分子生物学张尚宏课件分子生物学

分子生物学分子生物学是研究生命现象的基本物质基础的一个重要学科它研究生命体内的分子结构、功能及其变化过程是生命科学的一个基础性学科,生物学的分类动物生物学植物生物学研究动物的结构、功能、发展、研究植物的结构、生理、生态、遗传和行为等包括哺乳动物、遗传和演化等包括藻类、苔藓鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼、蕨类和种子植物类微生物学分子生物学研究细菌、病毒、原生动物和真研究生命现象的分子机理包括,菌等微小生物的特性对人类健、和蛋白质等生命分子DNA RNA康和生态环境都有重要作用的结构和功能生物学的研究对象和研究方法田野调研1亲身观察自然现象实验研究2设计实验验证假设数据分析3收集和处理实验数据建立理论4提出解释自然现象的学说生物学是研究生命现象的科学它包括广泛的研究对象从细胞到整个生态系统生物学家采用田野调研、实验研究、数据分析等多种研究方法通过,,,系统的科学探索逐步建立起解释生命科学问题的理论框架,生命活动的物质基础生命活动的物质基础包括碳、氢、氧、氮等元素以及水、蛋白质、核酸、脂质,等生物大分子这些基本分子构成了细胞的结构和功能是维持生命活动的关键,例如携带遗传信息参与基因表达蛋白质执行生命活动的各种功能,DNA,RNA,了解这些物质的化学结构和生物学功能对于理解生命现象至关重要,核酸的化学结构和功能核酸是生命体中重要的生物大分子主要包括和两种类型,DNA RNA分子由两条互补的聚核苷酸链共同构成呈双螺旋结构是遗DNA,,传信息的载体则由单链核苷酸组成在转录和蛋白质合成中RNA,起关键作用两种核酸共同构成了生命活动的物质基础遗传信息的中心法则到到蛋白质信息流的单向性1DNA RNA2遗传信息从转录到遗传信息的流动是单向的不会DNA RNA,,再由翻译成蛋白质的过程从蛋白质反过来影响这RNA DNA,被称为中心法则保证了信息的准确传递三大生物大分子生物进化的基础

34、和蛋白质是构成生中心法则是生物进化和遗传变DNA RNA命活动的三大生物大分子起着异的基础驱动着生物种群的不,,不可替代的作用断更新和进化的复制过程DNA复制起始DNA1复制由复制起点上的特定序列开始称为复制起始位点特DNA,殊酶将双链解开为复制做好准备DNA,半保留复制2复制过程是半保留的即每条新合成的链中有一条来DNA,DNA自原有的母链这确保了遗传信息的稳定传递复制机制3复制是由一系列酶促反应完成的包括聚合酶、DNA,DNA DNA螺旋酶、连接酶等它们配合协作确保复制过程高效准确DNA,转录过程DNA模板DNA双螺旋作为模板,RNA聚合酶可以识别起始位点并开始合成RNA分子RNA合成RNA聚合酶根据DNA模板,依次加入相应的核糖核苷酸,合成相补的RNA分子转录终止当RNA聚合酶遇到终止信号时,会停止合成并释放新合成的RNA分子RNA加工在真核细胞中,所合成的RNA分子需要经历加帽、剪切和polyA末端的加工翻译过程mRNA移动至核糖体1将遗传信息从细胞核运送至蛋白质合成的地点tRNA携带氨基酸2将相应的氨基酸运送至核糖体上蛋白质合成3在核糖体上按照序列合成新的蛋白质mRNA蛋白质折叠和修饰4新合成的蛋白质进一步折叠和修饰以获得完整功能翻译过程是基因表达的最后一个阶段将遗传信息中的序列转化为氨基酸序列合成出功能性的蛋白质分子这一过程需要、和核,mRNA,mRNA tRNA糖体等多种生物大分子的共同参与是生命活动得以维持的关键环节,基因的结构和功能基因的化学结构基因的功能基因表达调控基因是由或组成的基因的主要功能是编码蛋白质基因的表达受诸多因素调控DNA RNA,遗传物质由一条或多条碱基指导细胞合成所需的酶和结如转录、翻译、后翻译修饰等,,序列组成它们携带生物体的构蛋白此外基因还参与调基因表达的异常常导致遗传,遗传信息决定个体的特征节生物体的发育、代谢等生命性疾病的发生,活动基因表达的调控转录因子的作用基因沉默机制信号转导通路转录因子通过结合到基因的调控区域可以细胞还可以通过甲基化、组蛋白修饰细胞外的信号分子能够通过信号转导通路,DNA,促进或抑制基因的转录从而调控基因的表等机制改变染色质结构从而抑制基因的表激活细胞内的转录因子从而影响基因的表,,,,达水平达达突变的类型和产生机制基因突变诱导突变自发突变基因序列的错误变化可能会造成功能异常外部因素如辐射、化学物质等可能导致复制过程中的复制错误也会引起自发,,DNA或失活损伤和突变的基因突变DNA基因工程的基本技术基因扩增基因编辑利用聚合酶连锁反应技术可以使用等技术可以精准PCR,CRISPR/Cas9,快速地复制特定的序列地修改序列实现基因的插入、删DNA DNA,除和替换基因重组基因克隆将外源片段插入到载体中把感兴趣的基因片段插入到细菌或酵DNA DNA,构建重组分子是基因工程的核心母细胞中让其大量复制和表达DNA,,技术重组技术的原理和应用DNA原理1重组技术是利用连接酶和限制酶将不同来源的DNA DNA,DNA片段连接在一起构建出新的分子的过程,DNA应用2该技术广泛应用于基因工程、克隆技术、基因测序、基因诊断及治疗等领域为生命科学的发展做出了重要贡献,优势3提高基因表达效率•实现基因的定向转移•扩大基因资源利用范围•基因治疗的原理和应用基因重组1通过基因操作改变患者的遗传特征病毒载体2利用病毒作为基因转运的工具靶向治疗3精确地治疗特定的遗传性疾病基因治疗是一种利用基因重组技术修复或替换患者的缺陷基因的新兴医疗方式它通过病毒载体将正常基因转入患者体内从而达到治疗目,的虽然目前还存在许多技术挑战但基因治疗在治疗罕见遗传性疾病等领域显示出巨大的潜力,基因组学的发展历程20世纪70年代1基因组测序技术的初步发展1990年代2人类基因组计划的启动21世纪初3基因组测序技术的革新近年来4基因组学研究与应用的广泛发展基因组学自世纪年代涌现以来经历了长期的技术发展和应用进程从最初的基因测序技术到人类基因组计划的启动再到测序技术的持续革新2070,,,基因组学已经成为生命科学研究的核心领域之一并在医疗、农业等多个领域发挥着重要作用,基因组测序技术测序方法优势应用场景桑格测序法准确性高、可靠性强主要用于测序单基因或少量基因新一代测序技术测序速度快、成本低适用于基因组、转录、能大规模并行测序组的测序新一代测序技术的发展如、等大幅提高了测序效率和准,Illumina IONTorrent,确性从而推动了基因组学研究的长足发展,转基因生物的制备和应用基因重组技术常见转基因生物利用基因工程将外源基因导入目转基因作物、转基因动物、转基标生物体内构建出新的基因型因微生物等在农业、医药等领域,和表型的过程广泛应用安全性考量转基因生物的应用需要对其潜在的环境和健康风险进行全面评估与监管细胞工程的原理和应用细胞培养技术细胞工程基础细胞工程依赖于体外培养细胞的运用细胞工程技术可分离、培养能力通过精确控制培养条件实现并修饰细胞以生产特殊性状的细,,细胞增殖与分化胞和组织应用领域广泛伦理道德挑战细胞工程在医疗、农业、环保等细胞工程技术的发展也引发了一多个领域都有广泛应用如组织工系列伦理道德问题需要谨慎评估,,程、干细胞治疗等应用风险干细胞的概念和分类干细胞的概念干细胞的分类干细胞是一种具有自我更新和多向分化潜能的未分化细胞它们根据分化潜能的不同干细胞可以分为全能干细胞、多能干细胞和,能够在保持未分化状态的同时通过不对称分裂产生更多的干细胞单能干细胞它们分别具有形成整个生物体、形成部分细胞类型,和向着特定细胞类型分化和只能分化为单一细胞类型的能力干细胞的特性和潜能多能性自我更新无衰老干细胞具有向不同细胞类型分化的潜能可干细胞能够通过有丝分裂不断自我复制维干细胞的分裂次数不受限制不会发生细胞,,,以产生各种组织和器官细胞这种多功能性持其未分化状态这使其拥有无限的生长潜衰老这为其在组织修复和再生中发挥重要,,是干细胞的重要特征能作用干细胞在医学上的应用伤口愈合神经损伤修复心血管疾病治疗干细胞具有自我更新和多向分化的特性可干细胞可以分化为神经细胞和神经元有助干细胞能分化为心肌细胞应用于心肌梗死,,,以促进损伤组织的修复和再生在创伤性伤于缓解脊髓损伤、中风等神经系统疾病带来、心力衰竭等心血管疾病的细胞移植有望,,口、烧伤等方面有广泛应用的症状在未来实现修复和再生细胞器的结构和功能细胞器是真核细胞内部的各种膜结构构成的小器官负责不同的生命活动主要,包括细胞核、线粒体、高尔基体、内质网、溶酶体等每种细胞器都有独特的结构和专门的功能共同维持细胞的生命活动,细胞器的结构精细内部环境独特使得各种生化反应可以有序、高效地进行它,,们的相互协作和精细的分工是真核细胞得以正常运转的关键,原核细胞和真核细胞的比较结构特征结构基因组大小细胞分裂DNA原核细胞缺乏膜包裹的细胞核原核细胞的以环状分子原核细胞的基因组较小一般原核细胞通过简单的二分裂方DNA,和细胞器遗传物质以循环形式存在没有内核结构真在万碱基对以内而真式进行细胞分裂而真核细胞,,1000,的形式存在而真核细核细胞的呈线性分子与核细胞的基因组通常在数亿碱则经历有丝分裂或减数分裂的DNA DNA,胞具有膜包裹的细胞核和多种组蛋白结合形成复杂的染色体基对以上具有更复杂的结构复杂过程,膜性细胞器如线粒体、液泡结构,等细胞信号转导的基本机制信号感受信号转导细胞表面的受体可以识别并接收来自外部环境或其他细胞的各种化接收到的信号通过复杂的细胞内信号传导通路转化为细胞可以理解学信号的生化反应细胞响应信号调控细胞根据接收到的信号进行相应的生理或代谢变化从而作出适当的细胞通过精细的调控机制确保信号转导的准确性和适当性以维持细,,反应胞的正常功能细胞膜的结构和功能膜的化学组成细胞膜主要由磷脂、蛋白质和胆固醇组成具有流动性和选择通透性,跨膜运输细胞膜上的转运蛋白负责物质的主动和被动运输维持细胞内外物质和能量的平衡,信号传递细胞膜参与感受和传递各种化学和物理信号调节细胞的生理功能,细胞周期和调控机制细胞分裂细胞周期包括细胞分裂时的分裂期、间期等阶段，细胞在这些阶段中不断增长和复制遗传物质细胞周期调控细胞周期关键点由多种蛋白质复合物和信号传导机制精确调控,确保细胞有序、可控地分裂细胞周期检查点检查点蛋白将监测细胞周期进程并在出现问题时暂停细胞周期,,给予修复时间细胞凋亡的过程和机制启动信号细胞凋亡可以由各种内源性或外源性信号引发,如生长因子缺乏、DNA损伤、氧化应激等激活蛋白酶这些信号转导到细胞内部,激活一系列的蛋白酶,如caspases,它们是细胞凋亡的主要执行者染色质凝缩被激活的蛋白酶会破坏细胞骨架,导致细胞核和细胞质收缩,染色质凝缩和DNA断裂细胞碎片化最终细胞被分解为多个小的膜包裹的细胞碎片,这些碎片可被周围细胞吞噬清除免疫系统的组成和功能免疫细胞免疫器官12免疫系统由白细胞、淋巴细胞胸腺、脾脏、淋巴结等重要的、吞噬细胞等多种细胞组成负免疫器官是免疫细胞的主要聚,,责识别和消除入侵的病原体集地免疫反应免疫功能34包括非特异性免疫反应和特异维护人体健康预防和抵御各种,性免疫反应前者为体内的第一病原体的侵袭是人体不可或缺,,道防线后者可产生针对性强的的重要防御系统,抗体分子免疫学的发展与应用免疫细胞识别抗原免疫反应的分子机制单克隆抗体的制备免疫细胞表面的特殊受体能识别外来入侵物分子免疫学研究免疫反应的细胞和分子机制分子免疫学技术可制备针对特定抗原的单克质启动免疫应答保护机体免受感染和疾病为疾病预防和治疗提供科学依据隆抗体在医疗诊断和治疗中广泛应用,,,,。