世纪生命科学的快速发展.ppt

1、第二讲 20th生命科学的快速发展细胞、基因、遗传规律及基因工程,一、 细胞是生命体的功能与结构单位 二、孟德尔学说奠定了遗传学基础 三、 基因是一段DNA序列四、 基因工程的操作和应用,一、 细胞生物体的结构与功能单位,1、细胞学说的建立 2、细胞的结构与功能3、细胞分化、衰老与死亡,1、1 细胞学说的主要的内容 17世纪中叶，显微镜被用于生物学研究，6年英国物理学家罗伯特胡克用显微镜观察软木塞切片，看到一个个“小室”结构，称之谓“Cell”（细胞,1、细胞学说的建立,1675年，英国人胡克（Robert Hooke）曾用原始的显微镜对 生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察,进而人们用显

2、微镜观察各种生物，包括微生物和动、植物的细微构造，到处都看到细胞结构。逐渐形成一个观念：各种生物都是由细胞组成的,1676年，微生物学的先驱 荷兰人列文虎克（Antony van leeuwenhoek）首次 观察到了细菌。他没有上 过大学，是一个只会荷兰 语的小商人，但却在1680 年被选为英国皇家学会的 会员,列文虎克利用业余时间制造过400多架 单式显微镜和放大镜，放大率一般为50200倍,19 世纪，两位德国生物学家施莱登（1838年）和施旺（1839年）正式明确提出： 细胞是植物体和动物体的基本结构单位,最初提出细胞学说观点的 两篇论文是: 德国植物学家施莱登 1838 年发表的论文

3、 : 论植物发现; 德国动物学家施旺 1839 年发表的论文: 动、植物结构与生长相似性的显微研究,这个观点，经过后来的丰富和发展，形成公认的细胞学说,1）细胞是所有动、植物的基本结构单位。 （2）每个细胞相对独立，一个生物体内各细胞之间协同配合。 （3）新细胞由老细胞繁殖产生，不是由于细胞分裂就是细胞融合。单个细胞可分裂而形成组织。 （4）细胞为一切生物的生理单位,1、2 细胞学说的科学意义,生物学三大基石： 、1839年施莱登、施旺创立细胞学说； 2、1859年达尔文提出生物进化论 3、1900年孟德尔遗传定律,19 世纪自然科学的三个重大发现：、细胞学说；2、进化论；3、能量守恒及转换定

4、律。 值得注意的是，从两篇经典的论文看来，细胞学说不但关系到生物体的构造，也关系到生物体的生长与发育,有没有非细胞生命,19 世纪末，人们逐渐发现比细菌还小的“传染性的活性成份”，称为病毒。 1930s1940s 期间弄清病毒的化学本质和电镜结构。 看来，病毒是一类不具细胞结构的生命形态,2、1 细胞的典型结构 细胞膜和生物膜： 生物膜:所有细胞器膜的统称. 主要由脂质和蛋白质组成。 磷脂和鞘脂分子具有一个共同的特征一个极性的头两个非极性的尾巴。在水环境中，这类分子会自发形成脂双层微囊,2、细胞的结构和功能,细胞膜的框架，就是脂双层，还有蛋白质“镶嵌”其中。 197s 辛格和尼克森提出的流动镶

5、嵌学说, 强调了生物膜中脂分子和蛋白质分子的运动。具有不对称性与流动性特点。 这样的膜结构不但用以组成细胞膜，还用以分割形成各种细胞器，所以, 统称生物膜,细胞膜结构,生物膜的功能,物质传送作用 能量转换作用 信息传递作用 *膜上蛋白质是膜功能主要负责者,2、细胞的结构和功能,细胞超微结构可分为膜相结构和非膜相结构。 膜相结构：包括细胞膜、内质网、高尔基复合体、线粒体、溶酶体、叶绿体和核膜等。 非膜相结构：包括核糖体、中心体、细胞基质、核基质、染色体、核仁和细胞骨架等,植物细胞结构,动物细胞模式图,细胞器： 除细胞核外，在细胞质中存在着一些形状相对恒定而且有一定生理机能的超微结构,细胞核 由两

6、层生物膜围成，遗传信息贮藏在核内，是 DNA 复制和 RNA 合成场所,真核细胞： 生物学中将有核的细胞叫真核 细胞。 原核细胞： 有核物质，但没有通过核膜形成细胞核的细胞叫。如（细菌,细菌细胞结构 Cell wall-细胞壁;plasma membrane- 质膜;nucleoid-类核,细菌或病毒核心 ;cytoplasm with ribosomes-含有核糖体的细胞质,细胞核结构,内质网： 由单层生物膜围成。是蛋白质合成、修饰和分泌；脂类合成的场所。包括粗糙内质网与光滑内质网 高尔基体：与细胞内物质传递有关，起工厂中装配线的作用。如糖蛋白的装配。 线粒体：由两层膜包围组成，内膜折叠成嵴

7、，是氧化磷酸化的场所。（细胞发电厂,内质网结构 Ribosomes; rough ER;smooth ER-; nuclear envelope,叶绿体：光合作用的场所。 溶酶体：单层膜包裹的一种细胞器，分解细胞中多种组成物质。 核膜：包围核物质，由两层膜组成，核膜上有核孔，参与物质交流,3、细胞的分化、衰老与死亡,3、1 细胞的分化成年人 全身细胞总数 约 1013个。 细胞种类有 200 多种。这么多种类细胞均来自一个 受精卵。 细胞分化的定义：发育过程中细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化,上皮细胞,脂肪细胞,平滑肌细胞,心肌细胞,神经元细胞,细胞分化不但发生在胚胎阶段

8、和发育过程中，亦发生在成人阶段。如：人体血细胞的产生。 分化以后不同种类的细胞， 形态不同， 功能不同， 基因表达不同， 代谢活动也不同,红血球,白血球,血小板,好多种血细胞都由造血干细胞分化而来,3、2 细胞的衰老,衰老是人们永恒的议题，至今仍是一个迷。 人体衰老时，身体各部分功能都发生衰老,早衰症是人体衰老中的一种病症,一名男子从 36 岁到 75 岁 味觉丧失 64 肾小球减少 44 肾小球过滤率减少 31 脊神经元减少 37 神经传导速度减慢 10 脑供血量减少 20 肺活量减少 44,亦有人强调，人体衰老时，并非全身细胞均衡衰老，而是部分细胞衰老，导致整体机能失调。激素系统和神经系统

9、的衰老对全身的影响最大,衰老的机理，尚不清楚，有各种学说。自由基假说是其中广为人们接受的一种假说,生物氧化中产生自由基，自由基破坏生物大分子蛋白质、核酸、脂类等。使得细胞结构破坏，基因突变，导致细胞衰老。 人体存在着清除自由基机制，这些淬灭自由基机制受遗传控制,H2O HOH,带有不成对电子的基团称为自由基,自由基的反应活泼性特别强,3、3 细胞死亡,多细胞生物个体的一生中，不断发生构成身体的细胞的死亡。 有两种细胞死亡： 因环境因素突变或病原物入侵而死亡，称为病理死亡，或细胞坏死。 因个体正常生命活动的需要，一部分细胞必定在一定阶段死去，称细胞凋亡,细胞凋亡是普遍存在的,变态： 蝌蚪 青蛙

10、昆虫 、卵 幼虫 成虫,哺乳类: 皮肤，指（趾）甲,红细胞： 分化成熟 失去细胞核 凋亡,淋巴细胞： 95% 以上在成熟之前死去， 不到 5% 成熟后只存活一至几天,T细胞杀伤靶细胞的机制之一， 就是诱使靶细胞凋亡,癌细胞亦可看作是凋亡失控了的细胞,细胞凋亡和细胞坏死有明显区别,细胞凋亡 细胞坏死 Apoptosis Necrosis,细胞变圆,与周围细胞脱开 细胞外形不规则变化 核染色质凝聚 溶酶体破坏 细胞膜内陷 细胞膜破裂 细胞分为一个个小体 胞浆外溢 被周围细胞吞噬 引起周围炎症反应,生命最重要的本质之一是性状特征自上代传至下代遗传。 今天，从遗传学研究衍生出来的基因工程技术，已构成生

11、物技术的核心，在实际应用中显示出极大的潜力,二、孟德尔学说奠定了遗传学基础,在孟德尔以前，人们看到遗传现象，猜想遗传是有规律的，甚至在农牧业育种中实际运用了遗传规律，但是，一直找不到研究遗传规律的恰当方法,孟德尔（18221884）从 1856 年起开始豌豆试验。 孟德尔的基本方法是杂交。他挑选了七对性状。 经过近 10 年的潜心研究，孟德尔发表了他的研究报告。其内容可概括两个定律,孟 德 尔 (1822-1884) G.j.Mendel 是奥地利博物学家，1843年进入布尔诺奥古斯丁教派修道院（现今位于捷克的摩拉维亚）当见习修道士，1851年进入维也纳大学主攻物理学，聆听数学、化学、植物学、

12、动物学、昆虫学等课程。1856年回修道院继续充当代课教师，讲解物理学及博物学，同时进行豌豆杂交试验,豌豆杂交操作,孟德尔研究的七对性状,1、孟德尔第一定律分离律,他用一对性状杂交，子一代全为显性性状，子一代之间自交，子二代为： 显性性状：隐性性状3：1这种在杂交后代中显现不同性状(如高茎和矮茎)的现象,叫做现状分离,孟德尔分离律,2、孟德尔第二定律自由组合律,他用两对性状杂交，子一代全为显性性状，子一代之间杂交，子二代出现四种性状，显示出不同相对性状之间的自由组合，其数量比例为9：3：3：1,孟德尔自由组合律,黄圆 绿圆 黄皱 绿皱,3、孟德尔学说的要点,依据上面的试验结果，孟德尔认为，每株豌

13、豆植株中的每一对性状，都是由一对遗传因子(即基因)所控制的，遗传因子有显性因子和隐性因子之分,当一株植株中控制某一对性状的一对遗传因子均为隐性因子时，该植株才表现出隐性性状（如白花或绿色豆粒）。其他情况下，包括一对遗传因子均为显性，或一个显性一个隐性，均表现出显性性状（如紫花或黄色豆粒）。这一点在分离律实验中看的很清楚,当两对性状一起加以研究时,显性和隐性的基本规律仍与上面相同,但要加上一条, 控制不同性状的遗传因子,在传代中各自独立,互不干扰,出现自由组合现象,4、孟德尔学说的重要意义,1）孟德尔第一次明确提出遗传因子的概念, 并且提出了遗传因子控制遗传性状的若干规律,大多数生物体通常由一对

14、遗传因 子（后来称为两个等位基因）控制 同一性状。这样的生物体称为2n 个体 遗传因子可以区分为显性和隐性。 控制不同性状的遗传因子是各自 独立的,2）孟德尔提出了杂交、自交、回交等一套科学有效的遗传研究方法，来研究遗传因子的规律。孟德尔创立的这套方法一直沿用到 1950s，才被分子遗传学方法取代。思考题,已知：控制鹦鹉羽毛颜色的有四个等位基因（即两对基因）：B、b、C、c。 B使羽毛颜色呈黄色 C使羽毛颜色呈蓝色 b和c是隐性基因，不产生色素,问：（1）写出图中四个鹦鹉的基因型。（2）基因型为BbCc的鹦鹉应为什么颜色？（3）两只基因型为BbCc的鹦鹉所产 生的后代是什么情况,二、遗传的连锁

15、与互换规律基因是一段 DNA 序列,遗传因子/基因”的设想一经提出，便推动人们去寻找，去探索 基因在哪里？ 基因是什么,1、基因在染色体上,显微镜技术与染色技术的发展，使人们注意到，细胞分裂时，尤其是减数分裂中，染色体的行为和孟德尔提出的等位基因的分离规律相当一致，所以，确定基因在细胞核中，在染色体上,摩尔根实验室用果蝇为材料的工作，确定了基因在 染色体上的分布规律，并得出遗传的连锁和互换规律,1、由于位于同一染色体上的不同基因是连锁在一起不分离的，所以按照连锁规律来遗传的基因一定是位于同一染色体上的。 2、基因互换是指具有连锁关系的两个或两个以上的基因，有的可改变连锁关系，产生新的组合,摩尔

16、根认为： 1、基因是遗传的功能单位，能表达一定效应性； 2、基因是独立的结构单位，在同源染色体可发生基因互换，而交换只能发生在基因间，不能发生在基因内； 3、基因可以发生突变，由一个等位基因形式变为另一个等位基因形式。 4、基因是决定性状的功能单位、交换单位、突变单位,同源染色体分别带着控制,同一性状的两个等位基因,显性等位基因 纯合子,隐性等位基因 纯合子,杂合子,果蝇有 4 对染色体,野生果蝇没有现成的成对性状 摩尔根在长期饲养中找到各个性状的突变株,控制不同性状的等位基因,在染色体上的位置,触须 长/短,身体 灰/黑,眼睛 红/紫,翅 长/短,减数分裂时发生：染色体交叉/基因重组,g 身

17、体,c 眼睛,l 翅,灰/黑,红/紫,长/短,基因重组服从这样的规则： 两个基因在染色体离得越远，重组频率越高； 两个基因在染色体上离得越近，重组频率越低,重 组 频 率,随着生物化学的发展，蛋白质、核酸等生物大分子逐渐分离、纯化出来。各方面的实验证据表明，基因的化学本质不是蛋白质，而是 DNA。格里菲斯的实验证明遗传物质可以转化进入细菌，改变细菌特性。爱弗莱的实验证实，进入细菌改变特性的遗传物质是 DNA，而不是蛋白质,2、遗传物质是 DNA,肺炎双球菌转化实验,艾弗莱 证实 转化物质 是 DNA,DNA作为遗传物质,Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验,分别用降解DNA、R

18、NA、蛋白质的酶 作用于有毒的S型菌细胞抽提物,DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性,DNA是转化所必需的转化因子,分别用放射性同位素标记噬菌体,35S 标记蛋白质,32P 标记 DNA,35S 标记外壳蛋白质,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞,32P 标记 DNA ,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞,从而进一步证明DNA是遗传物质,而非蛋白质,3、沃森和克里克提出 DNA 双螺旋模型 DNA 分子由两条四种脱氧核苷酸长链组成,每个脱氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子含氮碱基组成。 DNA中碱基有四种:腺嘌 呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T) 碱基配对原则：AT，GC

19、碱基通过氢键连接起来，形成碱基对,按照双螺旋模型，在细胞分裂时，DNA 的合成应是“半保留复制”的模式,DNA双螺旋模型,半保留复制,证实半保留复制的实验,细菌培养在含15N 的培养基 中,细菌培养在含14N 的培养基中,一代,两代,基因的化学本质,经典遗传学认为：染色体是遗传物质的载体，基因作为遗传的基本单位，分布在染色体上。而遗传信息贮存在DNA分子的碱基部分。 分子遗传学中基因化学本质：是DNA分子中有特定遗传效应的一个片段即DNA分子中一段特定的核苷酸序列,遗传密码,遗传密码：是指核酸中核苷酸排列顺序和蛋白质中氨基酸排列顺序间的关系,1965年伽莫夫提出DNA分子中4种碱基的排列组合形

20、成遗传密码，并推断氨基酸与碱基对应的数量关系为1:3。即1个氨基酸由3个核苷酸编码。 1961年克里克提出1个氨基酸可能有数个遗传密码。 1961，美国学者尼伦堡和马大：证明3个核苷酸编码1个氨基酸，并于1966年正式编制成遗传密码表，该表为DNA转录产物信使RNA（mRNA)的遗传密码。 1个氨基酸可具备1个以上密码，而1个密码只能确定1个氨基酸,4、DNA作为遗传物质的功能,1）贮藏遗传信息的功能 （2）传递遗传信息的功能 （3）表达遗传信息的功能 由此，克里克提出中心法则, 确定遗传信息由 DNA 通过 RNA 流向蛋白质的普遍规律,中 心 法 则,遗传信息在DNA和RNA分子之间的传递

21、是双向的,由DNARNA称为转录,其逆过程则为反转录.遗传信息由DNADNA为DNA复制;DNARNA为DNA转录;RNA 蛋白质为DNA通过RNA翻译;由RNA RNA仅RNA病毒;RNA DNA仅RNA病毒感染宿主细胞等,中 心 法 则 要 点,遗传信息储存在细胞核内，不能直接作为蛋白质生物合成的模板,而蛋白质合成在细胞质中，其合成速率与RNA含量正相关。 蛋白质中氨基酸排列顺序是由基因转录产物-mRNA的核苷酸序列直接决定。 遗传信息由核酸流向蛋白质,即贮存在DNA分子上遗传信息通过蛋白质表现出遗传性状的过程,首先DNA通过转录将遗传信息传递给RNA,然后再通过翻译将遗传信息从RNA传递给蛋白质.即DNA序列转录为RNA序列,再将RNA序列翻译为肽链的氨基酸序列. 包括：基因转录基因翻译基因表达和控制,基因的表达和调控,1、基因转录,即在DNA指导下的RNA生物合成过程。 包括三步骤： 第一是RNA聚合酶识别并结合到基因的启动子和转录起始；启动子：是一种转录的调控元件，即DNA上一段与RNA聚合酶相结合的核苷酸序列，长约40-60个碱基对bp； 第二是RNA链的延长，这时RNA聚合酶沿着DNA一条链（模板链或称有义链），使RNA链不断延伸。RNA合成方向是5-3端。 最后是转录终