第一章 分子生物学绪论医学PPT.ppt

1 1 1绪论现代生物学研究的目的是要在分子水平上阐明细胞活动的规律 揭示生命的本质 从20世纪40年代开始 无数生命科学家用他们的智慧和汗水 赢得了20世纪自然科学最伟大的革命 揭开生物遗传的谜底 主要体现 DNA的结构与功能 RNA在蛋白质生物合成中的作用 蛋白质的结构与功能 遗传密码及基因表达调控等机制的阐明 本章主要介绍现代分生物学的历史背景和主要人物 并简单讨论人类对遗传的最基本单位 基因化学本质的认识过程 2 分子生物学的定义分子生物学是研究核酸 蛋白质等所有生物大分子的形态 结构与其功能 它们之间的相互关系 研究目的 在分子水平上阐明细胞活动的规律 揭示生命的本质 Molecularbiologyisthestudyofgenesandtheiractivitiesatthemolecularlevel includingtranscription translation DNAreplication recombinationandtranslocation 3 1 1 1创世说与进化论多少年来 人们常常会反复提出3个与生命现象有关的问题 生命的起源 生命是怎样起源的 生物的遗传 为什么 有其父必有其子 生物的发育 动 植物个体是如何从一个受精卵发育而来的 4 直到19世纪初 西方人一直相信基督教的宣传 相信上帝先创造了花草树木 世间万物 后来又创造了男人亚当 再从亚当身上抽出一根肋骨 这就成了女人夏娃 亚当 夏娃婚配繁衍产生了人类 1859年 英国生物学家CharlesDarwin发表了著名的 物种起源 一书 确立了进化论的概念 这打破了上帝造人的传统观念 改变了社会对人类在整个世界中的地位的看法 极大地推动了人类思想的发展 5 达尔文采集了大量动 植物标本和化石并细心地进行比较 鉴别和研究 提出并解答了一系列学术问题 A 相似的动物为什么居住在千里之外的不同地区 B 同一个小岛上为什么聚集着许多不同的动物 C 低等动物与高等动物有些什么样的联系 D 人是如何产生的等等 认为 大陆自古以来发生过许多次巨变 如冰川时期等 所以不可能存在亘古不变的动 植物 6 达尔文进化论物种是变化的 是不断由简单到复杂 从低等到高等逐渐进化的 自然界种种生物都是通过这个过程演化而来的 在整个进化过程中 自然的选择作用决定了物种进化的方向 适合生存的生物得到保留并形成新种 不适合生存的生物则被淘汰 7 1 1 2细胞学说17世纪末 荷兰显微镜专家Leeuwenhoek成功制作了世界第一架光学显微镜 通过这一装置 他看到了一系列肉眼看不到而又使人迷惑不解的微小生物 他将这些小生命称为 微动物 animalcule 若干年后 人们才知道它们是单细胞生物 8 9 10 19世纪初 细胞研究的一项重大成果是细胞核的发现 这一发现也为细胞学说的创立做出了一定的贡献 1831年 英国植物学家R Brown 在研究施肥对植物的影响时 利用了一台放大倍数约为300倍的显微镜 注意到植物细胞内部还有其他的结构 通过仔细观察 他发现了植物细胞的细胞核 并发现一个植物细胞只有一个细胞核 布朗当时对于细胞核的生物学含义既不重视又不理解 因而也没有进一步研究细胞核的结构和功能 11 细胞学说 细胞学说是19世纪三大发现之一的细胞学说的核心 建立这一学说的是德国植物学家Schleiden和动物学家Schwann 细胞是生物体的基本结构单位和功能单位 所有组织的最基本单元是形状非常相似而又高度分化的细胞 并提出了一切生物是由细胞组成的细胞学说 12 细胞学说对生物科学最重要的贡献 因为单个细胞生长分裂 组织 器官和个体的生命现象实际上是细胞活动的总和 所以细胞可以成为生物学研究的首要对象 今天的细胞学和分子细胞学就是在这个基础上发展起来的 13 14 经典生物化学研究 19世纪中叶 人们发现动物和植物细胞的提取液中主要是一些能耐热或酸变性形成纤维状沉淀的物质 这些物质包含有大体相等摩尔浓度的碳 氢 氧和氮 蛋白质 Buchner制备酵母无细胞提取液后 与葡萄糖进行氧化反应 结果产生乙醇 证明化学物质的转换不需要完整的细胞 而仅仅需要细胞中的某些成分 蛋白质是生活细胞中所有化学反应的催化剂 15 16 17 18 19 孟德尔两条基本遗传规律的含义A 生物的每一种形状都是由遗传因子控制的 而这些因子以从亲代到子代 代代相传 B 在体细胞内遗传因子成对存在的 其中一个来自父本 一个来自母本 C 在形成配子时 成对的遗传因子彼此分开 单独存在 D 有些遗传因子以显性形式存在 有些以隐性形状 20 由于孟德尔的研究方法和结论都远远超过了当时的科学认识水平 他的这些研究成果和见解 并没有立即引起生物学界的注意和重视 1884年逝世 直到1900年 他的理论才被重新发现并得到普遍应用 并逐渐被公认为经典遗传学的奠基人 21 22 23 他们用这些突变体进行杂交试验 探讨了遗传机制 到915年发现 24 25 26 27 1928年 Griffithetal 发现 美国科学家Avery 28 转化因子的酶学分析 他树立了全新的观点 DNA是遗传信息的载体 29 表 2 DNA是病毒的遗传物质 30 31 1952年 美国冷泉卡耐基遗传学实验室科学家Hershey和他的学生Chase噬菌体侵染实验 32 33 1 2分子生物学的发展史 34 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 虽然不过短短一百多年时间 我们对生物大分子 细胞的化学组成却有了深刻的认识 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 而Morgan的基因学说则进一步将 性状 与 基因 相耦联 成为现代遗传学的奠基石 Watson和Crick又提出了脱氧核糖核酸的双螺旋模型 为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路 Sumner在1936年证实酶是蛋白质1953年 Sanger利用纸电泳及层析技术首次阐明胰岛素的一级结构 开创了蛋白质序列分析的先河 Kendrew和Perutz利用X射线衍射技术解析了肌红蛋白 myoglobin 及血红蛋白 hemoglobin 的三维结构 论证了这些蛋白质在输送分子氧过程中的特殊作用 成为研究生物大分子空间立体构型的先驱 35 1910年 德国科学家Kossel因为蛋白质 细胞及细胞核化学的研究而获得诺贝尔生理医学奖 他首先分离出腺嘌呤 胸腺嘧啶和组氨酸 1959年 美籍西班牙裔科学家Uchoa发现了细菌的多核苷酸磷酸化酶 成功地合成了核糖核酸 研究并重建了将基因内的遗传信息通过RNA中间体翻译成蛋白质的过程 1962年 美国科学家Watson和英国科学家Crick因为在1953年提出DNA的反向平行双螺旋模型获得诺贝尔生理医学奖 1962年 Kendrew和Perutz由于测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构 获得诺贝尔化学奖 1965年 法国科学家Jacob和Monod提出并证实了操纵子 Operon 作为调节细菌细胞代谢的分子机制 提出存在一种与染色体脱氧核糖核酸序列相互补 能将编码在染色体DNA上的遗传信息带到蛋白质合成场所 细胞质 并翻译产生蛋白质的信使核糖核酸 即mRNA分子 他们的这一学说对分子生物学的发展起了极其重要的指导作用 36 1975年 美国人Temin Dulbecco和Baltimore由于发现在RNA肿瘤病毒中存在以RNA为模板 逆转录生成cDNA的逆转录酶而共享诺贝尔生理医学奖 1980年 Sanger因设计出一种测定DNA分子内核苷酸序列的方法 而与Gilbert和Berg分获诺贝尔生理医学奖 Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝尔化学奖 1983年 美国遗传学家McClintock由于发现了可移动的遗传因子而获得诺贝尔生理医学奖 1984年 德国人Kohler 美国人Milstein和丹麦科学家Jerne由于建立了单克隆抗体技术 完善了极微量蛋白质的检测技术而分享了诺贝尔生理医学奖 37 1989年 美国科学家Altman和Cech由于发现某些RNA具有酶的功能 称为核酶 而共享诺贝尔化学奖 Bishop和Varmus由于发现正常细胞同样带有原癌基因而分享当年的诺贝尔生理医学奖 1993年 美国科学家Roberts和Sharp由于在断裂基因方面的工作而荣获诺贝尔生理医学奖 美国科学家Mullis由于发明PCR仪而与第一个设计基因定点突变的Smith共享诺贝尔化学奖 1994年 美国科学家Gilman和Rodbell由于发现了G蛋白在细胞内信息传导中的作用而分享诺贝尔生理医学奖 38 1995年 美国人Lewis 德国人Nusslein Volhard和美国人Wieschaus由于在40 70年代先后独立鉴定了控制果蝇体节发育基因而分享诺贝尔生理医学奖 1996年 澳大利亚科学家Doherty和瑞士人Zinkernagel由于阐明了T 淋巴细胞的免疫机制而分享了当年的诺贝尔生理医学奖 1997年 美国科学家Prusiner由于发现朊病毒 Prions 作为早老性痴呆症 CJD综合症 等疾病的病原并能直接在寄主细胞中繁殖传播而获得诺贝尔生理医学奖 39 1999年 美国科学家Blobel由于阐述了蛋白质在细胞间的运转机制 明确了信号肽及信号识别复合在蛋白质跨膜运转过程中的主导作用而获得诺贝尔生理医学奖 2001年 美国科学家Hartwell和英国科学家Hunt和Nurse因为对细胞周期调控因子的研究而分享诺贝尔生理医学奖 2006年 美国科学家Hornberg由于揭示真核细胞转录机制而获得诺贝尔化学奖 美国科学家用RNA干扰技术揭示控制遗传信