生物信息学讲义,第二章 BiologyBasic课件

第二讲生物学知识简介§2.1WhatIsLife？——从Schrödinger的思考到“双螺旋”的发现复杂性是生命最显著的特征道可道，非常道。名可名，非常名。——老子《道德经》吾生也有涯，而知也无涯。——庄子《知北游》生命的结构层次和多样性

生命的组成因素具有复杂的相互作用，是非线性关系，由此产生一系列经典科学无法解决的问题

生物大分子、细胞、组织、器官、系统……

受精卵细胞：分裂、分化、发育、生长、衰老、死亡……

生命最突出的特征——几乎无限的多样性《InfiniteinAllDirections(全方位的无限)》FreemanDyson，三联书店

空间：地球的生态圈时间：从35亿年前至今大小：病毒、鲸鱼生存环境：空气、陆地、海洋生活方式：独立生活与寄生“世界上没有完全相同的两片树叶”——有性繁殖基因组存储的遗传信息量生命的非线性和有序性（一）

耗散结构理论（Prigogine，1970s）孤立系统：热力学第二定律熵增加，系统趋向紊乱开放系统：系统远离平衡态，熵减少，出现有序结构雪花晶体结构仙女座大星云卷积云的鳞片结构生命的非线性和有序性（二）生命的各种表现形式均为开放性耗散系统生命之所以存在，在于从环境中不断吸收负熵（新陈代谢）

生命有序的原因：非线性、远离平衡态生命复杂系统通过各种途径来克服和减少过强的非线性作用，过弱的非线性作用也不合适。适度的非线性“混沌的边缘”（生态系统、生物个体……）参与光合作用的膜蛋白晶体结构爱滋病病毒结构蝴蝶的花纹生命的生物性和社会性

生物的个体行为表现形式是生物性，但更多时候是受外界影响的，即社会性有性繁殖生物的性行为人类、蚂蚁、蜜蜂的组织社会微生物的共生低等生物的寄生生物的许多行为同时具有两种属性——事物复杂性的特征之一

男性与女性的行为、思维差异趴在蝴蝶翅上的蚂蚁（蚂蚁社会组织有序也会偷懒也搞裙带）生命的随机性

生物学对事实和现象的概括几乎完全是概率性的这种概率性源于生命个体的差异性和随机性，也是生命复杂性的表现。生物学的“唯一”定律：一切生物学定律都有例外。数学、物理学：常数

生物学：平均数生物系统中的不确定性绝大多数生命过程具有不可预测性

DNA突变、精子与卵细胞融合、树叶飘落……生命遗传信息的复杂性生命活动3要素：物质、能量、信息遗传信息是生物复杂性的信息基础生物大分子是遗传信息的物质载体，但生物大分子本身并不表示遗传信息，必须通过一定的组织（序列、结构）来实现；遗传信息以基因组形式、蛋白质组形式存储，是抽象的遗传信息的复杂性是生命复杂性的突出特征，是研究生命复杂性的关键问题之一人类认识的有限性

生命复杂性还表现在对其认识的复杂性生命复杂性的两重含义：客观复杂性、人类认识的复杂性认识复杂性：对客观复杂性的有效理解和表达认识的客体、认识的主体人类对生命复杂性的认识受时空和认知条件的限制“朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋”（庄子《逍遥游》）“井蛙不可以语于海者，拘于虚也；夏虫不可以语于冰者，笃于时也。”（庄子《秋水》）显微镜：细胞、微生物

X射线晶体衍射技术：DNA双螺旋、遗传机制人类对生命复杂性的认识受经验的影响认识的主体对正确认识的重要作用中国传统文化的消极影响：“腐草化萤”、王阳明“格物致知”用系统论的思想去把握生命的复杂性“还原论”——buildingblock

为理解生命复杂系统，不仅必须了解它的各个要素，而且必须了解它们之间的关系。中国传统文化的积极作用——系统、综合我们只求满足于生命永恒的奥秘，满足于察觉现存世界的神奇结构，窥见它的一鳞半爪，并且以诚挚的努力去领悟在自然界中显示出来的那个理性的部分，即使只是其中一小部分，我也就心满意足了。——AlbertEinstein生命的定义古希腊人的定义“生命力”

产生运动──而不管人是否能了解那种运动──的原因被称之为“力”，为此古希腊人提出了生命力和活力这样伟大的概念。古代东方的定义

“气”——古中国人则倾向于将产生运动的原因称之为“气”，生命活动当然也就是“气”的活动：“人之生，其犹冰也，水凝而成冰，气积而为人”。“火”——部分东方古人认为生命来源于“火”，重点在于强调了生命的新陈代谢过程：“人含气而生，精尽而死，死犹澌，灭也。譬如光焉，薪尽而火灭，则无光矣。”“生死观”——中国古人通过一个巧妙的方法去探讨生命，即“死”，在这一对立中将生与死统一起来加以研究：“无有不生，无生不死，以其生，故知其死也。”根据生物微观构成的共性定义生命在千差万别的生命形态背后有着一个共同的特点，那就是一切生命都是由DNA、RNA及蛋白质等大分子为骨架构成的。人们在了解到DNA的复制、通过转录和翻译决定RNA和蛋白质的结构等方面给出生命这样一个定义：生命是由核酸和蛋白质特别是酶的相互作用产生的、可以不断繁殖的物质反馈循环系统。例外：没有蛋白质外壳的类病毒和没有核酸的朊病毒。生态学的生命定义在生物圈中，生物分为自养生物、异养生物，异养生物中有相当一部分营腐生生活，因此便形成了生物圈中的不可逆性或单向流动的物质循环运动。因此从生态的角度我们给生命作出这样的定义：生命是能通过自养或异养进行新陈代谢、通过能量转换进行物质循环的能繁殖的物质系统。生命是什么？——活细胞的物理学观（1944）“分子生物学上的《汤姆叔叔的小屋》”序言（节选）为了目前写这本书，如果我有什么科学家的高位的话，那我恳请放弃它，并且从而免去随之而来的重任。我的理由是：我们从祖先那里继承了对于统一的、无所不包的知识的强烈渴望。……可是，最近一百多年来，知识的各种各样的分支在广度和深度上的展开，却使我们陷入了一种奇异的困境。

除非我们中间有些人敢于去着手综合这些事实和理论，即使它们有的是第二手的和不完备的知识，而且还要敢于承担使我们成为蠢人的风险，除此之外，我看不到再有摆脱这种困境的其他办法了。E.薛定谔都柏林1944年9月

自由的人绝少思虑到死；他的智慧，不是死的默念，而是生的沉思。（斯宾诺莎：《伦理学》，第四部分，命题67）这个重大的和讨论得很多的问题是：

在一个生命有机体的空间范围内，在空间上和时间上发生的事件，如何用物理学和化学来解释？这本小册子力求阐明和确立的初步答案概括如下：

当前的物理学和化学在解释这些问题时明显的无能为力，决不是成为怀疑这些事件可以用物理学和化学来解释的理由。……一个有机体的最要害部分的原子排列，以及这些排列的相互作用的方式，跟迄今被物理学家和化学家作为实验和理论对象的所有原子排列是根本不同的。其实，有机化学家在研究越来越复杂的分子时，已经十分接近于那种“非周期性晶体”了，依我看来，那正是生命的物质载体。因此，在我们的系统和别人的系统之间的物理学上的相互作用，一般来说，它们本身是具有某种程度的物理学秩序，就是说，它们也必须遵循严格的物理学定律并达到一定程度的准确性。突变实际上是由于基因分子中的量子跃迁所引起的。遗传的机制是同量子论的基础密切相关的，不，是建立在量子论的基础之上的。现代生物学的里程碑——DNA双螺旋结构的发现DNA：遗传物质

Mendel的经典遗传学实验及其经典遗传学规律（1865年）

Morgan学派的基因学说（1915年）

Griffith的肺炎双球菌转化实验（1928年）

Avery的实验以及Hershey、Chase的噬菌体标记实验：DNA是遗传信息的载体（1944～1951年）DNA的结构？？？1953年，JamesWatson与FrancisCrick发现了著名的DNA双螺旋结构模型JamesWatson1946年毕业于芝加哥大学动物学系，进入印第安那大学读研究生，最终获得博士学位；1946年，选学卢里亚的有关病毒的课程；1948年，科尔德·哈博研究所1951年，剑桥Cavendish实验室做博士后FrancisCrick1938年毕业于伦敦大学,主修物理、数学；1940年，读博士生二年级，因二战被征英国海军，研究武器操作系统；战后转入分子生物学研究；1949年进入剑桥Cavendish实验室1、多学科协作：综合利用物理学的数据和化学规律2、基于前人和他人的实验数据、失败教训3、1953年3月18日，提出DNA双螺旋结构模型1962年诺贝尔生理医学奖

DNA分子的一级结构：A,C,G,T四种核苷酸的线性多聚体；

DNA分子由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成；

DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，碱基排列在内侧；两条链上的碱基通过氢键想结合，形成碱基对。3.4nm2nmDNA双螺旋结构模型的意义为合理解释遗传物质的各种功能、解释生物的遗传和变异、揭示自然界色彩纷纭的生命现象奠定了理论基础；揭示了生命世界多样性和生命本质的一致性的辨正统一；现代生命科学的里程碑。Watson和Crick探索科学真理的兴趣多学科协作的成功（物理学与生物学合作的典范）吸取他人与前人研究的成果卡文迪许实验室(CavendishLab)的成功杰出的领导者：布拉格不赶时髦不试图恢复过去的荣誉不怕理论家们的轻蔑RoseofEngland--RosalindFranklinJamesWatsonandFrancisCrickMauriceWilkins§2.2生命的演化和分类§2.2.1地球上的自然史与生命史不断演化的地球系统：地球本身一直经历着由简单到复杂、由低级到高级不可逆的演化过程，由此逐渐形成了大气圈、水圈、岩石圈、生物圈及地球内部的圈层不断演化的地球生物：生物是地球系统在特定条件下演化的结果，并仍处于不断的演化之中宇宙的起源：始于120亿年前的宇宙大爆炸（BigBang）太阳系的起源：大约49亿年前，诞生太阳系地球的起源：大约45亿年前，宇宙中的尘埃在引力作用下逐渐集聚形成地球地球生命简史生命诞生、细胞的形成

35～38亿年前，海洋孕育原始生物（主要以蓝藻的形式）单细胞生物在地球上繁衍、原始生态系统的建立原核生物占主体的阶段（35～20亿年前）真核生物占主体的阶段（20～6亿年前）多细胞生物出现和多样化表达、生物圈覆盖整个地球多细胞植物、多细胞动物的诞生（6～5.5亿年前）“寒武纪大爆发”（约5.3~5.5亿年前）——物种“爆发”“志留纪大爆发”（约4.3亿年前）——生命从海洋扩展到陆地人类诞生、文明的发展约400～1000万年前，人类诞生文化史：100万年时间(亿年前)46地球形成地核与地幔分异4038最早的沉积记录化学进化生命起源35最早的叠层石和微生物化石记录光合作用起源30生命起源单细胞生物繁衍及原始生态系统建立2520冠族真核细胞起源大气圈自由氧开始积累107多细胞叶状体植物适应辐射性分化时间(亿年前)多细胞生物进化时间(亿年前)50骨骼化、后生动物适应辐射性分化哺乳动物起源人类起源、文化系统建立4321“寒武纪大爆发”“志留纪大爆发”陆生维管植物诞生两栖动物出现被子植物起源爬行动物出现鸟类出现恐龙成为地球霸主恐龙绝灭§2.2.2生物的分类生物多样性（Biodiversity）物种的多样性遗传（基因）的多样性生态系统的多样性保护生物多样性的重要性1992年，联合国环境与发展大会《生物多样性公约》生物分类体系

CarolusLinnaeus（1707-1778）瑞典博物学家

Linnaeus在《Systema

Naturae》中创立生物分类体系

双命名法（binomialnomenclature）每个物种的科学名称由两部分组成：属名加种名，属名在前，第一个字母大写；种名在后，小写；其后还可标注发现的地名或发现者的名字；采用拉丁文生物分类体系

界（kingdom）

动物界(Animalia)

门（phylum）

脊索动物门(Chordata)脊椎动物亚门(Vertebtata)

纲（class）

哺乳动物纲(Mammalia)真兽亚纲(Eutheria)

目（order）

灵长目(Primates)类人猿亚目(Anthropoidea)

科（family）

人科(Hominidae)

属（genus）

人属(Homo)

种（species）

人种(sapiens)超-（super-）；亚-（sub-）

生物系统树Phylogenetictree:把物种按亲缘关系远近用图形表达而成的树状系统。生物“界”的划分三界说、五界说、六界说、八界说三主干六界说：真细菌古细菌原生生物真菌植物动物原核生物真核生物原核生物（真细菌、古细菌）

原核生物(prokaryote)：由原核细胞构成的单细胞生物

DNA分子无核膜包裹，遗传信息量小；细胞小，直径为0.2~10m，有细胞壁；细胞内无细胞器。真核生物（原生生物、真菌、植物、动物）

真核生物(eukaryote)：由真核细胞构成的单细胞、多细胞生物

有核膜包裹的完整细胞核，核内DNA借助组蛋白形成多个染色体；

细胞体积较大，直径为10~100m；

细胞内有功能专一的细胞器。

模式生物基因组计划是人类基因组计划的一个重要组成部分为人类基因组研究做方法学和组织工作的准备（1）、将从模式生物中得到的数据和资料与人类基因组比较，通过不同生物基因序列的同源性来阐明人类相应基因的功能；（2）、通过研究小而简单的模式生物的基因组，积累经验，发展技术；（3）、对模式生物的研究亦具有重要的经济价值。模式生物的基因组结构相对于人类基因组来说，比较简单，在基因组测序时可以为人类基因组计划提供借鉴，更重要的是对这些模式生物体的功能基因的认识可以为认识人类基因组的功能提供更多的帮助。四大“模式生物”：酵母、线虫、果蝇、小鼠模式生物(ModelOrganisms)噬菌体（Bacteriophage）

感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒

如：大肠杆菌噬菌体(coliphages)

遗传物质：单链/双链、环状/线状、DNA/RNA电镜下的蝌蚪形噬菌体病毒（Virus）不具有细胞形态结构，仅由核酸和蛋白质构成；

如：人艾滋病毒HIV、SARS冠状病毒

体积小，10～300nm；严格的专性细胞内寄生；对抗生素不敏感。电子显微镜下的SARS冠状病毒100nm放大了15万倍的H5N1型禽流感病毒

大肠杆菌（Escherichiacoli）

人类研究得最为详尽的模式生物：结构简单，基因组小，无内含子，无性繁殖，可人工培养。因此，作为分子生物学及相关基础生物学研究的材料，是一种良好的模式生物

K12菌株，全基因组于1997年测定，长460万bp

长度1.6m，单细胞原核生物，繁殖快。大肠杆菌及其全基因组酵母（Saccharomycescerevisiae,yeast）

属于真菌界的单细胞真核生物；有16条染色体，全基因组于1996年测定：遗传学上的里程碑秀丽线虫（Caenorhabitidiselegans,worm）

细胞数目一定：成虫细胞数目只有959个，其中包括302个神经元；有6条染色体，全基因组于1998年测定，长9.7Mb荧光显微镜下的秀丽线虫果蝇（Drosophilamelanogaster）

生活周期短、容易饲养、繁殖力强、染色体数目少、易于观察、容易诱发变异等特点；全基因组长约1.8亿bp。果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王果蝇的4对染色体照片拟南芥（Arabidopsisthaliana）十字花科草本，生活周期为6周，是理想的模式植物；

5条染色体，全基因组长约1.0×108

bp。植物中的“果蝇”——拟南芥小鼠（Musmusculus）

基因组大小与人类相近，约30亿个核苷酸对，有19条染色体；1999年小鼠基因组测序项目启动2002年8月完成小鼠基因组物理图谱2002年12月完成小鼠基因组序列草图水稻（Oryzasativa）

基因组比较紧致，为小麦的1/37，是禾本科植物的首选测序对象；

12条染色体；约为人类基因组的七分之一，大约4．3亿bp。非洲爪蟾（Xenopuslavias）

1个受精卵在24小时内分裂到各种器官初具雏形的程度斑马鱼（Daniorerio）

身体透明的小鱼，生活周期约3个月，是研究脊椎动物发育过程的良好对象。§2.3生命的分子组成§2.3.1生命的分子骨架生命本质的一致性

生命形态千差万别生命组成及生物大分子的构筑：以非生命界的材料和化学规律为基础生物大分子化学结构：高度有序化、个性化在元素周期表所列的一百多种元素中，约60种元素参与生命的组成构成生命的化学元素

最重要的元素(占体重96%以上)：

C、H、O、N

常量元素(占体重99.35%)

：

C、H、O、N、Ca、P、K、S、Na、Cl、Mg等

微量元素(含量低于0.01%)

：

Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、V、Cr、Ni、Sn、Si、Se、F、I等人体中存在的元素常量元素OCHNCaPKSNaClMg重量百分比(%)65.018.59.53.31.51.00.40.30.20.20.1微量元素(<0.01%)Ni、Cr、Cu、Co、F、I、Fe、Mn、Mo、Se、Si、Sn、V、Zn

C、H、O、N是能形成共价键的最轻元素

C、N、O都具有形成多键的倾向，使分子具有极强的稳定性

C原子的特点：与其它原子形成强的共价键；碳原子彼此连接成链状或环状大分子一致性：链状或环状碳架是构成生物分子的基本骨架生物大分子的碳链骨架§2.3.2生物大分子从化学成分看，生物体内除了水、无机盐类、离子，主要有4类分子，其中3类可以形成大分子。小分子大分子单糖、双糖多糖、淀粉、糖原、纤维素脂肪酸核苷酸核糖核酸RNA、脱氧核糖核酸DNA氨基酸蛋白质糖的生物功能

作为燃料（是生命活动所需的能源）重要的中间代谢物参与生物大分子组成作为信号分子碳水化合物，含C、H、O三种元素，比例一般为1:2:1。小分子：单糖、双糖、三糖大分子（由单糖构成的多糖）：淀粉、糖原、纤维素1.糖类（carbohydrates）单糖(monosaccharides)

分子式：(CH2O)n，n>=3

葡萄糖（glucose）：(CH2O)6双糖(disaccharides)

由2个单糖缩合而成

麦芽糖（maltose）：淀粉的基本结构单位，C12H24O12多糖(polysaccharides)

由很多单糖分子缩合脱水而成的长链大分子

淀粉(starch)：植物细胞中以贮藏状态存在，(C6H10O5)n

糖原(glycogen)：动物细胞中贮存的糖纤维素(cellulose)：高等植物细胞壁的主要成分脂类的生物功能

构成生物膜的骨架储存能量（效率是糖的2倍左右）构成生物表面的保护层、保温层重要的生物学活性物质碳水化合物，含C、H、O三种元素，H:O远大于2，某些脂类含有P、N；不溶于水，但溶于非极性溶剂；中性脂肪、磷脂、类固醇、萜类2.脂类（lipids）中性脂肪(fat)、油(oil)

甘油和脂肪酸结合生成的三酰甘油酯，高度疏水

植物脂肪含大量不饱和脂肪酸，液态，称为油

动物脂肪富含饱和脂肪酸，可呈固态蜡(wax)

长链醇和长链脂肪酸结合生成的酯，比三酰甘油酯更疏水

蜂蜡的重要成分植物果实、叶片的天然覆盖层动物表皮、羽毛的覆盖层磷脂(phospholipids)

主要存在于细胞膜系统中；卵磷脂、脑磷脂是构成生物膜磷脂双分子层的主要成分类固醇(steroids)

芳香族结构，理化性质与脂类相近，不溶于水，溶于有机溶剂胆固醇(cholesterol)：动物细胞膜和神经髓鞘的重要成分，与膜的透性有关。重要的生物活性物质：性激素、维生素D、肾上腺皮质激素蛋白质的生物功能是遗传信息转化成生物结构和功能的表达者；参与基因表达的调节，以及细胞中氧化还原反应、电子传递、神经传递、学习记忆等重要生命过程；酶（一类重要的蛋白质）在细胞和生物体内各种生化反应中起催化作用；某些蛋白质为生物生长提供营养；某些蛋白质是动物的攻防武器（蛇毒、蜂毒）。蛋白质是细胞的重要组成成分。除含有C、H、O、N外，还有S。蛋白质的基本结构单位为氨基酸（aminoacid）。蛋白质种类繁多，估计有1010～1012种。3.蛋白质(protein)和氨基酸(aminoacid)氨基酸(aminoacid)

是蛋白质的结构单体；

天然存在于蛋白质中的氨基酸只有20种；结构特点：在与羧基-COOH相连的-碳原子上都连着氨基，侧链R的不同决定了氨基酸的特性。氨基酸通式氨基酸标准符号符号意义符号意义A(Ala)丙氨酸N(Asn)天冬酰胺B天冬氨酸/天冬酰胺P(Pro)脯氨酸C(Cys)半胱氨酸Q(Gln)谷氨酰胺D(Asp)天冬氨酸R(Arg)精氨酸E(Glu)谷氨酸S(Ser)丝氨酸F(Phe)本丙氨酸T(Thr)苏氨酸G(Gly)甘氨酸U硒代半胱氨酸H(His)组氨酸V(Val)缬氨酸I(Ile)异亮氨酸W(Trp)色氨酸K(Lys)赖氨酸Y(Tyr)酪氨酸L(Leu)亮氨酸Z谷氨酸/谷氨酰胺M(Met)甲硫氨酸以上5个氨基酸除甘氨酸外都有疏水的侧链，所以称为疏水氨基酸。以上四个氨基酸都带有环状侧链，基本上也都是疏水氨基酸。氨基酸Cys、Met是含硫氨基酸。以上三个氨基酸（Lys,Arg,His）是碱性氨基酸，又是亲水氨基酸氨基酸（Ser,Thr）是含羟基的氨基酸,也是亲水氨基酸天冬氨酸和谷氨酸是两个酸性氨基酸，天冬酰胺和谷氨酰胺则为中性氨基酸肽键(peptidebond)、多肽(polypeptide)2个氨基酸分子的相邻氨基和羧基脱水缩合，形成肽键；

多个氨基酸分子以肽键顺序相连得到的链状分子，就是多肽，多肽是蛋白质分子的亚单位；

1个蛋白质分子由1条或多条多肽链组成；蛋白质是有方向的一维链，氨基端记为N端(N’)，羧基端记为C端(C’)。蛋白质的空间结构一级结构(primarystructure)多肽链中氨基酸数目、种类和线性排列顺序二级结构(secondarystructure)氢键形成-螺旋(-helix)链间形成-折叠(-sheet)三级结构(tertiarystructure)肽链进一步沿多方向盘绕成紧密的近似球状结构四级结构(quaternarystructure)具有特定构象的肽链进一步结合，并在空间相互作用蛋白质的空间结构层次蛋白质结构与功能的关系蛋白质的生物学功能是蛋白质分子的天然构象所具有的性质，功能与结构密切相关。只有当蛋白质以特定的适当空间构象存在时才具有生物活性。不同的蛋白质，由于结构不同而具有不同的生物学功能。

基本假设(Anfinsen，1961)：序列决定构象，即折叠所需信息完全包含在氨基酸排列的一维序列中一级结构与功能的关系蛋白质的一级结构与蛋白质功能有相适应性和统一性：（1）一级结构的变异与分子病（2）一级结构与生物进化（3）蛋白质的激活作用蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质的空间结构与功能之间有密切相关性，其特定的空间结构是行使生物功能的基础：（1）核糖核酸酶的变性与复性及其功能的丧失与恢复（2）血红蛋白的变构现象重要的生物信息学问题从氨基酸序列预测蛋白质的结构与功能蛋白质Fold的分类与预测结构域（domain）分析与预测

Motif分析与预测（如信号肽）二级结构预测氢键形成-螺旋(-helix)、-折叠(-sheet)脱氧核糖核酸(DNA，deoxyribonucleicacid)

存在于细胞核内的染色质中，以及线粒体和叶绿体中

DNA是遗传信息的携带者核酸是最重要的一类生物大分子。1870年，F.Miescher从脓细胞的核中分离，由于呈酸性，故命名为核酸。核糖核酸(RNA，ribonucleicacid)

在细胞核内产生，再进入细胞质中

RNA在蛋白质合成中起重要作用核酸(nucleicacid)4.核酸(nucleicacid)及核苷酸(nucleotides)核苷酸(nucleotides)

是DNA和RNA的结构单体，核苷酸排列组成DNA和RNA大分子；每一核苷酸分子含有一个核糖(或脱氧核糖)分子、一个磷酸分子、一个含氮的碱基(base)；

碱基分为两类：

嘌呤(purine)：双环分子，包括腺嘌呤(adenine,A)、鸟嘌呤(guanine,G)两种；

嘧啶(pyrimidine)：单环分子，包括胸腺嘧啶(thymine,T)、胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)三种。DNA和RNA

多个核苷酸通过两个核苷酸之间的唯一连键3’，5’即磷酸二酯键顺序相连而成长链的多核苷酸分子，即成核酸的基本结构；

DNA：含脱氧核糖，分为A、C、G、T四种

DNA分子是双链结构，由两条脱氧核糖核苷酸长链以碱基配对(A－T，G－C)相连形成螺旋状双链大分子

RNA：含核糖，分为A、C、G、U四种

RNA分子一般为单链，一般比DNA分子小所有生物细胞都含有这两类核酸。但病毒不同，DNA病毒只含有DNA，RNA病毒只含RNA。生物信息数据库中的核苷酸代码核苷酸代码核苷酸代码A（腺嘌呤）AU（尿嘧啶）UC（胞嘧啶）CC或T（U）YG（鸟嘌呤）GG或T（U）KT（胸腺嘧啶）TA或T（U）W非ABA或GR非CDA或CM非GHG或CS非TVA或C或G或T（U）NDNA的双螺旋结构与碱基配对3’3’5’5’RNA的单链可形成局部的碱基配对1.DNA中的一些三链螺旋结构存在于基因调控区，具有重要的生物学意义。2.不同类型的RNA分子可自身回折形成发卡、局部双螺旋区，形成二级结构，并折叠产生三级结构。RNA二级结构和三级结构在RNA分子的功能实现中具有重要作用。核酸的生物学意义

核酸的特殊意义：存储大量被压缩的生物信息

核苷酸可以作为化学能量的携带者

ATP（腺苷三磷酸）在细胞反应中参与能量的转移核苷酸链及其方向

1个核苷酸的3’位-OH与相邻的核苷酸5’位磷酸基形成磷酸二酯键，实现2个核苷酸连接。

若干个核苷酸通过磷酸二酯键连接成的多聚核苷酸链，形成5’－>3’的方向“原始汤（primordialsoup）”理论小分子有机化合物（氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等）汇集在原始海洋中，怎样形成复杂的大分子？复杂的有机物质：蛋白质、核酸、多糖、类脂等大分子物质。其中蛋白质和核酸的形成对于生命现象具有非常重要的作用。生物大分子并不能独立表现生命现象，只有形成了众多的、乃至成百万的以蛋白质、核酸为基础的多分子体系时，才能表现生命萌芽。而生物大分子在溶液中自动聚集，从而形成各种独立的多分子体系，出现团聚体或微球体。由于多分子体系可以起到有机表面的催化作用，而反过来作用于各类单体的聚合，促使产生更高级的蛋白质和核酸，然后通过有序性逐渐提高的长期过程，其结构、机能便愈益复杂和完善，由此产生出原始生命。人造生命离我们还有多远？推荐读物：《第五项奇迹——生命起源之探索(Thefifthmiracle)》P.Davis，译林出版社，2004年小分子、大分子怎样组成原始生命？Goddidit?§2.4遗传的分子基础§2.4.1Whatisgene?Mendel的“遗传因子”遗传学之父G.MendelGregorMendel(1822-1884)奥地利植物学家。1851～1854年在Vienna大学学习物理、数学和自然科学。此后连续8年(1857～1865)以豌豆为实验材料进行单因子杂交和双因子杂交实验，1865年提出遗传学的两个基本定律：分离定律和自由组合定律。并开始提出“遗传因子”的概念。35年后，其研究成果开始引起科学界重视。“遗传因子”

生物的每一个性状，从亲代到子代，是由颗粒性的“遗传因子”决定的，并由颗粒性的“遗传因子”负责传递遗传信息；体细胞中的“遗传因子”成双存在，配子中只含有其中之一；亲代杂交时，“遗传因子”保持独立性，互不融合，在形成子代时，配子的结合是随机的。“基因(gene)”1909年，丹麦遗传学家Johansen提出“gene”一词代替“遗传因子”。从Mendel直到20世纪初，“遗传因子”或“基因”还只是逻辑推理的概念，是作为一种遗传性状的符号，无任何物质的内容。Morgan的“基因学说”ThomasMorgan(1866-1945)AmericangeneticistwhosematernalgreatgrandfatherwasFrancisScottKey,authorofthewordstotheAmericannationalanthem,"TheStar-SpangledBanner."MorganpioneeredtheentirefieldofgeneticswithhisstudyofDrosophila,thefruitfly.HecollaboratedatCaltechwithBridgesandSturtevant.In1915,MorgancollaboratedwithSturtevant,HermannMullerandBridgesinwritingthelandmarktextbookTheMechanismofMendelianHeredity.In1933,MorganwasawardedtheNobelPrizeforthediscoveryofthechromosomalmechanismbywhichtraitsarepassedtooffspringthroughinteractionofgenes.“染色体假说”

1902年，德国Bover和美国Sutton同时提出：细胞核的染色体是基因的物质载体。Morgan的果蝇伴性遗传实验

验证假说：控制果蝇白眼性状的基因位于X染色体上；

科学意义：首次把1个特定的基因与1个特定的染色体联系起来，建立了遗传的染色体学说。果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王肺炎双球菌转化实验

1928年，英国Griffith；1944年，美国Avery等

DNA是遗传物质基础的第一个和最重要的证据，明确了DNA是遗传信息的载体噬菌体感染实验

1952年，美国Hershey和Chase

进一步为证明DNA是遗传物质提供了更直接的证据烟草TMV的重建实验

1956年，德国Fraenkel-Conrot

证明在不具有DNA的病毒中，RNA是遗传物质基因的本质：DNA/RNA3.4nm2nm1953年，Watson和Crick为合理解释遗传物质的各种功能、解释生物的遗传和变异、揭示自然界色彩纷纭的生命现象奠定了理论基础；揭示了生命世界多样性和生命本质的一致性的辨正统一；现代生命科学的里程碑。DNA双螺旋结构现代分子生物学的定义基因是携有遗传信息的DNA序列，它能够表达一个完整的遗传信息。它是遗传物质的最小单位。一个基因是编码一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。基因：DNA分子链上的特定区域。基因的定义§2.4.2DNA的复制

DNA复制——生物遗传信息的横向传递

DNA在细胞分裂之前以自身为模板进行自我复制，复制的结果是一条双链变成两条一样的双链，每条双链都与原来的双链一样，分配到两个子细胞中。

DNA的双螺旋结构——复制的结构基础

维持遗传物质的稳定性；保证遗传信息复制的准确性；

DNA复制过程

涉及30多种蛋白质（包括酶）的协同参与；不同的生物中存在多种复制方式。

DNA复制的特点

复制精确、遗传信息稳定、具有连续性；速度快、效率高。

DNA分子双链的碱基互补导致一条链上核苷酸排列顺序决定了其互补链上的核苷酸排列顺序。所以，每一链都含有合成其互补链所需的全部信息。

Semi-conservativeReplication猜测(Watson&Crick)DNA复制过程中，碱基的氢键首先断裂，双螺旋解旋分开，每条链分别作模板合成新链，每个子代DNA都有一条链来自亲代，另一条为新合成。DNA的半保留复制(Semi-conservativeReplication)机制Meselson&Stahl(1958)的实验对半保留复制机制的验证

DNA复制的起点

双链解旋，复制起点呈叉子状，被称为复制叉(replicationforks)

复制起点是固定的，一个DNA分子可以有多个复制起点。

DNA复制的方向

沿着复制叉移动方向，以3’5’走向的链(前导链，leadingstrand)为模板，可向前以5’3’方向连续合成互补链；沿着与复制叉移动方向相反的方向，以5’3’走向的链(后随链，laggingstrand)为模板，也以5’3’方向合成互补链，但先合成许多不连续的短片——冈崎片段(Okazakifragments)，最后再连成一条完整的DNA链。

DNA复制的速度

复制从固定的起始点以双向等速方式进行，复制叉以DNA分子上某一特定位置为起始点，向两个方向等速生长前进。DNA复制的起点、方向和速度复制起点、复制叉、复制方向复制叉3’3’3’3’3’3’3’3’5’5’5’5’5’5’5’5’冈崎片段冈崎片段DNA复制示意图起始阶段解旋酶使DNA分子的双螺旋结构展开，引物酶辨认起始位点，以解开的一段DNA为模板，按照5‘到3’方向合成RNA短链。形成RNA引物。DNA片段的合成DNA的两条链同时进行复制过程，由于复制过程只能由5‘->3’方向合成，因此一条链能够连续合成，另一条链分段（冈崎片段）合成。RNA引物的水解当DNA合成一定长度后，DNA聚合酶水解RNA引物，补填缺口。RNA连接酶将DNA片段连接起来，形成完整的DNA分子。旋转酶形成新的双螺旋结构最后DNA新合成的片段在旋转酶的帮助下重新形成螺旋状。DNA复制的基本过程DNA聚合酶(DNApolymerase)使核苷酸准确与模板上的互补碱基结合，并连接成链；不能起始新的DNA链，只能使原有链延长；合成方向只能是5‘到3’。引物酶(primase)一种依赖DNA的RNA聚合酶，专门合成RNA引物(RNAprimer)。DNA连接酶(DNAligase)一种连接DNA缺口的酶，对DNA的复制、修复和重组具有重要作用。DNA拓扑异构酶(DNAtopoisomerase)催化拓扑异构体互相转变的酶，具有多种生物学功能。DNA螺旋酶(DNAhelicase)结合在复制叉上，通过水解ATP获得能量，把DNA双链解开成单链的酶单链DNA结合蛋白(single-strandedDNAbindingprotein)(SSBprotein)：保证解螺旋解开的单链在复制完成前能保持单链结构。参与DNA复制的关键酶§2.4.3从DNA到蛋白质Reversetranscription(Crick,1957)m中心法则(centraldogma)蛋白质的生物合成过程DNA的排列顺序决定蛋白质氨基酸的排列顺序，但DNA中遗传信息的表达须依赖中介，即通过转录合成mRNA。转录是在RNA聚合酶的催化下，以DNA为模板，按照碱基互补原则（G-C，A-U）沿5’3’方向合成RNA的过程。转录过程需多种蛋白（酶）参与RNA聚合酶(RNApolymerase)：从DNA合成RNA转录因子(Transcriptionfactor)……全保留式转录转录的结果是一条单链RNA，DNA仍保留原来的双链结构。DNA到mRNA的转录(transcription)转录的主要过程RNA聚合酶与启动子(promotor)结合并解开DNA双链启动子：DNA链上包含转录起点的特定序列RNA聚合酶必须通过转录因子识别启动子进行转录RNA聚合酶沿模板DNA的3’到5’移动，一边打开双链，一边连接互补的RNA。注意，打开的双链中只有3’到5’方向的链可作模板！转录终止RNA聚合酶移到转录终止位点，转录结束。转录的结果是一条单链RNA，DNA仍保留原来的双链结构。RNA链完全脱离模板DNA，得到mRNA的前体(premRNA)。RNA的加工PremRNA经过加工（切除内含