前 言


　　“现代高技术丛书”，由中国科协与上海科技出版社组织出版，《生物 技术》被列为其中的一个选题，但它是一门难以定义的学科。生物技术一向 是在西方企业家们大肆鼓吹分子生物学和基因工程的诱人前景时，首先由新 闻界的非专业人员推广使用起来的，现在它包含许多学科，成为一个与我们 日常生活密切相关的硕果累累的产业。生物学当然仍是生物技术的基本科学 内容，但是现代化学、物理学、医学和药学、计算机科学也都起很重要的作 用。生物技术是一门在多学科基础上发展起来的集成科学。
　　生物技术所包含的内容，在不同国家、不同时期、不同学者中，是有不 同的看法和认识的。在我国，1986 年国家科委制订“中国生物技术政策纲要” 时，经专家们共同讨论认定，生物技术共包括基因工程、细胞工程、酶工程、 发酵工程四个方面，而几乎同时在“七五”攻关计划的列题中，又增加了生 化工程和蛋白质工程。目前在微生物学会和生物工程学会中，都有酶工程、 基因工程、细胞工程、发酵工程和生化工程专业委员会，而没有蛋白质工程 专业委员会。
　　此外，生物技术无论作为一个新兴领域或产业，都是发展极快，现在国 际上又有分析生物技术、植物生物技术、环境生物技术等新的分化，特别是 由于计算机技术的应用，许多新发现不一定是在实验台上完成的，而可能是 在计算机终端上实现的。所有这些内容要想在本书的范围内一一予以介绍， 恐怕难以做到。
考虑到本书属于一般读物，而非专著性质，就采取了最便于叙述的方法，
分为基因工程、细胞工程、微生物工程、生化工程和蛋白质工程五个部分。 此外，为了方便读者，也为了避免各部分之间的内容重复，在全书前面加写 了一点与生物技术直接相关的基本知识。
生物技术近 10～15 年来，以其在医、药、农业等方面的成就，正在形成
一个新兴的产业，吸引各国政府竟相投资支持。面对这个从学术到产业都是 一日千里的发展形势，深感个人的能力和时间有限，难以胜任主编的委托， 多亏各位作者、科协和出版社同行偏劳，使本书得以完稿，谨致感谢。

编著者

生物技术

第一章 生物技术总论


　　现在是新技术革命的时代。科学上的新发现及其在技术中的应用，都以 人们预料不到的高速度展现出来。新技术不断突破，发明创造层出不穷。越 是尖端技术，其革新的速度越快，更新换代也越加显著。新技术革命引起新 的产业革命，促使世界产业迅速地朝着尖端技术化、知识密集化、高增殖价 值化方向发生结构性的变化。领头的产业正在更替，以微电子、新材料和生 物技术为轴心的新型产业群将成为肩负世界未来的战略产业。
　　新技术革命不但提出了严峻的挑战，而且也提供了巨大的机会。现有产 业和企业能否在激烈竞争中继续生存下去，取决于企业的应变能力，即能否 大胆地砍掉不适应新时代的部分，同时尽快地吸收和消化最尖端技术，加速 企业改造，使之成为劳动生产率高的产业和企业。企业的经营者正面临着命 运的抉择。对于国家来说，能否采取有效措施促进尖端技术领域的开发研究， 这是关系到国家竞争力的战略性任务。生物技术正是这类必须优先考虑的最 尖端技术之一。
　　生物技术的源流可以追溯到公元前的酿造技术。这种原始的生物技术一 直持续了四千多年，直到上世纪法国微生物学家巴斯德揭示了发酵原理，从 而为发酵技术的发展提供了理论基础。到了 20 世纪初，在工业生产中首先采 用大规模纯菌培养技术的是化工原料丙酮丁醇的发酵。五十年代在抗生素工 业的带动下，发酵工业和酶制剂工业大量涌现，发酵技术和酶技术被广泛用 于医药、食品、化工、制革和农产品加工等产业部门。传统的生物技术发生 革新换代是从七十年代初期开始的。分子生物学的某些突破使人们能够分离 基因，即决定遗传性状的分子，并在体外进行重组。这些突破迎来了生物技 术的时代。表面上看技术革命的加速发展是连续进行的，其实并不尽然。新 一代的生物技术虽脱胎于原始的和传统的生物类生产技术，它们之间在内容 和手段上均有质的不同。从原有技术中产生出新一代的技术，这就是技术增 殖。问题是我们是否能够跟上技术的自身增殖速度。
生物技术正在或即将使人们的某些梦想和希望变为现实。生物技术的新
方法为解决生物学和医学中的一些重大问题提供了强有力的手段。当前，生 物技术已在医药和化工等领域中崭露头角。一批生物工程药物，例如人生长 激素、胰岛素、干扰素和各类细胞生长因子与调节因子等，已陆续投放市场。 其意义远比抗生素的发现和应用更为深远。生物技术的应用领域相当广泛， 它将推动一系列新产业群的发展，而且这些产业所需投资较少，产值却非常 高。其实，它的最大用武之地是在农业领域。使用细胞融合和基因重组等技 术，可以组建出不受气候条件限制和抗病虫害的优质高产农作物品种，从而 极大地提高农作物的劳动生产率。农业终究有一天要成为“粮食工业”，从 地球上消灭“饥饿”现象的日子也许会到来。
本章主要介绍生物技术的一些基本概念和有关知识。

一、生物技术的种类和任务


　　生物技术（Biotechnology）也称为生物工艺学或生物工程学。它是七十 年代初在分子生物学和细胞生物学基础上结合现代工程学的方法和原理而发 展起来的一门综合性科学技术。生物技术和生物工程（Bioengineering）这 两个名词常可通用。当“生物工程”不是指具体的工程项目，而是表示所用 的技术系统时，它就等同于“生物技术”了。然而，有时一种生物工程包含 不只一种生物技术，在具体概念上两者还是有区别的。
　　对于生物技术的含义和内容，各种说法不尽相同。研究生物分子的重视 分子，从事细胞工作的强调细胞，搞化学工程的突出工程，真是仁者见仁， 智者见智。更有一些单位和研究者将自己所进行的一般性生物开发研究工作 也称之为生物技术或生物工程。那么，生物技术的确切定义是什么？我们认 为生物技术是指，人们运用现代生物科学、工程学和其他基础学科的知识， 按照预先的设计，对生物进行控制和改造或模拟生物及其功能，用来发展商 业性加工、产品生产和社会服务的新兴技术领域。
　　由于现代生物科学的迅速发展，现已在分子、亚细胞、细胞、组织和个 体等不同层次水平上揭示了生物结构和功能的关系，从而使人们得以运用生 物学的方法以及现代工程科学所开拓的新技术和新工艺，对生物体进行不同 层次的设计、控制、改造或模拟，构成了巨大的生产能力。例如，基因拼接 和重组技术为创造生物新物种和新品系提供了最有希望的手段。通过发酵工 程和生化工程技术可以实现生物产品大规模商品化生产。生物技术还可用来 进行各种生物材料和非生物材料的加工，以提供新材料和新元件。新产业革 命的重要方向是发展低能、节能和脱能型新产业，并寻找新的能源，以摆脱 当前能源限制，人们对此也将希望寄托在生物技术上。生物技术能帮助人们 更好地了解生物、了解环境、了解我们自己，从而提供更好的社会服务。服 务的概念很宽，消除水和空气污染、保护生态环境、提高医疗技术、防治疾 病，提高人民健康等都是社会服务。
生物技术的产生和发展涉及许多学科，包括生物化学和分子生物学、细
胞生物学、遗传学、微生物学、动物学、植物学、化学和化学工程学、应用 物理和电子学以及数学和计算机科学等基础和应用基础学科。生物技术能够 带来的好处将是十分巨大的，现有的成就仅仅是开始。为了发展生物技术， 必须认真投入人力和财力，进一步支持基础研究。生物技术与基础和应用的 关系，可以用下面这幅图来表示，图中还强调“为获得丰硕成果，必须勤于 灌溉施肥”，即将足够人力和财力投入基础研究中去（图 1-1）。
　　生物技术在不断发展之中，它的内容也在不断丰富和扩充。现阶段的生 物技术大致可分为两大体系：一是生物的直接利用，即生物控制和改造技术； 二是生物模拟技术。具体可用图解（图 1-2）来表示。下面分别对这些技术 作一些解释。


图 1-1 生物技术的基础和应用


1.生物控制和改造技术 生物与工、农、医等众多领域都有密切关系。所有利用生物的产业，大
体可分为三类：一是生物体的生产和应用，如粮食、纤维和其他生物体产品； 二是生物代谢产物的应用，如氨基酸、抗生素等生理活性物质的生产；三是 生物机能的利用，如用生物净化水、处理垃圾，利用细菌采矿和冶金等。生 物技术提供的新方法要比其他传统方法更快、效率更高、而且更能充分利用 资源。生物技术与传统技术的差别在于：第一，它能更精确的控制生物生长、 发育和代谢，因而极大提高生产能力。第二，它能在不同层次上对生物结构 进行拆合和重构，因而将不同生物的优良性状集中在一起。例如，不同细菌 能够分解不同有毒物质，通过基因转移技术将有关基因集中，在一种细菌中， 形成所谓“超级细菌”，能够同时分解多种有毒物质。利用基因工程可望创 建既优质，又高产，还能抗病虫害的优良农作物新品种。第三，它还能在分 子水平上对基因和蛋白质进行再设计，创造出自然界不存在的基因、蛋白质 和生物新物种，在短期内完成自然界几百万年进化才能完成的过程。新的方 法不仅改进了过去传统的方法，而且还可以开辟新的领域。
当前认为，生物控制和改造技术主要可分为以下六个方面。
　　(1)基因重组技术 即 DNA 重组技术，也称为基因工程，它是生物技术的 核心。生物的遗传性状是由基因（即一段相应的 DNA 分子）决定的。通过分 离出 DNA，在体外用酶“剪切”和“拼接”，然后插入如病毒、微生物质粒 等载体，转入微生物或培养的动、植物细胞内，进行复制，即无性繁殖，由 此即获得基因克隆（clone，无性繁殖系的意思）。控制适当的条件，使转入 的基因在细胞内表达，即能产生出人们所需要的产品，或创建新的生物类型。 这种获得新功能的微生物称为“工程菌”；新类型的动、植物则分别称为“工 程植物”和“工程动物”，或“转基因植物”和“转基因动物”。通过基因 操作，还可在体外对基因进行定位诱变和改造。蛋白质工程被称为是第二代 基因工程，它利用蛋白质空间结构和生物活性之间关系的最新知识，借助计 算机辅助设计和基因定位诱变与改造技术，以构建新的蛋白质。生物科学已 进入一个创新的时代，借助于新的技术它不仅能极大提高生物产业的劳动生 产率，而且还能提供自然界没有的生物产品和生物材料，创造出“新的生命
形态”。现将 DNA 重组技术的主要操作步骤概括于图 1-3。


　　(2)细胞融合和大量培养技术 即细胞工程，主要包括细胞融合（体细胞 杂交）、单克隆抗体、核移植细胞大量培养、细胞分化、植物再生等细胞操 作技术。传统的育种工作使有性繁殖的动植物分别进行杂交，通过精卵细胞 的结合，每个亲本各自给出它们遗传物质（全部基因）的一半予后代。杂交 过程使成千上万个基因混合起来，从中选择所需性状的后代必须反复进行许 多代的杂交。这就是说，传统技术改造的对象是生物个体，DNA 重组技术的 对象是基因分子，细胞重构技术的对象是亚细胞和细胞结构。因此新技术能 够缩短产生新品种的时间，而且比较精确，更有针对性。
细胞杂交是使两种选定的细胞，通过化学、物理和生物因子（病毒）的
处理，使其融合而产生具有所需性状的细胞的方法。产生单克隆抗体的细胞 株就是用细胞杂交方法建立的。抗体是存在于哺乳类动物血液中由 B 淋巴细 胞产生的蛋白质，但通常它有众多组分。当将产生抗体的 B 淋巴细胞和小鼠 能持续生长的癌细胞融合时，所产生的杂交瘤细胞即能几乎无限制地分泌大 量专一匀质的抗体（即单克隆抗体）。单克隆抗体是分子分析的强有力工具， 在检测微量致病因子（如细菌和病毒）方面很快得到广泛应用。除了诊断外， 单克隆抗体在产品免疫提纯、临床治疗等方面也有重要用途。
采用显微操作技术，将供体细胞核移植到去核的卵母细胞或受精卵中，
可获得核质杂交的重构卵，并发育成个体。该项技术使高等动物无性繁殖也 成为可能，这将使高产乳牛、名贵马种和濒临灭绝的珍稀动物得以迅速获得 与亲本完全相同的优良后代。核移植技术还为控制胚胎发育提供了新的途 径。
　　细胞大规模培养技术使得动、植物体内一些经济价值很高的微量成分能 够用工业化的方式大量生产。例如，可用生物反应器进行细胞生长调节因子、 人参皂甙、桉树油、生物碱等的生产。举个粗略的数字，一微克生长因子的 价格目前为 1.5 美元，而 1000 克半导体元件（64K 超大规模集成电路）约为
1 万美元，前者大致为后者的 15 万倍。由此可见，生物技术产业的经济效益 是一般产业所无法比拟的。
　　植物再生是指植物离体细胞经过培养和诱导可分化发育成为完整的植 株，并且具有母体植物相同的性状。利用植物细胞的全能性，即由单个细胞 发育成植株的能力，可使优良品种进行快速的无性繁殖。它在扩大繁殖系数、 纯种栽培、无病毒种苗、名贵花卉苗木等方面的应用已取得显著成效。国外
　　
已有用试管苗繁殖的大规模兰花工业，使兰花栽培发生了根本性变化。通过 细胞培养，还可在细胞水平上筛选突变株，进行细胞育种，无论在效率、数 量以及选择的准确性方面，都是传统育种方法所望尘莫及的。
(3)胚胎操作和移植技术 即胚胎工程。由于动物不能像植物那样进行体 细胞的无性繁殖，外来遗传信息（外源基因）必须导入到生殖细胞（精子或 卵子）或受精卵中，才能将遗传性状传递给后代。高等动物的人工受精卵或 重构卵在体外培养至一定阶段，常需将所形成的胚胎移植到母体内使其正常 发育。胚胎操作和移植技术在纯种繁殖、发育控制和创建转基因动物等方面 都起着重要作用。有关细胞工程和胚胎工程的关系如图 1-4 所示。













　　(4)酶的修饰和利用技术 即酶工程，主要包括酶的修饰、固定化酶和固 定化细胞等技术。酶是生物催化剂，其本质是蛋白质。酶的催化作用可使反 应速度提高 108～1020 倍，比一般化学催化剂效率高 107～1013 倍，而且它还 具有专一性强、反应条件温和以及不污染环境等优点。因此酶在工业上有广 泛应用价值。
自然界存在的酶种类很多，然而许多酶的性质并不如意，如稳定性差、
活性受反应条件限制等，因而影响了它们的开发利用。因此需要对酶分子进 行改造和化学修饰。氨基酸序列的改造属于蛋白质工程的范围；化学修饰仅 限于对主链的切割、连接、化学基团的引入和分子侧链基团的交联等。
酶的固定化是使酶分子聚合或结合到载体上，成为不溶于水而仍具催化
功能的固相酶。酶的固定化有许多优点：它可以长期反复使用，进行连续化 生产；提高了对酸、碱、热和变性剂的稳定性；具有一定机械强度，成型后 装入酶反应器，使设备小型化，并可节省能源；酶被固定后不再混入产品中， 简化生产工艺。
细胞内的代谢过程通常是由多酶系统连续催化完成的。利用固定化细胞
技术，即将细胞固定在适当载体上，可以省掉提取酶的工艺，由细胞内酶系 统催化连续地反应。固定化细胞可以分为三种类型：固定化死细胞、固定化 休眠细胞和固定化增殖细胞。固定化死细胞是指细胞经处理后仅保留所需酶 的活性，而其他的酶系和整个细胞都使之失活。固定化休眠细胞和增殖细胞 的区别是前者细胞虽仍处于生存状态，但不再生长繁殖；而后者经固定后细 胞继续生长繁殖。
　　(5)微生物发酵技术 即发酵工程，包括菌种选育、菌体生长和代谢控制 及微生物机能的利用等。微生物发酵是以工业生产为目的，通过微生物的代 谢活动以获得医药、食品、化工等产品以及进行生物材料和非生物材料的加 工过程。它将传统的发酵技术与现代生物技术相结合，而且几乎与各类生物 技术都有关。发酵技术与酶技术关系尤为密切，绝大多数工业用酶是由微生 物发酵制备的；另一方面许多传统上用发酵法生产的产品正在逐渐改为固定
　　
化酶或固定化细胞法生产。发酵法和酶法生产的区别在于前者需要控制微生 物的生长和代谢过程，后者仅涉及酶的反应；因此对工程设备和工艺的要求 也不同。在研究发酵和酶的有关工程设备和工艺技术的基础上发展出了另一 技术领域，即生化工程技术，它也可以看成是发酵技术的一个分支。
　　(6)生化工程技术 包括生物反应器和传感器的设计、生物反应的程序控 制、产品分离精制技术等。生化工程技术是由生物工程技术和化学工程技术 相结合而发展起来的。传统的化学工业反应需要在高温、高压下进行，而且 副反应多，效率较低；生物反应则是在常温、常压下进行，反应专一，效率 较高。因此尽可能用生物技术来改造化学工业是现代技术发展的一种趋势； 同时在生物技术中，尤其是发酵技术，也包含了化学工程原理和技术。
　　生物反应器是生物技术开发中的一个关键设备，它为活细胞或酶提供适 宜的反应环境，以达到细胞增殖和产品形成的目的。现已有适合动植物细胞 大量培养、酶反应和微生物发酵的各种类型生物反应器和发酵罐，其设计涉 及生物化学和微生物学、化学和化学工程学、流体力学、机械工程学、电子 学、计算机及自动控制等学科。为了自动检测和控制生物反应过程中有关参 数，还需设计各种传感器。
　　许多新的物理化学分离技术，如液-固相高效分离技术、亲和层析技术、 超滤技术、新型分离介质等，已在生物产品的分离工艺中广泛应用，取得了 良好结果。由于生物产品种类繁多，性质各异，必须分别采用不同的分离精 制技术。
现将酶、发酵技术和生化工程技术的关系表示如图 1-5。

2.生物模拟技术 当我们观察生命世界时，无不为其绚丽多彩而感到眼花缭乱，惊奇生命
的奥妙，并为生物的高超本领而折服。例如，大肠杆菌在适宜的条件下，20
分钟可以繁殖一代。世界上有哪家高生产率的工厂能使其产品在 20 分钟内翻 一番，或者说在如此短时间内产生一家分厂呢？何况大肠杆菌生产的远不只 一种产品，它需要复制近 4000 种基因，合成上千种蛋白质，还有许多其他种 类的有机化合物。生物的这种非凡合成能力在于酶。自然界需要 100 年才能 完成的反应，有的甚至要几百亿年（与现在宇宙的年龄相同）才能完成，在 酶催化下不到半分钟就完成了。细胞内的合成反应和分解反应都是在酶的催 化下进行的，无怪乎细胞新陈代谢的迅速了。人们除了利用生物的酶外，还 进一步考虑如何模拟酶的催化功能，根据酶的作用机制去合成各种生物的或 非生物的高效催化剂，以适应不同反应和条件的需要。
　　形形色色的生命世界正是人类学习和模拟的极好对象，生物的精细结构 和神奇功能是在地球上三十多亿年的进化历史中获得的。人们从对生物的研 究和模拟中可以获得生物进化的“经验”，了解物质结构与功能的关系，启 发想象力和创造力。
生物模拟大致可分为两大类：
(1)生物机体和功能模拟技术 在体外模拟生物大分子或生物机体的某种

结构和功能。包括不同层次水平和不同角度的模拟，如生物大分子模拟、细 胞器和细胞模拟、生物感受器和神经系统的模拟等。模拟酶是分子模拟技术 发展的一个重点，国内外都在大力研究固氮酶的模拟就是一例。空气中的氮 气几乎是取之不尽的，如能像固氮酶那样在常温、常压下固氮，将使世界化 肥工业发生根本的改变。通过模拟动物的感觉器官，可以设计出最灵敏的检 测器和传感器；模拟生物膜可制成高性能的换能器。用复合蛋白质构成生物 芯片以及神经网络的模拟已趋于实用化。长远的方向是制造出接近人大脑的 生物计算机。
　　(2)人工合成生物系统技术 即用人工制品来取代生物机体的某一部分。 例如，具有运输氧功能的人造血液，能够缓慢释放药物的人造细胞，用高分 子材料合成种皮保护体细胞胚的人造种子等。至于用非生物材料为主模仿生 物系统的人工器官、假肢等，属于生物医学工程的领域，而超出了生物技术 的范围。
　　人类的创造能力是无穷尽的。人们可以根据需要，将工程菌、转基因动 物、转基因植物当成“生物反应器”、“活的工业基地”或“分子农场”， 大量生产某些产品。另一方面，又模拟生物体内的反应过程，设计生物反应 器，利用生物技术改造诸多的产业部门。生物技术正是人类创造能力的重要 体现。
以上简略介绍了生物技术的产生、种类和意义。既然生物技术是在现代
生物学的基础上产生的，在介绍生物技术各专门领域之前，先熟悉一下生命 世界，掌握有关的背景知识，对于进一步了解生物技术将会是有益的。

二、生物不同层次的结构


　　什么是生物？我们可以说生物就是活的物体，或者说有生命的物体。生 物包括动物、植物和微生物三大类。一切活的生物表现出来的共同特征是， 它们都能进行新陈代谢、生长、发育、繁殖、遗传、变异、适应和对刺激的 反应等。所有这些特征都可以认为是生命运动的具体反映。
1.生命的物质基础 生命是一种物质的高级运动形式，这种运动形式本质上就在于不断进行
以核酸和蛋白质为主体的生物大分子系统的自我更新。组成生物体的分子完 全遵守所知的化学规律。在生命运动中这些分子的相互作用固然有其特殊的 法则，然而这些法则与物理世界所发现的规律和作用力是相一致的，并不存 在什么生命驱动力。
　　然而，生命运动又是一种特殊形式的运动，有别于非生命物质运动的形 式。生命运动的特点在于它的自主性、连续性和适应性。生命的自主性表现 在生命系统的新陈代谢是自我完成的。它不断从外界环境摄取物质和能量， 用以构造自己，这是同化作用；同时又不断分解自身的成分，释放能量，并 将分解产物排出体外，这是异化作用。由一系列同化作用和异化作用形成的 复杂过程就叫做新陈代谢。这种自我完成的新陈代谢，即自我更新，一旦停 止，生命也就随之结束。生命的连续性在于生命系统能通过新陈代谢进行自 我繁殖，从而繁衍后代。繁殖具有特异性，子代总是与其亲代相似，这就是 遗传。生命的适应性在于生命系统具有自动控制的能力，它能随机应变地适 应周围的环境。
现代生物学的研究表明，一切生命现象都是跟核酸、蛋白质等生物大分
子分不开的，生物大分子是生命现象的物质基础。生物大分子的自复制、自 组装和自调节决定了生命的自主性、连续性和适应性。核酸分子能够自我复 制。由核酸控制蛋白质分子的合成，并通过蛋白质合成其他生物分子。生物 大分子具有自我组装的能力，即由生物大分子聚合成为超分子结构，进而形 成细胞。细胞的生长和分裂是在生物大分子复制和合成的基础上进行的。细 胞通过分化而形成多细胞生物的组织、器官和个体。这就是说，生物不同层 次的结构是生物大分子自组装的结果。再者，生物大分子的功能具有自我调 节的作用，从而能够适应细胞内外环境条件的变化。
自然界任何系统的运动总是包括物质、能量和信息三个方面。生命系统
的新陈代谢也包括物质代谢、能量代谢和信息代谢三个方面。物质和能量的 概念是大家所熟悉的。那么什么是信息呢？简言之，信息表示系统的组织结 构，它可以作为系统组织程度（即有序性）的量度。我们通常所说的生物信 息或遗传信息主要就是指核酸和蛋白质分子的结构信息。常识告诉我们，从 无序状态进入比较有序的状态，总是需要投入能量，这一过程决不会自发地 出现。相反，从有序变为无序却是自发而无需提供能量的过程。生物体在形 成复杂的组织结构时，必须摄取能量，并且破坏周围和环境的有序结构，也 就是说通过增加环境的无序性来形成局部的有序结构，这就是生命系统的信 息代谢。


　　生物功能是由生物结构所决定的，由亲代传递给子代的生物信息控制着 子代的结构形成。生物具有不同层次的结构（图 1－6），在此基础上进行各 种生命活动。我们对生命世界的认识也是从生物结构开始的。
2.生物大分子
　　在分子水平上生物体可看成是一个复杂的化学系统，这个系统包含进行 新陈代谢、生长、发育和繁殖所必需的全部信息。现有生物体在化学成分和 结构方面都有共同的特征，表明它们有统一或类似的起源。组成生物体的分 子，除水和无机盐外，各种有机成分都是由生物所合成，因此这些有机化合 物都被称为生物分子。水是生物体内最大量存在的分子，它参与一切生命活 动，维持着生物体的正常功能。水对于生命来说是极端重要的，由此推测， 生命最初可能起源于水中。某些无机离子对生命活动也是不可缺少的。生物 体内主要的有机小分子约有 30 多种，包括氨基酸、核苷酸、糖类和脂类等， 它们是合成生物大分子的前体，并广泛参与体内的各种代谢过程。有些有机 小分子还具有化学通信作用。
生物大分子共有四类，即蛋白质、核酸、多糖和脂类复合物。前三类分
别由氨基酸、核苷酸和单糖聚合而成，就如同一条项链，每个珠子相当于一 个小分子单位，连在一起构成一条大分子链。对于某些多糖来说，它们形成 树状的分支链。脂类分子仍属于有机小分子，但它们能通过较弱的次级键形 成复合物，在生物膜中就是这样，其性质与生物大分子相似。生物大分子所 以能成为生命的负荷者，与其独特的性质有关。这些独特的性质是：结构特 异性、反应多样性和构象易变性。组成蛋白质的氨基酸有 20 种，蛋白质分子 有大有小，一个中等大小由 300 个氨基酸组成的蛋白质分子，其排列方式为
20300，这是一个天文数字。哺乳类动物基因组大约含有十万个编码蛋白质的 基因，其 DNA 分子的信息含量远远大于蛋白质。在宇宙中，还未发现信息含 量可与蛋白质和核酸相比拟的分子。其次，蛋白质含有众多的化学基团，它 还能与各种有机分子和金属离子相结合，以增加特殊的反应基因，这就使蛋 白质能参与多种多样的化学反应。在这方面与自然界任何分子相比，蛋白质 也是独占鳌头。第三，生物大分子的构象，即其分子通过折叠而表现出来的

空间结构，易受各种因素的影响而发生改变，因而能调节生物大分子的功能。 多糖和脂类复合物通常仅由少数单体按一定规则组成，信息含量远比蛋白质 和核酸为低，其反应基团也有限，故通常仅和蛋白质分子结合在一起，协助 完成某些生命功能。
下面分别介绍各类生物大分子。
　　(1)蛋白质 蛋白质的英文名词是 protein 。该词最初从希腊文 “proteios”衍生而来，意思是首位的。在未发现核酸前，人们认为蛋白质 是生物体最重要的成分。但后来证明核酸是更为基本的生命物质，因为蛋白 质的合成和结构都取决于核酸。然而无疑，蛋白质在生命系统中占据着极为 重要的地位，蛋白质参与一切生命活动，生物的性状都要通过蛋白质来表达。 如果说生命蓝图掌握在核酸手中，那么多才多艺的蛋白质则是生命功能的执 行者。正因为如此，在生物技术工业产品中主要是各种蛋白质。
　　组成蛋白质分子的基本结构单位是α-氨基酸。氨基酸是含有氨基和羧基 的有机化合物，其分子结构式如图 1-7 所示。用于合成蛋白质的氨基酸共有
20 种，它们之间的差别仅在于和α-碳原子（碳链骨架的第一个碳原子）相 连的“侧链”（在图 1-7 中用 R 表示）不同。根据侧链的性质，可将氨基酸 分为中性、酸性和碱性的，或分为疏水性（非极性）和亲水性（极性）的。









　　由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水形成的共价键称为 肽键（图 1-8），产物为二肽。当许多氨基酸以这种方式连接在一起时，产 生的氨基酸聚合物称为多肽，多肽链中氨基酸称为残基。蛋白质是由一条或 一条以上非常长的多肽链所组成。在一条多肽链中，一端总是有一个游离的 氨基，称为氨基端（N 端）；另一端总是有一个游离的羧基，称为羧基端（C 端）。蛋白质或多肽链的化学性质和空间结构主要是由氨基酸侧链所决定。


图 1-8 肽键的结构


　　生物界存在蛋白质的种类估计在 1010～1012 数量级。造成种类如此众多 的原因主要是 20 种参与蛋白质组成的氨基酸在肽链中排列顺序不同引起 的。蛋白质的这种顺序异构现象是蛋白质功能多样性和种属特异性的结构基 础。从外形上讲，可将蛋白质分为球状蛋白质和纤维状蛋白质两大类。球状 蛋白质溶解度较好，能结晶；纤维状蛋白质又可分为可溶性和不溶性两类。 不溶性纤维蛋白质在体内主要作为结构成分存在。每一种天然的蛋白质都有 自己特有的空间结构，这种空间结构通常称为蛋白质的构象。
　　为了表示蛋白质结构的不同组织层次，习惯采用下列专门术语：一级结 构是指多肽链的氨基酸排列顺序；二级结构是指多肽链主链借助氢键排列成 有规律的周期性构象，主要有α-螺旋、β-折叠和β-转角三种基本形式，氨 基酸侧链不参与二级结构，但对其稳定性有影响；三级结构是指多肽链借助 各种次级键（非共价键）盘曲折叠成具有特定走向的紧密构象；四级结构是
　　
指寡聚蛋白质中各亚基（亚单位）的空间关系，亚基通常由一条多肽链或以 共价键（如二硫键）连在一起的几条多肽链组成。
　　蛋白质的一级结构是由共价键联结的，因此比较稳定。然而，维持蛋白 质空间构象的作用力主要是一些弱相互作用或称为次级键（非共价键），包 括氢键、范德华力、疏水相互作用和离子键。这些弱相互作用也是维持核酸 构象、生物膜结构的作用力，因此被称为是“维持生命系统结构的作用力”。 天然蛋白质的构象取决于上述作用的综合结果。图 1-9 表示卵溶菌酶的三级 结构。从图中可以看到多肽主链的α-螺旋、β-折叠和β-转角，相邻二级结 构（β-折叠）形成的组合体，在此基础上多肽链折叠成近乎球状的紧密构象。


图 1-9 卵溶菌酶的三级结构

天然蛋白质在某些物理因素（如热、紫外线和表面张力等）和化学因素
（如有机溶剂、尿素、胍、酸、碱和重金属离子等）作用下，引起生物活性 丧失、溶解度下降和一系列物理化学性质的改变，这种过程称为变性作用。 蛋白质变性的实质是分子中次级键被破坏，引起天然构象解体，肽链变得伸 展和松散，内部的疏水基团随之暴露出来。当变性因素除去后，有时变性蛋 白又能恢复天然构象，这一现象称为复性作用。蛋白质易于变性是有些蛋白 质至今未能开发利用的主要原因。因此，提高蛋白质的稳定性是生物工程的 一项重要任务。此外，找出变性蛋白质的复性条件，在生产上也有很大意义。 (2)核酸 核酸（nucleic acid）最初从细胞核中分离出来，故得此名。 后来知道，无论细胞核还是细胞质，或是无核结构的细菌，都存在核酸。核 酸可分为两类，即脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。它们都是高聚 物，其构造单位称为核苷酸。核苷酸本身由三个更小的单位组成：一个五碳 糖（核糖或α-脱氧核糖），一个磷酸基团和一个含氮有机碱。含氮有机碱主 要有五种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）和尿 嘧啶（U）。DNA 与 RNA 的差别在于前者由脱氧核糖核苷酸聚合而成，后者由 核糖核苷酸聚合而成。两者在碱基组成上也有不同，DNA 中含有 A、G、C、T，
RNA 不含 T，而代之以 U。
　　1953 年沃森（Watson）和克里克（Crick）提出 DNA 分子双螺旋结构模 型，在分子水平上解释了遗传信息传递机制，从而奠定了分子生物学的基础。 按照沃森-克里克模型，DNA 是由两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴 构成双螺旋的结构。两条链都是右手螺旋，依靠彼此碱基之间形成的氢键而 联系在一起。根据分子模型计算，一条链上的嘌呤碱必须与另一条链上的嘧 啶碱相配，其距离才正好与双螺旋的直径吻合。而且，为使碱基对之间能够 形成氢键，A 只能与 T 配对，可形成两个氢键；G 与 C 配对，形成三个氢键。 上述碱基之间配对的规律称为碱基互补。根据碱基互补原则，当一条多核苷 酸链的序列被确定之后，即可决定另一条互补链的序列。碱基互补原则具有 极重要的生物学意义，核酸的复制、转录和反转录等过程都是基于碱基互补。 沃森-克里克的模型为随后各实验室的大量工作所证实，只在某些细节上有所 修正。为表彰他们的杰出贡献，1962 年他们被授予诺贝尔奖。
　　生物体的遗传信息以密码的形式编码在 DNA 分子上，表现为特定的核苷 酸序列。DNA 分子的一级结构即是指其核苷酸序列。为要了解基因 DNA 的编 码信息就要测定 DNA 的序列。美国科学家准备用 15 年时间，30 亿美元经费，
　　
绘制出人类基因组（由 30 亿个核苷酸对所组成）全部图谱。这是生物科学有 史以来最伟大的一项工程，这项工程已于 1988 年开始。通过这项工程，人类 将能更好了解自己，并有助于遗传疾病和肿瘤的诊断与基因治疗。
　　DNA 的二级结构是指其双螺旋构象。在生物体内 DNA 的两条互补链通常 以接近沃森-克里克模型描述的双螺旋结构形式存在，但局部也能形成相反方 向的左手螺旋（称为 Z 型结构）。
　　细菌的染色体 DNA、质粒（即染色体外基因）DNA、某些病毒 DNA、以及 真核生物细胞器（如叶绿体和线粒体）DNA 都是环状分子。真核生物的染色
体 DNA 是线状分子。当环状 DNA 两条连续的链形成双螺旋时，拧得过紧或过 松都会产生超螺旋结构，这就是 DNA 的三级结构。染色体中的 DNA 能和蛋白 质结合形成更高级的结构。DNA 的二级、三级和更高级结构在分子识别和功 能的控制与调节中起重要作用。DNA 分子的各级结构如图 1-10。


图 1-10 DNA 的分子结构


　　在变性因素（如热、酸、碱和变性剂等）作用下，DNA 双螺旋结构被破 坏，两条互补链解开，此过程称为变性。除去变性因素后，两条互补链又能 重新结合，恢复双螺旋结构，此过程称为复性。如果将两种序列相近的 DNA 分子混合在一起，经变性和复性，不仅同种 DNA 两条互补链能重新结合，异
种 DNA 两条部分互补链也能通过形成局部双螺旋区而结合在一起，成为异源
双链或杂交分子。一条 DNA 链还能和另一条互补或部分互补的 RNA 链形成杂 交分子。在生物技术中经常利用分子杂交来鉴定和分离核酸。从基因库中钓 出一个基因就是分子杂交技术的一种运用。
RNA 通常是一条单链分子，它的一级结构即是其核苷酸序列。但 RNA 能
通过自身回折形成局部碱基配对的双螺旋区，这是 RNA 的二级结构。碱基配 对的原则与 DNA 相似，但以 U 取代 T，即 A 与 U 配对，形成两个氢键；G 与
C 配对，形成三个氢键。不配对的碱基被排除在双螺旋结构之外，而形成突
环。图 1-11 表示 RNA 的一级结构和二级结构。


图 1-11 RNA 的分子结构 (a)RNA 链一个小片段的序列
(b)RNA 通过自身回折形成局部碱基配对的双螺旋区


　　RNA 的种类很多，主要有：核蛋白体 RNA（rRNA）、转移 RNA（tRNA）和 信使 RNA（mRNA）。核蛋白体是蛋白质合成场所，由少数几种 rRNA 和几十种 蛋白质分子组成。rRNA 含量很大，约占细胞总 RNA 的 80％左右。tRNA 在 蛋白质合成中起运载氨基酸和翻译的作用，约占细胞总 RNA 的15％左右。mRNA 是蛋白质合成的模板，约占细胞总 RNA 的 3～5 ％，数量虽少，种类却非 常多，大小不一。细胞内还有一些分子量较小的 RNA，在基因表达的不同水 平上起调节和控制作用。此外，许多病毒也含有 RNA。
　　克拉克于 1958 年提出中心法则，认为在基因表达过程中遗传信息流是单 向的，从 DNA 转录成 RNA，再由 RNA 翻译成蛋白质，信息进入蛋白质后不再 转移。DNA 和 RNA 都采用核苷酸来编码信息，信息由 DNA 转移到 RNA，如同磁 带倒录，故称为转录；RNA 和蛋白质的语言不同，前者用核苷酸语言，后者
　　
用氨基酸语言，故前者至后者需经过翻译。中心法则可能是争议最多的一条 法则了。有趣的是人们怀疑它，可又普遍接受它；想推翻它，却又推而不翻。
70 年代初发现致癌 RNA 病毒含有逆转录酶，能以 RNA 为模板合成 DNA。艾滋 病病毒也是一种逆转录病毒。逆转录过程的存在说明遗传信息能由 RNA 传递
给 DNA。然而蛋白质多肽链合成后立即卷曲起来，它的氨基酸序列从未发现 能指导其他生物大分子的合成。看来，对中心法则实质的了解还有赖于生物 科学三个最基本理论问题——生命起源、生命进化和生命本质的进一步深入 研究。
　　50 年代以来，因从事核酸或有关领域的研究而获得诺贝尔奖的科学家已 有四十多人，这在其他科学领域内是罕见的。这种情况也从一个侧面说明核 酸研究发展的迅速和科学界对核酸研究成果的重视。
　　(3)多糖多糖是由单糖聚合而成，单糖之间以糖苷键相连。多糖可以由一 种单糖组成，例如淀粉、糖原（动物淀粉）和纤维素都是葡萄糖的聚合物， 淀粉和纤维素的差别仅在于糖苷键的不同，前者为α型，后者为β型。它们 主要作为贮能形式（如淀粉），以及结构成分（如纤维素）而存在。杂多糖 含有多种单糖和单糖衍生物，并可和脂类分子结合形成糖脂，与蛋白质结合 形成糖蛋白、蛋白聚糖等。它们具有各种不同的功能，在保护、免疫和分子 识别中起重要作用。多糖与蛋白质和核酸的主要差别在于，它的合成是由酶 控制的，无需生物模板，因此它有种族特异性，但无高度复杂的结构信息。 此外，多糖常为分子大小不均一的组分所组成。
(4)脂类复合物脂类包括的范围很广，所有不溶于水而易溶于有机溶剂的
生物分子都属于脂类，于是它们构成了细胞的疏水成分。最常见的脂类物质 为油脂，是由脂肪酸和甘油所组成，它们是生物体所需燃料的贮存形式和运 输形式。组成生物膜的脂类复合物主要有三类：磷脂、胆固醇（或称为胆甾 类）和糖脂。这三类都是两性化合物，既含有亲水的极性“头部”，又含有 疏水的非极性“尾部”。这种两性性质在形成生物膜的脂类复合物中起重要 作用，在水环境中亲水头部趋向于水，疏水尾部都有不与水接触的强烈倾向， 从而使分子挤在一起。
3.生物膜
生物的基本结构和功能单位是细胞，任何细胞表面都有一层膜（厚度约
4～7 纳米）将其内部成分与环境分开，这层膜称为细胞膜或质膜。此外，大 多数细胞中还有许多内膜系统，组成具有各种特定功能的亚细胞结构和细胞 器。生物膜对细胞的有序反应和整个细胞的区域化控制提供了必要的结构基 础，从而使细胞的物质运输、能量转换、信息传递等生命过程得以有条不紊、 协调一致地进行。膜结构既是细胞结构的基本形式，也是生命活动的主要结 构基础。
　　(1)生物膜的分子结构化学分析表明，生物膜主要由蛋白质、脂类、糖类， 还有水和金属离子等组成。膜的成分随膜的种类不同而有很大差别。
　　膜蛋白以其功能大致可分为五类：酶类、运输蛋白、运动蛋白、信息接 受与传递蛋白、支持与保护蛋白。这些蛋白质赋于膜各种特殊功能。膜脂主 要是磷脂，此外还有胆固醇（细菌不含胆固醇）和糖脂。膜的性质和结构与 膜脂的两性性质有关。通常膜脂具有一个亲水的极性基团（头部）和两条疏 水的碳氢链（尾部）。在水环境中，极性头部与水接触，疏水的碳氢链被水 排斥而挤在一起，使膜脂自发形成平行排列的双分子层，并自我封闭成微囊。
　　
除此，脂类分子还能聚集在一起形成微团结构（图 1-12）。生物膜中脂类分 子通常总是以脂双层结构存在，或者组成平面膜，或者形成微囊。膜脂具有 流动性。脂类分子碳氢链越短，不饱和键越多，流动性也越大。在生理条件 下磷脂大多呈液晶态，即排列整齐的液态晶体，当温度降低至一定值时，磷 脂从流动的液晶态转变为类似固态晶体的凝胶态。温度升高又能促使凝胶态 “熔解”为液晶态。此转变温度称为相变温度。生物膜中常含有两种或两种 以上的脂类分子，它们的相变温度各不相同，在一定温度下有的处于凝胶态， 有的处于液晶态，处于凝胶态和液晶态的脂类分子各自汇集，从而使生物膜 的不同区域出现不同的状态（相），这一现象称为分相。由此可见膜脂双层 结构具有自组装、自封闭、自分相的作用。


图 1-12 膜脂双层结构和微团结构
{ewr MVIMAGE,MVIMAGE, !70000046_0023.bmp} 生物膜中含有寡糖或多糖，它们大多与膜蛋白结合，少量与膜脂结合。
膜的糖蛋白可能与细胞表面行为有关，细胞与周围环境的相互作用都涉及到 糖蛋白，伸出细胞表面的多糖如同天线搜集外界信息，在细胞识别中起重要 作用。
(2)生物膜的透性与物质运输 细胞质膜和细胞器膜的通透性是活细胞维
持其内环境的相对恒定和进行正常物质代谢的根本保证。现已知道，生物膜 的结构状态和膜中存在的许多运输蛋白与膜的选择性透性有关。正如物质代 谢是能量代谢和信息代谢的基础一样，膜的能量转换和信息传递均有赖于膜 的选择透性造成的膜内外离子浓度差和膜电位差，在此基础上形成膜的许多 其他功能。
从能量的角度来看，膜对分子和离子的透性或者说膜的物质运输可分为
两大类：被动运输和主动运输（图 1-13）。物质分子透过膜，如果是从高浓 度一侧转移到低浓度一侧，此过程无需提供外来能量，称之为被动运输。反 之，逆浓度梯度的运输则是一个消耗代谢能的过程，称之为主动运输。
物质的被动运输是一个依赖浓度梯度的扩散过程。非极性分子和小的极
性分子能够直接透过膜的脂双层，其通透能力决定于分子大小和脂溶性；但 是离子和稍大一些的极性分子则受到膜脂层的阻挡，它们穿过膜要靠运输蛋 白。膜上由通道蛋白形成的亲水通道，允许适当大小和带有一定电荷的溶质， 通过简单扩散的方式进出细胞。膜的载体蛋白在物质运输中起重要作用。它 可与被运输的物质分子可逆结合，由浓度高的一侧携带分子，然后转向浓度 低的一侧，释放出被运输物质，其作用有如旋转门。这种被动运输方式称为 促进扩散。载体与被运输物质的结合是高度特异的，正如酶对反应底物具有 特异性一样，因此也可将这些载体蛋白叫做渗透酶。
　　物质的主动运输是一个逆浓度梯度的过程，这种过程必须由某些产能反 应来驱动。将产能反应与需能反应相耦联，这是生物用来推动自然界不能自 发进行的各种过程的基本原理。在这里，产能反应提供的能量被用来改变载 体蛋白的构象，从而使载体蛋白能够来回将物质从低浓度区搬运到高浓度 区，能量的耦联是由载体蛋白来完成的。主动运输与被动运输中载体蛋白的 差别仅在于是否与能量耦联。根据能量来源，主动运输可分为：①和另一物 质运输过程耦联；②和化学反应耦联；③和其他形式能量（如光能）耦联。
　　
图 1-13 生物膜的被动运输和主动运输


　　动物细胞外部 Na+浓度总是高于内部，这种浓度差可被细胞利用来主动 摄取糖和氨基酸等营养成分。载体蛋白在运载一个有机溶质分子的同时也运 载了一个 Na+。这样，Na+由于浓度落差释放的能量正好用于溶质逆浓度运输 的需要。这种情况与人类利用水力的原理十分类似，人们可以利用水位落差 的能量来作各种功，包括将重物从低处提到高处。对于细菌来说，通常与主 动运输相耦联的浓度降落物质不是 Na+，而是 H+。
　　很多离子，特别是 Na+、K+和 Ca+的主动运输，都是和 ATP 的水解相耦联。 ATP 即三磷酸腺苷，是细胞代谢通用的能量载体。它含有两个高能磷酸键， 在水解时能释放出大量能量。细胞获得的能量通常以合成 ATP 的方式将其贮 存起来，以备需要时利用。动物细胞的质膜上分布着大量 Na+-K+运载体蛋白， 每一运载过程分解一个 ATP 分子，将 3 个 Na+排出细胞外，同时吸收一个 K+ 进入细胞。这种运载体的作用有如泵，故称之为离子泵。泵的工作需要分解 ATP，因此具有 ATP 酶活性。Na+-K+泵将 Na+排出细胞外，将 K+吸收进细胞内， 但是 Na+和 K+又能经离子通道渗漏回去。为维持细胞内外 Na+和 K+恒定的浓 度差，需要 Na+-K+泵昼夜不停地工作，静止时动物所消耗的 ATP 约有三分之 一用于 Na+-K+泵的活动。由此也可以看出，Na+-K+泵在动物细胞生命活动中 占有重要的地位。
另一种主动运输过程是与基团转移反应相偶联。例如，细菌在吸收葡萄
糖时，载体蛋白将葡萄糖带至质膜内侧即通过基团转移反应使其磷酸化，被 磷酸化的葡萄糖不再能透过质膜，从而使葡萄糖得以不断吸收进细胞内。磷 酸化需要能量，所消耗的能量用来促进葡萄糖的主动运输。
(3)生物膜的能量转换生物体内重要的能量转换过程都与膜结构密切相
关。线粒体是进行氧化磷酸化的主要场所，因而有“细胞动力站”之称；植 物的光合作用是在叶绿体的类囊体膜上进行的，可以说整个生物界是由它们 养活的。细菌的氧化磷酸化过程在质膜或其内陷的膜结构中进行。有些细菌 也能进行光合作用，它们的质膜含有菌紫质（细菌视紫红质），能将光能转 变为化学能。
线粒体的数目随不同细胞而异，其外形或为线状，或为颗粒状，故有此
名。线粒体的内膜有许多向内褶叠的嵴，嵴的存在有利于增加内膜的面积。 内膜包围着呈胶状的液体基质，其中含有蛋白质、核酸和各种代谢物（图
1-14）。线粒体内膜有许多蛋白质镶嵌在双分子层脂类系统中，这些蛋白质
包括各种运输蛋白、脱氢酶类、电子传递系统和 ATP 合成酶类等，是进行氧 化磷酸化的重要部位。所谓氧化磷酸化是指将生物氧化过程中释放出的能量 用于合成含高能磷酸键的 ATP。


图 1-14 细胞线粒体的结构


　　植物的绿色细胞中含有数目不等的叶绿体，它们由两层外被膜所包围， 内含以蛋白质和核酸为基本成分的基质，在基质内有膜系统排列折叠成片层 结构，片层间隔扩大成扁平圆盘状胞囊，为类囊体。类囊体彼此垛叠成基粒， 有如叠在一起的硬币，基粒之间由片层连接。这种复杂的片层结构大大增加 了膜的面积（图 1-15）。膜上含有可进行光反应的叶绿素等光合色素。由许
　　
多叶绿素分子和蛋白质组装成的捕光复合体就如同天线，它们收集、吸收光 能，并将其汇集到反应中心的叶绿素分子上，只有这一小部分位于反应中心 的叶绿素分子参加光反应，将光能转变成化学能。叶绿体的基质利用 ATP 的 能源和还原辅酶Ⅱ的还原力促使二氧化碳还原成糖，该过程不需光照，故称 为暗反应。生物合成与生物氧化正好相反，这是一个利用能量的还原过程。


图 1-15 叶绿体的结构


　　(4)生物膜的信息传递 细胞在其生命活动过程中必须不断从外部获得信 息，并作出相应的反应。无论是细胞内外，或是细胞之间的信息传递均有赖 于生物膜。信息借助于信号进行传递。从细胞外将信息传递到细胞内的过程 称为信号转导。细胞的信号转导系统由受体、信号转导蛋白（也称 G 蛋白） 和效应器三部分组成，它们都位于细胞表面的质膜上。
　　受体可分为三大类：第一类受体多为数个亚基构成的寡聚蛋白质，是依 赖于化学信号分子（如激素等）的离子通道，在细胞间传递信息（称为第一 信使）受体亚基接受信号后即改变通道的开关。第二类受体与信号转导蛋白 相偶联，它们多为单条多肽链，将信息转给效应器，产生胞内信使（在细胞 内传递信息的分子，称为第二信使），从而激活细胞内有关的酶系统。第三 类包括一些生长因子的受体，它们本身具有酪氨酸蛋白激酶的活性，可直接 激活细胞内的酶系统。
G 蛋白是信号转导系统的重要一环。有许多种 G 蛋白，分别联系不同的
受体和效应器，大致可分为刺激性和抑制性两类。因此同样的信号分子对不 同的组织细胞可引起不同的效应。效应器可以是一种酶，用以合成或分解第 二信使，或者是一种离子通道，以改变膜的离子流和膜电位。膜电位在传导 电信号中起重要作用。
值得提出的是，迄今发现的癌基因都是属于信号转导系统蛋白质的编码
基因，因发生突变失去控制而成为癌基因。这是因为细胞的正常生长和分裂 是受控制的，细胞内外环境条件的改变通过信号转导系统而影响细胞生长和 代谢，它的失控将导致细胞恶性生长，即发生癌变。
(5)膜的生物合成和人工膜生物膜上含有合成膜脂的各种酶类。脂类的前
体物质（如脂肪酸、甘油、含氮化合物等）是在胞液和细胞器基质中合成的， 它们被膜固有的酶利用来合成膜的脂类分子和糖脂。蛋白质是在细胞质中合 成的多肽链在合成的一定阶段或合成后被引导并插入生物膜的特定部位。生 物膜的合成就是在原有膜上加入新的成分，当膜生长至一定程度后即发生细 胞和细胞器的分裂。
　　利用膜的自组装、自封闭和自分相性质，可以用生物膜的成分重组功能 膜，或用脂类分子制造人工膜。通过超声波处理，有机溶剂处理、机械搅拌、 高压喷射等方法，可制备出各种大小的人工膜囊泡，称为脂质体。脂质体在 理论研究上和实践应用上都有很大价值。
4.细胞器和细胞 细菌和蓝藻都属于原核细胞，这类细胞膜结构比较简单，无细胞器。动
植物细胞（包括酵母菌）具有核结构，属于真核细胞。这类细胞内部由双层 核膜将原生质分成细胞核和细胞质两大结构与功能区。细胞核是遗传信息贮 存场所，在这里进行基因的复制和转录，从而控制着细胞的代谢活动。细胞

核的主要结构有核膜、核仁、染色质及核液等。细胞分裂时染色质凝缩成染 色体（图 1-16）。细胞核内合成的 RNA 经加工后由核孔进入细胞质中，在那 里进行蛋白质合成。


图 1-16 染色质的各级结构


　　在细胞质内以膜的分化为基础形成许多重要的细胞器，如内质网、高尔 基体、溶酶体、线粒体等。胞液是指细胞质的连续水相部分，大部分中间代 谢都在胞液中进行；其间还有各种颗粒、纤维和膜状结构，细胞器即悬浮其 中。内质网是分泌蛋白和合成磷脂、糖脂、胆固醇等的场所。高尔基体主要 功能是对细胞合成和吸收物质分门别类地进行浓缩、加工和运输，因此细胞 的分泌和吞噬都与其有关。溶酶体的膜形成囊泡状结构，是细胞的消化器官。 线粒体是重要的分解代谢和能量代谢场所，生物氧化磷酸化在线粒体内膜上 进行。植物细胞除上述细胞器外，还有叶绿体、液泡和细胞壁。此外，细胞 中还有许多特殊的或细微的结构。图 1-17 为动物细胞的典型结构。


图 1-17 动物细胞的结构


　　组成生物体的细胞有多种多样，其形状与大小悬殊很大，结构的复杂程 度也很不一样。细菌是比较小而简单的细胞，多数细菌细胞直径为 1～2 微 米，呈球状或杆状。是否有比细菌更小的细胞？目前发现的最小与最简单的 细胞是枝原体，它们中很多是人与动物的病原体，其直径只有 0.1～0.15 微 米，只有细菌体积的千分之一。为维持细胞独立生活，估计至少要有 100 个 左右基因，以便编码几十种维持细胞最基本代谢过程所需要的酶。这样看来， 细胞体积的大小在理论上是有下限的，枝原体已接近此下限。比枝原体更小 的病毒是不能离开细胞独立生活的，它们应看成是具有感染能力的细胞成 分。动植物细胞比较大，结构也较复杂，其直径多数在 15～30 微米之间。也 有不少例外，例如鸟卵细胞的直径可达数厘米，这是由于卵中含有丰富的营 养物质，以供受精后发育的需要。
在种类繁多的细胞世界中，根据其进化方向与结构特征，可以分为原核
细胞与真核细胞两大类。一般认为原核细胞与真核细胞起源于共同的原始细 胞，大概从 30 亿年前这两类细胞就开始分道扬镳了，它们不仅在结构复杂程 度上有很大差别，而且是沿着两条不同的演化途径发展。以细菌为代表的原 核细胞主要特点为：结构小巧、表达高效、分化较低、生长速度快。动植物 等真核细胞的特点为：结构复杂、调节精确、功能分化、适应潜力大。原核 细胞以快速生长见胜，其结构和代谢无不均表现出这一优势。剩菜剩饭隔一 夜就变馊了，就因为长满了细菌的缘故。真核细胞具有庞大的基因组，衍生 出多种多样的复杂结构和代谢类型，以各种不同的方式去适应和征服自然。 世界上现存的动植物物种大约有二百万种以上，我们所见到的绚丽多彩的生 物界主要就是由真核细胞组成的。
　　从细胞形态结构上来看，原核细胞的膜结构并不发达，只有质膜和由质 膜凹陷形成的中膜体，不形成核和其他细胞器；真核细胞的膜结构很发达， 形成核和其他细胞器。核结构的出现使转录（RNA 的合成）和翻译（蛋白质 的合成）在空间上和时间上都被分隔开来，基因表达的调控得以在不同水平
　　
上更精确地进行；而在原核细胞中转录和翻译往往是同时进行的。从染色质 的结构上来看，原核细胞的 DNA 仅局部覆盖以蛋白质，并不形成核小体和染 色体的高级结构；真核细胞的染色质存在多层次的高级结构。染色质的组装 结构不同，决定了它们复制和分配方式的差异。原核细胞的繁殖以直接分裂 为主，真核细胞则进行有丝分裂。从基因组的结构来看，原核细胞的基因组 小而紧凑，往往在功能上彼此有关的基因组成一个转录和调控的单位，称为 操纵子，它们由同一控制序列所启动。真核细胞的基因组庞大而复杂，有较 大比例的调控序列和重复序列，编码蛋白质的基因不组成操纵子。原核细胞 和真核细胞的基因结构也有较大差别，前者是连续的，后者是不连续的，编 码序列往往被一些非编码的居间序列所分隔开。因此真核细胞转录的 RNA 要 经过拼接，才成为有功能的成熟 RNA。由此可见，原核细胞和真核细胞主要 区别在于两者遗传物质的组织结构方面，即两者在核、染色质、基因组和基 因结构上有明显的不同。了解这一点很重要，在进行基因操作时必须考虑到 各自的结构特点。
5.多细胞生物的组织和器官 真核生物除原生动物、单细胞藻类和酵母菌外，多数为多细胞生物。在
多细胞生物中，各类细胞有不同程度的分化。所谓细胞分化是由于生物在发 育过程中永久性地关闭了细胞基因组的某些基因，因而使它们表达的性状不 同。例如，动物肝脏细胞和肌肉细胞的基因组是一样的，但是它们表达的基 因不同。肝脏细胞经分裂后产生的子代细胞仍然是肝脏细胞，因为肝脏细胞 不需要的基因已经被关闭了。细胞分化是在染色质结构水平上控制的。基因 组某些区域发生异染色质化，即这部分基因被组装成高度压缩的异染色质， 从而不再能表达。这种异染色质化具有“记忆”的能力，就是说子代细胞能 保持该区域处于异染色质化。癌组织失去了分化控制，因而又恢复了胚胎时 期的旺盛生长。研究细胞分化和再分化的规律，无论在理论上和实践上都有 十分重大的意义。
细胞经分化形成不同的类型，分别集合成群，称为组织。由各种组织构
成执行一定功能的器官。由许多器官联合组成的一套结构称为系统。例如， 高等植物的组织可分为表皮组织、维管组织和基本组织三大类，当然它们还 能进一步细分。由这些组织构成根、茎、叶三种器官，它们均属于营养系统。 花、果实、种子三种器官则属于生殖系统。又如，高等动物组织可分为上皮 组织、结缔组织、肌肉组织和神经组织四大类，由这些组织分别构成心、肝、 肺、胃、肠、肾、眼、鼻、耳、脑等器官，这些器官分属于循环系统、消化 系统、呼吸系统、排泄系统、神经系统等。由此构成生物个体不同层次的结 构，这些结构都是在生物大分子的基础上与其他有机和无机分子及水逐级装 配而成的。

三、生物体的自复制、自组装与自调节


　　现代分子生物学发展中具有重要意义的成就之一就是认识到生物大分子 是生物一切生命活动的分子基础。生物的生长、发育和繁殖从根本上来说也 就是各种生物大分子的依次合成、组装和扩增过程。遗传物质（核酸）能够 自我复制并控制蛋白质的合成，由蛋白质再合成其他生物分子。生物大分子 自我组装成生物不同层次的结构和组织。遗传信息的表达可在不同水平上进 行自我调节。由此呈现出生物的各种不同功能。
1.遗传物质的复制 什么叫遗传物质？简单说，就是携带生物遗传信息的物质。作为遗传物
质，它必须具有两个基本属性：第一，它能复制。细胞分裂一次，遗传物质 复制一次，这样遗传物质就能够代代相传。第二，它能表达。遗传物质决定 蛋白质的合成，通过蛋白质表现生物的各种性状。现在知道遗传物质是核酸， 遗传信息主要贮存在 DNA 中（有时为 RNA，例如 RNA 病毒），并通过 RNA 控 制蛋白质的合成。基因是基本的遗传单位，也就相当于一段 DNA 序列（或 RNA 序列）。通过基因结构分析，发现基因可以重叠（即两个基因共用一部分 DNA 序列），可以断裂（如真核生物基因被居间序列所分隔开），可以移动（从 基因组一个位置转移到另一位置）等，并且选择性表达。因此，基因代表可 表达的一段序列，并不一定是连续的 DNA 片段。
(1) DNA 的复制和修复按照沃森-克里克模型，DNA 分子两条链可解开，
各自合成其互补链。这样的复制方式称为半保留复制，即子代分子一条链来 自亲代，另一条是新合成的（图 1-18）。复制从固定起点开始，按一定顺序 进行。细菌的 DNA 总是和细胞膜相连，真核细胞的 DNA 和核膜相连。膜上含 有与复制有关的 DNA 聚合酶，并控制着复制的起始。基因组能独立进行复制 的单位称为复制子。每个复制子都含有控制复制起始的起点，可能还有固定 的终点。原核生物的染色体和质粒 DNA，真核生物的细胞器 DNA 都是环状双 链分子，不管它们分子大小十分悬殊，它们只含一个起点，因此是一个复制 子。真核生物染色体 DNA 是一条很长很长的线状双链分子。例如，人类的生 殖细胞有 23 个染色体（称为单倍体），体细胞染色体数目是生殖细胞的二倍
（二倍体），单倍体基因组 DNA 共含有 3×109 碱基对，如果将一个染色体
DNA 分子拉直，其长度可达几十厘米。在这样一条线状双链分子中分布着许 许多多复制起点，它们可以同时在许多点上开始复制，以此解决分子过长给 复制带来的困难。因此真核生物染色体 DNA 分子是多复制子。病毒 DNA 有多 种多样，或是环状分子，或是线状分子，或是双链，或是单链，每一个病毒 基因组 DNA 分子是一个复制子。


图 1-18 DNA 的半保留复制


　　DNA 由四种脱氧核糖核苷酸（dATP、dGTP、dCTP 和 dTTP）聚合而成，催 化聚合反应的酶称为 DNA 聚合酶。与生物小分子的合成不同，信息大分子的 合成除需要底物、能量和酶外，还需要模板。DNA 聚合酶催化的反应是按模 板的指令进行的。只有当进入反应中心的核苷酸碱基能与模板碱基形成沃森- 克里克类型碱基对时，才能在该酶催化下形成磷酸二酯键。因此 DNA 聚合酶 是一个模板指导的酶。DNA 聚合酶除模板外还要求有引物，它只能催化脱氧
　　
核糖核苷酸加到已有核酸链的 3′-羟基上，使链延伸，而不能使脱氧核糖核 苷酸自身发生聚合。通常 DNA 合成的引物是一小段 RNA，因为 RNA 聚合酶可 以在 DNA 模板链上催化核糖核苷酸从头聚合，在合成出 RNA 引物后 DNA 聚合 酶就能接着使核酸链进行延伸反应，合成出互补 DNA 链。
　　有些 DNA 聚合酶，如大肠杆菌 DNA 聚合酶，还具有校对功能。DNA 聚合 酶虽是按照模板的指令去合成 DNA 新链，然而错配的碱基仍然不可避免地会 出现。大肠杆菌 DNA 聚合酶是一种多功能酶，它除聚合酶活性外，还具有核 酸外切酶的活性，其 3′→5′外切酶活性与校对功能有关。在正常聚合条件 下，3′→5′外切酶活性受到抑制；若一旦出现错配碱基时，酶的构象将发 生改变，聚合反应立即停止，由 3′→5′外切酶迅速切除错误掺入的核苷 酸，然后聚合反应才得以继续进行下去。DNA 聚合酶的校对功能对保证 DNA 复制的忠实性极为重要。真核生物的 DNA 聚合和校对功能通常是由不同酶来 承担的。
　　DNA 复制是一个极其复杂的过程。在 DNA 链的合成部位即复制的生长点， 两条链在各种与复制有关的酶和辅助因子参与下，彼此配合进行高度精确的 复制。
　　世界上任何机器的复杂程度都是不能和生物相比拟的，机器在使用过程 中各部件都会耗损，而生物却能自我更新，其某一部分遭到损伤时在一定程 度上还能自我修复。DNA 分子对生物来说是极端重要的，它遭到各种物理的
（如紫外线、电离辐射等）和化学的（如诱变剂）因子作用，引起分子损伤
或是在复制过程中造成的错误也能加以修复。细胞内存在多种修复系统，它 们能够检查出 DNA 分子的损伤部位，由特异的核酸内切酶和外切酶将损伤的 一段链切除，或是通过 DNA 重组机能将损伤的链换掉，然后由 DNA 聚合酶进 行修补，由 DNA 连接酶重新接上。细胞内有多种 DNA 聚合酶，有的参与复制 合成，有的参与修复合成。如果损伤不是致死的，或者未能修复，那么就会 引起突变。突变虽可能会影响生物现有的功能，但是一定频率的突变却是生 物进化的基础。
(2)病毒 RNA 的复制病毒由蛋白质和核酸所组成，其核酸或为 DNA，或为
RNA。病毒侵入宿主细胞后即利用宿主的酶系统和代谢机构来合成病毒蛋白质 和核酸，即复制病毒。通常病毒仅编码其复制的关键酶或酶的亚基，以便控 制复制过程。RNA 病毒的遗传物质为 RNA，它的复制有赖于 RNA 复制酶，也 就是以 RNA 为模板的 RNA 聚合酶。该酶的特异性非常高，只复制病毒自身的 RNA，而不去复制细胞内其他种类的 RNA。聚合反应以四种核糖核苷酸（ATP、 GTP、CTP 和 UTP）为底物，由病毒 RNA 作为模板合成其互补链，然后再以互 补链为模板合成病毒 RNA。RNA 复制酶无校对功能，在复制中错误掺入核苷酸 的频率较高，这就是为什么 RNA 病毒变异率较高的原因。
　　逆转录病毒的基因组虽是 RNA，但其复制过程需经过 DNA 的阶段，这点 很特别。转录酶是一种 DNA 聚合酶，但能以 RNA 为模板，它在合成 DNA 时也 需要引物。酶和引物都由病毒颗粒带入宿主（动物）细胞。在合成出病毒的 第一条互补 DNA （cDNA）链后，随即整合到宿主细胞基因组中去。在适当条 件下病毒 RNA 被转录出来并合成病毒蛋白质，组装成病毒颗粒。
2.遗传物质的变异
　　遗传物质的变异称作突变。突变有三种类型：①DNA 碱基对的置换。诱 变剂使某个碱基发生变化而在复制后使 DNA 的碱基对发生错误，又称为点突
　　
变。碱基对的置换导致密码子的改变，结果酶或蛋白质的活性可能改变。② 移码突变。由于一个或两个核苷酸插入或者缺失而使基因在该位点后面的密 码框架全部发生错误，导致该基因产物完全失活。③大片段的缺失，造成丢 失一个基因，甚至多个基因。
　　碱基类似物、氮芥、亚硝酸、乙烯亚胺、羟胺等化合物都能引起碱基置 换。某些扁平的芳香族化合物，如原黄素等，可插入碱基平面之间，使 DNA 链伸长，结果造成移码突变，插入或删除个别核苷酸。紫外线或电离辐射能 够引起 DNA 链断裂或碱基破坏，它们造成的突变以碱基置换为主，也可以发 生移码突变或大片段缺失。用上述因素人为引起突变称为人工诱变。人工诱 变是动植物和微生物遗传育种的重要手段。
　　诱变剂通常需经过体内代谢活化才有诱变作用，因此不同个体对同样量 的诱变剂反应并不相同。在各种诱变剂中 90％以上有致癌作用，致癌物质
中 90 ％以上有诱变作用，这提示致癌因子引起动物癌症的机制是体细胞突 变。广岛原子弹爆炸时受辐射的幸存者在 12 年后白血病（又称为血癌）的患 病率为对照的 50 倍。有潜在诱变作用的化学制品的广泛使用和环境污染，对 人类健康是一种严重威胁。
3.遗传信息的表达——转录和翻译 遗传物质的功能之一是把遗传信息变为由特定氨基酸顺序构成的多肽
（蛋白质），从而决定生物体的表型。这一过程称为遗传信息的表达，或基
因表达。有些基因的表达始终如一，有些基因的表达受细胞内外环境的调节 或按时间程序依次进行。第一种情况称为组成性表达，主要是一些对细胞生 存基本必需的基因；第二种情况为适应性表达，主要是一些可诱导的酶和蛋 白质的编码基因；第三种情况是与生物发育有关的基因，它们控制着细胞的 分化。
(1)转录细胞的各类 RNA 都是以 DNA 为模板，在转录酶的催化下合成
的。最初转录的产物通常需要经过一系列加工，才能成为成熟的 RNA 分子。 转录酶又称为依赖于 DNA 的 RNA 聚合酶，它以四种核糖核苷酸（ATP、GTP、
CTP 和 UTP）为底物，按照模板序列通过碱基互补规则（RNA 以 U 与 DNA 的 A
配对）合成 RNA 链。DNA 两条链中只有一条链进行转录，称为模板链。DNA 的两条链哪一条为模板链是由基因的启动子决定的。启动子是 DNA 控制转录 的一段序列，它有方向性。RNA 聚合酶能识别启动子，与启动子结合后从起 点处开始转录，并不断延伸，一直转录到终止子（终止信号）为止。因此， 转录过程可分为起始、延伸、终止三个阶段。RNA 聚合酶为多亚基的寡聚蛋 白质，不同亚基各有其特殊功能。图 1-19 表示转录过程中的 RNA 聚合酶。