第一章-分子生物学-绪论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本课程要求,一、随机点名，一次不到扣总分的2分，按10分计入总分；,二、每一章完成后，都随堂布置一个小题目，按20分计入总分；,三、实验成绩20分；,四、期末考试，按50分计入总分。,The hierarchy of living world:Biological organizations at various levels,Biosphere(the sum of all Earths ecosystems),Ecosystem(biological community+environment),Biological community(populations of different species in same area),Population(localized group of organisms of same species),Organisms(Units of life),Organ systems,Organs,Tissue,Cells,(1-100,m,Units of organisms),Organelles,(ribosomes ca.20 nm),Macromolecule complex,Molecules,(nm,atoms bonded chemically),Atoms,(,chemical building,blocks of all matter),The relationship of,Molecular Biology,with other biological subjects,Life,Sciences,Medical,Sciences,Biology,Agri.,Sciences,Macro,(outdoor),Micro,(indoor),Ecology,Behavior,Evolution,Systematics,Molecular,Biology,Biochem,Microbiol,Cell,Biology,Mol,Genetics,Dev,Biol,Immunol,Mol,Neurobiol,Others,Crop sciences,Animal husbandry,Veterinary,Pathology,clinic medicine,Preventive medicine,etc,名词：分子生物学,分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。,Reference Books,1.现代分子生物学（朱玉贤等）,2.,Gene,-by Benjamin Lewin.2005.中文版,3.Molecular Biology(2,nd,Edition by R Weaver),4.Molecular Cell Biology(4,th,Edition by H Lodish),5.Molecular Biology of the Cell(4,th,Edition by B Alberts),6.分子生物学 阎隆飞 张玉麟，中国农业大学出版社，,7.分子遗传学 孙乃恩主编 南京大学出版社，1996，,分子生物学实验参考书目,1.分子克隆实验指南,2.精编分子生物学实验指南,3.,PCR技术实验指南,4.分子生物学实验基础,5.现代分子生物学实验技术,6.分子生物学实验技术,7.分子生物学基础技术,Chapter 1 introduction,1.1 foreword(引言),1.1.1,创世说与,Evolutionism,1.1.2,cell theory,1.1.3,Biochemistry,and,Genetics,1.1.4,Genetic material,1.2,a brief history(分子生物学简史),1.3,The Core of Molecular Biology,1.4,the expectation of,Molecular Biology,molecular biology、cell biology and neurobiology,are regarded as the three big principal part of biological study in the present age。,protein、grease、carbohydrate and nucleic acid were be found and purified.,孟德尔,的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识；“统一律”和“分离规律”，显隐性状。,Morgan,的基因学说则进一步将性状与,基因,相耦联，成为分子遗传学的奠基石。,基因（gene）：,是合成一种功能蛋白或RNA分子所必需的全部DNA序列。,一个典型的真核基因包括：,1.编码序列外显子（exon）；,2.非编码序列内含子（intron）；,3.5端和3端非翻译区；,4.调控序列。,（也可以解释为：遗传的基本结构和功能单位。是特定染色体上特定位置的一段核苷酸片段，能够编码特定功能的蛋白质。）,在孟德尔遗传学的基础上，美国著名的遗传学家Morgan又提出了基因学说。,连锁遗传规律,Morgan和他的助手们第一次将代表某一特定性状的基因，同某一特定的染色体联系起来,孟德尔,Gregor Mendel(1822-1884),奥地利大科学家。经典遗传学的奠基人。1857-1864年的7年中，进行了豌豆的杂交研究，1865 年发表了他的划时代的论文Experiments in Plant Hybridization，在论文中提出了“遗传因子”的概念，并得出了三条规律显性规律，分离规律和自由组合规律。,从1847年Schleiden和Schwann提出“细胞学说”，证明动、植物都是由细胞组成的到今天，虽然不过短短一百六十多年的时间，人类对生物大分子-细胞的化学组成却有了深刻的认识。,1.宗教解释生命的起源；创世说,2.拉马克，用进废退学说,3.1859年，英国生物学家，,达尔文,物种起源；“物竞天择，适者生存”的进化论,DNA is the genetic material,The idea that genetic material is nucleic acid had its roots in the discovery of transformation in 1928.The bacterium,Pneumococcus,kills mice by causing pneumonia.The virulence of the bacterium is determined by its capsular polysaccharide.This is a component of the surface that allows the bacterium to escape destruction by the host.Several types of,Pneumococcus,have different capsular polysaccharides.They have a smooth(S)appearance.,Each of the smooth,Pneumococcal,types can give rise to variants that fail to produce the capsular polysaccharide.These bacteria have a,rough,(R)surface(consisting of the material that was beneath the capsular polysaccharide).They are,avirulent,.They do not kill the mice,because the absence of the polysaccharide allows the animal to destroy the bacteria.,When smooth bacteria are killed by heat treatment,they lose their ability to harm the animal.But inactive heat-killed S bacteria and the ineffectual variant R bacteria together have a quite different effect from either bacterium by itself.Figure 1 shows that when they are injected together into an animal,the mouse dies as the result of a,Pneumococcal,infection.Virulent S bacteria can be recovered from the mouse postmortem.,Figure 1,The transforming principle is DNA.,The component of the dead bacteria responsible for transformation was called the,transforming principle,.It was purified by developing a cell-free system,in which extracts of the dead S bacteria could be added to the live R bacteria before injection into the animal.Purification of the transforming principle in 1944 showed that it is,deoxyribonucleic acid,(,DNA,)(Avery et al.,1944).,The next step was to demonstrate that DNA provides the genetic material in a quite different system.Phage T2 is a virus that infects the bacterium,E.coli.,When phage particles are added to bacteria,they adsorb to the outside surface,some material enters the bacterium,and then 20 minutes later each bacterium bursts open(lyses)to release a large number of progeny phage.,It illustrates the results of an experiment in 1952 in which bacteria were infected with T,2,phages that had been radioactively labeled,either,in their DNA component(with,32,P),or,in their protein component(with,35,S).The infected bacteria were agitated in a blender,and two fractions were separated by centrifugation.One contained the empty phage coats that were released from the surface of the bacteria;these consist of protein and therefore carried the,35,S radioactive label.The other fraction consisted of the infected bacteria themselves.,Figure 2 The genetic material of phage T2 is DNA.,Most of the,32,P label was present in the infected bacteria.The progeny phage particles produced by the infection contained 30%of the original,32,P label.The progeny received very little less than 1%of the protein contained in the original phage population.This experiment therefore showed directly that the DNA of parent phages enters the bacteria and then becomes part of the progeny phages,exactly the pattern of inheritance expected of genetic material.,1952年,Hersey,和,Chase,的同位素标记侵染实验。,噬菌体的侵染标记实验,DNA是遗传物质的证明,Radioactive protein(,35,S),Radioactive phage infects bacterial cells,Blender separates protein coats from bacterial surface,Radioactive DNA(,32,P),Therefore,it is the viral DNA,and not protein,that programs cells to make copies of the virus.,When DNA is added to populations of single eukaryotic cells growing in culture,the nucleic acid enters the cells,and in some of them results in the production of new proteins.When a purified DNA is used,its incorporation leads to the production of a particular protein.Figure 3 depicts one of the standard systems.,Figure 3 Eukaryotic cells can acquire a new phenotype as the result of transfection by added DNA.,Such experiments show directly not only that DNA is the genetic material in eukaryotes,but also that,it can be transferred between different species and yet remain functional,.,The genetic material of all known organisms and many viruses is DNA.However,some viruses use an alternative nucleic acid,ribonucleic acid,(,RNA,),as the genetic material.Although its chemical formula is slightly different from that of DNA,in these circumstances RNA exercises the same role.The general principle of the nature of the genetic material,then,is that it is always nucleic acid;in fact,it is DNA except in the RNA viruses.,烟草花叶病毒的感染和繁殖过程证实RNA,也是重要的遗传物质。,1.3.2分子生物学研究内容,1.,DNA重组技术,-基因工程,2.,基因表达调控,-核酸生物学,3.,生物大分子结构功能,-结构分子生物学,4.,基因组,、功能基因组与,生物信息学,研究,生物信息学（Bioinformatics）,生物信息学（Bioinformatics）：生物信息学包含了生物信息的获取、处理、储存、分析和解释等在内一门交叉学科，它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具进行研究，目的在于阐明大量生物学数据所包含的生物学意义。研究方法包括基因序列比对、结构比对及功能比对等，在基因组学、蛋白质组学、分子进化、生物芯片等研究上有着广泛的应用。,基因组（,Genome,）,：,Genome：某一特定生物体的整套（单倍体）遗传物质的总和，基因组的大小用全部DNA的碱基对总数表示。,“Whats Human Genome Project?”,“One base One dollar!”,人类基因组草图在2001年完成。在上个世纪最后10年还完成了许多模式生物的基因组全序列测定，如果蝇、酵母、小鼠及与人类疾病相关的许多细菌的基因组。,DNA recombinant technique,：,DNA recombinant technique：是20世纪70年代初发展起来的科学技术，目的是将不同的DNA片段按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。,DNA重组技术是核酸化学、蛋白质化学、酶工程及微生物学、遗传学、细胞学长期深入研究的结晶，而限制性内切酶、DNA连接酶及其他工具酶的发现与应用则是这一技术得以建立的关键。,DNA重组技术有着广阔的应用前景DNA重组技术可用于定向改造某些生物基因组结构，使它们所具备的特殊经济价值或功能得以成百上千倍的地提高。,蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸（主要是脱氧核糖核酸）分子编码，表现为特定的核苷酸序列，所以基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。,在个体生长发育过程中生物遗传信息的表达按一定的时序发生变化（,时序调节,），并随着内外环境的变化而不断加以修正（,环境调控,）。,基因表达的调控主要发生在转录水平或翻译水平上。,原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控主要发生在转录水平。,真核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔开，且在转录和翻译后都有复杂的信息加工过程，其基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上。,基因表达调控主要表现在信号,传导研究,、,转录因子,研究及RNA剪辑3个方面。,信号传导,信号传导,是指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传到细胞内部，并激发诸如离子通透性、细胞形状或其他细胞功能方面的应答过程。,转录因子,转录因子,是一群能与基因5端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。,生物大分子的结构功能研究（又称结构分子生物学）一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质或多糖，在发挥生物学功能时，必须具备两个前提:,首先，它拥有特定的空间结构（三维结构）；其次，在它发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。,结构分子生物学：,结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索及结构与功能相互关系的建立3个主要研究方向。,目前，最常见的研究三维结构及其运动规律的手段是X射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学），其次是用二维或多维核磁共振研究液相结构，也有人用电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法研究生物高分子的空间结构。,近半个世纪以来,分子生物学中重大突破与成就者,Nobel Prize,生物学发展的里程碑与主要内容,1958,Joshua Lederberg,(33y),Phage transduction,Beadle&Tatum,One gene-one enzyme,有关基因重组和细菌遗传,物质结构的发现,Severo Ochoa (54y),Spain,Rich phosphate bonds of ATP,-Energy,Arthur Kornberg(41y),DNA replication,DNA polymerase I,Brooklyn,荣获1959年诺贝尔生理学或医学奖,James Watson(34y),Francis Crick(46y),Maurice Wilkins(46y),DNA Double Helix model,1962,Francis Crick(1916-2004),Francois Jacob,(44y),Jacques Monod,(55y),Lac.Operon Theory,1965,Concept of mRNA,1968,R.Holley H.G.Khorana M.Nirenberg,pakistan,H.Gobind Khorana(46y),How to synthesize triplet RNA,Marshall Nirenberg(41y),Genetic coden,Robert Holley(46y),tRNA,phe,cloverleaf structure,1969,Max Delbruck(63y),Alfred Hershey(61y),Phage group,Phage infection cycle,DNA as genetic material,M.Delbruck,A.Hershey,Reverse transcription,Walter Gilbert,(48y),Fredenick Sanger,Mechanism of protein synthesis,Isolation of Lac.Operon repressor,1980,DNA sequencing,DNA+SV40 ,Recombination DNA,Paul Berg,1983.,Barbara McClintock(86y),DNA transposable elememt,Kohler&Milstein,Monocloning antibody,Altman&,Cech,Ribozyme,Roberts&Sharp,Splitting gene,Mullis&Smith,PCR technique&gene mutation in locus,Gilman&,Rodball,G-protein as a signal molecular in cell,Lewis&,Nusslein-Volhard,Control gene of body developing in Drosophila(果蝇),英国科学家悉尼布雷内，1927年1月13日生于南非。1954年取得英国牛津大学博士学位，现任职于美国加利福尼亚州伯克利的分子科学研究所。,美国科学家罗伯特霍维茨，生于1947年5月8日。先后于1972年和1974年取得哈佛大学生物学硕士和博士学位，后历任麻省理工学院助理教授、副教授、教授。,英国科学家约翰苏尔斯顿，生于1942年3月27日。1966年获剑桥大学博士学位，1992年到2000年间任英国剑桥桑格中心主任。,我国生物科学家吴宪20世纪20年代初回国后在协和医科大学生化系与汪猷、张昌颍等人一道完成了蛋白质变性理论、血液生化检测和免疫化学等一系列有重大影响的研究，成为我国生物化学界的先驱。,20世纪60年代、70年代和80年代，我国科学家相继实现了人工全合成有生物学活性的结晶牛胰岛素，解出了三方二锌猪胰岛素的晶体结构，采用有机合成与酶促相结合的方法完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成，在酶学研究、蛋白质结构及生物膜结构与功能等方面都有世所瞩目的建树。,1.3.1 分子生物学的基本基础,1.3.2分子生物学研究内容,1.3.1 分子生物学的基本基础,分子生物学的3条基本原理：,构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中都是相同的；,生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规则；,某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。,1953 Watson&Crick,DNA Double Helix model,基因的三个基本属性,以DNA,protein,为核心 以生物化学为基础,基因的自我复制,基因控制性状的表达,变异,生物系统的共性,某一生物的个性,形成,广义的分子生物学,在分子生物学的研究领域共同遵循,三大基本原则,构成生物大分子的单体是相同的,生物遗传信息的表达的中心法则相同,DNA,RNA,polypeptides,protein,character,高级结构,生物大分子之间的互作,个性,分子生物学的三大原则,共同的核酸语言 共同的蛋白质语言,生物大分子单体的排列（核苷酸，氨基酸）,朊病毒（Prion）？,又称蛋白质侵染因子。朊病毒是一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子无免疫性疏水蛋白质。,它只有蛋白质而无核酸，但却既有感染性，又有遗传性。,“羊瘙痒症”、脑软化病、海绵状脑病、“疯牛病”,美国生物化学家斯坦利普鲁辛纳（Stanley B.P Prusiner）,朊病毒发现的意义,从理论上讲，“中心法则”认为DNA复制是“自我复制”，即DNADNA，而朊病毒蛋白是PrPPrP，是为“自他复制”。这对遗传学理论有一定的补充作用。但也有矛盾，即”DNA蛋白质”与“蛋白质蛋白质”之间的矛盾。对这一问题的研究会丰富生物学有关领域的内容；对病理学、分子生物学、分子病毒学、分子遗传学等学科的发展至关重要，对探索生命起源与生命现象的本质有重要意义。从实践上讲，其对人畜健康；为揭示与痴呆有关的疾病（如老年性痴呆症、帕金森病）的生物学机制、诊断与防治提供了信息，并为今后的药物开发和新的治疗方法的研究奠定了基础。,Crick：.我本人的思想是基于两个基本原理，我称之为序列假说（sequence hypothesis）和中心法则（central dogma),序列假说：核酸片段的特异性完全由其碱基序列所决定，而且这种序列是某一蛋白质的氨基酸序列的密码。,中心法则：信息一旦进入蛋白质，它就不可能再输出,结构生物学,基因分子生物学,生物技术理论,与应用,分子生物学研究的三大主要领域,生物大分子的结构与功能,生物大分子之间的相互作用,DNAprotein,Hormonereceptor,Enzyme-substrate,基因的概念,基因的结构,基因的表达,基因的重组,基因的交换,基因工程,细胞工程,酶工程,发酵工程,蛋白质工程,狭义的分子生物学,1847年 Schleiden&Schwann,细胞的化学组成，细胞器的结构，细胞骨架，生物大分子在细胞中的定位及功能,分子生物学发展的三大支撑学科之一,生物体由细胞组成,所有组织的最基本单元,-,形状相似，高度分化的细胞,细胞的发生与形成是生物界普遍和永久的规律,分子细胞生物学,细胞学,1864 年 Mendel,Genetics,分子遗传学,基因结构 基因复制 基因表达 基因重组 基因突变,分子生物学发展的三大支撑学科之二,遗传因子假说,遗传学,核酸化学,蛋白质化学,(1936年 Sumner),分子生物学发展的 三大支撑学科之三,酶 蛋白质,生物化学,分子生物学,分子结构生物学,分子发育生物学,分子神经生物学,分子育种学,分子肿瘤学,分子细胞生物学,分子免疫学,分子病毒学,分子生理学,分子考古学,分子遗传学,分子数量遗传学,分子生态学,分子进化学,.,分子生物学,渗透到生物学几乎所有学科,分子生物学,成为现代生命科学的共同语言,分子生物学的延伸,未来分子生物学形成的新热点及领域,生物大分子的高级三维结构与功能的统一,生物大分子之间的互作 基因的社会学,(Nature 杂志增设 Natural developing biology分册),基因表达，基因互作,器官发生,胚胎形成,个体发育,2.分子发育生物学（Molecular Developing Biology）,1.结构分子生物学（Structural Biology）,个体,细胞,分子,还原论,整体论,细胞中的定位,细胞分化,神经基质,神经通道,信息传递,大分子克隆,一级结构分析,三维结构重建,思维,感情,记忆,科学解释,3.分子细胞生物学(Molecular Cell Biology),4.分子神经生物学（Molecular Neurobiology）,1994,生长因子，细胞周期等癌症相关基因,1986.,Friend,RB1第一个抑癌基因被克隆,(Tumor Suppressor gene),1975.,Bishop M,.,癌基因的证实,5.分子肿瘤学（Molecular Tumorology）,人类基因组计划（HGP）,遗传图,物理图,序列图,表达图,基因定位,基因克隆,基因转移,基因的分子生物学,比较基因组研究,物种的起源与进化,基因的证实与克隆,分子生物学的发展,水稻等作物基因组计划,猪，牛等家畜基因组计划,6.中心法则的深入研究与发展,计算计语言,分辨，提取，分析，比较，预测生物信息,生物大分子的结构与功能信息,基因的识别与鉴定,基因功能信息的提取与证实,基因表达谱的绘制(microarray),基因功能的改变（基因敲出 knock out）,蛋白质水平上基因互作的探测,7.功能基因组学(Functional Genomics),8.生物信息学(Bioinformatics),9.应用分子生物学发展,生物技术,诊断试剂 治疗药物,植物品种 畜用制品,食品加工 环境工程,废物处理 生物塑料,民用制品 再生能源,分子生物学理论的突破,人口与粮食,生物技术的有效应用,新旧技术的有机结合,能源与资源,健康与疾病,分子生物学与经济发展,更加深刻,更为明确,阐明生物大系统,生长发育,遗传变异,繁殖死亡,生命本质,更加主动,更为有效,利用生物技术,改造生物,创造生物,新兴产业,推动工，农，医 的 发 展,21世纪-分子生物学世纪展望,讨论,：,1.概念：,分子生物学 DNA重组技术 结构分子生物学,基因,生物信息学(Bioinformatics）,基因组,2.试设计一个实验解释DNA为什么是遗传信息的载体。,3.试叙述中心法则的主要内容，如何解释朊病毒这种现象。,