《生物学概要》课件

生物学概要生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学，从微观的分子水平到宏观的生态系统，揭示生命的奥秘本课程将带领大家探索生物科学的各个领域，理解生命的本质课程介绍全面覆盖多层次视角本课程涵盖生物学基本概念和从微观分子到宏观生态系统，原理，从分子生物学到生态学全方位理解生命现象的不同层的完整知识体系次理论实践结合理论与应用相结合，通过50个专题全面讲解生物科学的核心内容第一部分生命的基本特征生命的定义生物多样性系统层次探讨什么是生命，生命体具有哪些独特了解生物的共性与多样性，揭示生命形认识生命系统的层次结构，从分子到生的特征和属性式的丰富多彩态系统的组织形式生命的定义自我复制代谢作用环境感应生命体具有遗传和自我进行物质和能量转换，对环境刺激具有感应和复制的能力，确保遗传维持生命活动所需的各反应能力，适应外界环信息的传递种代谢过程境变化适应进化具有适应环境和进化的能力，在时间中不断改变和发展生物的共同特征细胞基础化学组成代谢调节细胞是生命的基本单位，所有生物都生物体由碳、氢、氧、氮等化学元素新陈代谢为生命活动提供能量，同时由一个或多个细胞组成无论是单细组成，形成蛋白质、核酸、糖类、脂生物体能够对内外环境进行稳态调胞还是多细胞生物，都遵循细胞理论质等生物大分子，构成生命的物质基节，维持内环境的相对稳定的基本原则础生命系统层次结构分子水平1蛋白质、核酸等生物大分子细胞水平2生命活动的基本单位组织器官3细胞分化形成的功能单位个体群体4完整生物个体及其集合生态系统5生物与环境的统一整体第二部分细胞生物学基础历史发展结构功能类型比较细胞理论发展历程细胞的基本组成与作用原核与真核细胞差异细胞理论的发展1665年1839年胡克首次发现并命名细胞，开启了细胞学研究的大门施旺扩展到动物细胞，建立了统一的细胞理论基础12341838年1855年施莱登提出植物细胞学说，确立了细胞在植物中的地位魏尔啸提出细胞来自细胞，完善了现代细胞理论细胞的基本结构细胞膜细胞质选择性通透的屏障，控制物质进出，维代谢活动的主要场所，包含各种酶和代持细胞内外环境谢产物细胞核细胞器遗传信息的控制中心，储存和调节基因具有特定功能的结构，如线粒体、内质表达网等原核细胞真核细胞vs原核细胞真核细胞结构相对简单，没有真正的细胞核，遗传物质分散在细胞质中结构复杂，具有被核膜包围的细胞核拥有多种膜结合细胞器，缺乏膜结合的细胞器，如细菌和古菌基因组较小，基因结构简如线粒体、内质网等基因组较大，基因结构复杂，转录翻译分单，转录翻译同时进行别在核质中进行•无核膜包围•有核膜包围•无典型细胞器•具有细胞器•结构简单•结构复杂细胞膜结构与功能选择通透性1控制物质进出的关键特性膜蛋白功能2载体蛋白和通道蛋白磷脂双分子层3细胞膜的基本骨架结构流动镶嵌模型4现代细胞膜结构理论基础细胞器系统线粒体细胞的能量工厂，进行有氧呼吸，产生ATP为细胞提供能量具有双层膜结构，内膜形成嵴增加表面积叶绿体植物细胞特有的细胞器，光合作用的场所含有叶绿素等光合色素，将光能转化为化学能内质网与高尔基体内质网负责蛋白质和脂质的合成，高尔基体对蛋白质进行加工修饰和分拣运输溶酶体细胞的消化系统，含有多种水解酶，分解细胞内的废物和老化的细胞器细胞核与遗传物质

463.2B20K人类染色体数目人类基因组碱基对蛋白编码基因正常人体细胞含有46条染色体约32亿个DNA碱基对约2万个蛋白质编码基因细胞周期与分裂G1期S期细胞生长，合成蛋白质和酶，为DNA复DNA复制阶段，遗传物质加倍，形成姐制做准备妹染色单体M期G2期细胞分裂期，包括核分裂和胞质分裂，继续生长，合成分裂所需的蛋白质，准产生两个子细胞备进入分裂期第三部分生物的代谢物质代谢生物体内物质的合成与分解过程能量代谢能量的获取、转换和利用机制代谢调控代谢过程的精密调节系统物质代谢概述同化作用异化作用将简单物质合成复杂物质的过程，需要消耗能量包括蛋白质合将复杂物质分解为简单物质的过程，释放能量包括有氧呼吸、成、脂肪合成等这些过程构建细胞结构，维持生命活动无氧呼吸等为细胞活动提供所需的ATP和其他能量载体酶与代谢酶的本质专一性影响因素酶是具有催化功能的蛋白质，能够酶具有高度的底物专一性和反应专温度、pH值、底物浓度等因素影响降低反应活化能，加速生化反应进一性，遵循锁钥模型机制酶活性和催化效率行光合作用光反应暗反应电子传递卡尔文循环在类囊体膜上进行，光在叶绿体基质中进行，光系统I和II协同工作，CO2固定的循环过程，能转化为化学能，产生利用ATP和NADPH固通过电子传递链实现能最终产生葡萄糖等有机ATP和NADPH，同时定CO2，合成有机物质量转换化合物释放氧气呼吸作用糖酵解1葡萄糖分解为丙酮酸柠檬酸循环2丙酮酸进一步氧化分解电子传递链3产生大量ATP能量生物能量学ATP结构能量释放腺苷三磷酸，生物体内主要的能量货币，含ATP水解释放能量，为各种生命活动提供动有高能磷酸键力能量平衡ATP再生细胞维持ATP/ADP比例，调节代谢活动通过细胞呼吸和光合作用不断再生ATP第四部分分子生物学基础基因调控1基因表达的精密控制机制基因表达2从基因到蛋白质的信息流DNA结构功能3遗传信息的载体分子基础分子结构DNA双螺旋结构碱基配对DNA包装沃森和克里克提出的DNA双螺旋模腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤与胞长链DNA通过组蛋白包装形成核小型，两条反平行的多核苷酸链围绕共嘧啶配对遵循查加夫定律，保证体，进一步压缩形成染色质纤维，最同轴心螺旋上升结构稳定性由氢键DNA复制的准确性和遗传信息的稳定终形成染色体结构，实现遗传物质的和碱基堆积力维持传递有序组织复制DNA1起始DNA解旋酶打开双链，形成复制起点和复制叉结构2延伸DNA聚合酶沿着模板链合成新的DNA链，前导链连续合成3滞后链滞后链以冈崎片段形式不连续合成，随后由连接酶连接4终止复制完成，形成两个相同的DNA分子，实现半保留复制基因表达中心法则DNA遗传信息的储存形式RNA信息传递的中间载体蛋白质功能执行的最终产物转录过程详解转录起始RNA聚合酶识别并结合启动子序列，开始转录过程转录因子协助聚合酶定位到正确位置，确保转录的准确启动转录延伸RNA聚合酶沿着DNA模板链移动，按照碱基配对原则合成RNA分子过程中DNA双链不断解开和重新结合转录终止遇到终止信号序列时，RNA聚合酶停止转录并从DNA上解离新合成的RNA分子释放，完成转录过程翻译过程详解翻译起始翻译延伸核糖体小亚基结合mRNA，识别起始密tRNA携带氨基酸进入核糖体，形成肽码子AUG键，多肽链逐渐延长蛋白质折叠翻译终止新合成的多肽链折叠成具有功能的蛋白遇到终止密码子，释放因子促使多肽链质结构从核糖体释放基因表达调控转录水平调控转录后调控表观遗传调控通过转录因子、启动子、增强子等调控包括RNA剪接、RNA修饰、microRNA DNA甲基化、组蛋白修饰等不改变DNA元件控制基因转录正调控因子促进转调控等机制这些过程在转录后水平调序列的调控方式这些修饰可以遗传给录，负调控因子抑制转录，实现基因表节mRNA的稳定性、翻译效率和蛋白质后代，影响基因表达模式和细胞命运决达的精密控制产量定第五部分遗传学基础12经典遗传学分子遗传学孟德尔定律奠定的遗传学基从分子水平理解遗传机制，基础，揭示遗传现象的基本规律因结构和功能的分子基础3人类遗传学人类遗传特点、遗传病和基因治疗的研究与应用孟德尔遗传定律3:19:3:3:1分离比例自由组合比例F2代显性与隐性性状比例两对相对性状的F2代比例7豌豆性状孟德尔研究的豌豆性状对数遗传的染色体学说染色体结构基因连锁基因重组由DNA和组蛋位于同一染色减数分裂时同白组成，携带体上的基因倾源染色体交换遗传信息的载向于连锁遗传产生新的基因体组合性别决定性染色体决定个体性别和性连锁遗传基因突变与变异点突变染色体突变单个碱基的替换、插入或缺失，可能导致氨染色体结构或数目的改变，包括缺失、重基酸改变复、倒位等自然突变诱导突变DNA复制错误和环境因素引起的自发性突通过物理或化学因子人工诱发的基因变异变人类遗传学基因组特征1人类基因组包含约32亿碱基对遗传病类型2单基因病、多基因病和染色体病遗传咨询3预防和诊断遗传性疾病基因治疗4利用基因工程技术治疗疾病第六部分发育生物学发育原理个体发育的基本概念和调控机制，从受精卵到成体的发育过程植物发育植物生长发育的特点，包括种子萌发、器官形成和激素调控动物发育动物胚胎发育过程，从受精到器官形成的分子机制发育的基本概念细胞增殖通过细胞分裂增加细胞数量，为后续发育提供足够的细胞材料这是发育的基础阶段细胞分化细胞获得特定功能和形态特征的过程基因的差异表达导致细胞走向不同的命运形态发生细胞和组织重新排列形成特定形状和结构包括细胞迁移、凋亡等过程生长成熟器官和个体达到功能成熟状态，获得完整的生理功能和繁殖能力动物胚胎发育1受精精子和卵子结合形成受精卵，重新建立二倍体染色体组2卵裂受精卵进行连续的有丝分裂，细胞数目增加但体积不变3囊胚形成细胞重新排列形成中空的囊胚结构4原肠胚形成三个胚层外胚层、中胚层、内胚层5器官形成各胚层分化形成不同的器官系统植物发育特点无限生长激素调控环境响应植物具有分生组织，可以无限期生长植物激素如生长素、细胞分裂素、赤霉植物发育受光照、温度、水分等环境因顶端分生组织负责主轴生长，侧生分生素等调控发育过程它们协同作用，调子影响光周期调节开花时间，重力影组织负责加粗生长这种生长方式使植节细胞分裂、伸长、分化等过程，决定响根茎生长方向，展现出高度的环境适物能够适应环境变化植物的形态结构应性第七部分生物多样性多样性保护1保护策略与可持续发展进化与多样性2生物进化驱动多样性形成物种分类系统3生物分类的原则和现代分类体系物种与分类系统分类阶元分子分类从界、门、纲、目、科、属、利用DNA序列、蛋白质结构种的层次分类系统，反映生物等分子信息进行生物分类和系间的亲缘关系统发育分析三域系统细菌域、古菌域、真核域的现代分类体系，基于分子进化证据进化理论基础自然选择遗传变异达尔文提出的进化机制核心环基因突变、基因重组、基因流动境压力作用下，适应性强的个体提供进化的原材料没有变异就生存和繁殖机会更大，有利变异没有进化，遗传变异是自然选择在种群中积累，推动物种进化发挥作用的前提条件物种形成地理隔离、生殖隔离导致种群分化当不同种群间无法自由杂交时，形成新的物种，这是生物多样性产生的重要机制生命的起源与演化1化学进化原始地球环境下，无机物质逐渐形成有机分子，为生命起源奠定基础2原始生命大约38亿年前，最早的原核生物出现，标志着生命的正式诞生3真核进化约20亿年前真核细胞出现，细胞结构复杂化，为多细胞生物铺路4多细胞时代寒武纪生命大爆发，复杂多细胞生物快速演化和分化5陆地征服植物和动物相继登陆，适应陆地环境，开启陆地生态系统生物多样性危机1M1000X濒危物种数量灭绝速度全球约100万物种面临灭绝威胁当前物种灭绝速度是自然速度的1000倍75%陆地生态系统已有75%的陆地生态系统受到人类活动严重影响第八部分生态学基础生态系统种群群落生物与环境相互作用形成的功能单位同种个体集合及不同物种的组合物质循环环境关系生态系统中物质和能量的流动循环生物对环境的适应和环境的塑造作用生态系统概念生产者主要是绿色植物，通过光合作用固定太阳能消费者包括植食动物、肉食动物等各级消费者分解者细菌和真菌，分解有机物释放营养元素种群生态学群落生态学优势种数量多、影响大的物种生态位物种在生态系统中的角色种间关系竞争、捕食、共生等相互作用群落演替群落结构的时间变化过程环境与生物适应温度适应水分平衡光照响应生物通过形调节体内水盐植物光合作用态、生理、行平衡，适应干和动物昼夜节为等方式适应旱或水生环境律对光环境的不同温度环境适应气候变化全球气候变化对生物分布和生态系统的影响第九部分生物技术应用基因工程细胞工程发酵工程DNA重组技术实现基因的定向改造通利用细胞培养、细胞融合、胚胎工程等利用微生物发酵生产有用物质现代发过载体系统将目标基因导入受体细胞，技术包括组织培养、单克隆抗体制酵工程结合基因工程技术，大规模生产产生具有新性状的转基因生物广泛应备、体外受精等应用，为医学研究和治抗生素、维生素、酶制剂等生物制品用于医药、农业、工业等领域疗提供重要手段基因工程技术基因剪切利用限制性内切酶在特定位点切割DNA分子基因扩增PCR技术大量复制目标基因片段载体连接将目标基因插入载体构建重组质粒转化表达将重组载体导入宿主细胞并表达目标产物基因编辑CRISPR-Cas9等新技术实现精确基因修饰合成生物学前沿生物系统设计具有特定功能的人工生物系统生物装置多个生物零件组装的功能模块生物零件标准化的DNA序列功能单元合成生物学是21世纪新兴的交叉学科，将工程学原理应用于生物学研究通过设计和构建新的生物零件、装置和系统，或重新设计现有的天然生物系统，实现特定的应用目标该领域在生物燃料、药物生产、环境治理等方面展现出巨大潜力，但也面临伦理和安全方面的挑战总结与展望知识整合生物学各分支学科日益融合，从分子到生态系统的多层次整合研究成为趋势系统生物学、计算生物学等新兴领域推动着学科交叉发展技术革新基因编辑、单细胞测序、人工智能等前沿技术不断涌现，为生物学研究提供了强有力的工具这些技术正在深刻改变我们理解和操控生命的方式应用拓展生物技术在医学、农业、环保、能源等领域的应用日益广泛精准医疗、合成生物学、生物材料等新兴应用领域充满机遇与挑战未来挑战面对全球气候变化、生物多样性丧失、新兴传染病等挑战，生物学研究肩负重要使命需要在科学研究、技术应用和伦理规范之间找到平衡发展之路。