现代生物学导论课件

構造生物體的基本元件一、生物小分子與生物大分子的關係二、生物小分子簡介三、生物大分子的形成四、生物大分子的高級結構—從生物小分子到生物大分子一、生物小分子和生物大分子的關係

（本節見參考書第22-47頁）

小分子大分子複合大分子

單糖多糖糖蛋白

氨基酸蛋白質糖脂核苷酸核酸脂蛋白脂類（由小分子到大分子）返回合成大分子（聚合）大分子分解（水解）二、生物小分子簡介

（本節見參考書第22-37頁）1、水

地球上生命起源於水中，陸生生物體內細胞也生活在水環境中

水的性質影響生命活動，如：溶解性質，酸鹼度，pH

水占生物體的60％以上的重量水對生物體非常重要水影響生命活動的例子：

△

肺泡在水環境中保證O2和CO2的交換△

肺泡中存在一種表面活性蛋白破壞水的表面張力，使肺泡脹開

△

水分子間氫鍵造成水的表面張力，可使肺泡癟塌2、氨基酸

氨基酸是同時具有α－氨基和α－羧基的小分子

參與蛋白合成的共有20種天然氨基酸（氨基酸通式）（20種天然氨基酸）返回（1）α－碳原子

（2）具有

α－氨基

和α－羧基

是各種氨基

酸的共性

（3）各種氨基

酸的區別在

側鏈基團—R返回

根據側鏈結構和性質，可把20種氨基酸分成不同的組：

疏水氨基酸：亮氨酸親水氨基酸：絲氨酸酸性氨基酸：天冬氨酸鹼性氨基酸：精氨酸含硫氨基酸：半胱氨酸含羥基氨基酸：蘇氨酸

帶環氨基酸：酪氨酸20種天然氨基酸除甘氨酸外，都帶一個不對稱碳原子—α碳原子，都有光學異構體（鏡映體）。

已知19種天然氨基酸均為L－型氨基酸。氨基酸的功能：（1）作為組建蛋白質的元件（2）有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代謝調節、信號傳遞等）3、單糖——

多羥基醛或多羥基酮稱為糖。以葡萄糖為例，葡萄糖是六碳糖單糖的生物功能：A、作為多糖的組成元件B、作為燃料C、組成寡糖參與細胞信號傳遞（葡萄糖結構式）重要單糖（葡萄糖結構式）天然單糖大多數是

D-型糖吡喃型C1上羥基位置不同出現α-，β-兩種構型（1）C2----C5均為不對稱碳原子。六碳糖有16種同分異構體。（2）天然單糖在C5位上羥基有固定結構方向，天然單糖大多數是D-型糖。（3）在水溶液中葡萄糖在C1---C5之間脫水通過

氧橋相聯成環狀－吡喃型（4）各個C上羥基位於環上或環下（5）C1上羥基位置不同出現α-，β-兩種構型返回返回返回4、核苷酸核苷酸分子由三個部分組成：堿基：嘧啶、嘌呤五碳糖：核糖或去氧核糖磷酸核苷酸堿基返回返回

(1)

堿基—糖之間是β—糖苷鍵

(2)糖—磷酸之間是磷酸酯鍵返回參加大分子核酸組成的共有8種核苷酸

DNA水解液中RNA水解液中腺去氧核苷酸（dAMP）腺苷酸（AMP）鳥去氧核苷酸（dGMP）鳥苷酸（GMP）胞去氧核苷酸（dCMP）胞苷酸（CMP）胸腺去氧核苷酸（dTMP）尿苷酸（UMP）另外還有一些重要的具有生物活性的核苷酸

具有生物活性的核苷酸返回cAMP,cGMP參與細胞信號傳遞

ATP參與能量代謝5、脂類脂類是指生物體內不溶於水而溶於有機溶劑的各種小分子。葡萄糖－－－水溶性的油脂－－－脂溶性的脂類種類很多，分子結構相差較大

A、油脂：甘油三脂

B、磷脂和鞘脂

C、固醇返回甘油三酯分子結構磷脂分子結構返回（1）

磷脂分子可以看成是一個極性頭，兩條非極性尾巴。（2）

鞘脂分子和磷脂不同。但總體看來，也可看成一個極性頭，兩條非極性尾巴。返回（1）

固醇類的內核由4個環組成（2）

一些人體重要維生素和激素是固醇（3）膽固醇是細胞的必要成份（4）血清中的膽固醇太多會促使形成動脈硬化和心腦血管疾病三、生物大分子的形成

（本節見參考書第37-47頁）

生物大分子主要有三大類：蛋白質、核酸、多糖它們都是由生物小分子單體通過特有的共價鍵聯結而成。1、氨基酸通過肽鍵聯成肽鏈

寡肽：含有10左右氨基酸殘基（如二肽、五肽、八肽）多肽：含10－20個氨基酸殘基蛋白質：含幾十個氨基酸殘基注意：肽鏈有方向性，氨基端（N端），羧基端（C端）返回

一個氨基酸的羧基和另一個氨基酸的氨基脫水縮合形成肽鍵返回一條肽鏈的兩端有不同結構和性質：一端的氨基酸殘基帶有游離氨基，稱氨基端；另一端的氨基酸殘基帶有游離羧基，稱羧基端。2、單糖通過糖苷鍵聯成多糖鏈（1）貳糖對貳糖結構的瞭解包括弄清楚：

單糖基成份

α－還是β－糖苷鍵取代位置

麥芽糖

返回麥芽糖的結構

（3）注意：多糖鏈也有方向性，有還原端和非還原端（2）澱粉和纖維素都由葡萄糖組成，它們之間主要區別在於α－糖苷鍵和β－糖苷鍵的區別返回糖原澱粉纖維素

一條多糖鏈的兩端有不同結構和性質：一端的糖基有游離的半縮醛羥基，稱還原端；另一端的糖基沒有游離的半縮醛羥基，稱非還原端。返回3、核苷酸通過磷酸二酯鍵聯成核酸（1）核酸鏈也有方向性（2）DNA和RNA在組成成份上有差別

DNA

RNA

去氧核糖核糖有胸腺嘧啶，有尿嘧啶，無尿嘧啶無胸腺嘧啶

返回

一端的核苷酸，其5－C沒有進入磷酸二酯鍵，稱5’

末端；另一端的核苷酸，其3－C沒有進入磷酸二酯鍵，稱3’

末端。四、生物大分子的高級結構

（本節見參考書第37-47頁）1、蛋白質的高級結構

蛋白質的一級結構是指肽鏈中氨基酸的排列順序蛋白質的二級結構是指鄰近幾個氨基酸形成的一定的結構形狀。

如：α－螺旋和β－折疊

由生物小分子到生物大分子，分子增大，出現新的性質。其中最主要的特點是：生物大分子有獨特的立體結構、空間構型和分子整體形狀。返回返回一級結構二級結構三級結構四級結構α－螺旋β－折疊

蛋白質的四級結構是指各條肽鏈之間的位置和結構。所以，四級結構只存在於由兩條肽鏈以上組成的蛋白質。

蛋白質的三級結構是指整條肽鏈盤繞折疊形成一定的空間結構形狀。如纖維蛋白和球狀蛋白。圖血紅蛋白質的三級結構和四級結構返回2、維持生物大分子高級結構的重要因素－－非共價鍵C＝O

H－O

C－N

HC－O

H3N－

氫鍵鹽鍵—+O返回非共價鍵的鍵強度很小，所以A、需要多個非共價鍵才足以維持高級結構的穩定；B、高級結構不很穩定。生物大分子變

性就是因為高級結構破壞，大分子性質改變，生物活性喪失。但是，

一級結構尚未破壞。

注意：雙硫鍵也在維持蛋白質高級結構中起重要作用。RNase的變性和複性蛋白質變性使高級結構破壞變性後的蛋白質分子還能複性返回3、核酸的高級結構（1）DNA雙螺旋A、兩條反向平行的核苷酸鏈共同盤繞形成雙螺旋，糖－磷酸－糖構成螺旋主鏈B、兩條鏈的堿基都位於中間，堿基平面與螺旋軸垂直返回C、兩條鏈對應堿基呈配對關係

A＝TG≡CD、螺旋直徑20A，螺距34A，每一螺距中含10bp

DNA雙螺旋可以看作是DNA的二級結構，DNA的三級結構的形成需要蛋白質幫助。

（2）RNA為單鏈盤繞，局部形成堿基配對。例如：轉運RNA（tRNA）的三葉草結構返回轉運RNA（tRNA）的三葉草結構4、多糖鏈的高級結構

不同高級結構帶來不同的生物學性能澱粉形成螺旋狀能源貯存

纖維素呈長纖維狀結構支架返回澱粉糖元纖維素再見！

生物的新陳代謝

一、酶是生物催化劑二、生命世界的能量源泉是太陽能三、生物體主要從有機分子的氧化

取得能量四、生物體內有一個複雜的代謝網路

生命活動的原動力在於生物體內一刻不停的新陳代謝。通過新陳代謝不斷把太陽能或食物中貯存的能量，轉化為可供生命活動利用的能量，不斷製造出各種大、小分子以供生命活動所需要。體內的新陳代謝過程又都是在生物催化劑----酶的催化下進行的。

這一講先介紹酶的性質，然後著重介紹生命活動所需的能量，從何而來。至於新陳代謝中產生的大、小生物分子，種類甚多，這裏僅介紹蛋白質大分子是如何合成的。

返回一、酶是生物催化劑

（本节见参考书第58-61頁）1、酶的催化特點

催化劑可以加快化學反應的速度，酶是生物催化劑，它的突出優點是：

催化效率高、專一性質、可以調節。

先看看催化效率高

用簡單的實驗證明酶的催化效率：返回2H2O22

H2O+O2鐵屑肝糜肝糜（煮）

2、酶的化學本質是蛋白質

有的酶僅僅由蛋白質組成，如：核糖核酸酶有的酶除了主要由蛋白質組成外，還有一些金屬離子或小分子參與。這些金屬離子或小分子是酶活性所必須的，稱為輔酶/輔基或輔助因數。牛胰核糖核酸酶（RNase）返回

如：羧基肽酶以二價鋅離子（Zn2+）為輔助因數又如：過氧化氫酶以鐵卟啉環為輔助因數返回（黃色圓球是Zn2+）羧基肽酶下圖鐵卟啉輔基下圖肌紅蛋白返回血紅蛋白3、酶催化作用的機理是降低活化能催化劑只能催化原來可以進行的反應，加快其反應速度。即使對可以進行的反應來說，反應物分子應越過一個活化能才能發生反應。酶作為催化劑的作用是降低活化能。

返回酶的催化機理是降低活化能酶是如何降低活化能的呢?

首先需要酶與底物分子結合，酶蛋白結構中有底物結合中心/活性中心。然後，酶蛋白分子以各種方式，作用於底物分子，使底物分子活化起來。酶與底物的專一結合，又是酶促反應專一性的體現。返回底物分子結合在酶的底物結合中心返回使底物靠近使底物分子產生應力使底物分子電荷變化4、酶的活性可以調控

在代謝途徑中調節酶活性幾個酶或十幾個酶前後配合，完成一系列代謝反應，形成一條代謝途徑。在一條代謝途徑中，常常是前一個酶促反應的底物，便是下一個酶促反應的底物。

一條代謝途徑的終產物，有時可與該代謝途徑的第一步反應的酶相結合，結合的結果使這個酶活性下降，從而使整條代謝途徑的反應速度慢起來。這種情況稱為“回饋抑制”。值得注意的是，發生回饋抑制時，代謝終產物與酶結合時，是非共價結合，是可逆的。返回第一個酶（有活性）第一個酶（無活性）終產物終產物（調節物）結合在調節中心

共價調節

有時候，酶蛋白分子可以和一個基團形成共價結合，結合的結果，使酶蛋白分子結構發生改變，使酶活性發生改變。例如，與磷酸根的結合。這種調節酶活性的情況稱為酶的共價調節。返回糖元磷酸化酶有磷酸化位點

競爭性抑制

有的酶在遇到一些化學結構與底物相似的分子時，這些分子與底物競爭結合酶的活性中心，亦會表現出酶活性的降低（抑制）。這種情況稱為酶的競爭性抑制。返回下圖競爭性抑制劑在結構上與底物相似上圖返回對氨基苯甲酸（細菌生長因數）對氨基苯磺酸（磺胺藥）

磺胺類藥物競爭性抑制細菌體內的酶二、生命世界的能量源泉是太陽能

（本節見參考書第61-81頁）

1、生物體的代謝反應分為物質代謝和能量代謝兩個側面。

每一個反應都有兩個側面：

物質代謝――由底物分子變成產物分子

能量代謝――消耗能量或釋放能量n氨基酸+能量蛋白質

2丙酮酸+

能量葡萄糖

從小分子合成大分子需要消耗能量。葡萄糖2丙酮酸+能量

從大分子分解為小分子會釋放能量。返回2、ATP是生物體能量流通的貨幣一個代謝反應釋出的能量貯入ATP，ATP所貯能量供另一個代謝反應消耗能量時使用。下圖下圖返回ATP作為能量流通的貨幣3、生物體把能量用在生命活動的各個方面

4、太陽能是整個生命世界的能量源泉綠色植物和光合細菌把太陽能轉變為化學能，利用太陽能合成有機物；除了維持自身的生存還為其他生物提供食物。食物鏈

綠色植物和光合細菌利用太陽能的過程稱為光合作用。返回食物鏈返回綠葉中的光合作用生物體把能量用在生命活動的各個方面返回葉綠體中的葉綠素是進行光合作用必不可少的成份。在葉綠體中進行的光合作用，又可以分為兩個步驟：光反應：在葉綠素參與下，把光能用來劈開水分子，放出O2，同時造成兩種高能化合物ATP和NADPH。暗反應：把ATP和NADPH中的能量，用於固定CO2，生成糖類化合物。這個過程不需要光。返回吸收光能靠葉綠素返回三、生物體主要靠有機分子的氧化取得能量

（本节见参考书第65-70頁）

1、有機物氧化釋放能量

一支火柴的燃燒是纖維素氧化（C6H12O6）n+O2nCO2+nH2O+能量

纖維素氧溫度光和熱（可燃物）

生物體也進行類似的反應（C6H12O6）n+O2nCO2+nH2O+能量

澱粉氧酶ATP

（氧化底物）把火柴燃燒和生物體內氧化相比，基本原則是相似的――有機物氧化釋放出能量。

有哪些不同？

A、生物體內氧化比燃燒過程緩慢的多，不是猛然地發出光和熱。

B、生物體內氧化在水環境中進行。

C、生物體內的氧化由酶催化。

D、生物體內氧化分步驟進行，產生能量貯存在ATP中。2、生物體內氧化分步驟進行澱粉葡萄糖丙酮酸CO2+H2OATP3、與葡萄糖氧化分解產生能量有關的三條代謝途徑

A、

糖酵解途徑六個碳的葡萄糖分解為兩個三碳的丙酮酸，淨得兩個ATP，同時還產生

NADH。糖酵解途徑可以在無氧情況下進行，但是要解決NADH變回到NAD＋問題。返回糖酵解途徑返回乙醇乳酸B、

三羧酸迴圈

三羧酸迴圈一定需要氧才能進行。在三羧酸迴圈中脫下的氫，形成NADH和FADH2，然後再逐步傳遞給氧。返回丙酮酸三個二氧化碳三羧酸迴圈C、

呼吸鏈

脫下的氫可以看作是電子加上質子

2H2e＋2H＋在呼吸鏈起端，電子處在高能水準，傳遞到O2時，處於低能水準。傳遞過程中釋出的能量，用於產生ATP。

總之，一個葡萄糖分子經過：

無氧糖酵解途徑丙酮酸2個ATP

有氧

糖酵解途徑、三羧酸迴圈途徑、呼吸鏈完全氧化36個ATPCO2和H2O下圖呼吸鏈：電子逐步傳遞到氧返回返回糖酵解三羧酸迴圈呼吸鏈生物體可利用各種有機分子作燃料。

除了葡萄糖，其他生物分子，包括脂類、氨基酸、核苷酸等，都可以通過三羧酸迴圈途徑，徹底氧化為CO2和H2O，同時產生能量。

對於人體來說，最適宜的燃料是葡萄糖。四、生物體記憶體在著複雜的代謝網路

（本节见参考书第75-81頁）

1、已介紹三條代謝途徑：糖酵解途徑、三羧酸迴圈和呼吸鏈，都與分解代謝，產生能量有關。生物體內還有許許多多其他分解代謝途徑，和合成代謝途徑，形成錯綜複雜的代謝網路。這些代謝途徑分佈於生活細胞的不同部位。（第九講內容）現在，再介紹一下有關蛋白質合成的代謝途徑。代謝網路代謝網路返回2、蛋白質合成也就是基因表達

決定合成什麼樣的蛋白質的遺傳資訊，貯存在細胞內的DNA大分子中，體現為DNA大分子中核苷酸排列次序，最終表達為蛋白質大分子中的氨基酸序列。返回基因表達：DNA序列到氨基酸序列

蛋白質合成的第一步，由DNA指導mRNA（信使RNA）的合成。DNA中的遺傳資訊通過轉錄體現在mRNA分子中核苷酸排列次序中。

蛋白質合成的第二步，由mRNA指導蛋白質合成。mRNA中攜帶的遺傳資訊通過轉譯轉而體現為蛋白質大分子中氨基酸的排列次序。返回

轉錄核苷酸序列――核苷酸序列轉譯核苷酸序列――氨基酸序列3、蛋白質合成的第一步是mRNA的合成

mRNA合成需要：

以四種三磷酸核苷為原料ATP、GTPUTP、CTP；

以DNA（大分子中的一段）為範本；

由RNA聚合酶催化。

總反應式：（NTP）n＋DNAmRNA＋DNA

mRNA的合成在細胞核內進行；然後，mRNA從核內移至細胞質中。酶返回mRNA合成4、遺傳密碼和轉運RNAmRNA分子中每三個核苷酸序列決定一個氨基酸，這就是通常所說的三聯密碼子。與遺傳密碼子相對應的反密碼子在轉運RNA（tRNA）分子中。

tRNA的二級結構呈三葉草形，它的任務是搬運氨基酸。在tRNA分子中，一方面聯接著被搬運的氨基酸，另一方面通過反密碼子把氨基酸安置到合適的位置上去。返回遺傳密碼表返回轉運RNA（tRNA）

5、蛋白質合成的第二步需依託核糖體

核糖體由蛋白質和RNA組成，後者稱為:

核糖體RNA（rRNA）。在細胞質中，mRNA先與核糖體結合。蛋白質合成第一個tRNA把一個氨基酸放在肽鏈起始位置上；另一個tRNA帶來第二個氨基酸。下圖

第一個氨基酸以羧基聯到第二個氨基酸上，形成肽鍵。核糖體向右移三個核苷酸位置，第一個tRNA脫落,准備好位置迎接第三個tRNA及其所帶的氨基酸。

下圖合成過程連續進行下圖

直到在mRNA上出現休止符號的密碼子。於是，不再有新的tRNA上來，肽鏈合成結束。核糖體與mRNA脫開。下圖返回

蛋白質合成中還有其他加工步驟。包括:

A、蛋白質大分子折疊；

B、糖基和其他基團的修飾；

C、蛋白質分子向細胞各部位的運送等等。返回蛋白質分子折疊

哇！

終於結束了。。。細胞——生物體的基本結構

單位一、細胞學說的建立二、細胞的結構與功能

三、细胞分裂和细胞周期

四、细胞分化、衰老与死亡

1、細胞學說的主要的內容

17世紀中葉，顯微鏡被用於生物學研究，用顯微鏡觀察來自樹皮的木栓，看到一個個“小室”結構，稱之謂“Cell”（細胞）。

一、細胞學說的建立

(本節見參考書第16-17頁）

人們用顯微鏡觀察各種生物，包括微生物和動、植物的細微構造，到處都看到細胞結構。逐漸形成一個觀念：各種生物都是由細胞組成的。圖一返回

英國科學家霍克（R.Hook,1635-1703),27歲成為英國皇家學會領導成員,發表對木栓的觀察,命名Cell。荷蘭人列文虎克（AntonivonLeeuwenhoek,1623-1723）用自磨鏡片做成顯微鏡第一次觀察了活的細菌和原生動物。

19世紀初，兩位德國生物學家施萊登和施旺正式明確提出：

细胞是植物体和动物体的基本结构单位。

這個觀點，經過後來的豐富和發展，形成公認的細胞學說：

（1）細胞是所有動、植物的基本結構單位。

（2）每個細胞相對獨立，一個生物體內各

細胞之間協同配合。

（3）新細胞由老細胞繁殖產生。2、細胞學說的科學意義

細胞學說的提出先於進化論約20年，它與進化論一起，奠定了生物科學的基礎。細胞學說使生命世界有機結構多樣性的統一，從哲學推斷走向自然科學論證。

細胞學說被認為是19世紀自然科學的重大發現之一。

值得注意的是，從两篇经典的论文看來，細胞學說不但關係到生物體的構造，也關係到生物體的生長與發育。

最初提出細胞學說觀點的兩篇論文是:

德國植物學家施萊登1838年發表的論文:『論植物發現』;

德國動物學家施旺1839年發表的論文:『動、植物結構與生長相似性的顯微研究』。返回有沒有非細胞生命？19世紀末，人們逐漸發現比細菌還小的“傳染性的活性成份”，稱為病毒。

1930s－1940s期間弄清病毒的化學本質和電鏡結構。看來，病毒是一類不具細胞結構的生命形態。

最簡單的病毒僅由核酸大分子和蛋白質大分子組成。但是，病毒顆粒必需進入寄主活細胞才能表現出生命的各方面特性。二、細胞的結構和功能

（本节见参考书第47-57頁）1、動物細胞的典型結構

细胞膜和生物膜

磷脂和鞘脂分子具有一個共同的特徵――一個極性的頭兩個非極性的尾巴。在水環境中，這類分子會自發形成脂雙層微囊。返回動物細胞模式圖返回在水中的脂雙層微囊

細胞膜的框架，就是脂雙層，還有蛋白質“鑲嵌”其中。1970s提出的流動鑲嵌學說,強調了生物膜中脂分子和蛋白質分子的運動。

這樣的膜結構不但用以組成細胞膜，還用以分割形成各種細胞器，所以,統稱生物膜。返回細胞膜結構

內質網

由單層生物膜圍成。是蛋白質合成、修飾和分泌；脂類合成的場所。

細胞核由兩層生物膜圍成，遺傳資訊貯藏在核內，是DNA複製和RNA合成場所。返回細胞核結構返回內質網結構

溶酶體

由單層生物膜圍成，是生物大分子分解的場所。

高爾基體

由單層生物膜圍成，與蛋白質修飾和分泌有關。

返回溶酶體結構返回高爾基體結構

細胞質

有多種蛋白質和酶，是糖酶解和糖元合成等反應的場所。

線粒體

由雙層生物膜圍成，是生物氧化、產生能量的場所。返回線粒體結構

細胞骨架

由蛋白質亞基組裝成，和細胞形狀、遷移、資訊傳導等有關。

核糖體

由RNA和蛋白質形成的大顆粒，是蛋白質合成的場所。

返回微管微絲中間纖維細胞骨架結構2、植物細胞的典型結構

與動物細胞相比,有幾點不同:

植物细胞动物细胞

有細胞壁沒有細胞壁

有葉綠體沒有葉綠體

有中央液泡没有中央液泡

返回植物細胞結構3、真核細胞和原核細胞

細菌細胞結構與動、植物細胞不同，要簡單的多。最主要的差別是細菌沒有細胞核結構，核物質－DNA還是有的，形成類核區(又稱擬核)。並且細菌細胞也沒有其他各種細胞器。返回細菌細胞結構

依據有無細胞核，整個生命世界可以區分為兩大類：

原核生物真核生物

細菌植物

放線菌動物

蓝藻真菌（霉菌、酵母)

等等原生动物

藻类

三、細胞分裂和細胞週期

（本节见参考书第81-86頁）1、為什麼會有細胞分裂？

隨著細胞生長，細胞體積增大，而細胞表面積和體積之比(表面積/體積)卻在變小。

活細胞不斷進行新陳代謝，細胞表面擔負著輸入養分，排出廢物的重任。

表面積/體積

比值的下降，意味著代謝速率的受限和下降。所以，細胞分裂是細胞生長過程中保持足夠表面積，維持一定的生長速率的重要措施。

隨著體積增大,表面積/體積比值下降下圖半徑增大

4倍體積增大

64倍表面積增大

16倍表面積/體積從3/1下降到

0.7/1表面積/體積比值老鼠>大象返回老鼠重25

克,大象重

4

噸表面積/體積老鼠是大象的24

倍所以,老鼠的代謝速率大於大象2、

原核生物的細胞分裂

原核生物以細菌為例，細胞分裂比較簡單。

細胞生長增大到一定程度，DNA複製，形成兩個DNA分子，分別移到拉長了的細胞兩端，中間形成新的細胞間隔，進而形成細胞壁，成為兩個細胞。這個過程稱為二分分裂。細菌細胞分裂返回3、

真核細胞的有絲分裂

大多數真核生物是多細胞生物。體細胞的分裂稱為有絲分裂；生殖細胞形成過程中，則有與之不同的減數分裂。

細胞從前一次分裂開始到後一次分裂開始，這段時間稱為一個:

细胞周期。（1）細胞分裂週期細胞週期返回

通常,細胞週期可以區分為四個階段：

M期——

分裂期，在這個階段

可以在顯微鏡下看到

细胞分裂过程。

G1期——

S期——

DNA合成期

G2期——

G1期，S期和G2期又總稱為:

分裂间期。（2）有絲分裂過程

前期

染色質濃縮，折疊，包裝，形成光鏡下可見的染色體。每條染色體含兩條姊妹染色單體。

中期核膜消失，染色體排列在赤道板上。返回分裂間期有絲分裂前期中期

後期

姐妹染色單體分開，被分別

拉向細胞兩側

末期重新形成核膜，染色體消失

细胞质分裂

胞質形成間隔，最終

分開為兩個細胞

返回中期後期末期細胞質分裂有絲分裂

現在集中看一下在M期發生的有絲分裂過程：

前期:

染色質濃縮，折疊，包裝，形成光鏡下可見的染色體，每條染色體含兩條染色單體。

中期:

核膜消失，染色體排列在赤道板上。

後期:

姐妹染色單體分開，被分別拉向細胞兩側。

末期:

重新形成核膜，染色體消失。

细胞质分裂:

胞質形成間隔，最終分開為兩個細胞。返回有絲分裂（3）染色質和染色體

處於分裂間期的細胞，細胞核內的DNA分子，在一些蛋白質的幫助下，有一定程度的盤繞，形成核小體。多個核小體串在一起形成染色質。所以，染色質是在細胞分裂間期遺傳物質存在的形式。核小體和染色質返回

核小體直徑10nm，光鏡下看不到。當細胞進入M期時，染色質折疊包裝，大約壓縮8400

倍，形成光鏡下可以看到的染色體。染色體返回

應記住，在染色體出現時，細胞已經過S期完成DNA複製，已由原來的每個DNA分子複製出兩個DNA分子。所以，每條染色體由兩條姐妹染色單體組成。

通常把體細胞稱為雙倍體細胞，體細胞的遺傳物質的總含量為2n。在細胞分裂中，在光鏡下可以看到染色體時，已經過DNA複製，這時遺傳物質的總量已經是

4n了。細胞分裂完成時，出現的兩個子細胞又都回復為

2n。

不同物種的細胞，染色體數目不同。所以，染色體數目也是不同物種細胞的特徵。因為，對大多數物種來說，體細胞是2n的，所以染色體數目通常為偶數。

物種染色體數目物種染色體數目

人

46

豌豆

14

小鼠

40

玉米

20

爪蟾

36

小麥

42

果蠅

8

酵母

32

4、

真核細胞的減數分裂

（1）減數分裂發生在產生生殖細胞的過程中。生殖細胞包括卵細胞和精子細胞。它們的遺傳物質總量僅為體細胞的一半，稱為n細胞。

由2n的體細胞產生

n

的生殖細胞，需要經過減數分裂。返回減數分裂

（2）、減數分裂後，細胞中染色體數目減少一半。

減數分裂可以分為兩個階段：

第一次減數分裂：DNA複製一次，

細胞分裂一次。第二次減數分裂：DNA不復制,細胞再分裂一次。

結果，子細胞染色體數目減半，遺傳物質總量由2n變為n。

总之，减数分裂就是DNA複製一次，細胞連續分裂兩次，結果由一個2n細胞分出4個

n細胞。（3）、減數分裂豐富基因組合

减数分裂的特点:

一是子细胞染色体数减半;

二是子细胞基因组合大为丰富。

基因組合的豐富由兩個原因造成。

首先，體細胞的染色體實際上是由兩套同源染色體組成。人的细胞有4６條染色體，實際上可以看作2２對同源染色體加上兩條性染色體。返回人的體細胞染色體

在減數分裂的第一次分裂時，每對同源染色體分別分配至兩個子細胞。於是父源的同源染色體和母源的同源染色體以不同組合，分配到兩個子細胞中去。這樣，產生不同染色體組合的配子種型大增。

其次，在第一次減數分裂中，還發生同源染色體配對，配對後還發生同源染色體之間的染色體交叉和基因重組。這使基因組合狀況更為複雜化。同源染色體配對和染色體交叉,造成基因重組下圖返回染色體交叉的電鏡圖

所以，經由減數分裂產生的生殖細胞，其基因組合表現極大的豐富和多樣化。結果是,有性生殖的後代具有更豐富的基因組合，具有更強的適應性和進化潛能。四、細胞的分化、衰老與死亡

（本节见参考书第86-94頁）1、

細胞的分化

成年人全身細胞總數約1012個。

細胞種類有200多種。這麼多種類細胞均來自

一個受精卵細胞。

細胞分化的定義：發育過程中細胞後代在形態、結構和功能上發生差異的過程稱為細胞分化。上皮細胞脂肪細胞平滑肌細胞心肌細胞下圖返回神經元細胞正在受精的卵細胞返回

細胞分化不但發生在胚胎階段和發育過程中，亦發生在成人階段。如：人體血細胞的產生。

分化以后不同種類的細胞，

形态不同，

功能不同，

基因表達不同，

代谢活动也不同。紅血球白血球血小板返回好多種血細胞都由生血幹細胞分化而來。返回胰髒細胞眼晶體細胞（胚胎）神經細胞糖酵解酶基因晶體蛋白基因胰島素基因血紅蛋白基因不同種類細胞，形態、代謝和基因表達都不同

2、細胞的衰老

衰老是人們永恆的議題，至今仍是一個迷。

人體衰老時，身體各部分功能都發生衰老。返回早衰症是人體衰老中的一種病症一名男子從36歲到75歲味覺喪失64％腎小球減少44％腎小球過濾率減少31％脊神經元減少37％神經傳導速度減慢10％腦供血量減少20％肺活量減少

44％返回

身体的衰老是以细胞衰老为基础的。实验证明，细胞有着明显的衰老過程。

體外培養成纖維細胞來自胎兒可傳代50次（與供體年齡

來自成人可傳代20次有關）來自小鼠可傳代14－28次（與供體物種來自烏龜可傳代90－125次特性有關）返回

亦有人強調，人體衰老時，並非全身細胞均衡衰老，而是部分細胞衰老，導致整體機能失調。激素系統和神經系統的衰老對全身的影響最大。

衰老的機理，尚不清楚，有各種學說。自由基假說是其中廣為人們接受的一種假說。

生物氧化中產生自由基，自由基破壞生物大分子——蛋白質、核酸、脂類等。使得細胞結構破壞，基因突變，導致細胞衰老。

人体存在着清除自由基机制，这些淬灭自由基机制受遺傳控制。H2OH•＋OH•返回帶有不成對電子的基團稱為自由基自由基的反應活潑性特別強

3、

細胞凋亡

多細胞生物個體的一生中，不斷發生構成身體的細胞的死亡。

有兩種細胞死亡：

因環境因素突變或病原物入侵而死亡，稱為病理死亡，或細胞壞死。

因個體正常生命活動的需要，一部分細胞必定在一定階段死去，稱細胞凋亡。細胞凋亡是普遍存在的

變態：

蝌蚪

青蛙

昆蟲、卵

幼蟲

成蟲

哺乳類:

皮膚，指（趾）甲

紅細胞：

分化成熟

失去細胞核

凋亡

淋巴細胞：95%以上在成熟之前死去，不到5%成熟後只存活一至幾天

T—細胞殺傷靶細胞的機制之一，

就是誘使靶細胞凋亡

癌細胞亦可看作是凋亡失控了的細胞。細胞凋亡和細胞壞死有明顯區別:

細胞凋亡細胞壞死

ApoptosisNecrosis

細胞變圓,與周圍細胞脫開細胞外形不規則變化核染色質凝聚溶酶體破壞細胞膜內陷細胞膜破裂細胞分為一個個小體胞漿外溢被周圍細胞吞噬引起周圍炎症反應

細胞凋亡受基因控制。線蟲是研究細胞凋亡的理想材料。

每條線蟲具有1090個細胞，其中131個細胞在發育過程中凋亡。從線蟲中找到若干控制細胞凋亡的基因。(CaenorbabditisElegans)

1031個細胞，131個細胞凋亡找到一系列與細胞凋亡有關的基因

ced-3、ced-4

誘發、啟動凋亡

ced-9

抑制凋亡

①

ced-3、ced-4

基因突變或缺失，使凋亡受阻②移入ced-9

使凋亡受阻③失去ced-9

使細胞凋亡秀麗隱杆線蟲秀麗隱杆線蟲返回謝謝大家的合作！再見！從基因到基因工程

一、

孟德爾學說奠定了遺傳學基礎二、

基因是一段DNA序列

三、

基因工程的操作和應用

生命最重要的本質之一是性狀特徵自上代傳至下代——遺傳。

今天，从遗传学研究衍生出来的基因工程技術，已構成生物技術的核心，在實際應用中顯示出極大的潛力。一、孟德爾學說奠定了遺傳學基礎

（本節見參考書第101-107頁）

在孟德爾以前，人們看到遺傳現象，猜想遺傳是有規律的，甚至在農牧業育種中實際運用了遺傳規律，但是，一直找不到研究遺傳規律的恰當方法。

孟德爾（1822－1884）從1856年起開始豌豆試驗。

孟德爾的基本方法是杂交。他挑選了七對性狀。

經過近10年的潛心研究，孟德爾發表了他的研究報告。其內容可概括兩個定律。

返回孟德爾(1822-1884)返回豌豆雜交操作孟德爾研究的七對性狀1、孟德爾第一定律－－分離律

他用一對性狀雜交，子一代全為顯性性狀，子一代之間自交，子二代為：

顯性性狀：隱性性狀＝3：1

返回孟德爾分離律2、孟德爾第二定律－－自由組合律

他用兩對性狀雜交，子一代全為顯性性狀，子一代之間雜交，子二代出現四種性狀，其數量比例為9：3：3：1

返回孟德爾自由組合律黃圓綠圓黃皺綠皺3、孟德爾學說的要點

依據上面的試驗結果，孟德爾認為，每株豌豆植株中的每一對性狀，都是由一對遺傳因數所控制的，遺傳因數有顯性因數和隱性因數之分。

當一株植株中控制某一對性狀的一對遺傳因數均為隱性因數時，該植株才表現出隱性性狀（如白花或綠色豆粒）。其他情況下，包括一對遺傳因數均為顯性，或一個顯性一個隱性，均表現出顯性性狀（如紫花或黃色豆粒）。這一點在分離律實驗中看的很清楚。

當兩對性狀一起加以研究時,顯性和隱性的基本規律仍與上面相同,但要加上一條,控制不同性狀的遺傳因數,在傳代中各自獨立,互不干擾,出現自由組合現象。

返回孟德爾自由組合律黃圓綠圓黃皺綠皺4、孟德爾學說的重要意義

（1）孟德爾第一次明確提出遺傳因數的概念,並且提出了遺傳因數控制遺傳性狀的若干規律：



大多數生物體通常由

一對遺傳因

子（后来称为两个等位基因）控

制同一性狀。這樣的生物體稱為

2n個體。



遺傳因數可以區分為顯性和隱性。



控制不同性狀的遺傳因數是各自

獨立的。

（2）孟德爾提出了雜交、自交、回交等一套科學有效的遺傳研究方法，來研究遺傳因數的規律。孟德爾創立的這套方法一直沿用到1950s，才被分子遺傳學方法取代。

思考題

已知：控制鸚鵡羽毛顏色的有四個等位基因（即兩對基因）：B、b、C、c。

B－使羽毛顏色呈黃色

C－使羽毛顏色呈藍色

b和c是隱性基因，不產生色素。

下圖返回

問：

（1）寫出圖中四個鸚鵡的基因型。

（2）基因型為BbCc的鸚鵡應為什麼顏色？

（3）兩只基因型為BbCc的鸚鵡所產生的後代是什麼情況？二、基因是一段DNA序列

（本节见参考书第107-113頁）

“遺傳因數/基因”的設想一經提出，便推動人們去尋找，去探索

基因在哪里？基因是什麼？

1、基因在染色體上

顯微鏡技術與染色技術的發展，使人們注意到，細胞分裂時，尤其是減數分裂中，染色體的行為和孟德爾提出的等位基因的分離規律相當一致，所以，確定基因在細胞核中，在染色體上。返回同源染色體分別帶著控制同一性狀的兩個等位基因顯性等位基因純合子隱性等位基因純合子雜合子

摩根實驗室用果蠅為材料的工作，確定了基因在染色體上的分佈規律。圖下圖果蠅有4對染色體下圖野生果蠅沒有現成的成對性狀摩根在長期飼養中找到各個性狀的突變株。控制不同性狀的等位基因在2#染色體上的位置觸鬚長/短身體灰/黑眼睛紅/紫翅長/短下圖減數分裂時發生：染色體交叉/基因重組。返回g－身體c－

眼睛l－翅灰/黑紅/紫長/短基因重組服從這樣的規則：兩個基因在染色體離得越遠，重組頻率越高；兩個基因在染色體上離得越近，重組頻率越低。重組頻率

隨著生物化學的發展，蛋白質、核酸等生物大分子逐漸分離、純化出來。各方面的實驗證據表明，基因的化學本質不是蛋白質，而是DNA。格裏菲斯的實驗證明遺傳物質可以轉化進入細菌，改變細菌特性。愛弗萊的實驗證實，進入細菌改變特性的遺傳物質是DNA，而不是蛋白質。

2、遺傳物質是DNA

圖下圖格裏菲斯的肺炎雙球菌轉化實驗愛弗萊證實轉化物質是DNA下圖分別用放射性同位素標記噬菌體35S－標記蛋白質32P－標記DNA返回35S標記外殼蛋白質,感染後放射標記不進入大腸桿菌細胞32P標記DNA,感染後放射標記進入大腸桿菌細胞

3、華生和克裏克提出DNA雙螺旋模型。

DNA雙螺旋模型說明DNA分子能

夠充當遺傳的物質基礎。

按照雙螺旋模型，在細胞分裂時，DNA的合成應是“半保留複製”的模式。DNA雙螺旋模型返回下圖半保留複製返回證實半保留複製的實驗細菌培養在含15N

的培養基中細菌培養在含14N

的培養基中一代兩代

4、DNA作為遺傳物質的功能

（1）貯藏遺傳資訊的功能

（2）傳遞遺傳資訊的功能

（3）表達遺傳資訊的功能

由此，克裏克提出中心法則,確定遺傳資訊由DNA通過RNA流向蛋白質的普遍規律。DNADNARNA蛋白質中心法則遺傳資訊儲存在核酸中遺傳資訊由核酸流向蛋白質返回

5、基因理論中的許多複雜情況

以孟德尔学说为开端的遗传理论，发展到以DNA分子結構為基礎的分子遺傳學，使我們對遺傳規律有了確切的理解。

应该看到，實際上生命世界的遺傳現象遠比上面談到的要複雜得多。

一個基因一個性狀？不一定。例如膚色的控制至少有三個基因參與。

基因决定性状，环境还起不起作用？在基因型確定的基礎上,環境常常會影響表型。

遺傳和變異是遺傳學的重要內容。子代總是與親代相像，又有一些不像。返回人的膚色至少由三個基因控制返回產生黑色素的酶在較高溫度下失活，所以毛色在端點位置呈黑色環境影響表型三、基因工程技術和應用

（本节见参考书第138-151頁）1、基因工程技術

基因工程是生物技術的核心部分。基因工程的操作可以簡述如下：基因工程的操作流程返回

將外源基因（又稱目的基因，是一段DNA片斷）組合到載體DNA

分子中去，再把它轉到受體細胞（亦稱寄主細胞）中去，使外源基因在寄主細胞中增值和表達，從而得到期望的由這個外源基因所編碼的蛋白質。

所以，基因工程的操作包含以下步驟：

獲得目的基因

構造重組DNA分子

轉化或轉染

表達

蛋白質產物的分離純化

到哪里去找目的基因？一般來說，人的基因，要從人體的組織細胞中去找；小鼠的基因要從小鼠的組織細胞中去找。

從組織細胞中可以分離得到人/小鼠的全套基因，稱為基因文庫。文庫中基因總數就人來說約有3萬個基因。如何從中把需要的基因找出來？

採取“釣”的辦法。這個辦法通常稱為印跡法。

（1）獲得目的基因

返回印跡法內切酶切開DNA電泳印跡轉移放射性探針雜交膠片顯影印跡法的主要步驟：

（1）基因文庫－DNA用限制性內切

酶处理。

（2）DNA片斷混合物通過電泳分離。

（3）電泳後，通過印跡技術轉到酯醯

纖維薄膜上，以便操作。

（4）用已知小片斷DNA作為探針，

互補結合需要找的基因片斷。

（5）探針DNA片斷已用放射性元素

標記，使膠片感光後可看出。

印跡法的關鍵是“分子雜交”，利用堿基配對的原則，用一段小的已知的DNA片斷去尋找（“釣”）大的未知的基因片斷。

探针DNA片斷從何而來？

根據目的蛋白的氨基酸序列，只要其中N－端15－20個氨基酸序列，按三聯密碼轉為40-60核苷酸序列，人工合成，即為探針DNA片斷。

（2）目的基因的擴增

用上面的方法“釣”出的目的基因，數量極少，所以，接下來必須經過擴增，亦稱為基因克隆。獲得相當數量的目的基因後，才能繼續下一步操作。

克隆——生物分子，細胞，生物個體的無性增殖過程都稱為克隆。返回

（3）PCR——

把尋找目的基因和擴增目的基因兩步操作並成一步。

PCR法，又稱多聚酶鏈式反應，是近年來開發出來的基因工程新技術，它的最大優點是把目的基因的尋找和擴增，放在一個步驟裏完成。PCR操作流程90

0C500C700C返回PCR反應分三步完成：

第一步

——90

0C高溫下，使混合物的DNA片斷因變性而成單鏈。

第二步

——500C溫度下，引物DNA結合在適於配對的DNA片斷上。

第三步

——700C溫度下，由合成酶（DNA高溫聚合酶）催化，從引物開始合成目的基因DNA。

PCR的三個步驟為一次迴圈，約需5－10分鐘。每經一次迴圈，所找到的目的基因擴充一倍。經過20次迴圈，即可擴增

106

倍，總共只需幾個小時。

（4）構造重組DNA分子

首先要有載體。

载体有好几种，常用的有：

質粒－－環狀雙鏈小分子DNA，適於做小片斷基因的載體。

噬菌體DNA－－線狀雙鏈DNA，適於做大片斷基因的載體。返回用質粒構建重組DNA分子返回用噬菌體DNA構建重組DNA分子

其次要把目的基因“裝”到載體中去。“安裝”的過程，需要好幾種工具酶，其中關鍵的酶叫

限制性内切酶。

此酶识别一定碱基序列，有的还可切出“粘性”末端，使得目的基因和載體的連接非常容易。圖一圖二下圖限制性內切酶識別特定的堿基序列返回重組DNA分子的構建限制性內切酶造成粘性末端有利於

（5）轉化/轉染—表達—蛋白質分離

把構造好的重組DNA分子送進寄主細胞，亦需要適當的技術方法。若受體細胞是細菌，通常稱轉化；若受體細胞是動/植物細胞，通常稱轉染。

重組DNA分子進入寄主細胞後，其中的目的基因能否表達，表達效率高低，還有很大差別。表達通常是指目的基因編碼的蛋白質合成。基因工程的最後一步，是把所獲得的蛋白質分離純化，得到蛋白質產品。返回生產基因工程產品的生物反應器

2、基因工程的應用

基因工程技術已經在醫學、工業、農業等各個領域得到了廣泛的應用。

（1）在醫學上的應用

基因工程被用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白質－肽類藥物。胰島素1000磅牛胰10克胰島素200升發酵液10克胰島素干擾素1200升人血1升發酵液2－3萬美元/病人200－300美元/病人返回

（2）用於提高乳酪產量

生产奶酪的凝乳酶傳統上來自哺乳小牛的胃。現在可以通過基因工程辦法，用酵母生產凝乳酶，大量用於乳酪製造。哺乳小牛凝乳酶基因胃轉入啤酒酵母

凝乳酶凝乳酶

製造乳酪返回

（3）轉基因動物和植物

转基因动物首先在小鼠獲得成功。現在轉基因動物技術已用於牛、羊，使得從牛/羊奶中可以生產蛋白質藥物。稱為“乳腺反應器”工程。

转基因植物亦已在大田中廣為播種。轉基因植物獲得新的性狀返回返回把大鼠生長因數轉入小鼠得到巨大型的轉基因小鼠。

（4）工程菌在環境工程中應用

美国GE公司構造成功具有巨大烴類分解能力的工程菌，並獲專利，用於清除石油污染。噴灑工程菌清除石油污染下圖無冰晶細菌幫助草莓抗霜凍返回哈哈，

下課了

!遺傳病和人類基因組計畫

一、遺傳病的特徵與分類二、遺傳病的診斷與治療

三、人類基因組計畫（HGP）一、遺傳病的特徵與分類

(本節見參考書第114-134頁）1902年英國醫生加洛特（A.Garrod）從家族病史，發現並研究了第一例遺傳病――尿黑酸症，併發現該病在家族中的遺傳遵循孟德爾規律，是由單個隱性基因控制的。1、第一例遺傳病的發現

尤其難得是，加洛特預測，尿黑酸病病人缺乏一種酶，而正常人有，加洛特把這種遺傳病症狀稱為“先天性代謝差錯”。

后来的研究证明加洛特的预见是对的。苯丙氨酸代謝途徑關係到三種遺傳病返回尿黑酸病苯丙酮尿症白化病

加洛特的工作推動了對一系列遺傳病的發現。

当时，对遗传病的认识是：

由於某個基因的缺失、突變或異

常，導致一定病症的出現。

可以遺傳給下一代子女。

這類病的遺傳遵循孟德爾規律。

2、遺傳病的類型和特徵

迄今已記錄的遺傳病有

3000

多種，找到了200

多個與遺傳病有關的基因。根據基因的位置與病症，把遺傳病分為三類：類型

基因在常染基因在常染基因在X－染

色體（隱性）色體（顯性）色體

只有在父母均父母一方有母/女常常是

特

攜帶缺陷基因病症，子女