第1章-分子生物學(xué)導(dǎo)論課件

第一章

分子生物學(xué)導(dǎo)論第一節(jié)

分子生物學(xué)的概念、地位及意義第二節(jié)

分子生物學(xué)與其他生物學(xué)科關(guān)系第三節(jié)

分子生物學(xué)的主要研究領(lǐng)域生命是什么？

Lifeiseasiertorecognizethandefine.生命的基本特征：新陣代謝?→

生長(zhǎng)、發(fā)育、衰亡

(生命現(xiàn)象）

遺傳與變異?→生物進(jìn)化

結(jié)構(gòu)與適應(yīng)?→生物多樣性

生殖與死亡?→穩(wěn)定與發(fā)展生命的物質(zhì)性：生命(運(yùn)動(dòng))是生物體特有的現(xiàn)象；

生物體構(gòu)成的物質(zhì)性→

水和礦物質(zhì)

組成生物體的元素有70多種，

簡(jiǎn)單有機(jī)物

均存在于自然界

復(fù)雜有機(jī)物

生命物質(zhì)的獨(dú)特之處在于由這些自然元素組成為各物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元，再由其構(gòu)成結(jié)構(gòu)功能復(fù)的生物大分子

從葡萄糖到淀粉

從氨基酸到蛋白質(zhì)、從脫氧核苷酸到DNA

由脂質(zhì)分子、蛋白質(zhì)和多糖等構(gòu)成的膜結(jié)構(gòu)生物體的結(jié)構(gòu)與層次生物體是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由各不同結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成每個(gè)結(jié)構(gòu)單元是一個(gè)子系統(tǒng)，由更小的單元構(gòu)成細(xì)胞作為生物體結(jié)構(gòu)單元，是基本結(jié)構(gòu)與功能單位任何能獨(dú)立生活的生物體都是由單細(xì)胞（孢子、受精卵、培養(yǎng)細(xì)胞等）生長(zhǎng)發(fā)育而來由細(xì)胞進(jìn)一步構(gòu)成組織、器官乃至整個(gè)生物體由生物體構(gòu)成群體、群落乃至生態(tài)系統(tǒng)細(xì)胞內(nèi)有超微結(jié)構(gòu)作為功能區(qū)域，主要是由生物大分子構(gòu)成，細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能實(shí)際上是由各種不同的生物大分子來履行的。生物大分子有特定的結(jié)構(gòu)與其功能相適應(yīng)。第一節(jié)分子生物學(xué)的概念、地位及意義

1分子生物學(xué)的提出

1938，WarrenWeaver

首先提出

1939,Astbury

在論文中首先使用

1953,WatsonandCrickDNA雙螺旋模型

1956,劍橋大學(xué)醫(yī)學(xué)會(huì)

labonMolecularbiology

1959,JournalofMolecularBiology

1963,EuropeanMolecularbiologyOrganizationJacobMonod：Molecularbiologywasbasedontheideathatprincipalcharactersoflifemaybeexplainedwiththeirstructuresofmacromolecules.2分子生物學(xué)發(fā)展的里程碑:

(1)確定了蛋白質(zhì)是生命的主要物質(zhì)基礎(chǔ)

19世紀(jì)末Buchner兄弟證明酵母無細(xì)胞提取液能使糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精，第一次提出酶（enzyme）的名稱，并證明酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。1950年P(guān)auling和Corey提出了α-角蛋白的α-螺旋結(jié)構(gòu)模型。1953年Sanger和Thompson完成了第一個(gè)多肽分子-胰島素A鏈和B鏈的氨基酸全序列分析。1964年中國(guó)科學(xué)家成功地合成具有生物活性的結(jié)晶牛胰島素。(2)

確定了生物遺傳物質(zhì)是核酸而不是蛋白質(zhì)1927年，美國(guó)遺傳學(xué)家Muller用X射線處理紅眼果蠅，在其后代中獲得個(gè)別可遺傳的白眼突變體。1928年，美國(guó)微生物學(xué)家Avery用肺炎球菌感染小鼠，其后由Beadle證明轉(zhuǎn)化因子是DNA；1952年，美國(guó)微生物學(xué)家Hershey用T2噬菌體感染大腸桿菌實(shí)驗(yàn)，也證明DNA是遺傳物質(zhì)。1956年Conrat用煙草花葉病毒做病毒重組實(shí)驗(yàn)，證明了RNA是煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，在不含有DNA的生物中，RNA

是遺傳物質(zhì)(3)

分子生物學(xué)的建立和發(fā)展學(xué)科基礎(chǔ)：1953年WatsonandCrick提出雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。1956年Kornberg首先發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶。1958年Meselson

及Stahl證明DNA半保留式復(fù)制。1968年Okazaki提出DNA不連續(xù)復(fù)制模型。1972年證實(shí)DNA復(fù)制開始需要RNA作為引物。由此，從理論上解決了遺傳信息的貯存、復(fù)制與傳遞的機(jī)理。技術(shù)基礎(chǔ)：20世紀(jì)70年代Yuan和Smith發(fā)現(xiàn)限制性內(nèi)切酶。1972年Bery等將SV40病毒DNA與噬菌體P22DNA在體外重組成功。1977年Boyer等首先將人工合成的生長(zhǎng)激素釋放抑制因子14肽的基因重組入質(zhì)粒。由此，從技術(shù)上解決了體外遺傳操作。產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)：1979年美國(guó)基因技術(shù)公司用人工合成的人胰島素基因重組體DNA轉(zhuǎn)入E.coli成功合成人胰島素。1982年P(guān)almiter

等將克隆的生長(zhǎng)激素基因?qū)胄∈笫芫押说玫奖仍瓊€(gè)體大幾倍的“巨鼠”；我國(guó)將生長(zhǎng)激素基因轉(zhuǎn)入魚受精卵得到轉(zhuǎn)基因魚。1994年能比普通西紅柿保鮮時(shí)間更長(zhǎng)的轉(zhuǎn)基因西紅柿、1996年轉(zhuǎn)基因玉米、轉(zhuǎn)基因大豆等相繼投入商品生產(chǎn)；我國(guó)將蘇氏桿菌毒蛋白基因轉(zhuǎn)入棉花獲得抗蟲棉。分子生物學(xué)→生物技術(shù)→生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)醫(yī)療衛(wèi)生：1991年美國(guó)向一患先天性免疫缺陷病(腺苷脫氨酶ADA基因缺陷)女孩體內(nèi)導(dǎo)入重組ADA基因獲得成功；1994我國(guó)用導(dǎo)入人凝血因子Ⅸ基因的方法成功治療了乙型血友病的患者。生物醫(yī)學(xué)3分子生物學(xué)及其意義

3.1分子生物學(xué)的概念分子生物學(xué)是從分子水平研究生命本質(zhì)為目的的一門新興邊緣學(xué)科。實(shí)質(zhì)上，就是研究核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能及其相互關(guān)系的科學(xué)。3.2

分子生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容

(1)結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)：研究構(gòu)效關(guān)系的分支。

研究生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。它包括結(jié)構(gòu)的測(cè)定、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的探索及結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系等3個(gè)主要研究方向。(2)基因表達(dá)與調(diào)控

基因表達(dá)實(shí)質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯；在個(gè)體發(fā)育過程中生物遺傳信息的表達(dá)按一定的時(shí)序發(fā)生變化(時(shí)序調(diào)控)，并隨著內(nèi)外環(huán)境的變化而不斷的加以修正(環(huán)境調(diào)控)。(3)DNA重組技術(shù)：

將不同的DNA片段(如基因或基因的一部分)按照人們的設(shè)計(jì)定向連接起來，在特定的受體細(xì)胞中復(fù)制并得到表達(dá)，產(chǎn)生影響受體細(xì)胞的新的遺傳性狀。DNA重組技術(shù)也稱為基因克隆或者分子克隆。3.3

分子生物學(xué)的地位和意義

分子生物學(xué)是由生物化學(xué)、生物物理學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)、信息科學(xué)等多學(xué)科相互滲透、綜合融會(huì)而產(chǎn)生并發(fā)展起來的，已形成它獨(dú)特的理論體系和研究手段，成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科。生命活動(dòng)一致性，使得生物學(xué)將是在生物學(xué)范圍內(nèi)所有學(xué)科在分子水平上的統(tǒng)一?？茖W(xué)意義：生物科學(xué)的核心和熱點(diǎn)現(xiàn)代生物學(xué)研究的基本工具當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的新平臺(tái)經(jīng)濟(jì)意義：生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)??生物醫(yī)學(xué)與生物制藥生物農(nóng)業(yè)和生物能源

環(huán)境治理與生態(tài)經(jīng)濟(jì)第二節(jié)分子生物學(xué)與其他生物學(xué)科關(guān)系1分子生物學(xué)及相關(guān)學(xué)科宏觀……

保育生物學(xué)

←┓┏→

現(xiàn)代進(jìn)化論

生態(tài)學(xué)││進(jìn)化論形態(tài)學(xué)→

細(xì)胞學(xué)→

生理學(xué)→

生物化學(xué)→分子

→

系統(tǒng)生物學(xué)

生物學(xué)――┐

微觀……

││

遺傳學(xué)

│

│細(xì)胞學(xué)

↓

↓

技術(shù)……

蛋白質(zhì)工程

←基因工程

←分子遺傳學(xué)細(xì)胞

生物學(xué)

2分子生物學(xué)前沿研究基因組研究的發(fā)展

目前分子生物學(xué)已經(jīng)從研究單個(gè)基因發(fā)展到研究生物整個(gè)基因組的結(jié)構(gòu)與功能。1977年Sanger測(cè)定了ΦX174全部5375個(gè)核苷酸的序列；1978年Fiers等測(cè)出SV40全部5224對(duì)堿基序列.80年代λ噬菌體48,502堿基對(duì)的序列全部測(cè)出；1996年測(cè)出了大腸桿菌4x106堿基對(duì)序列；1990年人類基因組計(jì)劃(HumanGenomeProject)開始實(shí)施；2000年完成了人類基因組“工作框架圖”；2003年人類基因組全測(cè)序完成，以后主要進(jìn)行功能基因組學(xué)研究。(2)單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發(fā)展1975年Kohler和Milstein首次用B淋巴細(xì)胞雜交瘤技術(shù)制備出單克隆抗體。1980年代以后隨著基因工程抗體技術(shù)而相繼出現(xiàn)的單域抗體、單鏈抗體、嵌合抗體、重構(gòu)抗體、雙功能抗體等為許多疾病的診斷和治療提供了有效的手段。(3)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理研究成為新的前沿領(lǐng)域：Sutherland1957年發(fā)現(xiàn)cAMP、1965年提出第二信使學(xué)說。1977年Ross等用重組實(shí)驗(yàn)證實(shí)G蛋白的存在和功能，將G蛋白與cAMP的作用相聯(lián)系起來，對(duì)G蛋白偶聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑有了新的認(rèn)識(shí)。隨后蛋白酪氨酸激酶途徑的發(fā)現(xiàn)、各種受體蛋白基因的克隆和結(jié)構(gòu)功能的探索等，使近10年來細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。第三節(jié)分子生物學(xué)的主要研究領(lǐng)域1基因工程基因工程的基礎(chǔ)是DNA重組技術(shù)，它建立在對(duì)核酸的結(jié)構(gòu)、功能與理化特性深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上?；蚬こ痰募夹g(shù)內(nèi)容和范圍包括建立重組DNA文庫和cDNA文庫、基因克隆、用限制性內(nèi)切酶剪切DNA和重組DNA、基因轉(zhuǎn)化、基因表達(dá)檢測(cè)、分子雜交、DNA測(cè)序，基因敲除(knocking-out)、基因敲入(knocking-in)等方面。基因工程還延伸到對(duì)基因表達(dá)的產(chǎn)物――蛋白質(zhì)的修飾和改造研究方面。這類工程又稱為“蛋白質(zhì)工程”。由于改變蛋白質(zhì)的氨基酸序列需要經(jīng)過基因工程來實(shí)現(xiàn)，所以蛋白質(zhì)工程可以包含在基因工程范疇之內(nèi)，或稱之為第二代的基因工程。

基因工程主要研究領(lǐng)域

?動(dòng)物、植物、微生物及其之間的基因轉(zhuǎn)移

－－遺傳改良－－特殊產(chǎn)物的生產(chǎn)

?基因結(jié)構(gòu)功能研究：檢測(cè)、測(cè)序、體外表達(dá)

基因敲除、基因敲入

基因文庫及基因克隆

?蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能改造－－蛋白質(zhì)工程2

基因組學(xué)基因組計(jì)劃的實(shí)施已衍生出一系列嶄新的生物技術(shù)。這些技術(shù)包括全自動(dòng)核酸測(cè)序技術(shù)，結(jié)構(gòu)和功能基因組分析技術(shù)，雙向凝膠電泳和測(cè)序質(zhì)譜，生物芯片技術(shù)，生物信息學(xué)技術(shù)等。為從整體上研究生物的結(jié)構(gòu)與功能提供了可能性，在發(fā)現(xiàn)和鑒定新基因、分析基因功能表達(dá)譜、分析非編碼區(qū)信息結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)分子和藥物、基因診斷和基因治療、動(dòng)植物遺傳改良、新品種培育等方面都有著重大意義。

?基因組測(cè)序

?功能基因組分析

?基因的時(shí)空表達(dá)與調(diào)控

?轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，歐美相繼啟動(dòng)了豬、牛、羊、雞等主要畜禽的基因組計(jì)劃，其研究重點(diǎn)是重要經(jīng)濟(jì)性狀基因的定位與分析。植物方面，在完成模式植物擬南芥和水稻基因組全序列測(cè)定的基礎(chǔ)上，啟動(dòng)了玉米、大麥、小麥、油菜、棉花、大豆、番茄等一大批農(nóng)作物基因組學(xué)的研究。在基因組測(cè)序的基礎(chǔ)上，把基因序列與基因功能對(duì)應(yīng)與結(jié)合起來，將使功能基因組學(xué)研究全面展開。以基因組學(xué)為基礎(chǔ)，相應(yīng)發(fā)展了轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)。3生物信息學(xué)

生物信息學(xué)是因人類基因組研究而引發(fā)并興起的跨學(xué)科、多學(xué)科交叉的科學(xué)。生物信息學(xué)以計(jì)算機(jī)為主要工具開發(fā)各種軟件，對(duì)急速增加的大量DNA和蛋白質(zhì)資料進(jìn)行收集、整理、儲(chǔ)存、提取、加工和分析研究，以便鑒定新基因，拼接測(cè)序片段，確定基因和蛋白質(zhì)功能，了解生命的起源、進(jìn)化，遺傳和發(fā)育的本質(zhì)。生物信息學(xué)技術(shù)的源頭是基因組DNA序列信息，在獲得蛋白質(zhì)編碼區(qū)的信息后，進(jìn)行蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬和預(yù)測(cè)，然后依據(jù)特定蛋白質(zhì)的功能，可進(jìn)行天然大分子的改性和基于受體結(jié)構(gòu)的藥物分子設(shè)計(jì)。生物信息學(xué)的迅速發(fā)展，將對(duì)人類健康、農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。使生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)終將成為新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)。4系統(tǒng)生物學(xué)各種組學(xué)與生物信息學(xué)相互滲透催生系統(tǒng)生物學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)是研究生命系統(tǒng)復(fù)雜性的科學(xué)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、功能復(fù)雜性、相互作用復(fù)雜性系統(tǒng)生物學(xué)的研究思路和方法：

自上而下：分子行為→組學(xué)分析→網(wǎng)絡(luò)與信息流→生物機(jī)制

自下而上：功能產(chǎn)物→組分變化→相互作用網(wǎng)絡(luò)→生物機(jī)制系統(tǒng)生物學(xué)是利用由各種組學(xué)獲得的數(shù)據(jù)，在一個(gè)比傳統(tǒng)生物學(xué)更高層次上分析活生物體的一門學(xué)科。系統(tǒng)生物學(xué)將使生命科學(xué)由描述式的科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槎亢皖A(yù)測(cè)的科學(xué)。系統(tǒng)生物學(xué)將在基因組序列的基礎(chǔ)上，完成由生命密碼到生命過程的研究。

Atherosclerosis(動(dòng)脈粥樣硬化)生物標(biāo)記關(guān)系網(wǎng)絡(luò)直腸癌調(diào)控網(wǎng)絡(luò)5分子生物學(xué)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用改良作物品質(zhì)：提高蛋白質(zhì)含量和氨基酸組成；提高植物的抗逆性：抗旱、抗寒、抗病、鹽堿。生物農(nóng)藥：生物