细胞基础知识

智慧谋略 · 发表于 2022-4-25 19:52:44

从微观角度讲，我们所有人都是由细胞构成的。看一眼镜子中的您——您看到的是被划分成约200种不同类型的10万亿颗细胞。我们的肌肉是由肌肉细胞构成，肝是由肝细胞构成，甚至连牙齿的珐琅质和眼睛的瞳孔也是由特定类型的细胞构成！

如果要了解自己的身体机能是怎么运转的，就需要了解细胞。从生殖、感染到断骨修复，每件事都是在细胞级上发生的。如果要了解诸如生物技术和基因工程等新的知识领域，同样需要了解细胞。

经常阅读报纸或各种科学杂志（如《科学美国人（Scientific American）》、《发现（Discover）》和《科技新时代（Popular Science）》）的人都知道，基因是当今的热点话题。下面是您经常会看到的一些名词：

生物技术基因剪接人体基因组基因工程重组DNA遗传病基因疗法DNA突变DNA 指纹或 DNA 图谱

基因科学和遗传学正在快速改变医疗、农业甚至法律体系的现状！

在本文中，我们将深入探索到分子层级，以帮助大家全面了解细胞的知识。我们将会介绍可能是最简单的细胞：细菌细胞。通过了解细菌，就可以了解人体内所有细胞的基本机理。这是一个引人入胜的话题，因为它与所有人都息息相关，同时可以帮助您更清楚、更容易地理解那些新闻报道。此外，在了解细胞的知识后，您就可以回答其他一些相关问题，例如：

什么是病毒？它如何在分子层级发生作用？
什么是抗生素？它是如何起作用的？为什么抗生素杀不死正常细胞？
什么是维生素？为什么我们每天需要摄取维生素？
毒素是如何起作用的？
什么叫活着？请至少从细胞层级进行描述。

一旦您了解了细胞的知识，就会发现所有这些问题都有显而易见的答案——现在我们开始学习吧！

人体约由100万亿颗细胞组成。最大的人体细胞大约相当于头发的直径，但大多数人体细胞都比较小，大概只有头发直径的十分之一。

现在，请用手指拔下一根头发，观察发丝的粗细。可以看到它不是很粗——直径约为100微米（1微米等于百万分之一米，因此100微米等于十分之一毫米）。普通的人体细胞大约是头发直径的十分之一（10微米）。低头看一下您的小脚趾——它大约含有20亿至30亿个细胞（具体取决于您的体形）。想象一间装满了豌豆的房子。如果将此房子比做您的小脚趾，那么豌豆就相当于细胞。真是多不胜数！

细菌也许是现存最简单的细胞。细菌是自主性单体活细胞。大肠埃希氏杆菌（简称大肠杆菌）是典型的细菌 ——它约为人体细胞的百分之一（大约 1 微米长，1/10 微米宽），不使用显微镜的话是看不到的。如果您受到感染，细菌就会在大细胞四周游动，如同大船旁边的小舟。

细菌比人体细胞简单得多。细菌包括一个称为细胞膜的外部包覆，细胞膜的内部是称为细胞质的水状流体。细胞质的70%是水。其他30%空间充满了称为酶（由细胞制造）的蛋白质，以及一些较小的分子，如氨基酸、葡萄糖分子和三磷酸腺苷（ATP）。细胞的中心是DNA球（像一根缠成一团的链子）。如果将DNA拉成一条长链，其长度与细菌相比简直不可思议——约为细菌长度的1000倍！

大肠杆菌具有独特的胶囊状外形。细胞的外部是细胞膜，此处以橙色表示。实际上，在大肠杆菌中，有两片紧密的细胞膜用于保护细胞。细胞膜内是细胞质。细胞质由在水中自由漂浮的数百万个酶、糖、ATP和其他分子组成。细胞的中心就是其自身的DNA。DNA类似于缠成一团的链子。细菌中的DNA没有保护结构，这个缠绕的球在细胞质内游动，大致位于细胞中心。连接在细胞外部的长丝称为鞭毛，其作用是推动细胞。并非所有细菌都有鞭毛，在人体细胞中，除精子细胞外，其他细胞均无鞭毛。

人体细胞比细菌复杂得多。这些细胞包含用于保护DNA的特殊核膜、类似线粒体和高尔基体的附加膜和结构，以及其他各种高级特征。但是，细菌和人体细胞的基本生化过程相同，下面我们将从细菌开始讲述。

任何时间，任何细胞中进行的各项任务都是通过酶来完成的。只要了解酶，就能了解细胞。细菌（如大肠杆菌）大约包含1,000种不同类型的酶，这些酶随时游离在细胞质周围。

酶具备一些很有意思的特性，这些特性使酶宛如小型化学反应机。细胞中酶的作用是使细胞快速发生化学反应。通过这些反应，细胞可以根据需要制造或分离相应物质。这就是细胞生长和繁殖的方式。从最基本的角度来看，细胞实际上就像一个小袋子，而酶就在这个袋子里不断促成各种化学反应发生！

酶是由氨基酸产生的，它们也是蛋白质。在形成酶时，将以特定的唯一顺序将100至1,000个氨基酸串接起来。然后，这个氨基酸链再折叠成独特的形状。该形状能使酶执行特定化学反应——酶将在这些化学反应中充当极其有效的催化剂。酶可以大幅加快反应速度。

例如，麦芽糖是两个键合在一起的葡萄糖分子形成的。麦芽糖酶的成形方式可以分解该键，并释放出两个葡萄糖片断。麦芽糖酶能够执行的唯一任务就是分解麦芽糖分子，但它执行此任务的速度极快，而且非常有效。还有些酶可以将原子和分子结合起来。分离分子和合并分子是酶的任务，另外，要使细胞正常发挥作用，需要对每种化学反应使用特定的酶。

上图显示了酶的基本作用。麦芽糖分子游离在麦芽糖酶的特定位点上，并在该位置被捕获。酶上的活性位将会分解键，随后有两个葡萄糖分子游走。

您可能听说过有人患有不耐乳糖症，或者您自己就深受其苦。该问题的原因在于，牛奶中的糖（即乳糖）无法分解成葡萄糖成分，因此这些糖无法被消化。不耐乳糖症患者的小肠细胞无法制造乳糖分解酵素，即分解乳糖所需的酶。这个问题表明，人体内即使只是缺少一种酶，也会造成某些问题。不耐乳糖症患者在喝牛奶之前吞下一滴乳糖分解酵素，便可以解决此问题。但许多酶缺乏症并不是这么轻易就可以解决的。

细菌中大约有1,000种酶（乳糖分解酵素就是其中的一种）。所有的酶都自由游离在细胞质中，等待它们可以识别的化学物质从身边游过。每个不同类型的酶都有数百乃至数百万个拷贝，具体取决于某种反应对某个细胞的重要性，以及需要发生该反应的频率。这些酶可以执行各种任务：从分解葡萄糖以摄取能量、生成细胞壁、制造新酶，到帮助繁殖细胞。酶是在细胞中完成所有这些任务的。

蛋白质是任何形式的氨基酸链。氨基酸是一种小分子，可充当任何蛋白质的结构单位。如果不计脂肪的话，蛋白质约占人体体重的20%，水约占60%。余下部分主要由矿物质（例如骨骼中的钙）组成。

氨基酸之所以被称为“氨基酸”，是因为它们含有酸性的氨基 (NH2) 和羧基 (COOH)。上图展示了两种氨基酸的化学结构。可以看到，每种氨基酸的顶层部分是相同的。对于所有氨基酸而言，有一点肯定的——只有底部的小链（即这两种氨基酸中的H或CH3）各不相同。在某些氨基酸中，该部分的差别可能相当大。人体由20种不同的氨基酸构成（自然界中大概有100种不同的氨基酸）。

对于人体而言，有以下两种不同类型的氨基酸：必需氨基酸和非必需氨基酸。非必需氨基酸是人体可通过体内的化学物质制造的氨基酸。必需氨基酸无法制造，因此只能从食物中摄取。下面是各种不同的氨基酸：

非必需氨基酸：

丙胺酸（通过丙酮酸合成）
精氨酸（通过谷氨酸合成）
天冬酰胺酸（通过天冬氨酸合成）
天冬氨酸（通过草酰乙酸合成）
半胱氨酸（通过来自蛋氨酸的高半胱氨酸合成）
谷氨酸（通过氧代戊二酸合成）
谷氨酸盐（通过谷氨酸合成）
氨基乙酸（通过丝氨酸和苏氨酸合成）
脯氨酸（通过谷氨酸合成）
丝氨酸（通过葡萄糖合成）
酪氨酸（通过苯基丙氨酸合成）

必需氨基酸：

组氨酸
异亮氨酸
亮氨酸
赖氨酸
蛋氨酸
苯基丙氨酸
苏氨酸
色氨酸
缬氨酸

饮食中的蛋白质是从动物源和植物源中摄取的。大多数动物源（肉、牛奶、蛋）提供所谓的“完全蛋白质”，即这些食物包含所有的必需氨基酸。植物源含有的某些必需氨基酸较少，或者不包含这些氨基酸。例如，大米中含有的异亮氨酸和赖氨酸较少。但是，不同的植物源缺少的氨基酸是不同的。因此，通过综合食用不同的食物，就可以获得一天所需的全部必需氨基酸。某些植物源含有相当多的蛋白质。坚果、豆类和大豆都是蛋白质含量很高的食物。综合选用这些食物，可以全面获得所有的必需氨基酸。

消化系统会将所有蛋白质分解成相应的氨基酸，这样它们就可以进入血流。细胞会将这些氨基酸用做结构单位，以制造酶和结构蛋白质。

在细菌和人体细胞内部，有各种酶在起作用，其中的许多酶非常奇妙。细胞在内部使用酶来生长、繁殖和制造能量，通常还在细胞壁外部分泌酶。例如，大肠杆菌可以分泌酶来帮助分解食物分子，使自身可以穿过细胞壁进入细胞。您可能听说过下列酶：

蛋白酶和肽酶——蛋白酶是指可以将长蛋白质分解成较短的缩氨酸（缩氨酸就是氨基酸的短链）的任何酶。肽酶可以将缩氨酸分解成单个氨基酸。蛋白酶和肽酶通常可以在漂白剂中找到——它们可以通过分解蛋白质来帮助去除衣物上的污物（如血渍等）。有些蛋白酶的功能极其具体，另有一些蛋白酶几乎可以分解任何氨基酸链。（您也许听说过药物中用于抵抗艾滋病毒的蛋白酶抑制剂。艾滋病毒在部分复制周期使用非常特别的蛋白酶，而蛋白酶抑制剂可以抑止这些蛋白酶，并停止病毒的复制。）
淀粉酶——淀粉酶可以将淀粉链分解成较小的糖分子。您的唾液和小肠中就含有淀粉酶。麦芽糖酶、乳糖酶、蔗糖酶（前一节已讲述）可以完成将单糖分解成单个葡萄糖分子的过程。
脂肪酶——脂肪酶可以分解脂肪。
纤维素酶——纤维素酶可以将纤维素分子分解成单糖。牛和白蚁肠道中的细菌可以分泌纤维素酶，因此它们可以吃草和树木等食物。

细菌将这些酶排泄到细胞壁外。环境中的分子将被它们分解成片断（蛋白质将分解成氨基酸，淀粉将分解成糖，诸如此类），其大小足以穿过细胞壁进入细胞质。这就是大肠杆菌的进食方式。

在细胞中，有数百个极其特别的酶在执行非常具体的任务，使细胞得以存活。细胞中一些比较奇妙的酶包括：

能量酶——细胞通过10个一组的酶执行糖酵解。另外8个酶控制柠檬酸循环（又称Krebs循环）。通过这两个过程，细胞可以将葡萄糖和氧气转化成ATP。在耗氧细胞（如大肠杆菌或人体细胞）中，一个葡萄糖分子将形成36个ATP分子（在无需氧气即可维系生命的物质中，如酵母细胞，只会发生糖酵解，并且每个葡萄糖分子只会生成两个ATP分子）。ATP 是一种燃料分子，可通过执行“负电性”化学反应，为酶提供能量。
抑制酶——许多细菌能够制造抑制酶，这些酶可以识别DNA链中极其特殊的图谱，并可以在这些图谱上分解DNA。当病毒将其DNA注入细菌中时，抑制酶可以识别出病毒的DNA并将其切割掉，从而在病毒进行复制前有效地将其破坏。
DNA操控酶——有些特殊的酶能够沿着DNA链移动并修复DNA链，有些酶能够解开DNA链并复制这些链（如DNA聚合酶），还有一些酶能够发现DNA上的小图谱，然后链接到这些图谱，从而阻止其他物质进入DNA的该部分（如与DNA结合的蛋白质）。
造酶酶——所有的酶肯定都各有来源，因此肯定有些酶可以制造细胞的酶。以三种不同形式（信使RNA、转录RNA和核糖体RNA）存在的核糖核酸 (RNA) 是该过程的重要组成部分。

细胞其实就是一系列化学反应，而酶可以保证这些反应正常进行。

只要细胞膜完好无损，并且可以制造所有保证其正常功能的酶，细胞就被认为是活的。保证其正常功能所需的酶可以帮助细胞通过葡萄糖产生能量，生成构成其细胞壁的片断，繁殖新酶，当然也可以制造新酶。

那么，所有这些酶是从哪里来的呢？当细胞需要这些酶时，又是如何制造它们的呢？如果细胞只是一系列可以促成化学反应（细胞通过此化学反应执行其功能）的酶，那么一系列化学反应如何能够生成细胞所需的酶，细胞又如何能够繁殖呢？生命的奇迹源于何处？

这些问题的答案在于DNA，即脱氧核糖核酸。您一定听说过DNA、染色体和基因。当细胞制造新酶时，DNA起着支配性的作用。事实上，细胞中的DNA不过是由称为核苷酸或碱基的四个不同部分组成的图谱。假设有一套只包括四种不同形状的积木，或者一套只包含四个不同字母的字母表，那么DNA就是这些积木或字母构成的长链。在大肠杆菌细胞中，DNA图谱的长度大约是400万个结构单位的长度。如果将此DNA单链延伸开来，其长度将是1.36毫米——这相当长，因为细菌本身的长度比它短1,000倍。在细菌中，DNA链就像是一条缠成一团的链子。假如您拿一根300米的极细的线，并将其缠成一团，您很容易就可以将它攥在手里。（人体DNA的长度大约是30亿个结构单位的长度，差不多比一个大肠杆菌长1,000倍。由于太长，人体DNA没办法缠成一团，而是紧密地缠绕成23个称为染色体的结构，染色体可以更加牢固地包覆DNA，使其固定在细胞中。）

DNA的奇妙之处在于：DNA不过是一个图谱，指示细胞如何制造蛋白质。这就是DNA的所有作用。大肠杆菌细胞DNA中的400万个碱基，指示细胞如何制造1,000个左右的酶，使大肠杆菌细胞得以存活。简单地说，基因就是DNA的一个切片，可充当形成酶时使用的模板。

我们回顾一下DNA转化成酶的整个过程，以便了解DNA的功能。

您可能听说过被称为“双螺旋”的DNA分子。DNA就像缠绕在一起的两根链子，呈长螺旋状。

所有细胞中的DNA都是以碱基对的形式存在的，碱基对包括四种不同的核苷酸。每个碱基对是由两个链接在一起的互补核苷酸形成的。DNA成分表中的四个碱基为：

腺嘌呤
胞核嘧啶
鸟嘌呤
胸腺嘧啶

其中，腺嘌呤和胸腺嘧啶总是成对结合，胞核嘧啶和鸟嘌呤总是成对结合。这两种碱基对如同梯子上的横档一样链接在一起：

在大肠杆菌中，这个梯子形结构的长度大约是400万个碱基对的长度。该结构的两端链接在一起，从而形成环状，然后，该环将会缠成一团，以填充细胞内部。整个环称为基因组，科学家已完全将其解码。也就是说，科学家已经确切知道，需要所有400万个碱基对才能形成大肠杆菌的DNA。人体基因组工程正在解码人体DNA中所有约30亿个碱基。

是否还记得前一节讲过，酶是由20种不同的氨基酸以特定顺序链接在一起而形成的？下面我们要提一个问题：如何从仅由4种核苷酸构成的DNA中提取包含20种不同氨基酸的酶？该问题有两种答案：

一种称为核糖体的极其复杂且奇特的酶，可以读取通过DNA生成的信使RNA，然后将其转化成氨基酸链。
为提取合适的氨基酸，核糖体将以三个一组的形式提取核苷酸，以便为20种氨基酸编码。

这意味着，DNA链中的每3个碱基对都可为酶中的一个氨基酸编码。因此，DNA链上排成一排的三种核苷酸又称为密码子。由于DNA由四种不同的碱基构成，并且密码子中有3个碱基，4×4×4=64，每个密码子有64种可能的图谱。由于只有20种可能的氨基酸，因此这意味着存在某种冗余，即某些不同的密码子可为同一氨基酸编码。此外，还有一个终止密码子，用于标记基因的末尾。综上所述，在一个DNA链中，有一组数量为100至1,000的密码子（300至3,000个碱基）用于指定要形成特定酶的氨基酸。另外，还有一个终止密码子用于标记DNA链的末尾。链的开头是称为启动子的碱基部分。因此，基因是由启动子、特定酶中氨基酸的一组密码子以及终止密码子组成的。这是基因的所有组成部分。

要制造酶，细胞必须首先将DNA中的基因转录成信使RNA。该转录过程是由一种称为RNA聚合酶的酶执行的。RNA聚合酶在启动子处与DNA链结合，并断开两条DNA链的链接，然后使其中一条DNA链的互补基因拷贝成RNA链。RNA，又称核糖核酸，与DNA极其相似，不同之处在于，前者非常适宜在单链状态下存活（这与DNA适合形成互补双链螺旋的情况相反）。因此，RNA聚合酶的功能就是将DNA中的基因拷贝成为单链信使RNA (mRNA)。

然后，信使RNA链将漂浮到大概是自然界最奇妙的酶——核糖体上。核糖体将在信使RNA链中寻找第一个密码子，找到适合该密码子的氨基酸并将其控制住；然后寻找第二个密码子，找到适合的氨基酸并将其与第一个氨基酸链接；然后继续寻找第三个密码子，以此类推。换句话说，核糖体将读取密码子，将其转换成氨基酸，然后将这些氨基酸链接起来，形成一条长链。当核糖体获得最后一个密码子（即终止密码子）时，将会释放该链。当然，该氨基酸长链就是酶。该链将折叠成独特的形状并自由漂浮，然后开始执行酶所执行的各种反应。

显然，前一页中所描述的过程并不简单。核糖体是一种极其复杂的结构，它是酶和核糖体 RNA (rRNA) 结合在一起形成的大型分子机器。核糖体会得到ATP的帮助。当核糖体沿着信使RNA前行，或将氨基酸链接一起时，ATP可为其提供动力。核糖体还会得到转移RNA (tRNA)的帮助。转移RNA是为20个不同氨基酸充当载体的20个特殊分子的集合。当核糖体向下一个密码子移动时，载满了适当氨基酸的适当转移RNA分子将会移动就位。核糖体从转移RNA中分离出氨基酸，然后将其链接到不断增长的酶链上。然后，核糖体将驱逐“空的”转移RNA分子，以便腾出位置来获取另一个适当类型的氨基酸。

RNA聚合酶（黄色）将连接到DNA链上的基因启动子。然后，将会沿着DNA链移动，并在信使RNA链中生成自己的拷贝。
信使RNA链可以自由漂浮，并查找核糖体。
核糖体（绿色）将连接到信使RNA链，并沿着该链移动，以便为基因代表的酶形成氨基酸链。
氨基酸链将会折叠，形成酶的特定形状，然后开始执行其功能。

您可以看到，每个细胞中都存在各种各样的生化过程，使细胞保持活性：

有一个极长且非常精确的DNA分子定义了细胞所需的所有酶。
有些RNA聚合酶已连接到DNA链上的不同基因起点，它们可以将基因的DNA复制到信使RNA分子中。
信使RNA分子将漂浮到核糖体中，后者将读取该分子，然后将其编码的氨基酸链链接在一起。
氨基酸链将从核糖体中游走，并将自己折叠成特定的形状，以便开始催化适合其自身的特定反应。

任何细胞的细胞质将与核糖体、RNA聚合酶、转移RNA和信使RNA分子和酶一起漂浮，所有这些物质都将独立执行反应。

只要细胞中的酶是活动的，并且所有必需酶都存在，则细胞就是活性的。一个有趣的旁注：如果您获取大量的酵母细胞，并对其进行破坏性处理（例如，将其置于搅拌机中）以释放酶，那么，产生的流体仍能在一段时间内执行活性酵母细胞具备的各种功能（例如制造二氧化碳以及从糖中提取酒精）。但是，由于细胞不再是原来的细胞，因此它们不是活性的，不会生成新的酶。最后，当现有的酶耗尽后，流体将停止反应。此时，可以认为细胞和流体均已“死亡”。

所有活体的特点是能够繁殖。细菌繁殖不过是另一种形式的酶生化行为。有一种酶称为DNA 聚合酶，它与其他若干种协同工作的酶可以沿着DNA链运动并复制自身。换而言之，DNA聚合酶可以分离双螺旋，并在两条链上各制造出一个新的双螺旋。一旦它到达DNA环的末端，就会有两个独立的新环在大肠杆菌细胞中漂浮。然后，细胞将会收缩中部细胞壁，将两侧的DNA环分离开来，并将自身分割成两半。

在适当条件下，大肠杆菌细胞每隔20至30分钟便会分割一次！生长细胞、复制DNA环和分割细胞的酶生化过程在极短的时间内就会发生。

现在您知道，细胞的生命依赖于细胞质中游离的各种酶流体。许多不同的毒素在发生作用时，就是以某种方式破坏酶流体的平衡。

例如，白喉毒素在发生作用时，将会扰乱细胞核糖体的功能，使核糖体无法沿着信使RNA链移动。剧毒蘑菇中的毒素则是扰乱RNA聚合酶的功能，使RNA转录停止。在这两种情况下，新酶再造将会停止，受毒素侵袭的细胞不再生长或繁殖。

抗生素也是一种毒素，可以在不伤害人体细胞的条件下破坏细菌细胞。所有抗生素都利用了如下事实：人体细胞中的酶和细菌中的酶之间存在许多差异。例如，如果发现某种毒素可以影响大肠杆菌核糖体，但不会侵害人体核糖体。那么，这种毒素就是有效的抗生素。链霉素就是以这种方式发生作用的抗生素。

青霉素是人类发现的第一种抗生素，它可以扰乱细菌生成细胞壁的功能。由于细菌细胞壁和人体细胞壁有极大差别，青霉素对特定种类的细菌效果明显，但对人体细胞却毫无影响。磺胺类药剂在发挥作用时，会使细菌中负责生成核苷酸的酶丧失功能，但对于人体它并不起作用。如果没有核苷酸的话，细菌就无法繁殖。

可以看出，要想发现新的抗生素需要在酶层级上进行考察，以便找出细菌细胞和人体细胞中的酶之间的差异，并利用这种差异，在不影响人体细胞的条件下杀灭细菌。

遗憾的是，任何抗生素在经过一段时间后都会失去效力。细菌繁殖太快，使得突变的概率比较大。抗生素可以杀灭人体内的数百万种细菌。但是，只要其中一种细菌发生突变，针对抗生素产生免疫作用，则该细菌细胞就会以极快的速度繁殖，然后扩散给其他人。大多数细菌性疾病在这个过程中，都对针对其使用的部分或全部抗生素产生了免疫作用。

病毒绝对是神奇的事物。尽管它们本身不是活体，但病毒可以通过劫持活细胞的结构进行繁殖。文章[color=rgb(25, 142, 216) !important]病毒是如何致病的？详细介绍了病毒，下面是该文章的摘要。

病毒粒子由包覆在DNA或RNA链周围的滤过性毒菌外壳构成。其外壳及DNA短链可能极小——比细菌小1,000倍。毒菌外壳通常布满了可与细胞外部结合的化学性“触角”。一旦停留在细胞上，滤过性毒菌DNA（或RNA，具体取决于不同的病毒）便会注入到细胞中，在该细胞的外部留下一层外壳。

在最简单的病毒中，DNA或RNA链可以在细胞内部自由漂浮。RNA聚合酶将会转录DNA链，核糖体将制造滤过性毒菌DNA指定的酶。滤过性毒菌DNA制造的酶可以制造新的滤过性毒菌外壳和病毒的其它组成部分。在简单的病毒中，这些外壳可以在复制的DNA链四周自行组合。最后，当细胞中的滤过性毒菌粒子达到一定数量时，细胞就会破裂，释放出这些粒子，使其攻击新的细胞。通过这种机制，病毒能够以惊人的速度复制和感染其他细胞。

在多数情况下，免疫系统会产生抗体，这些抗体是与滤过性毒菌粒子结合在一起的蛋白质，可以防止这些粒子附着到新的细胞上。免疫系统还可以通过寻找被滤过性毒菌外壳包覆的细胞来侦测受感染细胞，并杀灭这些细胞。

由于病毒不是活的，因此抗生素对它不起作用，只能袖手旁观。免疫是通过预先感染身体来产生效果的，因此，只要病毒一开始复制，它就知道如何生成适当的抗生素。

许多基因性疾病都是由于缺少单个酶的基因造成的。下面是由于缺少基因而导致的某些常见问题：

不耐乳糖症——无法消化乳糖（牛奶中的糖）是缺少乳糖分解酵素基因而引起的。如果没有这种基因，小肠细胞将无法制造乳糖分解酵素。
白化病——白化病是缺少酪氨酸酶的基因引起的。必须有这种酶才能生成黑色素，日晒后的颜色、头发颜色和眼睛颜色都与此色素相关。没有酪氨酸酶，就没有黑色素。
胆囊纤维症——胆囊纤维症患者体内，制造“囊性纤维化跨膜传导调节体”蛋白质的基因被损坏。根据《不列颠百科全书》：

其他基因性疾病包括家族性黑蒙性白痴症(Tay-Sachs)（己糖胺酶A的基因受损，导致破坏大脑的化学物质在脑中积聚）、镰状细胞性贫血症（制造血色素的基因的编码不当）、血友病（缺少凝血因子）和肌肉营养失调（因X染色体基因有缺陷而导致）。人体基因组中大概有60,000 种基因，一般认为，如果其中5,000个以上的基因受到损坏或缺失，就会导致基因性疾病。奇特之处在于，在许多情况下，只要有一个酶被损坏，就会导致威胁生命或损毁容貌的问题。

什么是生物工艺学和基因工程？在生物工艺学的发展历程中出现了许多奇迹，其中有三项主要开发成果可看作是生物工艺学的标志：

使用细菌制造人体干扰素、人体胰岛素和人体生长荷尔蒙等物质。也就是说，可以操控大肠杆菌等简单细菌，大量生产出上述化学物质供医疗使用。也可以通过改良细菌来生产其他各种化学物质和酶。
改良植物可以改变其对环境、疾病或杀虫剂的反应。例如，在西红柿的基因组中添加几丁质酶，就可以使西红柿获得抗真菌力。几丁质酶可以分解构成真菌细胞壁的几丁质。“农达(Roundup)”杀虫剂可以杀死所有植物，但是，在农作物中添加对“农达”产生免疫力的基因，就可以对这些农作物进行改良。
通过DNA鉴别身份。个体的DNA是唯一且各不相同的，通过相当简单的试验，就可以将案发现场提取的DNA样本与疑犯的DNA进行比对。聚合酶链反应 (PCR) 技术的发明对完成这个程序很有帮助。该技术可将DNA的小样本在很短的时间内放大数百万倍。

为了解生物工艺学中使用的某些技术，让我们先了解一下如何改良细菌来生产人体胰岛素。

胰岛素是一种简单的蛋白质，通常由胰腺产生。糖尿病患者的胰腺已受到损坏，因此无法产生胰岛素。由于人体在处理葡萄糖的过程中，胰岛素起着至关重要的作用，因此这是一个相当严重的问题。许多糖尿病患者必须每天注射胰岛素。在二十世纪八十年代之前，糖尿病患者使用的胰岛素是从猪身上提取的，十分昂贵。

为了更经济地制造胰岛素，科学家将产生人体胰岛素的基因加入到普通大肠杆菌的基因内。基因定位后，普通的细胞机制就可以像制造其他任何酶一样制造人体胰岛素。通过大量培养改良细菌，然后杀灭并解剖这些细菌，便可以萃取、净化胰岛素，以经济的方式生产胰岛素。

如此看来，关键在于如何将新的基因植入到细菌中。最便捷的方法是将基因切片成质粒——DNA 的一个小环，细菌通常以原始的性交方式相互传递该DNA环。科学家已开发出精密的工具来切割标准质粒，以及将新基因切片成标准质粒。然后，细菌样本将被质粒“感染”，其中一些细菌吸收了这些质粒，在其DNA中整合了新的基因。为了将感染和未感染的细菌区分开来，质粒还包含了一个基因，让细菌对特定的抗生素产生免疫力。通过使用抗生素处理抗样本，所有未吸收质粒的细胞将被杀死。当前，可以大量培养一种制造胰岛素的新型大肠杆菌，用于生产胰岛素。

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