.減弱了蛋白質的水合程度b.中和了蛋白質電荷，使靜電荷減少

三、酶的生產及分離純化（2）影響因素

a.蛋白質的濃度b.介質的pHc.溫度d.鹽類型三、酶的生產及分離純化2．酶分離純化的沉淀技術2．酶分離純化的沉淀技術2）PEG沉淀法———溶解度的差異（1）基本原理空間排阻學說：PEG分子在溶液中形成網狀結構，與溶液中的蛋白質分子發生空間排擠作用，從而使蛋白質分子凝聚而沉淀下來。

三、酶的生產及分離純化（2）影響因素a.蛋白質的分子質量——大，沉降好b.蛋白質濃度c.pH值d.離子強度e.溫度f.PEG聚合度三、酶的生產及分離純化2．酶分離純化的沉淀技術3)有機溶劑沉淀法——溶解度的差異（1）基本原理

a.介質的介電常數下降，增強靜電作用力b.降低水合程度（2）常用方式

a.分級沉淀有用的蛋白質b.雜蛋白質變性（3）缺點——易使酶變性，低溫操作三、酶的生產及分離純化2．酶分離純化的沉淀技術4）等電點沉淀法——溶解度的差異蛋白質在等電點（ｐI）處，凈電荷為0，易于沉淀。5）熱變性沉淀法——熱穩定性的差異

可用其他輔助因子、底物等方法，使目的酶的熱變性溫度提高。三、酶的生產及分離純化2．酶分離純化的沉淀技術3.酶分離純化的層析技術層析分離——是利用混合物中各組分的物理化學性質｛分子的大小和形狀、分子極性、吸附力、分子親和力和分配系數｝的不同，使各組分的分布程度不同而達到分離。三、酶的生產及分離純化1）凝膠過濾層析——分子大小和形狀的差異（1）基本原理如圖2－32所示，酶液中各組分按相對分子質量從大到小的順序先后流出層析柱，從而實現分離純化。（2）優點條件溫和，操作簡便，分離范圍廣，回收率高，層析柱可反復使用，無需再生處理,可分段分離。（3）常用的凝膠交聯葡聚糖凝膠、聚丙烯酰胺凝膠3.酶分離純化的層析技術三、酶的生產及分離純化2）離子交換層析——電荷性質的差異它利用離子交換劑上可解離基團對各種離子的親和力不同而進行分離。（1）基本原理蛋白質是兩性電解質，不同蛋白質由于其pI不同，在同一種pH值介質中電離狀況不同，分子所帶電荷種類和數量就不同，與離子交換劑的靜電吸附能力也不同。通過吸附和改變離子強度或pH值解吸洗脫，可使蛋白質依據其靜電吸附能力由弱到強的順序而分離開來。三、酶的生產及分離純化3.酶分離純化的層析技術（2）洗脫方法

a.梯度洗脫

b.階段洗脫3.酶分離純化的層析技術三、酶的生產及分離純化3.酶分離純化的層析技術3）親和層析——親和力的差異（1）基本原理利用配基與酶結合能力而將目的酶分離出來。三、酶的生產及分離純化（2）載體a.應具有均一、堅實、多孔的網狀結構b.親水c.具有可活化和改變的化學基團d.具有良好的化學穩定性交聯瓊脂糖凝膠三、酶的生產及分離純化3.酶分離純化的層析技術(3)配基a.配基與酶的親和力b.配基與載體的結合方式引入手臂可避免配基在載體上密度太大而造成的空間障礙。W-氨烷基化合物三、酶的生產及分離純化3.酶分離純化的層析技術4）高效液相色譜（1）基本原理用檢測器檢出，由收集器收集同一色譜的目的酶。HPLC的優點：分辨率高；快速，整個分離過程僅幾十分鐘；靈敏度高；一根術可分析多個樣品，而無需重新填裝柱。三、酶的生產及分離純化3.酶分離純化的層析技術4.酶分離純化的電泳技術三、酶的生產及分離純化電泳—帶電物質在直流電場作用下，向著與其電荷相反的電極移動的現象。區帶電泳——樣品溶液在一惰性支持物上進行電泳的過程。電泳后，不同的蛋白質組成被分離形成帶狀區間。區帶的位置可用專一蛋白質染料染色顯示，有些也可利用伴有顏色變化的酶催化反應來顯示。1）聚丙烯酰胺凝膠電泳（1）基本原理

a.蛋白質的靜電荷b.蛋白質的分子大小（2）分類三、酶的生產及分離純化4.酶分離純化的電泳技術a連續凝膠電泳b不連續凝膠電泳c濃度梯度凝膠電泳dSDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳a.連續凝膠電泳采用相同濃度的單體和交聯劑，用相同pH值和相同濃度的緩沖溶液制備成連續均勻的凝膠，然后在同一條件下進行電泳。按分子大小和凈電荷的不同而具有不同的遷移率，從而彼此分開。三、酶的生產及分離純化4.酶分離純化的電泳技術b.不連續凝膠電泳是指凝膠孔徑大小、緩沖液成分及pH均為不連續的，并在電場中形成不連續的電位梯度，從而使樣品濃縮成一個極窄的起始區帶。可提高分辨率的三個物理效應：濃縮效應；分子篩效應；電荷效應組成：由上至下分別為：樣品凝膠；濃縮凝膠；分離凝膠三、酶的生產及分離純化4.酶分離純化的電泳技術c.濃度梯度凝膠電泳聚丙烯酰胺濃度由上至下形成由低到高的連續梯度，其內部孔徑也逐漸減小。適用于測定蛋白質的分子質量三、酶的生產及分離純化4.酶分離純化的電泳技術d.SDS－聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS－PAGE）

加入1%~2%的SDS制備而成。

SDS－PAGE主要用于測定蛋白質的分子質量。基本原理：

SDS－蛋白質復合物中SDS含有大量陰離子，從而掩蓋了蛋白質之間原來的電荷的差異；而且蛋白質構象發生改變變成橢圓形，短軸為18埃左右，長軸與蛋白質分子質量成正比－－－SDS－蛋白質復合物的遷移率不再受其原在電荷和分子形狀的影響，而只決定于蛋白質的分子質量。三、酶的生產及分離純化4.酶分離純化的電泳技術2）等電聚焦（1）基本原理帶有電荷的蛋白質分子可在電場中泳動，其電泳遷移率隨其所帶電荷不同而彼此不同。等電聚焦是在電解槽中放入載體兩性電解質，當通以直流電時，便形成一個由陽極到陰極逐步增加的ｐH梯度，而蛋白質則移動并聚焦于pI處。三、酶的生產及分離純化4.酶分離純化的電泳技術（2）目的a.分離純化酶b.測定pI（3）載體兩性電解質

——是具在ｐH梯度的物質，是由多種氨基與羧基比例不同的多氨基多羧酸的混合物構成的。三、酶的生產及分離純化4.酶分離純化的電泳技術理想載體兩性電解質具有的條件：a.在pI處必須有足夠的緩沖能力，以使pH梯度穩定；b.在pI處必須有足夠的電導；c.分子質量要小；d.化學組成應不同于被分離物質；e.應不與被分離物質發生反應或使之變性。三、酶的生產及分離純化4.酶分離純化的電泳技術（一）概述

1、定義

2、修飾目的

3、修飾方法

4、現在進行的工作（二）酶分子的化學修飾（三）生物酶工程四、酶分子修飾（一）概述1、定義

———通過各種方法使酶分子結構發生某些改變，從而改變酶的某些特性和功能的過程。利用的是“結構決定功能”。2、修飾目的

1）提高酶活力；2）增強穩定性；

3）環境可改變；4）改變最適pH或T；

5）改變酶的特異性；6）改變催化類型；

7）提高反應效率。四、酶分子修飾3.修飾方法

1）金屬離子置換修飾；

2）大分子結合修飾；

3）肽鏈有限水解修飾；

4）酶蛋白側鏈基團修飾；

5）氨基酸置換修飾；

6）物理修飾。四、酶分子修飾（一）概述4.現在進行的工作

1）設法使酶的活性結構加固；

2）通過化學修飾或酶法修飾改變酶的活性；

3）設法消除免疫性或抗原性以利于醫療應用。四、酶分子修飾（一）概述1.定義化學修飾——通過化學手段將某些化學物質或基團結合到酶分子上，以改變酶的物理化學性質，達到改變酶的催化性質的目的。

——是指通過主鏈的剪接切割和側鏈的化學修飾對酶分子進行改造，其目的在于改變酶的一些性質，創造出天然酶不具備的某些優良性狀，擴大酶的應用以達到較高的經濟效益。它主要是利用修飾劑所具有的各類化學基團的特性，直接或經一定活化步驟與酶分子的某種氨基酸殘基產生化學反應，從而改造酶的結構和功能。四、酶分子修飾（二）酶分子的化學修飾2.修飾常用的方法1）部分水解酶的非活性主鏈；2）對活性部位或非活性部位以外的側鏈基團進行共價修飾；3）輔酶因子的置換。3.常用的修飾劑1）酰化試劑；2）烷化劑；3）形成酯和酰胺的試劑；4）氧化還原試劑；5）親電子試劑四、酶分子修飾（二）酶分子的化學修飾4.修飾時的注意事項1）對修飾劑的要求——分子質量大、生物相容性和水溶性好、反應基團多、半衰期長；2）對酶性質的了解——活性部位、最適條件、側鏈基團的化學性質以及反應活性；3）反應條件的選擇——酶穩定的條件5.修飾后酶催化活性的改變如表2－13四、酶分子修飾（二）酶分子的化學修飾1.性質

——分子水平上的生物修飾2.概念

重組DNA技術——是在分子水平上，把某種生物的基因轉移到另一種生物細胞之中，并在新細胞中擴增和表達。生物酶工程——又稱高級酶工程，它是酶學和以基因重組技術為主的現代分子生物學技術相結合的產物。它是最理想的酶改造方法。四、酶分子修飾（三）生物酶工程3.生物酶工程的主要內容（如圖2－48）1）克隆酶；2）突變酶；3）新酶。4、生物酶工程的發展分支——酶的蛋白質工程1）定義——是通過結構基因的改造達到修飾蛋白質分子結構，從而改變該蛋白質的性能甚至創造出自然界中尚未發現的新蛋白質的目的。2）與基因工程的區別和聯系聯系——蛋白質工程在基因工程上發展起來的；區別——基因工程：解決的是酶大量生產的問題；蛋白質工程：完全符合要求的酶四、酶分子修飾（三）生物酶工程（一）概述1.Idea的提出2.基本概念（二）固定化方法1.吸附法；2.包埋法；3.結合法；（三）固定化法對酶的影響五、固定化（一）概述1.Idea的提出1）酶的穩定性差；2）難回收；3）難分離純化（產物與酶）。2.基本概念

酶的固定化——將酶與水不溶性的載體結合，制備固定化酶的過程。

固定化酶——固定在載體上并在一定的空間范圍內進行催化反應的酶。固定化酶的原料——純酶、結合在死細胞或細胞碎片的酶或酶系（固定化菌體）五、固定化1.吸附法

——利用各種固體吸附劑將酶或含酶菌體吸附在其表面上而使酶固定化的方法

常用吸附劑——活性炭、氧化鋁、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅膠、羥基磷灰石。特點——操作簡單、條件溫和、不會使酶失活；結合力弱、易脫落。五、固定化（二）固定化方法吸附法包埋法結合法分類2、包埋法

——將酶或含酶菌體包埋在各種多孔載體中，使酶固定。載體——瓊脂、瓊脂糖、海藻酸鈉等。五、固定化（二）固定化方法凝膠包埋法半透膜包埋法分類根據載體材料和方法1）凝膠包埋法

——將酶或含酶菌體包埋在各種凝膠內部的微孔中，制成一定形狀的固定化酶或固定化菌體，大多數為球狀或片狀。常用凝膠——天然凝膠（瓊脂凝膠、角叉菜膠、明膠等）和合成凝膠（聚丙烯酰膠凝膠、光交聯樹脂）2）半透膜包埋法

——是指將酶包埋在由各種高分子聚合物制成的小球內，制成固定化酶。常用半透膜——聚酰胺膜、火棉膠膜等。微膠囊——半透膜包埋法制成的固定化酶小球，直徑一般只有幾微米至幾百微米。特點——僅適用于底物和產物為小分子物質的酶的固定化。（二）固定化方法五、固定化3.結合法

——選擇適宜的載體，使之與通過共價鍵和離子鍵與酶結合在一起的固定化方法。分類（結合鍵不同）：離子鍵結合法、共價鍵結合法1）離子鍵結合

——通過離子鍵使酶與載體結合的固定化方法。載體——不溶于水的離子交換劑特點——制備操作簡單，活力損失較少，但使用時一定要嚴格控制好pH值、離子強度和溫度。五、固定化（二）固定化方法2）共價鍵結合

——通過共價鍵使酶與載體結合的固定化方法載體——纖維素、瓊脂糖凝膠、葡聚糖凝膠、甲殼質、氨基酸共聚物、甲基丙烯醇共聚物。載體活化——借助于某種方法，在載體上引進某一活潑基團。其方法有：重氮法、疊氮法、溴化氰法、烷化法等。能形成共價鍵的基團（酶分子）——氨基、羧基、巰基、酚基和咪唑基等。（二）固定化方法五、固定化各種固定化方法的比較：見表2－14固定化的注意事項：固定化前——對酶性質的了解、方法的選擇、條件的控制。固定化后——測定酶的活力、研究反應最適條件、考察酶穩定性五、固定化（二）固定化方法1）酶活力回收率變化

——是指固定化酶所保留下來的酶的活力與游離酶在固定化之前的酶活力之比。多數下降2）底物專一性變化——對分子質量大的活性下降3）反應的最適pH值變化——不同程度變化4）反應的最適溫度變化——高5）米－門常數變化——多數偏大6）最大反應速度的變化——大多相同五、固定化（二）固定化法對酶的影響（一）類型（二）設計要求六、酶反應器（一）類型1、酶反應器——以酶為催化劑進行反應所需要的設備，是使生物工程技術轉化為產業的關鍵技術。六、酶反應器2、類型間歇反應器固定床反應器循環反應器流化床反應器連續攪拌－超濾式反應器連續攪拌式反應器（CSTR）3、選擇時應考慮的因素1）催化劑的形狀和大小2）催化劑的機械強度和密度3）反應操作的要求4）對付雜菌污染的措施5）反應動力學方程的類型6）底物的性質7）催化劑的再生、更換的難易8）反應器內液體的塔存量與催化劑表面積之比9）傳質特性10）反應器制造成本和運行成本六、酶反應器（一）類型（二）酶反應器的設計要求1、基本原則——通用和簡單2、設計目標1）容積生產率高2）反應條件易控制3）耗能低4）污染少5）加工簡便，易行，投資低六、酶反應器（一）酶的應用1、酶獲得廣泛應用的原因2、應用的主要領域3、酶用于污染治理的優缺點(二）酶工程的發展展望1、現狀2、發展展望七、酶的應用與發展展望（一）酶的應用1、酶獲得廣泛應用的原因1）酶的催化效率高；2）可催化廣泛的化學反應；3）酶源多；4）酶可被修飾改造。七、酶的應用與發展展望2、應用的主要領域1）食品工業；2）去污劑；3）醫學領域；4）分析領域；5）化工生產；6）廢物處理七、酶的應用與發展展望（一）酶的應用3、酶用于污染治理的優缺點1)優點a.能處理難以生物降解的化合物；b.高、低濃度廢水均適用；c.經修飾后其作用范圍相對較廣；d.過程控制較簡便。2）缺點成本較高七、酶的應用與發展展望（一）酶的應用（二）酶工程的發展展望1、現狀生產酶制劑在食品、輕化工及醫藥工業中得到了廣泛的應用。與國外相比不容樂觀。特別是在以下領域：高產菌株的培育、酶制劑的制備工藝、提高產品質量。七、酶的應用與發展展望2、發展展望1）生物傳感器2）多酶反應器的研究3）酶的改造和新酶的開發4）酶的分離提純技術5）酶的應用領域的擴展和生產工藝的改進（二）酶工程的發展展望七、酶的應用與發展展望第三章環境生物工程細胞工程一、概述二、不同對象的細胞工程（一）微生物細胞工程（二）植物細胞工程（三）動物細胞工程三、細胞工程在環境方面的應用一、概述（一）細胞工程相關名詞1、細胞是生物體的基本結構單位和功能單位，單細胞生物，一個細胞就是一個個體，而多細胞生物則由許多細胞成一個個體。2、細胞工程：是指在細胞水平上的遺傳操作，即通過細胞融合、核質移植、染色體或基因移植以及組織和細胞培養等方法，快速繁殖和培養出人們所需要的新物種的技術。

3、

細胞融合：是用自然或人工的方法使兩個或幾個不同細胞融合的為一個細胞（含有原來兩個細胞的染色體）的過程。4、細胞亞結構移植是指將細胞的亞結構（如細胞核、染色體等）移植到另一個細胞中，從而改變細胞的遺傳性狀。主要有細胞拆合、染色體工程和染色體組工程。5、細胞拆合：即細胞換核技術。是通過物理或化學方法將細胞質與細胞核分開，再進行不同細胞間核質的重新組合，重建成新細胞。6、染色體工程:染色體工程是按人們需要來添加或削減一種生物的染色體，或用別的生物的染色體來替換。7、染色體組工程:染色體組工程是整個改變染色體組數的技術。自從1937年秋水仙素用于生物學后，多倍體的工作得到了迅速發展，例如得到四倍體小麥，八倍體小黑麥等。三倍體西瓜是無籽西瓜，但沒有后代。一、概述

8、干細胞是一種具有多項分化潛能和自我復制能力的原始未分化細胞，是形成哺乳類各種組織器官的祖宗細胞。根據來源和個體發育過程中先后次序不同，干細胞可分為胚胎干細胞和成體干細胞／組織干細胞。

9、虛擬細胞：是一個模擬的細胞。從短期來說，虛擬細胞可用于設計新的藥物和治療方法。人們可以利用模擬技術測試不同的治療方法，以發現最佳方案，并研究每種方案可能產生的副反應。從長期來說，虛擬細胞可被用于設計更好的生物學系統，甚至創造全新的系統。另外，模擬技術還可用于測試不同的變異，以找出表現最好的那些生物性狀。一、概述10、愈傷組織：是指植物組織地離體狀態下，給以一定條件，使已經分化并停止生長的細胞重新分裂生長而形成的沒有組織結構的細胞團。11、細胞學說：一切動物和植物都是細胞的集合體，細胞是生命的基本單位，動物和植物都是在細胞的繁殖和分化中發育起來的。這一認識被稱為細胞學說。12、植物細胞全能假說：植物體的每一個細胞，包括體細胞，都具有發育成整個個體的潛能。一、概述（二）細胞工程的分類1、按研究對象中需要改造的遺傳物質不同，將細胞工程分為基因工程（geneengineering）、染色體工程（chromosomeengineering）、染色體組工程（genomeengineering）、細胞質工程（cytoplasmengineering）和細胞融合等五個方面。這個范圍相當廣泛，幾乎包括了所有的細胞操作和遺傳操作。2、細胞工程按其對象不同，也可分為微生物細胞工程、植物細胞工程和動物細胞工程。本章將主要介紹動物細胞工程。一、概述（三）細胞1、細胞的大小與形態一、概述各類細胞大小的比較一、概述體內最大的細胞

？體內最大的細胞有各種說法：（1）按細胞直徑而言，要數卵細胞，其直徑約200微米（1微米＝1/1000毫米）。（2）以細胞長度來說，當之為骨骼肌細胞，長的可超過4厘米。（3）而以細胞突出的長度來劃分，當之無愧的是神經細胞（也稱神經元）。神經元的軸突長的可達1米以上。故神經元可稱之為體內最大的細胞了。它們的活動受機體神經體液因素的調節。

線粒體最多的細胞

：人體內線粒體最多的細胞是肝臟的肝細胞。每一個肝細胞內約有2000個線粒體。

溶酶體最多的細胞：最多要數巨噬細胞，溶酶體內含有50多種水解酶。

內質網最多的細胞

：漿細胞是含有內質網最多的細胞。漿細胞是由B淋巴細胞在抗原刺激下分化增生而來的，是一種不再具有增殖分化能力的終末細胞。

壽命最長的細胞

：神經細胞的壽命最長。一、概述細胞形態的多樣性酵母菌植物纖維細胞植物表皮細胞動物精子一、概述一、概述2、細胞的結構無論各種細胞的大小和形態有多大的差異，它們都由一層具有一定生物學功能的細胞膜包裹在細胞外層。

根據細胞的內部結構，可將生物界的細胞分為兩大類：原核細胞和真核細胞

細菌、藍藻和放線菌等由原核細胞構成的有機體稱為原核生物，幾乎所有的原核生物都由單個原核細胞構成，而由真核細胞構成的有機體則稱為真核生物。(1)原核細胞的形態結構基本特點：A.主染色體為一個環狀裸露DNAB.無核膜

C.無膜系構造細胞器

D.以無絲分裂繁殖主要代表：細菌、

藍藻等一、概述纖毛細胞壁擬核鞭毛核糖體質膜內含物細菌結構模式圖一、概述(2)真核細胞的形態結構三大結構體系：

生物膜系統質膜、內膜系統（細胞器）

遺傳信息表達系統染色質(體)、核糖體、

mRNA、tRNA等

細胞骨架系統胞質骨架、核骨架一、概述微絲葉綠體線粒體質膜液泡細胞核內質網微管細胞壁高爾基體植物細胞模式圖一、概述動物細胞模式圖微絲微管質膜線粒體中心體細胞核溶酶體內質網高爾基體一、概述(1)無絲分裂——無紡錘絲出現，染色體（DNA）復制后直接移到兩個仔細胞中。(2)細胞增殖周期（有絲分裂）G0期：休眠期G1期：DNA合成前期

S期：DNA合成期

G2期:DNA合成后期

M期：有絲分裂期3、細胞的分裂和分化一、概述①細胞分裂間期②有絲分裂期前期中期后期末期子細胞分為G1期、S期和G2期三個階段。新生細胞的去向：重新進入細胞周期、細胞分化成為Go期細胞一、概述(3)細胞分化

多細胞生物體是由各種各樣形態和功能都不同的細胞群所組成。高等動、植物由受精卵細胞開始的胚胎發生過程隨著細胞分裂次數的增加而使得早期胚胎的細胞數量也增加許多。其中有些細胞在形態、結構和功能上逐漸發生了差異，這種細胞之間差異的發生過程就是細胞分化。個體發育的過程就是細胞分化的過程，個體的各種器官和組織都是通過細胞分化形成的。

一、概述二、不同對象的細胞工程（一）微生物細胞工程1、定義：微生物細胞工程應用微生物進行細胞水平的研究與生產，具體內容包括各種微生物細胞的培養、遺傳性狀的改造、微生物細胞的直接利用或獲得細胞代謝產物等。2、細胞融合基本過程原生質體的制備→融合重組→原生質體再生成細胞→融合重組的測定適用范圍：各種生物細胞都能進行原生質體融合。意義：能做到屬間、科間甚至更遠緣的微生物或高等生物細胞間的融合。（1）原生質體的制備酶解法質生質體的形成率＝原生質體數/未經酶處理的總菌數。①革蘭氏陽性菌：溶菌酶，肽聚糖中N－乙酰胞壁酸與N－乙酰葡萄糖胺之間的β－1,4－糖苷鍵

②革蘭氏陰性菌：溶菌酶+(數分鐘后）0.1mol/L的EDTA共同作用15－20min，則可使90%以上的革蘭氏陰性菌轉變為可供細胞融合用的球狀體。③真核細胞：消解酶、蝸牛酶、纖維素酶、幾丁質酶等處理，原生質體得率在90%以上。注意：原生質體制備后必須用滲透壓穩定劑維持其穩定性。二、不同對象的細胞工程（2）融合重組真核微生物細胞原生質體融合需經歷三個主要階段：細胞融合形成異核體、不同核融合產生二倍體、融合核交換和重組生成重組體。

（3）原生質體再生成細胞

二、不同對象的細胞工程置于高滲再手固體培養基中。再生頻率＝（原生質體再生細胞數/總菌落數）×100%(主要是利用原生質體對滲透壓的敏感性）（4）融合重組的測定

①直接法：不補充兩親株生長所需營養物或補充兩種藥物

②間接法:親株和重組子都再生，然后用影印法復制到選擇培養基上以檢出重組子。融合頻率＝融合子數/再生的原生質體數二、不同對象的細胞工程二、不同對象的細胞工程（二）植物細胞工程1、定義2、植物組織培養（1）植物組織培養：是一種將植物組織、器官或細胞在適當的培養基上進行無菌培養，并重新再生細胞或植株的技術，包括植物培養、胚胎培養、器官培養、懸浮培養3、植物細胞培養二、不同對象的細胞工程單個細胞營養培養基克隆植株工業化植物細胞培養系統主要有兩大類：懸浮細胞培養系統和固定化細胞培養系統

4、植物細胞雜交1960年英國諾丁漢大學Cocking教授領導的小組率先利用真菌纖維素酶，成功地制備出了大量具有高度活性可再生的番茄幼根細胞原生質體,開辟了原生質體融合研究的新階段。植物細胞雜交的主要過程如下：(1)原生質體的制備：機械法與酶法(2)原生質體的融合：物理方法與化學法；膜融合與核融合二、不同對象的細胞工程(3)雜合體的鑒別與篩選：顯微鏡、互補法、細胞與分子生物學法注：原生質體培養過程：脫去細胞壁的原生質體→

細胞壁再生→細胞分裂形成細胞團→愈傷組織→分化形成芽和根→完整植株二、不同對象的細胞工程細胞育種

誘導突變，篩選新品系、新品種次生代謝產物生成

從培養的植物細胞中提取所需的代謝產物。優點

比栽培原料作物更易控制最佳生產條件；

培養物為無菌、無蟲材料，能保證產品質量；

工藝操作較為簡單，可減少勞動費用，提高生產率。5、植物細胞工程的應用二、不同對象的細胞工程（三）動物細胞工程1、定義2、動物組織培養：是指將取自動物的某類組織，在體外培養并一直保持原本已分化的特性，該組織的結構與功能持續不發生明顯變化。3、細胞培養：是指離體細胞在無菌培養條件下的分裂、生長。在整個培養過程中細胞不出現分化，不再形成組織。可分懸浮型和貼附型。4、動物細胞雜交（1）融合方法：病毒誘導融合、化學誘導融合、電激誘導融合二、不同對象的細胞工程（2）篩選形成五種類型的細胞：異型融合細胞（雙核、多核）、兩種同型融合細胞（雙核、多核）、未發生融合的兩種親本細胞。篩選原理：后四種不成活，多核融合細胞因核分裂受阻而死亡。

二、不同對象的細胞工程5、克隆克隆“多莉”二、不同對象的細胞工程綿羊B乳腺細胞核易核卵融合卵綿羊C子宮多莉植入植入生產克隆多莉羊示意圖取出未受精卵去核電激體外胚胎發育綿羊A二、不同對象的細胞工程多莉克隆猴(3)克隆意義

a遺傳素質完全一致的克隆動物將更有利于開展對動物(人)生長、發育、衰老和健康等機理的研究；

b有利于大量培養品質優良的家畜;

c經轉基因的克隆哺乳動物，將能為人類提供源源不斷的廉價的藥品、保健品以及較易被人體接受的移植器官；

d科學家將很快地從目前的同種克隆技術推進到異種克隆,即借腹懷胎的新領域,這無疑將大大促進對瀕臨滅種的哺乳動物的保護工