分子生药学 (1)

分子生药学 一 分子生药学的含义和研究对象 1 生药 指经过简单加工 直接用于医疗保健或制药原料的药材 包括制药中药 民族药 和民间药 中药 在中医理论指导下 按照中医的治疗原则使用 并被收载于我国本草著作中的药物 民间药 指民间医生用于治疗疾病或地区性口耳相传 本草文献无记载 不以中医理论指 导的药物 民族药 指少数民族使用的 以它们的民族医药理论或传统经验为指导药物 2 生药学 利用植物学 动物学 化学等知识 研究生药真伪 优劣等的学科 研究对象 是植物体 植物器官 细胞 化学成分 3 分子生药学 利用分子生物学的理论和方法 研究生药的真伪 优劣的学科 其研究 对象是中药中的DNA RNA和酶 二 学习分子生药学的目的意义 1 1 中药材品种系统整理与质量标准化研究中药材品种系统整理与质量标准化研究 1 研究有争议和难鉴定中药材 为确定中药材基源提供理论依据 如黄甘草和胀果甘草的研究 为甘草药材的基源确定提供了依据 2 研究有争议的植物类群 促进发现濒危药用植物的替代品 基本理论 药用植物亲缘关系越近 形态越相似 化学成分越相近 临床功效越近似 越 有可能相互替代 当亲缘关系出现争议的时候 可以用分子生药学的方法解决 例如 中药材前胡 伞形科前胡属植物白花前 胡和紫花前胡的干燥根 紫花前胡 伞形科当归属植物 伞形科前胡属植物 分子证据说明紫花前胡应是当归属植物 2 2 药用动植物生物多样性保护与生药资源可持续利用研究 药用动植物生物多样性保护与生药资源可持续利用研究 研究濒危动植物保护种群的范围研究濒危动植物保护种群的范围 确定物种内基本保护单元是优化和实施保护策略的基础 如 海南黑长臂猿是黑长臂猿的亚种 DNA序列差异较大 足以接近种的水平 而且只有15 只 被列入最优先保护范围 3 3 药用植物分子标记育种与新品种的培育 药用植物分子标记育种与新品种的培育 1 新品种选育 2 种子种苗纯度鉴定 种子纯度是保证优良品种增产潜力得以发挥的关键因素 保证种子质量具有重要意义 田间试验 DNA指纹技术 4 4 代谢途径基因调控与中药材品质定向调控 代谢途径基因调控与中药材品质定向调控 初生代谢产物相同 以此为起点 产生各种各样成分 可阻断某一代谢途径 促进另一条 代谢途径的产物积累 5 5 利用基因工程和组织培养技术 高效表达和生产天然活性成分 利用基因工程和组织培养技术 高效表达和生产天然活性成分 含量低 价钱贵的活性成分的生物生产含量低 价钱贵的活性成分的生物生产 1 1 毛状根培养 毛状根培养 2 2 生物转化 生物转化 6 6 基因工程与绿色无公害药用植物 基因工程与绿色无公害药用植物 1 1 农药残留 农药残留 2 2 重金属污染 重金属污染 7 道地药材的形成机制研究 道地性越明显 种群的基因特化就越明显 对中药区划具有重要意义 三 分子生药学与相关学科的关系三 分子生药学与相关学科的关系 1 分子生物学 2 药用植物学 3 中药资源学 4 生药学或中药鉴定学 第一节 核酸 一 核酸的组成和结构 核酸是储藏和传递遗传信息的物质 任何生物都含有核酸 一 核酸的种类和分布 核酸包括脱氧核糖核酸 DNA 和核糖核酸 RNA DNA是生物体的主要遗传物质 通过复制将遗传信息由亲代传递给子代 RNA是基因表达的初级产物 能将DNA信息翻译为蛋白质 主要存在于细胞质中 少量存在于细 胞核中 包括mRNA tRNA rRNA 线粒体 叶绿体中也有RNA 二 核酸的组成 1 核酸的元素组成 核酸由碳 氢 氧 氮 磷5种元素组成 磷的含量比较稳定 1g磷相当于10 5g核酸 可以用 来估算核酸含量 定磷法 将核酸消化 测定其无机磷量 由此计算出核酸含量 反应灵敏 核苷酸是核苷的戊糖的羟基和磷酸脱水缩合成的磷酸酯 包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸 3 核酸的结构 核酸是许多核苷酸按照一定顺序连接起来的多核苷酸链 每个核苷酸的3 OH和相邻核苷酸的5 磷酸通过3 5 磷酸二酯键相连 线性的多聚核苷酸链一侧末端为5 磷酸基 另一侧为3 羟基 习惯上写为 核苷酸的写法 5 3 2 DNA的双螺旋结构 二级结构 1 主链 由脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成 主链有二条 它们以右手方向盘旋 相 互平行而走向相反形成双螺旋构型 主链处于螺旋的外则 2 碱基对 碱基位于螺旋的 内侧 它们以垂直于螺旋轴的方向通过糖苷键与主链糖基相连 同一平面的碱基在二条主 链间形成碱基对 配对碱基总是A 与T 和G 与C 碱基对以氢键维系 A 与T 间形成两个 氢键 3 大沟和小沟 大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽 3 DNA的三级结构 DNA的双螺旋分子可以进一步盘曲为更复杂的结构 称为三级结构 超螺旋结构 质粒DNA 线粒体DNA 核小体 螺线管 染色单体 线状 是指遗传信息从DNA传递给RNA 再从RNA传递给蛋白质 即完成遗传信息的转录和翻译的过程 也可以从DNA传递给DNA 即完成DNA的复制过程 这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则 在某些病毒中的RNA自我复制 如烟草花叶病毒等 和在某些病毒中能以RNA为模板逆转录 成DNA的过程 某些致癌病毒 是对中心法则的补充 DNA的基本特点就是在细胞分裂前期进行准确的自我复制 使DNA的量成倍增加 是细胞分 裂的基础 是指在是指在是指在DNADNADNA聚合酶的作用下 以一个亲代聚合酶的作用下 以一个亲代聚合酶的作用下 以一个亲代DNADNA DNA分子的两条链为模板 合成两个结分子的两条链为模板 合成两个结分子的两条链为模板 合成两个结 构上完全相同的子代构上完全相同的子代构上完全相同的子代DNADNADNA分子的过程 分子的过程 分子的过程 生物的DNA复制及其相似 只是酶不同 原核生物DNA聚合酶分为 真核生物的DNA聚合酶分为 DNA复制的准确性由RNA聚合酶保证 它的3 5 外切活性可将错误插入的碱基从新合成链 上切除并代之以正确碱基 这个过程称为校正 真核生物的DNA聚合酶分为 类似于原核生物DNA聚合酶 类似于 原核生物DNA聚合酶 类似于原核生物DNA聚合酶 具有引物酶活性 而 则是作 为复制真核生物线粒体内的DNA所需要的酶 1 DNA复制的一般过程 1 复制的起始 包括起始点和引发体的形成 2 链的延长 包括前导链和滞后链的形成和切除RNA引物后填补空缺及连接冈崎片段 3 DNA复制的终止 复制开始时 在解旋酶作用下打开双螺旋 形成单链 然后单链结合蛋白结合到DNA上以防双螺 旋再形成 形成一个复制叉 从打开的起点向一个方向形成 或一个复制泡 从打开的起点向两 个方向形成 开始复制时 在引发酶作用下 在复制起点形成一段短片段的RNA作为引物 开始合成新链 在以3 5 方向的母链为模板时 复制合成出一条5 3 方向的前导链 前导链的前 进方向与复制叉打开方向是一致的 因此前导链的合成是连续进行的 另一条母链DNA是5 3 方向 它作为模板时 复制合成许多条5 3 方向的短链 叫做 滞后链 滞后链的前进方向是与复制叉的打开方向相反的 滞后链只能先以片段的形式合成 这些片段就叫做岗崎片段 Okazaki fragments 最后再将多个岗崎片段连接成一条完整的链 由于前导链的合成是连续进行的 而随从链的合成是不连续进行的 所以从总体上看DNA的复 制是半不连续复制 2 原核生物DNA的复制 复制方式为单起点复制 复制叉向反方向前进 形成过渡的 形式 复制叉最后交汇合并 复制终止 在解链酶作用下 复制起点的局部DNA双链必须打开 然后单链结合蛋白与单链结合 保持不 再形成双链 在聚合酶作用下 复制叉向前移动 造成前方的形成正超螺旋 在拓扑异构酶I 作用下消除超螺旋 然后该酶将缺口末端连接起来 复制完成后 两个环状子代分子产生 拓 扑异构酶II在一个双链上切开一个缺口 两个分子分离 然后将断裂的链连起来 3 真核生物DNA复制 真核生物DNA复制有许多起点 复制叉从每个起点向两个方向前进形成复制泡 最后交汇合并 从一个起点开始复制的DNA称为一个复制子 真核生物染色体是线性DNA 它的两端叫做端区 端区是由重复的寡核苷酸序列构成的 所有生物DNA聚合酶都只能催化DNA从5 3 的方向合成 因此当复制叉到达线性染色体 末端时 前导链可以连续合成到头 而由于滞后链是以一种不连续的形式合成岗崎片段 所以不能完成线性染色体末端的复制 如果这个问题不解决 真核生物在细胞分裂时DNA复 制将产生5 末端隐缩 使DNA缩短 真核生物体内都存在一种特殊的反转录酶叫做端粒酶 它是由蛋白质和RNA两部分组成的 它 以自身的RNA为模板 在滞后链模板DNA的3 末端延长DNA 再以这种延长的DNA为模板 继续 合成滞后链 DNA在正常复制中变短以及在端粒酶作用下变长两个过程 大致平衡 因此染色体总长度保 持基本不变 三 DNA转录 DNA是遗传信息的载体 遗传信息的作用通常由蛋白质的功能来实现 但DNA并非蛋白质合 成的直接模板 合成蛋白质的模板是mRNA 这就需要将DNA转录成mRNA 正常细胞遗传信息 的流向是 DNA mRNA 蛋白质 转录过程是以DNA为模板 由RNA聚合酶催化的RNA的合成过程 在DNA的两条链中只有其中一条链作为模板 这条链叫做模板链 无义链 DNA双链中另一条不作为模板的链叫做编码链 有义链 编码链的序列与转录本RNA的序列相同 只是在编码链上的T在转录本RNA为U 1 原核生物的DNA转录 原核生物的转录分为三个阶段 起始 延伸和终止 RNA聚合酶在转录中起重要作用 大肠杆菌RNA聚合酶 全酶由五个亚基组成 2个 1个 1个 和1个 亚基 2 五个亚基俱全的聚合酶称为全酶 去掉 亚基的部分称为核心酶 RNA聚合酶识别 结合和开始转录的一段DNA序列称为启动子 启动子含有能结合RNA聚合酶的 特定DNA片段 在DNA上开始转录的第一个碱基定为 1 其左侧的核苷酸序列均用正值表示 右侧的核苷酸 序列均用负值表示 在RNA转录起始点上游大约 10bp和 35bp处有两个保守的序列 在 10bp附近 有一组5 TATAAT 的序列 称为Pribnow框 RNA聚合酶就结合在该部位 35bp附近 有一组5 TTGACA 的序列 已被证实与转录起始的辨认有关 是RNA聚合酶中 的 亚基识别并结合的位置 35序列的重要性还在于在很大程度上决定了启动子的强度 不同的启动子里这两个DNA序 列可以不同 由于RNA聚合酶分子很大 大约能覆盖70bp的DNA序列 因此酶分子上的一个适合部位就能 占据从 35到 10序列区域 1 转录的起始 当RNA聚合酶的 亚基发现其识别位点时 全酶就与启动子的 35区序列结合形成一个封闭 的启动子复合体 由于全酶分子较大 其另一端可在到 10区的序列 在某种机制作用下 整个酶分子向 10序列转移并与之牢固结合 10序列及起始位点处发生局部解链 这时的全酶和启动子的复合物称为开放性的启动子复合 体 在RNA聚合酶 亚基催化下形成RNA的第一个磷酸二酸键 第一个核苷酸通常是GTP或ATP 以GTP常见 此时 RNA聚合酶 模板和新生的RNA链组成稳定的酶 DNA RNA三元复合物 该复合物既能在DNA链上移动 又能因新生的RNA链参与而形成三角结合关系 使核心酶继续合 成RNA链 2 RNA链的延长 靠核心酶的催化 在核心酶的催化下 第一个核苷酸 常为GTP 核糖的3 OH与第二个核 苷酸形成磷酸二酯键 聚合进去的核苷酸又有核糖3 OH游离 这样就在模板DNA的指导下 一个接一个地延长下去 因此RNA链的合成方向也是5 3 由于DNA链与合成的RNA链是反平行关系 所以RNA聚合酶是沿着DNA链3 5 方向移动 整个转录过程是由同一个RNA聚合酶来完成的 3 转录的终止 DNA模板上的转录终止信号有两种 不依赖蛋白质的终止 依赖蛋白质的终止 如果遇到GC AT丰富区以后紧接有多个T尾巴 RNA链会在此区域自动互补配对形成发卡结 构 使RNA链很容易从模板上掉下来 称为不依赖于 蛋白的终止 rho 蛋白能水解各种核苷三磷酸 是一种NTP酶 由于催化了NTP的水解 从而使新生 的RNA链从三元转录复合物中解离出来 从而终止转录 2 真核生物的DNA转录 真核生物转录的起始机制 终止机制尚不完全清楚 但是已知转录是由三种RNA聚合酶 催化 1 RNA聚合酶 位于核仁中 负责转录28S 18S和5 8SrRNA基因 2 RNA聚合酶 位于核基质中 转录编码蛋白质的基因 负责核内不匀一RNA hnRNA 和核内小RNA snRNA 的合成 3 RNA聚合酶 位于核基质中 负责合成tRNA和许多核内小RNA 四 RNA的结构和功能 大多数的天然RNA分子是一条单链 但许多区域自身发生回折 使互补碱基结合 构成局部双 螺旋区 不能互补的碱基形成环状突起 RNA包括tRNA rRNA和mRNA 1 tRNA 细胞中含有100多种tRNA 每种tRNA可以结合一种特定的氨基酸 也可识别 mRNA中的一种密码子 在多肽链延长过程中 其携带的氨基酸可被放在正确的位置 2 rRNA 细胞中rRNA含量最高 与蛋白质一起构成核糖体 3 mRNA 是蛋白质合成的模板 在细胞内 mRNA含量很低 但种类非常多 发育不同 时期有不同种类的mRNA 4 其他RNA分子 核内小RNA分子 snRNA 细胞质小RNA scRNA 等 五 mRNA的加工 由RNA酶合成的原初转录产物需要经过一系列的变化 才能转变为成熟RNA分子 这个过程称为 RNA的成熟或转录后加工 原核生物的mRNA往往一产生就是成熟的 不需转录后的修饰加工 真核生物基因的初始转录产物 核内不均一RNA hnRNA 产生于细胞核内 缺乏生物 活性 必须经过剪接加工后成为有活性的成熟mRNA分子 从细胞核转移到细胞质内 指导 蛋白质的合成 1 5 端加帽 真核生物mRNA的加工主要包括5 端加帽和3 端加尾 真核生物mRNA的5 端都有一个甲基鸟苷的帽子 帽0 鸟苷7位甲基化 帽1 第2个核苷酸的核糖第2位甲基化 帽2 第3个核苷酸的核糖第2位甲基化 真核生物的帽子结构的作用 1 翻译起始的必要结构 2 为核糖体对mRNA的识别提供了信号 3 增加mRNA的稳定性 保护mRNA免遭5 外切核酸酶的攻击 2 mRNA3 端多聚核苷酸化 加尾 转录后咋核内在3 端加上多聚腺苷酸尾巴 大多数的真核基因3 端有个AATAA序列 是加尾信号 在此信号下游10 15个碱基处切断磷 酸二酯键 在polyA催化下 在3 端OH上逐一引入100 200个腺嘌呤 功能不清 3 mRNA前体 hnRNA 的拼接 最初转录生产的RNA称为不均一核RNA hnRNA 由内含子和外显子组成 首先在内切酶 作用下 剪切掉内含子 然后在连接酶作用下 把外显子各部分连接在一起 变为成熟的 mRNA 六 mRNA翻译与蛋白质 翻译是核酸语言转变为蛋白质语言的过程 核糖体是制造蛋白质的工厂 翻译可分为起始 延长和终止三阶段 从核糖体上最终释出的多肽链 即使能自行卷曲而具有一定的构象 但还不是具有生物活 性的成熟蛋白质 必须进一步切割或修饰 乃至聚合 才能表现出生理活性 这些蛋白质 的修饰过程 称为翻译后加工 翻译后加工可分为高级结构的修饰 一级结构的修饰和靶向输送三方面 靶向输送是指蛋白质合成后 通过细胞内的跨膜运输定向地到达其执行功能的目标地点 在这个过程中 信号肽序列起到重要作用 一 基因与基因组一 基因与基因组 基因的含义 是指携带有遗传信息的DNA或RNA序列 是控制性状的基本遗传单位 基因通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息 从而控制生物个体的性状表现 一个基因可能同时影响多个性状 而多个基因可以相互合作控制同一性状 基因的基本特性 基因可复制 以保持生物的基本特征 基因决定性状 基因通过转录和翻译决定多肽链的氨基酸顺序 从而决定某种蛋白质的性质 而最终表达 为某一性状 基因虽很稳定 但也会发生突变 突变多数会导致疾病 少数为非致病性突变 非致病突变给自然选择带来了原始材料 使 生物可以在自然选择中被选择出最适合自然的个体 一 基因的结构 原核生物 1 编码区 开放阅读框架open reading frame ORF 能转录为相应的mRNA 进而指 导蛋白质的合成的序列 2 非编码区 编码区之外不能转录为mRNA的序列称为非编码区 包括5 端非翻译区 5 UTR 和3 端非翻译区 3 UTR 这些序列往往具有调控功能 2 真核生物 1 编码区编码区 外显子 内含子 2 前导区前导区 位于编码区上游 相当于RNA的5 端非编码区 3 尾部区尾部区 位于编码区下游 相当于RNA的3 端非编码区 4 调控区调控区 包括启动子和增强子等 1 外显子和内含子 在编码区内能编码蛋白质的序列 外显子 被不能编码蛋白质的序列 内含子 分隔开来 成为一种不连续的形式 这一点是真核细胞基因与原核细胞基因的本质区别 外显子和内含子的关系也并非完全固定不变的 有时同一条DNA链上的某一段DNA序列 当 它作为编码某多肽链的基因时是外显子 而作为编码另一多肽链的基因时 则是内含子 结果是同一基因可以同时转录为两种或两种以上的mRNA 外显子和内含子接头区都有一段高度保守的序列 一般来说 内含子多数以GT开始 以AG 结束 称为GT AG法则 2 侧翼序列 在第一个外显子和最末一个外显子的外侧是一段不被翻译的非编码区 称为侧翼序列 侧翼序列含有基因表达调控序列 对该基因活性具有重要影响 3 启动子 是基因结构中位于编码区上游的一段核苷酸序列 是RNA聚合酶结合位点 能够准确地识别 转录的起始点并开始转录 有调控遗传信息表达的作用 包括 1 TATA框 位于基因转录起始点上游约30 50bp处的TATAATAAT 基本由A T碱基对组 成 决定基因转录的起始 为RNA聚合酶的结合位点之一 RNA聚合酶与TATA框牢固结合之 后才能开始转录 2 CAAT框 是真核生物基因常有的调节区 位于转录起始点上游约80 100bp处的 GGGTCAATCT 可能也是RNA聚合酶的一个结合处 控制着转录起始的频率 3 GC框 有两个拷贝 位于CAAT框的两侧 由GGCGGG组成 是一个转录调节区 有激 活转录的功能 4 增强子 在真核基因转录起始点的上游或下游 一般都有增强子 具有增强转录的作用 增强子可与特异性细胞因子结合而促进转录的进行 增强子通常有组织特异性 因为不同组织的细胞具有不同的特异因子与增强子结合 从而 对基因表达有组织 器官 时间不同的调节作用 5 终止子 在一个基因的末端 非编码区 往往有一段特定核苷酸序列 其特殊的碱基排列顺序能够 阻碍RNA聚合酶的移动 并使其从DNA模板链上脱离下来 从而使转录工作结束 这段终止 信号的顺序称为终止子 终止子是在转录终止点之前的一段回文顺序 约7 20核苷酸对 回文顺序的两个重复部分分别由几个不重复碱基对的不重复节段隔开 在回文顺序的下游 有6 8个A T对 回文顺序的对称轴一般距转录终止点16 24bp 这段终止子转录后形成的RNA具有发夹结构 并具有与A互补的一串U 因为A U之间氢健结 合较弱 因而RNA DNA杂交部分易于拆开 这样对转录物从DNA模板上释放出来是有利的 也可使RNA聚合酶从DNA上解离下来 实现转录的终止 二 基因的种类 1 依据功能划分 1 结构基因 是指某些能决定特定的多肽链 蛋白质 分子结构的基因 结构基因的突变可导致特定蛋白质一级结构的改变或影响蛋白质量的改变 包括外显子 内含子等 2 调控基因 是指某些可调节控制结构基因表达的基因 调控基因的突变可以影响一个或多个结构基因的表达 或导致一个或多个蛋白质表达量的 改变 包括启动子 终止子等 2 依据产物划分 1 编码蛋白质的基因 包括编码结构蛋白的结构基因以及编码作用于结构基因的阻遏蛋白或激活蛋白的调节基因 2 不翻译只转录的基因 rRNA基因 tRNA基因 3 不转录的基因 启动子等 3 其他 重叠基因 同一个DNA序列可以参与编码两个以上的RNA或多肽链 1977年F 桑格在测定噬菌体 174的DNA的全部核苷酸序列时 却意外地发现基因D中包含 着基因E 基因E的第一个密码子从基因D的假基因 已经丧失功能 但是结构还存中央 的一个密码子TAT的中间开始 因此两个部分重叠的基因所编码的两个蛋白质非但大小不等 而且 氨基酸 也不相同 在的DNA 序列 多效基因 一个基因发生突变而使几种看来没有关系的性状同时改变 这个基因就称为 多效基因 等位基因 同源染色体上同一位置 控制相对性状的不同形态的基因 在自然群体中往往有一种占多数的 因此常被视为正常的 等位基因 称为野生型基因 同一座位上的其他等位基因一般都直接或间接地由野生型基因通过突变产生 相对于野生 型基因 称它们为突变型基因 显性基因 控制显性性状发育的基因 在二倍体生物中 杂合状态下能在表型中得到表现的基因 称为显性基因 显性基因常能 形成一种有功能的物质 如酶 而它的隐性等位基因则由于相应的核苷酸发生了突变而 不能产生这种物质 所以在杂合体中只有显性基因能表现出正常的功能 显性 隐性基因 支配隐性性状的基因 在二倍体的生物中 在纯合状态时能在表型上显示出来 但在杂合状态时就不能显示出来 的基因 称为隐性基因 转做基因 转座子 能改变自身座位的一段核苷酸序列 含有一个或几个基因 通过转 座 生物的遗传信息或改变 累加基因 对于同一性状的表型来讲 几个非等位基因中的每一个都只有部分的影响 这样的几个基因称为累加基因 在累加基因中每一个基因只有较小的一部分表型效应 所 以又称为微效基因 相对于微效基因来讲 由单个基因决定某一性状的基因称为主效基因 基因组 生物体的基因组是指一套染色体中的完整的DNA序列 例如 生物个体体细胞的二倍体由两 套染色体组成 其中一套DNA序列就是一个基因组 基因组一词可以指核DNA 核基因组 也指线粒体基因组或叶绿体基因组 当人们说一个有性生殖物种的基因组正在测序时 通常是指测定一套常染色体和两种性染 色体的序列 这样来代表可能的两种性别 对相关物种全部基因组性质的研究通常被称为基因组学 二 基因的突变二 基因的突变 突变 是指遗传物质发生的可遗传的变异 广义分为下列两类 1 染色体畸变 即染色体数目和结构的改变 2 基因突变 基因的核苷酸顺序或数目发生改变 点突变 缺失 插入 重复等 一 基因突变的类型 基因突变一般可分为碱基置换突变 移码突变 整码突变及染色体错误配对和不等交换等 1 碱基置换突变 一个碱基被另一碱基取代而造成的突变称为碱基置换突变 凡是一个嘌呤被另一个嘌呤所取代 或者一个嘧啶被另一个嘧啶所取代的置换称为转换 一个嘌呤被另一个嘧啶所取代或一个嘧啶被另一个嘌呤所替代的置换称为颠换 碱基置换可能会导致组成蛋白质的氨基酸组成的改变而影响蛋白质的功能 也可能不影响 蛋白质的功能 1 同义突变 由于密码子具有兼并性 碱基置换后转录形成的mRNA序列虽然改变 但 翻译后形成的蛋白质的氨基酸不变 GCG的第三位G被A取代而成GCA 则mRNA中相应的密码子CGC就被转录为CGU 但CGC和CGU都 是精氨酸的密码子 翻译成的多肽链没有变化 2 错义突变 碱基置换后改变了mRNA序列 导致蛋白质中一个氨基酸被另一氨基酸所 取代 这种情况称为错义突变 AAA 赖氨酸 的第二密码子A颠换为C时 则AAA 赖氨酸 ACA 苏氨酸 错义突变结果产生异常蛋白质 有些错义突变不影响蛋白质的生物活性 因而不表现出明 显的表型效应 3 无义突变 当碱基置换导致出现终止密码子 UAG UAA UGA 时 多肽链将提前终止合成 所产生的 蛋白质大都失去活性或丧失正常功能 此种突变称为无义突变 4 终止密码突变 当DNA分子中一个终止密码发生突变 成为编码氨基酸的密码子时 多肽链的合成将继续进 行下去 肽链延长直到遇到下一个终止密码子时方停止 因而形成了延长的异常肽链 这 种突变称为终止密码突变 2 移码突变 指DNA链上插入或丢失1个 2个甚至多个碱基 但不是三联体密码子及其倍数 在读码时 由于原来的密码子移位 导致在插入或丢失碱基部位以后的编码都发生了相应改变 移码突变造成的肽链延长或缩短 取决于终止密码子是推后或提前出现 3 整码突变 在DNA链的密码子之间插入或丢失一个或几个密码子 则合成的肽链将增加或减少一个或几 个氨基酸 但插入或丢失部位的前后氨基酸顺序不变 称为整码突变 4 染色体错误配对和不等交换 减数分裂期间 同源染色体间的同源部分发生联会和交换 如果联会时配对不精确 会发 生不等交换 造成一部分基因缺失和部分基因重复 二 基因突变的表现型 1 形态突变 指突变后发生形态可见的变化 2 生化突变 指突变后原有特定的生化功能发生改变或丧失 但在形态上不一定有可见的 变化 如微生物的耐药性变化等 生化突变对于发酵生产具有重大意义 例如 很多氨基酸生产 菌就是一些营养缺陷型的突变菌株 3 致死突变 突变后造成死亡或生活能力下降 致死突变若是隐性基因决定的 二倍体生物能够以杂合子的形式存活下来 一旦形成纯合 子 则发生死亡 4 条件致死突变 突变后在某些条件下可以生存 但在另一些条件下则发生死亡 温度敏感突变型是最典型的条件致死突变型 如有些大肠杆菌突变菌株能在37 下生长 但不能在42 下生长 三 基因突变的后果 1 变异后果轻微 对机体不产生可察觉的效应 从进化观点看 这种突变称为中性突变 2 造成生物体的化学组成发生变化 这样差异一般对生物体无影响 3 可能给个体的繁殖能力和生存带来一定的好处 例如 HbS突变基因杂合子比正常的HbA纯合子更能抗恶性疟疾 有利于个体生存 4 产生遗传易感性 容易产生某种疾病的遗传倾向 5 引起遗传性疾病 导致个体生育能力降低和寿命缩短 这包括基因突变致蛋白质异常的 分子病及遗传酶病 6 致死突变 如造成死胎 自然流产或夭折等的变异 四 基因突变的特点 1 自发性及不对称性 各种性状的突变都可以在没有任何人为诱变因素的作用下自发产生 基因突变的性状与引 起突变的因素之间无直接的对应关系 2 稀有性 自发突变率一般在10 6 10 9之间 3 独立性 互不影响 4 可诱变性 外界因素可提高突变率 5 稳定性 可遗传 6 可逆性 可回复突变 三 基因表达的调控 在正常情况下 一个个体的各类细胞都是按照一定的时空顺序 关闭一些基因 开启另一 些基因 并不断地进行严格的调控 以保证个体的发育得以顺利进行 基因作用的调控机理相当复杂 至今仍知之不多 一 原核生物基因表达的调控 1 转录水平的调控 单细胞的原核生物对环境条件具有高度的适应性 可以迅速调节各种基因的表达水平 以 适应不断变化的环境条件 原核生物主要是在转录水平上调控基因的表达 当需要这种产物时 就大量合成这种mRNA 当不需要这种产物时就抑制这种mRNA的转录 就是让相应的基因不表达 通常所说的基因不表达 并不是说这个基因就完全不转录为mRNA 而是转录的水平很低 维持在一个基础水平 诱导物与蛋白质结合形成激活子复合物 激活子复合物与基因启动子DNA序列结合 激活基 因启动转录 称为正调控 阻遏蛋白分子与基因启动子DNA 序列结合 阻碍RNA 聚合酶的工作 使基因处于关闭状态 称为负调控 举例 乳糖催化酶 调控 抑制作用 抑制作用 调节基因转录出mRNA 合成阻遏蛋白 因缺少乳糖 阻遏蛋白因其构象能够识 别操纵基因并结合到操纵基因上 因此RNA聚合酶就不能与启动基因结合 结构基因也被抑 制 结果结构基因不能转录出mRNA 不能翻译酶蛋白 诱导作用诱导作用 乳糖的存在情况下 乳糖代谢产生别乳糖 alloLactose 别乳糖能和调节 基因产生的阻遏蛋白结合 使阻遏蛋白改变构象 不能在和操纵基因结合 失去阻遏作用 结果RNA聚合酶便与启动基因结合 并使结构基因活化 转录出mRNA 翻译出酶蛋白 2 翻译水平的调控 如果某种蛋白质在细胞中过量积累 他们将与其自身的mRNA结合 阻止这些mRNA进一步翻 译成蛋白质 蛋白质翻译也受反义RNA的调控 反义RNA可与目的基因的5 端UTR片段或启动子互补配对 使mRNA的翻译 二 真核生物的基因调控 真核生物具有精确的发育程序以及大量分化的特殊细胞群 因此它需要更为多样化的调控 机制 远比原核生物复杂 真核生物基因组大 存在同一染色体上不同基因间的调控问题 还存在不同染色体间的调控问题 基因的差别表达是细胞分化和功能的核心 转录和翻译在时空上是不同的 不同生物和细胞可能具有不同的基因表达机制 1 DNA水平的调控 通过DNA的变化来调控的 包括基因的扩增 重排 丢失和移位 2 转录水平的调控 1 看家基因 许多基因编码关键代谢酶或细胞组成成分 这些基因在所有细胞中都处 于活性态 这种组成型表达的基因称为看家基因 2 基因的表达因细胞或组织不同而异 只在某些特定的发育时期或细胞中才高效表达 这类基因的表达调控通常发生在转录水平 通过反式作用因子和顺式作用元件相互作用调控基因表达 顺式作用元件是指DNA分子上对基因表达有调节活性的特定核苷酸序列 按其功能可以分为 启动子 增强子和静止子 反式作用因子指能直接或间接识别各种顺式作用元件并与之结合从而调控基因转录效率的 各种蛋白质分子 不论是启动子还是增强子序列 他们的转录调节功能都是通过与特定的DNA结合蛋白的相互 作用而实现的 顺式作用元件和反式作用因子之间的相互作用 以及蛋白质与蛋白质之间的相互作用 构成了 复杂的基因转录调控系统 有些真核生物基因具有两个或两个以上的启动子 用于在不同细胞中表达 3 转录后调控 通过mRNA前体的选择性拼接产生不同的成熟mRNA 然后翻译成不同的蛋白质 4 翻译水平的调控 翻译水平调节主要是通过改变翻译水平调节主要是通过改变mRNAmRNA稳定性调控基因表达 稳定性调控基因表达 mRNAmRNA稳定性主要取决于稳定性主要取决于3 3 UTR UTR结构结构 1 1 poly A poly A 尾增加尾增加mRNAmRNA稳定性稳定性 2 2 3 UTR3 UTR中中UAUA序列序列 AUUUA AUUUA 导致导致mRNAmRNA不稳定 降低翻译的效率 不稳定 降低翻译的效率 AUUUAAUUUA是是mRNAmRNA快速降解的标快速降解的标 志志 5 翻译后调控 在蛋白质翻译后的加工过程中 还有一系列的调控机制 包括蛋白质折叠 蛋白酶切割 蛋白质的化学修饰等调控基因的表达 第三节 遗传多样性 遗传多样性对物种的形成具有重要作用 因为物种进化能力的维持依赖于遗传多样性 物 种多样性来自于遗传多样性 遗传多样性的研究 对揭示分子进化 地理变异和物种形成提供了依据 对保护药用动植 物生物多样性和濒危药用动植物具有十分重要的意义 遗传多样性是生物多样性的基础和内在形式 广义的遗传多样性是地球上所有物种携带的遗传信息的总和 狭义的遗传多样性指种内不同居群之间和同一居群内不同个体之间的遗传变异的总和 不 仅包括变异水平的高低 也包括变异的分布格局 一 遗传多样性的形成一 遗传多样性的形成 遗传多样性是由于遗传信息在外界或内在的因素作用下 在DNA复制过程中出现差错而导致 的遗传变异遗传变异 这些变异在遗传漂变遗传漂变和自然选择自然选择中得以固定 形成目前物种间或物种内丰富的遗传多样性 遗传多样性是生物多样性的重要组成部分 同一种群不同遗传背景的个体组成了种群内的 遗传多样性 各种群由于遗传漂变 自然选择和其它原因组成了种群间的遗传多样性 遗传漂变 在小种群中 遗传结构更容易发生偶然的变化 基因频率会出现随机增减的现 在小种群中 遗传结构更容易发生偶然的变化 基因频率会出现随机增减的现 象 我们称其为遗传漂变象 我们称其为遗传漂变 自然选择 达尔文把在生存斗争中 适者生存 不适者被淘汰的过程 叫做自然选择 达尔文把在生存斗争中 适者生存 不适者被淘汰的过程 叫做自然选择 遗传变异在遗传漂变和自然选择的作用下 经过长期的自然选择 微小的有利变异得到 积累而成为显著的有利变异 从而产生了遗传多样性 基因流 基因能在种群间的运动 这种现象称为基因流 当一些个体从一个种群迁移到另一个种群时 它们把自身的基因带到新的群体中 使新的 种群的基因组成 基因频率等都产生较大的变化 基因在种群间流动的水平越大 种群就会越均匀或相似 受限制的基因流会促使遗传多样 性的产生 二 遗传多样性的测度二 遗传多样性的测度 遗传多样性的检测可从不同角度和层次来揭示 包括形态标记 细胞标记 生化标记和分子标记 前三种都是基因表达型标记 多态性位 点少 易受环境影响 DNA分子标记反映遗传信息的变化 位点多 不受环境的影响 遗传多样性常用的测度有遗传分化指数 包括基因分化系数 Gsr 和群体间的遗传距离 D Jaccard 系数 杂合度 基因多样度 遗传距离 基因频率和基因型频率等 这些 指数可通过各种分析软件获得 第四节第四节 物种的形成物种的形成 中药真伪鉴定实际是物种鉴定 在生药学研究所涉及的基础理论中首先是有关各级分类群的概念 其中物种不仅是基本的 分类单位 也是生物繁殖单元和进化单元 当然也是中药使用的基本单位 生物学家可以从基因到群落各个不同层次上研究药用植物亲缘进化关系 但都离不开与物 种打交道 但是 对 种 的概念一直存在争议 在生物学中 再没有像物种概念那样能引起人们的争议 因此 在研究药用植物亲缘 和进化关系时 有必要对有关物种的形成以及概念和观点加以归纳 一 物种的概念一 物种的概念 物种形态的千变万化决定了人类对物种本质认识的分歧 这种分歧必然带来分类上的不一 致甚至混乱 20世纪初 分类学家愈来愈感到需要寻找更好 更客观的方法来替代形态分类以确定物种 和亲缘关系 实验方法被应用于分类学 细胞学 生态学 遗传学 杂交 移栽等技术都用于分类研究 20世纪40年代 提出了 实验分类学 的概念以及用生物型 生态型 生态种 近群种 能配种等术语来描述分类实体 这些分类方法和方案 打破了传统的物种间的界限 促进了物种的划分和进化关系的研究 这种实验分类学的发展到了利用DNA差异的分类研究 物种并不是由个体直接组成 而是个体在时空中有规律地组成居群 再由居群有规律地组 成物种 物种是由一个或若干个甚至许多个多少间断的居群所组成 要较好地认识与分类处理各个物种 就应当尽力去研究这些居群系统 目前 在生物学界已基本造成这样一个共识 即 物种在自然界存在的基本形式是居群 而不是个体 物种经历居群内变异 地方宗的分化 地理宗的分化 最后达到种的分化这四个阶段 居群才是进化的基本单元 是研究物种形成的最重要单位 个体变异只有达到居群变异的 程度才会在自然选择中有重要意义 1 1 形态学种概念 形态学种概念 依赖形态特征判断定种 依赖形态特征判断定种 形态学种是分类和鉴定实践中的一个有用的单位 也是国际上公认的动 植物分类中最基形态学种是分类和鉴定实践中的一个有用的单位 也是国际上公认的动 植物分类中最基 本的单位 这种凭视力能辨认的物种概念具有较强的直观效果 应用方便 满足了多种用本的单位 这种凭视力能辨认的物种概念具有较强的直观效果 应用方便 满足了多种用 途分类的需要 途分类的需要 强调形态间断和性状的相关差异 所谓间断 就是指没有过渡类型强调形态间断和性状的相关差异 所谓间断 就是指没有过渡类型 但不能绝对化但不能绝对化 所谓 所谓 相关差异 就是指两个至多个性状的差异 其间彼此关联 相关差异 就是指两个至多个性状的差异 其间彼此关联 2 2 生物学种概念 生物学种概念 以居群之间的生殖隔离为基础判定的种 以居群之间的生殖隔离为基础判定的种 强调种内在生殖遗传上的连续性和相通性 即存在着基因交流 而不止形态上的相似性 强调种内在生殖遗传上的连续性和相通性 即存在着基因交流 而不止形态上的相似性 对高等植物中普遍存在种间杂交这一事实 严格按生殖隔离标准来分种对植物分种并不合 适 3 3 系统发育种概念 系统发育种概念 寻求最小的分类群作为分析系统关系的顶端类群 并赋予种的等级称为系统发育种 寻求最小的分类群作为分析系统关系的顶端类群 并赋予种的等级称为系统发育种 一条传代线在两次分裂之间的一段 不管其形态上有无变异 即可以为种 或者也可说 一条传代线在两次分裂之间的一段 不管其形态上有无变异 即可以为种 或者也可说 一个母种分裂出一个子种 即使两者在形态上没有区别 也应该认为是两个种 一个母种分裂出一个子种 即使两者在形态上没有区别 也应该认为是两个种 二 物种的形成 物种的形成是指物种的分化产生 广义的物种形成概念包括 物种起源 指世界上第一个物种的形成 是物种从无到有的事件 加性物种形成 指物种分裂事件 老种分裂灭绝 同时形成一个或多个分种 这实际上 是新种形成或新种起源 减性物种形成 指简单的绝对的灭绝 老种消亡但未有新种产生 通常情况下所说的物种形成实际上是指新种形成 物种的形成的主要方式 1 渐变式渐变式 在一个相当长的时间内 旧的物种逐渐演变成为新的物种 2 爆发式 爆发式 在短时期内以从一个物种变成另一物种 它在高等植物 特别是种子植 物的形成过程中 是一种比较普遍的形式 1 1 渐变式物种形成 渐变式物种形成 渐变式物种形成是通过突变 选择和隔离等过程 逐渐累积变异造成生殖隔离而成为新种 渐变式物种形成又可分为两种方式 即继承式和分化式 1 继承式物种形成 指一个物种可以通过逐渐积累变异的方式 经历悠久的地质年代 由一系列的中间类型 过渡到新的种 2 分化式物种形成 指一个物种的两个或两个以上的居群由于地理隔离或生态隔离 而逐渐分化成两个或两个 以上的新种 需要经过亚种的阶段 如地理亚种或生态亚种 然后才变成不同的新种 异域式物种形成 祖先种的原始分布区是连续的 如果由于不可抗拒的外界原因 原有分布区被分割成数块 相互间距 不允许花粉和种子 繁殖体 传送 1 被隔离的种群虽有越来越明显的差别 但终究没有超出种的界限 若有机会相遇仍可 正常杂交 没有产生新种 2 被隔离的种群隔离时间长 分化趋向不同 积累到一定程度便产生彼此不能正常杂交 的效果 成为亲缘关系很近的不同种 同域式物种形成 在非地理隔离状态下 多倍体的出现可以导致新种就地形成 约70 的被子植物进化史上都曾经历过多倍化 多倍体的形成使植物产生了形态上的分化 并使植物有可能获得新的基因亦或是新的生理学性状 这些改变可以使得多倍体植物的竞 争能力或是生态耐受性较二倍体祖先所加强 新的适应性以及染色体结构的变化而可能形成的生殖隔离 使它们和原有类型日趋岐化 最后导致新种的问世 并非所有经历过多倍化的种类都表现多倍体特征 常表现二倍体特征 因为在多倍化事件之后 常常伴随有一个广泛的 迅速的二倍化过程 赋予多倍体基因组 新的细胞遗传学特性 使之在核型特征以及基因表达水平和式样等方面表现与二倍体相似 的特点 同域式物种形成的机制 三倍体桥理论 一个未减数的配子与一个经过正常减数分裂的配子融合而形成三倍体 2n n 3n 产生的 三倍体由于不能正常进行减数分裂 有可能产生未减数的配子 当其与进行正常减数分裂 的二倍体回交时 则形成了四倍体合子 3n n 4n 2 2 爆发式物种形成 爆发式物种形成 爆发式物种形成是指不需要悠久的演变历史 在较短时间内形成新物种的方式 这种形式一般不通过亚种阶段 而是通过染色体数目或结构的变异 远缘杂交 大的基因 突变等 在自然选择的作用下形成新物种 系统演化就是指对生物多样性和生物演化历史进行研究的学科 植物系统学就是对不同的植物进行描述 命名和分类 在此基础上对其自然演化关系进行 研究的学科 它包括 1 分类系统的研究 2 构建分类系统的方法学研究 植物分子系统学是通过分子数据对不同的植物进行描述 命名和分类 在此基础上对其自 然演化关系进行研究的学科 药用植物分子系统研究是植物分子系统研究的重要组成部分 研究对象是药用植物丰富的 类群 通常以属 种为主 蕨类植物门 蕨类植物门 石松科 石松科 裸子植物门 裸子植物门 麻黄科麻黄科 被子植物门 被子植物门 双子叶植物纲 双子叶植物纲 离瓣花亚纲 三白草科 金粟兰科 桑寄生科 列当科 小檗科 堇菜科 豆科 蔷薇科 离瓣花亚纲 三白草科 金粟兰科 桑寄生科 列当科 小檗科 堇菜科 豆科 蔷薇科 景天科景天科 合瓣花亚纲 报春花科 马鞭草科 唇形科 菊科合瓣花亚纲 报春花科 马鞭草科 唇形科 菊科 单子叶植物纲 单子叶植物纲 车前科车前科 第一节 药用植物系统学的研究概况 系统学是指对生物多样性和生物演化历史进行研究的学科 植物系统学就是对不同的植物进行描述 命名和分类 在此基础上对其自然演化关系 进行研究的学科 它包括 1 分类系统的研究 2 构建分类系统的方法学研究 植物分子系统学是通过分子数据对不同的植物进行描述 命名和分类 在此基础上对 其自然演化关系进行研究的学科 药用植物分子系统研究是植物分子系统研究的重要组成部分 研究对象是药用植物丰 富的类群 通常以属 种为主 一 植物系统学的发展阶段 一 人为分类系统时期 根据经济价值 植物形态 生长环境等 1 个或少数几个特征进行分类 中国 药物特性分类 瑞典 林奈的性系统 二 自然分类系统时期 系统发育分类 根据各种证据 形态 解剖 孢粉 染色体 化学成分 DNA 等 描述植物类群间的 差异 研究系统演化 根据亲缘关系进行分类 利用 DNA 差异研究系统演化 根据 DNA 差异重新构建的系统树进行的分类称为植物分 子系统分类 APG angiosperm phylogeny group 系统是目前最有影响的分子系统 分类 二 植物系统学的研究方法 最早的植物系统学研究方法是以植物的形态特征 特别是花和果实的形态为主要分类 依据 在此基础上 植物学家建立了许多分类系统 系统发育分类是通过演化关系建立分类系统 由于花的化石难于找到 很难阐明植物 演化历史 因此使通过形态比较推测演化关系 建立植物自然分类系统存在争议 目 前已经建立了恩格勒系统 哈钦松系统 塔赫他间系统 克朗奎斯特系统等 新方法在植物系统学研究中的应用 不断促进植物分类系统更加趋于合理 更加趋向 于客观实际 1 形态分类法 2 解剖分类法 3 胚胎分类法 4 细胞分类法 5 化学分类法 6 数值分类法 7 分支分类学 8 分子系统学 分支分类学又叫系统分类学 cladistics 是由德国昆虫学家 W Henning 创立 它是 通过对性状的同源分析 获得关于性状在进化中起源和传递途径顺序的资料 并据以 得出反映这种进化顺序的分枝图 单系类群的确定是分支分类学的主要任务之一 分子系统学是利用分子生物学的各种实验手段 获取各类分子性状 通过分支系统学 方法以探讨生物的分类 类群之间的系统发育关系以及进化的过程和机制 分类群的界线分类群的界线 依单系群概念界定分类群 在科级的分类时 依单系群概念 许多小科势必被独立出来 而不是在传统的大科之 中 其他等级类推 第二节 药用植物分子系统学的理论基础 特征是指完整的生物体中任何有关形态 构造 生理 生化或对环境因子所产生反应 行为的表现 特征的差异归根结底应追溯到基因型的差异 即在 DN