生物化學(xué)基礎(chǔ)

生物化學(xué)基礎(chǔ)第1頁/共76頁一、化學(xué)是生命體的共同“語言”蛋白質(zhì)(protein)，可執(zhí)行多種功能。脂肪(triglyceride)含量因人而異。膜脂(membranelipids)和糖類(carbohydrates)是組織、細(xì)胞的重要結(jié)構(gòu)成分。

葡萄糖和糖原是機(jī)體重要的產(chǎn)能物質(zhì)。（一）人體是由化學(xué)物質(zhì)組成的——多種有機(jī)物和無機(jī)物組成的。

第2頁/共76頁成年人體內(nèi)的主要化學(xué)組成物質(zhì)含量（％）水60.0可溶性無機(jī)鹽0.7不溶性無機(jī)鹽5.5蛋白質(zhì)16.0三脂酰甘油（脂肪）13.0膜脂2.5糖類1.5核酸0.2第3頁/共76頁細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液離子組成明顯不同濃度（mM/L）離子細(xì)胞外液細(xì)胞液Na+137.010K+4.7141Ca2+2.410-4Mg2+1.431Cl-113.04HPO42+/H2PO42.011HCO3-28.010有機(jī)酸、磷酸酯1.8100第4頁/共76頁（二）生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)途徑基本相同所有生物體都含有蛋白質(zhì)、脂類、糖類、核酸（DNA和RNA）和其它有機(jī)化合物（如維生素）等。這些化合物就是所謂的“生物分子”。生物多樣性：不同種類生物體的生物分子種類和含量不完全相同，這就是物種多樣性的道理。第5頁/共76頁生物一致性：盡管組成不同生物體的有機(jī)化合物不同，但這些有機(jī)化合物又都是由碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）和其它一些化學(xué)元素組成的，它們?cè)诟鞣N生物體內(nèi)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)途徑基本上是一樣的，即生命活動(dòng)（新陳代謝、繁殖遺傳）規(guī)律基本相同，體現(xiàn)了生命現(xiàn)象的一致性。第6頁/共76頁自然界生物的多樣性和一致性通過基因組DNA實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，生命活動(dòng)的最根本物質(zhì)——DNA是生命體的“共同語言”也得到了最充分的體現(xiàn)。第7頁/共76頁二、水是進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的基質(zhì)水是生命的介質(zhì)。水分子是極性分子。水合作用：在鹽的水溶液中，水分子的氫原子、氧原子分別與鹽分子的陰離子(anion)、陽離子(cation)形成離子-雙極鍵(ion-dipoleinteraction)，從而使離子總是處于水化膜的包圍之中，這就是水合作用。（一）水的分子極性是形成分子超聚物的基礎(chǔ)第8頁/共76頁生物體內(nèi)很多分子都有一定的功能基團(tuán)，在一定條件下解離而帶有電荷，因而它們均可與水分子發(fā)生水合作用。水合作用強(qiáng)弱（即水化程度）對(duì)生物分子的各種理化性質(zhì)、反應(yīng)速度、功能影響很大。而水環(huán)境，如pH、離子強(qiáng)度等又可對(duì)分子功能基團(tuán)的解離產(chǎn)生影響。第9頁/共76頁（二）pK值是生物分子功能團(tuán)的特征性常數(shù)水的解離：水分子可以可逆地解離為水合質(zhì)子（H3O+）和羥離子（OH–），水溶液中產(chǎn)生的質(zhì)子濃度和羥離子濃度是一個(gè)常數(shù)，即（[H+]×[OH–]=10–14M2）。H2O+H2O←→H3O++OH–水合質(zhì)子（H3O+）通常用質(zhì)子濃度或氫離子濃度（[H+]）來表示。一個(gè)水溶液的質(zhì)子濃度[H+]（mol/L）的負(fù)對(duì)數(shù)就是這個(gè)溶液的pH值：pH=-lg[H+]

第10頁/共76頁釋出質(zhì)子者為“酸”，結(jié)合質(zhì)子者為“堿”。有機(jī)羧酸的水解：

R-COOH←→R-COO-+H+有機(jī)胺的水解：

R-NH2

++H+←→R-NH3+第11頁/共76頁pK是該功能團(tuán)解離常數(shù)KD的負(fù)對(duì)數(shù)。pK值決定著帶電基團(tuán)的性質(zhì)，它是生物分子的特征性常數(shù)。生物分子的功能基團(tuán)均有一定的解離能力（用KD表示），即有一定的酸堿性，其酸堿性也可用pH值來表示。例如：HA←→A-+H+生物分子A功能團(tuán)的酸堿性可表示為：pH=pK-lgHA/A-第12頁/共76頁（三）人體的體液是一個(gè)中性環(huán)境人體的各部分體液大多維持近中性（pH在7.4左右），其穩(wěn)定性依賴體內(nèi)（invivo）緩沖體系。體內(nèi)主要的緩沖體系：H2CO3

←→

H++HCO3-HHb

←→H++Hb-HHbO2

←→H++HbO2-H2PO4-

←→H++HPO42-HPr

←→H++Pr-第13頁/共76頁體外（invitro）實(shí)驗(yàn)中常用的緩沖試劑：碳酸氫鹽和磷酸鹽緩沖體系；N-三(羥甲基)氨基甲烷(N-tris(hydroxymethyl)aminomethane,TRIS或THAM）哌嗪-N,N-雙(2-乙烷磺酸)（piperazine-N,N’-bis[2-ethanesulfonicacid],PIPES）N-2-羥乙基哌嗪-N-2-乙烷磺酸（N-2-hydroxyethyl-piperazine-N-2-ethanesulfonicacid,HEPES）

第14頁/共76頁三、活細(xì)胞內(nèi)的生物分子很復(fù)雜細(xì)胞內(nèi)化學(xué)分子種類多，而且多數(shù)分子的質(zhì)量很大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。生物分子內(nèi)的各種原子由共價(jià)鍵（covalentbond）連接在一起；但非共價(jià)鍵是維持生物大分子三維結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵，也是生物分子-分子相互作用所必需的。（一）生物分子有共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵連接第15頁/共76頁（二）生物分子的化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)移偶聯(lián)構(gòu)件分子與分子之間形成特殊的化學(xué)鍵聯(lián)系，并伴有水的釋放。這類反應(yīng)稱為縮合反應(yīng)（condensationreaction）。反之，共價(jià)鍵可以裂解，并伴有加水反應(yīng)，這類反應(yīng)稱為水解反應(yīng)（hydrolysis）。化學(xué)鍵形成的過程需要供能；化學(xué)鍵裂解的過程是產(chǎn)能過程；與無機(jī)化學(xué)反應(yīng)不同，生物化學(xué)合成消耗的是代謝能，通常為ATP，少數(shù)反應(yīng)由GTP、UTP或CTP供能。有些分子的化學(xué)鍵，如酯鍵、醚鍵、酰鍵和酰胺鍵含有較多能量。酐和硫酯鍵所含能量較大，因此它們是典型的富能鍵（energy-richbond）。

第16頁/共76頁（三）生物分子普遍存在同分異構(gòu)體與無機(jī)物相同，生物分子也有同分異構(gòu)體（isomer）或同分異型物（isomericform）。二者不同的是，生物分子的同分異構(gòu)體是在特異的酶催化下生成的。第17頁/共76頁2．幾何異構(gòu)體分子內(nèi)具有鋼性結(jié)構(gòu)

分子內(nèi)化學(xué)基團(tuán)相對(duì)“鋼性”結(jié)構(gòu)組成部分排列不同的異構(gòu)體稱為幾何異構(gòu)體(geometricisomer)，又稱非對(duì)映（立體）異構(gòu)物(diastereomer)。1．位置異構(gòu)體的關(guān)鍵功能團(tuán)的位置不同

這類分子的功能基團(tuán)在分子內(nèi)的位置不同，所以稱為位置異構(gòu)體（positionalisomer）。第18頁/共76頁3．光學(xué)異構(gòu)體具有“手性”

由結(jié)構(gòu)組分按不同輪轉(zhuǎn)方向圍繞不對(duì)稱碳原子所形成的異構(gòu)物，類似于左、右手之間的差異，從而產(chǎn)生光學(xué)異構(gòu)現(xiàn)象，這類化合物稱為光學(xué)異構(gòu)體（opticalisomer）。這樣產(chǎn)生的光學(xué)異構(gòu)現(xiàn)象又稱“手性”（chirality）。第19頁/共76頁（四）聚糖、蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)蘊(yùn)藏信息聚糖類、蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子(macromolecule)具有信息功能，所以常將它們稱為生物信息分子(informationalbiomolecule)。在生物信息大分子中，生命信息的傳遞有賴于蛋白質(zhì)和核酸。所以，蛋白質(zhì)和核酸是生命活動(dòng)的最重要物質(zhì)基礎(chǔ)。第20頁/共76頁生物信息大分子的特點(diǎn)：

首先，生物信息大分子質(zhì)量一般在104~106之間或以上。其次，生物信息大分子都是由特殊的亞單位（subunit）按一定的順序、首尾連接形成的多聚物（polymer）。第三，在這些多聚物中，亞單位與亞單位之間的排列是有一定順序的。亞單位在多聚物中的排列順序稱為序列（sequence）。序列決定著生物大分子的空間（立體）結(jié)構(gòu)形式和功能，決定著生物大分子的信息內(nèi)容。第21頁/共76頁第二節(jié)細(xì)胞（學(xué)）基礎(chǔ)CellularFoundation

第22頁/共76頁一、活細(xì)胞可分為真核細(xì)胞和原核細(xì)胞兩類生物體的細(xì)胞基本上可分為兩類，即有核細(xì)胞和無核細(xì)胞：有核細(xì)胞稱為真核細(xì)胞（eukaryoticcell）無核細(xì)胞稱為原核細(xì)胞（prokaryoticcell）真核細(xì)胞與原核細(xì)胞的區(qū)別不僅在于有核或無核，而且其它亞細(xì)胞器也有差別。第23頁/共76頁二、原核細(xì)胞沒有膜限定的核和復(fù)雜的亞細(xì)胞器原核生物（prokaryotes），包括粘菌、裂殖菌、放線菌、支原體、立克次體、蘭-綠藻、螺旋體和草履蟲等；它們的細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單，沒有動(dòng)物細(xì)胞、植物細(xì)胞那樣典型的細(xì)胞核，也沒有完善的細(xì)胞器，而且遺傳信息量也小。第24頁/共76頁細(xì)胞壁：細(xì)胞壁含有大量復(fù)合糖，壁的外部有一層外膜，外膜與壁之間是周間隙(periplasmicspace)；壁的內(nèi)側(cè)面有一層質(zhì)膜(plasmamembrane)，質(zhì)膜向細(xì)胞液突出形成的突起，即間體(mesosome)。胞液所含成分和結(jié)構(gòu)要比真核細(xì)胞簡單得多。細(xì)胞內(nèi)沒有膜的區(qū)隔分布，也沒有細(xì)胞核。遺傳信息就儲(chǔ)存在單純由DNA分子組成的染色質(zhì)中。第25頁/共76頁三、真核動(dòng)物細(xì)胞有細(xì)胞核和其它亞細(xì)胞器（一）細(xì)胞核是最大的細(xì)胞器第26頁/共76頁（二）線粒體和溶酶體含有特殊的酶大多數(shù)細(xì)胞所共有的基本的細(xì)胞器：線粒體（mitochondria）溶酶體（lysosome）粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（roughendoplasmicreticulum）滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（smoothendoplasmicreticulum）高爾基復(fù)合體（Golgicomplex）第27頁/共76頁線粒體(mitochondria)呼吸鏈外膜內(nèi)膜膜間腔嵴ATP合酶基質(zhì)第28頁/共76頁溶酶體：一種膜包裹的細(xì)胞器，大小與線粒體相似，內(nèi)含水解酶類，如果膜破壞酶被釋出，則會(huì)降解細(xì)胞物質(zhì)。粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：核糖核蛋白體結(jié)合內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成的顆粒狀內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，是蛋白質(zhì)合成的部位；滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：是甘油三酯（脂肪）、磷脂、膽固醇和糖原合成有關(guān)的酶集中的場所。高爾基復(fù)合體：是蛋白質(zhì)或其它細(xì)胞分泌物質(zhì)濃縮和積累的場所。第29頁/共76頁人和高等動(dòng)物的細(xì)胞與植物細(xì)胞有明顯區(qū)別:很多植物細(xì)胞有與動(dòng)物細(xì)胞相似的亞細(xì)胞器，此外還含有葉綠體和一些較大的空泡；植物細(xì)胞有鋼性的纖維素細(xì)胞壁，動(dòng)物細(xì)胞僅有細(xì)胞膜，而沒有細(xì)胞壁。第30頁/共76頁四、真核細(xì)胞增殖是一個(gè)周期性的過程無論是單細(xì)胞、還是多細(xì)胞的真核生物，細(xì)胞增殖均有賴于一個(gè)周期性的活動(dòng)過程——細(xì)胞周期（cellcycle）。細(xì)胞周期由細(xì)胞生長和細(xì)胞分裂組成。（一）真核體細(xì)胞周期由4個(gè)時(shí)相組成第31頁/共76頁細(xì)胞周期間期（interphase）有絲分裂（mitosis）胞質(zhì)分裂（cytokinesis）DNA合成前期（G1期）DNA合成期（S期）DNA合成后期（G2期）指核分裂的過程，包括前期、中期、后期和末期。在高等真核生物，經(jīng)常習(xí)慣將核分裂和胞質(zhì)分裂統(tǒng)一用有絲分裂表示。體細(xì)胞增殖過程中：

第32頁/共76頁每一個(gè)細(xì)胞周期則由G1期、S期、G2期和M期組成。有些細(xì)胞可脫離細(xì)胞周期、進(jìn)入非分裂狀態(tài)或生長停滯，即G0期。第33頁/共76頁（二）多種調(diào)節(jié)蛋白參與細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)參與細(xì)胞周期調(diào)控的核心分子可分為三類：周期蛋白依賴性蛋白激酶(cyclin-dependentkinases，Cdks)周期蛋白(cyclins)Cdk抑制蛋白(Cdkinhibitorproteins,CKIs)第34頁/共76頁1．Cdks是一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶不同真核生物Cdk種類不同；各種Cdk在細(xì)胞周期內(nèi)特定的時(shí)間被激活，催化特異底物發(fā)生磷酸化，驅(qū)使細(xì)胞完成細(xì)胞周期。因此Cdks在細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用。第35頁/共76頁2．細(xì)胞周期蛋白激活Cdks

周期蛋白是一類伴隨細(xì)胞周期不同階段表達(dá)、累積和降解的蛋白質(zhì)；與Cdks結(jié)合后激活Cdks。在高等真核細(xì)胞中，周期蛋白主要包括8個(gè)成員（A~H）。第36頁/共76頁根據(jù)其累積的峰值及主導(dǎo)作用不同，通常分為:G1期周期蛋白:包括周期蛋白C、D、E，在G1期和G1/S轉(zhuǎn)換點(diǎn)發(fā)揮作用，啟動(dòng)細(xì)胞周期和DNA的合成。M期周期蛋白包括周期蛋白A、B，作用于G1/S、G2/M轉(zhuǎn)換點(diǎn)，促進(jìn)細(xì)胞進(jìn)入S期和M期。第37頁/共76頁3．CKIs是Cdk的負(fù)調(diào)節(jié)因子大多數(shù)Cdk抑制蛋白（CKIs）直接結(jié)合Cdk，或與Cdk－周期蛋白復(fù)合體作用，抑制Cdks活性而調(diào)節(jié)細(xì)胞周期。CKI可分為兩大家族：第一家族(CIP/KIP家族)：具有廣泛抑制Cdk作用，包括P21(CIP1/WAF1/CAP20/SDI1)、P27(KIP1)和P57；它們主要與周期蛋白D、E、A結(jié)合，抑制由這些周期蛋白所激活的Cdk；第二家族(INK4家族)：具有特異性抑制作用，包括P15、P16、P18和P19。第38頁/共76頁第三節(jié)遺傳（學(xué)）基礎(chǔ)GeneticFoundation第39頁/共76頁一、DNA和蛋白質(zhì)是聯(lián)系生物化學(xué)與遺傳學(xué)的橋梁由于不同生命體細(xì)胞內(nèi)存在著不同的蛋白質(zhì)，所以生命體能在形態(tài)和代謝功能方面表現(xiàn)出不同的遺傳性狀。（一）蛋白質(zhì)表現(xiàn)遺傳性狀第40頁/共76頁（二）DNA是生命傳遞的載體體細(xì)胞：同一物種生物個(gè)體的所有體細(xì)胞都含有同樣數(shù)目的染色體，而且是成對(duì)(2n)的，即雙倍體。雙倍體染色體有一半來自父親，另一半來自母親。DNA組蛋白染色質(zhì)(chromatin)染色體(chromosome)生殖細(xì)胞：所含染色體數(shù)目是單倍染色體數(shù)目(n)；形成受精卵或合子后，染色體又變成了雙倍體。第41頁/共76頁二、基因即DNA決定遺傳形狀遺傳學(xué)第一定律（分離定律）：成對(duì)的遺傳因子在生殖細(xì)胞形成時(shí)必然要分離。遺傳學(xué)第二定律（自由組合定律）：在生殖細(xì)胞形成時(shí)，原來不成對(duì)的遺傳因子可以自由組合、進(jìn)入一個(gè)生殖細(xì)胞中。（一）基因決定遺傳形狀第42頁/共76頁遺傳學(xué)第三定律（連鎖和交換定律）：基因在每條染色體內(nèi)呈直線排列。染色體可以自由組合，但排在同一條染色體上的基因是不能自由組合的。同源染色體有時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷裂、結(jié)合，發(fā)生基因“交換”。第43頁/共76頁（二）DNA就是基因DNA是生命遺傳的基因物質(zhì)：DNA指導(dǎo)著特定的蛋白質(zhì)分子的產(chǎn)生，從而控制生物體的化學(xué)過程。遺傳中心法則：第44頁/共76頁（三）基因（遺傳）變化可改變基因活性DNA復(fù)制偶爾會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)；在內(nèi)、外環(huán)境因素的作用下，DNA也會(huì)發(fā)生損傷。如果發(fā)生的差錯(cuò)或損傷不能得以矯正或修復(fù)，破壞了基因組的穩(wěn)定性，就會(huì)引起基因變異或突變（mutation）?；颍―NA）序列變異或突變屬于一種遺傳變化（geneticchange），可引起基因表達(dá)活性改變。第45頁/共76頁基因突變?cè)谏镞M(jìn)化中的意義：如果突變發(fā)生在某個(gè)關(guān)鍵基因，這個(gè)變異個(gè)體適應(yīng)環(huán)境的能力可能更強(qiáng)，而且極有可能將變異的性狀遺傳給后代。反之，個(gè)體變異可能不適應(yīng)生存環(huán)境而死亡，甚至絕種。第46頁/共76頁基因突變與疾?。夯蛲蛔?nèi)绻婕凹?xì)胞生長調(diào)控功能，也會(huì)引起腫瘤或相關(guān)疾病?；蛲蛔?cè)诳茖W(xué)研究中的意義：對(duì)揭示目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系具有指導(dǎo)意義。第47頁/共76頁（四）表觀遺傳變化也可影響基因活性表觀遺傳變化（epigeneticchange）只有基因表達(dá)模式改變，而無基因（DNA）序列變化。最常見的表觀遺傳變化有DNA甲基化、組蛋白乙?；然瘜W(xué)修飾。這些變化可改變相關(guān)的基因活性，影響生物化學(xué)代謝。第48頁/共76頁第四節(jié)進(jìn)化的基礎(chǔ)EvolutionaryFoundation

第49頁/共76頁一、生命進(jìn)化的前期存在著化學(xué)進(jìn)化生命起源學(xué)說：“自生論”——生命自發(fā)地從非生命物質(zhì)產(chǎn)生?，F(xiàn)代的“自生論”認(rèn)為，生命的發(fā)生是過去時(shí)，并經(jīng)歷了極其長久而緩慢的過程。（一）生命的發(fā)生經(jīng)歷了長久而緩慢的過程第50頁/共76頁（二）化學(xué)進(jìn)化首先產(chǎn)生分子1953年，米勒實(shí)驗(yàn)得到了氨基酸；1959年，德國科學(xué)家威爾漢姆·格勞斯(WilhelmGroth)和馮·維森豪夫(H.vonWeyssenhoff)采用紫外線作為能源也得到了氨基酸；

1961年，西班牙裔美國生化學(xué)家簡·歐羅得到了幾個(gè)氨基酸和短肽的混合物以及腺嘌呤、核糖和脫氧核糖；1963年，龐那姆帕魯瑪?shù)鹊膶?shí)驗(yàn)得到了腺苷以及腺苷三磷酸。第51頁/共76頁從地球原始大氣和原始海洋中最先出現(xiàn)的簡單化合物開始，先是簡單糖，后來是氨基酸、核苷酸，再經(jīng)歷足夠長的時(shí)間出現(xiàn)蛋白質(zhì)和核酸，最終形成了能自我復(fù)制的核酸分子。第52頁/共76頁（三）RNA或其前體可能是最早的基因和催化分子生命體的共同祖先分子共同的祖先分子究竟是DNA、RNA、還是蛋白質(zhì)？具有自我剪切功能的RNA分子的發(fā)現(xiàn)，使這個(gè)問題答案的傾向是先有RNA。第53頁/共76頁第54頁/共76頁二、生命分子積聚為細(xì)胞（一）最初的分子聚集體是近似細(xì)胞結(jié)構(gòu)的微球（二）類葉綠體聚集體的形成先于類線粒體聚集體第55頁/共76頁三、分子解剖學(xué)揭示進(jìn)化關(guān)系18世紀(jì)，CarolusLinnaeus根據(jù)生物體之間的解剖學(xué)相似性和差異性分析物種之間的關(guān)系。19世紀(jì)，CharlesDarwin提出“不同物種來自共同的祖先”假說來解釋現(xiàn)代生物的種系發(fā)生。20世紀(jì)生物化學(xué)研究揭示了不同物種細(xì)胞的分子解剖學(xué)——各種核酸、蛋白質(zhì)的單亞基序列和三維結(jié)構(gòu)，獲得了更多的資料以分析進(jìn)化關(guān)系，發(fā)展進(jìn)化理論。（一）分子起源比經(jīng)典的物種起源更精確第56頁/共76頁上個(gè)世紀(jì)80年代后，包括一些細(xì)菌、微生物、植物、動(dòng)物和人的基因組序列陸續(xù)被揭示，不同物種間更多的對(duì)比資料將會(huì)對(duì)物種進(jìn)化過程提供更多的啟示。根據(jù)基因序列演繹的分子起源與顯微鏡結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的經(jīng)典物種起源是一致的，在某些方面甚至更精確。在大體解剖上不同物種似乎有很大差異，極難分辨或歸屬，但是從分子水平比較各種生物基本結(jié)構(gòu)單位卻容易得多；不論是簡單的，或復(fù)雜的生命形式，分子結(jié)構(gòu)和分子機(jī)制具有明顯的相似性，易于演繹之間的進(jìn)化關(guān)系。第57頁/共76頁（二）比較基因組學(xué)揭示進(jìn)化和鑒定基因功能如果兩個(gè)基因序列有較大的相似性，它們的序列是同源的（homologous），所編碼的蛋白質(zhì)互為同源體（homolog）。同一物種中出現(xiàn)的兩個(gè)同源基因彼此是平行的或同行的（paralogous），它們的編碼蛋白質(zhì)互為同源同（行）體（paralog）。在不同物種出現(xiàn)的同源基因或蛋白質(zhì)彼此互為同源異（行）體（ortholog）。第58頁/共76頁異（行）體通常是指在兩個(gè)物種發(fā)現(xiàn)的具有相同功能的基因或蛋白質(zhì)，或者在一個(gè)物種新發(fā)現(xiàn)的序列與另一物種編碼相同功能蛋白質(zhì)的基因序列極其接近。第59頁/共76頁基因組“注釋”的內(nèi)容及意義:根據(jù)基因組序列就可以演繹出基因產(chǎn)物的功能；描述通過與其它基因組比較、演繹基因產(chǎn)物的功能，已經(jīng)明確的蛋白質(zhì)的功能等；從而演繹出生物體的代謝能力，演繹進(jìn)化過程；還可以獲得新的結(jié)構(gòu)、代謝過程、調(diào)節(jié)機(jī)制，以及生物進(jìn)化過程基因組變化的相關(guān)信息。基因組學(xué)（genomics）生物信息學(xué)（bioinformatics）

第60頁/共76頁第五節(jié)生物信息學(xué)基礎(chǔ)

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第61頁/共76頁一、生物信息學(xué)通過生物數(shù)據(jù)分析可衍生新知識(shí)生物信息學(xué)(Bioinformatics)是20世紀(jì)80年代末興起的，以生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)等為基礎(chǔ)的一門邊緣學(xué)科。生物信息學(xué)與計(jì)算生物學(xué)（computationalbiology）易混淆。

第62頁/共76頁生物信息學(xué)是研究、開發(fā)或?qū)⑵溆糜陂_拓生物醫(yī)學(xué)、行為衛(wèi)生科學(xué)數(shù)據(jù)的計(jì)算工具和方法，其中包括對(duì)這些數(shù)據(jù)的獲取、儲(chǔ)存、組織、存檔、分析或圖示等；計(jì)算生物學(xué)是指對(duì)數(shù)據(jù)分析的理論方法、數(shù)學(xué)模型以及計(jì)算模擬技術(shù)的研究與開發(fā)，并將其應(yīng)用于生物學(xué)、行為學(xué)及社會(huì)系統(tǒng)的研究。第63頁/共76頁生物信息學(xué)的產(chǎn)生首先建立在計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上，而其發(fā)展則有賴于對(duì)適合計(jì)算的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如核酸、蛋白質(zhì)序列以及蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)）的掌握。這些資料需要累計(jì)、分析和比較，所以必須建立計(jì)算機(jī)資料庫和管理系統(tǒng)，改進(jìn)自動(dòng)化程序，發(fā)展生物信息學(xué)。人類基因組計(jì)劃(humangenomeproject,HGP)第64頁/共76頁生物信息學(xué)在人類基因組計(jì)劃中的應(yīng)用：在HGP中，生物信息學(xué)的主要任務(wù)就是融合生物學(xué)、數(shù)學(xué)和信息科學(xué)的理論和方法，以計(jì)算機(jī)為主要工具，對(duì)逐日增長的DNA序列和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)資料中各種類型信息進(jìn)行收集、整理、儲(chǔ)存、發(fā)布、提取、分析和研究。例如，定位基因組中的基因；在數(shù)據(jù)庫中排列序列，確定匹配程度，預(yù)測基因產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和功能；在全細(xì)胞水平描述各種基因-基因產(chǎn)物之間，以及生物體之間的（相互作用）聯(lián)系，推測序列的進(jìn)化發(fā)生關(guān)系。第65頁/共76頁三大生物信息中心:美國的國家生物技術(shù)信息中心（NCBI）/index.html

歐洲生物信息研究所（EBI）日本DNA數(shù)據(jù)庫（DDBJ）第66頁/共76頁生物信息學(xué)不僅包括生物、醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)資料的儲(chǔ)存、獲取、建立分析方法，還可通過對(duì)生物數(shù)據(jù)的計(jì)算分析獲取、衍生新知識(shí)。第67頁/共76頁二、生物信息學(xué)著重分析序列結(jié)構(gòu)及功能基因組學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)生物信息學(xué)分析通常著重在三方面的數(shù)據(jù)——基因組序列、大分子結(jié)構(gòu)及功能基因組學(xué)實(shí)驗(yàn)（如基因表達(dá)譜和酵母雙雜交篩選）數(shù)據(jù)。生物信息學(xué)所用方法、技術(shù)相當(dāng)廣泛，包括多序列排列分析、蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)比較分析、序列系統(tǒng)發(fā)生樹的建立、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測及分類、RNA結(jié)構(gòu)預(yù)測、蛋白質(zhì)功能預(yù)測、基因表達(dá)數(shù)據(jù)的聚類等。算法研究也是生物信息學(xué)的一個(gè)重要組成部分。第68頁/共76頁三、數(shù)據(jù)庫的種類與來源有多種數(shù)據(jù)庫（database）是一種將各種數(shù)據(jù)集中、組織，并能通過計(jì)算機(jī)對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行查詢、管理及修改的系統(tǒng)，是生物信息學(xué)研究和應(yīng)用中至關(guān)重要的一部分。根據(jù)數(shù)據(jù)組織方法不同，可將數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)大致分為3類：平面文件數(shù)據(jù)庫(flatfiledatabase)管理系統(tǒng)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(relationaldatabase)管理系統(tǒng)物體導(dǎo)向數(shù)據(jù)庫(object-orienteddatabase)管理系統(tǒng)第69頁/共76頁

生物數(shù)據(jù)庫類別（舉例）

數(shù)據(jù)庫類別名稱或舉例主要基因序列儲(chǔ)存庫GenBank/DDBJ/EMBL基因組及比較基因組數(shù)據(jù)庫FlyBase,、COG等基因鑒定及基因結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫AllGenes,、EBP等遺傳及基因酶譜數(shù)據(jù)庫GDB、GenAtlas等基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫GXD、BodyMap等RNA序列及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫