遺傳密碼

前言

　　我們生活的地球是一個(gè)生機(jī)盎然的世界。正是由于生物的多樣性，才有了今天千姿百態(tài)、五光十色的地球。從高等動(dòng)物人類到微觀世界的微生物，從植物到動(dòng)物，從無(wú)機(jī)界到有機(jī)界，生物的遺傳密碼控制著所有生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、代謝、進(jìn)化、行為等的根本。復(fù)雜而有序的生物界相互依存、演化與發(fā)展的奧秘就在遺傳密碼?！　?865年，孟德?tīng)柾ㄟ^(guò)7對(duì)豌豆種子和8年艱辛的試驗(yàn)，得出了現(xiàn)代遺傳學(xué)的基本定律和“遺傳因子”的邏輯概念。但由于當(dāng)時(shí)的種種原因，這一偉大發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有引起大家的重視，直到他去世以后的1900年才被重新發(fā)現(xiàn)，這一年也因而被后人稱為現(xiàn)代遺傳學(xué)的起點(diǎn)。孟德?tīng)栆脖缓笕俗u(yù)為現(xiàn)代遺傳學(xué)之父?！　?953年4月25日，沃森、克里克的論文“核酸的分子結(jié)構(gòu)——DNA結(jié)構(gòu)”發(fā)表在著名的《自然》雜志上，這不足1000字的論文改變了世界，DNA的雙螺旋分子結(jié)構(gòu)和半保留復(fù)制方式使我們對(duì)生命有了本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。隨后，克里克等提出的分子生物學(xué)的“中心法則”揭示了整個(gè)生物界復(fù)雜但高度有序地發(fā)展與演變的機(jī)理?！　≡缭?00多年前，恩格斯就指出：“蛋白體是生命存在的方式，這種方式本質(zhì)上就在于蛋白體的化學(xué)組成部分的不斷自我更新?！倍鞲袼共粌H揭示了蛋白體是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，還指出了蛋白體的功能是具有自我更新的能力。1966年，經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的奇妙想象和嚴(yán)密論證，人們破譯了基因編碼蛋白質(zhì)的全部遺傳密碼。從最簡(jiǎn)單的無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)病毒到“萬(wàn)物之靈”的人類，遺傳密碼的含義都是一樣的，共用一部遺傳密碼字典。遺傳密碼字典的普遍性，從分子水平上證明了生命的統(tǒng)一性?！　∩顒?dòng)的基本單位是細(xì)胞。除病毒之外的所有生物均由細(xì)胞所組成，但病毒生命活動(dòng)也必須在細(xì)胞中才能體現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，細(xì)菌等絕大部分微生物以及原生動(dòng)物由一個(gè)細(xì)胞組成，而高等動(dòng)植物則是多細(xì)胞生物。　　微生物在自然界中分布廣泛，它們是地球上占有最多領(lǐng)土、領(lǐng)空和領(lǐng)海的生物。我們平常認(rèn)為是不毛之地的那些地方，都有多種微生物生活著。微生物繁殖能力極強(qiáng)，按體重增加一倍時(shí)間來(lái)說(shuō)，微生物生長(zhǎng)最慢的也只需幾個(gè)小時(shí)就足夠了，一般10多分鐘微生物就能從小長(zhǎng)大。從我們吃的饅頭、喝的啤酒，到食物的營(yíng)養(yǎng)消化，眾多微生物與我們生活密切相關(guān)。　　生物體內(nèi)各種生物化學(xué)反應(yīng)主要在酶的參與下完成。沒(méi)有酶的參與，新陳代謝只能以極其緩慢的速度進(jìn)行，生命活動(dòng)就根本無(wú)法維持。例如食物必須在酶的作用下分解成小分子，才能透過(guò)腸壁，被組織吸收和利用。　　控制生命遺傳的基本物質(zhì)是基因，基因幾乎決定了一個(gè)生物物種的所有生命現(xiàn)象?！胺N瓜得瓜、種豆得豆”是傳統(tǒng)的遺傳科學(xué)主要的主要研究?jī)?nèi)容。但傳統(tǒng)的遺傳技術(shù)只能在差別不大的近緣物種間進(jìn)行，而且一般要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間，甚至幾個(gè)世紀(jì)才能產(chǎn)生一定效果。現(xiàn)在生物學(xué)家在分子生物學(xué)基礎(chǔ)上，可以根據(jù)基因的某些特性，人為改變遺傳內(nèi)容和結(jié)果，這門(mén)科學(xué)稱為生物工程或生物技術(shù)。生物工程很像技術(shù)科學(xué)的工程設(shè)計(jì)，即按照人類的需要把這種生物的這個(gè)“基因”與那種生物的那個(gè)“基因”重新組裝成新的基因組合，創(chuàng)造出新的生物或使原生物具有新的特性。生物工程使傳統(tǒng)遺傳學(xué)從必然王國(guó)走向自由王國(guó)?！　”緯?shū)以通俗的語(yǔ)言，以圖文并茂的方式介紹了生命遺傳密碼相關(guān)的細(xì)胞工程、發(fā)酵工程、酶工程、基因工程和蛋白質(zhì)工程等基礎(chǔ)知識(shí)。限于作者水平所限，文中不足之處，懇請(qǐng)大家批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　“全新知識(shí)大搜索”系列叢書(shū)誠(chéng)邀多位專家編寫(xiě)，堅(jiān)持實(shí)用、易懂的原則，力求通過(guò)全新的角度來(lái)闡釋宇宙、地球、海洋、陸地、節(jié)能、環(huán)保、資源，以及人文科學(xué)的各個(gè)方面。書(shū)中文字簡(jiǎn)約，行文流暢，設(shè)計(jì)精美。本書(shū)為該系列叢書(shū)之《遺傳密碼》分冊(cè)。
　　多位專家合力打造，全新角度權(quán)威奉獻(xiàn)！“全新知識(shí)大搜索”系列叢書(shū)闡釋了宇宙、地球、海洋、陸地、節(jié)能、環(huán)保、資源，以及人文科學(xué)的各個(gè)方面。本書(shū)為系列之一。
　　本書(shū)以通俗的語(yǔ)言，以圖文并茂的方式介紹了生命遺傳密碼相關(guān)的細(xì)胞工程、發(fā)酵工程、酶工程、基因工程和蛋白質(zhì)工程等基礎(chǔ)知識(shí)。本書(shū)文字簡(jiǎn)約，行文流暢，設(shè)計(jì)精美，適合青少年朋友閱讀。

書(shū)籍目錄

第一章 細(xì)胞工程基礎(chǔ)
細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)
細(xì)胞的化學(xué)成分
蛋白質(zhì)
細(xì)胞膜
細(xì)胞壁
細(xì)胞器
細(xì)胞質(zhì)
細(xì)胞核
線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)
葉綠體
高爾基體與溶酶體
細(xì)胞骨架
細(xì)胞連接
細(xì)胞周期
細(xì)胞分裂
細(xì)胞分化
細(xì)胞衰亡
干細(xì)胞
細(xì)胞培養(yǎng)
細(xì)胞融合
第二章 發(fā)酵工程基礎(chǔ)
發(fā)酵工程
發(fā)酵工程的奠基人
發(fā)酵工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
發(fā)酵種類
發(fā)酵中的微生物
神奇的酵母菌
發(fā)酵中的營(yíng)養(yǎng)吸收
微生物生長(zhǎng)周期
酒精發(fā)酵
營(yíng)養(yǎng)物種類、濃度與比例
溫度與pH值對(duì)發(fā)酵的影響
接種量與泡沫對(duì)發(fā)酵的影響
第三章 酶工程基礎(chǔ)
酶
酶工程
酶工程史話
酶工程先驅(qū)者
酶的家族和酶制劑
淀粉酶
纖維素酶
固定化酶
酶的生產(chǎn)
酶活性的測(cè)定與保持
神奇的生物催化劑
光合作用與酶
消化與酶
生命運(yùn)動(dòng)與酶
生命延續(xù)離不開(kāi)酶
制酶能手——微生物
第四章 基因工程與蛋白質(zhì)基礎(chǔ)

章節(jié)摘錄

　　第一章　細(xì)胞工程基礎(chǔ)　　細(xì)胞衰亡　　機(jī)體的絕大部分細(xì)胞都經(jīng)由未分化到分化、衰老、死亡的歷程。在機(jī)體內(nèi)總是有細(xì)胞在不斷地衰老和死亡，同時(shí)又有新增殖的細(xì)胞來(lái)替代它們。在人的機(jī)體內(nèi)，僅僅紅細(xì)胞，每分鐘就要死亡數(shù)百萬(wàn)至數(shù)千萬(wàn)之多。因此，細(xì)胞衰老和死亡是細(xì)胞生命活動(dòng)中的必然規(guī)律，也是重要的細(xì)胞生命現(xiàn)象?！　〖?xì)胞的衰老是細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的衰變，細(xì)胞生理功能衰退或喪失。表現(xiàn)為細(xì)胞呼吸率減慢，酶活性降低，最終反映出形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變，表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力降低和維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境能力的減弱，出現(xiàn)功能紊亂等多種變化?！　〖?xì)胞衰老與細(xì)胞的壽命密切相關(guān)。同一機(jī)體內(nèi)的所有細(xì)胞都來(lái)自受精卵，這些不同組織器官的細(xì)胞以不同速率、不同方式衰老死亡。同時(shí)又有細(xì)胞增殖與新生，處于動(dòng)態(tài)平衡。故絕大多數(shù)細(xì)胞的壽命與機(jī)體的壽命是不相等的。而且各種細(xì)胞的壽命差異很大。如表皮細(xì)胞為4～10天，紅細(xì)胞為3周至3個(gè)月。一般來(lái)說(shuō)，能保持繼續(xù)分裂能力的細(xì)胞是不容易衰老的；而分化程度高、不分裂的細(xì)胞壽命有限。衰老現(xiàn)象容易在短壽命細(xì)胞中見(jiàn)到?！　〖?xì)胞發(fā)育到一定的階段就會(huì)死亡，細(xì)胞死亡如同細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖、分化一樣，是細(xì)胞的生命現(xiàn)象。細(xì)胞死亡的一般定義是細(xì)胞生命現(xiàn)象不可逆的停止。單細(xì)胞生物的細(xì)胞死亡即個(gè)體的死亡，而多細(xì)胞生物個(gè)體死亡時(shí)，并非機(jī)體的所有細(xì)胞都立即停止生命活動(dòng)。當(dāng)然活體內(nèi)的細(xì)胞也并非全都活著，無(wú)論是青年機(jī)體和老年機(jī)體內(nèi)都存在著大量的衰老死亡細(xì)胞?！　∫鸺?xì)胞死亡的因素很多。如物理因素、化學(xué)因素、病原體侵入等都可造成細(xì)胞死亡。根據(jù)死亡的模式不同，可分為程序性細(xì)胞死亡和細(xì)胞的病理性死亡——壞死兩種類型。　　程序性細(xì)胞死亡又稱為細(xì)胞凋亡，是指在一定生理和病理?xiàng)l件下由基因控制的細(xì)胞自主有序的死亡過(guò)程。與細(xì)胞的壞死不同，細(xì)胞凋亡就如同樹(shù)葉或花的自然凋落一樣，是一種主動(dòng)過(guò)程，是更好地適應(yīng)生存環(huán)境而主動(dòng)采取的死亡過(guò)程。細(xì)胞壞死則是病理刺激引起的細(xì)胞死亡，細(xì)胞壞死是不可逆的被動(dòng)過(guò)程?！　〖?xì)胞的衰老和死亡是細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育的必經(jīng)階段，是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的自然規(guī)律，對(duì)于細(xì)胞死亡的研究，尤其是對(duì)于細(xì)胞凋亡的研究，無(wú)疑有利于疾病機(jī)制闡明，以及對(duì)疾病新的冶療方法的探索，具有十分重要的意義?！　「杉?xì)胞　　干細(xì)胞是一類具有自我更新、高度增殖及多向分化潛能的細(xì)胞群。這些細(xì)胞既可以通過(guò)細(xì)胞分裂來(lái)維持自身的大小，又可以分化成各種不同的組織細(xì)胞。也就是說(shuō)干細(xì)胞是指那些尚未發(fā)育成熟的細(xì)胞，它們具有再生為各種組織和器官的潛能，醫(yī)學(xué)上稱其為“萬(wàn)能細(xì)胞”?！　∽?0世紀(jì)90年代以來(lái)，有關(guān)干細(xì)胞研究的熱潮此起彼伏，各國(guó)科學(xué)家都在因?yàn)榻M織或器官損傷或功能衰竭影響人類健康（盡管接受相應(yīng)的冶療，如外科修復(fù)、人工假肢、機(jī)械裝置、甚至移植，仍難以恢復(fù)到以前的功能）的問(wèn)題，尋找更好的解決辦法。這時(shí)，一些學(xué)者便把解決問(wèn)題的著眼點(diǎn)放在干細(xì)胞上，并先后在國(guó)際著名的雜志上發(fā)表文章及宣布研究成果?！　∧敲?，為什么干細(xì)胞具有這么大的神力呢？原來(lái)，地球上絕大多數(shù)的動(dòng)物出生后，組織器官在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中只有體積的增大，而不再有其他類型細(xì)胞的分化和發(fā)育。但在生命的進(jìn)程中，許多細(xì)胞是需要不斷地更新的，比如血液細(xì)胞、皮膚和腸上皮細(xì)胞等。這種不斷的更新不是無(wú)限量進(jìn)行的，它是受到一定的控制，使之維持在相應(yīng)范圍之內(nèi)。這種控制與維持就是干細(xì)胞這一特殊細(xì)胞群的功能決定的?？梢?jiàn)動(dòng)物機(jī)體為了彌補(bǔ)細(xì)胞分化過(guò)程中，由于高度分化而導(dǎo)致沒(méi)有分裂能力這一不足，而保留了一部分未分化的原始細(xì)胞（干細(xì)胞），一旦需要這些細(xì)胞便可按照發(fā)育的途徑，分裂而產(chǎn)生新的細(xì)胞以補(bǔ)充其生理需要，這也正是干細(xì)胞所具有的基本特征?！　「鶕?jù)干細(xì)胞的基本能力，可將其分為三種類型，即全能干細(xì)胞，這種細(xì)胞具有形成完整個(gè)體分化的潛能，如受精卵；多能性干細(xì)胞，如造血干細(xì)胞；單能性干細(xì)胞，如成肌細(xì)胞?！　“凑丈骐A段，干細(xì)胞可分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。傳統(tǒng)上認(rèn)為，胚胎干細(xì)胞是全能的，具有分化為幾乎全部組織和器官的能力。而成年組織或器官內(nèi)的干細(xì)胞一般認(rèn)為具有組織特異性，只能分化成特定的細(xì)胞或組織。但近年最新的研究表明，組織特異性干細(xì)胞同樣具有分化成其他細(xì)胞或組織的潛能，這為干細(xì)胞的應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了更廣泛的空間?！　「杉?xì)胞的應(yīng)用非常廣泛，涉及到醫(yī)學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域。美國(guó)《科學(xué)》雜志1999年將干細(xì)胞研究列為世界十大科學(xué)成就之一，排在人類基因組測(cè)序和克隆技術(shù)之前。　　……

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