现代分子生物学与环境科学.

现代分子生物学与环境科学湖南大学环境科学与工程学院杨朝晖教授主讲Tel:15717484818E-mail:[e-mail]现代分子生物学与环境科学第一部分绪论第二部分现代分子生物学第三部分现代分子生物学在环境科学中的应用第一部分绪论一.分子生物学的定义二.分子生物学的发展历程三.分子生物学的研究内容四.分子生物学展望一.分子生物学的定义一.分子生物学的定义分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。一.分子生物学的定义DNA与蛋白质DNA的半保留复制DNA的半保留一.分子生物学的定义二.分子生物学的发展历程二.分子生物学的发展历程分子生物学的发展大致可分为三个阶段。1.准备和酝酿阶段19世纪后期到20世纪50年代初，是现代分子生物学诞生的准备和酝酿阶段。在这一阶段产生了两点对生命本质的认识上的重大突破：确定了蛋白质是生命的主要基础物质确定了生物遗传的物质基础是DNA二.分子生物学的发展历程2.现代分子生物学的建立和发展阶段这一阶段是从50年代初到70年代初，以1953年Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型作为现代分子生物学诞生的里程碑开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金时代。在此期间的主要进展包括：遗传信息传递中心法则的建立对蛋白质结构与功能的进一步认识二.分子生物学的发展历程Watson和Crick提出的DNA反向平行双螺旋结构二.分子生物学的发展历程3.初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段70年代后，以基因工程技术的出现作为新的里程碑，标志着人类深入认识生命本质并能动改造生命的新时期开始。其间的重大成就包括：1.重组DNA技术的建立和发展2.基因组研究的发展3.单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展5.细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域二.分子生物学的发展历程分子生物学的发展历程中的重大事件1910年，德国科学家Kossel因首先分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸而获得诺贝尔生理与医学奖。1953年，美国科学家Watson和英国科学家Crick提出了DNA的反向平行双螺旋结构，并于1962年获得诺贝尔奖。这一发现标志着现代分子生物学的诞生。Crick还于1954年提出了遗传信息传递规律(即中心法则)。1958年，Meselson和Stahl做了关于DNA半保留复制的实验。二.分子生物学的发展历程1977年，Sanger设计出双脱氧末端终止法DNA测序并因此荣获1980年诺贝尔化学奖。这一发明为现代分子生物学的发展提供了有力的研究手段。1989年，美国科学家Altman和Cech因1981年发现某些RNA具有酶的功能(称为核酶)而获得诺贝尔化学奖。1993年，美国科学家Mullis由于在1985年发明PCR(polymerasechainreaction)技术而获得诺贝尔化学奖，该技术目前已成为应用最广泛的一种生物技术。三.分子生物学的研究内容1.核酸的分子生物学核酸的分子生物学研究核酸的结构及其功能。由于50年代以来的迅速发展，该领域已形成了比较完整的理论体系和研究技术，是目前分子生物学内容最丰富的一个领域。研究内容包括核酸/基因组的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因工程技术的发展和应用等。遗传信息传递的中心法则（centraldogma）是其理论体系的核心。三.分子生物学的研究内容2.蛋白质的分子生物学蛋白质的分子生物学研究执行各种生命功能的主要大分子──蛋白质的结构与功能。尽管人类对蛋白质的研究比对核酸研究的历史要长得多，但由于其研究难度较大，与核酸分子生物学相比发展较慢。近年来虽然在认识蛋白质的结构及其与功能关系方面取得了一些进展，但是对其基本规律的认识尚缺乏突破性的进展。三.分子生物学的研究内容3.细胞信号转导的分子生物学细胞信号转导的分子生物学研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。构成生物体的每一个细胞的分裂与分化及其它各种功能的完成均依赖于外界环境所赋予的各种指示信号。在这些外源信号的刺激下，细胞可以将这些信号转变为一系列的生物化学变化，例如蛋白质构象的转变、蛋白质分子的磷酸化以及蛋白与蛋白相互作用的变化等，从而使其增殖、分化及分泌状态等发生改变以适应内外环境的需要。三.分子生物学的研究内容3.细胞信号转导的分子生物学信号转导研究的目标是阐明这些变化的分子机理，明确每一种信号转导与传递的途径及参与该途径的所有分子的作用和调节方式以及认识各种途径间的网络控制系统。信号转导机理的研究在理论和技术方面与上述核酸及蛋白质分子有着紧密的联系，是当前分子生物学发展最迅速的领域之一。四.分子生物学展望从分子生物学的发展过程，可以看到在近半个世纪中它是生命科学范围发展最为迅速的一个前沿领域，推动着整个生命科学的发展。至今分子生物学仍在迅速发展中，新成果、新技术不断涌现，这也从另一方面说明分子生物学发展还处在初级阶段。分子生物学已建立的基本规律给人们认识生命的本质指出了光明的前景，但分子生物学的历史还短，积累的资料还不够。四.分子生物学展望例如：在地球上千姿万态的生物携带庞大的生命信息，迄今人类所了解的只是极少的一部分，还未认识核酸、蛋白质组成生命的许多基本规律；又如即使到2005年我们已经获得人类基因组DNA3x109bp的全序列，确定了人的5-10万个基因的一级结构，但是要彻底搞清楚这些基因产物的功能、调控、基因间的相互关系和协调，要理解80%以上不为蛋白质编码的序列的作用等等，都还要经历漫长的研究道路。可以说分子生物学的发展前景光辉灿烂，道路还会艰难曲折。第二部分现代分子生物学一.染色体与DNA二.生物信息的传递三.分子生物学研究法四.基因表达与调控五.疾病与人类健康六.基因组与人类基因组计划一.染色体与DNA本章主要内容:1.染色体概述；2.DNA介绍。一.染色体与DNA1.染色体概述染色体位于真核细胞核的核仁内或是在原核生物的类核体上，包括DNA和蛋白质两大部分，在细胞生活周期的大部分时间内以染色质的形式存在。单倍体真核细胞中常常有多条染色体，但是原核细胞中通常只有一条染色体，因此它们是单倍体。真核生物染色体中DNA与非组蛋白质完全融合，质量比约为1:2；原核生物染色体的蛋白质稀疏地包裹DNA。一.染色体与DNA电子显微镜下的细菌DNA分子细胞内的染色体一.染色体与DNADNA分子RNA分子一.染色体与DNA(1)真核生物染色体染色体的蛋白质包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白是染色体的结构蛋白，其量大约与DNA等量，与DNA组成核小体。根据凝胶电泳性质可将其分为H1、H2A、H2B以及H3和H4，它们都富含赖氨酸和精氨酸，在进化上具有极端保守性(尤其是H3和H4)。非组蛋白大约占组蛋白总量的60%-70%，种类很多，常见的有15-20种。一.染色体与DNA真核生物基因组的特点存在大量重复序列，基因组中不编码的区域多于编码区域；功能DNA序列大多被不编码蛋白质所隔开，基因是不连续的，即“C值反常现象”。内含子、外显子单顺反子即一个结构基因转录、翻译成一个mRNA分子，一条多肽链。具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小。一.染色体与DNA内含子：非编码蛋白的序列，因其插于外显子之间又称插入序列，居间序列。外显子：在真核生物基因中编码蛋白质的序列。单顺反子：即一个结构基因转录、翻译成一个mRNA分子，一条多肽链。多顺反子：每分子mRNA中含几种蛋白质信息具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小。一.染色体与DNA荧光原位杂交显示的着丝粒卫星DNA一.染色体与DNA染色质是由DNA和组蛋白组成的核小体连成的念珠状结构。核小体由H2A、H2B、H3和H4各两个分子，一个H1分子和约200bpDNA组成。染色质经过多次盘绕螺旋形成压缩比为10000倍的染色体。核小体结构一.染色体与DNA(2)原核生物染色体原核生物的基因组很小，一般只有一条染色体，且DNA含量少，其特点是:a.结构简练，大部分DNA都用于编码蛋白质；b.存在转录单元:功能相关的RNA和蛋白质基因往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成转录单元；c.有重叠基因。D.多顺反子mRNA一.染色体与DNA2.DNA介绍(1)DNA的结构DNA结构包括一级结构、二级结构和高级结构。a.一级结构:DNA分子内碱基的排列顺序，其变化通过三联密码子引起蛋白质氨基酸顺序的改变；b.二级结构:指两条多核苷酸反向平行盘绕所生成的双螺旋结构，分为右手螺旋和左手螺旋；c.高级结构:DNA双螺旋进一步盘绕形成的超螺旋结构。DNA和RNA中的五种碱基戊糖脱氧核糖核糖核苷核苷酸DNA结构的表示法DNA的双螺旋结构核酸的理化性质一般理化性质1.晶形DNA为白色纤维状固体；RNA为白色粉末状固体2.溶解性均溶于水；不溶于一般有机溶剂，在70%乙醇中形成沉淀；在0.14MNacl和1~2MNacl中DNA-蛋白溶解度低溶解度高RNA-蛋白溶解度高溶解度低3.粘度DNA粘度很大RNA粘度小得多4.旋光性均很强5密度及沉降性密度：RNA双链DNA；环状DNA开环、线状DNA密度：RNA双链DNA；环状DNA开环、线状DNA单链DNA双链DNA沉降速度：RNA环状DNA开环、线状DNADNA的变性和复性一.染色体与DNA(2)DNA的复制a.DNA的半保留复制机理:DNA复制时碱基间的氢键断裂，双螺旋解旋并被分开，每条链分别作为摸板合成新链，从而使新形成的两个DNA分子与原来的DNA分子碱基序列完全一致，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的。一.染色体与DNAb.DNA复制方式:线性DNA双链主要以复制叉方式进行，包括单一起始点的单向及双向和多个起始点的双向等多种。环状DNA双链的复制可以分为θ型、滚环型和D-环型几种类型。一.染色体与DNA(3)DNA的修复大肠杆菌中的DNA修复系统DNA修复系统功能错配修复碱基切除修复核苷酸切除修复DNA直接修复修复错配切除突变的碱基修复被破坏的DNA修复嘧啶二体或甲基化DNA二.生物信息的传递本章主要内容:1.转录:从DNA到RNA；2.翻译:从mRNA到蛋白质二.生物信息的传递生物信息的传递包括转录(transcription)和翻译(translation)。DNA转录为RNA遗传信息翻译为蛋白质二.生物信息的传递1.转录:从DNA到RNA转录的基本过程包括:模板识别、转录起始、通过转录子以及转录的延伸和终止。转录机器的主要参与成分:a.RNA聚合酶:如右图所示；b.转录延伸复合物:在转录的不同阶段组成不同。二.生物信息的传递转录的起始中起主要作用的是启动子，但近年科学家又发现了另一类与转录起始有关的DNA序列，并将其命名为增强子。*启动子:指确保转录精确而有效地起始的DNA序列。*增强子:位于转录起始点上游约200bp处的能强化转录起始的重复序列。二.生物信息的传递转录的终止包括以下两类:不依赖于ρ因子的终止和依赖于ρ因子的终止。由于不同的生理要求，在转录过程中即使出现终止信号仍需要继续转录，这就出现了抗终止现象:破坏终止位点RNA的茎-环结构和依赖于蛋白质因子的转录抗终止。RNA终止子mRNA的结构tRNA的三叶草结构tRNA的三级和二级结构(三）rRNA的结构rRNA是核糖体的组成成分，其种类和大小用S表示。30S16S原核生物70S23S50S5S40S18S真核生物80S28S60S5.8S5S二.生物信息的传递2.翻译:从mRNA到蛋白质核糖体是蛋白质合成的主要场所，mRNA是蛋白质合成的模板，转移RNA(transferRNA，tRNA)是模板和氨基酸之间的接合体。但有些蛋白质在合成开始不久后便转在内质网上合成。mRNA与蛋白质的之间的联系通过遗传密码的破译来实现。*三联密码子:mRNA上翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸对应的3个核苷酸。二.生物