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目录 1

第1章 现代生物技术总论 1

第一节 生物技术的含义 1

一、生物技术的定义 1

二、生物技术的种类及其相互关系 2

（一）基因工程 2

（二）细胞工程 2

（三）酶工程 2

（四）发酵工程 3

（五）蛋白质工程 3

三、生物技术涉及的学科 3

第二节 生物技术发展简史 4

一、传统生物技术的产生 4

（一）生物体的化学元素组成 5

一、生物体的结构组成 5

第三节 生物体的结构组成及分类 5

二、现代生物技术的发展 5

（二）重要的生物大分子物质 6

（三）生物膜 7

（四）细胞 10

二、生物的分类 12

（一）生物的多样性 12

（二）分类方法及分类等级 12

（三）物种的命名方法 13

（四）生物的分类系统 14

（五）病毒界 14

（六）原核生物界 18

（七）原生生物界 21

（八）菌物界 25

（九）植物界 26

（十）动物界 30

（一）用于开发新型药品 33

第四节 现代生物技术的应用及发展前景 33

一、提高生命质量，延长人类寿命 33

（二）用于疾病的预防和诊治 34

（三）用于基因治疗 34

（四）人类基因组计划 35

二、解决能源危机、治理环境污染 35

（一）解决能源危机 35

（二）保护环境 35

三、改善农业生产、解决食品短缺 36

（一）有利于提高农作物的产量及品质 37

（二）有助于发展畜牧业生产 37

第2章 基因工程 38

第一节 基因与基因工程 38

一、核酸——生命之本 38

（一）核酸的化学组成及理化性质 38

（二）核酸的分子结构 40

（三）核酸的生物学功能 41

二、基因研究的进展 44

（一）基因学说的创立 44

（二）DNA是遗传信息的载体 44

（三）基因与顺反子 44

（四）“—基因—多肽”学说 45

（五）中心法则与遗传密码 45

（六）断裂基因、重叠基因和重复序列 45

（七）移动基因和假基因 46

三、基因工程的诞生和研究内容 46

第二节 常用工具酶 47

一、限制性核酸内切酶 47

（一）限制性核酸内切酶的发现 48

（二）限制性核酸内切酶的类型 48

（四）Ⅱ型限制性核酸内切酶的特性 49

（三）限制性核酸内切酶的命名原则 49

（五）限制性核酸内切酶的活性单位 51

（六）影响限制性内切酶活性的因素 51

（七）限制性核酸内切酶的应用 53

二、DNA连接酶 53

三、DNA聚合酶 54

（一）大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ 55

（二）大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ大片段酶（Klenow大片段酶） 56

（三）T4DNA聚合酶 56

（四）T7DNA聚合酶及其修饰产物 57

（五）逆转录酶 57

（六）Taq DNA聚合酶 57

四、分子克隆中常用的其他工具酶 57

（一）甲基化酶 57

（二）末端脱氧核苷酸转移酶 57

（八）绿豆核酸酶 58

（七）Ba131核酸酶 58

（九）核糖核酸酶A 58

（四）碱性磷酸酶 58

（六）S1核酸酶 58

（五）脱氧核糖核酸酶Ⅰ 58

（三）T4多核苷酸激酶 58

第三节 基因工程载体 59

一、细菌质粒载体 59

（一）质粒的生物学特性 59

（二）质粒DNA的分离与纯化 60

（三）常规质粒载体 61

二、噬菌体载体 64

（一）噬菌体的生物学特性 65

（二）常规噬菌体载体 65

三、柯斯质粒载体 66

五、真核病毒载体 67

四、酵母质粒载体 67

（一）猴空泡病毒载体 68

（二）牛痘病毒载体 68

（三）牛乳头瘤病毒载体 69

（四）昆虫杆状病毒载体 69

（五）与基因治疗有关的载体 69

第四节 目的DNA的获得………………………………………（70)一、化学合成法 70

（一）脱保护作用 71

（二）耦联反应 71

（三）封端反应 71

（四）氧化作用 71

二、聚合酶链式反应法 71

三、基因文库法 73

（一）文库的构建 73

（二）目的DNA克隆片段的分离 74

（三）文库的筛选 75

第五节 DNA分子重组及其导入受体细胞 76

一、外源DNA片段与载体分子的重组 76

（一）互补黏性末端DNA分子的定向克隆 76

（二）平末端及非互补黏性末端DNA分子之间的连接 76

二、重组DNA分子导入受体细胞 78

（一）受体细胞 78

（二）重组分子导入原核生物受体细胞的方法 79

（三）重组DNA分子导入真核生物受体细胞的途径 80

第六节 DNA重组子的筛选与鉴定 82

一、遗传检测法 82

（一）抗生素平板选择法 82

（二）抗生素插入失活选择法 82

（三）β-半乳糖苷酶显色选择法 82

（四）DNA测序鉴定 83

（三）PCR鉴定 83

（五）R-环检测法 83

（四）报告基因检测法 83

（二）内切酶图谱鉴定 83

（一）凝胶电泳检测 83

二、物理检测法 83

三、核酸杂交筛选法 84

（一）菌落或噬菌斑原位杂交筛选法 84

（二）Southern杂交筛选法 84

四、免疫化学检测法 85

第七节 基因工程技术的应用 86

一、基因工程技术在工业中的应用 86

二、基因工程技术在农牧业中的应用 87

（一）通过基因工程的方法获得高产、稳产且具有优良品质的农作物 87

（二）利用基因工程技术可培育出具有各种抗逆性的转基因农作物 87

三、基因工程在医药卫生领域中的应用 88

（一）基因诊断 88

（二）基因治疗 90

（三）基因工程抗体 91

（四）基因工程疫苗 92

（五）基因工程药物 92

四、基因工程在其他行业中的应用 94

第3章 细胞工程 95

第一节 细胞学说的建立和发展 95

一、细胞的发现 95

二、细胞学说的建立 95

三、细胞学说对细胞研究的推动作用 96

（一）原生质理论的提出 96

（二）细胞受精和分裂的研究 96

（三）一些重要的细胞器的发现 96

四、细胞学的发展 97

一、细胞培养技术 98

二、细胞融合技术 98

第二节 细胞工程基本技术 98

（一）制备原生质体 99

（二）诱导细胞融合 99

（三）筛选杂合细胞 99

三、细胞拆合技术 99

第三节 植物细胞工程 100

一、几个基本概念 100

二、植物组织培养 101

（一）预备阶段 101

（二）诱导去分化阶段 102

（三）继代增殖阶段 102

（四）生根发芽阶段 102

（五）移栽成活阶段 102

（一）植物细胞培养的基本方法 103

（二）植物单细胞培养 103

三、植物细胞培养 103

（三）植物细胞的生物反应器大规模培养 105

（四）植物细胞的两相培养技术 108

（五）植物细胞的生物反应器固定化培养 108

四、原生质体培养与体细胞杂交 109

（一）原生质体的制备 110

（二）原生质体的培养方法 111

（三）原生质体融合与体细胞杂交 111

（四）原生质体的发育与体细胞再生 113

五、单倍体育种 113

（一）单倍体育种的优越性 113

（二）单倍体植株的诱导方法 113

（三）花药培养 114

六、人工种子 115

（一）人工种子的结构 115

（三）人工种子的制备 116

（二）人工种子的优势 116

（四）人工种子的储存与萌发 117

第四节 动物细胞工程 117

一、动物细胞培养 117

（一）细胞培养的基本技术 117

（二）细胞的冷冻保存与复苏 120

（三）细胞污染的防治 120

二、动物细胞融合 120

（一）动物细胞的融合途径 120

（二）融合细胞的筛选 121

三、淋巴细胞杂交瘤和单克隆抗体 122

（一）B淋巴细胞杂交瘤与单克隆抗体技术 122

（二）人杂交瘤单克隆抗体技术 123

（三）T淋巴细胞杂交瘤技术 124

（一）细胞核移植 125

四、核移植与动物克隆 125

（二）动物克隆 126

五、基因转移与转基因动物 127

（一）基因转移的方法 127

（二）转基因动物 128

六、干细胞 130

（一）胚胎干细胞 130

（一）成体干细胞 132

第五节 微生物细胞工程 132

一、微生物细胞培养 133

二、微生物原生质体技术 133

（一）原生质体制备 133

（二）原生质体再生 133

（三）原生质体融合 133

（四）融合子的检出 133

（三）新型植物品种的培育 134

（二）获取生物活性物质 134

第六节 细胞工程的应用 134

一、植物细胞工程的应用 134

（一）优质植物的快速培育与繁殖 134

二、动物细胞工程的应用 135

（一）生产生物药物 135

（二）快速繁殖优良、濒危动物品种 135

（三）新型动物品种的培育 135

（四）细胞治疗 135

（五）器官修复或移植 135

（六）建立疾病模型 135

三、微生物细胞工程的应用 136

（一）选育优质高产菌株 136

（二）获取新的代谢产物 136

（三）能源、环保方面的应用 136

一、发酵工程的历史发展 137

第4章 发酵工程 137

第一节 微生物发酵的历史与现代发酵工业 137

二、生物技术与发酵工业 138

第二节 发酵工程的上游技术 139

一、菌种分离、筛选的原则与步骤 139

（一）采样 140

（二）富集与分离 140

二、产生特殊物质的微生物筛选 141

（一）抗生素产生菌的筛选 141

（二）抗肿瘤药物产生茵的筛选 141

（三）抗病毒药物产生菌的筛选 142

（四）免疫激活剂产生茵的筛选 142

三、自然选育 143

四、诱变育种 143

（五）酶产生茵的筛选 143

（六）酶抑制剂产生茵的筛选 143

（一）诱变育种的基本方法 144

（二）变异菌株的筛选 145

（三）菌种保藏 146

第三节 发酵工程的中游技术 147

一、固体发酵 147

二、液体发酵 147

（一）生物反应器的设计目标 148

（二）微生物反应器 148

（三）酶反应器 149

（四）动、植物细胞培养反应器 150

第四节 发酵产品的下游加工过程 151

一、概述 151

（五）生物反应器的放大 151

二、发酵液的预处理和固液分离方法 152

三、微生物细胞的破碎 157

四、提取 158

（一）萃取 158

（二）淀淀 159

五、精制 159

六、成品加工 160

（一）喷雾干燥器 160

（二）气流干燥器 160

（三）沸腾干燥器 161

（四）鼓式干燥器 161

（五）冷冻干燥 161

第五节 发酵过程的优化与控制 161

一、发酵过程优化在生物工业中的地位 161

二、发酵过程优化的研究内容 162

三、发酵过程控制 163

（二）程序控制 164

（三）直接数字控制 164

（四）优化控制或自适应控制 164

（一）参数巡回采集和综合处理 164

第六节 发酵工程的应用 165

一、食品、饮料与发酵工程 165

二、医学与发酵工程 165

三、能源与发酵工程 165

四、环保、农业与发酵工程 166

五、材料与发酵工程 166

第5章 酶工程 168

第一节 酶是生物催化剂 168

一、酶的研究史 168

（一）酶的组成 170

（二）酶蛋白的结构 170

二、酶的组成与结构 170

（三）酶的辅助因子 171

（四）酶的活性中心 171

三、酶的主要催化特点 172

（一）酶催化的高效性 172

（二）酶的底物专一性 173

四、影响酶催化作用的因素 174

（一）温度对酶活力的影响 174

（二）酸碱度对酶活力的影响 175

（三）激活剂和抑制剂对酶活力的影响 175

五、酶的分类及命名 175

（一）酶的分类 175

（二）酶的命名 176

第二节 酶的获取 176

一、酶的发酵生产 177

（一）酶的生产菌选育 177

（二）培养基 178

二、酶的分离纯化 180

（三）酶产量的提高 180

（一）材料的预处理 181

（二）细胞的破碎 182

（三）酶的抽提 182

（四）酶的分离纯化 183

三、酶分子的改造与模拟 187

（一）酶分子的改造 187

（二）酶的模拟 188

第三节 固定化酶和固定化细胞技术 189

一、固定化酶的制备 189

二、固定化细胞的制备 191

（二）包埋法 192

三、固定化酶（细胞）的性质 192

（一）物理吸附法 192

（一）底物特异性的改变 193

（二）最适pH的改变 193

（三）最适温度的变化 193

（四）动力学常数的变化 193

（五）稳定性变化 193

第四节 酶反应器 193

一、酶反应器的设计原则 194

二、酶反应器的类型和特点 195

（一）间歇式酶反应器 195

（二）连续搅摔釜式反应器 195

（三）填充床反应器 195

（四）流化床反应器 195

（五）连续搅拌器——超滤膜反应器 195

（一）根据固定化酶的形状进行选择 196

三、酶反应器的选择 196

（九）其他类型反应器 196

（七）螺旋卷绕膜式反应器 196

（六）循环反应器 196

（八）中空纤维膜式反应器 196

（二）根据底物的物理性质进行选择 197

（三）根据酶反应动力学特性进行选择 197

（四）根据酶的稳定性进行选择 197

（五）根据操作要求及反应器费用进行选择 197

第五节 酶的应用 197

一、酶的应用领域 198

二、生物传感器 200

（一）什么是生物传感器 200

（二）生物传感器的工作原理 200

（三）生物传感器的发展前景 201

第6章 蛋白质工程 202

第一节 概述 202

一、蛋白质在生命过程中的重要作用 203

第二节 蛋白质的结构与功能 203

二、蛋白质的组成 204

三、蛋白质的结构 207

（一）蛋白质的一级结构 207

（二）蛋白质的二级结构 207

（三）蛋白质的超二级结构和结构域 210

（四）蛋白质的三级结构 211

（五）蛋白质的四级结构 211

四、蛋白质结构与功能的关系 212

（一）蛋白质的一级结构决定高级结构 212

（二）蛋白质分子的构象与功能的关系 213

第三节 蛋白质工程技术 216

一、蛋白质结构的分析方法 216

（一）蛋白质晶体学方法 216

（二）二维磁共振方法 217

（三）蛋白质折叠的研究方法 218

（四）蛋白质工程计算机辅助分子设计 219

（五）蛋白质序列分析 220

二、蛋白质功能的研究方法 221

（一）酶学方法 221

（二）蛋白质和多肽激素、生长因子的研究方法 222

（三）受体蛋白质功能的研究方法 224

（四）免疫活性蛋白质的研究方法 224

（五）核酸结合蛋白的研究方法 226

第四节 蛋白质组学 226

一、蛋白质组学的产生 226

二、蛋白质组学的概念 227

三、蛋白质组学研究的技术手段 227

（一）样品的制备 227

（二）蛋白质组的分离技术 228

（三）蛋白质组的鉴定技术 228

（一）在医学上的应用 230

四、蛋白质组学研究的应用 230

（二）在基础生物学中的应用 231

第五节 蛋白质工程应用 231

一、蛋白质工程在工业酶中的应用 231

（一）改善工业用酶的热稳定性 231

（二）改良工业用酶的最适pH 232

（三）提高工业用酶的催化效率 232

（四）增强工业用酶的底物专一性 233

二、蛋白质工程在医药工业中的应用 233

（一）抗体的蛋白质工程 233

（二）组织血纤维蛋白溶酶原激活因子的蛋白质工程 234

（二）基于蛋白质结构的小分子药物设计 235

第7章 生物芯片 239

一、生物芯片的概念 240

第一节 概述 240

二、生物芯片技术发展的三个阶段 241

（一）微阵列生物芯片技术 241

（二）微流路芯片 241

（三）微缩芯片实验室 244

三、其他种类的生物芯片………………………………………（245)（一）组织芯片 245

（二）细胞芯片 245

第二节 基因芯片技术 246

一、芯片的制备 246

（一）载体 246

（二）基因芯片制作方法 247

（三）DNA芯片的类型 249

二、样品的准备 250

三、杂交反应及杂交后清洗 250

四、基因芯片检测 252

（一）荧光标记杂交信号的检测方法 253

（二）生物素标记方法中的杂交信号探测 254

第三节 生物信息学与基因芯片 255

一、生物信息学发展现状 255

二、生物信息学研究的主要任务 256

三、基因芯片与生物信息学 257

四、生物信息学在基因芯片中的具体应用 259

（一）确定待检测的目标序列 259

（二）高密度基因芯片设计 259

（三）基因芯片检测结果分析及数据管理 260

第四节 蛋白质芯片技术 261

一、蛋白质芯片的分类及制备 261

（四）蛋白质的固定 262

（六）蛋白质芯片的使用 262

（三）芯片的点印 263

（一）载体的制备 263

（五）芯片的封阻 263

二、蛋白质芯片的技术过程 263

（二）蛋白质的预处理 263

三、蛋白质芯片与基因芯片的比较 264

第五节 生物芯片的应用 264

一、基因表达分析 264

二、大规模DNA测序 266

三、基因型、基因突变和多态性分析 266

四、在肿瘤研究中的应用 268

（一）肿瘤诊断 268

（二）寻找肿瘤相关基因 268

（三）肿瘤基因突变的研究 269

（一）分枝杆菌的分型及耐药性的鉴定 270

（二）病原微生物的快速诊断 270

五、在病原微生物检测中的应用 270

（四）基因芯片在抗肿瘤药物筛选中的应用 270

（三）在病毒检测方面的应用 271

六、在药物研究中的应用 271

（一）新药研究与开发 271

（二）生物芯片在药物作用机制研究中的应用 273

七、在中医学领域中的应用 275

（一）中药的研究 275

（二）中医“证”本质的研究 275

（三）针灸原理研究 275

八、其他方面应用 275

（一）在环境健康科学领域应用 275

（二）体质医学的研究 276

第8章 人类基因组计划及其研究方法 278

第一节 人类基因组研究及策略 279

一、遗传图 280

三、转录图 281

二、物理图 281

四、序列图 282

第二节 后基因组研究 282

一、基因组的功能与结构预测——功能基因组学 283

（一）基因组生物信息学 284

（二）基因组元素组成的识别 286

（三）疾病基因组学 287

（四）药物基因组学 292

二、蛋白质组学 293

三、我国人类基因组计划的基本内容 295

第9章 现代生物技术与生物安全 298

第一节 概述 298

第二节 微生物技术 300

第三节 转基因技术与食品 301

第四节 医药生物技术 305

第五节 克隆技术 306

第六节 生物武器 309

第七节 生物安全管理 312

第一节 现代生物技术制药的一般规则 314

一、基因工程药物审批的一般程序 314

第10章 现代生物技术规则及生物伦理道德 314

二、基因工程药物生产环境的要求 315

三、ISO证书 316

第二节 现代生物技术的生物伦理道德问题 317

一、伦理道德与遗传工程 319

二、遗传隐私 320

四、人“种” 322

三、基因专利 322

五、人类的生命交易 323

六、人的克隆 323

七、干细胞 324

八、优生学 325

九、生物技术与基督教信仰 326

十、人类基因组及其思考 326

十一、案例研究 327