生物工程概论课后习题.doc

第一章 绪论生物工程：人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的的新技术.包括近代生物学、生物化学、分子生物学、遗传学和化学工程等。五个方面：基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程、蛋白质工程生物工程分期产品时期名称采用技术附加价值第一代啤酒、苹果酒、发酵面包、醋自然发酵低、中第二代抗生素、单细胞蛋白质、酶、乙醇、丙酮、氨基酸初步的物理、化学遗传分析、细胞杂交、物理化学、诱变育种中、高第三代涉及工、农、医、信息和基础生物学的各个方面如：基因药品基因工程、细胞工程高、很高传统生物工程与现代生物工程的区别:有发展中的联系，但又有质的区别。传统只是利用现有的生物或机能为人类服务,现代则是按照人们的意愿和需要创造全新的生物类型和生物机能，或者改造现有的生物类型和生物机能包括改造人类自身，从而造福于人类。从必然向自由，从等待转向索取。应用领域：生物医药、农业、化学工业、食品工业、环境保护、能源工业.第二章 生物学基础生命特征：新陈代谢、生长和繁殖、遗传和变异、对刺激产生反应细胞：细胞膜、细胞质、细胞核（核膜、核仁、染色质)名词解释原生质:细胞内生命物质的总称.它的主要成分是蛋白质，核酸,脂质。染色质：由脱氧核糖核酸（DNA）和蛋白质组成,当细胞处于分裂间期时,染色质组合成为细长的丝,并交织成网状。染色体细胞核：是遗传贮存、复制和表达的主要场所。核酸：脱氧核糖核酸（DNA)和核糖核酸(RNA），在蛋白质的复制和合成中起着储存和传递遗传信息的作用。酶：生物体内产生的一类具有催化作用的物质，能加快化学反应速度，并使之发生一定顺序转换。原核细胞：组成原核生物的细胞，主要特征：没有明显可见的细胞核，没有核膜和核仁，只有拟核，进化地位较低。不进行有丝分裂、减数分裂、无丝分裂的细胞。分古细菌和真细菌。细菌转录与翻译几乎是同步进行，原核生物与真核生物最主要的区别.真核细胞:含有真核（被核膜包围的核)的细胞。碱性氨基酸:含有两个氨基一个羧基，对石蕊呈碱性反应（精氨酸Arg、赖氨酸Lts、组氨酸His）。酸性氨基酸：含有两个羧基一个氨基，对石蕊呈酸性反应(谷氨酸Glu、天冬氨酸Asp）.等电点：对氨基酸水溶液的酸碱性加以适当调节，促使其酸碱性电离恰好相等，呈两性离子存在，净电荷为零，此时的PH即PI。蛋白质的变性：受外界各种因素的影响，使其二级、三级结构遭到破坏，使其有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致天然蛋白质的理化性质发生改变,并失去原有的生理功能与活性。DNA的变性:多核苷酸之间维持立体结构的氢键（碱基对之间的氢键）的断裂【纯水或非常稀的电解溶液、强酸或强碱、加热、破坏氢键的试剂如脲、盐酸胍、水杨酸等】DNA的复性：变性DNA在适当条件下，两条互补链可重新配对，恢复天然的双螺旋构象.热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，称为退火。构成细胞的生物大分子糖类：C、H、O，H：O=2:1蛋白质：N含量16【变性、紫外线吸收、盐析、呈色】，a-氨基酸（天然、L型）【两性解离及等电点、与金属离子反应、黑色素、与亚硝酸、甲醛、茚三酮反应】,除甘氨酸（Gly),旋光性.酶：本质是蛋白质【高效性、温和性、专一性】核酸：以核苷酸为基本组成单位,溶于水不溶于乙醇、氯仿等有机溶剂，钠盐水溶液具有很高的黏度。蛋白质（生理功能：结构物质、功能物质、能源物质)一级结构:蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序，以及二硫键的位置.二级结构：蛋白质分子局区域内，多肽链沿一定方向盘绕和折叠的方式。 三级结构：蛋白质的二级结构基础上借助各种次级键卷曲折叠成特定的球状分子结构的空间构象。 四级结构:多亚基蛋白质分子中各个具有三级结构的多肽链,以适当的方式聚合所形成的蛋白质的三维结构。为什么说细胞是生物体结构和功能的基本单位？原因如下：1）一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位(病毒除外)。2）细胞是代谢与功能的基本单位.3)细胞是有机体生长与发育的基础。4）细胞是遗传的基本单位,具有遗传全能性。5）没有细胞就没有完整的生命核酸的遗传特性：DNA（右双螺旋,半保留复制）,RNA(与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控）.高分子化合物，4种核苷酸，按一定的顺序相连而成。第三章 基因工程名词解释基因：编码一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。基因工程：重组DNA技术，按照人们的需要，在分子水平上，用人工方法提取或合成不同生物的遗传物质（DNA片段）,在体外切割获得目的DNA片段,再与载体（病毒、质粒或噬菌体)体外进行拼接形成DNA，最后将其引入到受体细胞中,进行复制和表达，生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新性状，并使之稳定地遗传给下一代.按目的基因的克隆和表达系统，分为原核生物、酵母、植物和动物基因工程。把需要研究的基因称为目的基因.以转基因生物为食品或为原料加工生产的食品称为转基因食品.类型:增产型、控熟型、高营养型、保健型、新品种型、加工型安全评价：实质等同性评价、有毒物质、过敏源三联体密码：决定蛋白质中氨基酸顺序的核苷酸顺序，由3个连续的核苷酸组成的密码子构成.通常在基因的分析中按照53的方向阅读核苷酸排列顺序.半保留式复制：DNA在复制过程中碱基间的氢键首先断裂，双螺旋解旋分开,每条链分别作模板合成新链,每个子代DNA的一条链来自亲代，另一条则是新合成的。复制叉、冈崎片段基因表达1、中心法则：DNA通过自主复制得以永存，通过转录生产信使RNA,进而翻译成蛋白质的过程来控制生命现象。信息流:DNARNA蛋白质2、遗传密码:信使RNA(U、C、A、G)三联体密码3、mRNA的转录与加工：转录（DNAmRNA）,翻译（mRNA肽、蛋白质）DNARNA全保留式复制，mRNA按53方向延长。4、翻译：起始密码子（AUG），终止密码子（UAA、UAG、UGA）基因表达调控：载体的选择;人工设计启动子序列。基因工程的流程：1、目的基因的分离：PCR（必须对目的基因有一定的了解，需要设计引物)体系温度：905075；历程：变性(DNA双链完全变性成为单链）退火(引物和模板DNA）结合合成（以引物为起点,合成模板互补的DNA新链）2、基因重组基因载体：质粒、噬菌体、病毒目的基因与载体的链接：（1）DNA限制性内切酶：把载体DNA片段切开(黏性末端）；（2）DNA连接酶：用于连接载体和外源DNA片段。限制性内切酶是特异性地打断磷酸二酯键；DNA连接酶是特异性地形成磷酸二酯键.3、基因序列导入细胞转化：构建好的重组DNA分子进入寄主细胞的过程；转导:噬菌体进入宿主细菌,病毒进入宿主细胞中繁殖；转染：宿主菌先经过CaCl2、电穿孔等处理成感受态细菌再接受DNA，进入感受态细菌的噬菌体DNA可以同样复制和繁殖。4、目的基因序列克隆的筛选与鉴定根据重组载体的遗传标志作筛选(抗药性）、核酸杂交法、PCR法、免疫学方法、DNA限制性内切酶图谱分析、核苷酸序列测定。5、目的基因的表达（合适载体、高表达启动子)应用及展望1、医药卫生领域:基因药物、基因工程疫苗、基因诊断、基因治疗、中药研发；2、食品生产领域：转基因食品、改良微生物的性能；3、农业:改善农产品品质、培育新型作物、生物固氮。第四章 酶工程酶工程：研究酶的生产和应用的一门技术性学科，主要内容：酶的发酵生产、酶的分离纯化、酶分子修饰、酶和细胞固定化等方面的内容。名词解释酶:是生物催化剂,能通过降低反应的活化能加快反应速度，但不改变反应的平衡点.绝大多数酶的化学本质是蛋白质。具有催化效率高、专一性强、作用条件温和等特点。酶的生产方法:提取法（原料限制）、发酵法、化学合成法(清楚结构）应用领域:工业、传统领域、基因工程、蛋白质工程底物：酶所作用和催化的化合物。用符号S表示。固定化酶:固定在载体上并在一定的空间内进行催化反应的酶。方法：吸附法、包埋法、结合法、交联法、热处理法物理吸附法载体偶联法交联法包埋法共价键离子键制备难易性简单繁杂简单繁杂繁杂酶活性低低高低低结合力弱强弱强强再生可能不可能可能不可能不可能固定化细胞:固定在载体上并在一定的空间范围内进行生命活动的细胞.方法:吸附法、包埋法酶的修饰：通过各种方法使酶分子结构发生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能，创造出天然酶不具备的某些优良性状，使其更适应各方面的需要。方法：金属离子置换、大分子结合修饰、肽链有限水解修饰、其他方法抑制剂：凡能使酶催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质.微生物酶的发酵生产对菌种的要求：微生物：繁殖快、容易培养、代谢能力强等特点工业菌种：酶的产量高、容易培养和管理、产酶稳定、产生的酶容易纯化、不是致病菌及产生有毒物质或其他生理活性物质的微生物.细胞活化：斜面培养基，在一定的条件下进行培养，以恢复细胞的生命活动能力。酶发酵工艺条件的控制1、PH（培养基的碳氮比、缓冲液、酸碱溶液）2、温度（热水升温、冷水降温)3、溶解氧(通气量、氧的分压、搅拌）4、中间补料（C、N、无机盐、微量元素、水）酶提取的基本方法破碎细胞、抽提、分离纯化、浓缩、干燥注意事项：温度（0）、PH（中性68）、浓度（低浓度易失活）、搅拌、添加保护剂酶反应器：以酶作为催化剂进行反应所需的设备.类型:均相酶反应器（搅拌罐、超滤膜反应器)、固定化酶（搅拌罐、固定床或填充床、膜反应器、流化床、鼓泡塔）果葡糖浆生产过程:葡萄糖的制备葡萄糖异构化葡萄糖异构酶的更换啤酒外加酶的作用：提高质量、降低成本、弥补麦芽中的酶酶在医药上的作用：疾病诊断、疾病治疗、药物制造酶在食品工业作用:酿酒、食品生产、食品保鲜第五章 发酵工程发酵工程：利用微生物的生长和微生物机能及其代谢活动生产各种有用物质的现代工业.研究微生物工业生产中各单元操作的工艺和设备的一门学科。主要内容:菌种的选育、发酵条件的优化和控制、反应器的设计及产物的分离、提取与精制等。发酵的基本过程：上游技术、发酵和下游技术。上游技术:生产菌种的选育、发酵条件的优化、培养基的制备等.发酵技术: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。下游技术：从发酵液中分离和纯化产品的技术。产品：菌体、酶类、微生物代谢产物、利用微生物发酵转化或改造化合物结构。工业上常用的微生物菌种细菌:单细胞原核生物，具有典型的核分裂或二分分裂繁殖（枯草芽孢杆菌、大肠杆菌）；放线菌：无性孢子式繁殖，与细菌区别(有真正分枝的菌丝体），抗生素;酵母：单细胞微生物，属真菌类（啤酒酵母、毕赤氏酵母属）；霉菌：孢子繁殖，分散、量大（根霉、曲霉）；噬菌体:病毒的一种,形体微小，无细胞结构，对寄主细胞有严格的专一性。发酵方法：分批发酵:不易染菌，但很难采用控制基质等浓度的方法来增加发酵生产能力;连续发酵:提供设备、原料利用率，便于实现自动控制,但由于是开发系统，容易染菌,对设备、仪器技术要求高；补料分批发酵:无需严格的无菌条件，不会产生菌种老化和变异问题,使用范围广，但也有不足，如菌体、养分的不完全利用，产生代谢有害物，有利于非生产菌突变株的生长。影响因素温度：冷却（热水升温、冷水降温)PH：基质中加缓冲性物质，生产过程中适时流加无机酸、碱或生理活性物质溶氧:通风、搅拌，压力染菌：设备完好、灭菌彻底、空气净化、无菌操作发酵液下游处理流程与方法发酵液的预处理和固液分离：调PH、加热、过滤、离心分离等提取(初步纯化）：吸附法、离心分离、萃取、沉淀、超滤法等精制（高度纯化）：层析、电泳等成品加工:浓缩、无菌过滤、去热原、干燥和加稳定剂等。谷氨酸的生产过程：淀粉水解糖的制取、谷氨酸发酵控制、谷氨酸的提取、谷氨酸制味精生物素对谷氨酸的影响：限量，脂肪酸合成不完全，导致细胞变性，谷氨酸从胞内渗出，积累于发酵罐中；反之，充足,菌体大量繁殖，不产或少产谷氨酸，代谢产物中乳酸和琥珀酸明显增多.柠檬酸生产：发酵液预处理中和、过滤酸解精制成品加工第六章 细胞工程细胞工程：在细胞水平上的遗传工程,即应用细胞生物学、分子生物学的方法,对细胞进行遗传操作,以获得所期望遗传组成的细胞或生物体，从而达到改良生物品种或创造新品种,加速繁育动植物个体，或利用细胞培养产生某种有用物质的过程.主要内容：细胞与组织培养技术、细胞融合技术、细胞拆合技术、染色体工程、胚胎工程、细胞遗传工程、干细胞与组织工程。基本操作：洗涤技术、灭菌技术、无菌操作技术、外植体的选择与处理技术植物细胞工程:1、 组织及细胞培养：植物组织培养(无菌外植体的获得初代培养物的建立形态发生和植株再生移栽成活阶段)、植物细胞培养2、 植物细胞融合：原生质体的制备（分离、纯化、活力鉴定）、原生质体融合（化学、电）3、 杂合细胞的筛选与鉴定:互补选择法、机械分离杂种细胞法4、 杂合植株的鉴定：形态学鉴定、细胞与分子生物学的方法鉴别人工种子：繁殖体的预处理、繁殖体的包埋(包埋介质的制备、人工胚乳的制备、包埋）存在问题：人工种子的贮存与萌发动物细胞工程：技术领域：细胞与组织培养、动物细胞融合、胚胎工程、杂交瘤技术制备单克隆抗体、细胞拆合操作方法：动物细胞培养、融合（化学、物理、仙台病毒）、细胞拆合（核移植、染色体转移)、单克隆抗体原代培养：第一代细胞的培养与传10代以内的细胞培养；传代培养：当原代培养的细胞生长停止,及时用胰蛋白酶使细胞从瓶壁上解离下来，然后加入新的培养液,将细胞分离稀释，并从原培养瓶内转接到新的培养瓶内的过程。微生物细胞工程：细胞壁去除:革兰氏阴性细菌（溶菌酶）、革兰氏阴阳性细菌的【溶菌酶、EDTA（L-胺四乙酸）】第七章 蛋白质工程蛋白质工程操作程序：利用X射线结晶学和电子计算机图像显示计算、确定天然蛋白质的立体空间三维构象和活性部位,分析设计需要改变或替换的氨基酸残基，然后采用定位突变基因等方法,直接修饰或人工合成基因，有目的地按照设计来改变蛋白质分子中的任何一个氨基酸残基，从而达到改造天然蛋白质或酶，提高应用价值。以天然蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础,以天然蛋白质分子的三维结构为基本蓝图。化学键：氢键、二硫键、盐键、酯键、疏水键、范德华引力、金属键。蛋白质工程：在深入了解蛋白质空间结构以及结构与功能关系，并且在掌握基因操作技术的基础上，设计和改造蛋白质，借以改善蛋白质的物理和化学性质，使之更好地为人类利用。设计的蛋白质:缺乏结构的独特性及明显的功能优越性改造方法：小改（少数残基的替换）设计原理（内核假设、所有蛋白质内部都是密堆积，并且没有折叠、所有内部的氢键都是最大满足的、疏水及亲水基团需要合理地分布在溶剂可及表面及不可及表面、在金属蛋白质中，配位残基的替换要满足金属配位几何、对于金属蛋白，围绕金属中心的第二壳层中的相互作用是重要的、最优的氨基酸侧链几何排列、结构及功能的专一性）中改（分子剪裁)大改(从头设计）基因工程：目的基因异体表达，自然界固有的蛋白质；蛋白质工程：数量几乎不受限制、有特定性能的“突变型”蛋白质分子，甚至全新的蛋白质分子.第八章 应用生物技术生物药物:利用生物体、生物组织、体液或其代谢产物,综合应用化学、生物化学、生物学、医学、药学、工程学等学科的原理与方法加工制成的一类用于疾病的预防、治疗和诊断的物质.特性：药理学特性(针对性强，疗效高、营养价值高，毒副作用小、免疫性副作用常有发生）、原料的生物学特性（天然含量低、来源广泛、容易腐蚀变质）、生产制备过程中的特殊性（有效含量低、稳定性差）、检测的特殊性、剂型要求的特殊性分类：1、 化学本质和化学特性：氨基酸及其衍生物、多肽和蛋白质类、酶与辅酶类、核酸、糖类、脂类、细胞生成因子类、维生素2、 原料来源：人体、动物组织、微生物、植物、海洋生物3、 功能和用途：治疗、预防、诊断、其他生物制药的关键技术： 无菌空气发酵工程：菌种斜面或摇瓶种子种子制备发酵发酵液预处理产品提取精制产品检验 消泡剂、补料生化工程:生物材料的选取与预处理提取有活性部分有效成分的分离、纯化制剂细胞工程：获得细胞种细胞培养分离纯化制剂基因工程：获得目的基因组建重组构建基因工程菌培养工程菌分离纯化酶工程微生物发酵制药与一般工业异同：1、 所用的微生物以纯种状态在具有通气搅拌的发酵罐中进行发酵；2、 发酵过程中初级代谢和次级代谢两种不同的代谢途径交织在一起,有生长期和生产期两个截然不同的生理代谢阶段。3、 发酵产物积累和基质消耗之间没有明显的化学计量关系.4、 微量的金属离子和磷酸盐等无机离子对次级代谢产物的形成具有显著影响。5、 发酵产物极其复杂,过程更加难以控制。基因工程药物：利用基因工程技术生产人体健康所必需的、起着重要调节作用的、含量极微和难以用传统方法制取的蛋白质、多肽、疫苗、单克隆抗体及细胞因子等药物。高密度发酵：指培养液中工程菌的菌体浓度在50gDCW/L以上，理论上的最高值可达200gDCW/L菌体干重（dry cell weight)。条件：细菌生长所需的营养条件、发酵过程中的培养温度、发酵液的PH、溶氧浓度、有害的代谢副产物、补料方式及发酵液流变学特性。生物医药材料：一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，并且对人体组织不会产生不良影响的材料。种类：生物医药材料的物质属性（金属、高分子、无机非金属材料或生物陶瓷、复合材料、衍生材料）、在生理环境中的生物化学反应（近于惰性、生物活性、降解和吸收)工业生物技术食品工业:基因工程（氨基酸、食品色素）、酶工程（葡萄糖、低聚糖、乳品加工、食品分析、食品保鲜、酶改善品质和风味）、发酵工程纺织工业:酶制剂在退浆工序中的应用、纤维素酶、蛋白酶在精炼中的应用、纤维素酶在棉织物中的皮革工业:蛋白酶在脱毛工序、酶制剂在毛皮的软化中的应用环境生物技术（EBT）:开发、利用和调节生物系统进行污染环境的补救和环境友好产品的生产过程。污水处理关键技术：活性污泥法，厌氧处理法，氮、磷去除技术.地下水污染的修复要点：收集区域水文地质等资料、蓄水层添加适量营养盐、保持溶解氧、其他方法。可降解塑料：在使用前或使用过程中，与同类普通塑料具有相当或相近的应用性和卫生性能，在使用完成后，能在自然环境条件下,较快地降解成为易于被环境消纳的碎片或碎末，进而降解成CO2和H2O特点:工艺简单、无污染、可降解性和相容性、可调控PHAs（聚-羟基烷酸）：微生物在一定条件下胞内积累作为碳源和能源的贮存物。特点：溶解性、高分子量、胞内积累不引起渗透压的增加、生物可降解性和相容性农业生物技术传统：盲目性较大、遗传变异频率较低、筛选效率不高现代：特定抗性基因定向转移，因而频率较高、基因来源打破了种属的界限抗除草剂作物、抗病虫作物、抗病毒作物、抗极端气候条件作物生物农药：以生物活体或生物代谢物为作用因子的农药，其作用因子包括细菌、真菌、病毒、线虫以及它们的代谢物。细菌生物农药（苏云金芽孢杆菌 Bt)、真菌（白僵菌）、病毒、生物化学生物控制：运用微生物等去控制害虫和疾病，类似以昆虫的天敌控制昆虫的目的.动物胚胎工程技术：冷冻保存（精液保存）、胚胎移植、体外生产胚胎、性别控制、胚胎克隆核移植（NT）（动物克隆技术）：将动物早期胚胎或体细胞的细胞核经显微手术和细胞融合的方法移植到去核的受精卵或成熟卵母细胞中、重新构建新的胚胎，使重构胚发育为与供核细胞基因型相同后代的技术.应用：克隆具有巨大经济价值的转基因动物、快速扩大优良种畜、挽救濒危动物等方面胚胎干细胞技术：生产转基因的动物、生产克隆动物、研究细胞分化、研究发育的基因调控动物饲料工业：DNA重组生长激素、发酵工程技术基因工程疫苗：亚单位苗、活载体苗、合成肽苗、基因缺失疫苗、基因疫苗等第九章 生物安全性生物安全性：农业转基因生物引发的环境安全与食用安全问题。对自然环境的影响：不可控制，无法逆转、危害生态平衡、基因污染危及粮食安全对人体健康的影响中国转基因食品管理：以科学为依据，以个案审查为原则，实行分级、分阶段管理。生物武器特点：致命性、传染性强，生物专一性，面积效应大，危害时间长,难以发现，有局限性.常用防范：带防毒面具、使用防护口罩