生物信息学课件

生物學基礎（一）生物的分類（二）生物大分子（三）中心法則thetheoryofevolution地球上的生物是自然界在特定條件下演化的結果，而且仍繼續處於變化之中。AlfredRusselWallaceCharlesDarwinTheWallace-DarwinTheory第一節生物的分類簡介

1、地球上的自然史與生命史不斷演化的地球系統：地球本身一直經歷著由簡單到複雜、由低級到高級不可逆的演化過程，由此逐漸形成了大氣圈、水圈、岩石圈、生物圈及地球內部的圈層；不斷演化的地球生物：生物是地球系統在特定條件下演化的結果，並仍處於不斷的演化之中；宇宙的起源：始於120億年前的宇宙大爆炸（BigBangBeginsTheUniverse!）；太陽系的起源：大約49億年前，誕生太陽系；地球的起源：大約45億年前，宇宙中的塵埃在引力作用下逐漸集聚形成地球。地球生命簡史生命誕生、細胞的形成

35～38億年前，海洋孕育原始生物單細胞生物在地球上繁衍、原始生態系統的建立原核生物占主體的階段（35～20億年前）真核生物占主體的階段（20～6億年前）多細胞生物出現和多樣化表達、生物圈覆蓋整個地球多細胞植物、多細胞動物的誕生（6～5.5億年前）“寒武紀大爆發”（約5.3~5.5億年前）——物種“爆發”“志留紀大爆發”（約4.3億年前）——生命從海洋擴展到陸地人類誕生、文明的發展約400～1000萬年前，人類誕生文化史：100萬年時間(億年前)46地球形成地核與地幔分異4038最早的沉積記錄化學進化生命起源35最早的疊層石和微生物化石記錄光合作用起源30生命起源2520冠族真核細胞起源大氣圈自由氧開始積累10單細胞生物繁衍及原始生態系統建立7多細胞葉狀體植物適應輻射性分化時間(億年前)時間(億年前)50多細胞生物進化骨骼化、後生動物適應輻射性分化哺乳動物起源人類起源、文化系統建立4321“寒武紀大爆發”“志留紀大爆發”陸生維管植物誕生兩棲動物出現被子植物起源爬行動物出現鳥類出現恐龍成為地球霸主恐龍絕滅新生代中生代古生代前寒武紀Homosapiens

智人病毒細菌2、生物的分類生物多樣性（Biodiversity）物種的多樣性遺傳（基因）的多樣性生態系統的多樣性保護生物多樣性的重要性1992年，聯合國環境與發展大會《生物多樣性公約》生物分類體系

KarlvonLinnee（1707-1778），瑞典博物學家

Linnee在《SystemaNaturae》中創立生物分類體系

雙命名法（binomialnomenclature）:屬名加種名，屬名在前，第一個字母大寫；種名在後，小寫；其後還可標注發現的地名或發現者的名字；採用拉丁文生物分類體系林奈(CarolusLinnaeus，1707－1788）瑞典博物學家Linneanhierarchicalclassificationwasbasedonthepremisethatthespecieswasthesmallestunit,andthateachspecies(ortaxon)belongedtoahighercategory.LinneanhierarchicalclassificationKingdom

界 例：Animalia動物界

Phyla門 Chordata脊索動物門

Class綱Mammalia哺乳綱

Order目Carnivora食肉目

Family科Felidae貓科

Genus屬Panthera

豹屬

Species種 pardus

屬名 種名

Panthera

pardus

金錢豹

病毒、細胞和生物體的大小Sizesofviruses,cells,andorganisms.生物進化Threedomainsoflife

三原界系統Eubacteria真細菌原界Archaea古細菌原界Eukaryota真核生物原界

Protista原生生物界

Plantae植物界

Fungi真菌界 Animalia動物界生物“界”的劃分三界說、五界說、六界說、八界說三主幹六界說：真細菌古細菌原生生物真菌植物動物原核生物真核生物LevelsofOrganization

Biosphere生物圈Community生物群落Populations生物種群Organism生物體Organ器官Tissue組織Cell:Thefundamentalunitoflivingthings.

細胞Organelle:細胞器Molecules,atoms,andsubatomicparticles:Thefundamentalfunctionallevelsofbiochemistry

分子水準

？？？OrganizationlevelsoflifeStudybiologyatmanylevels.Itisthuspossibletostudybiologyatmanylevels,fromcollectionsoforganisms(communities),totheinnerworkingsofacell(organelle).分子水準DNAsequenceProteinsStructureFunction?AllCell第二節

生物大分子生物大分子細胞結構（從染色體到DNA）糖類（D-核糖、D-2-去氧核糖）脂類（磷脂）蛋白質（氨基酸、蛋白質及其結構）核酸（核苷酸、去氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNA）主要內容：真核生物細胞

eukaryoticcell原核生物細胞prokaryoticcell一、細胞結構cell1、大腸桿菌2、念珠藻3、小球藻4、酵母菌5、火絲菌6、眼蟲7、分生組織細胞8、柵欄組織薄壁細胞9、驢蹄草葉表皮細胞和保衛細胞10、大鼠肝細胞11、腎近曲小管上皮細胞12、成纖維細胞13、人紅細胞14、人精子15、哺乳動物的橫紋肌細胞16、平滑肌細胞17、神經細胞體Ageneralprokaryoticcell原核生物細胞結構肽聚糖被膜質膜動物細胞植物細胞細胞壁、細胞膜、細胞質和細胞核真核生物細胞結構從染色體到DNA人類23對染色體細胞中的大分子Theapproximatecompositionofabacterialcell.MacromoleculesinCells二、糖類作用：儲存能量結構材料cellulose纖維素Theyareimportantmetabolically.Sugarsarethemajorenergystoragemoleculesforlivingorganisms.Theircarbonringscontainlargeamountsofenergy.Forexample,thecompletemetabolismofglucose:releases686kcal/mol.醣酵解呼吸2.Therearefourbasicsugarsthatwewilldealwith:三、脂類磷脂(phospholipids)是構成細胞膜(membranes)的主要成分磷脂是兩性分子，即親水性和疏水性。頭部是帶負電荷的磷酸基團；尾部是疏水性的碳鏈。細胞膜的結構質膜磷脂四、蛋白質核酸是遺傳資訊的攜帶者蛋白質是資訊轉化成生物結構和功能的表達者ProteinSequenceStructureFunction 1)enzyme 2)transport 3)cellstructure幾大類蛋白質纖維蛋白膜蛋白球蛋白4.1氨基酸anaminoend(NH2)acarboxylend(COOH)R-groupaminoacid20種主要氨基酸的分類8723StructuresintheR-groupsofthetwentyaminoacidsfoundinalllivingthings.

StructuresintheR-groupsofthetwentyaminoacidsfoundinalllivingthings.

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一級結構，Primarystructure

二級結構，SecondaryStructure三級結構，TertiaryStructure四級結構，QuartenaryStructure4.2蛋白質的結構一級結構二級結構

SecondaryStructurealpha-helix,alpha-螺旋beta-pleatedsheet，beta-折疊片beta-turn，beta–轉角Randomcoil，無規捲曲alpha-helixalpha-helix,alpha-螺旋，肽鏈主鏈骨架圍繞中心軸盤旋成螺旋狀的結構。B-pleatedsheetsbeta-pleatedsheet，beta-折疊片，在多肽鏈之間或一條肽鏈的肽段之間靠氫鍵聯結而成的鋸齒狀片層結構。反平行式平行式theturnsbeta-turn，beta–轉角，在球狀的蛋白質分子中，肽鏈經常出現的回折，由4個連續的氨基酸組成。三級結構

TertiaryStructure三級結構，多肽鏈借助各種次級鍵（非共價鍵）盤繞成具有特定肽鏈走向的緊密球狀結構。四級結構

QuartenaryStructure四級結構，寡聚蛋白質中各亞基之間在空間上的相互關係或結合方式。亞基，四級結構的蛋白質中每個球狀蛋白質。亞基一般只是一條多肽鏈，這些多肽鏈相互間以S-S鍵相連。亞基的聚集體即是寡聚蛋白質。Structureofaprotein:primary,secondary,tertiary,andquaternarylevelsofstructure.五、核酸它的基本結構單位是核苷酸（nucleotides）。核苷酸有多種類型：

1）informationstorage(DNA)2）proteinsynthesis(RNA)3）energytransfers(ATPandNAD).5.1核苷酸核酸核苷酸核苷磷酸戊糖堿基Sugars：riboseordeoxyribose.StructureofthebasesPurinesPyrimidinesstructureofdeoxyadenosineN-糖苷鍵核苷酸代碼表

代碼英文含義中文含義G

Guanine

鳥嘌啉

A

Adenine腺嘌啉T(U)

Thymine(Uracil)

胸腺嘧啶(尿嘧啶)

CCytosine

胞嘧啶R(AorG)puRine嘌啉Y(CorTorU)pYrimidine嘧啶M(AorC)aMino腺嘌啉或胞嘧啶(氨基)K(GorT)Ketone鳥嘌啉或胸腺嘧啶(酮基)S(CorG)Stronginteraction強相互作用堿基W(AorT)Weakinteraction弱相互作用堿基H(AorCorT)Not-G(HafterG)非鳥嘌啉B(CorGorT)Not-A(BafterA)非腺嘌啉V(AorCorG)Not-T/U(VafterU)非胸腺嘧啶D(AorGorT)Not-C(DafterC)非胞嘧啶N(AorCorGorT)aNy不確定核苷酸代碼表(IUPAC-IUBSTANDARDBASECODES)Lastmodified:25-Aug-2000,luojc@

5.2去氧核糖核酸(DNA)DNA是遺傳物質

Deoxyribonucleicacid(betterknownasDNA)isthephysicalcarrierofinheritancefor99%oflivingorganisms.1953年，Watson和Crick闡明了DNA的雙螺旋結構。現代生物技術發展史上的重要事件

polynucleotidechain3’,5’-phosphodiesterbondii).StructureoftheDNAdoublehelixN-糖苷鍵3‘,5’-磷酸二酯鍵StructureofasegmentofaDNAdoublehelix.A-TbasepairG-CbasepairChargaff’srule:ThecontentofAequalsthecontentofT, andthecontentofGequalsthecontentofC indouble-strandedDNAfromanyspeciesChargaff’sruleModelofdouble-strandedDNAshowingthreebasepairs3’carbon5’carbon5.3核糖核酸(RNA)RNAhasribosesugarinsteadofdeoxyribosesugar.Thebaseuracil(U)replacesthymine(T)inRNA.MostRNAissinglestranded,althoughtRNAwillforma"cloverleaf"structureduetocomplementarybasepairing.RNA(RibonucleicAcid)ThemajorbasesfoundinDNAandRNA DNA RNA Adenine Adenine Cytosine Cytosine Guanine Guanine Thymine Uracil(U)uracil-adeninebasepairthymine-adeninebasepairTherearethreetypesofRNA:MessengerRNA(mRNA)istheblueprintforconstructionofaprotein.RibosomalRNA(rRNA)istheconstructionsitewheretheproteinismade.TransferRNA(tRNA)isthetruckdeliveringtheproperaminoacidtothesiteattherighttime.分子生物學的中心法則

TheCentralDogmaofMolecularBiology1)中心法則總述2)DNA自我複製3)從DNA到RNA(轉錄)4)遺傳密碼5)從RNA到蛋白質(翻譯)6)基因一、中心法則簡介TheCentralDogmaofMolecularBiology二、DNA複製

DNAReplicatingItselfReplication，複製：在親代DNA雙鏈的每一條鏈上按堿基配對而準確地形成一條新的互補鏈，結果生成兩個與親代鏈相同的DNA雙鏈。DNA複製示意圖DNA的半保留複製在DNA複製時，親代DNA的雙螺旋先解旋，然後以每條鏈為範本，按照堿基配對原則，在這兩條鏈上各形成一條互補鏈。在每一個新形成的雙螺旋中，一條鏈是從親代DNA來的，另一條是新形成的。3’5’5’3’3’5’5’3’3’5’5’3’leadingstrand(synthesizedcontinuously)laggingstrand(synthesizeddiscontinuously)EachreplicationforkhasaleadingandalaggingstrandTheleadingandlaggingstrandarrowsshowthedirectionofDNAchainelongationina5’to3’directionThesmallDNApiecesonthelaggingstrandarecalled

Okazakifragments(100-1000basesinlength)replicationforkreplicationforkDNA的半不連續複製RNAprimer5’3’3’5’3’5’directionofleadingstrandsynthesisdirectionoflaggingstrandsynthesisreplicationfork5’3’5’3’MovementofthereplicationforkMovementofthereplicationforkRNAprimerOkazakifragmentRNAprimer5’複製體(replicon)在DNA複製過程中，由眾多的酶和蛋白質參與DNA的複製作用。複製體的基本活動包括：1）雙鏈的解開；2）RNA引物的合成；3）DNA鏈的延長；4）切除RNA引物，填補缺口，連接DNA片段；5）切除和修復錯配堿基。三、轉錄Transcription:makinganRNAcopyofaDNAsequenceTranscription，轉錄：以DNA為範本，按堿基配對將其中所含的遺傳資訊傳給RNA，形成一條與DNA鏈互補的mRNA鏈的過程。編碼鏈，有義鏈範本鏈，無義鏈TranscriptionofasegmentofDNAtoformamoleculeofRNA.1）RNA聚合酶與DNA範本的結合2）起始3）延長4）終止TranscriptionRNApolymerase,RNA聚合酶closedpromotercomplex,封閉的啟動子複合物openpromotercomplex,開放的啟動子複合物initiationelongationterminationRNAproductRNAchainsaresynthesizedina5’to3’directionProkaryoticRNApolymerasestructureRNApolymeraseofE.coliisamultisubunitproteinSubunit

Number

Role

a

2 uncertain

b 1 formsphosphodiesterbonds

b

1 bindsDNAtemplates 1 recognizespromoterand facilitatesinitiationa2bb’sa2bb’+sholoenzymecorepolymerasesigmafactorRNApolymeraseholoenzyme(+sfactor)closedpromotercomplex(moderatelystable)thesigmasubunitbindstothe-10regiononceinitiationtakesplace,RNApolymerasedoesnotneedveryhighaffinityforthepromotersigmafactordissociatesfromthecorepolymeraseafterafewelongationreactionselongationtakesplacewiththecoreRNApolymeraseopenpromotercomplex(highlystable)theholoenzymehasveryhighaffinityforpromoterregionsbecauseofsigmafactorssigmacanre-bindothercoreenzymesThesigmacycless四、遺傳密碼TheGeneticCode:TranslationofRNAcodeintoprotein三聯體密碼子的特點：1）方向性2）無標點性3）簡並性4）通用性5）擺動性起始密碼子：ATG。終止（無義）密碼子：

UAA

UGA

UAG。同義密碼子： 編碼同一個氨基酸 的幾個密碼子。五、翻譯TranslationistheprocessofconvertingthemRNAcodonsequencesintoanaminoacidsequence.Translation，翻譯：在RNA控制下，根據核酸鏈上每三個核苷酸決定一個氨基酸的三聯體密碼規則，合成出具有特定氨基酸順序的蛋白質肽鏈的過程。ProteinSynthesisandProteinProcessinga).RNAstructureb).Proteinsynthesis i).Initiationofproteinsynthesis ii).Peptidebondformation;peptidyltransferase iii).Elongationandtermination

RNA類型結構作用mRNA信使RNA單鏈；原核生物的mRNA為多順反子，真核生物的為單順反子。DNA原始遺傳資訊的直接接受者；合成蛋白質直接範本。tRNA轉運RNA二級結構是三葉草型結構；三級結構為倒L型結構。轉運氨基酸到核糖體上；通過反密碼子識別mRNA上的密碼子。rRNA核糖體RNA16S(smallribosomalsubunit)23S(largeribosomalsubunit)5S(largeribosomalsubunit)含量大，維持核糖體的空間結構；使mRNA和tRNA結合在適當位置；識別mRNA上的啟動和終止信號。核糖體是蛋白質生物合成的場所；mRNA是合成的範本；tRNA是範本與“合成原料”氨基酸之間的接合體。mRNArRNA原核生物的核糖體為70S，由50S和30S的大小亞基組成；真核生物的核糖體為80S，由60S和40S的大小亞基組成。rRNA是構成核糖體的骨架。16S(smallribosomalsubunit)23S(largeribosomalsubunit)5S(largeribosomalsubunit)RibosomestructureAPPPPPPPPP-sitepeptidyltRNAsiteA-siteaminoacyltRNAsitemRNA5’Smallsubunit(40S)Largesubunit(60S)RibosomewithboundtRNAsandmRNAThemodeloftRNA.a.a.+tRNA+ATP氨醯-tRNA+AMP+PPi氨醯-tRNA合成酶氨醯-tRNA合成酶能識別tRNA，並催化反應。對L-氨基酸有極高的專一性，每種氨基酸都有一個專一的酶。氨醯-tRNA合成酶的高度專一性，防止在蛋白質合成時錯誤的氨基酸摻入多肽。TertiarystructureSecondarystructuretRNAProteinsynthesis起始延長終止一個新生肽鏈的誕生，除了必須有mRNA範本，tRNA及核糖體外，還需要許多蛋白因數。如，起始因數(IF)，延長因數(EF)和終止因數(RF)等的參與。肽鏈合成的方向是N->C,mRNA信號被轉譯的方向是5`->3`。ProteinSynthesismRNA5’cap40SsubunitMeIF2AUGInitiatortRNAboundtothesmallribosomalsubunitwiththeeukaryoticinitiationfactor-2(eIF2)Initiationofproteinsynthesis:mRNAbindingThesmallsubunitfindsthe5’capandscansdownthemRNAtothefirstAUGcodonmRNA5’40SsubunitMeIF2AUGtheinitiationcodonisrecognizedeIF2dissociatesfromthecomplexthelargeribosomalsubunitbinds60SsubunitmRNA5’MAUGaminoacyltRNAbindstheA-sitefirstpeptidebondisformedinitiationiscompleteGCCAmRNA5’MAUGGCCA氨醯-tRNANH2CH3-S-CH2-CH2-CHO=CPeptidebondformation

peptidebondformationiscatalyzed bypeptidyltransferase(肽基轉移酶)peptidebondformationresultsinashift ofthenascentpeptidefromtheP-site totheA-siteNH2CH3-S-CH2-CH2-CHO=COtRNANH2CH3-CHO=COtRNANCP-siteA-siteOHtRNANHCH3-CHO=COtRNAP-siteA-sitePUCAPPPPPUCAGCAGGGUAGAPPPPElongationGCAGGGUAGfollowingpeptidebondformationtheunchargedtRNAdissociatesfromtheP-sitetheribosomeshiftsonecodonalongthemRNA,movingpeptidyltRNAfromtheA-sitetotheP-site;thistranslocationrequirestheelongationfactorEF2thenextaminoacyltRNAthenbindswithintheA-site;thistRNAbindingrequirestheelongationfactorEF1EF1EF2energyforelongationisprovidedbythehydrolysisoftwoGTPs:onefortranslocationoneforaminoacyl