1、 环境生物工环境生物工 程程 参考书目参考书目 环境微生物工程马文漪等环境微生物工程马文漪等 南京大学出版社南京大学出版社 污染控制微生物徐亚同等污染控制微生物徐亚同等 化学工业出版社化学工业出版社 生物化学沈同高等教育大学出版社生物化学沈同高等教育大学出版社 微生物学微生物学microbiology microbiology J.Nicklin J.Nicklin 科学出版社科学出版社 基因与伦理范冬萍等基因与伦理范冬萍等 羊城晚报出版社羊城晚报出版社 现代环境生物技术现代环境生物技术 王建龙等王建龙等 清华大学出版社清华大学出版社 概述概述 一、引言一、引言 二、生物工程（技术）二、生物工
2、程（技术） （一）定义（二）内容（一）定义（二）内容 （三）发展（四）应用（三）发展（四）应用 三、环境生物三、环境生物 四、主要内容四、主要内容 一、引言一、引言 （一）历史（一）历史 （二）意义（二）意义 （三）展望（三）展望 一、引言一、引言 （一）历史（一）历史 1917 1917 ：提出：提出 19531953：基因的奠基人詹姆斯：基因的奠基人詹姆斯. .沃森和弗朗西斯沃森和弗朗西斯. .克里克里 克，他们发现克，他们发现DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构。DNADNA之父。之父。 DNADNA之母：罗莎琳德之母：罗莎琳德. .富兰克林，她用富兰克林，她用X X射线衍射射线衍射DN
3、ADNA晶体晶体 得到了影像，从而分辨出这种分子的维度、角度和形状；得到了影像，从而分辨出这种分子的维度、角度和形状； 她发现她发现DNADNA是螺旋结构，至少两股，其化学是螺旋结构，至少两股，其化学“信息信息”面面 向进里面。向进里面。 19731973：第一个成功的克隆转化实验，第一个有目的的：第一个成功的克隆转化实验，第一个有目的的 基因重组实验，是现代生物技术的标志。基因重组实验，是现代生物技术的标志。 19971997：英培育出世界上第一例体细胞克隆动物：英培育出世界上第一例体细胞克隆动物“多莉多莉” 羊，羊，20032003年年2 2月月1414日去世。日去世。 19981998：
4、日本培育出体细胞克隆动物：日本培育出体细胞克隆动物8 8头牛犊。头牛犊。 DNA的双螺旋结构 世界首只克隆羊“多莉” 一、引言一、引言 一、引言一、引言 20002000：果蝇的基因组图谱绘制完成；人类基因组图：果蝇的基因组图谱绘制完成；人类基因组图 谱的绘制工作完成。谱的绘制工作完成。 20022002：疟原虫、按蚊的基因组图谱完成；完成水稻、：疟原虫、按蚊的基因组图谱完成；完成水稻、 小鼠的基因组图谱。小鼠的基因组图谱。 20032003：意大利培育出第一匹克隆马，人类基因组序：意大利培育出第一匹克隆马，人类基因组序 列基本完成。列基本完成。 一、引言一、引言 “斯纳皮斯纳皮”与与“父母父
5、母” ” （二）意义 生物工程作为一个现代前沿学科领域，受到当今世界 各国的广泛关注，全球生物工程技术每年创造的产值约 50005000亿亿美元，单项产品产值高达40亿美元，仅美国生物 工程技术产值达2240亿美元。 比如“三色”农业绿色“露天农业” 、白色“工 厂农业”、蓝色“水生农业”。其中白色农业主要表示这 种农业的生产过程没有环境污染并严格要求环境条件的高 度洁净，节水、节土、不污染环境、资源可循环利用。一 座年产10万吨单细胞蛋白的微生物工厂，相当于180万亩耕 地生产的大豆蛋白或3亿亩草原饲养牛羊的动物蛋白质。 一、引言一、引言 一、引言一、引言 （三）展望 现代生物工程技术将为粮
6、食、健康、环境、能源等 人类面临的重大问题开辟广阔的前景，与信息、新材料 和新能源技术将成为四大科学技术支柱，是21世纪高新 技术产业的先导。 美国于2003年3月5日启动了牛基因组测序工程，将 能够改进牛奶和牛肉制品的质量以及提高食品的安全系 数。诸如此类，将为人类开创美好的明天。 二、生物二、生物工程 （一）定义 生物工程技术：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。 （二）学科体系 酶工程、基因工程基因工程、细胞工程和发酵工程等。 二、生物二、生物工程 （三）发展（开始比较缓慢
7、，后迅速发展） 生物工程技术的发展简史： 传统生物工程技术； 初期生物工程技术； 近代生物工程技术（抗生素工业的兴起为标志）； 现代生物工程技术（DNA重组技术的建立为标志） （四）生物工程技术的高新特征 高效益；高智力；高投入；高竞争；高风 险；高势能 三、环境生物三、环境生物工程 （一）定义 环境生物工程技术：广义来讲，凡是自然界中涉及环境污染控 制的一切与生物技术有关的技术。 严格地说，环境生物工程技术指的是直接或间接利用生物或生 物体的某些组成部分或某些机能，建立降低或消除污染物的生产工 艺，或者能够高效净化环境污染，同时又生产有用物质的工程技术。 （二）层次 高:以基因工程为主导的现
8、代污染防治生物工程技术 中：传统生物处理工程技术（如活性污泥法） 低：利用天然系统进行废物处理（人工湿地） （三）核心：微生物学过程 三、环境生物三、环境生物工程 （四）技术体系： 环境污染生物治理工程技术； 环境污染生物修复工程技术； 环境污染预防生物工程技术； 环境生物监测工程技术； 环境生物资源化工程技术 （五）学科结构： 生物学 生物工程学 环境工程学 （六）研究范围 1、从实验室到模拟和现场应用； 2、开发废物资源化和能源化技术； 3、建立无害化生物技术清洁生产新工艺； 4、发展对环境污染物的生理毒性及其对生态影响的 检测技术 三、环境生物三、环境生物工程 环境生物工程环境生物工程
9、暨南大学环境工程系暨南大学环境工程系 秦华明秦华明 E-mail: 第一节第一节 微生物学基础知识微生物学基础知识 1 微生物的类群：微生物的类群： 原核微生物：细菌、放线菌、光合细菌、立克次氏体、原核微生物：细菌、放线菌、光合细菌、立克次氏体、 衣原体、支原体等衣原体、支原体等 真核微生物：霉菌、酵母、藻类、原生动物等真核微生物：霉菌、酵母、藻类、原生动物等 非细胞微生物：病毒非细胞微生物：病毒 第二章第二章 环境生物工程技术的生物学基础环境生物工程技术的生物学基础 第一节第一节 微生物学基础知识微生物学基础知识 1 微生物的类群：微生物的类群： 原核微生物：原核微生物： 细菌细菌 ： 形态
10、大小；形态大小； 构造；构造； 繁殖方式与菌落特征；繁殖方式与菌落特征； 环境工程领域常见重要细菌；环境工程领域常见重要细菌； 第二章第二章 环境生物工程技术的生物学基础环境生物工程技术的生物学基础 第一节第一节 微生物学基础知识微生物学基础知识 1 微生物的类群：微生物的类群： 原核微生物：原核微生物： 放细菌放细菌 ： 形态；形态； 繁殖与菌落特征；繁殖与菌落特征； 常见放线菌；常见放线菌； 第二章第二章 环境生物工程技术的生物学基础环境生物工程技术的生物学基础 第一节第一节 微生物学基础知识微生物学基础知识 1 微生物的类群：微生物的类群： 原核微生物：原核微生物： 光合型原核生物光合型
11、原核生物 ： 蓝细菌；蓝细菌； 光合细菌；光合细菌； 第二章第二章 环境生物工程技术的生物学基础环境生物工程技术的生物学基础 第一节第一节 微生物学基础知识微生物学基础知识 1 微生物的类群：微生物的类群： 原核微生物：原核微生物： 其他原核生物其他原核生物 ： 鞘细菌；鞘细菌； 立克次氏体；立克次氏体； 支原体；支原体； 衣原体；衣原体； 螺旋体螺旋体 ； 第二章第二章 环境生物工程技术的生物学基础环境生物工程技术的生物学基础 第一节第一节 微生物学基础知识微生物学基础知识 1 微生物的类群：微生物的类群： 真核微生物：真核微生物： 真菌：霉菌；酵母；真菌：霉菌；酵母； 藻类：藻类： 原生动
12、物原生动物 第二章第二章 环境生物工程技术的生物学基础环境生物工程技术的生物学基础 第一节第一节 微生物学基础知识微生物学基础知识 1 微生物的类群：微生物的类群： 非细胞微生物：非细胞微生物： 病毒：病毒： 分类；分类； 大小和形态；大小和形态； 化学组成和结构；化学组成和结构； 侵染和繁殖；侵染和繁殖； 危害；危害； 第二章第二章 环境生物工程技术的生物学基础环境生物工程技术的生物学基础 第二章第二章 环境生物工程技术的生物学基础环境生物工程技术的生物学基础 第一节第一节 微生物学基础知识微生物学基础知识 2 微生物的营养： 微生物细胞的化学组成：碳,氢,氧,氮,磷,硫,钾,钙,镁, 铁，
13、钼,锌,锰,钴,铜,硼,碘,镍等 微生物的营养物质及其生理功能：碳源；氮源；无 机盐；水；生长因子 微生物营养类型：光能自养型、光能异养型、化能 自养型、化能异养型 第二章第二章 环境生物工程技术的生物学基础环境生物工程技术的生物学基础 第一节第一节 微生物学基础知识微生物学基础知识 3 微生物的代谢： 微生物的产能代谢本质：生物氧化还原反应 生物能量的转移“通货”：ATP 微生物的产能代谢类型：好氧呼吸（外源性呼吸， 内源性呼吸）；无氧呼吸；发酵 电子传递链酶 ATP酶 第二章第二章 环境生物工程技术的生物学基础环境生物工程技术的生物学基础 第二节第二节 生态学基础知识生态学基础知识 1 生
14、态系统及其基本特征： 生态学：是研究生物与环境以及生物与生物之间相互 关系及其作用机理的一门学科。 生态系统：由生物群落与其周围环境组成的综合体。 生态系统基本特征：整体性；开放性；区域分异性； 可变性 第二章第二章 环境生物工程技术的生物学基础环境生物工程技术的生物学基础 第二节第二节 生态学基础知识生态学基础知识 2 生态系统的基本结构与主要功能： 基本结构： 形态结构（生物种类、种群数量、种的空间配置、 种的时间变化等）； 生态结构（生态系统各组分建立起来的营养关系）； 生态系统的物质循环： 循环环境类型：气相循环；沉积循环； 循环类型：水循环；碳循环；氮循环；磷循环 第二章第二章 环境
15、生物工程技术的生物学基础环境生物工程技术的生物学基础 第二节第二节 生态学基础知识生态学基础知识 2 生态系统的基本结构与主要功能： 生态系统的能量流动： 生态系统的能量都来源于太阳； 生态系统利用太阳能最重要的化学反应是光合作用； 生态系统的能量流动都按照热力学第一定律和热力学第二定律； 生态系统的能量流动是通过食物链（各生物之间以营养为中心形 成的链锁关系）或食物网（各种食物链交错形成）来实现的。 食物链类别： 捕食性食物链；碎食性食物链；寄生性食物链；腐生性食物链 主要功能：物质、能量、信息的传递 第二章第二章 环境生物工程技术的生物学基础环境生物工程技术的生物学基础 第二节第二节 生态
16、学基础知识生态学基础知识 3 生态系统的环境功能与自净作用： 生态系统的环境功能： 生产生物资源；蓄水保水、缓解旱涝等极端水情；保 护土壤防止水土流失；防风固沙、防止土地沙化；改善小 气候；吸收二氧化碳和制造氧气；净化空气和水、去除污 染物；保护和维护生物多样性；经济功能、社会文化功能 等 生态系统的自净作用： 自净作用机制（物理作用、化学作用、生物作用）； 自净作用具局限性 第三章环境生物工程第三章环境生物工程- 基因工程基因工程 一、概述一、概述 二、基因二、基因 三、酶三、酶 四、载体四、载体 五、基因重组五、基因重组 1 1、要点要点 基因工程的分子生物学基础、基因工程工具酶、基因基因
17、工程的分子生物学基础、基因工程工具酶、基因 工程载体、目的基因的获得、目的基因导入受体细胞、重工程载体、目的基因的获得、目的基因导入受体细胞、重 组体的筛选、组体的筛选、DNADNA序列分析、基因工程在环境污染治理中序列分析、基因工程在环境污染治理中 的应用的应用 2 2、重点、重点 基因工程的分子生物学、目的基因的获得、基因工程基因工程的分子生物学、目的基因的获得、基因工程 工具酶、基因工程载体、目的基因导入受体细胞、重组体工具酶、基因工程载体、目的基因导入受体细胞、重组体 的筛选的筛选 教学要点、重点教学要点、重点 一、概述一、概述 （一）基因组的相关名词（一）基因组的相关名词 1 1、D
18、NADNA：遗传物质脱氧核糖核酸的简称。每个遗传物质脱氧核糖核酸的简称。每个DNADNA分子分子 都包含螺旋结构的双股链。都包含螺旋结构的双股链。 2 2、基因：、基因：DNADNA上有遗传意义的片段叫基因，基因包含一上有遗传意义的片段叫基因，基因包含一 定数量的碱基。基因是基础的遗传单位。定数量的碱基。基因是基础的遗传单位。 一、概述一、概述 3 3、测序：确定、测序：确定DNADNA双股链上每个独立结构单元或碱基的双股链上每个独立结构单元或碱基的 确切顺序的过程。测序经常被称为确切顺序的过程。测序经常被称为“破译破译”，因为其结果，因为其结果 就像解码一样。解码结果包含数百页和成千上万行就
19、像解码一样。解码结果包含数百页和成千上万行4 4种字种字 母的序列，这些字母表示母的序列，这些字母表示4 4种不同的碱基，它们是腺嘌呤、种不同的碱基，它们是腺嘌呤、 鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，分别用它们的首字母鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，分别用它们的首字母A A、T T、 C C、G G表示，其排列顺序中蕴藏着各种各样的遗传信息和生表示，其排列顺序中蕴藏着各种各样的遗传信息和生 命指令。命指令。 4 4、芯片，又称基因芯片（），、芯片，又称基因芯片（）， 实质上是一种高密度的寡聚核苷酸（探针）阵列。实质上是一种高密度的寡聚核苷酸（探针）阵列。 它采用在位组合合成化学和微电子芯片的光刻技术，或者它
20、采用在位组合合成化学和微电子芯片的光刻技术，或者 利用其他方法将大量特定系列的片段（探针）有序利用其他方法将大量特定系列的片段（探针）有序 地固化在玻璃或磋衬底上，从而构成储存有大量生命信息地固化在玻璃或磋衬底上，从而构成储存有大量生命信息 的芯片。的芯片。 5 5、所谓转基因技术就是把外源基因整合到宿主基因组、所谓转基因技术就是把外源基因整合到宿主基因组 中去。中去。 一、概述一、概述 6 6、基因突变：是指由于、基因突变：是指由于DNADNA碱基对的置换、增添或缺失碱基对的置换、增添或缺失 而引起的基因结构的变化，亦称点突变。而引起的基因结构的变化，亦称点突变。 7 7、克隆是英文、克隆是
21、英文clone的音译，简单讲就是一种人工诱导的音译，简单讲就是一种人工诱导 的无性繁殖方式。的无性繁殖方式。 8、基因表达基因表达(gene expression)(gene expression)：是基因的转录、转译：是基因的转录、转译 过程，也就是遗传信息从核酸到蛋白质的传递和实现。过程，也就是遗传信息从核酸到蛋白质的传递和实现。 一、概述一、概述 （二）基因工程（二）基因工程 1 1、定义：将外源基因体外重组后导入受体细胞内，、定义：将外源基因体外重组后导入受体细胞内， 使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。 2 2、理论
22、和技术支撑、理论和技术支撑 （1 1）理论：）理论：4040年代发现了生物的年代发现了生物的遗传物质是遗传物质是DNADNA、5050 年代弄清了年代弄清了DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构、6060年代确定了年代确定了遗传信息的遗传信息的 传递方式。传递方式。 一、概述一、概述 （2 2）技术：工具酶、载体、逆转录酶）技术：工具酶、载体、逆转录酶 2 2、基因工程实施至少四个必要条件：工具酶、基因、基因工程实施至少四个必要条件：工具酶、基因、 载体、受体细胞载体、受体细胞 3 3、基因工程的内容、基因工程的内容 4 4、遗传工程、基因工程、遗传工程、基因工程、DNADNA重组技术的区别重组
23、技术的区别 5 5、基因工程操作的基本技术、基因工程操作的基本技术 一、概述一、概述 二、基因二、基因 （一）结构与功能（一）结构与功能 （二）（二）DNADNA的变性、复性与杂交的变性、复性与杂交 （三）中心法则（三）中心法则 二、基因二、基因 二、基因二、基因 NucleotideNucleotide DNA的双 螺旋结构 二、基因二、基因 二、基因二、基因 二、基因二、基因 二、基因二、基因 二、基因二、基因 二、基因二、基因 二、基因二、基因 RNA Ribonucleic Acid mRNA 依照依照 DNA DNA 上面的核甘酸序列，可上面的核甘酸序列，可翻译翻译成蛋白成蛋白质质的
24、的氨氨基酸序列，基酸序列， 这这是如何做到的？是如何做到的？ (1) (1) DNA DNA 的序列可以的序列可以 A=U A=U 及及 C=G C=G 的互的互补关系补关系，转转成成 messenger RNAmessenger RNA。 (2) mRNA (2) mRNA 与核糖体结合与核糖体结合，准备开始进行转译蛋白质准备开始进行转译蛋白质。 (3) (3) mRNA mRNA 序列以三序列以三个为一组个为一组，称为称为“遗传密码遗传密码”，每组密码每组密码 可对应一种氨基酸可对应一种氨基酸。 (4) (4) 由由 RNA RNA 译成胺基酸序列时，译成胺基酸序列时，需要有需要有“翻译者
25、翻译者”，此此翻译翻译 者即为者即为 tRNAtRNA。 (5) (5) 每个每个 tRNAtRNA可说是一种介面，可说是一种介面，一一边认得特定的边认得特定的 RNARNA密码，密码， 一一边携带对应的氨基酸边携带对应的氨基酸。 (6) (6) 当当 tRNA tRNA 一边认出其特定密码，一边可把所携带的氨基酸一边认出其特定密码，一边可把所携带的氨基酸 接上连接上连成蛋白成蛋白质质。 三、酶三、酶 （一）限制性内切酶（一）限制性内切酶 （二）修饰酶（二）修饰酶 （三）连接酶（三）连接酶 EcoR GAATTC CTTAAG 5533 5533 55G G CTTAACTTAA AATTCA
26、ATTC G G 33 33 55 粘性末端粘性末端 Sma CCCGGG GGGCCC 55 33 33 55 55CCCCCC GGGGGG GGGGGG CCCCCC 33 33 55 平头末端平头末端 （一）限制性内切酶（一）限制性内切酶 史密斯 （1931 - ） 内森斯 （1928 - ） 相同内切酶切出的两相同内切酶切出的两 段粘性末端段粘性末端DNA的互的互 补配对补配对 同尾酶切出的两段粘同尾酶切出的两段粘 性末端性末端DNA的互补的互补 配对配对 两段平末端两段平末端DNA的互的互 补配对补配对 四、载体四、载体 （一）定义、分类、要求（一）定义、分类、要求 （二）载体因宿
27、主而不同（二）载体因宿主而不同 1 1、原核、原核 2 2、真核、真核 3 3、植物、植物 4 4、动物、动物 （一）定义、分类、要求（一）定义、分类、要求 1 1、定义、定义 能承载外源能承载外源DNADNA片段（基因）并带入受体细胞的传递片段（基因）并带入受体细胞的传递 者。者。 2 2、分类、分类 克隆载体、穿梭载体、表达载体克隆载体、穿梭载体、表达载体 3 3、要求、要求 （1 1）自主复制能力）自主复制能力 （2 2）可利用的限制酶切点）可利用的限制酶切点 （二）载体因宿主而不同（二）载体因宿主而不同 1 1、原核、原核 （1 1）质粒质粒载体：能装载载体：能装载1010kbkb左右
28、的左右的DNADNA片段片段 质粒：是能自主复制的双链环状质粒：是能自主复制的双链环状DNADNA分子，它们在细分子，它们在细 菌中以独立于染色体之外的方式存在，一个质粒就是一菌中以独立于染色体之外的方式存在，一个质粒就是一 个个DNADNA分子，分子，1 1kb-200kbkb-200kb。 a a、pBR322pBR322 b b、pUC18/19(p101)pUC18/19(p101) （二）载体因宿主而不同（二）载体因宿主而不同 1 1、原核、原核 （1 1）质粒质粒载体：载体：a a、pBR322pBR322 pBR322 4363 bp Origin of Replication
29、ROP ROI Sal I BamH I Tcr Pvu I Pst I Pst I EcoR I Cla I Hind III Hind II Bal I Apr （二）载体因宿主而不同（二）载体因宿主而不同 1 1、原核、原核 （1 1）b b、pUC18pUC18 BamHI pUC18 2686 bp Apr lacZ ori GAATTCGAGCTCGGTACCCGGGGATCCTCTAGAGTCGACCTGCAGGCATGCAAGCTT 396452 EcoRISstIKpnISmaIXbaISalIPstISphIHindIII 颜色反应：带有没有插入颜色反应：带有没有插入DNA
30、片段的片段的Puc18/19质柆的质柆的 菌落呈蓝色；插入有目的菌落呈蓝色；插入有目的DNA片段，那么就会破坏片段，那么就会破坏lacZ 的结构，导致细菌无法产生功能性的的结构，导致细菌无法产生功能性的lacZ蛋白，也就无蛋白，也就无 法形成杂合法形成杂合半乳糖苷酶，因而菌落是白色的。半乳糖苷酶，因而菌落是白色的。 （2 2）噬菌体载体：能装载）噬菌体载体：能装载2424kbkb左右的外源左右的外源DNADNA。噬。噬 菌体内含双链环形、单链环形、双链线形、单链线形等菌体内含双链环形、单链环形、双链线形、单链线形等 多种形式、大小不一的多种形式、大小不一的DNADNA，且感染率高。且感染率高。
31、 （二）载体因宿主而不同（二）载体因宿主而不同 （3 3）人工载体：大多具有大肠杆菌质粒的抗药性和）人工载体：大多具有大肠杆菌质粒的抗药性和 噬菌体强感染力，同时满足携带真核生物的目的基因大噬菌体强感染力，同时满足携带真核生物的目的基因大 片段片段DNADNA。 柯斯质粒：是将质粒与柯斯质粒：是将质粒与 噬菌体噬菌体DNADNA包装有关的区包装有关的区 段（段（coscos序列）相结合构建而成的克隆载体。能装载序列）相结合构建而成的克隆载体。能装载 3535kbkb45kb45kb的外源的外源DNADNA。 （二）载体因宿主而不同（二）载体因宿主而不同 2 2、真核微生物、真核微生物 （1 1
32、）酵母质粒）酵母质粒 （2 2）人工染色体载体：）人工染色体载体：a a、YACYACb b、BACBAC （二（二 ）载体因宿主而不同载体因宿主而不同 3 3、植物、植物 （1 1）TiTi质粒质粒 （2 2）植物）植物DNADNA病毒（很少应用）病毒（很少应用） （3 3）植物转座子（很有前景）植物转座子（很有前景） 4 4、动物动物 （1 1）取代型）取代型 （2 2）病毒质粒重组型）病毒质粒重组型 （二（二 ）载体因宿主而不同载体因宿主而不同 五、基因重组五、基因重组 （一）目的基因的获得（一）目的基因的获得 1 1、基因的组成基因的组成：结构基因、调节基因、操纵基因：结构基因、调节基
33、因、操纵基因 2 2、目的基因的获得、目的基因的获得 （1 1）原核：）原核：基因文库基因文库 （2 2）真核：）真核：cDNAcDNA、DNADNA的化学合成、的化学合成、PCRPCR （二）目的基因导入受体细胞（二）目的基因导入受体细胞 1 1、受体细胞及分类受体细胞及分类 （1 1）定义：也称宿主细胸或表达系统，主目的基因）定义：也称宿主细胸或表达系统，主目的基因 的表达，名手为复制、转录、翻译、后加工、分泌等提的表达，名手为复制、转录、翻译、后加工、分泌等提 供条件。供条件。 五、基因重组五、基因重组 （2 2）受体细胞选择的原则（）受体细胞选择的原则（p118)p118) (3) (
34、3)分类：微生物表达系统、植物细胞表达系统、动分类：微生物表达系统、植物细胞表达系统、动 物细胞表达系统物细胞表达系统 （4 4）注意区分几个概念）注意区分几个概念 a a 融合系统与融合蛋白融合系统与融合蛋白 b b 瞬时表达系统与稳定表达系统瞬时表达系统与稳定表达系统 c c 导入方法：高等动植物显微注射、电穿孔导入方法：高等动植物显微注射、电穿孔 原核细胞转导、转化原核细胞转导、转化 转化：是指某一基因型的细胞从周围介质中吸收来转化：是指某一基因型的细胞从周围介质中吸收来 自另一基因型细胞的自另一基因型细胞的DNADNA而使它的基因型和表型发生相而使它的基因型和表型发生相 应变化的现象。
35、应变化的现象。 转导：是由病毒介导的细胞间进行遗传交换的一种转导：是由病毒介导的细胞间进行遗传交换的一种 方式，即一个细胞的方式，即一个细胞的DNADNA或或RNARNA通过病毒载体的感染转移通过病毒载体的感染转移 到另一个细胞中。到另一个细胞中。 2 2、导入过程、导入过程 （1 1）目的基因导入克隆载体：强启动子、便于连接、）目的基因导入克隆载体：强启动子、便于连接、 因细胞不同选用合适的载体因细胞不同选用合适的载体 五、基因重组五、基因重组 （2 2）重组）重组DNADNA分子导入受体细胞：分子导入受体细胞： 转化、高压电穿孔法、多聚物介导法、磷酸钙或转化、高压电穿孔法、多聚物介导法、磷
36、酸钙或DEAEDEAE 葡聚糖介导的转染法、原生质体融合法、脂质体介导葡聚糖介导的转染法、原生质体融合法、脂质体介导 法、显微注射法、粒子轰击法、激光微束穿孔法法、显微注射法、粒子轰击法、激光微束穿孔法 ( (三）三）重组体的筛选重组体的筛选 1 1、物理方法：如电泳、物理方法：如电泳 2 2、生物学方法、生物学方法 （1 1）遗传学方法：利用抗生素抗性基因、营养缺陷互补）遗传学方法：利用抗生素抗性基因、营养缺陷互补 法法 （2 2）免疫学方法免疫学方法 （3 3）利用噬菌斑筛选利用噬菌斑筛选 3 3、核酸杂交核酸杂交 基本原理：基本原理：( (探针探针prob)prob) (1) (1)原位
37、杂交原位杂交 （2 2）southernsouthern (3) northern (3) northern ( (四）四）DNADNA序列分析序列分析 1 1、MaxamMaxamGilbertGilbert化学降解法化学降解法 2 2、SangerSanger双脱氧法双脱氧法 Cloning into a PlasmidCloning into a Plasmid Cloning into a Yeast Artificial Chromosome (YAC) Bt毒蛋白基因毒蛋白基因 病毒外壳基因和病毒复制酶基因病毒外壳基因和病毒复制酶基因 几丁质酶基因和抗毒素合成基因几丁质酶基因和抗毒
38、素合成基因 调节细胞渗透压的基因调节细胞渗透压的基因 抗冻蛋白基因抗冻蛋白基因 抗除草剂基因抗除草剂基因 富含赖氨酸的蛋白质编码基因富含赖氨酸的蛋白质编码基因 控制番茄果实成熟的基因控制番茄果实成熟的基因 植物花青素代谢有关的基因植物花青素代谢有关的基因 六、基因工程的环境保护应用六、基因工程的环境保护应用 遭到玉米螟侵害和真菌感染的普通玉米遭到玉米螟侵害和真菌感染的普通玉米(左左)与与Bt玉米玉米(右右) 富含赖氨酸的转基因玉米富含赖氨酸的转基因玉米 l“转基因荧光猪转基因荧光猪” 不含胆固醇的转基因小鼠不含胆固醇的转基因小鼠 荧光斑马鱼荧光斑马鱼荧光热带鱼荧光热带鱼 转基因幼猴和母亲转基因
39、幼猴和母亲 首只转基因猴降生首只转基因猴降生 转基因蝴蝶转基因蝴蝶 1t1t水中只有水中只有1010个病毒也能被个病毒也能被DNADNA探针检测出来探针检测出来 利用基因工程培育的利用基因工程培育的“指示生物指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染 而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。 基因工程做成的基因工程做成的“超级细菌超级细菌”能吞食和分能吞食和分 解多种污染环境的物质。解多种污染环境的物质。 通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，
40、用基因工程培 育成功的育成功的“超级细菌超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有却能分解石油中的多种烃类化合物。有 的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDTDDT等毒害物质。等毒害物质。 下课啦! 第三章环境生物工程基础第三章环境生物工程基础-酶工程酶工程 教学内容教学内容 一、概述 二、酶作用原理 三、酶的生产及分离纯化 四、酶分子修饰 五、酶的固定化 六、酶反应器 七、酶的应用及发展展望 n酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物 具有高效催化作用的蛋白质。具有高效催化作用的蛋白质。 一、概述 n所有生命活动或过程都需要
41、酶的参与所有生命活动或过程都需要酶的参与 （1 1）执行具体生理机能）执行具体生理机能 （2 2）降解大分子）降解大分子 （3 3）协同激素起信号转化、传递、放大作用）协同激素起信号转化、传递、放大作用 （4 4）催化代谢反应）催化代谢反应 n酶的组成和分布是生物进化与组织功能分化的基础酶的组成和分布是生物进化与组织功能分化的基础 n在生物进化过程中形成了从酶的合成到酶的结构和活性各种水平在生物进化过程中形成了从酶的合成到酶的结构和活性各种水平 的调节机构。的调节机构。 （一）结构组成（一）结构组成仅含氨基酸组分仅含氨基酸组分的酶称为的酶称为单纯酶单纯酶 有些酶其分子结构仅由氨基酸组成，没有辅
42、助因子。有些酶其分子结构仅由氨基酸组成，没有辅助因子。 这类酶称为这类酶称为单纯酶单纯酶（simple enzyme）。）。 如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核酸酶等。如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核酸酶等。 （二）结构组成中既含氨基酸组分又含非氨基（二）结构组成中既含氨基酸组分又含非氨基 酸组分的酶称为酸组分的酶称为结合酶结合酶 结合酶结合酶（conjugated enzyme）是除了在其组成中含有由氨）是除了在其组成中含有由氨 基酸组成的蛋白质部分外，还含有非蛋白质部分基酸组成的蛋白质部分外，还含有非蛋白质部分 蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白 ( (apoenzyme)
43、 辅助因子辅助因子 (cofactor) 金属离子金属离子 小分子有机化合物小分子有机化合物 全酶全酶 (holoenzyme) 决定反应的特异性及其催化机制决定反应的特异性及其催化机制 决定反应决定反应 的性质和的性质和 反应类型反应类型 辅助因子分类辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的紧密程度）（按其与酶蛋白结合的紧密程度） 辅酶辅酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松，可用疏松，可用透析或超滤的透析或超滤的 方法除去。方法除去。 辅基辅基 (prosthetic group): 与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密，不能用紧密，不能用透析或超透析或超 滤的方法除去滤的方法除去。
44、必需基团必需基团(essential group) 酶分子中氨基酸残酶分子中氨基酸残 基侧链的化学基团中基侧链的化学基团中， 一些与酶活性密切相关一些与酶活性密切相关 的化学基团的化学基团。 常见的必需基团常见的必需基团 Ser-OHSer-OH His-His-咪唑基咪唑基 Cys-SHCys-SH AspAsp、Glu-COOHGlu-COOH 或称活性部位或称活性部位(active site)，指必需基团指必需基团 在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间 结构的区域，能与底物特异结合并将底物转结构的区域，能与底物特异结合并将底物转 化为产物。化为产物
45、。 酶的活性中心酶的活性中心(active center) 结合基团结合基团 binding group 催化基团催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物催化底物转变成产物 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有位于活性中心以外，维持酶活性中心应有 的空间构象所必需。的空间构象所必需。 活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团 底底 物物 活性中心以外的活性中心以外的 必需基团必需基团 结合基团结合基团 催化基团催化基团 活性中心活性中心 （二）分类 1、分类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、 连接酶或合成酶 一、概述一、概述 CH3CHCOOH OH NAD
46、+H+CH3CCOOH O NADH CH3CHCOOH NH2 HOOCCH2CH2CCOOH O HOOCCH2CH2CHCOOH NH2 CH3CCOOH O H2O COOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH HOOCCH=CHCOOHH2O HOOCCH2CHCOOH OH 一、概述一、概述 二、酶作用原理二、酶作用原理 （1 1）用量少；效率高；反应前后质和量不变）用量少；效率高；反应前后质和量不变 （2 2）加速化学反应的速度，不改变反应的平衡点）加速化学反应的速度，不改变反应的平衡点 (3) (3) 不不能够触发热力学上不能进行的反应。能够触发热力学上不能进行的反应。 （4
47、 4）催化可逆反应的酶对正反应、逆反应都有催化）催化可逆反应的酶对正反应、逆反应都有催化 作用作用 （5 5）降低反应的活化能。）降低反应的活化能。 2 2、作为生物催化剂的特性作为生物催化剂的特性 二、酶作用原理二、酶作用原理 二、酶作用原理二、酶作用原理 二、酶作用原理二、酶作用原理 二、酶作用原理二、酶作用原理 二、酶作用原理二、酶作用原理 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯
48、化三、酶的生产及分离纯化 半匀浆 选材 提取液 粗酶 制品 精制 细胞器 纯酶 酶结晶 抽取或 分散 亲和 分离法 少量酶 分离方法 结晶法 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化
49、 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 PEESSE （2）载体 a.应具有均一、坚实、多孔的网状结构 b.亲水 c.具有可活化和改变的化学基团 d.具有良好的化学稳定性 交联琼脂糖凝胶 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 电泳带电物质在直流电场作用下，向着与其电荷 相反的电极移动的现象。 区带电泳样品溶液在一惰性支持物上进行电泳 的过程。电泳后，不同的蛋白质组成被分离形成带状 区间。区带的位置
50、可用专一蛋白质染料染色显示，有 些也可利用伴有颜色变化的酶催化反应来显示。 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 4.酶分离纯化的电泳技术 a 连续凝胶电泳 b 不连续凝胶电泳 c 浓度梯度凝胶电泳 d SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 4.酶分离纯化的电泳技术 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 4.酶分离纯化的电泳技术 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 4.酶分离纯化的电泳技术 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 4.酶分离纯化的电泳技术 三、酶的生产及分离纯化三、酶的生产及分离纯化 4.酶分离纯化的电泳技术
