分子生物学PPT课件.ppt

1、分分分分 子子子子 生生生生 物物物物 学学学学（Molecular BiologyMolecular Biology）分子生物学分子生物学l第第1章章绪论绪论l第第2章章染色体与染色体与DNAl第第3章章RNA的转录的转录l第第4章蛋白质的翻译章蛋白质的翻译l第第5章章分子生物学研究方法分子生物学研究方法l第第6章章基因表达的调控基因表达的调控l参考书：现代分子生物学参考书：现代分子生物学第四版第四版l朱玉贤主编朱玉贤主编高等教育出版社高等教育出版社第章绪论第章绪论二十一世纪二十一世纪生命科学的世纪生命科学的世纪1分子生物学的概念分子生物学的概念2分子生物学的发展分子生物学的发展3二十一世纪

2、分子生物学展望二十一世纪分子生物学展望1.分分 子子 生物生物 学学 的的 概概 念念1.1 分子生物学的基本含义分子生物学的基本含义 l从分子水平研究生命本质为目的的一门新兴学科，它以核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信息和细胞信息传递中的作用为研究对象，是当前生命科学中发展最快并正在与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域。分子生物学的发展为人类认识生命现象带来了前所未有的机会，也为人类利用和改造生物创造了极为广阔的前景。1.1 分子生物学的基本含义分子生物学的基本含义l分子水平指的是那些携带遗传信息的核酸和在遗传信息传递及细胞内、细胞间通讯过程中发挥着重要作用的蛋白质等生物大分子。这

3、些生物大分子均具有较大的分子量，由简单的小分子核苷酸或氨基酸排列组合以蕴藏各种信息，并且具有复杂的空间结构以形成精确的相互作用系统，由此构成生物的多样化和生物个体精确的生长发育和代谢调节控制系统。阐明这些复杂的结构及结构与功能的关系是分子生物学的主要任务。1.2 分子生物学的三大原则1953Watson&CrickDNA DNA 双螺旋模型双螺旋模型基因的基本属性基因的基本属性以以DNA，蛋白质，蛋白质为为核心核心以生物化学为基础以生物化学为基础基因的自我复制基因的自我复制基因控制性状的表达基因控制性状的表达基因的突变基因的突变生物系统的共性生物系统的共性某一生物的个性某一生物的个性形成形成广

4、义的分子生物学广义的分子生物学在分子生物学的研究领域共同遵循在分子生物学的研究领域共同遵循三大基本原则三大基本原则构成生物大分子的构成生物大分子的单体单体是相同的是相同的生物遗传信息的表达的生物遗传信息的表达的中心法则中心法则相同相同DNARNA高级结构高级结构生物大分子之间的互作生物大分子之间的互作个性个性分子生物学的三大原则分子生物学的三大原则共同的核酸语言共同的核酸语言 共同的蛋白质语言共同的蛋白质语言生物大分子生物大分子单体的排列单体的排列（核苷酸，氨基酸）（核苷酸，氨基酸）蛋白质中心法则中心法则不断完善不断完善生理功能DNARNA蛋白质课堂讨论课堂讨论谈谈中心法则的延伸和发展？谈谈中

5、心法则的延伸和发展？生理功能DNARNA蛋白质小RNAtRNA和rRNA非编码RNA生理功能中心法则的修正中心法则的修正1.3 分子生物学研究的主要领域结构生物学结构生物学基因分子生物学基因分子生物学生物技术理论生物技术理论与应用与应用生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能生物大分子之间的互作生物大分子之间的互作 DNA DNA蛋白质蛋白质 激素激素 受体受体 酶酶 底物底物基因的结构基因的结构基因的复制基因的复制基因的表达基因的表达基因的重组基因的重组基因的突变基因的突变基因工程基因工程细胞工程细胞工程酶工程酶工程发酵工程发酵工程蛋白质工程蛋白质工程基因组、基因组、功能基因组功能基因组

6、与生物信息学研究与生物信息学研究1.4 分子生物学发展的三大支撑学科1839-18471839-1847年年 Matthias Schleiden&Theodor Matthias Schleiden&Theodor SchwannSchwann细胞的化学组成，细胞器的结构，细胞骨架，细胞的化学组成，细胞器的结构，细胞骨架，生物大分子在细胞中的定位及功能生物大分子在细胞中的定位及功能分子生物学发展的三大支撑学科之一分子生物学发展的三大支撑学科之一 生物体由细胞组成生物体由细胞组成 所有组织的最基本单元所有组织的最基本单元-形状相似，高度分化的细胞形状相似，高度分化的细胞 细胞的发生与形成是生物

7、界普遍和永久的规律细胞的发生与形成是生物界普遍和永久的规律CytologyMolecularCellbiology细胞学说细胞学说GregorMendel1864年年GeneticsMolecularGeneticsGenestructureGeneduplicationGeneexpressionGenerecombinationGenemutation分子生物学发展的三大支撑学科之二分子生物学发展的三大支撑学科之二分子生物学发展的三大支撑学科之二分子生物学发展的三大支撑学科之二遗传因子假说遗传因子假说GeneticsBiochemistryNucleicAcidChemistryProte

8、inChemistry(1936年年JamesSumner)分子生物学发展的分子生物学发展的分子生物学发展的分子生物学发展的 三大支撑学科之三三大支撑学科之三三大支撑学科之三三大支撑学科之三Enzymatic nature of crystalline ProteinEnzymatic nature of crystalline ProteinBiochemistry1.5 分子生物学的主要研究内容 1.5分子生物学的主要研究内容 l1.核酸的分子生物学核酸的分子生物学l研究核酸的结构及其功能。l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

9、因工程技术的发展和应用等。遗传信息传递的中心法则是其理论体系的核心。1.5分子生物学的主要研究内容 l2.蛋白质的分子生物学蛋白质的分子生物学l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。1.5 分子生物学的主要研究内容 l3.细胞信号传导的分子生物学细胞信号传导的分子生物学l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

10、所赋予的各种指示信号。l是当前分子生物学发展最迅速的领域之一。2 分子生物学的发展NobelmedalHalfapoundof23-karalgold.2.5inchesacross近半个世纪以来近半个世纪以来医学，化学中重大突破与成就者医学，化学中重大突破与成就者NobelPrize分子生物学发展的分子生物学发展的里程碑与主要内容里程碑与主要内容 The Nobel Prize in Chemistry 1946 for his discovery that enzymes can be crystallizedfor their preparation of enzymes and vir

11、us proteins in a pure form James Batcheller Sumner John Howard Northrop Wendell Meredith Stanley Cornell University Rockefeller Institute USA Rockefeller Institute USA 1887-19551891-19871904-1971TheNobelPrizeinChemistry19461958J.LederbergJ.Lederberg(33y)phagetransductionThe Nobel Prize in Chemistry

12、1958for his work on the structure of proteins,especially that of insulinFrederick Sanger Cambridge University 1918-Beadle&Tatum Beadle&Tatum Onegene-oneenzymeSevero Ochoa (54y)Severo Ochoa (54y)Spain发现细菌多核苷酸磷酸化酶发现细菌多核苷酸磷酸化酶重建基因遗传信息通过重建基因遗传信息通过RNA翻译翻译到蛋白质的过程到蛋白质的过程Arthur Kornberg(41y)Arthur Kornberg(

13、41y)DNAreplicationIsolationofDNApolymeraseIBrooklyn1959Francis Crick(35y)Francis Crick(35y)1951分子生物学的重要里程碑分子生物学的重要里程碑JamesWatson(23y)丹麦丹麦哥本哈根哥本哈根剑桥大学剑桥大学CavendishLab.M.H.F.Wilkins&Rosalind Frankin Xray photograph of DNA with high qualityXray photograph of DNA with high quality(核糖与磷酸连接成的扭曲绳子，每一节上都有配对

14、的碱基)1951.KingsLab.LondonUniversityUKJames Watson(34y)James Watson(34y)Francis Crick(46y)Francis Crick(46y)Maurice Wilkins(46y)Maurice Wilkins(46y)DNADoubleHelixmodel19531962Francois Jacob Francois Jacob(44y)Jacques MonodJacques Monod(55y)(French)OperonTheory1965ConceptofmRNA1968R.Holley H.G.Khorana

15、M.Nirenberg R.Holley H.G.Khorana M.Nirenberg pakistanpakistanH.GobindKhorana(46y)第一个合成核酸分子第一个合成核酸分子MarshallNirenberg(41y)破译遗传密码破译遗传密码RobertHolley(46y)阐明酵母丙氨酸阐明酵母丙氨酸tRNA核苷酸序列核苷酸序列1975.Howard Temin Howard Temin(41y)David Baltimore David Baltimore(37y)Reversetranscription（反转录酶的发现）（反转录酶的发现）如如HIV、肿瘤病毒都含有

16、该酶、肿瘤病毒都含有该酶 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1978for the discovery of restriction enzymes and their application to problems of molecular geneticsWerner Arber Daniel Nathans Hamilton O.Smith Switzerland Biozentrum der Universitt Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore,USA John

17、s Hopkins University School of Medicine Baltimore,USA 1929-1928-19991931-The Nobel Prize in Chemistry 1980Walter Gilbert Biological Laboratories Cambridge,MA,1932-for their contributions concerning the determination of base sequences in nucleic acidsFrederick Sanger MRC Laboratory of Molecular Biolo

18、gy Cambridge,Great Britain 1918-The Nobel Prize in Chemistry 1980for his fundamental studies of the biochemistry of nucleic acids,with particular regard to recombinant-DNAPaul Berg Stanford University 1926-1983.Barbara McClintockBarbara McClintock(86y)DNAtransportableelementThe Nobel Prize in Chemis

19、try 1989“for their discovery of catalytic properties of RNA“（核酶发现）（核酶发现）Sidney Altman Thomas R.Cech Yale University New Haven,CT,USA University of Colorado Boulder,CO,USA 1939-1947 The Nobel Prize in Chemistry 1993for contributions to the developments of methods within DNA-based chemistry“for his fu

20、ndamental contributions to the establishment of oligonucleiotide-based,site-directed mutagenesis and its development for protein studies“（基因定点突变）（基因定点突变）Michael Smith University of British Columbia Vancouver,Canada 1932-2000The Nobel Prize in Chemistry 1993forhisinventionofthepolymerasechainreaction

21、(PCR)methodKary B.Mullis 1944-1994.1994.Gilman&Rodball Gilman&RodballG-蛋白在细胞转导中的作用蛋白在细胞转导中的作用，激活第二信使，激活第二信使cAMP1995.1995.Lewis&Nusslein-Volhard Lewis&Nusslein-Volhard鉴定控制果蝇体节发育基因鉴定控制果蝇体节发育基因l1996年：年：澳大利亚的彼得杜赫提和瑞士的沃尔夫辛克纳吉，表彰他们发现免疫系统是如何识别被病毒感染的细胞。l1997年：年：美国的史坦利布鲁希纳，表彰他发现数种大脑疾病中的致病物质。l1998年：年：美国的费里德慕拉

22、德、路易斯伊格纳罗和罗伯特佛契哥特，表彰他们发现了一氧化氮中的生物组成要素。l1999年：年：美国的布洛伯尔，阐述蛋白质在细胞间的运转机制，明确了信号肽及信号识别物在蛋白质扩膜中主导作用。PaulGreengardEricR.KandelArvidCarlsson表彰他们在脑细胞是如何传递信号方面的研究成果。这使表彰他们在脑细胞是如何传递信号方面的研究成果。这使人们进一步加深了大脑是如何工作的理解，并为治疗神经和精人们进一步加深了大脑是如何工作的理解，并为治疗神经和精神紊乱提供了更好的方法。神紊乱提供了更好的方法。2000年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖 表彰他们发现在细胞裂变中的

23、重要控制物质，这可以使表彰他们发现在细胞裂变中的重要控制物质，这可以使人们找到癌症治疗的新方法。人们找到癌症治疗的新方法。2001年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖l表彰他们在研究基因如何控制器官发育和细胞死亡过程方面所作表彰他们在研究基因如何控制器官发育和细胞死亡过程方面所作出的贡献。出的贡献。2002年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖l表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就。这项技术使人表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就。这项技术使人们可以详细了解大脑和人体内部器官的状态。们可以详细了解大脑和人体内部器官的状态。2003年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或

24、医学奖l表彰他们在气味受体和嗅觉系统组织方式研究中作出的贡献。表彰他们在气味受体和嗅觉系统组织方式研究中作出的贡献。2004年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖琳达琳达-巴克巴克理查德理查德-阿克塞尔阿克塞尔l澳大利亚的两名科学家巴里澳大利亚的两名科学家巴里马歇尔和罗宾马歇尔和罗宾沃伦，以表彰他沃伦，以表彰他们发现了导致胃炎和胃溃疡的细菌们发现了导致胃炎和胃溃疡的细菌幽门螺杆菌。幽门螺杆菌。2005年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖l美国人安德鲁美国人安德鲁法尔和克雷格法尔和克雷格梅洛，表彰他们发现了梅洛，表彰他们发现了干扰机制干扰机制。2006年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔

25、生理学或医学奖克雷格克雷格梅洛梅洛安德鲁安德鲁法尔法尔l“在涉及胚胎干细胞和哺乳动物在涉及胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组方面的一系列重组方面的一系列突破性发现突破性发现”而获得这一殊荣。这些发现导致了一种而获得这一殊荣。这些发现导致了一种通常被人们称为通常被人们称为“基因打靶基因打靶”的强大技术。的强大技术。马里奥马里奥-卡佩奇卡佩奇马丁马丁-埃文斯埃文斯奥利弗奥利弗-史密斯史密斯2007年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖2008年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖钱永健钱永健下村修下村修三位美国科学家，发现并发展了绿色荧光蛋白（三位美国科学家，发现并发展了绿色荧光蛋白（GFP）Martin

26、Chalfie2009年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖三位科学家构筑了三维模型来显示不同的抗生素是如何抑三位科学家构筑了三维模型来显示不同的抗生素是如何抑制核糖体功能的，制核糖体功能的，“这些模型已被用于研发新的抗生素，直接这些模型已被用于研发新的抗生素，直接帮助减轻人类的病痛，拯救生命帮助减轻人类的病痛，拯救生命”。拉马克拉马克里希南，美国人，里希南，美国人，1952年出生于印度。年出生于印度。1999年至今在英国剑桥大学年至今在英国剑桥大学MRC分子生物学实验室分子生物学实验室工作。工作。施泰茨，施泰茨，1940年出生于美国，年出生于美国，1967年至年至1970年在英国剑桥大学年在英国剑桥大

27、学MRC分子生物学实验室做博士后，分子生物学实验室做博士后，1970年至今在耶鲁大学工作。年至今在耶鲁大学工作。约纳特，以色列生物学家，约纳特，以色列生物学家，1939年出生于耶路撒冷，目前在魏茨曼科学研究所工作。年出生于耶路撒冷，目前在魏茨曼科学研究所工作。2009年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖三位美国科学家：三位美国科学家：ElizabethH.Blackburn、CarolW.Greider以及以及JackW.Szostak，他们解决了生物学的一个重大，他们解决了生物学的一个重大问题：在细胞分裂时染色体如何完整地自我复制以及染色体问题：在细胞分裂时染色体如何完整地自我复制以

28、及染色体如何受到保护以免于退化。这三位诺贝尔奖获得者已经向我如何受到保护以免于退化。这三位诺贝尔奖获得者已经向我们展示，解决办法存在于染色体末端们展示，解决办法存在于染色体末端端粒，以及形成端粒端粒，以及形成端粒的酶的酶端粒酶。端粒酶。伊丽莎白伊丽莎白.布兰克波恩布兰克波恩卡罗尔卡罗尔.格雷德格雷德杰克杰克.绍斯塔克绍斯塔克2011年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖美国人布鲁斯巴特勒，卢森堡人朱尔斯霍夫曼，以及加拿大人拉尔夫斯坦曼，表彰他们在人体免疫系统研究领域所作的贡献。2012年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖RobertJ.Lefkowitz和和BrianK.Kobilka，因，因“

29、G蛋白偶联受体研究蛋白偶联受体研究”获得。获得。布莱恩布莱恩克比尔卡，斯坦福大学克比尔卡，斯坦福大学医学院医学教授、分子与细胞医学院医学教授、分子与细胞生理学教授。生理学教授。罗伯特罗伯特莱夫科维茨美国霍华德莱夫科维茨美国霍华德休斯医学研究所研究人员，美休斯医学研究所研究人员，美国杜克大学医学中心医学教授、国杜克大学医学中心医学教授、生物化学教授。生物化学教授。321世世纪纪分分子子生生物物学展学展望望3.1.自然科学历史舞台自然科学历史舞台角色将发生重大变化角色将发生重大变化引导自然科学向物质运动最高层次突破的带头学科引导自然科学向物质运动最高层次突破的带头学科物物理理学学生生物物学学3.2

30、.未来生物学形成的新热点及领域未来生物学形成的新热点及领域生物大分子的高级三维结构与功能的统一生物大分子的高级三维结构与功能的统一 生物大分子之间的互作生物大分子之间的互作 基因的社会学基因的社会学 (Nature (Nature 杂志增设杂志增设 Natural developing biologyNatural developing biology分册分册)基因表达，基因互作基因表达，基因互作 器官发生器官发生胚胎形成胚胎形成个体发育个体发育结构生物学（结构生物学（StructuralBiology）分子发育生物学（分子发育生物学（MolecularDevelopingBiology）个体

31、细胞分子还原论整体论细胞中的定位细胞分化神经基质神经基质神经通道神经通道信息传递信息传递大分子克隆大分子克隆一级结构分析一级结构分析三维结构重建三维结构重建思维思维感情感情记忆记忆科学解释科学解释分子细胞生物学分子细胞生物学 (Molecular Cell Biology)(Molecular Cell Biology)分子神经生物学（分子神经生物学（MolecularNeurobiology）继人类基因组后继人类基因组后脑计划即将启动脑计划即将启动1994 70个个Scr,PCD原癌基因原癌基因（生长因子，细胞周期等癌（生长因子，细胞周期等癌症相关基因）症相关基因）1986.FriendFr

32、iendRB1第一个第一个抑癌基因抑癌基因被克隆被克隆(Tumor Suppressor gene)(Tumor Suppressor gene)11个抑癌基因被证实个抑癌基因被证实（P53,P21,ERBA,WT1,NF1 P53,P21,ERBA,WT1,NF1 等）等）1975.Bishop MBishop M.Src(Sarcoma肉瘤肉瘤)癌基因的证实癌基因的证实 分子肿瘤学（分子肿瘤学（Molecular TumorologyMolecular Tumorology）人类基因组计划人类基因组计划（HGP）遗传图遗传图物理图物理图序列图序列图表达图表达图基因定位基因定位基因克隆基因克

33、隆基因转移基因转移基因的分子生物学基因的分子生物学比较基因组研究比较基因组研究物种的起源与进化物种的起源与进化基因的证实与克隆基因的证实与克隆分子生物学的发展分子生物学的发展水稻等作物基因组计划水稻等作物基因组计划猪，牛等家畜基因组计划猪，牛等家畜基因组计划中心法则的深入研究与发展（中心法则的深入研究与发展（Genomics)Genomics)禾本科植物的比禾本科植物的比较基因组研究较基因组研究Premature Premature Aging Gene Aging Gene DiscoveredDiscovered计算计语言计算计语言 分辨，提取，分析，分辨，提取，分析，比较，比较，预测生物

34、信息预测生物信息 生物大分子的结构与功能信息生物大分子的结构与功能信息 基因的识别与鉴定基因的识别与鉴定基因功能信息的提取与证实基因功能信息的提取与证实基基 因因 表表 达达 谱谱 的的 绘绘 制制 (microarray)(microarray)基因功能的改变（基因敲出基因功能的改变（基因敲出 knock outknock out）蛋白质水平上基因互作的探测蛋白质水平上基因互作的探测功能基因组学功能基因组学(Functional Genomics or postGenomics)(Functional Genomics or postGenomics)生物信息学生物信息学(Bioinform

35、atics)(Bioinformatics)3.3.应用生物学发展应用生物学发展生物技术生物技术诊断试剂诊断试剂 治疗药物治疗药物植物品种植物品种 畜用制品畜用制品 食品加工食品加工 环境工程环境工程废物处理废物处理 生物塑料生物塑料民用制品民用制品 再生能源再生能源现代生物学的发展必将现代生物学的发展必将长足发展长足发展促进各个科学促进各个科学专业分化专业分化学科交叉学科交叉以以分子生物学分子生物学为带头学科的现代生物学各相关学科为带头学科的现代生物学各相关学科各种基础学科各种基础学科 各种应用学科各种应用学科的前沿学科的前沿学科是是3.4 3.4 二十一世纪二十一世纪 生命科学的世纪生命科学的世纪人口与粮食人口与粮食健康与疾病健康与疾病环境与生态环境与生态能源与资源能源与资源分子生物学理论的突破分子生物学理论的突破生物技术的有效应用生物技术的有效应用新旧技术的有机结合新旧技术的有机结合人口与粮食人口与粮食能源与资源能源与资源健康与疾病健康与疾病更加深刻更加深刻 更为明确更为明确 阐明生物大系统阐明生物大系统 生长发育生长发育 遗传变异遗传变异 繁殖死亡繁殖死亡 生生命命本本质质更加主动更加主动 更为有效更为有效 利用生物技术利用生物技术 改造生物改造生物 创造生物创造生物 新兴产业新兴产业 推动工，农，推动工，农，医医 的的 发发 展展