生物化学和分子生物学1

生命科学导论分子生物和生物化学细胞生物学神经生物学生命科学导论绪论生命科学－探索生命的奥秘－自然科学中最具有挑战性的学科Biology,LifeSciences医学、农学、法医学、人类学、心理学、社会学、哲学、伦理学生命科学是21世纪自然科学中最可能有重大突破的学科 20世纪初是物理学的黄金时代 1953年Watson-CrickDNA双螺旋模型分子生物学诞生 生命科学的黄金时代生命的奥秘 遗传 个体的发育人体有100万亿个细胞，却都是由受精卵一个细胞发育而来 进化 大脑的功能学习，记忆，思维，认知 癌症 生命起源作为《科学》杂志创刊１２５周年纪念活动的一部分,不同领域的科学家日前齐聚美国科学促进会位于华盛顿的总部，共同探讨眼下最亟须解决的科学问题,提出了125个目前挑战全球科学界的重要基础性问题。在这125个问题的基础上，科学家们围绕4个主题展开了讨论。这4个主题分别是：宇宙的本质，记忆、意识和人类的生命，基因、蛋白质和疾病，持续发展。挑战全球科学界的重要基础性问题 人类面临最重大的问题和挑战 人口膨胀； 粮食短缺； 疾病危害； 环境污染； 能源危机； 资源匮乏； 生态平衡破坏； 生物物种大量消亡。高新技术产业代替传统产业 21世纪将是信息技术、生物技术、新 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 技术、新能源技术突飞猛进的发展时期，也是这些高新科技迅速产业化的时期。什么是生命？生命的基本特征是什么？生命的基本特征所有的生物都是由一个或多个细胞组成的所有的生物都是高度有序的(order)生长与发育(growthanddevelopment)应激反应(responsetotheenvironment)利用能量，新陈代谢（Energyutilization)复制与繁殖(reproduction)进化(evolution)调节与稳态(regulation)定义生命是具有以上共同特征的物质存在形式生命科学是研究生命现象的科学生命科学是研究生物体及其活动规律的科学，广义的生命科学还包括生物技术、生物与环境、生物学与其他学科交叉的领域。除病毒外，所有的生物都是由一个或多个细胞组成的,所有的生物都是高度有序的细胞生物学新陈代谢、所有生物体都与外界不断进行物质交换与能量交换有机质合成有机质分解生物化学繁殖与遗传生命通过繁殖而延续，DNA是生物遗传的基本物质种瓜得瓜，种豆得豆遗传的奥秘已被揭示遗传学生长和发育发育生物学进化与适应生物与环境相互作用，适应环境进化生物学，生态学应激反应与稳态生物对外界可产生应激反应，自我调节，对环境有适应性，保持它们内部的恒定生理学，生态学，分子细胞生物学生命的不同层次生态水平群落水平群体水平个体水平器官系统水平器官水平组织水平细胞水平分子水平生命科学的发展史 古代－16世纪 16世纪－20世纪中叶 20世纪中叶－古代－16世纪 与疾病斗争，农业畜禽生产，宗教活动 亚里士多德382－322BC动物誌 古代第一部按学术体系记录的人类关于生物学的广泛知识 春秋战国《诗经》260多种动物，350多种植物，西汉《尔雅》1000多种动植物 北魏贾思勰齐民要术 中国现存最早、最完整的一部包括农、林、牧、副、渔的综合性农书 明代李时珍本草纲目 一部集十六世纪以前，中国本草学大成的著作16世纪－20世纪中叶 1543比利时医生维萨里AndreasVesalius人体的结构解剖学 1628英国医生哈维WillianHarvey心血循环论生理学解剖学和生理学的建立为人们对生命现象的全面研究奠定了基础 18世纪细胞学，进化论，遗传学细胞学 1665年，英国学者胡克(RobertHooke) 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 制造了首架光学显微镜，当时放大倍数为40-140倍，并用此首次观察并描述了植物细胞，同年发表《显微图谱》一书。(cell) 1838年施莱登MatthiasJacobSchleiden,发表"植物发生论“,植物组织由细胞组成 施旺TheodorSchwann动物组织 “细胞学说”确定了现代生物学中的一个基本观念--所有有生命的生物体都是由细胞和细胞产物组成的 1858年魏尔肖RudolfVirchow,《细胞病理学》进化论 系统生物分类法林耐CarlLinnaeus 1859达尔文《物种的起源》进化论 生物的多样性与进化的保守性遗传学 魏斯曼（1839－1914）生物发育的种质学说 1865孟德尔豌豆杂交实验 摩尔根（1866－1945）果蝇实验 经典遗传学的分离，连锁，交换三大规律 摩尔根与孟德尔所奠定的遗传学——染色体的基本理论，被称为经典遗传学。20世纪中叶－ 1953年JamesWatsonandFrancisCrick双螺旋模型 中心法则 分子生物学的诞生 生命科学从静态的定性描述性学科转为动态定量的学科 分子遗传学 细胞分子生物学 分子细胞神经生物学 分子免疫学 发育分子生物学 21世纪生命科学的特点1、各种组学研究使得生命科学分析与综合结合分析与综合相结合SystemsBiology2、由描述性的定性的科学走向精确定量的科学A.(上)围棋B.（下）国际象棋的fMRI结果围棋与国际象棋的区别：较强的激活围棋-右侧，国际象棋-左侧。有证据表明:右半球参与整体水平加工.本结果提示：围棋--更依赖于-整体水平加工，国际象棋--更注重于-局部计算。3、多学科交叉生命的基本化学组成生命本质的一致性2.1原子和分子——生命的化学基础2.2糖类化合物2.3脂类化合物2.4蛋白质2.5核酸生命元素中，碳元素具有特别重要的作用。生物大分子的基本性质取决于有机化合物的碳骨架和功能基团。蛋白质、核酸、脂类和多糖等，都是由含有功能基团的相同或相近的单体脱水缩合而成。糖类包括单糖、寡糖和多糖。糖是生物代谢反应的重要中间代谢物，是细胞重要的结构成分，可构成核酸和糖蛋白等重要生物大分子，糖类又是生命活动的主要能源。脂类主要是由碳原子和氢原子通过共价键结合形成的非极性化合物，具有疏水性。中性脂肪和油都是由甘油和脂肪酸结合成的脂类。卵磷脂是生物膜脂质双层的主要成分。蛋白质是细胞最重要的结构成分并参与所有的生命活动过程。蛋白质的特定构像对于蛋白质的功能起决定性的作用。核酸包括脱氧核糖核酸（DNA)和核糖核酸(RNA)两类。DNA是右旋的双螺旋结构。DNA是遗传信息的携带者。贮存遗传信息的特殊DNA片段称为基因，它决定蛋白质的功能。RNA是一类单链分子，在蛋白质的合成中起重要作用。1953年Watson和Crick建立了DNA双螺旋结构理论，奠定了现代分子生物学基础。核酸核酸核酸是遗传信息的主要携带者,贮存遗传信息，控制蛋白质的合成核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),都是由许多顺序排列的核苷酸组成的大分子。 分子量RNA：几万——几百万 DNA：1.6×106——2.2×109 碱基+戊糖 核苷+磷酸 核苷酸 poly 聚合 核酸 (核苷酸之间通过3.’5’磷酸二脂键连接)核酸的化学结构碱基戊糖磷酸核苷酸 每一个核苷酸含有一个戊糖（核糖或脱氧核糖）分子、一个磷酸分子和一个含氮的有机碱（碱基）。 脱氧核糖或核糖上第一位碳原子与嘌呤或嘧啶结合，就成为脱氧核苷或核苷，第三位或第五位碳原子再与磷酸结合，就成为脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。脱氧核糖核酸DNA核糖核酸RNA AadenineA GguanineG CcytosineC TthymineUUracil A,Garepurines C,T,Uarepyrimidines核酸的一级结构核苷酸按照一定的排列顺序，通过3’,5’-磷酸二酯键相连形成的线形结构一个核苷酸3’-OH与另一个核苷酸5’-H3PO4脱水形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。如此一直接下去，就成为核酸的长链。核酸的长链具有方向性，可以写成5‘-P→3’-OH两端，就像蛋白质有N-端及C-端一样。3，5磷酸二脂键DNABackboneExampleofDNABackbone:5'-d(CGAAT): DNA分子是由两条脱氧核糖核酸长链互以碱基配对相连而成的螺旋状双链分子DNA的二级结构DNA双螺旋结构的发现1943年薛定谔在都柏林作的一系列演说1944年出版“生命是什么”一书将一大批年轻的物理学家吸引到生物学领域物理学出身的Crick，31岁，攻读博士学位,来到英国剑桥大学Cavendish实验室，M.Perutz,L.Bragg,X-射线衍射实验室1951年Watson23岁生物学本科毕业，研究生阶段研究噬菌体中DNA复制CrickWatsonWilkins威尔金斯与富兰克林根据X射线衍射研究，已经知道了DNA分子是由许多亚单位的堆积层组成，这些亚单位据有规则的螺旋状几何形状DNA应该是双螺旋A与T、C与G巧妙配对符合X衍射数据DNA的复制Waterson和Crick用金属线又制出了新的DNA模型，他们为自然科学树立了一座闪闪发光的里程碑。DNADoubleHelix一种十分稳固的结构——DNA双螺旋碱基堆积力芳香族碱基上的电子H键G-C,A-T离子键磷酸基团上带有负电荷与溶液中的阳离子形成离子键DNA的三级结构:超螺旋在DNA双螺旋二级结构的基础上，进一步扭曲形成的超螺旋。超螺旋是DNA三级结构的主要形式。包括：线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋，环状DNA形成的结、超螺旋和连环线状DNA形成的超螺旋环状DNA形成的超螺旋 超螺旋结构的特点：致密性RNA的组成和作用 RNA与DNA的主要差别：（1）RNA大多是单链分子；（2）含核糖而不是脱氧核糖；（3）4种核苷酸中，不含胸腺嘧啶（T），而是由尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（T）。细胞中几种主要有的RNA信使RNA（messagerRNA,mRNA）5%核糖体RNA（ribosomeRNA,rRNA）80%转运RNA（tranferRNA,tRNA）15%mRNA是遗传信息的携带者。在细胞核中转录DNA上的遗传信息，再进入细胞质，蛋白质合成的模板。RNA的一级结构：RNA的一级结构：是由数量极其庞大的四种核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过3´，5´磷酸二酯键连成的线形分子，其表示方法与DNA相同。RNA的二级结构(a)stem-loop. (b)hairpin. tRNA的结构二级结构特征：单链,局部·双链三叶草叶形AA臂四环氨基酸臂TΨC环D环(二羟尿嘧啶环)反密码环额外环70－90个核苷酸三级结构特征：在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型mRNA结构特点线形单链结构，携带DNA信息，作为指导合成蛋白质的模板5ˊ-端有甲基化结构，抗水解有前导序列3ˊ--polyA结构半衰期短(几分钟到几小时)rRNA的结构真核生物的核糖体5S,5.8S,18S,23S,28SrRNA 原核生物的核糖体16S,23S,5SrRNA蛋白质蛋白质的结构层次Primarystructure=SequenceSecondarystructure=Helix,strand/sheet,turn,orloop.SupersecondarystructureDomainTertiarystructure=Onefoldedchainofaminoacids.Quaternarystructure=Combinationofmultipleproteinsintofunctionalunit.蛋白质的一级结构序列Primarystructure蛋白质的二级结构Secondarystructurealphahelices，螺旋betasheets,折叠turns，转角 Basicstructuralunitsofproteins:Secondarystructureα-helixβ-sheetSecondarystructures,α-helixandβ-sheet,haveregularhydrogen-bondingpatterns.turns，转角超二级结构Supersecondarystructure基序Motif结构域domain 三级结构的基本单位是结构域。 一个结构域指的是一条多肽链或能够独立折叠为稳定的三级结构的多肽链的一部分。 结构域也是一个功能单位，通常蛋白质中不同的结构域是和不同的功能相关的。结构域domainfolds蛋白质的三级结构Tertiarystructure蛋白质在二级结构基础上进一步折叠，盘绕形成三级结构蛋白质的四级结构Quaternarystructure 许多球状蛋白分子含有两条或多条多肽链，这些多肽链间以非共价键的方式相连接。每一条多肽链都有自己的三级结构，这样的多肽链被称作蛋白质的亚基，又被称作亚单位。subunit 蛋白质的四级结构指的是各个亚基在寡聚蛋白质中的空间排布关系和蛋白质亚基之间的相互作用，它不考虑每个亚基自身的构象。血红蛋白的结构Three-dimensionalstructureofproteinsTertiarystructureQuaternarystructure