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第2章生物学基础2020/2/14BIOINFORMATICS1数理与生物工程学院本章提要：作为生物信息学学习的基础，本章简要介绍了基本的生物学知识。包括细胞生物学、蛋白质结构和功能、DNA结构和功能；重点介绍了分子生物学的中心法则，基因表达的调控机理；简要学习基因组结构、新生肽链折叠、基因工程等有关内容。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院2生物信息学的主要研究对象是生物大分子，分子生物学是生物信息学的必备基础知识。分子生物学是从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学。自20世纪50年代以来，分子生物学一直是生物学的前沿与生长点，其主要研究领域包括蛋白质体系、蛋白质-核酸体系和蛋白质-脂质体系。生物大分子，特别是蛋白质和核酸结构功能的研究，是分子生物学的基础。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院3现代化学和物理学理论、技术和方法的应用推动了生物大分子结构功能的研究，从而出现了分子生物学的蓬勃发展。Sanger于1953年首先完成牛胰岛素的氨基酸序列分析，同年Watson和Crick提出著名的DNA双螺旋结构模型，标志分子生物学的诞生。半个多世纪来，分子生物学得到迅速发展，迅速融入生物学各领域，成为生物学各个领域的基础和核心。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院4§2.1细胞世界上的生物体具有多样性，各种生物体之间的差异是由其基因组的差异决定的。尽管生物体的基因组差异很大，但是所有生物体都具有共同的成分——细胞。细胞是组成生物体的基本单位，是生物体活动的基础，细胞是生物体的遗传控制中心，是生物体生长发育的基础。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院52.1.1细胞的概念细胞学说可以归纳为以下两点：⑴所有生物体都由细胞和细胞的产物组成。⑵新的细胞必须经过已存在的细胞的分裂而产生。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院6生物体是由一个或者多个细胞所组成的。绿藻、衣藻是单细胞的生物，即单个细胞含有生命活动所需要的全部物质。与单细胞生物相比，多细胞生物的一个主要优点是细胞类型的分化。分化的细胞具有各自特定的功能，执行特定的任务；而不同的细胞可以相互合作，完成单个细胞所不能完成的工作。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院7特定功能的细胞聚集在一起，形成组织。人类有上皮组织、结缔组织、肌肉组织、神经组织等多种主要的组织类型。典型的脊椎动物有200多种分化的细胞。当一个细胞分化后，不能再转变成其他类型的细胞。虽然各种细胞的功能不同，但是它们具有相同的遗传物质、相同的基因，不同的仅仅是基因的表达模式。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院8一个细胞发展到一定时间就要分裂，变成两个细胞。在有丝分裂中，每个子细胞都得到一套完整的与亲细胞相同的遗传物质。在细胞真正分裂之前，细胞核中的每一条染色体都复制为两份。在细胞分裂过程中，这些复制的染色体彼此分开，并准确地分为完整的两组染色体，分别进入两个子细胞。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院9细胞从一次分裂开始到下一次分裂开始所经历的全过程称为一个细胞周期。一个细胞的有丝分裂周期包括有丝分裂期（M期）和分裂间期，而分裂间期又分为合成期(S期）以及合成期前后的两个间期(G1期,G2期）。有丝分裂为单细胞生物提供了一种繁殖的机制，为多细胞生物提供了生长、发育的机制。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院10另一种细胞分裂方式是减数分裂，它是生物体有性繁殖的基础。二倍体生物的体细胞中含有两套遗传物质，其中一套来自于母体，另外一套来自于父体。在减数分裂过程中，细胞首先进行遗传物质的复制，然后进行两次分裂，产生4个新的细胞，即性细胞。每个性细胞中的遗传物质只有1套，故性细胞又被称为配子。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院11当不同类型的配子（如精细胞、卵细胞）结合以后，形成合子（二倍体细胞），即受精卵。受精卵是一个新生命的开始，从受精卵出发，通过细胞反复不断的有丝分裂和分化，逐步成长发育成新的个体。例如，人类的体细胞是二倍体，有46条（23对）染色体，其中44条（22对）为常染色体，另外2条为性染色体。经过减数分裂所产生的性细胞（精子和卵子）是单倍体，仅有23条染色体。当精子和卵子结合以后，形成二倍体的受精卵，孕育出一个新的生命。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院122.1.2细胞的类别按照结构的复杂程度及进化顺序，细胞可分为两类，一类是原核细胞，另一类是真核细胞。在真核细胞中，按照细胞的营养类型，即自养与异养还可将大部分真核细胞分为植物细胞和动物细胞。真菌类细胞也是真核细胞，它们既有植物细胞的某些特征，如有细胞壁，又行异养生长。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院13原核生物细胞缺乏真正的细胞核，通常比真核生物细胞小。原核生物一般是单细胞的生物体，在原核细胞中，遗传物质DNA通常分布于一定的区域，该区域称为核区或拟核，即核酸物质没有特别的膜包被。原核细胞的遗传信息量较少，内部结构较简单，除了没有细胞核外，也没有以膜为基础的具特定结构与功能的细胞器。原核细胞外层是双层脂类构成的质膜，质膜内的所有细胞内容物称为原生质。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院14在一些原核细胞中，质膜可以向内折叠延伸形成复杂的膜片层，细胞内的许多能量转化反应就发生在这些膜片层上。有些原核细胞如蓝藻和细菌还具有紧贴质膜外的细胞壁，原核细胞的细胞壁主要化学成分是肽聚糖，区别于以纤维素为主的植物细胞壁。原核细胞的细胞壁具保持细胞形状的作用及保护细胞的功能。原核细胞也是地球上起源最早、细胞结构最简单的生命形式。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院15图2-1细菌细胞模式图2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院16除了原核生物界外，其他各界生物的细胞都是真核细胞。真核细胞具有真正的细胞核，其遗传物质DNA包被在双层膜的特殊结构中。细胞核包括核仁、核质和核膜等部分。另外真核细胞还具有许多由膜包被或组成的细胞器，它们包括线粒体、叶绿体、高尔基体和内质网等等。这些以膜为基础分化的结构使得真核细胞比原核细胞复杂许多，导致了真核细胞功能的多样性。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院17图2-2植物细胞示意图2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院18图2-3动物细胞示意图2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院192.1.3细胞的结构下面简述细胞的主要构成部分。细胞膜和细胞壁细胞膜又称质膜，它是细胞的表面边界，任何物质出入细胞必须要通过细胞膜。其主要构成物质是磷脂分子，而磷脂是一种双亲分子，其中拥有磷酸基团的一端亲水，而拥有脂肪酸长链的另一端疏水。从结构上看，细胞膜由两层磷脂构成，两层磷脂分子都是疏水端向内，亲水端向外。这样可以保护水和其他物质，防止其流失。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院20当然，细胞有特殊的通道与外界进行物质交换。细胞膜最重要的特性之一是半透性，即有选择地允许物质通过扩散和主动运输等方式出入细胞，从而保证细胞的正常代谢。细胞膜有许多功能，例如与外界进行物质交换，接受外界传导信号等。植物细胞在细胞膜之外还有细胞壁，它是无生命的结构，其组成成分是细胞分泌的产物，其功能是保护细胞。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院21图2-4质膜结构2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院22细胞核细胞核是真核细胞的特征，所有真核细胞都具有细胞核。细胞核包含以染色质形式而存在的遗传物质。染色质上有处于不同构象的DNA长链，这些DNA长链被核蛋白所包裹。一层核膜包围着细胞核，使之与细胞的其他部分分离。细胞核在细胞的代谢、生长和分化中起着重要的作用，它是细胞的控制中心。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院23细胞核内的核仁是随细胞分裂周期性产生和消失的圆形小体，核仁的中心是核仁组织区的特定DNA片段，这是一些转录rRNA的基因。核仁实际上是rRNA合成、加工以及装配成核糖体亚单位的场所。此外，细胞核内还有核骨架和核液等。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院24图2-5细胞核示意图2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院25除了细胞核外，细胞膜内是透明粘稠可流动的细胞质基质，细胞器分布在细胞质基质中。细胞器主要包括线粒体、质体、内质网、核糖体、高尔基体、溶酶体、微体、液饱、微管、微丝等。有的细胞表面还有细胞膜的特征结构如鞭毛或纤毛。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院26线粒体在几乎所有真核生物细胞内都有发现，少数情况下一个细胞仅有一个线粒体，多数情况一个细胞有几十、几百甚至上千个线粒体。细胞中线粒体的数目与其生物代谢活性成正比。线粒体的长度为1-10μm，在细胞中不断移动并不时改变着自身形状。线粒体是由内膜和外膜包裹的囊状结构，在磷脂双分子层上还有一些特殊的蛋白质。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院27囊内是液态的基质，这些液态基质中含有催化柠檬酸循环的多种酶。线粒体外膜平整，内膜向内折入形成一些嵴，增加了内膜的表面积，从而增加了内膜上的代谢反应总量。内膜面上有许多带柄的小球，它们是ATP酶复合体。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院28线粒体的内膜与外膜之间的间隙称为膜间隙，约6-8nm，其中的液体含有多种可溶性的酶、底物和辅助因子，膜间隙中最主要的酶是腺苷酸激酶。线粒体是细胞呼吸和能量代谢中心，有能量代谢工厂之称，细胞呼吸中的电子传递过程及ATP的合成就发生在线粒体内膜的表面。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院29图2-6线粒体2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院30质体是植物细胞的细胞器，包括白色体和有色体。植物根或茎细胞中的白色体含有淀粉、油类或蛋白质。植物色彩丰富的花或果实的细胞具有有色体，有色体内含有各种色素。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院31叶绿体是另一类最重要的有色体，是植物进行光合作用产生食物分子的细胞器。叶绿体中含有大量的叶绿素和各种与光合作用相关的酶。叶绿体为透镜状，大小为2－5μm，大量存在于在绿色植物叶肉细胞和藻类细胞中。叶绿体也有两层膜，内部是一些扁平囊组成的膜系统，这些扁平的囊称为类囊体。扁平的类囊体有规则地探叠在一起形成基粒，基粒外围的部分称为基质。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院32各个基粒通过基质类囊体彼此相连通。植物光合作用的色素和电子传递系统位于类囊体的膜上，而催化糖类合成的酶特别是1,5—核酮糖二磷酸羧化酶则主要分布于基质中。叶绿体中许多基粒及其多层类囊体膜片层大大增加了植物细胞光合作用的总面积。叶绿体也含有环状的DNA和核糖体。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院33图2-7叶绿体2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院34内质网是细胞质内以脂类双分子层为基础形成的囊状、泡状和管状结构。内质网与核膜、高尔基体或溶酶体等在发生上或功能上相互联系，构成了细胞质的内膜系统。根据内质网上是否具有核糖体，可区分出光面内质网和糙面内质网。2020/2/14BIOINFORMATICS数理与生物工程学院35光面内质网通常为小囊和分支管状，无核糖体附着，是脂类合成和代谢的重要场所，它还可将内质网