生化緒論-912班細胞的化學與生物學

1、細胞的化學與生物學The biochemistry and molecular biology department of CMU緒 論The biochemistry and molecular biology department of CMU課程組成生物化學與分子生物學 （Biochemistry & Molecular Biology）細胞生物學 （Cell Biology）什么是生物學（Biology）？生物學（biology）：是研究自然界生命體（或生物）生命現(xiàn)象及其規(guī)律的一門學科?！吧w”之所以有生命，是自然界賦予了生命體各種基本生命特征，包括新陳代謝、生長、發(fā)育、分化、遺傳、

2、變異運動、衰老、死亡等。 什么是細胞生物學 （Cell Biology）？生命從細胞開始。除了病毒、類病毒以外，所有生命體都是由細胞構成的。 細胞生物學（cell biology）：是研究細胞形態(tài)結構、功能和起源的學科。細胞生物學就是從細胞這個層次研究生命的一個學科。以“完整細胞的生命活動”為著眼點，從分子、亞細胞、細胞和細胞社會的不同水平，用動態(tài)的和系統(tǒng)的觀點來探索和闡述生命這一基本單位的特性。 現(xiàn)代細胞生物學主要從細胞的不同結構層次及細胞間相互關系的角度來觀察和研究細胞生命活動的基本規(guī)律，包括各種生命的基本特征，如新陳代謝、生長、發(fā)育、分化、遺傳、變異運動、信號轉導、衰老、死亡等。 細胞生

3、物學的發(fā)展簡史分為四個階段：細胞學說的創(chuàng)立（ 1830）1665年 Robert Hook發(fā)現(xiàn)軟木塞中蜂窩狀小室1667年 Leeuwen Hook 觀察到真正的活細胞18381839 年 Schleiden和Schwann提出細胞學說：一切生物，從單細胞生物到高等動植物都是由細胞組成的，細胞是生物形態(tài)結構功能活動的基本單位。細胞生物學的發(fā)展簡史細胞生物學經典時期（18301900）特點：應用固定、染色技術，在顯微鏡下觀察細胞的形態(tài)結構和分裂活動。實驗細胞學階段（19001950）在第二階段基礎上，采用了大量實驗手段進行研究，并與其它學科相互融合形成了一些重要的分支學科。細胞生物學和分子生物學

4、形成階段（1950至今）主要在分子水平上探索細胞的各種生物活動。細胞生物學研究的主要內容 細胞水平 光學顯微鏡術 亞細胞水平 電子顯微鏡術 分子水平 生物化學及分子生物學技術生物化學（Biochemistry）即“生命的化學” 生物化學早期主要是用化學的，也用生物學的、物理學的以及數(shù)學的原理研究各種形式的生命現(xiàn)象；至20世紀下半葉，生物化學進入其發(fā)展的分子生物學時期（見發(fā)展史），研究手段又有遺傳學、生物工程學、生物信息學等介入。因此，生物化學是一門邊緣學科，也是生命科學領域重要的領頭學科。 什么是生物化學？生物化學（biochemistry）是研究生物體內化學分子與化學反應的科學，從分子水平探

5、討生命現(xiàn)象的本質。主要任務：采用化學的原理和方法，從分子水平探討生命現(xiàn)象的本質。什么是分子生物學？分子生物學（molecular biology）是研究生物大分子（主要是核酸和蛋白質）的結構、功能、調控規(guī)律的科學。 生物大分子由某些基本結構單位按一定順序和方式連接所形成的多聚體。生物大分子的重要特征之一是具有信息功能，由此也稱為生物信息分子。生物化學發(fā)展簡史分為三個階段：初期階段（敘述生物化學階段）18世紀中至19世紀末主要研究生物體的化學組成蓬勃發(fā)展階段（動態(tài)生物化學階段）20世紀初期開始營養(yǎng)方面：發(fā)現(xiàn)人類營養(yǎng)必需氨基酸、營養(yǎng)必需脂肪酸及多種維生素內分泌方面：發(fā)現(xiàn)多種激素，并將其分離、合成酶

6、學方面：酶晶體獲得成功物質代謝方面：主要物質代謝途徑基本確定分子生物學的崛起20世紀后半葉開始50年代初期，發(fā)現(xiàn)了蛋白質的螺旋的二級結構形式等1953年J.D.Watson和F.H.Crick提出DNA雙螺旋結構模型中心法則的提出重組DNA技術的建立生物化學研究的主要內容生物分子的結構與功能物質代謝及其調節(jié)基因信息傳遞及其調控擴展知識：目前相關領域值得關注的一些研究進展（一）、新技術催生“基因改造人” 美國新澤西州圣巴納巴斯醫(yī)學中心生殖醫(yī)學科學研究所的科學家，利用一種叫做“卵質轉移”的技術，從捐獻的卵子中抽出少量細胞質，注入不孕婦女的卵子內，然后進行受精。這樣，原本因卵子有缺陷而無法生育的婦女

7、經過這種移植后就懷了孕。采用的技術只不過是把健康婦女捐獻的正常卵子中的某些DNA成分添加到不孕婦女的卵子中，并沒有對培育出的嬰兒基因進行修改，因此他們培育出的這些嬰兒稱不上是“轉基因嬰兒”。（二）、“抗癌嬰兒”在美國出世 美國芝加哥生育遺傳研究所的科學家宣布，他們利用“胚胎植入前的基因診斷”（PDG）幫助來自紐約的一對夫婦懷孕，并生育一個沒有“利弗勞梅尼綜合癥”的健康男嬰。這名嬰兒后來被稱之為“抗癌嬰兒”。 利弗勞梅尼綜合癥是一種家族性遺傳病，它對多種癌癥，包括乳腺癌和白血病有遺傳傾向。利弗勞梅尼綜合癥基因攜帶者通常會把這種基因遺傳給孩子，在孩子活到45歲時，將有50的可能患上與利弗勞梅尼綜合

8、癥有關的癌癥；而孩子活到60歲時，這種可能性就增加為90。 這種“定制”嬰兒技術，實際上就是試管嬰兒技術和胚胎植入前的遺傳診斷技術的聯(lián)合應用。先通過試管嬰兒技術使精子、卵子在體外結合后形成多個胚胎，待每個胚胎長到一定重量時，從胚胎中取出1至2個細胞，對其進行細胞學檢查，判斷胚胎中是否存在遺傳疾病的基因，再把經過篩查確認為健康的胚胎放回母親子宮內，孕育成健康的胎兒。（三）、克隆羊多利（Dolly）已分化的細胞仍具有全能性實驗表明：植入的表皮細胞核如同受精卵的核一樣，具有全套基因，在發(fā)育上是全能的；體細胞的分化并非是由于它們丟失了基因或所含的基因不同，而是分化的細胞各自選擇性地“打開”并表達了不同

9、的“奢侈” 基因。（四）、人類基因組計劃The Human Genome Project(HGP)1986年由美國生物學家杜伯克首次提出1990年10月美國投資30億美元啟動計劃 美國、日本、英國、加拿大、瑞典1999年7月我國注冊承擔人類基因組1%測序任務2000年3月我國科學家完成3號染色體測序2000年5月人類基因組草圖完成(人類基因組計劃成功的里程碑。)截止到2005年，人類基因組計劃的測序工作已經完成（五） 中國水稻基因組 錦繡般的中國云南紅河哈尼梯田，成為2002年4月5日出版的美國科學雜志的封面。這份世界權威學術期刊，以封面文章形式和顯著篇幅，登出中國科學家繪出水稻基因組工作框架

10、圖的歷史性論文。 這是由中國科學家獨立完成的一項世界級研究成果，它標志著在基因組學這一生命科學前沿領域，中國已部分具備世界領先的實力?！昂翢o疑問，中國基因組學研究已達到世界水平”，科學雜志總編、美國國家科學院院士唐納德肯尼迪對新華社記者說。 隨著“人類基因組計劃”的完成，結構基因測序的突破，由此延伸的“后基因組計劃”即以功能基因鑒定為中心的“功能基因組學”應運而生。后基因組計劃利用結構基因組計劃所提供的信息和產物，發(fā)展和應用新的技術手段，通過在基因組或系統(tǒng)水平上全面分析基因的功能，使得生物學的研究從單一基因或蛋白質的研究轉向多個基因或蛋白質同時進行的系統(tǒng)研究，為在整體水平上探討生命活動規(guī)律奠定

11、了基礎。目前國際基因組研究開發(fā)的總體趨勢已發(fā)生了新的變化。 （六）后基因組計劃（Post-genome） 隨著人類基因組遺傳圖、物理圖的相繼完成，基因組序列工作框架圖于2000年6月繪就。2001年2月，國際著名雜志Nature和Science分別發(fā)表國際公共領域人類基因組合作計劃和美國Celera公司同時公布的人類基因組圖譜，預示著一場以排列人類基因組DNA全序列的“結構基因組”的研究階段基本完成?；蚪M研究翻開了歷史新篇章，一個以破譯、解讀、開發(fā)基因組功能信息為主要研究內容的時代已經開始，即轉入對基因組功能的研究。（七）功能基因組和蛋白質組蛋白質組學轉錄組學功能RNA組學代謝組學糖組學 美

12、國HGP自1990年10月正式啟動以來，基因組研究產生了大量的信息，海量信息的分析、加工和利用，促進了生物信息學的誕生和發(fā)展。生物信息學不但集中了許多國家政府的投入，而且吸引了全世界不同學科的精英，包括數(shù)學、物理、化學、計算機、材料等，同時也推動了生物芯片技術的研究和開發(fā)（八）生物信息學和生物芯片 2002年最重要的科學發(fā)現(xiàn)之一 在多種生物中，外源或內源性的雙鏈RNA(double-stranded RNA dsRNA)導入細胞中，與dsRNA 同源的mRNA則受到降解，因而其相應的基因受到抑制，由于這是一種在RNA水平的基因表達抑制，故也稱為RNA干擾(RNA interference, R

13、NAi)。RNAi可能是生物普遍存在的RNA水平上調節(jié)基因表達的方式，對于細胞防御病毒的感染、以及調節(jié)正?；虻墓δ芫哂兄匾饔?。（九）RNA 干擾(RNA interference) 嚴重急性呼吸綜合癥（Severe Acute Respiratory Syndrome, SARS, 或傳染性非典型肺炎）2002-2003年冬春之交SARS的流行，不僅威脅著人類的健康與生命，也使社會經濟生活受到巨大的影響。面臨與SARS不期而遇的遭遇戰(zhàn)，全世界的醫(yī)務和科技工作者在幾乎毫無準備的情況下迎難而上，經11個國家和地區(qū)的13個實驗室的科學家通力合作，不到一個月時間就確定了導致SARS的元兇一種前所未

14、知的新型冠狀病毒（SARS Coronavirus SARS-Cov）。 （十）嚴重急性呼吸綜合癥(SARS) SARS冠狀病毒其核心為螺旋狀排列的RNA及衣殼（N蛋白）組成的核殼體，其外為包膜。N蛋白是SARS病毒重要結構蛋白，在病毒轉錄、復制和成熟中起作用。病毒核酸除編碼RNA聚合酶外，編碼的主要結構蛋白是N、S、M、E等蛋白。病毒包膜有E蛋白，表面有兩種糖蛋白，即S蛋白和M蛋白。S蛋白其功能是與細胞受體結合，使細胞發(fā)生融合，是SARS冠狀病毒侵染細胞的關鍵蛋白。M蛋白為跨膜蛋白，參與包膜形成。 新型冠狀病毒基因片段在基因組中的定位 NS 非結構蛋白；S 針刺糖蛋白；HE 血凝集素脂酶糖蛋

15、白； M 膜糖蛋白；N 核衣殼蛋白2002年8月17日，美寶環(huán)球集團正式向外界宣布：他們發(fā)現(xiàn)了一種全新的人體細胞-再生潛能細胞，潛能再生細胞是以普通細胞形式存在于人體組織里的，它具備原位啟動自身增殖功能，能及時補充凋亡、退化、損傷、壞死的組織細胞。也就是說當組織器官中的細胞凋亡時，潛伏在組織器官中的潛能再生細胞就能夠及時地再生復制同種細胞，以補償空缺，這樣就不會出現(xiàn)人體器官壞死的現(xiàn)象。（十一)干細胞研究進展（十二）轉基因技術（Transgenic technique）近幾年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者及其研究前言：諾貝爾獎是以瑞典著名化學家、硝化甘油炸藥發(fā)明人阿爾弗雷德貝恩哈德諾貝(1833-1

16、896) 的部分遺產作為基金創(chuàng)立的。為了紀念這位偉大的發(fā)明 家，從1901年開始，每年 在他去世的日子里，即12 月10日頒發(fā)諾貝爾獎。2001 美國的利蘭哈特韋爾、英國的蒂莫西亨特、保羅納斯表彰他們發(fā)現(xiàn)在細胞裂變中的重要控制物質，這可以使人們找到癌癥治療的新方法。2002 英國的約翰勞爾斯頓和悉尼布雷內、美國的羅伯特霍維茨表彰他們在研究基因如何控制器官發(fā)育和細胞死亡過程方面所作出的貢獻。2003 美國科學家保羅勞特布爾和英國科學家彼得曼斯菲爾德表彰他們在核磁共振成像技術領域的突破性成就。這項技術使人們可以詳細了解大腦和人體內部器官的狀態(tài)。2004 美國科學家理查德阿克塞爾和琳達巴克表彰兩人在

17、氣味受體和嗅覺系統(tǒng)組織方式研究中作出的貢獻。2005 諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予澳大利亞科學家巴里馬歇爾和羅賓沃倫，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了導致胃炎和胃潰瘍的細菌幽門螺桿菌。2006 美國科學家安德魯法爾和克雷格梅洛。他們發(fā)現(xiàn)了核糖核酸(RNA)干擾機制，這一機制已被廣泛用作研究基因功能的一種手段并有望在未來幫助科學家開發(fā)出治療疾病的新療法。 2007 美國科學家馬里奧卡佩奇和奧利弗史密西斯、英國科學家馬丁埃文斯。這三位科學家是因為“在涉及胚胎干細胞和哺乳動物DNA重組方面的一系列突破性發(fā)現(xiàn)”而獲得這一殊榮的。這些發(fā)現(xiàn)導致了一種通常被人們稱為“基因打靶”的強大技術。這一國際小組通過使用胚胎干細胞在老鼠身

18、上實現(xiàn)了基因變化。2008 諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予兩位法國科學家弗朗索瓦絲巴爾-西諾西(Franoise Barr-Sinoussi)、呂克蒙塔尼(Luc Montagnier)和德國科學家哈拉爾德楚爾豪森(Harald zur Hausen) 。他們分別在宮頸癌致病因和艾滋病病毒研究上有突出成就。2009 三位美國科學家伊麗莎白布萊克本、卡蘿爾格雷德、杰克紹斯塔克因發(fā)現(xiàn)了端粒和端粒酶保護染色體的機理被授予了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。端粒和端粒酶的這一機理的發(fā)現(xiàn)對于生命醫(yī)學發(fā)展、對于人類攻克癌癥等疾病，有著深遠影響。杰克紹斯塔克卡蘿爾格雷德 伊麗莎白布萊克本 2010 英國生理學家羅伯特愛德華茲

19、因為在 試管嬰兒方面的研究獲得2010年諾貝 爾生理學或醫(yī)學獎。羅伯特愛德華茲 現(xiàn)為英國劍橋大學教授，被稱為“試管 嬰兒之父”。2011 三位科學家分別是美國人布魯斯巴特 勒，盧森堡人朱爾斯霍夫曼，以及加 拿大人拉爾夫斯坦曼。獲獎者發(fā)現(xiàn)了 免疫系統(tǒng)激活的關鍵原理，這使人們 對人體免疫系統(tǒng)的認識有了革命性的 改變。據(jù)介紹，無論是研發(fā)針對傳染 病的“治療性疫苗”，還是開發(fā)對抗癌 癥的新方法，這三位科學家的研究成 果有重要的意義。2012 2012諾貝爾生理或醫(yī)學獎頒給研究細胞核重編程和誘導多能干細胞的約翰格登與山中伸彌。這項技術以人體自細胞復制成“萬用細胞”干細胞備受矚目，為培育自體器官組織提供幫助。但因有致癌等風險，用于臨床的仍任重道遠，長壽或許依然是夢。山中伸彌（Shinya Yamanaka）約翰伯特蘭格登John Bertrand