資源簡介

選修本：緒論 §1、學習高中《生物（選修課）》的意義：人類生存和發展的必須、必要和必然§2、高中《生物（選修課）》的主要內容： ①生物科學與人體健康的關系：人既是生物科學的研究主體，又是研究對象。生物科學研究的重要目的 之一是促進人類自身的健康，研究人體生命活動的調節機制、免疫機制等對增進人體健康具有重要意 義，從分子水平上探尋疾病的產生原因和治療方法。②生物科學與農業的關系：糧食危機的原因：糧 食產量的增長趕不上人口的增長，還有耕地的逐年減少。提高糧食產量的途徑：研究光合作用的機理和 光合作用碳代謝類型，提高光合作用效率；利用生物固氮原理使更多作物具有固氮本領，提高產量減少 污染；培育農作物新品種。③生物科學與生物工程產業：生物工程的范疇：基因工程、細胞工程、發酵 工程、酶工程。生物工程的特點：利用生物資源的可再生性，在常溫常壓下生產產品，從而能夠節約資 源和能源，減少污染。④生物科學與資源利用和環境保護：建立無廢料的生產過程，走可持續發展道路。
第一章 人體生命活動的調節和免疫
§1、人體的穩態
1內環境概念：人體內的細胞外液，構成了體內細胞生活的液體環境，這個液體環境是內環境。
細胞內液 血漿 三者關系：
體液 組織液 血漿 組織液 淋巴
細胞外液（內環境） 淋巴
2內環境穩態
①穩態概念：正常機體在神經和體液調節下，通過各器官系統協調運動，共同維持內環境的相對穩定狀態。
②參與穩態的系統：神經、內分泌、消化、循環、泌尿、呼吸
③血液中PH穩態：緩沖對：H2CO3/NaHCO3、NaH2PO4/Na2HPO4
3穩態的生理意義：是機體進行正常生命活動的必要條件
4水和無機鹽的平衡
體內物質
來源
去 路
水
①飲水②食物中的水③代謝產生的水
①腎臟排尿②皮膚排汗③肺排除水汽 ④大腸排便
鈉鹽
食 物
①腎臟排尿 ②皮膚排汗
鉀鹽
食 物
①腎臟排尿 ④大腸排便
Na＋的排出規律：多進多排、少進少排、不進不排; K＋的排出規律：多進多排、少進少排、不進也排
5水平衡的調節
　　　　　　　　　
6水和無機鹽平衡的意義
K +維持心肌舒張、保持心肌正常興奮性水、鹽丟失的后果：
（1）細胞外液滲透壓下降、血壓下降、心率加快、四肢發冷、甚至昏迷
（2）缺K+心肌的自動節律異常、心律異常
（3）水過少——排尿過少，出現尿中毒
7 Na＋、K＋平衡的調節途徑
水和無機鹽的平衡，對于維持人體的穩態起著非常重要的作用，是人體各種生命活動正常進行的必要條件。
8血糖的平衡
　
人體內血糖
來 源
①消化、吸收 ②肝糖元分解 ③非糖物質轉化
去 路
①氧化分解 ②合成糖元 ③轉化為脂肪和非必需氨基酸
9血糖平衡的調節?
10血糖平衡的意義血糖的平衡對于保證人體各種組織和器官的能量供應以及保持人體健康有重要意義。
11糖尿病及其防治①診斷：血糖高且有糖尿②病因：胰島B細胞受損③癥狀：三多一少（即多食多飲多尿而體重減輕）④防治：基因治療，藥物治療，飲食習慣，加強鍛煉。
12 ①血糖濃度＜50－60mg/dl時低血糖早期癥狀（可以喝葡萄糖水緩解）
②血糖沈度＜45mg/dl時低血糖晚期癥狀（可以注射葡萄糖緩解）
③當空腹時血糖濃度＞130mg/dl高血糖④血糖濃度＞160－180mg/dl糖尿病
13體溫：身體內部溫度。可用口腔、腋窩和直腸溫度代表??14體溫相對恒定的意義：維持內環境的穩定，保證新陳代謝等生命活動正常進行的必要條件??15體溫的調節：
?
§2、免疫
1免疫概念：免疫是機體的一種特殊的保護性生理功能，通過免疫，機體能夠識別“自己”，排除“非己”，以維持內環境的平衡和穩定。 種類：非特異性免疫? 特異性免疫
2非特異性免疫：皮膚、黏膜第一道防線；體液中的殺菌物質和吞噬細胞組成的第二道防線。
3特異性免疫：（1）淋巴細胞的起源：骨髓中的造血干細胞。分化： 造血干細胞在胸腺分化成T細胞、?? ? 造血干細胞在骨髓分化成B細胞。分布：在淋巴器官，如淋巴結、脾、扁桃體等。
免疫系統的組成：免疫器官：胸腺，骨髓、脾、淋巴結等。??? 免疫細胞：淋巴細胞、吞噬細胞等。體液中的各種抗體和淋巴因子等。
（2）抗原概念：凡是能夠刺激機體的免疫系統產生抗體或效應細胞，并且能夠和相應的抗體或效應細胞發生特異性結合反應的物質，就叫做抗原。性質：異物性、大分子性、特異性。
（3）抗體概念：機體受抗原刺激后產生的，并且能與該抗原發生特異性結合的具有免疫功能的球蛋白。分布：主要分布于血清中，也分布于組織液及外分泌液中，如乳汁中，所以新生兒在一定時間內可由于獲得母體乳汁內的抗體而獲得免疫。
（4）體液免疫：概念：靠抗體實現的免疫方式就稱為體液免疫。
過程：感應階段、反應階段、效應階段
（5）細胞免疫的概念：不依靠體液中的抗體，而是依靠T淋巴細胞來完成的免疫方式，稱為細胞免疫。
過程：在感應階段 與體液免疫的基本相同，是刺激T細胞。??? 在反應階段 T細胞受抗原刺激后，分裂分化出大量效應T細胞和記憶細胞。??? 在效應階段 效應T細胞與靶細胞密切接觸，激活靶細胞內的溶酶體酶，使靶細胞裂解死亡，
細胞內的抗原也因此失去藏身之所而被抗體消滅。效應T細胞還能釋放淋巴因子如白細胞介素、干擾素等，通過加強各種有關細胞的作用來發揮免疫效應。
（6）體液免疫與細胞免疫的關系：各自有其獨特的作用，又相互配合，共同發揮免疫效應。舉例：細菌外毒素，結核桿菌等胞內寄生菌和病毒感染等實例說明。
4免疫失調引起的疾病
[1]過敏反應：過敏反應的類型
全身性過敏過敏反應：如青霉素、鏈霉素等藥物引起的過敏性休克
　呼吸道過敏反應：如花粉、塵屑等引起的過敏性鼻炎、過敏性哮喘
　消化道過敏反應：如魚、蝦、蟹等引起的食物過敏性胃腸炎
　皮膚過敏反應　：如藥物、食物等引起的蕁麻疹、濕疹、血管性水腫
⑴概念：已免疫的機體在再次接受相同物質刺激時所發生的反應
⑵特點①發作迅速、反應強烈、消退較快②一般不會損傷組織細胞③有明顯的遺傳傾向和個體差異
⑶過敏原：引起過敏反應的物質叫過敏原。動物蛋白：如魚、蝦、乳、蛋等；植物蛋白：如花粉、孢子；化學物質：如青霉素、奎寧、磺胺等其他：如塵埃
⑷機理：①有些人接觸過敏原時，在過敏原刺激下，效應B細胞產生抗體，這種抗體是一種親細胞抗體，這些抗體吸附在皮膚、呼吸道或消化道粘膜以及血液中的某些細胞的表面。②當相同的過敏原再次進入機體時，就會與吸附在細胞表面的相應抗體結合，使上述組織細胞釋放組織胺等物質，它可引起平滑肌收縮、毛細血管擴張、血管壁透性增強，腺體分泌增加。
③以上物質作用相應的器官和組織，引起局部或全身過敏反應，出現不同的表現。
⑸過敏原與抗原：①抗原一般是大分子物質，但過敏原不一定是大分子物質如青霉素。
　　 ②抗原對所有的人來講都是一樣的，即不具個體差異性。但過敏原與人的體質有關，同一種物質對某個人來講是過敏原，但對另一個人來說不一定是，即具有個體差異。
⑹過敏反應與免疫反應中的抗體：①分布：免疫反應中的抗體分布于血清、組織液和外分泌液中；過敏反應的抗體則分布于皮膚、呼吸道、消化道粘膜及血液中某些細胞的表面。②作用機理：免疫反應中抗體與抗原特異性結合，消滅抗原；過敏反應中，過敏原與細胞表面相應的抗體結合，使細胞釋放組織胺，從而引發過敏反應。
預防措施：找出過敏原，盡量避免再次接觸；服用抗過敏類藥物。
[2]自身免疫病
⑴概念：機體自身免疫反應對自身的組織和器官造成了損傷并出現了癥狀。
⑵實例：風濕性心臟病、類風濕關節炎、系統性紅斑狼瘡等。
[3]免疫缺陷病
概念：是由于免疫功能不足或缺乏而引起的疾病
類型：先天性免疫缺陷?。菏怯捎谶z傳而使機體生來就有的，如先天胸腺發育不全
　　　 獲得性免疫缺陷病：后天由于疾病和其他因素引起的，如營養不良、感染、藥物、腫瘤手術、外傷
實例——艾滋?。ˋIDS）①全稱：獲得性免疫缺陷綜合癥，由艾滋病病毒（HIV）感染引起的。
②病原體存在部位：患者和帶病者的血液、精液、唾液、尿液、淚液、乳汁中。
③傳播途徑：血液傳播：輸血、毒品注射等感染；性傳播：性濫交等感染；母嬰傳播：胎盤感染、哺乳感染
⑷機理：攻擊人的免疫系統，特別是侵入T細胞，使T細胞大量死亡，導致患者喪失幾乎全部的免疫能力。
[4]免疫治療概念：通過對人體輸入抗體、胸腺素、淋巴因子或某些藥物等，調整病人的免疫功能，從而達到治療疾病的目的。
[5]器官移植：成敗關鍵： 供者與受者的HLA是否一致或相近、使用免疫抑制劑
第二章 光合作用與生物固氮
§1、光合作用
1光能在葉綠體中的轉換
（1）光能轉換成電能：①光合色素的作用：吸收和傳遞光能：包括大多數葉綠素a、所有胡蘿卜素、葉黃素和葉綠素b。吸收和轉換光能：包括少數特定狀態下的葉綠素a。
②過程：最初電子供體：水（2H2O→4H＋＋O2＋4e－）；最終電子供體：NADP+
特殊狀態下葉綠素a失去的電子后自身變成一種強氧化劑
③場所：葉綠體的類囊體
（2）電能轉換成活躍的化學能
?、龠^程：NADPH的形成：NADP＋＋2e＋H＋　 NADPH；ATP的形成：ADP＋Pi＋電能ATP
?、趫鏊喝~綠體的類囊體
（3）活躍的化學能轉換成穩定的化學能
①過程：CO2的固定：CO2＋C52C3 ；C3的還原：2C3（CH2O）＋C5＋H2O
　②場所：葉綠體的基質中
小結：光能→電能→活躍的化學能（貯存在ATP、NADPH中）→穩定的化學能（貯存在糖類等有機物中）
2 C3植物和C4植物生理特征
特　征
C3植物
C4植物
植物類型
典型的溫帶植物小麥、大豆等
典型熱帶或亞熱帶植物玉米、甘蔗、高粱、莧菜
葉片結構
維管束鞘細胞不含葉綠體，葉肉細胞含葉綠體，維管束鞘細胞周圍葉肉細胞排列松散，沒有“花環型”結構
維管束鞘細胞含許多沒有基?；蚧０l育不良的較大的葉綠體；葉肉細胞葉綠體較少、較小，但有基粒。且維管束鞘的外側密接一層環狀排列的葉肉細胞，組成“花環型”結構
CO2固定途徑
C3途徑
C4途徑和C3途徑
最初CO2受體
C5
C3
CO2固定的最初產物
C3
C4
光合最適溫度
15℃－25℃
30℃－47℃
CO2固定場所
葉肉細胞葉綠體
C4途徑：葉肉細胞葉綠體
C3途徑：維管束鞘細胞葉綠體
光合產物形成場所
葉肉細胞
維管束鞘細胞
3C4植物和C3植物的光合作用
C3植物的光合作用：C3植物僅有葉肉細胞含葉綠體，整個光合過程都是在葉肉細胞里進行，光合產物亦只是積累在葉肉細胞中，維管束鞘細胞不積存光合產物，CO2固定途徑僅有C3途徑。
（2）C4植物的光合作用：葉肉細胞中的葉綠體進行C4途徑和光反應，維管束鞘細胞中進行CO2固定途徑C3途徑（暗反應），光合產物只積累在維管束鞘薄壁細胞中。
4提高農作物的光能利用率
（1） 光能利用率概念：??是指單位土地面積上，農作物通過光合作用所產生的有機物中所含的能量，與這塊土地所接受的太陽能的比。
（2）光照強弱的控制：陽生植物和陰生植物；光質對提高光能利用率的影響：藍光下蛋白質多，紅光下糖多。
（3）二氧化碳的供應： 二氧化碳的含量對光合作用的強弱影響；提高二氧化碳濃度的措施：合理密植，通風透光；使用農家肥或二氧化碳發生器。
（4）必須礦質元素的供應：
①氮元素在植物生命活動中的作用：氮元素是蛋白質的主要組成元素，而蛋白質是細胞結構和酶的重要組成成分；氮元素是ATP中腺苷的組成元素；光反應的電子受體NADP+含有氮元素；核酸中有含氮的堿基。
②磷元素在植物生命活動中的作用：生物膜結構的組成成分磷脂中含有磷元素；磷元素是DNA和RNA的組成成分；磷元素是ATP和NADPH的組成元素。
③鎂和鉀元素在植物生命活動中的作用：? 鎂元素是葉綠素的組成成分。植物缺鎂時，葉綠素不能合成，在老葉上表現為缺綠，嚴重影響光合作用的效率。鉀元素能促進糖類物質運輸到儲藏器官，并促進儲藏器官合成多糖，例如，種植馬鈴薯、水稻、小麥等以收獲淀粉為主的作物要多施鉀肥。植物缺鉀時，蛋白質分解，葉綠素破壞，葉色變黃卷曲，莖桿易倒伏，抗旱抗寒能力降低。
§ 2、生物固氮1生物固氮的概念：是指固氮微生物將大氣中的氮還原成氨的過程
2固氮微生物的種類：（1）共生固氮微生物：①概念：象根瘤菌與豆科植物這樣，能與一些綠色植物互利共生的固氮微生物叫共生固氮微生物。②分布：廣泛分布在表層土壤中③實例：根瘤菌：形態特征：棒槌形、“T”形、“Y”形；代謝類型：需氧異養型；生理特征：與豆科植物互利共生但有專一性，植物開花之前，其固氮能力最強；根瘤的形成和作用：形成：根內薄壁細胞分裂，作用：“小氮肥廠”一旦破潰，會將其中的根瘤菌和一些含N化合物釋放到土壤中，提高土壤肥力。
（2）自生固氮微生物：?、俑拍睿褐冈谕寥乐心軌颡毩⑦M行固氮的微生物②代謝類型：異養需氧型
③實例：圓褐固氮菌：形態特征：桿菌成短桿菌、單生或對生；作用：有較強的固氮合物，并且能夠分泌生長素，促進植株生長和果實發育；應用：制成菌劑。
3生物固氮的意義：氮循環過程
⑴自然界的固氮途徑有：生物固氮、工業固氮、高能（閃電）固氮，大氣中的氮通過這些途徑進入生態系統。生物固氮和工業固氮相比好處：工業固氮需極高的溫度和壓力，對大氣產生嚴重污染，生物固氮在常溫常壓條件下可以完成，對大氣沒有任何不良影響。
⑵生物體內有機氮的合成
　植物：無機氮（如銨鹽、硝酸鹽）　　　　　　　有機氮（如蛋白質）
　動物：植物體內有機氮　　　　　動物體內有機氮
⑶氨化作用：
動植物遺體排出物、殘落物中的有機氮無機氮（NH3）
⑷硝化作用
　　 ⑸反硝化作用
　　 （N2離開生態系統返回大氣）
　 硝化細菌和反硝化細菌的代謝類型是（自養需氧和異養厭氧）
4生物固氮在農業生產中的應用：氮素是農作物從土壤中吸收的一種大量元素，土壤每年要失去大量的氮素，必定要通過一定途徑彌補損失。
⑴土壤獲得氮素的途徑：含氮肥料的施用；生物固氮。
⑵應用：對豆科作物進行根瘤菌拌種；用豆科植物作綠肥；用新鮮的豆科植物飼養家畜，其糞便還田；
　　 利用固氮基因工程使農作物自行固氮。
第三章遺傳與基因工程
§1、細胞質遺傳
1典型實例：紫茉莉花斑枝條的遺傳
2主要特點：母系遺傳；雜交后代無一定的分離比。
3形成原因：受精卵的細胞質幾乎全部來自卵細胞，在減數分裂形成配子時，細胞質遺傳物質隨機、不均等分配。
4物質基礎：葉綠體、線粒體內細胞質結構中的DNA。
5實踐應用：利用雄性不育三系法培育雜交水稻。
6.線粒體和葉綠體是半自主細胞器：線粒體和葉綠體中除有DNA外，還有RNA（mRNA、tRNA和rRNA）、核糖體、氨基酸活化酶等。
7三系育種：不育系、保持系、恢復系；兩系法雜交稻它與三系法相比，省略了三系法中的保持系，（光溫敏型雄行不育系，在長日照、高于臨界溫度23℃時表現為雄性不育；而在短日照、低溫時表現為雄性可育。）使程序簡化，周期短，雜種優勢更強，增產潛力更大。
8比較細胞質遺傳和細胞核遺傳
細胞核遺傳
細胞質遺傳
概 念
真核細胞中由細胞核遺傳物質控制的遺傳現象
真核細胞中由細胞質遺傳物質控制的遺傳現象
遺傳物質都是DNA，但是分布的位置不同
細胞核中
細胞質中
遺傳橋梁都是配子
雌雄配子的核遺傳物質相等
細胞質遺傳物質主要來源于卵細胞中
性狀表達是通過體細胞進行的
遺傳物質按三個遺傳定律分離
遺傳物質的隨機分離
F1的表現型
正反交結果相同，F1均表現顯性親本性狀
正反交結果不同，F1的性狀均與母本相同
雜交后代性狀比例
有一定的分離比
無一定分離比
舉 例
豌豆的性狀遺傳
紫茉莉花斑枝條的遺傳
§2、基因的結構
1原核細胞的基因結構：編碼區：能夠轉錄為相應的信使RNA，進行指導蛋白質合成，即編碼蛋白質的區段；非編碼區：不能編碼蛋白質的區段。編碼區上游的非編碼區上有RNA聚合酶結合位點。
2真核細胞的基因結構：編碼區：間隔的、不連續的。含外顯子：能編碼蛋白質的序列；內含子：不能編碼蛋白質的序列；外顯子在整個基因中所占比例較小。非編碼區：不能編碼蛋白質的區段。編碼區上游的非編碼區上有RNA聚合酶結合位點。
3人類基因組研究：（1）概念：人類基因組是指人體DNA分子所攜帶的全部遺傳信息。（2）組成：人的單倍體基因組由24條雙鏈DNA分子組成，包括1~22條常染色體DNA與X、Y染色體DNA，上有30億個堿基對，估計有3~5萬個基因。
4人類基因組計劃：
（1）概念：人類基因組計劃就是分析測定人類基因組的核苷酸序列。
（2）內容：繪制人類基因組的四張圖，即遺傳圖、物理圖、序列圖和轉錄圖。
（3）參與國家：美國、英國、法國、德國、日本、中國。
（4）意義：對于各種疾病，尤其是各種遺傳病的 診斷、治療具有劃時代的意義；對于進一步了解基因表達的調控機制、細胞的生長、分化和個體發育的機制，以及生物的進化等也具有重要的意義。同時，這一計劃的實施，將推動 生物高新技術的發展，并產生巨大的經濟效益。
§3、基因工程簡介
1基因工程的基本內容
（1）基因工程的概念：又叫基因拼接或DNA重組技術。是在生物體外，通過對DNA分子進行人工“剪切”和“拼接”，對生物的基因進行改造和重組，然后導入受體細胞內進行無性繁殖，使重組基因在受體細胞內表達，產生出人類所需要的基因產物。就是按照人們的意愿，把一種生物的個別基因復制出來，加以修飾改造，然后放到另一種生物的細胞里，定向地改造生物的遺傳性狀。
（2）基因操作的工具：
①基因的剪刀——限制性內切酶
1）分布：主要在微生物中；2）作用：特異性，即識別特定核苷酸序列、切割特定切點
3）結果：產生黏性末端（堿基互補配對）
②基因的針線——DNA連接酶
1）連接部位：磷酸二酯鍵（梯子的扶手），不是氫鍵（梯子的踏板）；
2） 作用結果：兩個相同的黏性末端連接
③基因的運輸工具——運載體
1）作用：將外源基因送入受體細胞
2）運載體的條件：能在宿主細胞內復制并穩定地保存。具有多個限制酶切點。具有某些標記基因。
3）種類：質粒、噬菌體和動植物病毒等
4）質粒的特點：質粒是基因工程中最常用的運載體。最常用的質粒是大腸桿菌的質粒。存在于許多細菌及酵母菌等生物中。質粒的存在對宿主細胞無影響。質粒的復制只能在宿主細胞內完成。細胞染色體外能自主復制的小型環狀DNA分子。
（3）基因操作的基本步驟
① 提取目的基因
提取目的基因的途徑：直接分離：鳥槍法；人工合成基因：反轉錄法；用已知的氨基酸序列合成DNA。
②目的基因與運載體結合：同一種限制酶切割目的基因和質粒，加入DNA連接酶，形成重組DNA。
③將目的基因導入受體細胞：1）受體細胞的種類：大腸桿菌、枯草桿菌、土壤農桿菌、酵母菌和動植物細胞2）導入方法：借鑒細菌或病毒侵染細胞的途徑（細菌要用氯化鈣處理）
④目的基因的檢測與表達：
1）檢測：通過檢測標記基因的有無，來判斷目的基因是否導入
2）表達：通過特定性狀的產生與否來確定目的基因是否表達
2基因工程的成果與發展前景
（1）基因工程與醫藥衛生
①生產基因工程藥品：胰島素、干擾素、乙肝疫苗、人生長激素、白細胞介素等
②用于基因診斷與基因治療：1）基因診斷：用放射性同位素、熒光分子等標記的DNA分子做探針，利用DNA分子雜交的原理（DNA探針檢出肝炎；β-珠蛋白檢出鐮刀型細胞貧血癥；苯丙氨酸羧化酶基因探針檢出苯丙酮尿癥） 2）基因治療：把健康的外源基因導入有基因缺陷的細胞
（2）基因工程與農牧業、食品工業
①農業上的應用：1）獲得高產、穩產和具有優良品質的農作物2）培育出具有各種抗逆性的作物新品種
②畜牧業上的應用：1）培育各種具有優良品質的動物（將人的生長激素基因和牛的生長激素基因注射到小白鼠受精卵中，得到“超級小鼠） 2）利用動物乳腺細胞獲得人類所需要的各種物質
③食品工業上的應用：為人類開辟新的食物來源
（3）基因工程與環境保護：①用于環境檢測：DNA探針檢測水中病毒②用于被污染環境的凈化：一種假單胞桿菌的細菌只能分解石油中的某一種成分，“超級細菌”能同時分解四種烴類。
第四章細胞與細胞工程
§1、細胞的生物膜系統
1各種生物膜在結構上的聯系： 2各種生物膜在功能上的聯系：
3各種生物膜的化學組成大致相同（蛋白質、脂質、糖類）但含量有差別。
4生物膜系統的概念：細胞內由細胞膜、核膜、內質網膜、高爾基體膜、線粒體膜、質體膜等膜結構組成的統一整體。
5生物膜系統的功能：①使細胞具有一個相對穩定的內部環境，在物質的運輸與交換及信息傳遞中起決定性作用；②增大膜的面積，供酶、核糖體等附著在上面，使各種化學反應有序的進行；③將細胞分隔成許多小區室，使各種化學反應能同時進行而不互相干擾。
6研究生物膜的重要意義：①理論上闡明細胞的生命活動規律②工業上成為人工模擬的對象（濾去鹽分、處理污水）③農業上研究農作物的抗旱、抗寒、耐鹽④醫學上人工合成膜材料代替病變器官（人工腎）。
§2、細胞工程簡介
1細胞工程概念：是指應用細胞生物學和分子生物學的原理和方法，通過某種工程學手段，在細胞整體水平或細胞器水平，按照人們的意愿來改變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產品的一門綜合科學技術。
2植物細胞工程
（1）細胞的全能性：生物體的細胞具有使后代細胞形成完整個體的潛能。細胞的全能性是細胞工程的原理。其物質基礎是每一個細胞都含有本物種所有的全套遺傳物質，具有全部的基因。受精卵的全能性最高，卵細胞已分化全能性較高，體細胞全能性比生殖細胞低。
分化實質上是基因在特定的時間和空間條件下選擇性的表達的結果。
植物細胞在一定的營養物質、激素和其他外界條件下，就可表現出全能性。
植物組織培養： ①原理：依據細胞的全能性。
②過程：
脫分化 再分化
離體的植物器官、組織或細胞 愈傷組織 　根、芽 植物體
脫分化：由高度分化的植物器官、組織或細胞產生愈傷組織的過程，稱為植物組織的脫分化（去分化）。
脫分化：是指已經分化的細胞失去其特有的結構和功能變成具有未分化細胞 （胚性細胞）特征的過程。
愈傷組織：細胞排列疏松而無規則，是一種高度液泡化的呈無定形狀態的薄壁細胞。
再分化：是指已去分化的胚性細胞在某種誘導因素的激活下，再出現程序化的分化。
植物體細胞的組織培養是一種無性生殖
③植物組織培養的應用：快速培養、培育無病毒植株、生產藥物、食品添加劑、香料、色素、和殺蟲劑（紫草愈傷組織中可提取紫草素）、人工種子轉基因植物的培育、植物體細胞雜交等。
（3）植物體細胞雜交：
①植物體細胞雜交的過程：
A.制備原生質體，用纖維素酶、果膠酶分解細胞壁。
B.誘導融合，注意物理方法的類型（離心、振動、電刺激）和化學方法的藥劑——聚乙二醇。
C. 植物細胞A和植物細胞B雜交時，除了產生AB型融合細胞外，還可以產生AA、BB型，只不過這兩種融合細胞不是人們所需要的類型。
D.篩選和組織培養。
②優點：可以克服遠源雜交不親和的障礙。
3動物細胞工程：常用的技術手段有：動物細胞培養、動物細胞融合、單克隆抗體、胚胎移植、核移植。
（1）動物細胞培養： 細胞培養按細胞的來源不同可以分為原代培養和傳代培養。
A. 原代培養：培養的細胞直接來源于動物的組織叫原代培養。動物的組織可以取自胚胎，幼小的動物或成年的動物，可以是病理性的，特別是腫瘤組織。具體做法是：先將組織盡量剪碎，然后用胰蛋白酶液消化成分散的細胞，過濾除去纖維類物質，再把細胞放到培養液中培養。
B. 傳代培養：細胞在培養容器的表面長滿后，可以用胰蛋白酶把細胞消化下來，使其分散為懸浮的單個細胞，用培養液稀釋后，重新接種于新的培養容器中繼續培養。傳代細胞分為細胞株和細胞系兩大類。
應用：大面積燒傷病人的皮膚細胞的移植。單克隆抗體的制備。
（2）動物細胞融合：細胞融合是指兩個或兩個以上的細胞融合為一體的現象。它可以是自然發生的或人工誘導的。自然界中細胞融合是經常發生的，有性生殖中精卵結合是其中的例子。人工誘導的細胞融合是利用誘導劑使細胞或原生質體融合在一起。動物細胞融合要求掌握的情況與植物相似。如過程、方法、誘導條件（劑）、結果等。動物細胞融合常常用到的誘導劑是滅活的仙臺病毒，植物不用。
（3）單克隆抗體：抗體是由B淋巴細胞制造的。每一種淋巴細胞只制造單一特異性的一類抗體分子，但因為體內有大量的不同淋巴細胞，所以動物體內的抗體是一種混合物。如果能分離出單個的淋巴細胞，讓它形成一個克隆，那么這個克隆的所有細胞制造的抗體都是一樣的，這樣的抗體叫單克隆抗體。但是，在體外培養的條件下，一個淋巴細胞是不可能無限增殖的。
①雜交瘤細胞的制備過程：首先用抗原免疫小鼠，然后取免疫小鼠的脾臟細胞（含有大量的淋巴細胞），與體外培養的骨髓瘤細胞混合，以聚乙二醇誘導融合。將融合后的細胞放到選擇性培養基上培養，在這種培養基中只有雜交細胞可以成活，別的細胞死亡。將成活的雜交細胞克隆化培養，檢測能否產生抗體。要獲得單克隆抗體可以培養雜交瘤細胞，從培養液中分離抗體；也可以將雜交瘤細胞注射到小鼠的腹腔內，待其產生出腫瘤后，從腹水中分離出單克隆抗體。大量克隆抗體可以通過雜交瘤細胞的大規模培養來生產。
②單克隆抗體比起血清抗體的優點：首先，它特異性好，反應專一，只對單一的抗原決定起反應；其次，一旦制備成功，理論上就可以一勞永逸地大量生產抗體，不用這反復去免疫動物。
③單克隆抗體的醫學應用價值：由于單克隆抗體的高度特異性，在醫學檢驗中，被用來對各種傳染病和腫瘤的診斷、治療和預防具有重要意義。為了增強藥物抗癌的選擇性，可以制備針對腫瘤細胞的單克隆抗體，把一些毒素分子與此抗體相連，制成“生物導彈”，這樣就可以將藥物導向癌細胞靶子，不再對正常細胞造成傷害。
第五章微生物與發酵工程
§1、微生物的類群
1細菌（1）結構：單細胞原核生物，其基本結構包括細胞壁、細胞膜、細胞質和擬核。
細胞質：含核糖體，貯藏顆粒（如淀粉粒、硫粒），質粒（上有基因與細菌的杭藥性、固氮、抗生素生成有關）。
擬核：環狀DNA反復折疊纏繞呈棒狀、啞鈴狀或球狀，控制著細菌的主要遺傳性狀。
（2）特殊結構：莢膜、鞭毛、芽孢
（3）繁殖：二分裂（發生DNA分子復制）
（4）菌落：可形成多種菌落（固體培養基中，肉眼可見的，具一定形態結構的子細胞群體），具有大小、形狀、光澤度、顏色、硬度、透明度等特征是鑒定菌種的依據。
2放線菌：單細胞原核生物，多數抗生素都是由放線菌產生的。
3病毒：①結構：主要由核酸和衣殼構成。有些病毒外面有囊膜（由蛋白質、多糖、脂類構成）囊膜上有刺突如流感病毒。衣殼決定病毒抗原特異性。一種病毒只有一種核酸。②在宿主活細胞中進行增殖（以噬菌體為例）：吸附→注入核酸→合成蛋白質、復制核酸→裝配→釋放
§2、微生物的營養、代謝和生長
1微生物的營養：碳源、氮源、生長因子、水和無機鹽C、H、O、N占細胞干重90%以上。
（1）碳源：無機碳源(CO2、NaHCO3、CaCO3等含碳無機物)有機碳源：即含碳有機物糖、脂、蛋白質、有機酸等和天然含碳物質(石油)②功能：用于構成微生物的細胞物質和一些代謝產物；既是碳源能源又是一種雙功能的營養物（洋蔥假單胞菌能利用90多種含碳化合物）
（2）氮源：①種類：無機氮：NH3、銨鹽、硝酸鹽、N2；有機氮：復雜蛋白質(如牛肉膏、蛋白陳)、核酸、尿素、一般氨基酸將無機氮合成菌體蛋白或含氮的代謝產物(如氨基酸等)；合成微生物的蛋白質、核酸及含氮的代謝產物(如氨基酸等)
（3）生長因子：①概念：微生物生長不可缺少的微量有機物。②種類：維生素、氨基酸、堿基、酵母膏、蛋白胨、組織提取液③功能：酶和核酸的組成成分；參與代謝過程中的酶促反應。
（4）培養基的配制原則：①目的明確②營養協調：谷氨酸生產中，當C/N=4：1時菌體大量繁殖，當C/N=3：1時谷氨酸合成增多③PH要適宜：放線菌7.5—8.5細菌6.5—7.5霉菌4.0—5.8真菌5.0—6.0（酵母菌3.8—6.0）
（5）培養基的種類：①根據物理性質的不同分為：固體培養基：用于微生物的分離、計數；半固體培養基：用于觀察微生物的運動、鑒定菌種；液體培養基：用于工業生產。②根據化學成分分為：合成培養基：用已知成分的化學物質配成；天然培養基：用成分不明確的天然物質配成，用于工業生產③根據用途分為：選擇培養基：加入某種化學物質，抑制不需要的微生物生長，促進所需要微生物生長；鑒別培養基：加入指示劑或化學藥品配制而成，用于鑒別微生物。實例：加入青霉素的培養基：分離酵母菌、霉菌等真菌（抑制細菌、放線菌）
加入高濃度食鹽的培養基：分離金黃色葡萄球菌（抑制多種細菌）
不加氮源的無氮培養基：分離固氮菌
不加含碳有機物的無碳培養基：分離自養型微生物
加入氨基嘌呤、次黃嘌呤和胸腺嘧啶核苷的培養基：分離雜交瘤細胞
伊紅和美藍培養基：鑒別大腸桿菌，菌落呈深紫色，帶金屬光澤
2微生物的代謝：（1）微生物代謝：微生物代謝是指微生物細胞內所發生的全部化學反應。
（2）微生物代謝的特點：代謝異常旺盛，對物質的轉化利用快。
其原因：微生物的表面積與體積比很大，有利于與外界環境進行物質交換。
（3）微生物的代謝產物：微生物的代謝產物分為初級產物(合成不停；缺少不行；種類基本相同)和次級產物（種類不同；有無都行）。
①初級代謝產物是生長繁殖必須的一直產生分布在細胞內如：氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維生素②次級代謝產物不是生長繁殖必須的是生長到一定階段產生具有特異性分布在細胞內或外如：抗生素、毒素、激素、色素等
（4）微生物代謝的調節：①酶合成的調節
　　 a．組成酶在細胞內一直存在，它的合成只受基因調控；誘導酶只有環境中存在誘導物才能合成它的合成受基因與誘導物共同控制；
　　 b．酶合成調節的對象是誘導酶；調節的結果是使細胞內酶的種類增多；
　　 c．酶合成調節的機制(本質)——原核生物基因表達的調控，如大腸桿菌乳糖操縱子學說；
　　 d．酶合成調節的意義：既保證代謝需要，又避免細胞內物質和能量浪費，增強適應性。
　　 ②酶活性的調節
　　 a．酶活性調節的對象是酶(組成酶和誘導酶)的催化能力，調節的結果是酶量發生變化；
　　 b．酶活性調節的機制——通過酶與代謝過程產生物質的可逆性結合進行調節；
　　 c．酶活性調節的特點：快速、精確；
　　 d．酶活性調節的意義：避免代謝產物積累過多。
　　 ③兩種調節方式的區別與聯系：區別：
　　 A． 從調節對象看：酶合成的調節是通過酶量的變化控制代謝速率，而酶活性的調節是對已存在的酶活性進行控制，它不涉及酶量變化。
　　 B．從調節效果來看：酶活性調節快速而精細；
　　 C．從調節機制看，酶合成調節是基因水平調節，它調節控制酶合成；酶活性調節是代謝調節，它調節酶活性。
　　 聯系：細胞內兩種方式同時存在，密切配合，高效、準確控制代謝的正常進行。
　?。?）微生物代謝的人工控制：人工控制微生物代謝的目的——最大限度積累對人類有用的代謝產物。以黃色短桿菌生產賴氨酸、谷氨酸棒狀桿菌生產谷氨酸為例，說明人工控制微生物代謝的方法
　　 ①人工控制黃色短桿菌的代謝過程生產賴氨酸。由蘇氨酸、賴氨酸共同積累過量會抑制天冬氨酸激酶的活性，而賴氨酸單獨過量不會出現抑制的。最后落腳點是：通過誘變育種選育不能合成高絲氨酸脫氫酶的菌種作為工業微生物，達到大量生產賴氨酸的目的。
　　 ②人工控制谷氨酸棒狀桿菌生產谷氨酸。由谷氨酸積累過量會抑制谷氨酸脫氫酶活性的特點，改變細胞膜透性，由此可大量生產谷氨酸。
　?。?）發酵：通過微生物的培養，大量生產各種代謝產物的過程。分類：
根據培養基狀態分：固體發酵、液體發酵；據產物分：抗生素發酵、維生素發酵、氨基酸發酵；根據對氧的需求分：厭氧發酵：如酒精發酵、乳酸發酵；需氧發酵：如抗生素發酵、氨基酸發酵
3微生物的生長：常以微生物的群體為單位來研究。微生物群體生長的規律：以細菌為例說明。測定群體生長的方法：一種是測定細菌的細胞數目，另一種是測重量。微生物群體生長規律的曲線——生長曲線。
　?。?）繪制方法：將少量的某種細菌接種到恒定容積的液體培養基中。適宜條件培養，定期取樣測定培養基里的細菌群體的生長情況（以時間作橫坐標，以細菌數目的對數作縱坐標得到生長曲線）
（2）細菌的生長曲線：它描述了細菌群體從開始生長到死亡的動態變化過程。
（3）主要時期
　　 ①調整期：a.細菌對新環境的短暫調整或適應過程；
b.菌體特點：不分裂繁殖、代謝活躍、體積增長較快、大量合成分裂所需酶類、ATP及其它細胞成分。
c.調整期的長短與菌種、培養條件等因素有關。
　　 ②對數期：a.該期細菌進入快速分裂階段；b.數目增長的特點：等比數列形式增加；
　　 c.菌體特點：代謝旺盛、個體形態和生理特性比較穩定；d.應用：常作為生產用菌種和科研材料。
　　 ③穩定期：a整個培養基中新增細胞數和死亡細胞數達到動態平衡。營養物質的消耗　細胞分裂速率下降 b原因:有害代謝產物的積累,pH變化,死亡細胞數目增加,活菌數目達到最高峰。
　　 c菌體特點，大量積累代謝產物,特別是次級代謝產物，? 形成芽孢。
　　 d應用：獲取次級代謝產物的最佳時期；適當補充營養物質，有助于延長穩定期，提高產量。
　　 ④衰亡期：a.細菌的死亡速率超過繁殖速率，活菌數目急劇下降
　　 b.菌體特點：細胞出現多種形態，甚至畸形；有些細胞開始解體；釋放代謝產物
　　（4）實踐意義：連續培養法
　　? ①概念：在一個流動裝置中，以一定速度不斷添加新培養基，同時又以同樣速度不斷排出老培養基。
　　 ②目的：保證微生物對營養物質的需要，排出部分有害代謝產物，使微生物保持較長時間的高速生長。
　　 ③應用：酒精、丙酮、丁醇等的生產。④意義：縮短培養周期，提高設備利用率，且便于自動化管理。
　?。?）影響微生物生長的環境因素：很多，主要是溫度、pH、氧。
　　 ①溫度：微生物生長最旺盛時的溫度叫最適宜生長溫度；絕大多數微生物最適宜生長溫度為25—37℃；最適生長溫度范圍內，微生物生長速率隨溫度上升而加快；超過最適生長溫度后，微生物生長速率急劇下降。原因：細胞內蛋白質和核酸等發生不可逆破壞。
②pH：每種微生物最適pH 不同；超過最適pH，影響酶活性、細胞膜穩定性等，從而影響微生物對營養物質的吸收。
　　 ③氧：依據對氧的需求，微生物分為：1）好氧型微生物，例：多數細菌，大多數真菌；
　　 2）厭氧型微生物? 例：某些鏈球菌，某些產甲烷桿菌。 3）兼性厭氧型微生物? 例： 酵母菌。
§3、發酵工程簡介
1應用發酵工程的生產實例―－谷氨酸發酵
（1）常用菌種：谷氨酸棒狀桿菌、黃色短桿菌（異養需氧）。
（2）培養基：液體培養基、天然培養基。原料：豆餅水解液、玉米漿、尿素、磷酸二氫鉀、氧化鉀、硫酸鎂、生物素（生長因子）
（3）發酵過程：罐連續培養?？刂茥l件：溫度、PH值、溶氧、攪拌速度。谷氨酸用Na2CO3中和后，過濾、濃縮、離心分離制成味精。
2發酵工程內容： 菌種的選育、培養基的配制、滅菌、擴大培養和接種、發酵過程、產品的分離提純。
（1）菌種的選育:以谷氨酸發酵（基因突變）、人的胰島素（基因工程）、單克隆抗體（細胞工程）即誘變育種、基因工程、細胞工程的方法獲得菌種。
（2）擴大培養是將培養到對數期的菌體分開，分頭進行培養，以促使菌體數量快速增加，能在短時間里得到大量的菌體。（擴大培養是為了讓菌體在短時期內快速增殖，而發酵過程中的培養是為了獲得代謝產物，目的不同采用的培養條件就有可能不同。例如：在酒精發酵過程中，擴大培養是為了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧條件下進行。而在發酵產生酒精的過程中則必須在無氧條件下進行以獲得大量的酒精。）
（3）發酵過程：隨時取樣檢測培養液中的細菌數目、產物濃度及時添加必需的培養基組分，嚴格控制溫度、PH、溶氧、通氣量與轉速等條件。谷氨酸發酵中，PH呈酸性時會產生乙酰谷氨酰胺；當溶氧不足時，產生乳酸或琥珀酸。
（4）分離提純：菌體：過濾、沉淀；代謝產物：蒸餾、萃取、離子交換。
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3．發酵工程的應用：
1．醫藥工業：(1)直接生產多種藥品，如抗生素、維生素、動物激素、藥用氨基酸
(2)與基因工程和細胞工程結合來生產藥品，如：人生長激素、重組乙肝疫苗、某些種類的單克隆抗體、白細胞介素-2、抗血友病因子等。生長激素釋放抑制因子——人腦激素，用于治療肢端肥大癥。
2.食品工業： (1)使傳統的發酵產品質量和產量得到提高如：啤酒、果酒、食醋。
(2)生產各種食品添加劑，如：酸味劑(L-蘋果酸、檸檬酸、乳酸)、鮮味劑(肌苷酸、谷氨酸)、色素(紅曲素、β-胡蘿卜素)、甜味劑(高果糖漿、甜菜糖)。
(3)解決糧食問題的重要途徑，如生產單細胞蛋白——微生物菌體。

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