生物信息学课件

生物学基础（一）生物的分类（二）生物大分子（三）中心法则thetheoryofevolution地球上的生物是自然界在特定条件下演化的结果，而且仍继续处于变化之中。AlfredRusselWallaceCharlesDarwinTheWallace-DarwinTheory第一节生物的分类简介

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（BigBangBeginsTheUniverse!）；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2520冠族真核细胞起源大气圈自由氧开始积累10单细胞生物繁衍及原始生态系统建立7多细胞叶状体植物适应辐射性分化时间(亿年前)时间(亿年前)50多细胞生物进化骨骼化、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新生代中生代古生代前寒武纪Homosapiens

智人病毒细菌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

KarlvonLinnee（1707-1778），瑞典博物学家

Linnee在《SystemaNaturae》中创立生物分类体系

双命名法（binomialnomenclature）: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林奈(CarolusLinnaeus，1707－1788）瑞典博物学家Linneanhierarchicalclassificationwasbasedonthepremisethatthespecieswasthesmallestunit,andthateachspecies(ortaxon)belongedtoahighercategory.LinneanhierarchicalclassificationKingdom

界 例：Animalia动物界

Phyla门 Chordata脊索动物门

Class纲Mammalia哺乳纲

Order目Carnivora食肉目

Family科Felidae猫科

Genus属Panthera

豹属

Species种 pardus

属名 种名

Panthera

pardus

金钱豹

病毒、细胞和生物体的大小Sizesofviruses,cells,andorganisms.生物进化Threedomainsoflife

三原界系统Eubacteria真细菌原界Archaea古细菌原界Eukaryota真核生物原界

Protista原生生物界

Plantae植物界

Fungi真菌界 Animalia动物界生物“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LevelsofOrganization

Biosphere生物圈Community生物群落Populations生物种群Organism生物体Organ器官Tissue组织Cell:Thefundamentalunitoflivingthings.

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

分子水平

？？？OrganizationlevelsoflifeStudybiologyatmanylevels.Itisthuspossibletostudybiologyatmanylevels,fromcollectionsoforganisms(communities),totheinnerworkingsofacell(organelle).分子水平DNAsequenceProteinsStructureFunction?AllCell第二节

生物大分子生物大分子细胞结构（从染色体到DNA）糖类（D-核糖、D-2-脱氧核糖）脂类（磷脂）蛋白质（氨基酸、蛋白质及其结构）核酸（核苷酸、脱氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNA）主要内容：真核生物细胞

eukaryoticcell原核生物细胞prokaryoticcell一、细胞结构cell1、大肠杆菌2、念珠藻3、小球藻4、酵母菌5、火丝菌6、眼虫7、分生组织细胞8、栅栏组织薄壁细胞9、驴蹄草叶表皮细胞和保卫细胞10、大鼠肝细胞11、肾近曲小管上皮细胞12、成纤维细胞13、人红细胞14、人精子15、哺乳动物的横纹肌细胞16、平滑肌细胞17、神经细胞体Ageneralprokaryoticcell原核生物细胞结构肽聚糖被膜质膜动物细胞植物细胞细胞壁、细胞膜、细胞质和细胞核真核生物细胞结构从染色体到DNA人类23对染色体细胞中的大分子Theapproximatecompositionofabacterialcell.MacromoleculesinCells二、糖类作用：储存能量结构材料cellulose纤维素Theyareimportantmetabolically.Sugarsarethemajorenergystoragemoleculesforlivingorganisms.Theircarbonringscontainlargeamountsofenergy.Forexample,thecompletemetabolismofglucose:releases686kcal/mol.醣酵解呼吸2.Therearefourbasicsugarsthatwewilldealwith:三、脂类磷脂(phospholipids)是构成细胞膜(membranes)的主要成分磷脂是两性分子，即亲水性和疏水性。头部是带负电荷的磷酸基团；尾部是疏水性的碳链。细胞膜的结构质膜磷脂四、蛋白质核酸是遗传信息的携带者蛋白质是信息转化成生物结构和功能的表达者ProteinSequenceStructureFunction 1)enzyme 2)transport 3)cellstructure几大类蛋白质纤维蛋白膜蛋白球蛋白4.1氨基酸anaminoend(NH2)acarboxylend(COOH)R-groupaminoacid20种主要氨基酸的分类8723StructuresintheR-groupsofthetwentyaminoacidsfoundinalllivingthings.

StructuresintheR-groupsofthetwentyaminoacidsfoundinalllivingthings.

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一级结构，Primarystructure

二级结构，SecondaryStructure三级结构，TertiaryStructure四级结构，QuartenaryStructure4.2蛋白质的结构一级结构二级结构

SecondaryStructurealpha-helix,alpha-螺旋beta-pleatedsheet，beta-折叠片beta-turn，beta–转角Randomcoil，无规卷曲alpha-helixalpha-helix,alpha-螺旋，肽链主链骨架围绕中心轴盘旋成螺旋状的结构。B-pleatedsheetsbeta-pleatedsheet，beta-折叠片，在多肽链之间或一条肽链的肽段之间靠氢键联结而成的锯齿状片层结构。反平行式平行式theturnsbeta-turn，beta–转角，在球状的蛋白质分子中，肽链经常出现的回折，由4个连续的氨基酸组成。三级结构

TertiaryStructure三级结构，多肽链借助各种次级键（非共价键）盘绕成具有特定肽链走向的紧密球状结构。四级结构

QuartenaryStructure四级结构，寡聚蛋白质中各亚基之间在空间上的相互关系或结合方式。亚基，四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质。亚基一般只是一条多肽链，这些多肽链相互间以S-S键相连。亚基的聚集体即是寡聚蛋白质。Structureofaprotein:primary,secondary,tertiary,andquaternarylevelsofstructure.五、核酸它的基本结构单位是核苷酸（nucleotides）。核苷酸有多种类型：

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碱基Sugars：riboseordeoxyribose.StructureofthebasesPurinesPyrimidinesstructureofdeoxyadenosineN-糖苷键核苷酸代码表

代码英文含义中文含义G

Guanine

鸟嘌啉

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鸟嘌啉或胸腺嘧啶(酮基)S(CorG)Stronginteraction强相互作用碱基W(AorT)Weakinteraction弱相互作用碱基H(AorCorT)Not-G(HafterG)非鸟嘌啉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不确定核苷酸代码表(IUPAC-IUBSTANDARDBASECODES)Lastmodified:25-Aug-2000,luojc@

5.2脱氧核糖核酸(DNA)DNA是遗传物质

Deoxyribonucleicacid(betterknownasDNA)isthephysicalcarrierofinheritancefor99%oflivingorganisms.1953年，Watson和Crick阐明了DNA的双螺旋结构。现代生物技术发展史上的重要事件

polynucleotidechain3’,5’-phosphodiesterbondii).StructureoftheDNAdoublehelixN-糖苷键3‘,5’-磷酸二酯键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.分子生物学的中心法则

TheCentralDogmaofMolecularBiology1)中心法则总述2)DNA自我复制3)从DNA到RNA(转录)4)遗传密码5)从RNA到蛋白质(翻译)6)基因一、中心法则简介TheCentralDogmaofMolecularBiology二、DNA复制

DNAReplicatingItselfReplication，复制：在亲代DNA双链的每一条链上按碱基配对而准确地形成一条新的互补链，结果生成两个与亲代链相同的DNA双链。DNA复制示意图DNA的半保留复制在DNA复制时，亲代DNA的双螺旋先解旋，然后以每条链为模板，按照碱基配对原则，在这两条链上各形成一条互补链。在每一个新形成的双螺旋中，一条链是从亲代DNA来的，另一条是新形成的。3’5’5’3’3’5’5’3’3’5’5’3’leadingstrand(synthesizedcontinuously)laggingstrand(synthesizeddiscontinuously)EachreplicationforkhasaleadingandalaggingstrandTheleadingandlaggingstrandarrowsshowthedirectionofDNAchainelongationina5’to3’directionThesmallDNApiecesonthelaggingstrandarecalled

Okazakifragments(100-1000basesinlength)replicationforkreplicationforkDNA的半不连续复制RNAprimer5’3’3’5’3’5’directionofleadingstrandsynthesisdirectionoflaggingstrandsynthesisreplicationfork5’3’5’3’MovementofthereplicationforkMovementofthereplicationforkRNAprimerOkazakifragmentRNAprimer5’复制体(replicon)在DNA复制过程中，由众多的酶和蛋白质参与DNA的复制作用。复制体的基本活动包括：1）双链的解开；2）RNA引物的合成；3）DNA链的延长；4）切除RNA引物，填补缺口，连接DNA片段；5）切除和修复错配碱基。三、转录Transcription:makinganRNAcopyofaDNAsequenceTranscription，转录：以DNA为模板，按碱基配对将其中所含的遗传信息传给RNA，形成一条与DNA链互补的mRNA链的过程。编码链，有义链模板链，无义链TranscriptionofasegmentofDNAtoformamoleculeofRNA.1）RNA聚合酶与DNA模板的结合2）起始3）延长4）终止TranscriptionRNApolymerase,RNA聚合酶closedpromotercomplex,封闭的启动子复合物openpromotercomplex,开放的启动子复合物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、遗传密码TheGeneticCode:TranslationofRNAcodeintoprotein三联体密码子的特点：1）方向性2）无标点性3）简并性4）通用性5）摆动性起始密码子：ATG。终止（无义）密码子：

UAA

UGA

UAG。同义密码子： 编码同一个氨基酸 的几个密码子。五、翻译TranslationistheprocessofconvertingthemRNAcodonsequencesintoanaminoacidsequence.Translation，翻译：在RNA控制下，根据核酸链上每三个核苷酸决定一个氨基酸的三联体密码规则，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。ProteinSynthesisandProteinProcessinga).RNAstructureb).Proteinsynthesis i).Initiationofproteinsynthesis ii).Peptidebondformation;peptidyltransferase iii).Elongationandtermination

RNA类型结构作用mRNA信使RNA单链；原核生物的mRNA为多顺反子，真核生物的为单顺反子。DNA原始遗传信息的直接接受者；合成蛋白质直接模板。tRNA转运RNA二级结构是三叶草型结构；三级结构为倒L型结构。转运氨基酸到核糖体上；通过反密码子识别mRNA上的密码子。rRNA核糖体RNA16S(smallribosomalsubunit)23S(largeribosomalsubunit)5S(largeribosomalsubunit)含量大，维持核糖体的空间结构；使mRNA和tRNA结合在适当位置；识别mRNA上的启动和终止信号。核糖体是蛋白质生物合成的场所；mRNA是合成的模板；tRNA是模板与“合成原料”氨基酸之间的接合体。mRNArRNA原核生物的核糖体为70S，由50S和30S的大小亚基组成；真核生物的核糖体为80S，由60S和40S的大小亚基组成。rRNA是构成核糖体的骨架。16S(smallribosomalsubunit)23S(largeribosomalsubunit)5S(largeribosomalsubunit)RibosomestructureAPPPPPPPPP-sitepeptidyltRNAsiteA-siteaminoacyltRNAsitemRNA5’Smallsubunit(40S)Largesubunit(60S)RibosomewithboundtRNAsandmRNAThemodeloftRNA.a.a.+tRNA+ATP氨酰-tRNA+AMP+PPi氨酰-tRNA合成酶氨酰-tRNA合成酶能识别tRNA，并催化反应。对L-氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有一个专一的酶。氨酰-tRNA合成酶的高度专一性，防止在蛋白质合成时错误的氨基酸掺入多肽。TertiarystructureSecondarystructuretRNAProteinsynthesis起始延长终止一个新生肽链的诞生，除了必须有mRNA模板，tRNA及核糖体外，还需要许多蛋白因子。如，起始因子(IF)，延长因子(EF)和终止因子(RF)等的参与。肽链合成的方向是N->C,mRNA信号被转译的方向是5`->3`。ProteinSynthesismRNA5’cap40SsubunitMeIF2AUGInitiatortRNAboundtothesmallribosomalsubunitwiththeeukaryoticinitiationfactor-2(eIF2)Initiationofproteinsynthesis:mRNAbindingThesmallsubunitfindsthe5’capandscansdownthemRNAtothefirstAUGcodonmRNA5’40SsubunitMeIF2AUGtheinitiationcodonisrecognizedeIF2dissociatesfromthecomplexthelargeribosomalsubunitbinds60SsubunitmRNA5’MAUGaminoacyltRNAbindstheA-sitefirstpeptidebondisformedinitiationiscompleteGCCAmRNA5’MAUGGCCA氨酰-tRNANH2CH3-S-CH2-CH2-CHO=CPeptidebondformation

peptidebondformationiscatalyzed bypeptidyltransferase(肽基转移酶)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