生命科学导论复习资料

第一讲 序论

一、为什么要上《生命科学导论》课 二、21世纪将是生命科学的世纪 三、生命科学向我们每个人走来 四、生命的元素组成

吴庆余主编.《基础生命科学》，高等教育出版社，2006 张惟杰主编.《生命科学导论》, 高等教育出版社，1999

一 为什么要开设《现代生物学导论》课？

1．高等教育的目标 哈佛大学教学计划说明

―every Harvard graduate should be broadly educated as well as trained in a particular academic

specialty or concentration.‖

每一个哈佛毕业生应该受到广博教育并且还应在专门的学科方面得到一定的培训

哈佛大学核心课程主要包括六大门类

1. 各国文化 2. 历史研究 3. 文学美术 4. 道德伦理 5. 科学:数学，生命科学 6. 社会分析

人格的养成 —

从历史及文化角度理解人类社会发展，

认识个人与社会联系， 养成历史感和责任感。

? 思辨能力和思维习惯的养成----

准确地认识和把握事物， 慎密的分析和综合， 冷静的归结和对策

2、 ―公共基础‖由哪些板块组成？

1980s以来，世界著名大学如MIT等，纷纷把生物类课程列为全校必修课。 1995年以后，国内重点大学陆续把生物类课程列为全校非生物类专业大学生的限选或必修课程。

这是因为人们意识到，21世纪将是生命科学的世纪，面向21世纪的大学生应有生命科学基础，而不应该成为―生物盲‖。

二、21世纪将是生命科学的世纪

1．带头学科

近300年来（17-20世纪）：物理学一直作为带头学科

17世纪中叶 牛顿经典力学

18世纪中叶 （蒸汽机）工业革命

19世纪中后 电气革命

20世纪初 量子论、相对论和核物理标志着物理学革命性飞跃。20世纪上半叶被称为

“现代物理学黄金半世纪” 物理学主导着工业革命和经济发展

带领着天文、地质、气象、化学等学科发展

? 薛定谔（Erwin Schrodinger,1887-1961）

是一位近代物理学家，他试着跨越物理世界/生命世界之间难以逾越的鸿沟。

他所写的小册子《生命是什么》是一个伟大尝试。

? 面对复杂系统的许多问题，科学界把目光转向生命科学，寻求

新的概念， 新的观点， 新的思路。

2、从传统生物学到现代生命科学

——生命科学能够迎接21世纪的挑战

生物学经历了三个发展阶段：

? 描述生物学阶段 （19世纪中叶以前）

（1） 描述生物学阶段（19世纪中叶以前）

主要从外部形态特征观察、描述、记载各种类型生物，寻找他们之间的异同和进化脉络

达尔文 《物种起源》（1859） （2）实验生物学阶段（ 19世纪中到20世纪中）

利用各种仪器工具，通过实验过程，探索生命活动的内在规律

（3）创造生物学阶段（20世纪中叶以后）

3、生命科学如何发挥它的重要作用？

?生命科学必须和物理科学、工程科学等其他学科相结合

（1）从我国科学发展规划看生命科学的重要性

（2）生命科学必须和物理科学、工程科学等其他学科相结合

21世纪是生物的世纪，但生物学要有大突破必须寻求物理学科等其他学科的支持。 ?普林斯顿大学 以发育生物学家谢利?蒂夫曼为首，集中12名资深教授 (生物学、物理学、

化学、数学、工程)成立崭新的研究中心

? 斯坦福大学 朱棣文(物理学)和詹姆斯?斯布迪许(生物学)等建立一个研究中心，50名成员。

（Bio-X计划）

三 生命科学向我们每个人走来

1． 生存与健康

2． 交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战 3. 生命科学渴求各个领域优秀人才的参与

1、生存与健康

? 另一方面人类面临一批新型疾病的威胁：

心血管病 糖尿病 艾滋病 癌症 新传染病

2、交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战 3、生命科学渴求各个领域优秀人才的参与

四、生命的元素组成

在生物学和其他学科交叉的边缘学科中,生物化学在过去的几十年中发展特别快。研究生物体的化学组成和研究生命过程中的化学变化，所得到的丰硕成果，构成分子生物学和生物技术发展的重要基础。

这里先介绍生命的元素组成，主要为后面第二讲（构造生物的基本元件）和第三讲（生物体的新陈代谢）做准备。

1． 哪些元素参与生物体的组成？

参与生物体组成的元素总共约二、三十种，他们在元素周期表中的分布如图所示

用实验动物的饲养实验来研究各种元素成份在营养学上的必要性。要证明某一种微量元素在营养学上是必不可少的，至少需要做下面三个方面的实验：

让实验动物摄入缺少某一种元素的膳食,观察是否出现特有的病症。 向膳食中添加该元素后，实验动物的上述特有病症是否消失。

进一步阐明该种元素在身体中起作用的代谢机理。

只有上述三条都弄清楚，才能确定某种元素是否为营养上必需的元素。

常量元素的重要性比较容易认识。微量元素的营养学研究困难大得多。所以，一些微量

元素在1950s 或 1970s 以后才确证为人体必需微量元素。

3. 元素营养方面的几个例子

例一、钙

1． 人每天需要摄入多少钙？ 2、钙参加几乎每一种生理代谢过程

婴、幼、少儿------佝偻病 老年人------骨质疏松症

上海地区骨质疏松症患者 男 20.1% 女48.1% 其中 60岁以上 男 24.9% 女75.5%

上海地区老年人骨折发生率 城区 16.5% 农村 6.9%

影响钙吸收的因素 维生素D

甲状旁腺素（PTH）

?促小肠吸收钙 ?促骨骼释放钙 ?促肾细胞回收钙

?抑骨骼释放钙 ?抑肾细胞回收钙

例三 铬 例四 硒

第二讲 构造生物体的基本元件

一、生物小分子与生物大分子的关系 二、生物小分子简介 三、生物大分子的形成 四、生物大分子的高级结构

一、生物小分子和生物大分子的关系

小分子 大分子 复合大分子 单糖 多糖 糖蛋白 氨基酸 蛋白质 糖脂 核苷酸 核酸 脂蛋白

脂类

二、生物小分子简介

1、水

水影响生命活动的例子：

2、氨基酸

（1）α－ 碳原子

（2）具有α－ 氨基和α－羧基是各种氨基酸的共性 （3）各种氨基酸的区别在侧链基团—R 20种天然氨基酸除甘氨酸外，都带一个不对称碳原子—α碳原子，都有光学异构体（镜映体）。

氨基酸的功能：

（1）作为组建蛋白质的元件

（2）有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代谢调节、信号传递等）

3、单糖——

（1）C2----C5 均为不对称碳原子。六碳糖有 16 种同分异构体。

（2）天然单糖在 C5 位上羟基有固定结构方向，天然单糖大多数是 D-型糖。 （3）在水溶液中葡萄糖在 C1---C5 之间脱水通过氧桥相联成环状－吡喃型 （4）各个C上羟基位于环上或环下

（5）C1 上羟基位置不同出现α-，β-两种构型

4、核苷酸

DNA分子的基本单位：核苷酸 参加大分子核酸组成的共有8种核苷酸

DNA水解液中 RNA水解液中 腺脱氧核苷酸（dAMP） 腺苷酸（AMP） 鸟脱氧核苷酸（dGMP） 鸟苷酸（GMP） 胞脱氧核苷酸（dCMP） 胞苷酸（CMP） 胸腺脱氧核苷酸（dTMP） 尿苷酸（UMP） 另外还有一些重要的具有生物活性的核苷酸

cAMP，cGMP参与细胞信号传递

5、脂类

脂类是指生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种小分子。

葡萄糖－－－水溶性的 油 脂－－－脂溶性的 脂类种类很多，分子结构相差较大 A、油脂：甘油三脂 B、磷脂和鞘脂

C、固醇

Tay-Sachs症，儿童的悲剧

所有的人类遗传病中，Tay-Sachs遗传病是最为悲惨的疾病之一。带有导致该病的突变基因的纯合子婴儿在出生时表现正常；然而，数月之后他们表现为对噪音的极度敏感，眼睛视网膜上出现一个樱桃红的小点。这些早期症状往往被父母和医生所忽略。在出生后半年到一年，患儿出现的进行性的神经退化导致精神障碍、眼盲、耳聋以及身体控制机能的丧失。在两岁时通常已经完全瘫痪，并出现呼吸性感染。一般在三至四岁时患儿就死亡了。

关于此病的唯一好消息就是它在大多数人群中就十分罕见的；然而在中欧地区的德裔犹太人及其后裔中，此病的发病率达到了儿童的1/3600，并且大约1/30的成人带缺陷基因。如果两人都是缺陷基因携带者，通常他们小孩就有四分之一的可能是这种缺陷基因的纯合子并最终会发展成为Tay-Sachs症。

?导致Tay-Sachs症的突变位于HEXA基因，它的编码产物是己糖胺酶A。该酶作用于神经节苷

脂GM2并将它分解。

?神经节苷脂GM2的功能是覆盖于神经细胞，使神经细胞与相邻的细胞分隔开，从而加速神经冲

动的传递。如果该酶不存在，神经节苷脂GM2会累积并窒息神经细胞，最终导致神经系统功能丧失和瘫痪。

三、生物大分子的形成

生物大分子主要有三大类： 蛋白质 核酸 多糖

它们都是由生物小分子单体通过特有的共价键联结而成。

1、氨基酸通过肽键联成肽链

结构蛋白

2、单糖通过糖苷键联成多糖链

（3）注意：多糖链也有方向性，有还原端和非还原端

一条多糖链的两端有不同结构和性质： 一端的糖基有游离的半缩醛羟基，称还原端； 另一端的糖基没有游离的半缩醛羟基，称非还原端。

3、核苷酸通过磷酸二酯键联成核酸

四、生物大分子的高级结构

1、蛋白质的高级结构

由生物小分子到生物大分子，分子增大，出现新的性质。

其中最主要的特点是：生物大分子有独特的立体结构、空间构型和分子整体形状。

? 蛋白质的四级结构是指各条肽链之间的位置和结构。所以，四级结构只存在于由两条肽链

以上组成的蛋白质。

2、 维持生物大分子高级结构的重要因素－－非共价键

C＝O ? ? ? ? ? ? H－O

C－N ? ? ? ? ? ? H

C－O ? ? ? ? ? ? H3 N－

非共价键的键强度很小，所以

注意：双硫键也在维持蛋白质高级结构中起重要作用。

3、 核酸的高级结构 DNA的双螺旋结构

3、 核酸的高级结构

（1） DNA双螺旋：

A、两条反向平行的核苷酸链共同盘绕形成双螺旋，糖－磷酸－糖构成螺旋主链 B、两条链的碱基都位于中间，碱基平面与螺旋轴垂直 C、两条链对应碱基呈配对关系A＝T G≡C D、螺旋直径 20A，螺距 34A，每一螺距中含10bp

DNA双螺旋可以看作是DNA的二级结构， DNA的三级结构的形成需要蛋白质帮助。

碱基之间的氢键：

GC间有三个氢键，AT间有两个氢键

（2）RNA为单链盘绕，局部形成碱基配对。 例如：转运RNA（tRNA）的三叶草结构

4 、多糖链的高级结构

不同高级结构带来不同的生物学性能 淀粉形成螺旋状 能源贮存 纤维素呈长纤维状 结构支架

第三讲 生物的新陈代谢

一、酶是生物催化剂

二、生命世界的能量源泉是太阳能

三、生物体主要从有机分子的氧化取得能量

四、生物体内有一个复杂的代谢网络

生命活动的原动力在于生物体内一刻不停的新陈代谢。通过新陈代谢不断把太阳能或食物中贮存的能量，转化为可供生命活动利用的能量，不断制造出各种大、小分子以供生命活动所需要。体内的新陈代谢过程又都是在生物催化剂----酶的催化下进行的。

这一讲先介绍酶的性质，然后着重介绍生命活动所需的能量，从何而来。至于新陈代谢中产生的大、小生物分子，种类甚多，这里仅介绍蛋白质大分子是如何合成的。

一、酶是生物催化剂 1、酶的催化特点

催化剂可以加快化学反应的速度，酶是生物催化剂，它的突出优点是：

催化效率高 专一性质 可以调节

用简单的实验证明酶的催化效率：

2、酶的化学本质是蛋白质，有的酶仅仅由蛋白质组成，如：核糖核酸酶。

有的酶除了主要由蛋白质组成外，还有一些金属离子或小分子参与。这些金属离子

或小分子是酶活性所必须的，称为辅酶/辅基或辅助因子。

如：羧基肽酶以二价锌离子（Zn2+）为辅助因子 又如：过氧化氢酶以铁卟啉环为辅助因子

3、酶催化作用的机理是降低活化能

? 催化剂只能催化原来可以进行的反应，加快其反应速度。

? 即使对可以进行的反应来说，反应物分子应越过一个活化能才能发生反应。

? 酶作为催化剂的作用是降低活化能。

酶是如何降低活化能的呢 ?

首先，需要酶与底物分子结合，酶蛋白结构中有底物结合中心/活性中心。 然后，酶蛋白分子以各种方式，作用于底物分子，使底物分子活化起来。

酶与底物的专一结合，又是酶促反应专一性的体现。

底物分子结合在酶的底物结合中心

4、酶的活性可以调控

1) 在代谢途径中调节酶活性

几个酶或十几个酶前后配合，完成一系列代谢反应，形成一条代谢途径。在一条代谢途

径中，常常是前一个酶促反应的底物，便是下一个酶促反应的底物。

一条代谢途径的终产物，有时可与该代谢途径的第一步反应的酶相结合，结合的结果使这个酶活性下降，从而使整条代谢途径的反应速度慢起来。这种情况称为“反馈抑制”。

值得注意的是，发生反馈抑制时，代谢终产物与酶结合时，是非共价结合，是可逆的。

有时候，酶蛋白分子可以和一个基团形成共价结合，结合的结果，使酶蛋白分子结

构发生改变，使酶活性发生改变。这种调节酶活性的情况称为酶的共价调节。

例如，酶与磷酸根的结合。

竞争性抑制

有的酶在遇到一些化学结构与底物相似的分子时，这些分子与底物竞争结合酶的活性中

心，亦会表现出酶活性的降低（抑制）。这种情况称为酶的竞争性抑制。

二、生命世界的能量源泉是太阳能

1、 生物体的代谢反应分为物质代谢和能量代谢两个侧面。

每一个反应都有两个侧面：

物质代谢――由底物分子变成产物分子 能量代谢――消耗能量或释放能量

n 氨基酸 + 能量 蛋白质 2 丙酮酸 + 能量 葡萄糖

从小分子合成大分子需要消耗能量。

葡萄糖 2丙酮酸 + 能量

从大分子分解为小分子会释放能量。

2、ATP是生物体能量流通的货币

ATP：三磷酸腺苷的缩写，全称可以是腺嘌呤核苷三磷酸。

ATP的作用：一个代谢反应释出的能量贮入ATP，ATP所贮能量供另一个代谢反应消耗能量时

使用。

3、生物体把能量用在生命活动的各个方面

4、太阳能是整个生命世界的能量源泉

绿色植物和光合细菌把太阳能转变为化学能，利用太阳能合成有机物；除了维持自身的生存还

为其他生物提供食物。食物链

绿色植物和光合细菌利用太阳能的过程称为光合作用。

光合作用是如何进行的？

叶绿体中的叶绿素是进行光合作用必不可少的成份。在叶绿体中进行的光合作用，又可

以分为两个步骤：

光反应：在叶绿素参与下，把光能用来劈开水分子，放出O2，同时造成两种高能化合物

ATP和 NADPH。

暗反应：把 ATP 和 NADPH 中的能量，用于固定 CO2，生成糖类化合物。这个过程不

需要光。

三、生物体主要靠有机分子的氧化取得能量

1、有机物氧化释放能量

一支火柴的燃烧是纤维素氧化

? 共价调节

?

（C6H12O6）n + O2 n CO2 + nH2O + 能量

纤维素 氧 温度、光和热

（可燃物）

生物体也进行类似的反应

（C6H12O6）n + O2 n CO2 + nH2O + 能量 淀粉 氧 酶 ATP

（氧化底物）

把火柴燃烧和生物体内氧化相比，基本原则是相似的――有机物氧化释放出能量。 把火柴燃烧和生物体内氧化相比，基本原则是相似的――有机物氧化释放出能量。

有哪些不同？

A、生物体内氧化比燃烧过程缓慢的多，不是猛然地发出光和热。 B、生物体内氧化在水环境中进行。 C、生物体内的氧化由酶催化。

D、生物体内氧化分步骤进行，产生能量贮存在 ATP 中。

2、生物体内氧化分步骤进行

3、与葡萄糖氧化分解产生能量有关的三条代谢途径

A、 糖酵解途径

六个碳的葡萄糖分解为两个三碳的丙酮酸，净得两个ATP，同时还产生NADH。

＋

发酵：糖酵解途径可以在无氧情况下进行，但是要解决NADH变回到NAD问题。

B、 三羧酸循环

三羧酸循环一定需要氧才能进行。在三羧酸循环中脱下的氢，形成NADH 和 FADH2，

然后再逐步传递给氧。

C、 呼吸链

脱下的氢可以看作是电子加上质子

＋

2H＝2e＋2H

在呼吸链起端，电子处在高能水平，传递到 O2 时，处于低能水平。传递过程中释出的能

量，用于产生 ATP。

总之，一个葡萄糖分子经过：

无氧 糖酵解途径 丙酮酸 2个 ATP

有氧 糖酵解途径、三羧酸循环途径、 呼吸链 完全氧化 38个ATP CO2和H2O

生物体可利用各种有机分子作燃料

除了葡萄糖，其他生物分子，包括脂类、氨基酸、核苷酸等，都可以通过三羧酸循环途径，彻

底氧化为 CO2 和 H2O ，同时产生能量。 对于人体来说，最适宜的燃料是葡萄糖。

四、生物体内存在着复杂的代谢网络

1、已介绍三条代谢途径：

糖酵解途径、三羧酸循环和呼吸链，都与分解代谢，产生能量有关。

生物体内还有许许多多其他分解代谢途径，和合成代谢途径，形成错综复杂的代谢网络。

这些代谢途径分布于生活细胞的不同部位。

2、蛋白质合成也就是基因表达

决定合成什么样的蛋白质的遗传信息，贮存在细胞内的DNA大分子中，体现为DNA大

分子中核苷酸排列次序，最终表达为蛋白质大分子中的氨基酸序列。

蛋白质合成的第一步，由DNA 指导mRNA（信使 RNA）的合成。DNA中的遗传信息通过转

录体现在 mRNA 分子中核苷酸排列次序中。

蛋白质合成的第二步，由mRNA 指导蛋白质合成。mRNA 中携带的遗传信息通过翻译转而体

现为蛋白质大分子中氨基酸的排列次序。

3、蛋白质合成的第一步是 mRNA的合成

mRNA合成需要：

? 以四种三磷酸核苷为原料 ATP、GTP、UTP、CTP；

? 以 DNA（大分子中的一段）为模板；

? 由 RNA 聚合酶催化。 ? mRNA的合成在细胞核内进行； 然后，mRNA 从核内移至细胞质中。

4、遗传密码和转运RNA

mRNA 分子中每三个相邻核苷酸序列决定一个氨基酸，这就是通常所说的三联密码子。

与遗传密码子相对应的反密码子在转运RNA（tRNA）分子中。

tRNA 的二级结构呈三叶草形，它的任务是搬运氨基酸。在tRNA分子中，一方面联接着

被搬运的氨基酸，另一方面通过反密码子把氨基酸安置到合适的位置上去。

5、 蛋白质合成的第二步由 mRNA 指导蛋白质合成,需依托核糖体

核糖体由蛋白质和 RNA 组成，后者称为核糖体 RNA（rRNA）。

在细胞质中，mRNA 先与核糖体结合

第一个 tRNA 把一个氨基酸放在肽链起始位置上；另一个 tRNA带来第二个氨基酸。 第一个氨基酸以羧基联到第二个氨基酸上，形成肽键。核糖体向右移三个核苷酸位置，第一个tRNA脱落，准备好位置迎接第三个 tRNA及其所带的氨基酸。

直到在mRNA上出现休止符号的密码子。于是，不再有新的tRNA上来，肽链合成结束。核糖体与mRNA脱开。

蛋白质合成中还有其他加工步骤

包括：

A、蛋白质大分子折叠；

B、糖基和其他基团的修饰；

C、蛋白质分子向细胞各部位的运送等等。

第四讲 细胞—生物体的基本结构单位

一、细胞学说的建立

1、细胞学说的主要的内容

17世纪中叶，显微镜被用于生物学研究，用显微镜观察来自树皮的木栓，看到一个个―小室‖结构，称之谓―Cell‖（细胞）。

人们用显微镜观察各种生物，包括微生物和动、植物的细微构造，到处都看到细胞结构。逐渐形成一个观念：各种生物都是由细胞组成的。

19世纪初，两位德国生物学家施莱登和施旺正式明确提出：细胞是植物体和动物体的基本结构单位。

这个观点，经过后来的丰富和发展，形成公认的细胞学说： （1）细胞是所有动、植物的基本结构单位。

（2）每个细胞相对独立，一个生物体内各细胞之间协同配合。 （3）新细胞由老细胞繁殖产生。

2、细胞学说的科学意义：

细胞学说的提出先于进化论约20年，它与进化论一起，奠定了生物科学的基础。细胞学说使生命世界有机结构多样性的统一，从哲学推断走向自然科学论证。

细胞学说被认为是19世纪自然科学的重大发现之一。

值得注意的是，从两篇经典的论文看来，细胞学说不但关系到生物体的构造，也关系到生

物体的生长与发育。

最初提出细胞学说观点的两篇论文是：

德国植物学家施莱登1838年发表的论文：『论植物发现』;

德国动物学家施旺1839年发表的论文：『动植物结构与生长相似性的显微研究』。

有没有非细胞生命？

19世纪末，人们逐渐发现比细菌还小的“传染性的活性成份”，称为病毒。

1930s－1940s期间弄清病毒的化学本质和电镜结构：

病毒是一类不具细胞结构的生命形态。

最简单的病毒仅由核酸大分子和蛋白质大分子组成。但是，病毒颗粒必需进入寄主活

细胞才能表现出生命的各方面特性。

SARS病毒为冠状病毒 二、细胞的结构和功能 1、 动物细胞的典型结构 细胞膜和生物膜

磷脂和鞘脂分子具有一个共同的特征――一个极性的头两个非极性的尾巴。在水环境中，这

类分子会自发形成脂双层微囊。

细胞膜的框架，就是脂双层，还有蛋白质“镶嵌”其中。1970s提出的流动镶嵌学说,强调了生物膜中脂分子和蛋白质分子的运动。

这样的膜结构不但用以组成细胞膜，还用以分割形成各种细胞器，所以，统称生物膜。

?古生菌除脂双层结构外，也有脂单层结构，脂单层结构难被剥离，所以广泛存在于嗜热古生菌

中

细胞核由两层生物膜围成，遗传信息贮藏在核内，是DNA复制和RNA 合成场所。 内质网由单层生物膜围成。是蛋白质合成、修饰和分泌；脂类合成的场所。

真核生物的信息传递：从细胞核内到细胞核外；从DNA到RNA再到蛋白质

高尔基体 由单层生物膜围成，与蛋白质修饰和分泌有关。 溶酶体 由单层生物膜围成，是生物大分子分解的场所。 线粒体 由双层生物膜围成，是生物氧化、产生能量的场所。

细胞质 有多种蛋白质和酶，是糖酶解和糖元合成等反应的场所。 细胞骨架 由蛋白质亚基组装成，和细胞形状、迁移、信息传导等有关。

核糖体 由RNA和蛋白质形成的大颗粒，是蛋白质合成的场所。

2、植物细胞的典型结构

与动物细胞相比，有几点不同： 植物细胞 动物细胞 有细胞壁 没有细胞壁 有叶绿体 没有叶绿体 有中央液泡 没有中央液泡

3、真核细胞和原核细胞

细菌细胞结构与动、植物细胞不同，要简单的多。最主要的差别是细菌没有细胞核结构，核物

质－DNA还是有的，形成核区(又称拟核)。并且细菌细胞也没有其他各种细胞器。

依据有无细胞核，整个生命世界可以区分为两大类：

原核生物 真核生物 细 菌 植 物 古生菌 动 物

等 等 真菌（霉菌、酵母)

原生动物 藻 类

三、细胞分裂和细胞周期

1、为什么会有细胞分裂？

随着细胞生长，细胞体积增大，而细胞表面积和体积之比(表面积/体积)却在变小。

活细胞不断进行新陈代谢，细胞表面担负着输入养分，排出废物的重任。

表面积/体积 比值的下降，意味着代谢速率的受限和下降。所以，细胞分裂是细胞生长

过程中保持足够表面积，维持一定的生长速率的重要措施。

2、 原核生物的细胞分裂

原核生物以细菌为例，细胞分裂比较简单。

细胞生长增大到一定程度，DNA 复制，形成两个 DNA 分子，分别移到拉长了的细胞两端，中间形成新的细胞间隔，进而形成细胞壁，成为两个细胞。这个过程称为二分分裂。

3、 真核细胞的有丝分裂

大多数真核生物是多细胞生物。体细胞的分裂称为有丝分裂；生殖细胞形成过程中，则有与之

不同的减数分裂。

（1） 细胞分裂周期

细胞从前一次分裂开始到后一次分裂开始，这段时间称为一个：细胞周期。

通常，细胞周期可以区分为四个阶段：

M 期 ——分裂期，在这个阶段可以在显微镜下看到细胞分裂过程。

G1 期 ——

S 期 —— DNA 合成期

G2 期 ——

G1 期，S 期和 G2 期又总称为：分裂间期。

（2）有丝分裂过程

前期：染色质浓缩，折叠，包装，形成光镜下可见的染色体，每条染色体含两条染色单体。 中期：核膜消失，染色体排列在赤道板上。 后期：姐妹染色单体分开，被分别拉向细胞两侧。 末期：重新形成核膜，染色体消失。

（3）染色质和染色体

处于分裂间期的细胞，细胞核内的DNA分子，在一些蛋白质的帮助下，有一定程度的盘绕，形成核小体。多个核小体串在一起形成染色质。所以，染色质是在细胞分裂间期遗传物质

存在的形式。

核小体直径10nm，光镜下看不到。当细胞进入M期时，染色质折叠包装，大约压缩8400倍，形成光镜下可以看到的染色体。

应记住，在染色体出现时，细胞已经过S期完成DNA复制，已由原来的每个DNA分子复制出两个DNA分子。所以，每条染色体由两条姐妹染色单体组成。

通常把体细胞称为双倍体细胞，体细胞的遗传物质的总含量为2n。在细胞分裂中，在光镜下可以看到染色体时，已经过DNA复制，这时遗传物质的总量已经是4n了。细胞分裂完成时，出现的两个子细胞又都回复为2n。

不同物种的细胞，染色体数目不同。所以，染色体数目也是不同物种细胞的特征。因为，

对大多数物种来说，体细胞是2n的，所以染色体数目通常为偶数。

物种 染色体数目 物种 染色体数目

人 46 豌豆 14 小鼠 40 玉米 20 爪蟾 36 小麦 42 果蝇 8 酵母 32

4、 真核细胞的减数分裂

（1）减数分裂发生在产生生殖细胞的过程中。生殖细胞包括卵细胞和精子细胞。它们的遗

传物质总量仅为体细胞的一半，称为n细胞。

由2n的体细胞产生n的生殖细胞，需要经过减数分裂。

（2）减数分裂后，细胞中染色体数目减少一半。 减数分裂可以分为两个阶段：

第一次减数分裂：DNA复制一次，细胞分裂一次。 结果，子细胞染色体数目减半，遗传物质总量由2n变为n。

总之，减数分裂就是DNA复制一次，细胞连续分裂两次，结果由一个2n细胞分出4个n细胞。

（3）减数分裂丰富基因组合 减数分裂的特点：

一是子细胞染色体数减半； 二是子细胞基因组合大为丰富。 基因组合的丰富由两个原因造成。

首先，体细胞的染色体实际上是由两套同源染色体组成。人的细胞有46条染色体，实际上可以看作22对同源染色体加上两条性染色体。

在减数分裂的第一次分裂时，每对同源染色体分别分配至两个子细胞。于是父源的同源染色体和母源的同源染色体以不同组合，分配到两个子细胞中去。这样，产生不同染色体组合的配子种型大增。

其次，在第一次减数分裂中，还发生同源染色体配对，配对后还发生同源染色体之间的染色体交叉和基因重组。这使基因组合状况更为复杂化。

所以，经由减数分裂产生的生殖细胞，其基因组合表现极大的丰富和多样化。结果是, 有性生殖的后代具有更丰富的基因组合，具有更强的适应性和进化潜能。

四、细胞的分化、衰老与死亡

1、细胞的分化

成年人全身细胞总数约1012个。

细胞种类有200多种。

这么多种类细胞均来自一个受精卵细胞。

细胞分化的定义：发育过程中细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化。

细胞分化不但发生在胚胎阶段和发育过程中，亦发生在成人阶段。如：人体血细胞的产生。

分化以后不同种类的细胞，

形态不同， 功能不同， 基因表达不同， 代谢活动也不同。

2、 细胞的衰老

衰老是人们永恒的议题，至今仍是一个迷。

人体衰老时，身体各部分功能都发生衰老。

身体的衰老是以细胞衰老为基础的。实验证明，细胞有着明显的衰老过程。

亦有人认为，人体衰老时，并非全身细胞均衡衰老，而是部分细胞衰老，导致整体机能

失调。激素系统和神经系统的衰老对全身的影响最大。

衰老的机理，尚不清楚，有各种学说。自由基假说是其中广为人们接受的一种假说。

3、 细胞凋亡

多细胞生物个体的一生中，不断发生构成身体的细胞的死亡。

有两种细胞死亡：

? 因环境因素突变或病原物入侵而死亡，称为病理死亡，或细胞坏死。 ? 因个体正常生命活动的需要，一部分细胞必定在一定阶段死去，称细胞凋亡。

细胞凋亡是普遍存在的

细胞凋亡和细胞坏死有明显区别：

??????????????????????? 细胞变圆,与周围细胞脱开 细胞外形不规则变化 核染色质凝聚 溶酶体破坏 细胞膜内陷 细胞膜破裂 细胞分为一个个小体 胞浆外溢 被周围细胞吞噬 引起周围炎症反应 ???????????????????????

细胞凋亡受基因控制。线虫是研究细胞凋亡的理想材料。

每条线虫具有1090个细胞，其中131个细胞在发育过程中凋亡。从线虫中找到若干控

制细胞凋亡的基因。

第五讲 从基因到基因工程

生命最重要的本质之一是性状特征自上代传至下代——遗传。

今天，从遗传学研究衍生出来的基因工程技术，已构成生物技术的核心，在实际应用中显示出极大的潜力。

一、孟德尔学说奠定了遗传学基础

在孟德尔以前，人们看到遗传现象，猜想遗传是有规律的，甚至在农牧业育种中实际运用了遗传规律，但是，一直找不到研究遗传规律的恰当方法。

孟德尔（1822－1884）从1856年起开始豌豆试验。 孟德尔的基本方法是杂交。

经过近10年的潜心研究，孟德尔发表了他的研究报告。其内容可概括两个定律。

1、孟德尔第一定律－－分离律

他用一对性状杂交，子一代全为显性性状，子一代之间自交，子二代为：

显性性状：隐性性状＝3：1

2、孟德尔第二定律－－自由组合律

他用两对性状杂交，子一代全为显性性状，子一代之间杂交，子二代出现四种性状，其数量比

例为9：3：3：1

3、孟德尔学说的要点

依据上面的试验结果，孟德尔认为，每株豌豆植株中的每一对性状，都是由一对遗传因子所控

制的，遗传因子有显性因子和隐性因子之分。

当一株植株中控制某一对性状的一对遗传因子均为隐性因子时，该植株才表现出隐性性状（如白花或绿色豆粒）。其他情况下，均表现出显性性状。这一点在分离律实验中看的很清楚。 当两对性状一起加以研究时，显性和隐性的基本规律仍与上面相同，但要加上一条，控制不同性状的遗传因子，在传代中各自独立，互不干扰,出现自由组合现象。 孟德尔思想之精髓：性能由一对因子控制（如硬币的两面），一对性能（如两个硬币）是随机组

合的

4、孟德尔学说的重要意义

（1）孟德尔第一次明确提出遗传因子的概念, 并且提出了遗传因子控制遗传性状的若干规律： ? 大多数生物体通常由 一对遗传因子（后来称为两个等位基因）控制同一性状。这样的生物体称为2n个体。

? 遗传因子可以区分为显性和隐性。

? 控制不同性状的遗传因子是各自独立的。 （2）孟德尔提出了杂交、自交、回交等一套科学有效的遗传研究方法，来研究遗传因子的规律。孟德尔创立的这套方法一直沿用到1950s，才被分子遗传学方法取代。

二、基因是一段DNA序列

―遗传因子/基因‖的设想一经提出，便推动人们去寻找，去探索

基因在哪里？ 基因是什么？

1、基因在染色体上

显微镜技术与染色技术的发展，使人们注意到，细胞分裂时，尤其是减数分裂中，染色体的行为和孟德尔提出的等位基因的分离规律相当一致，所以，确定基因在细胞核中，在染色体

上。

摩根实验室用果蝇为材料的工作，确定了基因在染色体上的分布规律（基因的连锁与互换定律）。

基因重组服从这样的规则：

两个基因在染色体上离得越远，重组频率越高；

两个基因在染色体上离得越近，重组频率越低。

2、遗传物质是DNA

各方面的实验证据表明，基因的化学本质不是蛋白质，而是DNA。格里菲斯的实验（1928）证明遗传物质可以转化进入细菌，改变细菌特性。后来爱弗莱的实验（1944）证实，进入细菌

改变特性的遗传物质是DNA，而不是蛋白质。

3、华生和克里克提出 DNA双螺旋模型。

DNA双螺旋模型说明DNA分子能够充当遗传的物质基础。 按照双螺旋模型，在细胞分裂时，DNA的合成应是―半保留复制‖的模式。

DNA的半保留复制

DNA在自我复制的过程中，两条双链打开，以形成的两条单链为模板，各自合成一条与之互补的新链。新形成的两条双链DNA中各含有一条旧链和一条新链，所以称为半保留复制。

4、DNA作为遗传物质的功能 （1）贮藏遗传信息的功能 （2）传递遗传信息的功能 （3）表达遗传信息的功能

由此，克里克提出中心法则, 确定遗传信息由DNA通过RNA流向蛋白质的普遍规律。

DNA DNA

RNA

蛋白质

中心法则

中心法则：遗传信息储存在DNA中，DNA通过转录生成 mRNA，mRNA再通过翻译生成蛋白

质，从而完成遗传信息的表达过程。

5、基因理论中的许多复杂情况

以孟德尔学说为开端的遗传理论，发展到以DNA分子结构为基础的分子遗传学，使我们

对遗传规律有了确切的理解。

应该看到，实际上生命世界的遗传现象远比上面谈到的要复杂得多。

一个基因一个性状？不一定。例如肤色的控制至少有三个基因参与。

基因决定性状，环境还起不起作用？在基因型确定的基础上，环境常常会影响表型。

遗传和变异是遗传学的重要内容。子代总是与亲代相像，又有一些不像。

三、基因工程技术和应用

1、基因工程技术

基因工程是生物技术的核心部分。 基因工程的操作包含以下步骤：

? 获得目的基因 ? 构造重组DNA分子

? 转化或转染 ? 表达

? 蛋白质产物的分离纯化

基因工程的基本操作：将外源基因（又称目的基因，是一段DNA片断）组合到载体DNA分子中去，再把它转到受体细胞（亦称寄主细胞）中去，使外源基因在寄主细胞中增殖和表达，从而得到期望的由这个外源基因所编码的蛋白质。 （1）获得目的基因

到哪里去找目的基因？一般来说，人的基因，要从人体的组织细胞中去找；小鼠的基因要从小鼠的组织细胞中去找。

从组织细胞中可以分离得到人/小鼠的全套基因，称为基因文库。文库中基因总数就人来说约有3万个基因。如何从中把需要的基因找出来？ 采取―钓‖的办法。这个办法通常称为印迹法。

印迹法的主要步骤：

（1）基因文库－ DNA 用限制性内切酶处理。 （2）DNA 片断混合物通过电泳分离。

（3）电泳后，通过印迹技术转到酯酰纤维薄膜上，以便操作。 （4）用已知小片断DNA 作为探针，互补结合需要找的基因片断。 （5）探针DNA 片断已用放射性元素标记，使胶片感光后可看出。

印迹法的关键是“分子杂交”：利用碱基配对的原则，用一段小的已知的DNA片断去寻找（“钓”）大的未知的基因片断。

探针DNA片断从何而来？根据目的蛋白的氨基酸序列，只要其中N－端 15－20个氨基酸序列，按三联密码转为40-60核苷酸序列，人工合成，即为探针DNA片断。

（2）目的基因的扩增

用上面的方法“钓”出的目的基因，数量极少，所以，接下来必须经过扩增，亦称为基因克隆。获得相当数量的目的基因后，才能继续下一步操作。

克隆——生物分子，细胞，生物个体的无性增殖过程都称为克隆。

PCR —— 把寻找目的基因和扩增目的基因两步操作并成一步。

PCR法，全称多聚酶链式反应，是近年来开发出来的基因工程新技术，它的最大优点是把目的基因的寻找和扩增，放在一个步骤里完成。

PCR 反应分三步完成：

第一步 —— 90℃高温下，使混合物的DNA片断因变性而成单链。

第二步 —— 50℃温度下，引物DNA结合在适于配对的DNA片断上。

第三步 —— 70℃温度下，由合成酶（DNA高温聚合酶）催化，从引物开始合成目的基因DNA。 PCR的三个步骤为一次循环，约需5－10分钟。每经一次循环，所找到的目的基因扩充

一倍。经过20次循环，即可扩增106倍，总共只需几个小时。

（3）构造重组DNA分子

首先要有载体。

载体有好几种，常用的有：

质粒－－环状双链小分子DNA，适于做小片断基因的载体。 噬菌体DNA－－线状双链DNA，适于做大片断基因的载体。

其次，要把目的基因―装‖到载体中去。“安装”的过程，需要的关键酶叫限制性内切酶。 此酶识别一定碱基序列，有的还可切出“粘性”末端，使得目的基因和载体的连接非常容易。

（4）转化/转染

把构造好的重组DNA分子送进寄主细胞，亦需要适当的技术方法。若受体细胞是细菌，通常称转化；若受体细胞是动/植物细胞，通常称转染。

（5）目的基因表达及蛋白质分离

进入到寄主细胞的目的基因还要能表达产生有活性的目的蛋白，这些目的蛋白可以是某种

蛋白质药物，也可以表达某种抗性性状（如植物的抗病性和抗旱性）。

蛋白质的分离纯化——生物分离技术

重组DNA分子进入寄主细胞后，其中的目的基因能否表达，表达效率高低，还有很大差别。表达通常是指目的基因编码的蛋白质合成。基因工程的最后一步，是把所获得的蛋白质

分离纯化，得到蛋白质产品。

2、基因工程的应用 （1）在医学上的应用

基因工程被用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白质－肽类药物。

（2）提高奶酪产量

生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺乳小牛的胃。现在可以通过基因工程办法，用酵母生产凝

乳酶，大量用于奶酪制造。 （3）转基因动物和植物

转基因动物首先在小鼠获得成功。 ―乳腺反应器‖工程：转基因动物技术已用于牛、羊，使得

从牛/羊奶中可以生产蛋白质药物。 转基因植物亦已在大田中广为播种。 （4）工程菌在环境工程中应用

美国GE公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。

第六讲 遗传病和人类基因组计划

一、遗传病的特征与分类 1、第一例遗传病的发现

1902年英国医生加洛特（A.Garrod）从家族病史，发现并研究了第一例遗传病――尿黑酸症，

并发现该病在家族中的遗传遵循孟德尔规律，由单个隐性基因控制。

尤其难得的是，加洛特预测，尿黑酸病病人缺乏一种酶，而正常人有，加洛特把这种

遗传病症状称为“先天性代谢差错”。 后来的研究证明加洛特的预见是对的。

苯丙氨酸代谢途径关系到三种遗传病：尿黑酸病、苯丙酮尿症、白化病

加洛特的工作推动了对一系列遗传病的发现 当时，对遗传病的认识是：

?由于某个基因的缺失、突变或异常，导致一定病症的出现。

?可以遗传给下一代子女。 ?这类病的遗传遵循孟德尔规律。

2、遗传病的类型和特征

迄今已记录的遗传病有3000多种，找到了200多个与遗传病有关的基因。根据基因的位置与病症，把遗传病分为三类：

类型 基因在常染色体（隐性） 基因在常染色体（显性） 基因在X－染色体 只有在父母均 父母一方有 母/女 常常是 特 携带缺陷基因 病症，子女 缺陷基因携 情况下，子女 出现病症的 带者。 征 才可能表现病症。 概率为 50％，

病症更多出现 在儿子身上。

病 苯丙酮尿症 亨廷顿氏病 血友病 （PKU）

例 纤维性囊泡化(CF) 家族性高胆固 红绿色盲

醇血症 肌营养不良症 镰刀状贫血症

苯丙酮尿症（PKU）

亦是苯丙氨酸代谢紊乱病症。但是疾病后果的严重程度远大于尿黑酸症。因为脑发育受阻，严重脑力呆滞，智商 0－50。

白化病

是苯丙氨酸代谢途径中又一种“遗传病”。也是常染色体隐性遗传。

镰刀状贫血症

由于红血球不正常带来严重后果。

问题在于血红蛋白?-链一个谷氨酸残基变成了缬氨酸残基。

有意思的是在非洲大陆某些地区镰刀状贫血症发病率高，携带者也多。这些地区恰恰又是一种恶性疟疾流行地区。分析表明，镰刀状贫血症缺陷基因携带者比正常人对恶性疟疾有抗性。

显性遗传病：

近代发酵—纯培养技术的建立

?布雷费尔德 (Brefeld)于1872年创立了霉菌纯培养技术. ?丹麦科学家汉逊(Hansen)1878年创立了酵母纯培养技术

?德国科学家科赫 (Robert Koch，1843-1910)于1881年创立了细菌纯培养技术。

?上述技术突破，人们可以控制发酵进程，从而使发酵技术从天然发酵走向纯种发酵。完成了发

酵技术的第一次转折。

?主要产品：酒精、甘油、丙酮-丁醇

现代发酵

?通气搅拌发酵 ?代谢控制发酵 ?基因工程菌发酵

通气搅拌发酵

英国科学家弗莱明(A.Fleming)，1929年发现了青霉素

?英国科学家弗洛里(Haward.Flory)和钱恩(E.B.Chain)精制分离出青霉素(1940年) ?第二次世界大战对青霉素的急切需求推动了工业化生产(1944年) ?技术关键 无菌空气制备，通风搅拌发酵 ?代表产品 青霉素

?意义 完成了发酵技术的第二次技术转折

代谢控制发酵

?代谢控制发酵

?1959年木下祝郎发明了用微生物发酵发生产谷氨酸 ? 味精的分子式为：HOOC-(CH2) 2CHNH2COONa.H2O

?技术特点 从DNA分子水平上控制(无定向诱变)微生物代谢途径，进行最合理代谢。该技术的

发展完成了发酵技术的第三次转折。

?代表产品：氨基酸、核苷酸等

基因工程菌发酵

?1970S以来基因工程技术的飞速发展，为发酵工程技术插上了腾飞的翅膀，人们可以定向改变

生物的性状和功能，创造新的“物种”，是发酵工业能够生产出超出自然界微生物所不能合成的产物。

?技术特点：可定向改造生物基因,按人们的意志生产产品。 ?意义：将引起发酵工程的技术革命。 ?产品：人生长素，干扰素，疫苗

发酵原理与机制

?黄色短杆菌赖氨酸的合成与调节机制

?细胞膜通透性的改造 ?发酵中如何控制关键条件

回忆一个概念

?反馈抑制：代谢途径的末端产物(即终产物)过量时，这个产物反过来直接抑制该途径第一个酶

的活性，使整个反应过程减慢或停止。

协同反馈抑制：

?分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节

方式。单独一种产物过量并不能引起抑制作用。

协同反馈抑制

黄色短杆菌生物合成Lys调节机制 三羧酸循环

?黄色短杆菌生物合成Lys调节机制

?酶3活性比酶2高15倍,代谢优先生成高丝氨酸

?酶4活性比高丝氨酸激酶高,代谢优先向蛋氨酸方向进行 ?蛋氨酸过量反馈阻遏酶4,3的合成 ?异亮氨酸过量反馈抑制酶5的活性

?苏氨酸过量反馈抑制酶3的活性,并且与过量赖氨酸协同抑制酶1的活性

积累赖氨酸的菌株特性

?通过基因突变使酶3失去活性,切断向苏氨酸方向的代谢流 ?在培养液中加入限制量的高丝氨酸(或苏氨酸和蛋氨酸)

细胞膜通透性的改造

用能积累谷氨酸菌株做如下实验：

?生物素充足时,细胞内含大量谷氨酸,但培养液里几乎不含谷氨酸. ?用溶菌酶消化细胞壁得到的原生质体仍不分泌谷氨酸. ?当把原生质体放入低渗溶液里,将其涨破,谷氨酸才排出. ?生物素亚适量时,培养液里含大量谷氨酸,细胞里含量少.

结论

谷氨酸的分泌是由细胞膜控制

细胞膜的结构怎样? 磷脂分子形成细胞膜 磷脂分子结构式

生物素缺陷型可分泌谷氨酸

营养缺陷型：微生物因突变不能合成某种必需生长因子，需外加该因子才能生长的菌株。如高丝氨酸营养缺陷型。

生物素是脂肪酸合成最初反应关键酶的辅酶，生物素缺陷型菌株不能合成生物素，通过控制生物素亚适量，使磷脂合成不完全而导致细胞膜渗漏。从而使谷氨酸分泌到细胞外。

发酵工艺

?发酵工艺流程

?发酵工艺主要组成部分 ?微生物生长的数学模型

发酵工艺流程 发酵工艺组成部分 微生物的营养

?元素水平：C H O N P S Cl K… ?化合物水平

C：糖，脂，有机酸，醇，烃等 N：氨基酸，蛋白质，尿素等 O：溶解氧

P，S，Cl，K等：主要来自含该元素的无机盐。

?原料水平

C：葡萄糖，蔗糖，淀粉，糖蜜，天然气，乙酸，乙醇及氨基酸和蛋白质类物质等。 N：各种氨基酸，蛋白胨，酵母粉，鱼粉，豆饼粉，麦皮，尿素，硝酸胺等。 O：空气或氧气等。

P，S，Cl，K等：K2HPO4，KH2PO4，NH4Cl，MgSO4 好氧发酵的氧为何如此重要

?氧是一种难溶气体，在标准条件下，空气中的氧在纯水中的溶解度为

0.25mol/m3左右。对于

菌体浓度为1015个/的发酵液，假定每个菌体的体积为10-16m3（直径为5.8μm），细胞呼吸强度

-33

为2.6×10mol O2/(kg干细胞 s)，菌体密度为1000kg/m，含水量为80%，则每立方米发酵液的需氧量为：2.6×10-3×10-16×1015×1000×0.2=0.052mol O2/m3?S=187.2mol O2/m3?h

?在1小时里菌体的需氧量是溶解量的750倍。因此，溶解氧的供给常常是好氧发酵的限制性因

素。

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