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1、第二章第二章 生物信息学的生物学基础生物信息学的生物学基础 1 目目 录录 生命生命 细胞细胞 蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能 核酸与遗传信息核酸与遗传信息 基因组结构基因组结构 中心法则中心法则 基因表达调控基因表达调控 生物大分子生物大分子 分子生物学工具分子生物学工具 2 一 生命一 生命 3 古希腊人的定义古希腊人的定义 产生运动 而不管人是否能了解那种运动 的原因被称之 为 力 为此他们提出了生命力和活力这样伟大的概念 古代东方的定义古代东方的定义 古中国人则倾向于将产生运动的原因称之为 气 生命活动当 然也就是 气 的活动 人之生 其犹冰也 水凝而成冰 气积而为 人 部分东方
2、古人认为生命来源于 火 重点在于强调了生命的新 陈代谢过程 人含气而生 精尽而死 死犹澌 灭也 譬如光焉 薪尽而火灭 则无光矣 中国古人通过一个巧妙的方法去探讨生命 即 死 在这一对 立中将生与死统一起来加以研究 无有不生 无生不死 以其生 故知其死也 古老的新问题 什么是生命古老的新问题 什么是生命 4 生理生化的生命定义生理生化的生命定义 n给生命下一个准确的定义并 不容易 n在千差万别的生命形态背后 有着一个共同的特点 一切生 命都是由DNA RNA及蛋白质 等大分子为骨架构成的 n定义 生命是由核酸和蛋白质 相互作用产生的 可以不断 繁殖的物质反馈循环系统 n例外 没有蛋白质外壳的类
3、病毒和没有核酸的朊病毒 一 生命 5 生态学的生命定义生态学的生命定义 在生物圈中 生物分为自养生物 异养 生物 异养生物中有相当一部分营腐生 生活 因此便形成了生物圈中的不可逆 性或单向流动的物质循环运动 定义 生命是能通过自养或异养进行新 陈代谢 通过能量转换进行物质循环的 能繁殖的物质系统 一 生命 6 生命的进化生命的进化 u宇宙的起源 始于120亿年 前的宇宙大爆炸 Big Bang Begins The Universe u太阳系的起源 大约49亿年 前 诞生太阳系 u地球的起源 大约45亿年前 宇宙中的尘埃在引力作用 下逐渐集聚形成地球 u不断演化的地球系统 地球 本身一直经历着
4、由简单到复 杂 由低级到高级不可逆的 演化过程 由此逐渐形成了 大气圈 水圈 岩石圈 生 物圈及地球内部的圈层 u不断演化的地球生物 生物 是地球系统在特定条件下演 化的结果 并仍处于不断的 演化之中 一 生命 7 时间时间 亿年前亿年前 4646 地球形成 地核与地幔分异 4040 3838 最早的沉积记录 化学进化生命起源 3535 最早的叠层石和微 生物化石记录 光合作用起源 3030 生生 命命 起起 源源 一 生命 8 2525 2020 冠族真核细胞起源 大气圈氧气开始积累 1010 7 7 多细胞叶状体植物适 应辐射性分化 时间时间 亿年前亿年前 单单 细细 胞胞 生生 物物 进
5、进 化化 一 生命 9 时间时间 亿年前亿年前 5 5 0 0 骨骼化 后生动物适 应辐射性分化 哺乳动物起源 人类起源 文化系统建立 4 4 3 3 2 2 1 1 寒武纪大爆发 志留纪大爆发 陆生维管植物诞生 两栖动物出现 被子植物起源 爬行动物出现 鸟类出现 恐龙成为地球霸主 恐龙绝灭 多多 细细 胞胞 生生 物物 进进 化化 一 生命 10 Karl von LinneeKarl von Linnee 1707 1778 瑞典博物学家 Linnee在 Systema Naturae 中创立生物分类体系 双命名法 双命名法 binomial nomenclaturebinomial no
6、menclature 每个物种的科学名 称由两部分组成 属名加种名 属名在前 第一个字母大 写 种名在后 小写 其后还可标注发现的地名或发现者 的名字 采用拉丁文 生物分类命名体系生物分类命名体系 11 生物界的分类生物界的分类 三界说 五界说 六界说 八界说 12 人所属的分类体系人所属的分类体系 界 kingdom 动物界 Animalia 门 phylum 脊索动物门 Chordata 脊椎动物亚门 Vertebtata 纲 class 哺乳动物纲 Mammalia 真兽亚纲 Eutheria 目 order 灵长目 Primates 类人猿亚目 Anthropoidea 科 famil
7、y 人科 Hominidae 属 genus 人属 Homo 种 species 人种 sapiens 生物分类系统生物分类系统 人 人 一 生命 13 水稻所属的分类体系水稻所属的分类体系 界 kingdom 植物界 Plantae 门 phylum 种子植物门 Spermatophyta 被子植物亚门 Angiospermae 纲 class 单子叶植物纲 Monocotyledoneae 颖花亚纲 Glumiflorae 目 order 禾本目 Graminals 科 family 禾本科 Gramineae 属 genus 稻属 Oryza 种 species 稻 Oryza sati
8、va 生物分类系统生物分类系统 水稻 水稻 一 生命 14 原核生物 真细菌 古细菌原核生物 真细菌 古细菌 原核生物 prokaryote 由原核细胞构成的单细胞生物 DNA分子无核膜包裹 遗传信息量小 细胞小 直径为0 2 10 m 有细胞壁 细胞内无细胞器 真核生物 原生生物 真菌 植物 动物真核生物 原生生物 真菌 植物 动物 真核生物 eukaryote 由真核细胞构成的单细胞 多细胞生 物 有核膜包裹的完整细胞核 核内DNA借助组蛋白形成多个 染色体 细胞体积较大 直径为10 100 m 细胞内有功能专一的细胞器 一 生命 原核生物与真核生物原核生物与真核生物 15 系统树系统树
9、Phylogenetic tree 把物种按亲缘关系 远近用图形表达而 成的树状系统 一 生命 16 模式生物基因组计划是人类基因组计划的一个重要组成部分 为人类基因组研究做方法学和组织工作的准备 1 将从模式生物中得到的数据和资料与人类基因组比较 通过不同生 物基因序列的同源性来阐明人类相应基因的功能 2 通过研究小而简单的模式生物的基因组 积累经验 发展技术 3 对模式生物的研究亦具有重要的经济价值 模式生物的基因组结构相对于人类基因组来说 比较简单 在基因组测序时可以为人类基因组计划提供借鉴 更重要的是 对这些模式生物体的功能基因的认识可以为认识人类基因组的 功能提供更多的帮助 四大 模
10、式生物 酵母 线线虫 果蝇蝇 小鼠 一 生命 模式生物模式生物 Model Organisms Model Organisms 17 BacteriophageBacteriophage 感染细菌 真菌 放线菌或螺旋体等微生物的病毒 如 大肠杆菌噬菌体 coliphages 遗传物质 单链 双链 环状 线状 DNA RNA 电镜下的蝌蚪形噬菌体 一 生命 噬菌体噬菌体 18 VirusVirus 不具有细胞形态结构 仅由核酸和蛋白质构成 如 烟草花叶病毒TMV 艾滋病毒HIV SARS病毒 体积小 10 300nm 严格的专性细胞内寄生 对抗生素不敏感 电子显微镜下的SARS冠状病毒 100n
11、m 腺病毒 一 生命 病毒病毒 19 Escherichia coliEscherichia coli 人类研究得最为详尽的模式生物 结构简单 基因组小 无 内含子 无性繁殖 可人工培养 因此 作为分子生物学及相关基础生 物学研究的材料 是一种良好的模式生物 如 K12菌株 全基因组于1997年测定 长460万bp 长度1 6 m 单细胞原核生物 繁殖快 大肠杆菌 及其全基 因组 一 生命 大肠杆菌大肠杆菌 20 Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae yeast yeast 属于真菌界的单细胞真核生物 有16条染色体 全基因组于199
12、6年测定 一 生命 酵母酵母 21 Caenorhabitidis elegansCaenorhabitidis elegans worm worm 细胞数目一定 成虫细胞数目只有959个 其中包括302 个神经元 有6条染色体 全基因组于1998年测定 长9 7Mb 一 生命 秀丽线虫秀丽线虫 22 Drosophila melanogasterDrosophila melanogaster 生活周期短 容易饲养 繁殖力强 染色体数目少 易于观察 容易诱发变异等特点 全基因组长约1 8亿bp 一 生命 果蝇果蝇 23 Arabidopsis thalianaArabidopsis thali
13、ana 十字花科草本 生活周期为6周 是理想的模式植物 5条染色体 全基因组长约1 0 108 bp 一 生命 拟南芥拟南芥 24 Oryza sativaOryza sativa 基因组比较紧致 为小麦的1 37 是禾本科植物的首选测 序对象 12条染色体 约为人类基因组的七分之一 大约4 3亿bp 一 生命 水稻水稻 25 Xenopus laviasXenopus lavias 1个受精卵在24小时内分裂到各种器官初具雏形的程 度 一 生命 非洲爪蟾非洲爪蟾 26 Danio rerioDanio rerio 身体透明的小鱼 生活周期约3个月 是研究脊椎动物 发育过程的良好对象 一 生命
14、 斑马鱼斑马鱼 27 Mus musculusMus musculus 基因组大小与人类相近 约30亿个核苷酸对 有19条 染色体 一 生命 小鼠小鼠 28 二 细胞二 细胞 29 细胞是细胞是生命活动的基本单位生命活动的基本单位 是生命存在的最基本形式 是一切生命 活动的基础 一切生物都离不开细胞这一基本的形态 结构 代谢 生长 分裂 凋亡生命活动建立 在细胞活动的基础上 二 细胞 30 两类细胞 u真核细胞 如真菌 u原核细胞 细菌 蓝细 菌 原绿藻 二 细胞 原核细胞与真核细胞原核细胞与真核细胞 31 原核生物原核生物 主要特点 1 遗传物质仅一个环状DNA 2 无核膜 3 无细胞器 无
15、细胞骨架 4 以无丝分裂或出芽繁殖 代表生物 支原体 细菌 兰藻 螺旋藻 人类未来的蛋白质 食物新来源 二 细胞 32 三大结构体系 1 膜系统 质膜 内膜系统 细胞器 2 细胞核系统 遗传信息表达系统 3 骨架系统 细胞质 细胞核等的骨架系统 真核生物真核生物 二 细胞 33 1 大肠杆菌 2 念珠藻 3 小球藻 4 酵母菌 5 火丝菌 6 眼虫 7 分生组织细胞 8 栅栏组织薄壁细胞 9 驴蹄草叶表皮细胞 和保卫细胞 10 大鼠肝细胞 11 肾近曲小管上皮 细胞 12 成纤维细胞 13 人红细胞 14 人精细胞 15 哺乳动物的横纹 肌细胞 16 平滑肌细胞 17 神经细胞体 不 同 细
16、胞 的 相 对 大 小 二 细胞 34 亚细胞结构 二 细胞 35 动动 物物 细细 胞胞 模模 式式 图图 二 细胞 36 植植 物物 细细 胞胞 模模 式式 图图 二 细胞 37 模式植物细胞模式植物细胞 二 细胞 38 细胞膜细胞膜 二 细胞 39 细胞壁细胞壁 二 细胞 40 细胞壁的结构细胞壁的结构 细胞壁纸 二 细胞 41 细胞质细胞质 细胞液 细胞骨架 细胞器 线粒体 功能 能量转换 细胞复制 生存 叶绿体 功能 光合作用 内质网 功能 细胞复制 生存 高尔基体 溶酶体 核糖体 二 细胞 42 几种细胞器几种细胞器 二 细胞 43 细胞核细胞核 真核细胞中的细胞控制中心 包含遗传信息 染色质 与细胞质中的其它细胞器通讯 二 细胞 44 核核 膜膜 与与 核核 孔孔 二 细胞 45 细胞分裂细胞分裂 有丝分裂 单细胞生物繁殖 多细胞生物生长 减数分裂 形成单倍体 有性繁殖 二 细胞 46 有丝分裂有丝分裂 二 细胞 47 细胞的有丝分裂 二 细胞 48 49 减数分裂减数分裂 第一阶段 第一阶段 1 1 第一阶段 第一阶段 2 2 二 细胞 50 遗传物质交换遗传物质交换
