《分子生物学提要》课件

分子生物学提要探索生命的奥秘了解、和蛋白质如何协作维系所有生命形式,DNA RNA从细胞结构到信号传导掌握生命运转的根本机理,分子生物学概述定义研究对象分子生物学是研究生物体内生命活动的基本分子机制的科包括、、蛋白质及其相互作用探讨生命活动的DNA RNA,学根源学科地位应用领域是现代生物学的重要分支与遗传学、细胞生物学等密切广泛应用于医学、农业、工业等领域为生命科学发展提,,相关供基础细胞结构和功能细胞是生命的基本单位具有独特的结构和功能细胞内部由不同的细,胞器组成每个细胞器都发挥着特定的生理作用共同维持细胞的正常活,,动细胞核是细胞的遗传中心存储了遗传物质细胞质中充满了,DNA各种蛋白质、和其他重要的生物大分子RNA细胞膜是细胞与外界环境的屏障控制物质的出入同时参与细胞信号的,,传递线粒体是细胞的发电厂提供细胞所需的能量内质网、高尔,基体、溶酶体等细胞器分工合作确保细胞运转顺畅,分子遗传学基础结构基因DNA是遗传物质的基本单位，由两基因是分子上携带遗传信息的DNA DNA条反平行的脱氧核糖核酸链组成基本单位，可以编码蛋白质或调控链上含有四种碱基腺嘌呤其他基因的表达DNA A、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶T GC染色体基因组染色体是和蛋白质组成的细胞基因组是生物体内所有染色体DNA DNA核内的遗传信息载体人类的遗传分子的总和包含了生物体的全部遗,信息存储在对染色体上传信息23核酸结构和复制结构DNADNA由两条反平行的多聚核糖核苷酸链组成,呈双螺旋结构每条链都由4种碱基按特定配对方式排列而成复制DNADNA复制是由DNA聚合酶催化,利用原有DNA链作为模板,合成新的互补DNA链的过程两条新DNA链完全一致复制机制DNA复制从起始点开始,在两个方向同时进行一条链连续合成,另一条间断合成形成Okazaki片段复制调控DNA复制过程受到多种因子的精细调控,确保复制准确性和完整性,维持基因组稳定性转录过程基因活化1启动子区域暴露并结合转录因子聚合酶结合RNA2聚合酶复合物结合到基因起始位置RNA核苷酸延伸3聚合酶沿基因序列移动并合成前体RNA mRNA转录终止4转录因子释放并终止转录过程转录是遗传信息向的转化过程它由一系列有序步骤组成包括基因活化、聚合酶结合、核苷酸延伸和转录终止这一过程DNA RNA,RNA最终生成前体为蛋白质的合成奠定基础mRNA,转录调控基因表达的调控转录因子的作用调控机制的多样性基因表达是一个复杂的过程需要精细转录因子是能够结合至基因启动子区转录调控涉及多种机制如染色质结构,,,的调控机制来确保在正确的时间和地调节转录过程的蛋白质它们可以促的调节、转录因子的活化或失活、激点表达特定的基因这种调控发生在进或抑制基因的转录从而调控基因表活子和沉默子的动态平衡等是一个复,,转录水平达杂精细的过程蛋白质合成转录1转录为DNA mRNA核糖体装配2与核糖体亚基结合mRNA氨基酸结合3携带氨基酸结合到tRNA mRNA肽链延长4氨基酸按序列连接形成肽链蛋白质合成是一个复杂精细的过程首先通过转录将信息转录为然后被核糖体识别并装配携带相应氨基酸结合到,DNA mRNA,mRNA,tRNA上最后在核糖体的催化下氨基酸逐步连接形成肽链完成蛋白质的合成这一过程是基因表达的核心环节mRNA,,,翻译后修饰蛋白质修饰的重要性常见的修饰类型调控机制的复杂性翻译后修饰能改变蛋白质的结构和磷酸化、糖基化、乙酰化、甲基化这些修饰过程受到复杂的调控网络功能从而在细胞生命活动中发挥等修饰为蛋白质增添新的性质和特的精细调节确保细胞活动的有序,,关键作用性进行基因表达调控转录水平调控转录后调控翻译水平调控表观遗传调控通过调节转录因子的活性通过调节的稳定性通过调整蛋白质的合成、通过改变染色质结构和mRNA和表达水平来控制基因的和翻译效率来调控基因表折叠、修饰和定位等过程甲基化状态来调节基DNA转录过程是细胞最常用的达包括剪切、编辑、稳定来控制基因表达水平因的表达是一种长期稳定,,,基因调控方式性控制和翻译调控的调控方式蛋白质功能与结构蛋白质是生命过程中最重要的生物大分子之一其独特的三,维结构决定了其广泛的生物功能蛋白质可以作为酶促进各种化学反应作为结构性支架也可以参与信号转导和免,,疫反应等关键生命活动了解蛋白质的结构特点有助于深入认识其复杂的生物学功能蛋白质定位与运输蛋白质合成与折叠1蛋白质在核糖体上合成并迅速折叠成其独特的三维结构这一过程需要分子伴侣的帮助细胞内定位2折叠后的蛋白质需要定位到特定的细胞器或细胞膜执行其,生物学功能这由蛋白质上的定位信号引导完成胞内运输3蛋白质通过胞内运输体系如高尔基体和内质网被运送到,,所需的位置这需要复杂的膜泡运输机制信号转导通路信号的感受与传递主要信号转导通路信号转导的调控细胞表面的受体可以感受外界信号并包括信号通路、信号通路信号转导通路的活性可以通过蛋白修,cAMP Ca2+通过一系列的蛋白质间相互作用将信、蛋白激酶信号通路等通过这些通饰、复合物形成等方式进行精细调控C,,号转导到细胞内部从而引起特定的生路细胞可以对外界信号做出快速、有确保细胞对环境变化做出恰当的反应,理反应效的响应细胞周期和分裂细胞生长1细胞通过营养吸收和代谢活动来增大自身体积复制DNA2细胞核内的DNA会复制以确保遗传信息的准确传递染色体分离3经过内分泌调控,染色体会有序分离形成两套完整的遗传物质细胞分裂4细胞核和细胞质会分裂,最终形成两个结构和功能相同的新细胞细胞周期是由细胞分裂和细胞生长两个关键过程构成的这个周期可以分为细胞分裂期M期和间期,间期又包括G1期、S期和G2期当细胞内部信号和外部环境条件都满足时,细胞会进入分裂过程,通过一系列有序的细胞核分裂和细胞质分裂,最终形成两个结构和功能相同的新细胞这个过程对于维持生命、组织器官的发育和修复等都至关重要细胞凋亡机制细胞程序性死亡凋亡信号通路12细胞凋亡是一种有序、受细胞接受内源性或外源性调控的细胞死亡过程在发凋亡信号激活一系列蛋白,,育、免疫调节和肿瘤发生酶级联反应最终导致细胞,中发挥重要作用自我毁灭形态结构变化调控机制失常34凋亡细胞会出现细胞体积细胞凋亡调控异常会导致缩小、染色质凝缩、核碎疾病如神经退行性疾病、,片化等一系列形态学变化自身免疫性疾病和肿瘤基因工程技术基因克隆基因编辑通过重组技术，从生物体利用酶类工具精准修改序列DNA DNA中提取并分离目标基因，在体外，实现对基因功能的定点调控进行复制和扩增蛋白质工程基因检测通过改变氨基酸序列来设计和生利用基因芯片和测序技术准确检产具有特定功能的蛋白质测基因组信息，为个体化医疗等提供支持基因克隆技术分离与复制载体构建细胞转化与筛选基因表达与纯化DNA首先需要从生物样品中分将目标片段插入到质将重组载体导入宿主细胞利用宿主细胞的转录、翻DNA,离出目标片段然后粒或病毒载体中构建重组如大肠杆菌或酵母菌等译系统表达目标基因编码DNA,,利用技术对其进行复载体这种载体能在细胞经过筛选和鉴定获得含有的蛋白质最后进行纯化PCR,制放大获得大量高纯度的内自我复制携带目标基因目标基因的转化子细胞株分离获得所需的重组蛋白,,,目标DNA蛋白质工程技术蛋白质结构设计蛋白质表达与分离通过计算机模拟和实验手段利用基因工程技术在合适的,,对蛋白质的三维结构进行优表达系统中生产所需的重组化设计改善其功能和性能蛋白并进行分离纯化,,蛋白质修饰与工程蛋白质稳定性改良通过化学或酶促方式对蛋白采用突变和定向进化等手段,,质进行定向修饰赋予其新的提高蛋白质的热稳定性、抗,功能和特性氧化性等扩展其应用范围,基因检测技术测序技术生物芯片技术基因扩增技术基因测序与分析DNA测序技术可以准确测生物芯片能够快速检测大技术能从少量样测序数据经过生物信息学DNA PCRDNA定序列为基因检测和量基因表达和变异为本快速扩增目标基因片段分析可以检测遗传变异、DNA,DNA,,,分析提供基础主要技术疾病诊断和遗传分析提供为基因检测提供足量的预测疾病风险为临床诊断,包括测序法和新一有价值的信息模板和个性化医疗提供依据Sanger DNA代测序技术生物芯片技术微阵列芯片蛋白质芯片细胞芯片DNA利用序列合成技术制造的芯片可在玻璃或硅基底上固定各种蛋白质可在芯片上排列和培养活细胞能够快速DNA,,,以快速检测基因表达谱和基因突变以并行测试蛋白质的功能、结构和相进行细胞筛选、药物靶评估和细胞功广泛应用于基因组学、遗传学和疾病互作用用于新药研发和疾病诊断能分析等为生物医学和药物开发提,诊断供重要工具基因组学和蛋白质组学基因组学蛋白质组学12研究整个基因组结构、组研究生物体内全部蛋白质成和功能的学科提供生物表达模式及其动态变化的,体遗传信息的全貌学科为蛋白质功能研究提,供重要依据生物信息学应用前景34利用计算机技术分析生物为生物医学、农业、环保大分子数据在基因组和蛋等领域的研究和应用提供,白质组研究中发挥重要作重要科学基础用转基因生物基因改造技术应用领域广泛利用基因工程技术将外源性转基因生物广泛应用于医疗,基因插入生物体内使其表达、农业、工业等领域如生产,,特定蛋白质或特性以获得所重要蛋白质、改良作物等,需功能安全性评估伦理道德问题转基因生物的应用需要经过转基因生物技术引发了一些严格的安全评估以确保其安伦理道德问题需要社会各界,,全性和可控性进行深入讨论干细胞技术多能性胚胎干细胞再生治疗人工多能干细胞干细胞可以分化成多种不同从人类早期胚胎中提取的干通过干细胞移植可以修复通过基因工程技术可以从,,类型的细胞为再生医学提细胞极具发育潜能但存在和再生受损组织治疗慢性成体细胞诱导出具有多能性,,,供无限可能伦理争议疾病的干细胞合成生物学定义与目标主要研究方向科学意义应用前景合成生物学是一门融合多包括基因合成、基因回路有助于深入认识生命本质可用于制造新型生物材料,个学科的新兴交叉科学旨设计、人工代谢途径构建为生物医药、能源、环境、生物能源、生物传感器,在利用基因工程等技术人、最小基因组生命体设计等领域提供新的研究思路等在多个领域具有广泛应,,工设计和构建具有新功能等和技术手段用前景的生物系统生物医学应用药物研发诊断技术12分子生物学在药物发现、基于基因检测的分子诊断药物设计和药理试验等过方法为疾病预防和早期发程中扮演重要角色现提供强大支持基因疗法再生医学34针对遗传性疾病的基因治干细胞技术在器官修复和疗为患者带来新的治愈希再生方面展现广阔前景望环境生物技术生物修复生物监测利用微生物、植物等生物体利用生物指示生物监测环境系处理污染物还原环境如质量如藻类、水生动物等指,,通过细菌分解石油泄漏或利示水体污染物浓度和种类,用植物吸收重金属污染生物制药环境工程利用微生物、动植物等生物应用生物技术于环境保护、体系生产环保型化学品如生污染治理、资源回收等领域,,物降解塑料和生物柴油如生物制氢发电、微藻制造二氧化碳农业生物技术作物改良畜牧改良环境修复生物肥料利用基因工程技术培育抗病运用基因工程技术提高牲畜利用微生物修复受污染的土开发利用固氮细菌、菌根真虫害、耐旱涝、产量高的优的生长速度、产品质量和抗壤和水体提高农业生态环菌等生物制剂替代化学肥料,良品种病能力境质量食品生物技术生物发酵基因改良食材纳米技术应用食品生物技术利用微生物发酵生产酒利用基因工程技术可以增强作物的营将纳米材料应用于食品包装、配送和,类、酶制剂、香料等天然食品添加剂养价值、抗病虫性能开发出更健康安保鲜可以延长保质期维持食品新鲜度,,,,提升食品品质和营养价值全的食品原料和营养能源生物技术生物质发电生物燃料生产12利用农业和林业残余物、通过微生物发酵等生物化废弃物等生物质作为燃料学过程从玉米、甘蔗等,进行发电是可再生能源农作物中提取乙醇或柴油,的一种等生物燃料生物氢制备生物质成型燃料34利用光合细菌、藻类等微将农林废弃物压缩成型,生物通过光合作用或厌氧制成可燃烧的颗粒或块状发酵释放出氢气作为清生物质燃料替代传统化,,洁能源石燃料法律法规与伦理法律与法规伦理审查生物技术伦理分子生物学技术的发展需要受到相应在进行涉及人体或动物的实验研究时对于一些具有潜在争议的生物技术如,,的法律法规的规范和约束以确保其应需要得到伦理委员会的审查批准以确基因编辑需要广泛讨论其伦理和社会,,,用符合社会道德标准保实验符合道德规范影响制定相应的法律法规,分子生物学前沿与展望分子生物学作为现代生物学的核心学科正在推动生命科学向更深层次,发展我们将探讨一些分子生物学的前沿领域以及未来可能的发展趋势。