分子生物学 课件

1、Molecular Biology1.1 1.1 二十世纪生命二十世纪生命科学的回顾科学的回顾数、数、理、化相关学科理、化相关学科生物学实验技术生物学实验技术渗透渗透 交叉交叉近代生物学近代生物学生物学生物学个性个性共性共性宏观生物学宏观生物学（生态学为核心）（生态学为核心）微观生物学微观生物学（分子生物学为核心）（分子生物学为核心）细胞水平细胞水平分子水平分子水平结构生物学，发育生物学，结构生物学，发育生物学，神经生物学等新兴学科发展神经生物学等新兴学科发展生物多样性生物多样性研究研究资源保护与资源保护与利用利用人类生态环境的保护人类生态环境的保护工农业生产持续发展工农业生产持续发展分子生物

2、学分子生物学分子结构生物学分子结构生物学分子发育生物学分子发育生物学分子神经生物学分子神经生物学分子育种学分子育种学分子肿瘤学分子肿瘤学分子细胞生物学分子细胞生物学分子免疫学分子免疫学分子病毒学分子病毒学分子生理学分子生理学分子考古学分子考古学分子遗传学分子遗传学分子数量遗传学分子数量遗传学分子生态学分子生态学分子进化学分子进化学.分子生物学的延伸分子生物学的延伸21世纪生命科学发展的重要态势世纪生命科学发展的重要态势 对生命现象的认识从单基因对生命现象的认识从单基因 水平向全基因组整体水平发展水平向全基因组整体水平发展 现代生命科学研究的理论与现代生命科学研究的理论与技术从较长期的积累走向应

3、用技术从较长期的积累走向应用 Define in broadly:understand biological phenomena in molecular terms (difficult to distinguish from biochemistry)Define in restrictively: study of gene structure and their activities in molecular level1.2 1.2 分子生物学的概念分子生物学的概念Gene concept Gene structureGene replication Gene expression

4、Gene recombinationGene mutationMolecular Biology of GeneWhat is the gene? Basic property Replication Expression Mutation DNA Double Helix DNA Double Helix modelmodel1952 1952 J .Watson and F. CrickJ .Watson and F. Crick 分子生物学诞生分子生物学诞生CrickCrick：.我本人的思想是基于两个基本原理，我 称之为 序列假说（sequence hypothesis） 和中心法则（

5、central dogma )Sequence hypothesis ： 核酸片段的特异性完全由其碱基序列所决定， 且这种序列是某一蛋白质氨基酸序列的密码.Central dogma ： 信息一旦进入蛋白质，它就不可能再输出.l 构成生物大分子的单体相同构成生物大分子的单体相同l 生物遗传信息的表达的中心法则相同生物遗传信息的表达的中心法则相同DNARNApolypeptidesproteincharacter高级结构高级结构生物大分子之间的互作生物大分子之间的互作个性个性核酸语言核酸语言(Nt(Nt) ) 蛋白质语言蛋白质语言(aa(aa) )生物大分子单体的排列（核苷酸，氨基酸）生物大分子

6、单体的排列（核苷酸，氨基酸）分子生物学研究领域共同遵循的三大原则分子生物学研究领域共同遵循的三大原则结构生物学结构生物学基因分子生物学基因分子生物学生物技术理论生物技术理论与应用与应用分子生物学研究的三大主要领域分子生物学研究的三大主要领域生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能生物大分子之间的互作生物大分子之间的互作 DNAprotein DNAprotein Hormone-receptor Hormone-receptor Enzyme-substrate Enzyme-substrate基因的概念基因的概念基因的结构基因的结构基因的复制基因的复制基因的表达基因的表达基因的重组基因的

7、重组基因的突变基因的突变基因工程基因工程细胞工程细胞工程酶工程酶工程发酵工程发酵工程蛋白质工程蛋白质工程狭义的分子生物学狭义的分子生物学 分子生物学的三大支持学科分子生物学的三大支持学科l 细胞生物学细胞生物学l 遗遗 传传 学学l 生物化学生物化学1839-18471839-1847年年 Matthias SchleidenMatthias Schleiden & Theodor Schwann & Theodor Schwann细胞的化学组成，细胞器的结构，细胞骨架，生物细胞的化学组成，细胞器的结构，细胞骨架，生物大分子在细胞中的定位及功能，细胞的信号传导等大分子在细胞中的

8、定位及功能，细胞的信号传导等 生物体由细胞组成生物体由细胞组成 所有组织的最基本单元所有组织的最基本单元-形状相似，高度分化的细胞形状相似，高度分化的细胞 细胞的发生与形成是生物界普遍和永久的规律细胞的发生与形成是生物界普遍和永久的规律Molecular Cell biologyCytologyGregor Mendel1864 年年 GeneticsMolecular GeneticsGene structure Gene duplication Gene expression Gene recombination Gene mutation 遗传因子假说遗传因子假说GeneticsNucl

9、eic Acid ChemistryProtein Chemistry(1936年年 James Sumner ) Nobel Prize in Chemistry 1946Enzymatic nature of crystalline ProteinEnzymatic nature of crystalline ProteinWhat genes are & How they act?分子生物学分子生物学：从分子水平理解生命活动：从分子水平理解生命活动细胞生物学细胞生物学：从细胞水平理解生命活动：从细胞水平理解生命活动遗传学遗传学： 从遗传角度理解生命活动从遗传角度理解生命活动 生物

10、化学生物化学：从化学组成角度来理解生物大：从化学组成角度来理解生物大 分子和生物代谢。分子和生物代谢。普通生物学普通生物学（动物（动物& &植物）植物）& & 微生物学：微生物学： 不同生物类型的特点不同生物类型的特点分子生物学分子生物学：从分子水平理解生命活动，主要指遗传信息的传递（复制）、保持（损伤和修复）、基因的表达（转录和翻译）与调控。强调以上各种生命活动（Biochemical processes）：1是什么（what，生物学重要性和具体过程），2所涉及的生物大分子（DNA、RNA、蛋白质) 是如何相互作用使之发生的（how）。分子生物学分子生物学：注

11、重生物体在分子水平上的一些特征和现象。分子遗传学分子遗传学：侧重的是从分子水平对生物遗传规律和遗传现象的研究。1.3 1.3 分子生物学分子生物学的发展历程的发展历程Nobel medal Half a pound of 23-karal gold. 2.5 inches across 近半个世纪以来近半个世纪以来 医学，化学中重大突破与成就者医学，化学中重大突破与成就者 Nobel Prize分子生物学发展的分子生物学发展的里程碑与主要内容里程碑与主要内容 for his discoveries concerning the role played by the Chromosome in

12、heredity , demonstrated that genes are on the chromosomeThomas Hunt Morganin Physiology or Medicine 1933 Nobel Prize for his discovery that enzymes can be crystallizedfor their preparation of enzymes and virus proteins in a pure form James Batcheller Sumner John Howard Northrop Wendell Meredith Stan

13、ley Cornell University Rockefeller Institute USA Rockefeller Institute USA 1887 - 19551891 - 19871904 - 1971The Nobel Prize in Chemistry 19461958 J. LederbergJ. Lederberg (33y)Phage transductionThe Nobel Prize in Chemistry 1958for his work on the structure of proteins, especially that of insulinFred

14、erick Sanger Cambridge University 1918 - G. Beadle & E. Tatum G. Beadle & E. Tatum One gene-one enzymeSeveroSevero Ochoa (54y) Ochoa (54y)SpainRich phosphate bonds of ATP - EnergyArthur Kornberg (41y) Arthur Kornberg (41y) DNA replicationIsolation of DNA polymerase IBrooklyn1959分子生物学的重要里程碑分子

15、生物学的重要里程碑1951. James Watson （Luria的第一个研究生的第一个研究生 23y)丹麦丹麦 哥本哈根哥本哈根 Kalckar Lab.Post-DoFrancis Crick (35y)Francis Crick (35y)剑桥大学剑桥大学 Cavendish Lab. Kings Lab. London Univ. M. H. F. Wilkins & Rosalind Frankin Xray photograph of DNA with high Xray photograph of DNA with high qualityquality (核糖与磷酸连

16、接成的扭曲绳子，每一节上都有配对的碱基)1951. Kings Lab. London University UKJames Watson (34y)James Watson (34y)Francis Crick (46y)Francis Crick (46y)Maurice Wilkins (46y)Maurice Wilkins (46y)DNA Double Helix model 19531962 Francois Jacob Francois Jacob (44y)Jacques MonodJacques Monod (55y) (French)Lac. Operon Theory1

17、965Concept of mRNA1968R. Holley H.G. Khorana M. Nirenberg R. Holley H.G. Khorana M. Nirenberg H. Gobind Khorana(46y)How to synthesize triplet RNAMarshall Nirenberg(41y)Genetic codenRobert Holley(46y)tRNAphe cloverleaf structure1969Max Delbruck (63y)Max Delbruck (63y)Alfred Hershey (61y)Alfred Hershe

18、y (61y)Phage groupPhage infection cycleDNA as genetic materialM. DelbruckM. Delbruck A. Hershey A. Hershey1975. Howard Temin Howard Temin (41y)David Baltimore David Baltimore (37y)Reverse transcription（引发癌症的内因）（引发癌症的内因） The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1978for the discovery of restriction e

19、nzymes and their application to problems of molecular geneticsWerner Arber Daniel Nathans Hamilton O. Smith Switzerland Biozentrum der Universitt Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, USA Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, USA 1929 - 1928 - 19991931 - The Nobel P

20、rize in Chemistry 1980Walter Gilbert Biological Laboratories Cambridge, MA, 1932 - for their contributions concerning the determination of base sequences in nucleic acidsFrederick Sanger MRC Laboratory of Molecular Biology Cambridge, Great Britain 1918 - The Nobel Prize in Chemistry 1980for his fund

21、amental studies of the biochemistry of nucleic acids, with particular regard to recombinant-DNAPaul Berg Stanford University 1926 - 基因工程诞生基因工程诞生1983. Barbara McClintockBarbara McClintock (86y)DNA transposable elementThe Nobel Prize in Chemistry 1989for their discovery of catalytic properties of RNA

22、RibozymeSidney Altman Thomas R. Cech Yale University New Haven, CT, USA University of Colorado Boulder, CO, USA 1939 - 1947 -The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1993 “for their discovery of split genes In 1978”Richard J. Roberts Phillip A. SharpThe Nobel Prize in Chemistry 1993for his inventio

23、n of the polymerase chain reaction (PCR) methodKary B. Mullis 1944 - discovered Genetic control of early development in DrosophilaEdward B. LewisChristiane Nsslein-VolhardEric F. Wieschaus The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1995Stanley B. Prusiner University of California,School of Medicine U

24、SA 1942 - for his discovery of Prions - a new biological principle of infectionThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 1997discovered key regulators of the cell cycleLeland H. Hartwell R. Timothy(Tim) Hunt Sir Paul M. NurseThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 2001 Programmed Cell Death (PCD)

25、and development2002 Nobel Prize John Sulston USA Sydney Brenner Japan 田中田中 耕一耕一 H. Robert Horvitz Switzerland 1.4 21世纪生物学世纪生物学 的新热点及领域的新热点及领域生物大分子的高级三维结构与功能的统一生物大分子的高级三维结构与功能的统一 生物大分子之间的互作生物大分子之间的互作 基因的社会学基因的社会学 (Nature (Nature 杂志增设杂志增设 Natural developing biologyNatural developing biology分册分册) )基因表达，基因互作基因表达，基因互作 器官发生器官发生胚胎形成胚胎形成个体发育个体发育 结构生物学结构生物学（Structural Biology