1、生物技術(shù)、生物工程與生物制藥第一節(jié) 生物學(xué)簡介一、生物學(xué)發(fā)展簡史進化論和細胞學(xué)說經(jīng)典遺傳學(xué)分子生物學(xué)現(xiàn)代生物技術(shù)二、人類基因組計劃人類基因組計劃(human genome project, HGP)是由美國科學(xué)家于1985年率先提出，于1990年正式啟動的。美國、英國、法蘭西共和國、德意志聯(lián)邦共和國、日本國國和我國科學(xué)家共同參與了這一價值達30億美元的人類基因組計劃。這一計劃旨在為30多億個堿基對構(gòu)成的人類基因組精確測序，發(fā)現(xiàn)所有人類基因并搞清其在染色體上的位置，破譯人類全部遺傳信息。與曼哈頓原子彈計劃和阿波羅計劃并稱為三大科學(xué)計劃。HGP的誕生和啟動 1985年5月在加州Santa Cruz

2、由美國DOE的Sinsheimer RL主持的會議上提出了測定人類基因組全序列的動議，形成了美國能源部的“人類基因組計劃”草案。1988年，美國成立了“國家人類基因組研究中心”1990年10月1日，經(jīng)美國國會批準(zhǔn)美國HGP正式啟動，總體計劃在15年內(nèi)投入至少30億美元進行人類全基因組的分析。 1989年2月英國開始HGP 1990年6月法蘭西共和國的HGP啟動。 1995年德意志聯(lián)邦共和國開始HGP。2、物理圖譜（physical map）物理圖譜是指有關(guān)構(gòu)成基因組的全部基因的排列和間距的信息，它是通過對構(gòu)成基因組的DNA分子進行測定而繪制的。繪制物理圖譜的目的是把有關(guān)基因的遺傳信息及其在每條

3、染色體上的相對位置線性而系統(tǒng)地排列出來。DNA物理圖譜是指DNA鏈的限制性酶切片段的排列順序，即酶切片段在DNA鏈上的定位。因限制性內(nèi)切酶在DNA鏈上的切口是以特異序列為基礎(chǔ)的，核苷酸序列不同的DNA，經(jīng)酶切后就會產(chǎn)生不同長度的DNA片段，由此而構(gòu)成獨特的酶切圖譜。因此，DNA物理圖譜是DNA分子結(jié)構(gòu)的特征之一。DNA是很大的分子，由限制酶產(chǎn)生的用于測序反應(yīng)的DNA片段只是其中的極小部分，這些片段在DNA鏈中所處的位置關(guān)系是應(yīng)該首先解決的問題，故DNA物理圖譜是順序測定的基礎(chǔ),也可理解為指導(dǎo)DNA測序的藍圖。廣義地說，DNA測序從物理圖譜制作開始，它是測序工作的第一步。3、序列圖譜隨著遺傳圖譜

4、和物理圖譜的完成，測序就成為重中之重的工作。DNA序列分析技術(shù)是一個包括制備DNA片段化及堿基分析、DNA信息翻譯的多階段的過程。通過測序得到基因組的序列圖譜。 4、基因圖譜 基因圖譜是在識別基因組所包含的蛋白質(zhì)編碼序列的基礎(chǔ)上繪制的結(jié)合有關(guān)基因序列、位置及表達模式等信息的圖譜。在人類基因組中鑒別出占具2%5%長度的全部基因的位置、結(jié)構(gòu)與功能，最主要的方法是通過基因的表達產(chǎn)物mRNA反追到染色體的位置。 基因圖譜的意義：在于它能有效地反應(yīng)在正?；蚴芸貤l件中表達的全基因的時空圖。通過這張圖可以了解某一基因在不同時間不同組織、不同水平的表達；也可以了解一種組織中不同時間、不同基因中不同水平的表達，

5、還可以了解某一特定時間、不同組織中的不同基因不同水平的表達。 現(xiàn)代生物工程基因工程指在體外將核酸分子插入病毒、質(zhì)粒、或其他載體分子，構(gòu)成遺傳物質(zhì)的新組合，并使之參入到原先沒有這類分子的寄主細胞內(nèi)，而能持續(xù)穩(wěn)定地繁殖，并通過工程化為人類提供有用的產(chǎn)品及技術(shù)服務(wù)的技術(shù)。如：人工合成胰島素基因工程(gene engineering)常和以下名稱混用遺傳工程(genetic engineering);基因克隆(gene cloning);分子克隆(molecular cloning);基因操作(gene manipulation);重組DNA技術(shù)(recombination DNA technique

6、)克隆(clone): 作名詞時指含有某目的DNA片段的重組DNA分子或含有該重組分子的無性繁殖系.作動詞時是指基因的分離與重組過程。 基因工程的主要內(nèi)容1、從復(fù)雜的生物有機體基因組中，經(jīng)過酶切消化或PCR擴增等步驟，分離出帶有目的基因的DNA片段。2、在體外，將帶有目的基因的外源DNA片段連接到能夠自我復(fù)制的并具有選擇記號的載體分子上，形成重組DNA分子。3、將重組DNA分子轉(zhuǎn)移到適當(dāng)?shù)氖荏w細胞(亦稱寄主細胞)，并與之一起增殖。4、從大量的細胞繁殖群體中，篩選出獲得了重組DNA分子的受體細胞克隆。5、從這些篩選出來的受體細胞克隆，提取出已經(jīng)得到擴增的目的基因，供進一步分析研究使用。6、將目的

7、基因克隆到表達載體上，導(dǎo)入寄主細胞，使之在新的遺傳背景下實現(xiàn)功能表達，產(chǎn)生出人類所需要的物質(zhì)。酶工程酶工程酶工程是利用酶、細胞器或細胞所具有的特異催化功能，或?qū)γ高M行修飾改造，并借助生物反應(yīng)器何工藝過程來生產(chǎn)人類所需產(chǎn)品的一項技術(shù)。一、酶的來源提取法化學(xué)合成法發(fā)酵法二、酶的生產(chǎn)菌對菌種的要求： a、產(chǎn)酶量高，酶的性質(zhì)符合使用要求，而且最好是產(chǎn)生胞外酶的菌； b、不是致病菌，在系統(tǒng)發(fā)育上與病原體無關(guān)，也不產(chǎn)生毒素； c、穩(wěn)定，不易變異退化，不易感染噬菌體； d、能利用廉價的原料，發(fā)酵周期短，易于培養(yǎng)。生產(chǎn)酶的來源a、菌種保藏機構(gòu)和有關(guān)研究部門獲得；b、大量要從自然界中分離篩選；自然界是產(chǎn)酶菌種的

8、主要來源，土壤、深海、溫泉、火山、森林等都是菌種采集地。篩選產(chǎn)酶菌的方法：采集、菌種的分離初篩、純化、復(fù)篩和生產(chǎn)性能檢定等。菌種改良的途徑：應(yīng)用遺傳學(xué)原理進行基因突變、基因轉(zhuǎn)移和基因克隆。三、酶的分離純化細胞破碎 酶的提取 高速離心后過濾與膜分離濃縮和干燥純度和活力測定四、酶的分子改造生物酶工程法 基因工程技術(shù)生產(chǎn)酶 蛋白質(zhì)工程技術(shù)改造酶 五、酶與細胞固定化 （一）固定化酶固定化酶（immobilized enzyme）的定義:指限制或固定于特定空間位置的酶。具體講是指經(jīng)物理或化學(xué)方法處理，使酶變成不易隨水流失即運動受到限制，而又能發(fā)揮催化作用的酶制劑。制備固定化酶的過程稱為酶的固定化。固定化

9、所采用的酶，可以是純化的酶，也可以是結(jié)合在菌體（死細胞）或細胞碎片上的酶或酶系。 （二）固定化細胞的定義 將細胞限制或定位于特定空間位置的方法稱為細胞固定化技術(shù)。被限制或定位于特定空間位置的細胞稱為固定化細胞，它與固定化酶同被稱為固定化生物催化劑。細胞固定化技術(shù)是酶固定化技術(shù)的發(fā)展，因此固定化細胞也稱第二代固定化酶。固定化細胞主要是利用細胞內(nèi)酶和酶系，比固定化酶應(yīng)用普遍。六、生物傳感器生物傳感器是利用生物活性物質(zhì)（即生物元件）做敏感器件，配以適當(dāng)?shù)膿Q能器（即信號傳導(dǎo)器）所構(gòu)成的分析檢測工具。目前國際上已研制成功的酶傳感器有20余種，其中最成熟的是葡萄糖傳感器。 細胞工程細胞工程的概念細胞工程是

10、指在細胞水平上的遺傳操作，即通過細胞融合、核質(zhì)移植、染色體或基因移植以及組織和細胞培養(yǎng)等方法，快速繁殖和培養(yǎng)出人們所需要的新物種的技術(shù)。 一、細胞工程的基本內(nèi)容原核細胞核真核細胞指沒有核膜而只有一個構(gòu)成核樣體的染色體且不進行有絲分裂的細胞。細胞表面的一層單位膜，特稱為質(zhì)膜。真核細胞除了具有質(zhì)膜、核膜外，發(fā)達的細胞內(nèi)膜形成了許多功能區(qū)隔。由膜圍成的各種細胞器，如核膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體、葉綠體、溶酶體等。在結(jié)構(gòu)上形成了一個連續(xù)的體系，稱為內(nèi)膜系統(tǒng)。內(nèi)膜系統(tǒng)將細胞質(zhì)分隔成不同的區(qū)域，即所謂的區(qū)隔化。二、植物細胞工程植物細胞培養(yǎng)植物細胞融合轉(zhuǎn)基因植物技術(shù)植物次生代謝物的生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因植物技術(shù)生物藥

11、品（植物抗體）食品工業(yè)用酶農(nóng)作物生物藥品（植物抗體）1989年，Hiatt等將分泌特異性抗體的雜交瘤中得到的抗體的重鏈和輕鏈基因片段轉(zhuǎn)入煙草，在轉(zhuǎn)化株中表達了抗體的重鏈和輕鏈，通過表達重鏈和輕鏈的單株雜交，其后代體內(nèi)得到完整的具有免疫活性的抗體。 動物的免疫系統(tǒng)同樣能夠在植物體內(nèi)發(fā)揮抗病毒的作用。 P137食品在如何對轉(zhuǎn)基因生物作安全性評價，國際上有一個廣泛接受和采用的“實質(zhì)等同”原則。這一原則強調(diào)，評價轉(zhuǎn)基因食品安全性的目的，不是要了解該食品的絕對安全性，而是評價它與非轉(zhuǎn)基因的同類食品比較的相對安全性。在評價時注重“個案分析”，即對轉(zhuǎn)基因食品的安全性不一概而論。 動物細胞工程1975年，著名

12、免疫學(xué)家米爾斯坦和同事克勒爾在英國劍橋大學(xué)分子實驗室內(nèi)巧妙地把B淋巴細胞和能無限生長的骨髓細胞合并成一個雜交瘤細胞。雜交瘤細胞因而具備了雙重特性：既能無限生長，又能產(chǎn)生B淋巴細胞的抗體。當(dāng)雜交瘤細胞注射進老鼠的腹腔后，它就能產(chǎn)一種特異性抗體單克隆抗體。 細胞拆合所謂細胞拆合就是把核與質(zhì)分離開來，然后把不同來源的細胞質(zhì)和細胞核相互配合，形成核質(zhì)雜交細胞。細胞拆合可以分為物理法和化學(xué)法兩種類型 。發(fā)酵工程發(fā)酵：利用微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來制備微生物菌體或其代謝產(chǎn)物的過程。發(fā)酵工程：是一門將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機結(jié)合起來，利用微生物的生長和代謝活動來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)

13、的工程技術(shù)。由于它以培養(yǎng)微生物為主，所以又稱為微生物工程。發(fā)酵工程的歷史地球上有了生命活動就有了發(fā)酵現(xiàn)象始于作為家庭工業(yè)的食品釀造業(yè)啤酒、葡萄酒、白酒、面包、泡菜、醬油、醋、米酒發(fā)酵工程概況特點：投資少見效快污染小外源基因易高效表達比例：占國民生產(chǎn)總值的5%醫(yī)藥產(chǎn)品中，占總產(chǎn)值20%發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用醫(yī)藥行業(yè)食品工業(yè)能源工業(yè)化學(xué)工業(yè)冶金工業(yè)農(nóng)業(yè)環(huán)境保護生物藥物一、生物藥物的概念生物藥物是指運用生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)等研究成果,從生物體、生物組織、細胞、體液等,綜合利用物理學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)、生物技術(shù)、藥學(xué)等學(xué)科的原理和方法制造的一類用于預(yù)防、治療和診斷的制品。（一）生物藥物的原料來源 天然生物材料

14、:動物、植物、微生物 等。 人工生物材料:免疫法制備的動物 原料、基因工程技術(shù)制備的微生 物或其它細胞原料。（二）生物藥物的特性1、藥理學(xué)特性 （1）治療的針對性強：治療的生理生化機制合理，療效可靠。如：細胞色素c治療組織缺氧。 （2）藥理活性高：精制的高活性物質(zhì)，具高效的藥理活性。ATP （3）毒副作用小，營養(yǎng)價值高：主要是蛋白、核酸、糖、脂類。 （4）生理副作用常有發(fā)生：不同生物、不同個體的活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有差異。表現(xiàn)在免疫反應(yīng)和過敏反應(yīng)。二、生物藥物的歷史與發(fā)展P145（一）生物制藥的歷史“五谷為養(yǎng)、五果為助、五菜為充、五畜為益”甲骨文（4000年）記載40多種動物入藥肘后備急方海藻治療甲

15、狀腺孫思邈用羊肝治療“雀目”“本草綱目”收錄 444種動物藥我國現(xiàn)階段的生物藥物是從動物藥開始發(fā)展起來的。如20世紀(jì)50年代的胰島素和腦啡肽。19661972 研究生產(chǎn)停頓。1976年后發(fā)展迅速，稱為“臟器制藥”階段1980年以后，由于生產(chǎn)技術(shù)提高，原料使用面廣，稱為“生化制藥”階段。生物制藥的更新第一代 以生物體活性物質(zhì)為主第二代 利用現(xiàn)代生化技術(shù)得到活性物質(zhì)第三代 利用生物技術(shù)生產(chǎn)天然生化物質(zhì)三、生物藥物的分類與臨床用途1、按藥物的化學(xué)本質(zhì)和化學(xué)特性分類 （1）氨基酸及其衍生物類藥物：天然氨基酸和氨基酸混合物及衍生物 （2）多肽和蛋白質(zhì)類藥物：化學(xué)本質(zhì)相同，性質(zhì)相似，但 Mr不同，在生物學(xué)

16、上性質(zhì)差異則較大。如大小分子的免疫原性差異較大。 （3）酶和輔酶類藥物：分為消化酶類、消炎酶類心腦血管疾病治療酶類、抗腫瘤酶類、氧化還原酶類。種類多，結(jié)構(gòu)各異。 （4）核酸及其降解物和衍生物類藥物：包括核酸、多聚核苷酸、單核苷酸、核苷、堿基等。 （5）糖類藥物：以粘多糖為主。特點是具有多糖結(jié)構(gòu)，由于糖苷鍵的位置不同，多糖種類繁多，藥理功能各異。 （6）脂類藥物：性質(zhì)相似，結(jié)構(gòu)差異較大。主要有脂肪和脂肪酸類、磷脂類、膽酸類、固醇類、卟啉類。 （7）細胞生長因子類：是人或動物各類細胞分泌的具有多種生物活性的因子。是近年來發(fā)展最迅速的生物藥物之一。 （8）生物制品類：作為預(yù)防、治療、診斷特定傳染病和

17、其他疾病的制劑。2、按原料來源分類：有利于對不同原料進行綜合利用、開發(fā)研究。（1）人體組織來源：種類多，療效好，無副作用。但受到法律和倫理的限制，主要有人血液制品、人胎盤制品、人尿制品。（2）動物組織來源：包括動物臟器制藥的全部內(nèi)容。原料來源豐富，價格低廉，可批量生產(chǎn)。但由于動物種族的差異，產(chǎn)品要進行嚴(yán)格的藥理毒理實驗。還有其它小動物產(chǎn)品如蛇毒、蝎毒、蜂毒。（3）植物組織來源：植物藥物是中草藥的主要成分。中藥現(xiàn)代化研究是重點。（4）微生物來源：以抗生素為典型，發(fā)酵技術(shù)是生物制藥的主要內(nèi)容。氨基酸、維生素、酶的生產(chǎn)多用微生物發(fā)酵技術(shù)。（5）海洋生物來源：最新的藥物資源。種類多，資源豐富，潛力大。3、按生理功能和用途分類（1）治療藥物：用于常見病、多發(fā)病。（2）預(yù)防藥物：菌苗、疫苗、類毒素。主要用于傳染病。（3）診斷藥物：速度快、靈敏度高、特異性強。（4）其他生物醫(yī)藥用品：生化試劑、保健品、化妝品、食品、醫(yī)用材料。四、生物藥物的發(fā)展趨勢（一）資源的綜合利用與擴大開發(fā)（二