第三章环境污染治理基因工程技术

细胞学说的建立与发展1665年1838年1839年1858年1665年1665年,英国科学家胡克用自己设计与制造的的简易显微镜观察栎树软木塞切片时，发现其中有许多小室，他把这些小室称为细胞，实际上胡克当时看到的是细胞壁。这是人类发现细胞的第一步。1674年荷兰学者用设计较好的显微镜观察了许多动植物的活细胞和原生动物，在观察鱼的红细胞时描述了细胞核的结构。1838年1838年，德国植物学家施莱登使用分辨率达1µm的显微镜，观察了大量的植物组织后提出：“植物，不论发展到多么高级，都是由充分个体化的、各自独立的、分离的物体组成的聚合物，这些物体就是细胞。”1839年，德国动物学家施旺通过对鱼、蛙、猪、等多种多细胞的系统观察后提出：“细胞是有机体，整个动物和植物都是细胞的集合体，它们依照一定的规律排列在动植物体内。”1839年1858年，德国医生和病理学家魏尔肖指出：“细胞只能来自细胞，细胞是一个相对独立的生命活动的基本单位。这被认为是对细胞学说的重要补充。”1858年1861年，舒尔茨提出了原生质理论，认为有机体的组织单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体中是相似的。1883年，VenBeneden发现动物细胞的减数分裂。随着显微镜原理和装置的重大发展，各种细胞器被相继发现。此后，实验细胞学和细胞学的分支等得到了快速发展。显微镜的发明发现的各种细胞雨水中的微生物列文·虎克自制的显微镜（300×）普通光学显微镜的构造目镜粗准焦螺旋镜筒细准焦螺旋转换器物镜镜臂聚光器反光镜镜座电子显微镜的发明电子显微镜下的蚊子最早的电子显微镜高电压下电子流波长很短（100000×）卢斯卡（ErnstRuska）20C30s常用的电子显微镜透射电子显微镜常用的电子显微镜扫描电子显微镜大肠杆菌其他显微镜1）荧光显微镜尼康E800荧光DIC显微镜荧光显微镜照片（微管呈绿色、微丝红色、核蓝色）其他显微镜2）激光共聚焦扫描显微镜其他显微镜3）相差显微镜草履虫相差显微图肉毒梭菌相差显微图其他显微镜4）暗野显微镜梅毒螺旋体暗视野显微图团藻和水绵暗视野显微图原理图原理可观察到的范围查看生物体的器官组织结构或生物细胞的内部构造透射电子显微镜电子穿透薄切片，然后经电磁“透镜”放大细胞内部的超微结构扫描电子显微镜电子射到样品表面发射出更多的二次电子，放大样品的表面形态荧光显微镜落射式光源通过物镜投射于样品上，经紫外线照射发出荧光细胞中的某些物质（叶绿素、微管等）激光共聚焦扫描显微镜用激光作扫描光源，逐点、逐行、逐面快速扫描成像，扫描的激光与荧光收集共用一个物镜，物镜的焦点即扫描激光的聚焦点1.观察细胞形态2.细胞内生化成分的定量分析、光密度统计以及细胞形态的测量相差显微镜把透过标本的可见光的光程差变成振幅差，从而提高了各种结构间的对比度，使各种结构变得清晰可见未经染色的标本和活细胞暗视野显微镜聚光镜中央的挡光片使照明光线不直接进人物镜，只允许被标本反射和衍射的光线进入物镜成像小至4~200nm的微粒子第四章环境污染治理基因工程技术4.1细胞学说与分子生物学4.2细胞融合技术与环境污染治理4.3基因工程与环境污染治理4.4基因工程技术的安全性问题4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础1.遗传学说的3大理论发现（1）20世纪40年代发现了生物的主要遗传物质是DNADNA由四种核苷酸ATGC组成，世界上有150万种生物，即有150万种DNA分子。物种的物征或遗传信息就贮存在DNA的线性分子中。证据1.肺炎双球菌的转化实验(R型菌转化为S型菌的转化因子是S菌的DNA.)2.噬菌体侵染细菌的实验(噬菌体的DNA在遗传中起遗传物质作用,DNA是遗传物质.)4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础1.遗传学说的3大理论发现（2）20世纪50年代证明了DNA的双螺旋结构A=TG=C由一条链的顺序可决定另一条链的顺序4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础1.遗传学说的3大理论发现（3）20世纪60年代确定了遗传信息的传递方式DNA调节基因转录翻译阻遏物RNA聚合酶无法结合启动子活化阻遏物启动子操纵子结构基因启动子操纵子RNA聚合酶结合启动子诱导物解遏物RNA聚合酶翻译结构基因β-半乳糖苷酶运转蛋白质转乙酰酶翻译遗传信息以密码方式传递，每3个核苷酸组成1个密码子，代表1个氨基酸。(1)是:(2)是:(3)是:(4)是:转录DNA复制翻译逆转录中心法则4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础1.遗传学说的3大理论发现（3）20世纪60年代确定了遗传信息的传递方式4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础转录(transcription)是以DNA中的一条单链为模板，游离碱基为原料，在DNA依赖的RNA聚合酶催化下合成RNA链的过程。mRNA,tRNA,rRNAmRNA:携带遗传信息，在蛋白质合成时充当模板的RNAtRNA:是具有携带并转运氨基酸功能的一类小分子核糖核酸。一种tRNA只能携带一种氨基酸，但一种氨基酸可被不止一种tRNA携带rRNA:与蛋白质结合而形成核糖体，是mRNA的支架，使mRNA分子在其上展开，实现蛋白质的合成4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础翻译：以mRNA为模板,以tRNA为运载氨基酸工具,合成有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程.逆转录：以RNA为模板合成DNA的过程，是RNA病毒的复制形式，需逆转录酶的催化。其过程先以RNA为模板，合成RNA/DNA杂化双链，然后水解RNA链，再以剩下的DNA单链为模板合成DNA双链。4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础2.DNA的分子结构富兰克林1920年生于伦敦，15岁就立志要当科学家，但父亲并不支持她这样做。她早年毕业于剑桥大学，专业是物理化学。1945年，当获得博士学位之后，她前往法国学习X射线衍射技术。她深受法国同事的喜爱，有人评价她“从来没有见到法语讲的这么好的外国人”。1951年，她回到英国，在伦敦大学国王学院取得了一个职位。在那时候，人们已经知道了脱氧核糖核酸（DNA）可能是遗传物质，但是对于DNA的结构，以及它如何在生命活动中发挥作用的机制还不甚了解。就在这时，富兰克林加入了研究DNA结构的行列——在相当不友善的环境下。她负责起实验室的DNA项目时，有好几个月没有人干活。同事威尔金斯不喜欢她进入自己的研究领域，但他在研究上却又离不开她。他把她看作搞技术的副手，她却认为自己与他地位同等，两人的私交恶劣到几乎不讲话。在那时的科学界，对女科学家的歧视处处存在，女性甚至不被准许在大学的高级休息室里用午餐。她们无形中被排除在科学家间的联系网络之外，而这种联系对了解新的研究动态、交换新理念、触发灵感极为重要。富兰克林在法国学习的X射线衍射技术在研究中派上了用场。X射线是波长非常短的电磁波。医生通常用它来透视，而物理学家用它来分析晶体的结构。当X射线穿过晶体之后，会形成衍射图样——一种特定的明暗交替的图形。不同的晶体产生不同的衍射图样，仔细分析这种图形人们就能知道组成晶体的原子是如何排列的。富兰克林精于此道，她成功的拍摄了DNA晶体的X射线衍射照片。富兰克林拍摄的DNA晶体的X射线衍射照片，这张照片正是发现DNA结构的关键此时，沃森和克里克也在剑桥大学进行DNA结构的研究，威尔金斯在富兰克林不知情的情况下给他们看了那张照片。根据照片，他们很快就领悟到了DNA的结构——现在已经成为了一个众所周知的事实——两条以磷酸为骨架的链相互缠绕形成了双螺旋结构，氢键把它们连结在一起。当沃森等人的论文发表的时候，富兰克林已经离开了国王学院，威尔金斯似乎很庆幸这个不讨他喜欢的伙伴的离去。然而富兰克林的贡献是毋庸置疑的：她分辨出了DNA的两种构型，并成功的拍摄了它的X射线衍射照片。沃森和克里克未经她的许可使用了这张照片，但她不以为忤，反而为他们的发现感到高兴，还在《自然》杂志上发表了一篇证实DNA双螺旋结构的文章。这个故事的结局有些伤感。当1962年沃森、克里克和威尔金斯获得诺贝尔生理学或医学奖的时候，富兰克林已经在4年前因为卵巢癌而去世。按照惯例，诺贝尔奖不授予已经去世的人。此外，同一奖项至多只能由3个人分享，假如富兰克林活着，她会得奖吗？性别差异是否会成为公平竞争的障碍？后人为了这个永远不能有答案的问题进行过许多猜测与争论。今天，科技界对富兰克林的工作给予很高评价，对威尔金斯是否有资格分享发现DNA双螺旋结构的殊荣存在很大争论。•与没有获得诺贝尔奖相比，富兰克林的早逝更加令人惋惜。她是一位才华横溢的女科学家，然而知道她和她的贡献的人寥寥无几。沃森在《双螺旋》一书中甚至公开诋毁富兰克林的形象与功绩，歪曲她与威尔金斯之间的恩怨。许多关于双螺旋的书籍和文章根本不提及富兰克林，尽管克里克在很多年后承认“她离真相已经只有两步”。她是这倾斜的世界中女科学家命运的代表。声誉逐渐得到公认去年2月，英国为了纪念她对发现DNA结构的贡献而设立了一个奖章。据报道，英国贸易与工业大臣帕特里厦·休伊特在一次关于女性与科研工作的讲话中说，她将通过英国皇家学会设立“富兰克林奖章”，奖励像罗莎琳德·富兰克林那样在科研领域做出重大创新的科学家。这一奖项每年评选一次，获奖者可以得到3万英镑的奖金。休伊特说，男性和女性科学家都可以角逐富兰克林奖章，但她希望该奖项能够重点起到提升女性在科研领域的形象的作用。历史上对于女科学家的歧视并不仅有这一个例子。1967年，苏珊·贝尔和她在剑桥大学的导师休伊什共同发现了脉冲星，但是1974年的诺贝尔物理学奖只发给了休伊什。迄今只有10位女性获得了科学方面的诺贝尔奖，科学界对女科学家的歧视依然存在，种种社会原因使许多有科学才能的女性缺少发挥其专长的机会。4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础2.DNA的分子结构（1）组成元素：C、H、O、N、P（2）基本单位：脱氧核苷酸DNA的结构层次磷酸脱氧核糖含氮碱基腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）AGCT4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础2.DNA的分子结构脱氧核苷酸的种类AGCT4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础2.DNA的分子结构问题：DNA分子的空间结构有哪些特点呢？沃森和克里克认为：DNA分子的空间结构是规则的双螺旋结构。DNA分子的结构模式图4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础2.DNA的分子结构连接4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础2.DNA的分子结构DNA分子双螺旋结构的主要特点：（1）DNA分子是由两条链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。（2）DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。（3）两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，并且碱基配对有一定的规律：A一定与T配对，G一定与C配对。碱基之间的这种一一对应的关系，叫做碱基互补配对原则。DNA分子结构的主要特点:DNA分子是有条链组成，盘旋成结构。交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；排列在内侧。碱基通过连接成碱基对，并遵循原则。反向平行双螺旋脱氧核糖和磷酸碱基对氢键碱基互补配对2AAATTTGGGGCCCATC你注意到了吗？两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的。长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的。4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础3.基因的表达与调控具有一定遗传效应的DNA分子中的特定核苷酸序列称为基因（gene），是遗传物质的最小功能单位。基因gene基因是遗传信息的功能单位。基因表达就是将基因所携带的遗传信息释放出来指导生物体性状表达的过程。基因表达过程是十分复杂的，具有不同的形式和精确的调控。4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础3.基因的表达与调控基因通过转录和翻译等过程形成具有特定功能的蛋白质的过程。基因表达（geneexpression）在生物体内，大部分遗传性状都是直接或间接通过蛋白质表现出来的。DNA→RNA→p