生物技術(shù)概論內(nèi)容概述

1、生物技術(shù)概論內(nèi)容概述生物技術(shù)總論、概念1、生物技術(shù)：也稱生物工程，是指人們以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)、結(jié)合先進(jìn)的工程技術(shù)手段和其他基礎(chǔ)學(xué)科的科學(xué)原理，按照預(yù)先的設(shè)計改造生物體或加工生物原料，為人們生產(chǎn)出所需產(chǎn)品或達(dá)到某種目的的一門新興的、綜合性的學(xué)科。2、傳統(tǒng)生物技術(shù)與現(xiàn)代生物技術(shù)傳統(tǒng)生物技術(shù)主要是通過微生物的初級發(fā)酵來生產(chǎn)商品，包括醬、醋、酒、面包、奶酪、酸奶及其他食品的傳統(tǒng)工藝；現(xiàn)代生物技術(shù)是指在20世紀(jì)中葉后隨著一些生物學(xué)領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)，以及隨后產(chǎn)生的新手段和新技術(shù)，從而形成以現(xiàn)代生物科學(xué)研究成果為基礎(chǔ)，以基因工程為核心的新興學(xué)科。現(xiàn)代生物技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是以1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立

2、為基礎(chǔ)，以70年代DNA重組技術(shù)的建立為標(biāo)志。二、生物技術(shù)的重要性1）首先生物技術(shù)是解決全球性經(jīng)濟(jì)問題的關(guān)鍵技術(shù)，在迎接人口、資源、能源、食物和環(huán)境等五大危機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，可以解決人類所面臨的諸如食品短缺問題、健康問題、環(huán)境問題、及資源問題；2）其次，生物技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)林牧漁、輕工、食品、化工和能源等領(lǐng)域，促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造和新興產(chǎn)業(yè)的形成，對人類生活產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。3）此外生物技術(shù)還與與倫理、道德、法律等社會問題都有著密切的關(guān)系，對國計民生產(chǎn)生重大的影響。4）綜述：生物技術(shù)是現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，也是具有巨大經(jīng)濟(jì)效益的潛在生產(chǎn)力。將是21世紀(jì)高技術(shù)革命的核心內(nèi)容，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)是21

3、世紀(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。三、生物技術(shù)的特征生物技術(shù)與其他高新技術(shù)一樣所具有的“六高”的基本特征：即高效益，可帶來高額利潤；高智力，具有創(chuàng)造性和突破性；高投入，前期研究及開發(fā)需要大量的資金投入；高競爭，時效性的競爭非常激烈；高風(fēng)險；高勢能，對國家的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和社會發(fā)展有很大的影響，具有很強(qiáng)的滲透性和擴(kuò)散性，有著很高的態(tài)勢和潛在的能量。四、生物技術(shù)的種類1、時間上劃分：可分為傳統(tǒng)生物技術(shù)和現(xiàn)代生物技術(shù)2、根據(jù)生物技術(shù)操作對象及操作技術(shù)的不同，可分為基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程、生化工程等。五、生物技術(shù)對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的影響（主要記粗字體）1、改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、解決食品短缺1）提高農(nóng)作物

4、的產(chǎn)量及品質(zhì)培育抗逆的作物優(yōu)良品系植物種苗的工廠化生產(chǎn)提高糧食品質(zhì)生物固氮，減少化肥使用量2）發(fā)展畜牧業(yè)生產(chǎn)動物的大量快速無性繁殖培養(yǎng)動物的優(yōu)良品系2、提高生命質(zhì)量，延長人類壽命1）開發(fā)制造奇特而貴重的新型藥品2）疾病的預(yù)防和診斷3）基因治療4）人類基因組計（HGP）3、解決能源危機(jī)、治理環(huán)境污染1）解決能源危機(jī)2）環(huán)境保護(hù)4、制造工業(yè)原料、生產(chǎn)貴重金屬1）制造工業(yè)原料2）生產(chǎn)貴重金屬第二章基因工程、概念1、基因工程的定義：按照人為的愿望，進(jìn)行嚴(yán)密的設(shè)計，通過體夕IDNA重組和轉(zhuǎn)移等技術(shù)，有目的地改造生物種性，使現(xiàn)有物種在較短的時間內(nèi)趨于完善，從而創(chuàng)造出新的生物類型。2、基因克隆載體：外源基因

5、必須先同某種傳遞者結(jié)合后才能進(jìn)入細(xì)菌和動植物受體細(xì)胞，把這種能承載外源DNA片斷（基因）帶入受體細(xì)胞的傳遞者稱之為基因克隆載體。3、目的基因和結(jié)構(gòu)基因目的基因的：基因工程的主要目的是通過優(yōu)良性狀相關(guān)基因的重組，獲得具有高度應(yīng)用價值的新物質(zhì)（品系），為此必須從現(xiàn)有生物群體中，根據(jù)需要分離出可用于克隆的相關(guān)基因，這樣的基因通常稱之為目的基因，目的基因主要是結(jié)構(gòu)基因。結(jié)構(gòu)基因：作為一個能轉(zhuǎn)錄和翻譯的結(jié)構(gòu)基因必須包括轉(zhuǎn)錄啟動子、基因編碼區(qū)和轉(zhuǎn)錄終止子三部分。4、受體細(xì)胞和感受態(tài)細(xì)胞受體細(xì)胞：從實(shí)驗技術(shù)上講是能攝取外源DNA（基因）并能使其穩(wěn)定維持的細(xì)胞；從實(shí)驗?zāi)康纳现v是有應(yīng)用價值和理論研究價值的細(xì)胞；

6、感受態(tài)細(xì)胞：是指處于易于攝取外源DNA片段生理狀態(tài)的細(xì)胞。5、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)化：攜帶基因的外源DNA分子通過與膜結(jié)合進(jìn)入受體細(xì)胞，并在其中穩(wěn)定維持和表達(dá)的過程；轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過噬菌體（病毒）顆粒感染，從而把外源的DNA分子導(dǎo)入被感染的受體細(xì)胞的方法。二、基因工程的理論基礎(chǔ)1）DNA是遺傳物質(zhì)：核酸的組成和分類（DNA和RNA）2）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu):1953年JamesD.Watso和FrancisH.C.Crick曷示了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)和半保留復(fù)制機(jī)制。3）中心法則和遺傳密碼:1957年Cric収提出了遺傳信息傳遞的中心法則,1964年MarshallNirenber和GobindKhorana

7、等終于破譯了64個遺傳密碼；三、基因工程的特征1、跨物種性：外源基因到另一種不同的生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行繁殖；2、無性擴(kuò)增：外源DNA在寄主細(xì)胞內(nèi)可大量擴(kuò)增，和高水平表達(dá)；四、基因工程的主要操作內(nèi)容1、目的基因的獲?。簭膹?fù)雜的生物基因組中，經(jīng)過酶切消化或3CR擴(kuò)增等步驟，分離出帶有目的基因的DNA片斷；2、重組體的制備：將目的基因的DNA片斷插入到能自我復(fù)制并帶有選擇性標(biāo)記（抗菌素抗性）的載體分子上。3、重組體的轉(zhuǎn)化：將重組體（載體）轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)氖荏w細(xì)胞中。4、克隆鑒定：挑選轉(zhuǎn)化成功的細(xì)胞克?。ê心康幕颍?。5、目的基因表達(dá)：使導(dǎo)入寄主細(xì)胞的目的基因表達(dá)出我們所需要的基因產(chǎn)物。五、基因工程的安全性1、

8、對環(huán)境的影響：重新組合一種在自然見尚未發(fā)現(xiàn)的的生物性狀有可能給現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境帶來不良影響。2、新型病毒的出現(xiàn)：制造帶有抗生素抗性基因或有產(chǎn)生病毒能力的基因的新型微生物有可能在人類或其它生物體內(nèi)傳播。3、癌癥擴(kuò)散：將腫瘤病毒或其它動物病毒的DNA引入細(xì)菌有可能擴(kuò)大癌癥的發(fā)生范圍。4、人造生物擴(kuò)散：新組成的重組DNA生物體的意外擴(kuò)散可能會出現(xiàn)不同程度的潛在危險。六、基因工程的應(yīng)用1、基因工程在植物上的應(yīng)用1）提高植物的光合作用效率A提高C02的固定率：改變與光合作用有關(guān)的酶的結(jié)構(gòu)和組成（如二磷酸核酮糖羧化酶）。B提高光能吸收率和轉(zhuǎn)化率：改變光能交換系統(tǒng)的分子的基因結(jié)構(gòu)。2）提高豆科植物的固氮效率：

9、使非固氮植物轉(zhuǎn)變?yōu)楣痰参锘蚰芘c根瘤菌共生固氮。3）轉(zhuǎn)基因植物：是農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的主要內(nèi)容，是將克隆到的特殊基因?qū)胧荏w植物，使之增加一些優(yōu)質(zhì)性狀（高產(chǎn)、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、抗蟲、抗病等）。2、基因工程在醫(yī)藥上的應(yīng)用1）用轉(zhuǎn)基因植物或動物生產(chǎn)藥物2）用微生物生產(chǎn)藥物大腸桿菌或酵母菌生產(chǎn)激素（如胰島素）、干擾素等3）技術(shù)設(shè)計高效高特異性的生物制劑應(yīng)用定點(diǎn)突變技術(shù)設(shè)計蛋白質(zhì)或酶的結(jié)構(gòu)，制造出高效高特異性的生物制劑4）研制疫苗：制造新型疫苗（如HIV、乙肝、丙肝、霍亂、痢疾、SARS）5）基因治療6）法醫(yī)鑒定7）基因治療（仍在探索階段）：將正常的外源基因?qū)氚屑?xì)胞中以彌補(bǔ)靶細(xì)胞所缺失或突變的基因或抑制異常基因

10、的表達(dá)例如基因病、腫瘤、心血管病、糖尿病等。3、基因工程在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用1）檢測水污染:用重組細(xì)菌或轉(zhuǎn)基因魚等檢測水污染；2）生物降解:用帶有重組質(zhì)粒的“超級菌”分解油（烷烴類）、有機(jī)農(nóng)藥污染。4、轉(zhuǎn)基因動物將外源基因?qū)雱游锛?xì)胞，并在基因組內(nèi)穩(wěn)定整合，遺傳給后代。使動物成為生物反應(yīng)器生產(chǎn)有用的活性蛋白等。七、基因工程操作的主要技術(shù)原理（了解）電泳技術(shù)、分子雜交技術(shù)、PCR技術(shù)、DNA測序技術(shù)、RNAi技術(shù)八、基因工程工具酶的種類及作用（把握，酶的作用自行百度）限制性內(nèi)切酶、DNA連接酶、DNA聚合酶、核酸酶、核酸修飾酶九、基因克隆載體1、定義：外源基因必須先同某種傳遞者結(jié)合后才能進(jìn)入細(xì)菌和

11、動植物受體細(xì)胞，把這種能承載外源DNA片斷（基因）帶入受體細(xì)胞的傳遞者稱之為基因克隆載體。2、基因克隆載體的功能:運(yùn)送外源基因高效轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞；為外源基因提供復(fù)制能力或整合能力；為外源基因的擴(kuò)增或表達(dá)提供必要的條件3、作為基因克隆載體應(yīng)當(dāng)具備的條件：必須含有復(fù)制單元，以使得目的片斷能再宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制；必須含有標(biāo)記基因；標(biāo)記基因的內(nèi)部必須有合適的切割位點(diǎn)，使得外源基因插入到標(biāo)記基因內(nèi)使標(biāo)記基因失活，從而能鑒定出重組的DNA分子；對于表達(dá)載體來說，載體應(yīng)該包括合適的控制單元，如啟動子、終止子和核糖體結(jié)合位點(diǎn)。4、基因克隆載體的種類:質(zhì)?？寺≥d體、噬菌體和病毒克隆載體、（噬菌體和質(zhì)粒）復(fù)合型克隆載體

12、、酵母人工染色體、細(xì)菌人工染色體載體、哺乳類人工染色體十、目的基因的獲得（基因克?。?、目的基因和結(jié)構(gòu)基因的定義2、結(jié)構(gòu)基因的組成3、原核生物和真核生物結(jié)構(gòu)基因的組成（了解）4、目的基因的分離方法（了解）十一、基因的體外重組與轉(zhuǎn)化、重組體的選擇與鑒定、基本概念：受體細(xì)胞、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)等2、植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)：植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)是將人工分離或修飾過的功能基因?qū)酥参锏幕蚪M中，從而引起植物體性狀的可遺傳改變。1）植物的再生（基因轉(zhuǎn)化的受體系統(tǒng)建立）：所謂植物基因轉(zhuǎn)化受體系統(tǒng)是指用于轉(zhuǎn)化的外植體通過組織培養(yǎng)途徑或其他非組織培養(yǎng)途徑，能高效、穩(wěn)定再生無性系，并能接受外源DNA整合對轉(zhuǎn)化選擇抗生素敏感的再生系統(tǒng)

13、。2）植物基因轉(zhuǎn)化受體系統(tǒng)的條件高效穩(wěn)定的再生能力較高的遺傳穩(wěn)定性具有穩(wěn)定的外植體來源對選擇性抗生素敏感對農(nóng)桿菌侵染有敏感性3）植物基因轉(zhuǎn)化系統(tǒng)Ti質(zhì)粒載體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)4）轉(zhuǎn)化方法：葉盤轉(zhuǎn)化法3、植物基因工程應(yīng)用1）抗植物蟲害基因及其應(yīng)用2）抗植物真菌病害基因及其應(yīng)用3）抗非生物脅迫基因及應(yīng)用4）提高作物產(chǎn)量改良作物品質(zhì)的基因及其應(yīng)用第三章細(xì)胞工程一、細(xì)胞工程的基礎(chǔ)知識與基本技術(shù)1、基本知識：原核細(xì)胞和真核細(xì)胞2、基本理論：細(xì)胞全能性3、基本技術(shù)：無菌操作技術(shù)、細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)二、細(xì)胞工程的重要應(yīng)用快繁優(yōu)質(zhì)植物快速培育與繁殖；動物胚胎工程快速繁殖優(yōu)良、瀕危品種；利用動植物細(xì)胞培養(yǎng)生

14、產(chǎn)活性產(chǎn)物、藥品；新型動植物品種的培育；供醫(yī)學(xué)器官修復(fù)或者移植的組織工程；轉(zhuǎn)基因動植物的生物工程反應(yīng)器；在遺傳學(xué)、發(fā)育學(xué)等領(lǐng)域的理論研究；在能源、環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用。三、植物細(xì)胞工程1、概念：細(xì)胞的全能性:生物體的細(xì)胞具有使后代細(xì)胞形成完整個體的潛能的特性植物組織培養(yǎng)：在無菌和人為控制外因（營養(yǎng)成分、光照、溫度、濕度等）條件下，培養(yǎng)、研究植物組織器官，甚至進(jìn)而從中分化、發(fā)育出整體植株的技術(shù)。外植體：即能誘發(fā)產(chǎn)生無性增殖系的器官或組織切段。胚狀體：指的是在組織培養(yǎng)中分化產(chǎn)生的具有芽端和根端類似合子胚的構(gòu)造。愈傷組織：泛指經(jīng)細(xì)胞與組織產(chǎn)生的可傳代的末分化細(xì)胞團(tuán)分化和去分化：2、植物組織培養(yǎng)的過程1）

15、預(yù)備階段：選擇合適的外植體及其消毒處理配臵適宜的培養(yǎng)基含量豐富的基本成分，如糖類、氮、磷、鉀、鎂等；微量無機(jī)物，如鐵、錳、硼酸等；微量有機(jī)物，如激動素、吲哚乙酸、肌醇等。2）誘導(dǎo)去分化階段：組織培養(yǎng)的第一步就是讓這些器官切段去分化，使細(xì)胞重新處于旺盛有絲分裂的分生狀態(tài)。3）繼代增殖階段4）生根成芽階段5）移栽成活階段3、植物組織培養(yǎng)的類型依據(jù)培養(yǎng)基分細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)細(xì)胞的固體培養(yǎng)依據(jù)外植體材料分類器官（組織）培養(yǎng)細(xì)胞培養(yǎng)依據(jù)培養(yǎng)途徑分類：愈傷組織發(fā)生體細(xì)胞胚胎發(fā)生1）愈傷組織培養(yǎng)：由植物各種器官的外植體增殖而形成的一種無特定結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)胞團(tuán)然后再誘導(dǎo)其生根、成芽，長成完整的植株的培養(yǎng)方法，愈傷

16、組織的形成包括啟動、分裂和形成三個時期。2）細(xì)胞懸浮培養(yǎng)3）器官培養(yǎng)4）單倍體培養(yǎng)（重點(diǎn)把握）定義：單倍體是指細(xì)胞中僅含有一組染色體的個體。單倍體植株的誘發(fā)途徑：天然誘發(fā)途徑（孤雌繁殖、孤雄繁殖、無融合生殖等）人工誘導(dǎo)（花藥培養(yǎng)、花粉培養(yǎng)、未授粉子房或胚珠培養(yǎng)、雜交法獲得單倍體植株）。單倍體植株培養(yǎng)的目的：單倍體植株僅含有一組染色體，不存在基因之間的顯隱性關(guān)系，通過染色體加倍，可以創(chuàng)造純合的二倍體植株，作為雜交的親本材料，獲得較高的雜種優(yōu)勢等4、植物組織培養(yǎng)的應(yīng)用1）初級及次級代謝物的生產(chǎn)；2）生物轉(zhuǎn)化（利用植物培養(yǎng)細(xì)胞為酶源使某種前體化合物生成相應(yīng)產(chǎn)物的技術(shù)稱之為生物轉(zhuǎn)化。如毛地黃細(xì)胞培養(yǎng)物

17、可使毛地黃毒素轉(zhuǎn)化為b甲基地高辛）；3）天然植物食用色素的生產(chǎn)4）快速繁殖，人工種子5）無病毒植物的培育6）轉(zhuǎn)基因植物的培育7）人工種子的研制人為制造的種子，它是一種含有植物胚狀體或芽、營養(yǎng)成分、激素以及其他成分的人工膠囊。人工種皮、胚狀體和人工胚乳三部分構(gòu)成。人工種子的特點(diǎn)：（童點(diǎn)）不受環(huán)境因素的制約，一年四季可以進(jìn)行工廠化生產(chǎn)；由于胚狀體是經(jīng)人工無性繁育產(chǎn)生，有利于保持該種系的優(yōu)良性狀；與試管苗相比，成本更低，更適合機(jī)械化田間播種；可根據(jù)需要在人工胚乳中添加適量的營養(yǎng)物、激素、農(nóng)藥、抗生素、除草劑等，以利于胚狀體的健康生長。人工科1子的制備流程：胚狀體的制備及其同步化生長：可釆用低溫法、抑

18、制劑法（DNA合成抑制劑）、分離法和通氣法等進(jìn)行誘導(dǎo)和篩選；人工胚乳的制備：人工胚乳的營養(yǎng)需求因種而異，但與細(xì)胞、組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基大體相仿，同時可根據(jù)需要在培養(yǎng)基中添加適量的激素、抗生素、農(nóng)藥、除草劑等；人工種皮的制備：主要釆用包埋劑褐藻酸鈉進(jìn)行包埋，經(jīng)氯化鈣滴定、絡(luò)合作用后形成具有一定剛性的人工種皮。人工種子的貯存與萌發(fā)：貯存：一般要將人工種子保存在低溫（47C）,干燥（67%相對濕度）條件下（相對成本較高）；萌發(fā)：在自然條件下，人工種子貯存時間較短，萌發(fā)率較低；在人為控制的條件下，萌發(fā)率相對較高。植物體細(xì)胞雜交1）定義：用兩個來自不同植物的體細(xì)胞融合成一個雜種細(xì)胞，且把雜種細(xì)胞培育成新的植

19、物體的方法2）優(yōu)勢（與有性雜交方法比較）：打破了不同種生物間的生殖隔離限制，大大擴(kuò)展了可用于雜交的親本組合范圍3）體細(xì)胞雜交過程I原生質(zhì)體的制備植物細(xì)胞原生質(zhì)體是指那些已去除全部細(xì)胞壁的細(xì)胞。這部分細(xì)胞僅由細(xì)胞膜包裹，呈圓形，要在高滲液中才能維持細(xì)胞的相對穩(wěn)定，原生質(zhì)球（球狀體）：指在酶解過程中殘存少量細(xì)胞壁的原生質(zhì)體。原生質(zhì)體和原生質(zhì)球都是進(jìn)行原生質(zhì)體融合的好材料。取材與除菌常用的外植體包括：種子胚、子葉、下胚軸、胚細(xì)胞、花粉母細(xì)胞、懸浮培養(yǎng)細(xì)胞和嫩葉。應(yīng)液轉(zhuǎn)綠是酶解成功的一項重要指標(biāo)。去反應(yīng)液中一些殘留的組織塊和破碎的細(xì)胞，可通過不銹鋼網(wǎng)或尼龍布過濾，也可以釆用低速離心法或比重漂浮法直接獲

20、取原生質(zhì)體。新的滲透壓穩(wěn)定劑或原生質(zhì)體培養(yǎng)液離心洗滌2-4次。鑒定:果把它放入低滲溶液中，則很容易脹破。也可以用熒光增白劑染色后臵紫外顯微鏡下觀察，殘留的細(xì)胞壁呈現(xiàn)明顯熒光。通過以上鑒定，基本上可判別是否是原生質(zhì)體及其百分率。此外，尚可借助臺盼藍(lán)活細(xì)胞染色、胞質(zhì)環(huán)流觀察以及測定光合作用、呼吸作用等參數(shù)定量檢測原生質(zhì)體的活力。原生質(zhì)體的融合化學(xué)法誘導(dǎo)融備廠乙二醇（PEG）結(jié)合高鈣高pH誘導(dǎo)融合法已成為化學(xué)法誘導(dǎo)細(xì)胞融合的主流。|物理法誘導(dǎo)融合：型電極法和平行電極法其他方法：對稱融合方法。融合可能產(chǎn)生的結(jié)果：親本雙方的細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)能融合為一體，發(fā)育成為完全的雜合植株。融合細(xì)胞由一方細(xì)胞核與另一方

21、細(xì)胞質(zhì)組成，可能發(fā)育為核質(zhì)異源植株融合細(xì)胞由雙方胞質(zhì)及一方核或再附加少量他方染色體或DNA構(gòu)成；原生質(zhì)體融合后兩個細(xì)胞核尚末融合時就過早地被新出現(xiàn)的細(xì)胞壁分開。以后它們各自分生長成嵌合植株。Ill雜合體的鑒別與篩選雜合細(xì)胞的顯織鏡鑒別：互補(bǔ)法篩選雜合細(xì)胞：化互補(bǔ)、生長互補(bǔ)。采用細(xì)胞和分子生物學(xué)的方法鑒定雜合體：根據(jù)融合處理后再生長出的植株杓形態(tài)特征進(jìn)行鑒別：第四章發(fā)酵工程一、發(fā)酵工程的含義及主要內(nèi)容1、定義：發(fā)酵工程是生物技術(shù)的重要組成部分，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。它將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機(jī)結(jié)合起來，是一門利用微生物的生長和代謝活動來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的工程技術(shù)，由于它

22、以培養(yǎng)微生物為主，所以又稱微生物工程。2、主要內(nèi)容：包括生產(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵條件的優(yōu)化和控制、反應(yīng)器的設(shè)計及產(chǎn)物的分離、提取與精制等。（填空）二、發(fā)酵工程概況1、主要的發(fā)酵類型：（填空）1）微生物菌體發(fā)酵2）微生物酶發(fā)酵3）微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵4）微生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵5）生物工程細(xì)胞的發(fā)酵2、發(fā)酵技術(shù)的特點(diǎn)：微生物的生長特點(diǎn)發(fā)酵工程所利用的微生物主要是細(xì)菌、放線菌，酵母菌和霉菌對周圍環(huán)境的溫度、壓強(qiáng)、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應(yīng)能力；有極強(qiáng)的消化能力；有極強(qiáng)的繁殖能力；種類多、產(chǎn)酶的品種多，生產(chǎn)容易、成本低。2）發(fā)酵技術(shù)的特點(diǎn)發(fā)酵過程以生物體的自動調(diào)節(jié)方式進(jìn)行，數(shù)十個反應(yīng)過程能夠象單一反應(yīng)一樣，在

23、發(fā)酵設(shè)備中一次完成；反應(yīng)通常在常溫常壓下進(jìn)行，條件溫和，能耗少，設(shè)備較簡單；原料通常以蜜糖、淀粉等碳水化合物為主，可以是農(nóng)副產(chǎn)品、工業(yè)廢水或可再生資源（植物秸稈、木屑等）；容易生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物，能高度選擇地在復(fù)雜化合物的特定部位進(jìn)行氧化、還原、官能團(tuán)引入等反應(yīng)；發(fā)酵過程中需要防止雜菌污染、設(shè)備需要進(jìn)行嚴(yán)格的清洗、滅菌，空氣需要過濾等。發(fā)酵工程的應(yīng)用發(fā)酵工程廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、能源工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)中，而且發(fā)揮越來越重要的作用。三、微生物發(fā)酵過程1、發(fā)酵方法的類別厭氧性發(fā)酵根據(jù)微生物的種類分類好氧性發(fā)酵兼性發(fā)酵敞口發(fā)酵砒發(fā)酵設(shè)必類密閉發(fā)酵淺盤發(fā)酵根據(jù)

24、培養(yǎng)基的物理性狀分類固體發(fā)酵液體發(fā)酵2、工業(yè)生產(chǎn)常用微生物：細(xì)菌、放線菌、酵母菌、霉菌和其他微生物（擔(dān)子菌、藻類）3、培養(yǎng)基1）培養(yǎng)基的種類：孢子培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基。砲子培養(yǎng)基：子培養(yǎng)基是制備孢子用的。生產(chǎn)中常用的孢子培養(yǎng)基有麩皮培養(yǎng)基、大（小）米培養(yǎng)基，由葡萄糖（或淀粉）、無機(jī)鹽、蛋白胨等配制成的瓊脂斜面培養(yǎng)基等。種子培養(yǎng)基：供孢子發(fā)芽和菌體生長繁殖用的。常用的原料有葡萄糖、糊精、蛋白胨、玉米漿、酵母粉等，培養(yǎng)基的成分隨菌種而改變。發(fā)酵培養(yǎng)基：酵培養(yǎng)基是供菌體生長繁殖和合成大量代謝產(chǎn)物用的，要求此種培養(yǎng)基的組成豐富完整，營養(yǎng)成分濃度和粘度適中，利于菌體的生長，進(jìn)而合成大量的代謝產(chǎn)

25、物。2）酵培養(yǎng)基的組成：碳源、氮源、無機(jī)鹽和微量元素、生長因子、水和產(chǎn)物形成的誘導(dǎo)物、前體和促進(jìn)劑4、發(fā)酵的一般過程（上、中、下游過程簡要論述）1）上游工程菌種的分離、純化與選育菌種斜面培養(yǎng)種子擴(kuò)大培養(yǎng)發(fā)酵罐的清洗、滅菌培養(yǎng)基的配臵和滅菌等2）中游工程微生物發(fā)酵及控制發(fā)酵是微生物合成大量產(chǎn)物的過程，是整個發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。包括分批發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵、固體發(fā)酵和液體發(fā)酵等。影響發(fā)酵的因素很多，如溫度、pH、通風(fēng)、攪拌、罐壓力等等，必須適當(dāng)?shù)乜刂朴绊懓l(fā)酵的各種條件，掌握發(fā)酵的動態(tài)，并進(jìn)行雜菌的檢查和產(chǎn)物測定，使整個發(fā)酵過程順利進(jìn)行。3）下游工程：發(fā)酵產(chǎn)物的分離、純化和精制：發(fā)酵液的預(yù)處理

26、和固液分離：目的是改善發(fā)酵液性質(zhì)，以利于固液分離，常用酸化、加熱和加絮凝劑等方法；提?。耗康闹饕菨饪s，也起到對產(chǎn)物一定的純化作用，常釆用吸附法、離子交換法、沉淀法、萃取法、超濾法等;精制：進(jìn)一步純化發(fā)酵產(chǎn)物，可釆用沉淀、超濾、層析等方法。成品加工：對獲得產(chǎn)物進(jìn)行最后的濃縮、無菌過濾和去熱原、干燥、加穩(wěn)定劑等。四、發(fā)酵操作方式及工藝控制1、發(fā)酵的操作方式（問答，三種方式優(yōu)缺點(diǎn)比較，需要加三種方式的概念）1）分批發(fā)酵：先將空罐殺菌，培養(yǎng)基裝入發(fā)酵罐，接種之后進(jìn)行培養(yǎng)，在培養(yǎng)過程中，培養(yǎng)基成分減少，微生物增殖。微生物周圍的環(huán)境隨時間而變化，是一種非穩(wěn)態(tài)操作法。優(yōu)缺點(diǎn)：此法不易染菌，但很難釆用控制基

27、質(zhì)等濃度的方法來增大發(fā)酵生產(chǎn)能力。在分批發(fā)酵系統(tǒng)中，微生物具有典型的生長周期（延滯期、指數(shù)生長期（對數(shù)生長期）、減速期、靜止期或穩(wěn)定期、衰亡期）。目前多用在酒精、氨基酸、抗生素生產(chǎn)中。2）連續(xù)發(fā)酵：在往發(fā)酵罐中連續(xù)供給新鮮培養(yǎng)基的同時，將含有微生物和產(chǎn)物的培養(yǎng)液，從發(fā)酵罐中連續(xù)放出，叫做連續(xù)培養(yǎng)法。優(yōu)點(diǎn)：可以維持穩(wěn)定的操作條件，有利于微生物的生長代謝，從而使產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量也保持相對的穩(wěn)定；能夠有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化，降低勞動強(qiáng)度，減少操作人員與病原微生物和毒性產(chǎn)物接觸的機(jī)會；減少設(shè)備清洗、準(zhǔn)備和滅菌等非生產(chǎn)占有的時間，提高設(shè)備利用率，節(jié)省勞動力和工時；由于滅菌次數(shù)減少，使測量儀器探頭的壽命得

28、以延長；缺點(diǎn)：由于是開放系統(tǒng)，加上發(fā)酵周期長，容易造成雜菌污染；在長周期連續(xù)發(fā)酵中，微生物容易發(fā)生變異；對設(shè)備、儀器及控制元器件的技術(shù)要求較高；粘性絲狀菌菌體容易附著在器壁上生長和在發(fā)酵液內(nèi)結(jié)團(tuán)，給連續(xù)發(fā)酵操作帶來困難。3）補(bǔ)料分批發(fā)酵：又稱半連續(xù)發(fā)酵，是介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術(shù)，是指在微生物分批發(fā)酵中，以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)補(bǔ)加一定物料的培養(yǎng)技術(shù)；優(yōu)點(diǎn)：補(bǔ)料分批發(fā)酵既可以保證微生物生長的需要，又不造成不利的影響，從而達(dá)到提高產(chǎn)率的目的；補(bǔ)料分批發(fā)酵可以分為兩種類型：單一補(bǔ)料分批發(fā)酵和反復(fù)補(bǔ)料分批發(fā)酵。2、發(fā)酵工藝控制:溫度、pH值、溶解氧的濃度、種齡與接種量五、發(fā)酵設(shè)備（了解）

29、1、定義：進(jìn)行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備。2、應(yīng)具備的條件：嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)良好的液體混合能力較高的傳質(zhì)、傳熱速率同時還應(yīng)具有配套而又可靠的檢測及控制儀表。3、分類：微生物種類劃分：好氧發(fā)酵設(shè)備和厭氧發(fā)酵設(shè)備；根據(jù)攪拌方式劃分：好氧發(fā)酵設(shè)備又可以分為機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐和通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐。第五章酶工程一、酶工程的定義酶工程是是研究酶的生產(chǎn)和應(yīng)用的一門技術(shù)性學(xué)科，包括酶制劑的制備、酶的固定化、酶的修飾與改造及酶反應(yīng)器等方面的內(nèi)容，是酶學(xué)和工程學(xué)相互滲透結(jié)合形成的一門新的技術(shù)科學(xué)，是酶學(xué)、微生物學(xué)的基本原理與化學(xué)工程有機(jī)結(jié)合而產(chǎn)生的邊緣科學(xué)。二、酶的分類、組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作用機(jī)制1、酶的分類：氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、

30、水解酶、裂合酶、異構(gòu)酶、連接酶（合成酶）、核酸酶。2、酶的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1）單體酶2）寡聚酶3）多酶復(fù)合體多酶復(fù)合體組成部分：輔因子：酶蛋白中非蛋白質(zhì)部分，它可以是無機(jī)離子也可以是有機(jī)化合物。輔酶：有機(jī)輔因子與酶蛋白結(jié)合松散即為輔酶。輔基：有機(jī)輔因子與酶蛋白結(jié)合緊密即為輔基。3、酶的作用機(jī)制1）酶的作用過程酶的活性部位：是它結(jié)合底物和將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的區(qū)域，通常是整個酶分子相當(dāng)小的部分，它是由在線性多肽中可能相隔很遠(yuǎn)的氨基酸殘基形成的三維實(shí)體。2）酶與底物的結(jié)合模型鎖和鑰匙模型誘導(dǎo)鍥合模型3）酶的催化作用廣義的酸堿催化共價催化鄰近效應(yīng)及定向效應(yīng)：所謂鄰近效應(yīng)就是底物的反應(yīng)基團(tuán)與酶的催化基團(tuán)越靠

31、近，其反應(yīng)速度越快。變形或張力酶的活性中心為疏水區(qū)域三、酶作為催化劑的顯著特點(diǎn)1、催化能力催化轉(zhuǎn)換數(shù)：每個酶分子每分鐘催化底物轉(zhuǎn)化的分子數(shù)；一般為103min-1,碳酸酐酶最高為3.6*107min-1有酶加入比無酶參加反應(yīng)速度一般要高107-10132、專一性絕對專一：只催化一種底物進(jìn)行快速反應(yīng)，甚至是立體專一性；相對專一性：基團(tuán)專一和鍵專一3、調(diào)節(jié)性酶濃度的調(diào)節(jié)激素調(diào)節(jié)共價修飾調(diào)節(jié)限制性蛋白水解作用與酶活力調(diào)控抑制劑的調(diào)節(jié)反饋調(diào)節(jié)金屬離子和其他小分子化合物的調(diào)節(jié)四、酶抑制作用的概念和分類1、概念：能降低酶催化反應(yīng)速度的因素。2、分類失活作用：是指由于一些物理因素和化學(xué)試劑部分或全部破壞了酶

32、的三維結(jié)構(gòu)，即引起酶蛋白變性，導(dǎo)致部分或全部喪失活性。抑制作用：是指在酶不變性的情況下，由于必需基團(tuán)或活性中心化學(xué)性質(zhì)的改變而引起的酶活性的降低或喪失。去激活作用：某些酶只有在金屬離子存在下才有活性，去除金屬離子也會引起這些酶活性的降低或喪失。阻遏作用：指某些因素(如激素或藥物等)使細(xì)胞內(nèi)酶蛋白的合成減少，反應(yīng)速度的降低是由于酶分子數(shù)量的減少，每分子酶的催化效力并無變化.3、抑制程度的表示一般用反應(yīng)速度的變化來表示。若以不加抑制劑時的反應(yīng)速度為Vo,加入抑制劑后的反應(yīng)速度為Vi,則酶的抑制程度有下列幾種表示方法：相對活力分?jǐn)?shù)(殘余活力分?jǐn)?shù))a=Vi/Vo相對活力百分?jǐn)?shù)(殘余活力百分?jǐn)?shù))a%=V

33、i/Vo*100%抑制分?jǐn)?shù)：指被抑制而失去活力的分?jǐn)?shù)=1-a=1-Vi/Vo抑制百分?jǐn)?shù)i%=(1-a)*100%=(1-Vi/Vo)*100%通常所謂抑制率是指抑制分?jǐn)?shù)或抑制百分?jǐn)?shù)。4、抑制作用的分類不可逆抑制作用：非專一性不可逆抑制作用和專一性不可逆抑制作用；可逆抑制作用(競爭性抑制作用，非競爭性抑制作用，反競爭性抑制作用，混合型抑制)五、酶的發(fā)酵生產(chǎn)1、優(yōu)良產(chǎn)酶菌種的篩選1)發(fā)展微生物作為酶生產(chǎn)來源的原因(重點(diǎn))微生物生長繁殖快，生活周期短，產(chǎn)量高，單位干重產(chǎn)物的酶比活很高；微生物培養(yǎng)方法簡單，所用的原材料大都為農(nóng)副產(chǎn)品，來源豐富，價格低廉，機(jī)械化程度高，經(jīng)濟(jì)效益高；微生物菌株種類繁多,酶

34、的品種齊全；微生物有較強(qiáng)的適應(yīng)性和應(yīng)變能力，可以通過適應(yīng)、誘導(dǎo)、誘變及基因工程等方法培育出新的產(chǎn)酶量高的菌種。2)優(yōu)良的產(chǎn)酶菌種應(yīng)該具備的條件1)繁殖快,產(chǎn)酶量高,有利于縮短生產(chǎn)周期；能在便宜的底物上生長；產(chǎn)酶性能穩(wěn)定,菌株不易退化,不易受噬菌體侵襲；產(chǎn)生的酶容易分離純化；不是致病菌及產(chǎn)生有毒物質(zhì)或其他生理活性物質(zhì)的微生物,才能確保酶生產(chǎn)和應(yīng)用的安全。產(chǎn)酶菌種的篩選方法1)含菌樣品的采集菌種的分離與純化產(chǎn)酶性能的測定及復(fù)篩對于胞外酶的產(chǎn)酶菌株，經(jīng)常釆用分離定性和半定量測定產(chǎn)酶性能相結(jié)合的方法，使之在培養(yǎng)皿分離時就能大致了解菌株的產(chǎn)酶性能；2、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)1）定義：微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)是指在人工控制的條件下，有目的地利用微生物培養(yǎng)來生產(chǎn)所需的酶，其技術(shù)包括培養(yǎng)基和發(fā)酵方式的選擇及發(fā)酵條件的控制管理等方面的內(nèi)容