高级生物化学绪论.ppt
高级生物化学,Advanced Biochemistry,生物化学是一门研究存在于活细胞和有机体中的各种分子以及这些分子的化学反应之科学,其从分子水平描述和解释发生于活细胞和有机体的所有化学过程。由于生命依赖于生物化学反应，生物化学是所有生命科学的基础学科,生物化学,高级生化呢？,生物化学,在生物学发展的基础上融合了化学、物理学、生理学等学科的理论和方法形成的科学，是研究动物、植物、人体、微生物等生命物体的化学组成和生命过程中的化学变化的一门学科，所以人们认为生物化学是生命的化学。,生命是发展的,生命起源、生物进化、人类起源等等均已说明生命是发展的，因此人们对生命化学的认识也是在发展之中的。,生命起源?,基因,信息,蛋白质,人的发育过程,细胞的分化潜能,受精卵能够分化出各种细胞、组织，形成一个完整的个体，所以把受精卵的分化潜能称为全能性（totipotent）。随着分化发育的进程，细胞逐渐丧失其分化潜能。从全能性到多能性，再到单能性，最后失去分化潜能成为成熟定型的细胞,干细胞（stem cell）,干细胞：能不断增殖更新自身，具有分化能力的细胞。全能干细胞（totipotent）:能够分化产生各种细胞直至个体的细胞，例如胚胎干细胞（embryonic stem cell）。多能干细胞（pluripotent stem cell）:具有多种分化能力的细胞。例如不同胚层的特异性细胞可以分化形成特定的组织何器官。多效干细胞（multipotent stem cell）：具有专一分化能力的细胞。例如骨髓中的造血干细胞,Dolly and her daughter,The process of cloning Dolly,Is there any practical value to such technology?,克隆羊的成功有着极重要的意义,（1）在理论上充分证明了动物的细胞核有着全能性，发育是可逆的，从而结束了几十年来的争论；（2）建立了高等哺乳动物体细胞克隆的方法，为抢救频临灭绝的珍稀动物和大量繁殖优良品种奠定了基础；（3）引发了人们对克隆人这一敏感问题的广泛注意。,克隆人,“人造细胞”问世天使抑或魔鬼,文特尔：“这是第一个人造细胞。”“这是地球上第一个父母是电脑、却可以进行自我复制的物种。”他领衔的研究所在最新一期美国科学杂志上发布报告称，他们人工合成了一种名为蕈状支原体的细菌的脱氧核糖核酸(DNA)，并将其植入另一个内部被掏空的、名为山羊支原体的细菌体内。最终，被植入人造DNA的细菌体重新获得生命，并开始在实验室的培养皿中被繁殖。历经15年，耗资4000万美元。,文特尔的工作若真能合成“微生物”，吃“CO2”，释放“O2”或“H2”的话，那真是造福人类。Gibson,D.G.,et al.,Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome.Science,2010.329(5987):p.52-6.,1)合成供体的基因组DNA:合成为1 078条平均长度为1 080 bp的DNA片段。这些片段两两间具有80 bp的部分重叠，所有片段拼接起来构成蕈状支原体的全长基因组。值得注意的是这些合成的片段较天然基因组略有一些改动，包括去除了14个不重要的基因、为阻断基因而设计的两个插入序列、27处单核苷酸多态性(其中19处在意料之中)以及4条用来区分于天然序列模本的“水印”标记(Watermark)，2)合成DNA片段的拼接：将以上合成的1 078条DNA片段分别连接到载体，使其能在酵母细胞中通过同源重组拼接起来。3)人工基因组的甲基化修饰：由于供体细胞(蕈状支原体)和受体细胞(山羊支原体)共用同一套限制酶系统，而天然的供体基因组是经甲基化修饰的。4)人工基因组移植入受体细胞：将构建好的人工合成基因组移植入山羊支原体内。,长生不老？,端粒和端粒酶研究有助于攻克医学领域方面难题，即“癌症、特定遗传病和衰老”。,诺贝尔奖项研究与长生不老,细胞衰老与凋亡,早老综合症小鼠模型的建立,Chang S et al,Essential role of limiting telomeres in the pathogenesis of Werner syndrome,Nature Genetics,2004,Wrn 与端粒酶(mTerc)双敲出,Mouse15-80 kbActive telomerase,Human12-20kbInsufficient telomerase,2002年10月7日英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特霍维茨和英国人约翰苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。,2002年诺贝尔生理与医学奖获得者,p53基因突变,基因异常,靶向向抗癌药物之路,抗癌药物开发方面的重点目前被坚定地放在以分子为目标的、合理设计的药物上，而不是放在非特异性细胞毒素上。,肿瘤治疗新趋势肿瘤个体化治疗,标准治疗 治疗有效患者及预计毒性反应较小患者,相同诊断的患者人群,对A治疗方案敏感且不增加毒副反应,对B治疗方案敏感且不增加毒副反应,为何要推进肿瘤个体化治疗的进程？,为什么2003年的SARS病毒只对中国人、黄种人有杀伤效果？,基因武器?,甲型H1N1流感,艾滋病疫苗：迷途还是绝境,HIV进化极其快速HIV的保守位点（不易发生突变的部分）往往隐藏在颗粒深处，不会轻易被疫苗识HIV忍耐的本领也不小，潜伏期可达数十年之久缺少合适的动物模型,CCR5,趋化因子CCR5，作为G蛋白偶联因子超家族（GPCR）成员的细胞膜蛋白，是HIV-1入侵机体细胞的主要辅助受体之一。以CCR5为靶点的HIV-1受体拮抗剂越来越受关注，主要有趋化因子衍生物、非肽类小分子化合物、单克隆抗体、肽类化合物等4类。这些抗病毒活性强、亲和力高的CCR5拮抗剂，已有一部分进入了临床试验阶段。,大约从20世纪中叶起，生物化学得到了突飞猛进地发展，并且生物化学的领域也向深度和广度发展，其原因是：物理学家、化学家以及遗传学家等参加到生命化学的领域中来了。研究人员迁居和交往频繁。研究方法有了突破和改进。信息交流量增大。从研究方法的改进上来说，相继出现了色谱技术、电泳技术、超速离心技术、荧光分析技术、同位素示踪技术以及电子显微镜的应用等。可以说生物化学的分离、纯化和鉴定的方法向微量、快速、精确、简便和自动化的方向发展。,基因打靶,在“基因打靶”技术的帮助下，科学家可以使实验鼠体内的特定基因失去作用，从而发现这些基因的实际功能。通过此一技术，科学家已经扩大了对“胚胎发育、成人生理学、老化与疾病的数个基因”的认识。,为“基因打靶”技术奠定基础 美英三科学家同获诺贝尔医学奖,LoxP locus of crossing-over(x)in P1 site:,是人工改造的限制酶，由锌指结构的DNA结合结构域和DNA切割结构域融合而成。它们能够识别并结合指定的位点，高效且精确地切断靶DNA。随后细胞利用天然的DNA修复过程“同源定向修复”或“非同源末端连接”来治愈靶的断裂。,传统的基因组靶向修饰方法，如同源重组和逆转录病毒法，不仅效率低，特异性也不高。锌指核酸酶技术的出现，给基因组靶向修饰技术带来了希望,锌指核酸酶（Zinc-finger nucleases,ZFN）,RNAi,基因组学,人类仅有0.1%的DNA是不同的这0.1%的差别有重要意义吗?,所有人的DNA序列99.9%相同,HapMap（2002年）是由加拿大、中国、日本、尼日利亚、英国和美国共同资助和合作进行的项目，旨在建立一个将帮助研究者发现人类疾病及其对药物反应的相关基因的公众资源。,HapMap1于2005年发表含有超过100万个SNP基因型，是由来自4个不同地域的人群的269个个体产生的。两年之后HapMap2 为增添了超过210万个SNP。2010年 HapMap3对来自11个全球人群的1184个个体进行了基因组变异筛查，鉴定了人类基因组核苷酸多态性（SNPs）和拷贝数多态性（CNPs）。,功能基因组学,研究全基因组的表达、基因功能、基因之间相互关系、基因表达调控机制。,9月5日，国际科学界宣布的“DNA元素百科全书”计划（简称ENCODE）,这项研究对医学家研究人类疾病的致病机理会有极大的促进作用，我们可以在一个综合的、系统的水平上，更准确地找到致病原因，从而更精确地设计药物靶点，有助个性化治疗的研究。,蛋白质组学（1）蛋白质组：1994年提出，最早见于文献是1995年7月的“Electrophoresis”杂志上。指基因组表达的所有相应的蛋白质，也可说是指细胞或机体全部蛋白质的存在及其活动方式。（2）蛋白质组学：研究细胞内全部蛋白质的组成及其活动规律的科学。,蛋白质组学研究的应用1.用于寻找疾病相关的蛋白质：标志物。2.用于微生物蛋白组研究，彻底阐明病原微生物的致病机理并寻找全新的药物作用靶点。3.蛋白质组数据库将成为药物设计的路标。4.对不同生物的蛋白质组进行比较性研究，可以对生物进化途径提供参考，对多细胞生物的起源提供线索。5.追踪胞内信号分子的移位，阐明目标蛋白质在信号转导途径中的位置。,采用分子生物学、生物化学和细胞生物学技术，建立分子水平和细胞水平的药物筛选模型；研究与大规模药物筛选相适应的筛选技术与方法；研究与大规模药物筛选配套的相关技术与方法。,生物制药,药物筛选的靶标：疾病相关基因 疾病相关的基因变异 药物代谢相关基因,药物基因组学（pharmacogenomics）是研究基因序列的多态性与药物效应多样性之间关系，即基因本身及其突变体与药物效应相互关系的一门科学。,药物基因组学,药物基因组学是一门研究影响药物吸收、转运、代谢、清除、效应等个体差异的基因特性即决定药物行为和敏感性的全部基因的新学科。主要阐明药物代谢、药物转运、和药物靶分子的基因多态性与药物效应及不良反应之间的关系，并在此基础上研制新的药物或新的用药方法。,乙醛具有让毛细血管扩张的功能，而脸部毛细血管的扩张才是脸红的原因。喝酒脸红的人：带有突变乙醛脱氢酶的个体酒后血液里乙醛含量高很多当1-2个小时后红色就会渐渐腿去，这是靠肝脏里的P450慢慢将乙醛转化成乙酸，然后进入TCA循环而被代谢。,喝酒脸红,以生物大分子的特定空间结构及结构的特定运动与其生物学功能的关系为基础，阐明生命现象的学科。研究特殊分子的性质以及分子间的相互作用，如膜蛋白的拓扑学、蛋白质的二级结构中残基的接近和移动以及蛋白质的三级折叠等,结构生物学(structural biology),结构生物学主要是用物理的手段，用X-射线晶体学，核磁共振波谱学，电镜技术等物理学技术来研究生物大分子的功能和结构.来阐明这些大分子相互作用中的机制。,分子模拟(Molecular Simulationor Modelling and Simulation),为二十世纪下半叶发展起来而如今最为热门的一种计算机模拟方法。随着量子力学理论的逐步完善、经验力场的不断开发和更新换代以及计算机的普及和计算速度和容量的不断提升，半个世纪以来，分子模拟的理论和方法得到了快速的发展，在物理、化学化工、材料科学、生命科学等诸多领域发挥着越来越重要的作用，已逐渐形成一门专门的学科分子模拟。,生物化学对医学的贡献：疾病发生机制药代动力学生物制药及药品临床诊断及诊断试剂癌症发生及治疗预防医学,血清生化指标检测,CSI犯罪现场调查,罪证确定:DNA指纹,指纹-现形方法,一、碘熏法即使用碘晶体加温产生蒸气，它与指纹残留物的油脂产生反应后，便会出现黄棕色的指纹，必须立即拍照或用化学方法固定；二、宁海得林（Ninhydrin)法将试剂喷在检体上，与身体分泌物的氨基酸产生反应后，会呈现出紫色的指纹；三、硝酸银法硝酸银溶液与潜伏指纹中的氯化钠产生反应后，在阳光下会产生黑色的指纹；四、萤光试剂法萤光氨与邻苯二醛几乎马上与指纹残留物的蛋白质或氨基酸作用，产生高萤光性指纹，此试剂可以用在彩色物品的表面。五、其他办法采集证据还可以使用其他的方法，如三秒胶法，即利用氰丙烯酸酯的气体与水和氨基酸分子反应而产生指纹。,铁证：莱温斯基的那条蓝裙子,如果把它公开拍卖，预计可卖得逾1600万美元。而华盛顿邮报估计，如果拍卖，这条裙子的价值是50万美元。,华人神探李昌钰检查出莱温斯基裙子上残留的精液的DNA与克林顿的相符。,早在1984年，英国莱斯特大学的遗传学家Jefferys及其合作者首次通过DNA分子生物学实验方法获得了一系列可以在胶片上看到的图纹，这些图纹极少有两个人完全相同，故称为DNA指纹，意思是它与人的指纹一样是每个人所特有的。人类历史上第一个用DNA指纹破案的例子也是由Jefferys参与完成的。在1986年的一起发生在英国列斯特郡的奸杀案中，Jefferys使用DNA指纹成功的证明了当时一名嫌疑男子并非真正凶手。,第一个DNA指纹,STR 短串联重复序列(short tandem repeat）,短串联重复序列：是可变串联重复序列的一种类型，STR 的重复序列单位多为26bp，重复次数1060 次，片段大小在100500bp 之间，并按孟德尔规律呈共显性遗传,亲子鉴定,婚姻外生育，需确定孩子的生父已婚夫妇，丈夫怀疑孩子非他所生。怀疑育婴室调错婴儿。失散家庭的认亲或失散儿童的认领。超生子女的血缘鉴定。财产继承纠纷。移民案件的血缘鉴定。强奸致孕案，嫌疑人否认时。,所罗门的审判,大家都听说过所罗门的审判这样一件故事：两位妇人都声称自己是孩子的母亲，于是 所罗门就命令一名侍卫把那个孩子带来，要用剑将其 辟成两半分给他们两，结果假母亲同意所罗 门的判决，而孩子真 正的母亲却恳求侍卫 饶了孩子的性命，她 解释说：“把孩子给了假母亲，总比让孩子 惨死好。”当然，真假母亲也就水落石出了。,农业农业营养光合作用固氮作用除草剂转基因农作物环境保护,转基因动物的应用,发育生物学的研究遗传学的研究医学的研究,转基因疾病动物模型疾病动物模型对医学的发展作出了贡献。但是，许多疾病难以用人工诱发的方法制造动物模型，或许多疾病在实验动物身上不发生或仅仅是高等哺乳类动物才发生，因此难以通过自发或人工定向培育的方法获得动物模型。转基因技术的出现，为人类精确地研究基因与疾病的相关关系提供了可能，而且可以在个体发生的每个阶段中使用任何个体进行遗传功能的分析。因此，转基因疾病动物模型的开发成为转基因动物的热点，有的已进入应用阶段。,转基因作物 从1983年研究成功后，转基因作物从1996年的170万公顷直接增长至2003年的6770万公顷，有5大洲18个国家的700万户农户种植，其中转基因大豆已占全部大豆种植的55%，玉米占11%，棉花占21%，油菜占16%，这些作物的国际贸易出口额也在增加。,抗除草剂转基因烟草,转基因安全性,合理开发利用转基因产品,教学参考书：,
