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分子生物学 课件_图文

Molecular Biology

1.1 二十世纪生命 科学的回顾

数、理、化相关学科

渗透 交叉

生物学实验技术

生物学
个性 共性

近代生物学

微观生物学
(分子生物学为核心)

宏观生物学
(生态学为核心)

细胞水平

分子水平

生物多样性 研究

资源保护与 利用

结构生物学,发育生物学, 神经生物学等新兴学科发展

人类生态环境的保护 工农业生产持续发展

分子生物学的延伸
分子生物学

分子结构生物学 分子发育生物学

分子细胞生物学 分子免疫学

分子遗传学 分子数量遗传学

分子神经生物学
分子育种学 分子肿瘤学

分子病毒学
分子生理学 分子考古学

分子生态学
分子进化学 …………….

21世纪生命科学发展的重要态势
? 对生命现象的认识从单基因 水平向全基因组整体水平发展 ? 现代生命科学研究的理论与 技术从较长期的积累走向应用

1.2 分子生物学的概念
Define in broadly:

understand biological phenomena in molecular terms
(difficult to distinguish from biochemistry) Define in restrictively:

study of gene structure and their activities in molecular level

Gene concept Gene structure Gene replication Gene expression Gene recombination Gene mutation Molecular Biology of Gene

What is the gene? Basic property
Replication

Expression
Mutation
DNA Double Helix model

1952 J .Watson and F. Crick

分子生物学诞生

Crick:….我本人的思想是基于两个基本原理,我
称之为 序列假说(sequence hypothesis) 和中心法则(central dogma )…

Sequence hypothesis :
核酸片段的特异性完全由其碱基序列所决定,

且这种序列是某一蛋白质氨基酸序列的密码.

Central dogma :
信息一旦进入蛋白质,它就不可能再输出.

分子生物学研究领域共同遵循的三大原则
?

构成生物大分子的单体相同 核酸语言(Nt) 蛋白质语言(aa) 生物遗传信息的表达的中心法则相同 DNA RNA polypeptides protein character 个性

?

生物大分子单体的排列(核苷酸,氨基酸) 高级结构

生物大分子之间的互作

分子生物学研究的三大主要领域
生物大分子的结构与功能
生物大分子之间的互作
狭义的分子生物学 基因分子生物学

DNA—protein Hormone-receptor Enzyme-substrate 生物技术理论 与应用

基因的概念 基因的结构 基因的复制 基因的表达 基因的重组 基因的突变

结构生物学 基因工程 细胞工程 酶工程 发酵工程 蛋白质工程

分子生物学的三大支持学科
?

细胞生物学 遗 传 学 生物化学

?

?

1839-1847年 Matthias Schleiden & Theodor Schwann ? 生物体由细胞组成 ? 所有组织的最基本单元----形状相似,高度分化的细胞 ? 细胞的发生与形成是生物界普遍和永久的规律

Cytology

Molecular Cell biology

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,细胞的信号传导等

遗传因子假说

Genetics
Gregor Mendel 1864 年

Molecular Genetics

Gene structure Gene duplication Gene expression
Gene recombination Gene mutation

(1936年 James Sumner )
Nobel Prize in Chemistry 1946

Enzymatic nature of crystalline Protein

What genes are & How they act?

Nucleic Acid Chemistry

Protein Chemistry

分子生物学:从分子水平理解生命活动 细胞生物学:从细胞水平理解生命活动

遗传学:

从遗传角度理解生命活动

生物化学:从化学组成角度来理解生物大

分子和生物代谢。
普通生物学(动物&植物)& 微生物学:

不同生物类型的特点

分子生物学:从分子水平理解生命活动,主要 指遗传信息的传递(复制)、保持(损伤和修 复)、基因的表达(转录和翻译)与调控。 强调以上各种生命活动(Biochemical processes):1是什么(what,生物学重要性 和具体过程),2所涉及的生物大分子(DNA、 RNA、蛋白质) 是如何相互作用使之发生的 (how)。

分子生物学:注重生物体在分子水平上的一些 特征和现象。 分子遗传学:侧重的是从分子水平对生物遗传 规律和遗传现象的研究。

1.3 分子生物学 的发展历程

近半个世纪以来
医学,化学中重大突破与成就者

Nobel Prize
Nobel medal

Half a pound of 23-karal gold.
2.5 inches across

分子生物学发展的

里程碑与主要内容

in Physiology or Medicine 1933 Nobel Prize

"for his discoveries concerning the role played by the Chromosome in heredity ,

demonstrated that genes are on the chromosome"
Thomas Hunt Morgan

The Nobel Prize in Chemistry 1946
"for his discovery that enzymes can be crystallized"

James Batcheller Sumner

Cornell University 1887 - 1955 John Rockefeller Institute USA Howard Northrop 1891 - 1987

Wendell Meredith Stanley Rockefeller Institute USA 1904 - 1971

"for their preparation of enzymes and virus proteins in a pure form"

The Nobel Prize in Chemistry 1958

Frederick Sanger Cambridge University 1918 "for his work on the structure of proteins, especially that of insulin"

G. Beadle & E. Tatum

Phage transduction
1958 J. Lederberg (33y)

One gene--one enzyme

1959

Severo Ochoa (54y) Spain

Rich phosphate bonds of ATP
------- Energy

Arthur Kornberg (41y) Brooklyn DNA replication Isolation of DNA polymerase I

分子生物学的重要里程碑
1951. James Watson

(Luria的第一个研究生 23y) 丹麦 哥本哈根 Kalckar Lab.
Post-Do 意大利那不勒斯动物研究所

King’s Lab. London Univ.
Maurice Wilkins 剑桥大学 Cavendish Lab. Francis Crick (35y)

1951. King’s Lab. London University UK M. H. F. Wilkins & Rosalind Frankin

X~ray 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
配对的碱基)

1962
James Watson (34y) Francis Crick (46y) Maurice Wilkins (46y) DNA Double Helix model 1953

1965
Francois Jacob (44y)

Jacques Monod (55y)
(French)

Lac. Operon Theory Concept of mRNA

1968
R. Holley H.G. Khorana M. Nirenberg

Robert Holley(46y)
H. Gobind Khorana(46y)

tRNAphe cloverleaf structure
How to synthesize triplet RNA

Marshall Nirenberg(41y)

Genetic coden

M. Delbruck

A. Hershey

1969

Max Delbruck (63y) Alfred Hershey (61y)

Phage group Phage infection cycle DNA as genetic material

1975. Howard Temin (41y) David Baltimore (37y)

Reverse transcription(引发癌症的内因)

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1978
"for the discovery of restriction enzymes and their application to problems of molecular genetics"

Werner Arber Biozentrum der Universit? t Switzerland 1929 -

Daniel Nathans Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, USA 1928 - 1999

Hamilton O. Smith Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, USA 1931 -

The Nobel Prize in Chemistry 1980 "for their contributions concerning the determination of base sequences in nucleic acids"

Walter Gilbert Biological Laboratories Cambridge, MA, 1932 -

Frederick Sanger MRC Laboratory of Molecular Biology Cambridge, Great Britain 1918 -

The Nobel Prize in Chemistry 1980 "for his fundamental studies of the biochemistry of nucleic acids, with particular regard to recombinant-DNA"

Paul Berg Stanford University 1926 -

基因工程诞生

1983. Barbara McClintock (86y)

DNA transposable element

The Nobel Prize in Chemistry 1989 "for their discovery of catalytic properties of RNA Ribozyme"

Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA

Thomas R. Cech University of Colorado Boulder, CO, USA 1947 -

1939 -

Richard J. Roberts

Phillip A. Sharp

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1993 “for their discovery of split genes In 1978”

The Nobel Prize in Chemistry 1993

"for his invention of the polymerase chain reaction (PCR) method"

Kary B. Mullis 1944 -

discovered Genetic control of early development in Drosophila

Edward B. Lewis

Christiane Nüsslein -Volhard

Eric F. Wieschaus

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1995

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1997

Stanley B. Prusiner University of California, School of Medicine USA 1942 -

for his discovery of Prions –--a new biological principle of infection

discovered key regulators of the cell cycle
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2001

Leland H. Hartwell

R. Timothy (Tim) Hunt

Sir Paul M. Nurse

2002 Nobel Prize
John Sulston USA

Sydney Brenner Japan
田中 耕一

H. Robert Horvitz Switzerland
Programmed Cell Death (PCD) and development

1.4 21世纪生物学

的新热点及领域

结构生物学(Structural Biology)

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 → 基因的社会学
(Nature 杂志增设 Natural developing biology分册)

分子发育生物学(Molecular Developing Biology)

器官发生

基因表达,基因互作

胚胎形成
个体发育

Genomics

Structural genomics

Functional genomics

Structural genomics
?

基因组的全序列
高密度的分子标记图谱 高精度的物理图谱 转录水平上的表达图谱

?

?

?

?

大规模的蛋白质构型模拟

Functional genomics
?

利用结构基因组提供的信息 大规模地分析基因的功能 不仅提供基因功能的简单列表 最终要阐释基因 如何工作 细胞 组织 个体

?

?

?

?

生物信息学 (Bioinformatics)
生物大分子的结 构与功能信息
计算计语言

分辨,提取,分析,预测
比较基因组学

分子神经生物学
(Molecular Neurobiology)
神经基质 神经通道 信息传递 大分子克隆 一级结构分析 三维结构重建 思维 感情 记忆

科学解释

继人类基因组后

脑计划即将启动

应用生物学发展
生物技术 诊断试剂 植物品种 食品加工 废物处理 治疗药物 畜用制品 环境工程 生物塑料

民用制品

再生能源

1.5 主要参考书目录
?

Lewin B Genes X (2010) Oxford University Press

朱玉贤等 现代分子生物学 及笔记整理 (第
?

三版,2009)高等教育出版社
?

Robert F. Weaver Molecular biology ( 3rd
影印版, 2008) 科学出版社


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