《基础分子生物学》课件

基础分子生物学课程介绍分子生物学内容涵盖学习目标研究生物体内的基本物质和生命活动规律核酸、蛋白质、基因、遗传信息传递等掌握分子生物学的基本理论、实验方法和应用前景生物大分子的化学结构生物大分子是指由许多小分子单体通过共价键连接形成的具有特定功能的复杂大分子常见生物大分子包括蛋白质、核酸、多糖和脂类，它们是生命活动的基础生物大分子的结构决定了其功能，而其结构又是由组成它们的单体种类、数量和排列顺序决定的核酸的组成和结构核苷酸构成12核酸是由核苷酸单体组成的长每个核苷酸包含一个五碳糖、链聚合物一个磷酸基团和一个含氮碱基碱基种类碱基34RNA中的碱基包括腺嘌呤中的碱基包括腺嘌呤DNA ARNA A、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿G CG C腺嘧啶嘧啶T U双螺旋结构DNADNA双螺旋结构是遗传信息的载体，由两条反向平行的脱氧核苷酸链构成，通过氢键相互连接每条链都由四种脱氧核苷酸组成腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）A与T配对，G与C配对，形成碱基对，从而稳定双螺旋结构复制的原理DNA解旋DNA双螺旋结构解开，形成两条单链模板引物合成引物酶在模板链上合成短的RNA引物，为DNA聚合酶提供起始位点延伸DNA聚合酶以模板链为指导，将新的核苷酸添加到引物的3端，形成新的DNA链连接DNA连接酶将新合成的DNA片段连接起来，形成完整的DNA双螺旋结构复制的效率和保真性DNADNA复制需要快速高效地完成，同时保证复制的准确性，防止错误的积累转录的概念和原理定义原理转录是指以为模板合成的过程，是基因表达的第一步转录过程中，聚合酶识别并结合到基因的启动子区域，然后DNA RNARNA沿模板链移动，以碱基配对原则合成RNA的类型和结构RNA信使转运RNA mRNARNA tRNA携带遗传信息从到核糖体，指导识别上的密码子，将特定的氨DNA mRNA蛋白质合成基酸带到核糖体上核糖体RNA rRNA构成核糖体的主要成分，参与蛋白质合成翻译的过程及其调控mRNA与核糖体结合1上的起始密码子与核糖体的小亚基结合，引导核糖体移动到起mRNA始密码子处tRNA携带氨基酸2识别上的密码子，并将相应的氨基酸带到核糖体上tRNA mRNA肽链的形成3核糖体催化相邻的氨基酸之间形成肽键，形成多肽链翻译的终止4当上的终止密码子出现时，翻译过程终止，新合成的蛋白质从mRNA核糖体上释放蛋白质的结构层次一级结构二级结构氨基酸序列α-螺旋和β-折叠三级结构四级结构空间结构多个多肽链的相互作用蛋白质折叠的理论模型热力学模型1蛋白质折叠过程遵循热力学原理，最终达到最低能量状态动力学模型2蛋白质折叠是一个动态过程，涉及一系列中间状态漏斗模型3蛋白质折叠过程类似于漏斗，最终到达最低能量状态蛋白质的修饰和分选磷酸化糖基化泛素化磷酸化是将磷酸基团添加到蛋白质上的过程糖基化是将糖类添加到蛋白质上的过程，它泛素化是将泛素蛋白添加到蛋白质上的过程，它可以改变蛋白质的活性，例如，激活或可以改变蛋白质的稳定性，例如，增强蛋白，它可以标记蛋白质，例如，标记蛋白质被抑制酶质的稳定性，帮助蛋白质折叠和定位降解酶的催化机制降低活化能提供特定结合位点诱导契合模型酶通过提供一个反应中间态降低反应所需酶的活性位点与底物特异性结合，确保反酶与底物结合后会发生构象改变，形成更的活化能，加速反应速率应的专一性紧密的结合，促进反应进行酶的动力学性质性质描述米氏常数Km酶与底物结合的亲和力最大反应速率Vmax酶催化反应的最高速率催化效率kcat/Km酶催化反应的效率蛋白质的功能与调控催化结构酶是生物催化剂，它们加速生物蛋白质构建细胞结构，如细胞膜化学反应，例如DNA复制和蛋白和细胞骨架，提供支撑和稳定性质合成运输调节蛋白质在细胞之间和细胞内运输蛋白质控制基因表达、细胞信号分子，例如氧气和营养物质传导和代谢途径，维持细胞功能平衡基因表达的调控机制转录水平调控从到的转录过翻译水平调控从到蛋白质的翻译:DNA RNA:RNA程是基因表达的关键步骤，可以通过过程也受到严格控制，例如核糖体结多种机制调控，例如转录因子结合、合、mRNA稳定性等因素影响染色质重塑等蛋白质水平调控蛋白质的修饰、降解:、活性调节等都影响着基因表达的最终结果基因突变的类型与影响点突变插入或缺失突变染色体结构变异123单个碱基的改变，可能导致蛋白质功碱基序列的增加或减少，可能造成移染色体片段的缺失、重复、倒位或易能改变或无影响码突变，导致蛋白质功能完全丧失位，影响多个基因的表达，导致严重的疾病损伤与修复DNA修复机制1直接修复、切除修复、重组修复损伤类型2碱基损伤、链断裂、交联损伤来源3辐射、化学物质、复制错误重组技术的原理DNA限制性内切酶载体切割特定DNA序列，生成粘性末端将外源基因导入宿主细胞，例如质粒或病毒连接酶连接外源基因与载体，形成重组DNA分子基因克隆的过程和应用提取目的基因1从生物体中分离出目标基因，并将其纯化构建克隆载体2选择合适的载体，将目标基因插入到载体中，并进行连接转化宿主细胞3将重组载体导入宿主细胞，并进行筛选，选择含有目标基因的克隆表达和纯化4在宿主细胞中表达目标基因，并进行纯化，获得目标蛋白质基因工程的研究前沿基因编辑技术合成生物学12CRISPR-Cas9等新技术，可精设计合成新的生物体系，用于确改变基因序列，为治疗遗传制造药物、生物材料等，具有病提供新思路巨大潜力生物信息学3利用大数据分析技术，从海量基因组数据中挖掘新的生物学规律生物信息学的发展历程早期阶段1世纪年代2070基因组时代2世纪年代2090大数据时代3世纪21生物信息学的发展历程可以追溯到世纪年代，早期以序列比对和数据库构建为主世纪年代，随着人类基因组计划的启动，生20702090物信息学进入基因组时代，各种基因组分析工具和方法应运而生世纪，生物信息学进入大数据时代，以高通量测序技术为代表，产生21了海量生物数据，需要更强大的分析方法和计算能力来处理和解释生物大数据的分析方法基因组测序数据分析蛋白质组学数据分析转录组学数据分析基因组测序数据分析涵盖从序列比对到基因蛋白质组学数据分析包括蛋白质鉴定、定量转录组学数据分析揭示基因表达模式、调控注释和功能分析等多个步骤分析和蛋白质相互作用网络分析网络和生物学途径基因组测序技术进展19772000人类基因组计划Sanger第一代测序技术诞生完成人类基因组测序20052014二代测序三代测序高通量测序技术兴起长读长测序技术出现合成生物学的兴起新兴学科生物制造医疗应用合成生物学是一个新兴学科，它利用工合成生物学有望实现生物制造，即利用合成生物学在医疗领域具有广泛的应用程学原理设计和构建新的生物系统生物体生产各种产品，如药物、燃料和前景，包括诊断、治疗和预防疾病材料分子生物学在医疗中的应用诊断治疗预防分子生物学技术可以用于诊断各种疾病，基因治疗、免疫治疗和药物开发是分子生疫苗开发和基因检测是分子生物学在疾病包括遗传病、传染病和癌症物学在治疗方面的应用预防方面的应用分子生物学在农业中的应用作物改良畜牧业发展基因工程技术可以提高作物产量分子生物学技术可以提高动物生、改善营养成分，并增强抗病虫长速度、改善肉质，并增强动物害能力的抗病能力生物农药利用基因工程技术开发新型生物农药，可有效控制病虫害，减少化学农药的使用分子生物学在环境中的应用污染监测生物修复利用分子生物学技术可以检测水通过改造微生物或植物，可以将体、土壤和空气中的污染物，例污染物降解或转化为无害物质，如重金属、农药和有机污染物例如利用细菌降解石油污染生物多样性保护利用分子生物学技术可以评估生物多样性，监测物种灭绝风险，并制定保护措施分子生物学的发展趋势个性化医疗和精准医疗不断发展基神经科学研究不断深入，神经生物学因检测和靶向治疗越来越普及，为疾与分子生物学的交叉融合不断发展，病的诊断和治疗提供了新的方法为揭示脑疾病的分子机制提供了新思路农业生物技术应用不断推广，基因工程技术在提高作物产量、抗病虫害、改善营养品质等方面发挥重要作用课程小结与展望分子生物学蛋白质功能基因工程生物信息学遗传物质的复制、转录和翻译蛋白质的结构和功能基因克隆和基因编辑技术生物大数据的分析和解读。