《生命科学导论》电子笔记.doc

西安交通大学生命科学导论课程电子笔记第一章 绪论：一、 生命科学简介：概念：生命科学（Life Science）是将生物体诸如动物、植物、微生物和人作为研究对象的各种学科的统称。 基础科学生物学（如普通生物学、动物学、植物学、微生物生命科学主要分支 学、人类学、古生物学、病毒学、昆虫学等） 应用科学 医学、药学、农学、生物技术等生命的基本特征：新陈代谢、遗传与变异、生长与繁殖、应激性等。二、 生命科学发展历程观察描述阶段（19世纪以前）生命活动表面现象的揭示；如：达尔文实验研究阶段（20世纪初20世纪中叶）生命活动本质的揭示；如：巴斯德创新生物学阶段（20世纪中叶以后）对生物特性的改造和创新，应用潜力巨大。如：克里克、沃森等现代生命科学的研究方法：描述法、比较法、实验法、历史法三、 面向21世纪的生命科学21世纪人类社会面临的重大问题能源、食品、环境、人类健康等生命科学的发展在解决这些问题中的作用生命科学是21世纪的带头科学21世纪生命科学的发展趋势向微观和宏观两极发展、高度分化与高度综合的统一、向基本和复杂生命现象、系统、疾病等两极发展，等等。第二章 生物分子与细胞一、生物分子：（一）生物小分子：种类、特性、功能（二）生物大分子1蛋白质（Protein）一级结构：多肽链中氨基酸残基的线性序列及连接方式。结构 二级结构：相邻氨基酸折叠、盘旋形成的稳定、规律的构象单元，如螺旋，折叠等。三级结构：整条多肽链通过折叠（某些化学键稳定之）形成的特定空间立体构象。功能蛋白质：执行特定功能。如酶、受体、各种蛋白类调节因子等。 酶：指活细胞产生的具有催化作用的蛋白质（也可以是核酸）。功能 酶的活性中心：由催化部分和结合部分构成，由酶分子的特定构象决定。 酶促反应的特点：专一性、高效性、易失活。结构蛋白质：既作为结构成分，又执行一定功能。能源物质：作为体内的储能物质，必要时分解供能。2核酸（Nucleic acid）：DNA、RNA一级结构：多核苷酸链中脱氧核苷酸的排列顺序。DNA结构 二级结构：两条多核苷酸链反向平行盘绕生成的双螺旋结构。三级结构：DNA双螺旋进一步扭曲盘旋形成的特定空间结构。携带遗传信息：通过复制传给子代细胞功能 表达遗传信息：通过基因表达（转录、翻译）决定生物性状。转录：遗传信息从DNA传递到RNA的过程。翻译：以mRNA为模板合成多肽链的过程。核酸的变性：各种原因导致的DNA双螺旋解链，生物活性丧失的现象，不包括一级结构的改变。核酸的复性：变性的核酸分子在一定条件下恢复正常结构和功能的现象。核酸分子杂交：非同源核酸分子通过碱基互补结合形成杂交核酸分子的过程。核酸探针及用途：与被探测核酸链互补的一段寡核苷酸链，用于分子诊断。二、细胞（Cell）真核细胞细胞是生命的基本结构和功能单位。原核细胞（一）细胞基本结构及其功能：结构液态镶嵌模型：以半流动态的脂质双分子层为基架，膜蛋白镶嵌其中并可移动。主动转运与离子泵1细胞膜 跨膜物质转运 被动转运与载体、离子通道等功能 出胞和入胞作用 膜受体接受信息信息传递 膜表面标记传递信息，如膜抗原有膜细胞器：线粒体、叶绿体、内质网、高尔基氏体、溶酶体等2细胞器 无膜细胞器：如核糖体、微管、微丝及其功能3细胞核（二）细胞的新陈代谢物质代谢与能量代谢（自学。下学期加上）（三）细胞分裂、衰老、死亡细胞分化（Cell Differentiation）：指同一来源的细胞在形态结构、生理功能和生化特征方面稳定的转变成不同细胞的过程。细胞凋亡：(Apoptosis)：指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序性的死亡，涉及一系列基因的激活表达及调控，具有生理性和选择性。又称程序性细胞死亡。（四）细胞工程细胞工程指在染色体、细胞质、和整体细胞水平，按照人们的意愿对细胞进行遗传特性改造，培育具有新性状的细胞甚至完整生物个体的工程技术。 细胞培养和组织培养基本技术细胞工程 染色体工程 细胞重构与细胞质工程（核移植技术，细胞质、细胞器移植技术） 细胞融合技术细胞融合：两个或两个以上同源或非同源细胞融合成一个细胞，其内遗传物质进行重组的过程。单克隆抗体：由单一B淋巴细胞克隆合成与分泌的，能够识别和结合抗原分子上某一抗原决定簇的纯抗体。核移植技术：将一个细胞的细胞核植入另一个事先去除了核的细胞中形成核质重组细胞的技术。克隆动物：指不经过生殖细胞的结合而直接由动物体细胞获得的新的动物个体。体细胞：受精卵第一次卵裂后产生的所有子代细胞（不包括成体生殖腺内的精子或卵子）。第三章 微生物学一、概述1微生物（Microorganism）：指所有形体微小、结构简单的单细胞或简单多细胞的低等生物的总称。2微生物共同特性：1生长繁殖迅速；2易变异；3分布广、种类多。3微生物分类： 原核细胞微生物：细菌、放线菌、支原体、衣原体、立克次氏体、蓝细菌等按结构及性状 真核细胞微生物：真菌、原生动物、藻类（蓝细菌除外） 非细胞结构微生物：病毒、类病毒、朊病毒 光能自养 自养型 4微生物的营养类型 化能滋养 寄生型异养型 腐生型5生长繁殖规律：在培养基中培养呈现延滞期、对数生长期、稳定期、衰亡期的特征。二、原核细胞微生物古细菌细菌（Bacteria）真细菌细菌的特殊结构（芽孢、荚膜、菌毛与鞭毛）及其功能放线菌与抗生素生产关系密切霉菌（毛霉、根霉、曲霉、青霉、）三、真菌（Fungi）酵母菌四、病毒（Virus）病毒指形体极小、专性细胞内寄生、不具备细胞结构的大分子生物的总称。一般特点：病毒分类：动物病毒、植物病毒、微生物病毒五、 微生物与人类有利的一面不利的一面第四章 生命延续的本质遗传与变异遗传学（Genetics）：是研究生物遗传和变异的规律与机制的一门科学。遗传（Heredity）：生物亲子间性状相同或相似的现象。变异（Variation）：生物个体之间的差异。一、遗传（一）基因（遗传因子）概念的提出和发展孟德尔：第一定律基因的分离定律。核心问题：等位基因的分离。 第二定律基因的自由组合定律。核心问题：非等位基因的自由组合。摩尔根：第三定律基因的连锁和互换。核心问题：基因在染色体上呈线性排列，基因之间存在连锁和互换。 基因之间交换可以造成基因重组：染色体上各基因之间的交换率和基因之间的距离成正比。 （二）基因的本质DNA (RNA) 基因的本质是DNA, 基因就是一段特定DNA序列。 1中心法则 (central dogma) DNA作为遗传物质的功能：储存、传递和表达遗传信息。 2基因表达和基因表达调控 遗传信息从DNA传递到蛋白质的过程叫基因表达，对这个过程的调节即为基因表达调控。真核生物基因表达的调控层次： 1转录调控；2转录后调控; 3翻译调控; 4翻译后调控; 5蛋白质活性调控（三）基因在生物遗传中的作用1单基因遗传 质量性状(Qualitative character)：指同一种性状的不同表现型之间不存在连续性的数量变化，而呈现质的、中断性变化的那些性状。质量性状一般属于单基因遗传，可以用遗传学三大定律来解释。（1）常染色体遗传显性遗传隐性遗传（2）性染色体遗传伴性遗传 由性染色体上的基因决定的性状，在遗传时常与性别有关。 X染色体上隐性基因控制的遗传 X染色体上显性基因控制的遗传 Y染色体上基因控制的遗传（3）生物的性别决定 性染色体决定性别单倍体型的性别决定基因决定性别环境决定性别（4）性别畸形性染色体数目的增减导致的性别畸形与性别分化有关基因发生突变导致的性别畸形2多基因遗传（1）数量性状（Quantitative character）：差异呈连续状态，界限不清楚，不易分类的性状。 特点：a由多基因（其中每对基因的作用微小微效基因）控制；b易受环境因子影响。因此数量性状是由遗传因子和环境因子共同作用的结果。 （2）遗传率：指某一性状的表型方差中，遗传方差所占比例。 二、变异（Variation）环境影响表型变异 基因重组遗传变异 染色体畸变 突变 基因突变（一） 染色体的畸变：指染色体结构或数目改变。 结构变异（起因于染色体片断的断裂）：缺失、重复、倒位、易位 正常为二倍体(2n)数目改变 整数倍改变（以正常配子中的染色体数为单位进行增减） 非整数改变（染色体组中缺少或增加了一条或几条染色体）（二）基因突变 基因突变（Gene mutation）是指由于DNA碱基对的置换、增添或缺失而引起的基因结构的变化，亦称点突变。 碱基替换（转换、颠换。根据影响分为：同义突变、错义突变、无义突变）1基因突变的类型 移码突变在DNA分子中插入或缺失一个到数个（非3的倍数）碱基时，将会使插入或缺失点后的所有密码内容改变，从而在翻译水平上引起多肽链的氨基酸顺序也完全改变。2诱发基因突变的因素常见因素 ：物理诱变；化学诱变；生物诱变（三）遗传病（Genetic diseases）遗传病是由于遗传物质发生变化而引起的疾病。1.遗传病的分类：单基因、多基因和染色体病三大类2.遗传病的诊断：临床水平、细胞水平、蛋白质水平、基因水平诊断3.遗传病的治疗常规治疗：只能改善表型，不能根治。基因治疗：策略：通过对异常基因的更换、校正和增补根治遗传病。方法： 1体外原位治疗；2体内基因治疗；3反义疗法；4通过核酶的基因治疗三、生物进化（一）生物进化的证据除古生物学、比较解剖学、胚胎学证据、细胞遗传学证据外还有：免疫学的证据分子水平的证据 蛋白质进化核酸进化（二）生物进化的理论1. 拉马克学说2. 达尔文的自然选择学说3. 现代达尔文主义的进化学说4. 分子进化的中性学说四、基因工程 1概念：基因工程（Gene Engineering）指按照人们的意愿，利用DNA重组技术，将一个生物体的遗传物质外源基因或目的基因，转入到另一个生物体内，形成能够复制和表达外源基因的重组体，以获得所需目标产品的工程技术。2基因工程的原理DNA是遗传信息携带者的证明理论基础 DNA分子双螺旋结构和半保留复制机制的阐明遗传密码的破译基因工程工具酶：限制性内切酶和DNA连接酶技术基础 基因工程载体 的发现和应用 逆转录酶 限制性核酸内切酶：是一类能识别和切割双链DNA中特定序列的酶。“手术刀”。 DNA连接酶：是一种能够催化DNA中相邻的3羟基和5磷酸基末端之间形成磷酸二酯键的酶。“缝衣针”。 基因工程载体：是携带外源基因进入受体细胞的物质。质粒：原核细胞内的一类双链环状DNA。适于做小片断基因的载体。 常用载体 病毒：如噬菌体线状双链DNA，适于做大片断基因的载体。人工载体逆转录酶：是一类存在于RNA病毒中具有逆转录（RNADNA）活性的特殊蛋白质。由它催化转录合成的DNA称为互补DNA（cDNA）。3基因工程的基本操作步骤 原核目的基因从构建的基因文库中钓取（1）目的基因的获得 真核目的基因从cDNA文库中钓取 已知序列基因人工合成 目的基因获得后用PCR技术进行扩增。PCR（Polymerase Chain Reaction）：即聚合酶链式反应, 是通过酶促反应在体外大量的、特异性的扩增所需DNA片段的技术。PCR 反应的三个步骤：变性、退火和延伸。（2）载体的准备有目的基因插入位点（插入序列不破坏载体基因编码区）基因工程载体应具备的条件 能够在受体细胞内复制和表达（有启动子并能被受体细胞识别）带有一个或多个表型标记（以备筛选重组体）不同的目的基因选择不同的载体。（3）DNA重组（DNA Recombination） 载体 + 目的基因 基因工程工具酶 重组的DNA 分子/重组病毒（4）目的基因转入 转化：质粒携带目的基因进入受体细胞的过程重组质粒的转化。转染：病毒携带目的基因进入宿主细胞的过程重组病毒的转染。物理方法：电脉冲、基因枪、显微注射等。（5）重组体的筛选 利用载体或外源基因的表型特征筛选真正的重组体。（6）目的基因表达和产品的分离提纯重组体的大规模生产（发酵、种植、动物繁殖等） 产品的分离提纯（下游加工）4基因工程的应用根据受体细胞的不同分为：（1）微生物基因工程：如药物、疫苗、微生物杀虫剂、活性污泥、微生物精炼石油等等（2）转基因植物：运用基因工程的方法构建转基因植物。可提高其农业价值和园艺价值、生产特殊蛋白质、以及研究植物特性。（3）转基因动物：利用基因工程技术将外源基因导入动物染色体中，构建表达目的基因性状的转基因动物。用于获得优质高产的动物新品种、生产特殊蛋白质、构建人类疾病的转基因动物模型（进行研究）等等。（4）基因治疗五、人类基因组计划（Human Genome Project，HGP） 目标是在2005年前完成人体细胞23对染色体的遗传图谱、物理图谱，并测定出总长30多亿碱基对的DNA全部序列。2000年6月：人类基因组“工作框架图”绘制成功进度：1990年 2001年8月：人类基因组“中国卷”的绘制工作宣告完成2003年4月：人类基因组序列图绘制成功（6国联合宣布）中国承担的任务：第3号染色体上的3000万个碱基对测序，占1%。第五章 细胞间通讯一、 总论：细胞通讯细胞之间的信息传递。细胞间通讯的方式（化学、电、机械、以及其它）化学通讯的特点：需要通过配体与受体的结合实现。配体（ligand）细胞间传递信息的化学物质信号分子。受体（Receptor）存在于细胞内或细胞表面的，能够识别配体并与之发生特异性结合的一类特殊的蛋白质（包括膜受体和胞浆受体）。二、神经系统的信息传递1、 概述神经系统在机体机能活动中的地位和作用起主导作用的调节和控制系统。 脑 中枢神经系统 脊髓神经系统的基本结构 脑神经 周围神经系统 脊神经神经系统的功能：感觉功能、运动功能、脑的高级功能。2、神经元与神经元的电信号（1）神经元结构与分类 树突 接收信息 感觉神经元结构 胞体 接收信息、整合信息 分类 运动神经元 轴突 传出信息 中间神经元（2）神经元电信号的产生和传导静息电位（Resting Potential）：神经元未受刺激时存在于细胞膜两侧的电位差，表现为“内负外正”的极化状态。 膜两侧离子分布不均（钠钾泵）产生机制 K+跨膜外流 膜对K+通透（K+通道开放）动作电位（Action Potential）：神经元未受刺激时产生的具有固定特征（“全或无”、不衰减传导）的膜电位变化，由去极项（升支）和复极项（降支）构成。 升支：膜两侧离子分布不均；膜对Na+通透 Na+跨膜内流产生机制 降支：膜两侧离子分布不均；膜对K+通透 K+跨膜外流传导机制 局部电流。有髓神经纤维呈跳跃式传导。动作电位的特征：“全或无”、不衰减传导。动作电位的意义：兴奋的标志，神经系统长距离传导的电信号。3、神经系统内细胞间的信息传递突触传递突触（Synapse）：神经元之间及神经元与感受器细胞/效应器细胞之间传递信息的接触点。突触传递的过程：突触前神经元兴奋 突触前膜产生动作电位 神经递质释放 神经递质与突触后膜上的受体结合 突触后膜电位变化突触后电位（去极化或超极化） 突触后神经元兴奋或抑制神经递质：由神经细胞合成与分泌的，用于突触传递的信号分子，递质必须通过受体发挥作用。4、反射与反射弧反射指在中枢神经系统的参与下，机体对内外环境刺激做出的具有适应意义的响应，是神经系统调节机体机能活动的基本方式。反射弧是反射活动的结构基础。反射弧的构成及各部分的功能。三、内分泌系统的信息传递1激素(Hormone)：由内分泌腺和散在的内分泌细胞分泌的高效能的化学物质，是细胞间信息传递的化学媒介。2激素作用的一般特征：a.仅作为信号分子 b.特异性 c.高效性内分泌腺3内分泌系统 内分泌细胞4 激素分类及作用机制脂溶性激素：激素胞浆受体 激素受体复合物 进入细胞核 调节基因表达水溶性激素：激素膜受体 胞浆产生第二信使（如cAMP） 级联反应 细胞生物学效应5. 神经与激素系统的相互作用 四、免疫系统的信息传递1免疫（Immune）：机体识别和排除一切“自己”或“异己”抗原物质以维持生理平衡和稳定的功能。2 抗原（Antigen）：能够刺激机体免疫系统产生特异性免疫应答，并能够与免疫应答产物在体内或体外发生特异性反应的物质。例如：病原微生物，疫苗，MHC抗原等。3 免疫系统免疫器官：中枢、外周免疫器官免 非特异性免疫细胞单核细胞、粒细胞、肥大细胞等疫 免疫细胞系 特异性免疫细胞B、T细胞及其异同点统 免疫细胞膜分子免疫信号分子的受体免疫分子分泌型免疫分子（作为信号分子及免疫效应分子）：抗体、补体、细胞因子抗体（Antibody）：在抗原刺激下，由B淋巴细胞分化形成的浆细胞合成与分泌的，具有与抗原发生特异性结合的活性的免疫球蛋白，是免疫应答的产物。补体（Complements）：是存在与正常机体血清中的一系列具有酶活性的蛋白质分子，参与破坏或清除与抗体结合的抗原（包括与抗体结合的细胞）。细胞因子（Cytokine）：由免疫细胞和非免疫细胞分泌的，能够调节多种细胞功能的小分子多肽类物质。4 免疫应答感应阶段 抗原识别、处理三个阶段 反应阶段 免疫细胞活化、免疫效应分子产生效应阶段 效应细胞和效应分子发挥作用清除抗原体液免疫应答（B细胞、抗体）两种类型细胞免疫应答（T细胞、细胞因子） 特殊类型：免疫抑制（不要求）5 免疫学应用免疫学诊断、免疫学治疗、免疫学预防。人工自动免疫与人工被动免疫6、艾滋病（了解病因、传播途径、主要表现）第六章 生命世界的生存规则环境与生态：一、生物多样性及其保护（一）生物的分类1. 分类依据 （1）生物命名法瑞典植物学家林奈的双名法属名（名词，第一个字母大写） 种名（形容词，修饰限定属名，无需大写。种名后有定名者的姓名，有时可省略） （2）生物系统分类的依据传统分类依据，生物化学分类依据2. 分类系统和分类等级 （1）五界系统 （2）分类等级（二）植物形态：细胞壁、液泡、质体植物的一般特性功能：绝大多数光能自养、在生命历程中不断长出新的组织和器官（三）动物形态：无细胞壁、液泡、质体动物的一般特性功能：绝大多数为异养型；所有器官组织都已在胚胎中发育形成；以及动物特有的运动、感觉、和脑的高级功能。运动：神经系统控制的效应器活动的变化。感觉：环境刺激作用于感受器，经过神经系统的加工处理所产生的对刺激的主观印象。脑的高级功能：由大脑皮层参与实现。如思维活动、意识活动、情绪活动等。（四）微生物（见第三章）1. 微生物的概念2. 微生物的基本特征（五）生物多样性保护1生物多样性（Biodiversity）：指地球上所有生物以及由这些生物与环境相互作用组成的生态系统的多样程度。它包含遗传(基因)多样性、物种多样性、生态系统多样性、以及景观多样性。2. 生物多样性的价值：直接价值、间接价值3. 生物多样性的丧失及原因4. 生物多样性的保护目标和对策二、生态学的基本概念和发展（一）生态学概述1. 生态学的定义及分支生态学(Ecology)：生态学是研究生物与环境之间相互作用的一门学科。研究层次：种群、群落、生态系统、生物圈。2. 生态学发展历程3. 生态因子的组成和作用特点（二）种群生态学1. 种群：居住在一定地区的同一种类的相互作用的个体组成一个种群。2. 种群特征（数量、密度、分布状况等）及其影响因素3. 人口学（三）群落生态学1. 群落：群落是指在一定的地理区域内，生活在同一环境中的各种动物、植物和微生物等种群相互作用组成一个具有独特的成分、结构和功能的各种生物的集合体。2. 群落的基本特征3. 群落中不同种群间的作用方式4. 外部环境造成群落组成的变化生态演替（原生演替、次生演替） 生态演替：是生态系统在中等时间尺度上的变化。指随着时间的延伸，若干生物群落依次替代，最后达到相对稳定的演替顶级状态。 生境：生物生活的空间和其中全部生态因子的总和。（四）生态系统1. 生态系统：生物群落与其生存环境之间,以及生物种群相互之间密切联系、相互作用，通过物质交换、能量转换和信息传递，成为占据一定空间、具有一定结构、执行一定功能的动态平衡整体，称为生态系统。结构上包括生物组分和环境组分两大组分。2. 基本组分-生物组分和环境组分3. 特征4. 能量传递特点：循环利用、质能守恒5. 物质循环类型：气相型（如：水、碳、氮）、沉积型（如：磷）6. 信息传递7. 生态平衡及调控8人类与环境的关系三、环境保护与可持续发展（一）环境问题