第一章 分子生物學緒論醫(yī)學PPT.ppt

1 1 1緒論現代生物學研究的目的是要在分子水平上闡明細胞活動的規(guī)律 揭示生命的本質 從20世紀40年代開始 無數生命科學家用他們的智慧和汗水 贏得了20世紀自然科學最偉大的革命 揭開生物遺傳的謎底 主要體現 DNA的結構與功能 RNA在蛋白質生物合成中的作用 蛋白質的結構與功能 遺傳密碼及基因表達調控等機制的闡明 本章主要介紹現代分生物學的歷史背景和主要人物 并簡單討論人類對遺傳的最基本單位 基因化學本質的認識過程 2 分子生物學的定義分子生物學是研究核酸 蛋白質等所有生物大分子的形態(tài) 結構與其功能 它們之間的相互關系 研究目的 在分子水平上闡明細胞活動的規(guī)律 揭示生命的本質 Molecularbiologyisthestudyofgenesandtheiractivitiesatthemolecularlevel includingtranscription translation DNAreplication recombinationandtranslocation 3 1 1 1創(chuàng)世說與進化論多少年來 人們常常會反復提出3個與生命現象有關的問題 生命的起源 生命是怎樣起源的 生物的遺傳 為什么 有其父必有其子 生物的發(fā)育 動 植物個體是如何從一個受精卵發(fā)育而來的 4 直到19世紀初 西方人一直相信基督教的宣傳 相信上帝先創(chuàng)造了花草樹木 世間萬物 后來又創(chuàng)造了男人亞當 再從亞當身上抽出一根肋骨 這就成了女人夏娃 亞當 夏娃婚配繁衍產生了人類 1859年 英國生物學家CharlesDarwin發(fā)表了著名的 物種起源 一書 確立了進化論的概念 這打破了上帝造人的傳統(tǒng)觀念 改變了社會對人類在整個世界中的地位的看法 極大地推動了人類思想的發(fā)展 5 達爾文采集了大量動 植物標本和化石并細心地進行比較 鑒別和研究 提出并解答了一系列學術問題 A 相似的動物為什么居住在千里之外的不同地區(qū) B 同一個小島上為什么聚集著許多不同的動物 C 低等動物與高等動物有些什么樣的聯(lián)系 D 人是如何產生的等等 認為 大陸自古以來發(fā)生過許多次巨變 如冰川時期等 所以不可能存在亙古不變的動 植物 6 達爾文進化論物種是變化的 是不斷由簡單到復雜 從低等到高等逐漸進化的 自然界種種生物都是通過這個過程演化而來的 在整個進化過程中 自然的選擇作用決定了物種進化的方向 適合生存的生物得到保留并形成新種 不適合生存的生物則被淘汰 7 1 1 2細胞學說17世紀末 荷蘭顯微鏡專家Leeuwenhoek成功制作了世界第一架光學顯微鏡 通過這一裝置 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 他將這些小生命稱為 微動物 animalcule 若干年后 人們才知道它們是單細胞生物 8 9 10 19世紀初 細胞研究的一項重大成果是細胞核的發(fā)現 這一發(fā)現也為細胞學說的創(chuàng)立做出了一定的貢獻 1831年 英國植物學家R Brown 在研究施肥對植物的影響時 利用了一臺放大倍數約為300倍的顯微鏡 注意到植物細胞內部還有其他的結構 通過仔細觀察 他發(fā)現了植物細胞的細胞核 并發(fā)現一個植物細胞只有一個細胞核 布朗當時對于細胞核的生物學含義既不重視又不理解 因而也沒有進一步研究細胞核的結構和功能 11 細胞學說 細胞學說是19世紀三大發(fā)現之一的細胞學說的核心 建立這一學說的是德國植物學家Schleiden和動物學家Schwann 細胞是生物體的基本結構單位和功能單位 所有組織的最基本單元是形狀非常相似而又高度分化的細胞 并提出了一切生物是由細胞組成的細胞學說 12 細胞學說對生物科學最重要的貢獻 因為單個細胞生長分裂 組織 器官和個體的生命現象實際上是細胞活動的總和 所以細胞可以成為生物學研究的首要對象 今天的細胞學和分子細胞學就是在這個基礎上發(fā)展起來的 13 14 經典生物化學研究 19世紀中葉 人們發(fā)現動物和植物細胞的提取液中主要是一些能耐熱或酸變性形成纖維狀沉淀的物質 這些物質包含有大體相等摩爾濃度的碳 氫 氧和氮 蛋白質 Buchner制備酵母無細胞提取液后 與葡萄糖進行氧化反應 結果產生乙醇 證明化學物質的轉換不需要完整的細胞 而僅僅需要細胞中的某些成分 蛋白質是生活細胞中所有化學反應的催化劑 15 16 17 18 19 孟德爾兩條基本遺傳規(guī)律的含義A 生物的每一種形狀都是由遺傳因子控制的 而這些因子以從親代到子代 代代相傳 B 在體細胞內遺傳因子成對存在的 其中一個來自父本 一個來自母本 C 在形成配子時 成對的遺傳因子彼此分開 單獨存在 D 有些遺傳因子以顯性形式存在 有些以隱性形狀 20 由于孟德爾的研究方法和結論都遠遠超過了當時的科學認識水平 他的這些研究成果和見解 并沒有立即引起生物學界的注意和重視 1884年逝世 直到1900年 他的理論才被重新發(fā)現并得到普遍應用 并逐漸被公認為經典遺傳學的奠基人 21 22 23 他們用這些突變體進行雜交試驗 探討了遺傳機制 到915年發(fā)現 24 25 26 27 1928年 Griffithetal 發(fā)現 美國科學家Avery 28 轉化因子的酶學分析 他樹立了全新的觀點 DNA是遺傳信息的載體 29 表 2 DNA是病毒的遺傳物質 30 31 1952年 美國冷泉卡耐基遺傳學實驗室科學家Hershey和他的學生Chase噬菌體侵染實驗 32 33 1 2分子生物學的發(fā)展史 34 Schleiden和Schwann提出 細胞學說 證明動 植物都是由細胞組成的到今天 雖然不過短短一百多年時間 我們對生物大分子 細胞的化學組成卻有了深刻的認識 孟德爾的遺傳學規(guī)律最先使人們對性狀遺傳產生了理性認識 而Morgan的基因學說則進一步將 性狀 與 基因 相耦聯(lián) 成為現代遺傳學的奠基石 Watson和Crick又提出了脫氧核糖核酸的雙螺旋模型 為充分揭示遺傳信息的傳遞規(guī)律鋪平了道路 Sumner在1936年證實酶是蛋白質1953年 Sanger利用紙電泳及層析技術首次闡明胰島素的一級結構 開創(chuàng)了蛋白質序列分析的先河 Kendrew和Perutz利用X射線衍射技術解析了肌紅蛋白 myoglobin 及血紅蛋白 hemoglobin 的三維結構 論證了這些蛋白質在輸送分子氧過程中的特殊作用 成為研究生物大分子空間立體構型的先驅 35 1910年 德國科學家Kossel因為蛋白質 細胞及細胞核化學的研究而獲得諾貝爾生理醫(yī)學獎 他首先分離出腺嘌呤 胸腺嘧啶和組氨酸 1959年 美籍西班牙裔科學家Uchoa發(fā)現了細菌的多核苷酸磷酸化酶 成功地合成了核糖核酸 研究并重建了將基因內的遺傳信息通過RNA中間體翻譯成蛋白質的過程 1962年 美國科學家Watson和英國科學家Crick因為在1953年提出DNA的反向平行雙螺旋模型獲得諾貝爾生理醫(yī)學獎 1962年 Kendrew和Perutz由于測定了肌紅蛋白及血紅蛋白的高級結構 獲得諾貝爾化學獎 1965年 法國科學家Jacob和Monod提出并證實了操縱子 Operon 作為調節(jié)細菌細胞代謝的分子機制 提出存在一種與染色體脫氧核糖核酸序列相互補 能將編碼在染色體DNA上的遺傳信息帶到蛋白質合成場所 細胞質 并翻譯產生蛋白質的信使核糖核酸 即mRNA分子 他們的這一學說對分子生物學的發(fā)展起了極其重要的指導作用 36 1975年 美國人Temin Dulbecco和Baltimore由于發(fā)現在RNA腫瘤病毒中存在以RNA為模板 逆轉錄生成cDNA的逆轉錄酶而共享諾貝爾生理醫(yī)學獎 1980年 Sanger因設計出一種測定DNA分子內核苷酸序列的方法 而與Gilbert和Berg分獲諾貝爾生理醫(yī)學獎 Sanger還由于測定了牛胰島素的一級結構而獲得1958年諾貝爾化學獎 1983年 美國遺傳學家McClintock由于發(fā)現了可移動的遺傳因子而獲得諾貝爾生理醫(yī)學獎 1984年 德國人Kohler 美國人Milstein和丹麥科學家Jerne由于建立了單克隆抗體技術 完善了極微量蛋白質的檢測技術而分享了諾貝爾生理醫(yī)學獎 37 1989年 美國科學家Altman和Cech由于發(fā)現某些RNA具有酶的功能 稱為核酶 而共享諾貝爾化學獎 Bishop和Varmus由于發(fā)現正常細胞同樣帶有原癌基因而分享當年的諾貝爾生理醫(yī)學獎 1993年 美國科學家Roberts和Sharp由于在斷裂基因方面的工作而榮獲諾貝爾生理醫(yī)學獎 美國科學家Mullis由于發(fā)明PCR儀而與第一個設計基因定點突變的Smith共享諾貝爾化學獎 1994年 美國科學家Gilman和Rodbell由于發(fā)現了G蛋白在細胞內信息傳導中的作用而分享諾貝爾生理醫(yī)學獎 38 1995年 美國人Lewis 德國人Nusslein Volhard和美國人Wieschaus由于在40 70年代先后獨立鑒定了控制果蠅體節(jié)發(fā)育基因而分享諾貝爾生理醫(yī)學獎 1996年 澳大利亞科學家Doherty和瑞士人Zinkernagel由于闡明了T 淋巴細胞的免疫機制而分享了當年的諾貝爾生理醫(yī)學獎 1997年 美國科學家Prusiner由于發(fā)現朊病毒 Prions 作為早老性癡呆癥 CJD綜合癥 等疾病的病原并能直接在寄主細胞中繁殖傳播而獲得諾貝爾生理醫(yī)學獎 39 1999年 美國科學家Blobel由于闡述了蛋白質在細胞間的運轉機制 明確了信號肽及信號識別復合在蛋白質跨膜運轉過程中的主導作用而獲得諾貝爾生理醫(yī)學獎 2001年 美國科學家Hartwell和英國科學家Hunt和Nurse因為對細胞周期調控因子的研究而分享諾貝爾生理醫(yī)學獎 2006年 美國科學家Hornberg由于揭示真核細胞轉錄機制而獲得諾貝爾化學獎 美國科學家用RNA干擾技術揭示控制遺傳信