绪论生命的基本单位.ppt

医学生物学(Medical Biology),主讲教师：赵主江Email:东南大学医学院 遗传与发育学系,一、考核方式总评成绩 平时成绩10 期末考试成绩 90平时成绩=考勤+作业+课堂互动二、上课安排每周二 8-9节（授课15次）第16周 复习二、教材及参考书教材：医学生物学（第7版），傅松滨主编，人民卫生出版社医学生物学（第6版），傅松滨主编，人民卫生出版社参考书：细胞生物学，（第2版），翟中和主编，高等教育出版社医学遗传学，（第2版），傅松滨主编，北京大学医学出版社,生命过程的一般原理,现代生物学 与 现代医学,医学生物学,生命的基本特征,生命的基本单位细胞,生命的延续,生命的遗传与变异,疾病的生物学机制克隆与医学基因组医学预测医学干细胞与医学,绪论,1 生物学的形成与发展2 生物科学与医学的关系3 学习医学生物学的目的与要求,生物学（biology），是研究生命现象的本质，探讨生命发生、发展规律的一种生命科学（Bio-science）。,什么是生物学？,2、启蒙阶段(16 世纪以后),1、萌芽阶段(16世纪以前),3、发展阶段(19世纪开始),4、深入阶段（20世纪后）,1 生物学的形成与发展,5、21世纪,植物栽培：人类栽培白菜、水稻（70005000 B.C)春秋战国时期诗经（520 B.C）：药用动植物 明朝 李时珍本草纲目（1593）：1892种动植物药材动物养殖：驯养家猪（3000 B.C)盖仑 Galen 解剖动物(130-200 B.C.)亚里士多德 Aristotle动物志（382-322 B.C.)比利时医生维萨里人体的结构 1543年,1生物学的形成与发展,1、萌芽阶段(16世纪以前),1628年，英国医生Harvey,心血循环论，奠定了动物生理学基础1665年，Hooke第一个用microscope观察了cell1735年，Linnaeus提出了双名法,奠定了分类学基础,2、启蒙阶段(16世纪以后),1生物学的形成与发展,*1838-1839年，“细胞学说”创立,3、发展阶段(19世纪),1生物学的形成与发展,*1859年，达尔文提出进化论,1生物学的形成与发展,3、发展阶段(19世纪),*1865年，孟德尔总结出生物遗传基本规律,Gregor Johann Mendel,1生物学的形成与发展,3、发展阶段(19世纪),*1926年，摩尔根发现连锁交换定律,4、深入阶段（20世纪后）,1生物学的形成与发展,*1944年，Avery等证明遗传物质是DNA,*1953年，Watson和Crick阐明了DNA分子的双螺旋结构，并提出了中心法则*1965年，我国科学家首次人工合成了结晶牛胰岛素*20世纪70年代后，发现了逆转录酶、限制性内切酶、连接酶后，开创了体外重组DNA技术*基因工程领域中，基因工程药物、转基因动物和植物成为研究热点*1997年，用乳腺细胞的细胞核克隆出“多莉”羊，是克隆动物领域的重大突破*1990年，启动人类基因组计划,4、深入阶段（20世纪后）,1生物学的形成与发展,21世纪生命科学的发展趋势,继续深入研究生命本质启动功能基因组计划在分子水平加强对自身的研究和认识，如寻找有效防治癌症、艾滋病等的方法；深入研究脑结构和功能，推动脑科学、心理科学、教育科学与人的认知能力的研究与多个学科密切交叉、相互渗透,1生物学的形成与发展,生命科学的飞速发展对人类社会的发展起着巨大的推动作用,2 生物科学与医学的关系,医学生物学是涵盖生物学中与医学有密切关系的基本理论和基础知识的一门学科。,公共基础课,医学基础课程,临床医学各学科,医 学 生 课 程 设 置,一些医学基础课程，如遗传学、生理学、生物化学、分子生物学、微生物学等都属于生物学的分支学科医学生物学是医学基础课程的基础医学生物学是基础医学和临床医学各学科的主要基础。,2 生物科学与医学的关系,2 生物科学与医学的关系,医学的发展随着生命科学的进展而不断发展生物学理论概念的建立对医学发展起着重要的推动作用生物学研究中阐明的一些生命本质，不断影响和推动着医学的发展,生物学理论概念与医学发展,细胞膜受体受体缺乏病溶酶体溶酶体贮积症 细胞周期肿瘤的防治问题配子发生和生殖机制治疗避孕和不孕症体外受精、植入前基因诊断避免遗传病出生基因突变认识遗传病的起源,冠心病和脑梗死,胆固醇的内流和沉积明显的超过外运，从而造成了动脉粥样硬化的发生和发展。当体内的氧化的低密度脂蛋白胆固醇多于身体需要的时候，它就会积聚在血管壁上，导致血管渐渐硬化和变窄，但身体在很长一段时间都不会有任何症状。经过漫长的岁月，淤积在血管壁上的胆固醇逐渐阻塞血管，使流到得要脏器的血液慢慢减少，当脏器从血液中得不到足够的氧和养料的时候，就很容易发生坏死。如果供给心脏血液的血管（冠状动脉）发生阻塞，就会引起冠状动脉粥样硬化性心脏病发作，出现心绞痛或心肌梗死；如果供给脑部血液的血管发生阻塞，便会发生脑梗死,家族性高胆固醇血症Familial Hypercholesterolemia,FH,家族性高胆固醇血症Familial Hypercholesterolemia,FH,家族性高胆固醇血症Familial Hypercholesterolemia,FH,家族性高胆固醇血症Familial Hypercholesterolemia,FH,家族性高胆固醇血症Familial Hypercholesterolemia,FH,家族性高胆固醇血症Familial Hypercholesterolemia,FH,3 学习医学生物学的目的与要求,通过医学生物学课程的学习，有助于了解、掌握与医学相关的生物学基本理论、基本知识和基本技能，为更好地学习其他基础医学课程和临床各学科课程奠定基础；医学生物学课程内容一方面从医学的角度介绍生命现象的原理和发展趋势，另一方面从生命科学的角度，根据生命科学的发展规律介绍与医学相关的发展趋势；结果：医学生可以更宏观、更全面、更辩证学习医学科学。,第一篇：生命过程的一般原理,第一章 生命的特征与起源,Whats life?生命的本质,什么叫生命,“一切生命都可以理解为四种元素的组合”-公元前400年哲学家恩培多克勒,“生命的运动是由灵气引起”-公元前三百多年亚里士多德动物学和植物学的研究,“生物体内有活力存在”-牛顿(1624-1727),“生命是一种物质运动的形式，是”-恩格斯（18201895）,“生命问题是信息问题”-薛定锷,生命是信息控制的物质运动，是物质运动的高级形式。,二、生命的基本特征,、生命是物质的。,(一)核酸、蛋白质共同的生命大分子基础,、多种元素形成的无机化合物和有机化合物构成了生物体。,(二)细胞相似的生命基本单位,*细胞是一切生命有机体结构和功能的基本单位。,*物质细胞组织、器官生命活动（功能）,特殊的生命形式病毒,P 无细胞结构 仅有蛋白质和核酸侵入寄主细胞前，无代谢,噬菌体模式图,类病毒是一类比病毒更简单的感染物，仅由一条裸露的RNA分子组成，无蛋白外壳。,(3)新陈代谢高度一致的生命基本运动形式新陈代谢是生命最基本的特征，是生物与 非生物最基本的区别。,新陈代谢包括同化、异化作用,(4)信息传递维持机体生命活动的统一机制,各种生命有机体都具有完善的信息传递系统，这是维持、协调机体正常生命活动所必须的，也是生命秩序性和自主性的具体体现。,（8）进化 生命活动的全部历史,生长发育是一个遗传决定的稳定的过程。,遗传是保守的，相对的变异是积极的，绝对的,（5）生长和发育 量变与质变转化的表现形式,（6）生殖 生生不息的基础,（7）遗传和变异 影响生命现象的中枢,（9）生物与环境的统一 自然界的基本法则,生命的9大基本特征,以核酸、蛋白质为主导的自然物质体系以细胞为基本单位的功能结构体系以新陈代谢为基本运动形式的自我更新体系自主性的信息传递、转换与调节体系以生长发育为表现形式的“质”“量”转换体系通过生殖繁衍实现的物质能量运动守恒体系以遗传变异规律为枢纽的综合决定体系具有高度时空顺序性的物质运动演化体系与自然环境的协同共存体系,生命本质与医学发展,生长、发育分化干细胞与医学克隆技术基因组医学生殖医学,垂体性侏儒克汀病，又叫呆小症软骨发育障碍卵巢发育不全,1.Growth and Development,1.Growth and Development,软骨发育不全，AD(MIM 100800),Aa,AA,2.Differentiation,3.Stem Cell and Therapy,4.Cloning,5.Genome and Medicine,6.Reproduction,第二节 生命的起源生命是地球历史长期发展的产物,宇宙大爆炸 星云运动-恒星（如太阳）及行星（如地球）,水-海洋（生命的摇篮）,生命的起源,生命的起源和发展需要经过两个过程 第一个过程:原始生命的化学演化第二个过程:生物进化过程 原始细胞的产生细胞的进化(自养生物的出现)生物进化(原核生物到真核生物),化学演化,无机小分子有机小分子有机小分子生命大分子从生命大分子 多分子体系从多分子体系 原始生命,Miller实验（1953）,生命的起源,原始细胞的产生,具有可变形的半通透性脂质-蛋白质界膜,含有由核酸-蛋白质整合体系组成的信息系统和蛋白质合成系统能够通过厌氧呼吸获取能量的异养型原始生命单位,生命的特征与起源,生命的起源,自养生物的出现,原核生物（prokaryote）,二极生态系统 自养与异养 合成与分解,生命的特征与起源,生命的起源,从原核生物到真核生物,分化起源说,内共生起源说,生命的特征与起源,(一)分化起源说 要点:原核生物与自然环境相互作用,其内部结构逐渐分化、功能不断完善提高的结果。(二)内共生起源说 要点:真核生物内的细胞器不是细胞自身结构分化的结果,而是来源于外部.（如认为线粒体来自于共生的需氧细菌，叶绿体来自共生的古蓝藻）。,一般认为,真核细胞是由原核细胞进化而来,复 习 题,什么叫生物学，生物学与医学的关系生命的基本特征有哪些生命起源经历哪几个阶段分化起源说、内共生起源说的主要内容,1 细胞的发现和细胞学说的建立2 细胞的基本特征3 细胞的物质基础（补充资料）4 生物膜的结构和功能5 真核细胞的细胞器6 细胞增殖周期（补充资料）7 细胞与医学（自学）,第二章 生命的基本单位细胞,1665年,Hooke第一个 microscope观察了cell。,细胞的发现,Robert Hooke,1 细胞的发现和细胞学说的建立,第一节 细胞的发现和细胞学说的建立,细胞学说的建立,1838年，德国植物学家Schleiden。1839年，德国动物学家Schwann。1858年，Virchow。细胞学说可以归纳为：1 所有生物都由细胞组成。2 所有细胞都具有共同的基本结构 3 细胞活动反映生物体的生命特征 4 新的细胞必须经过已存在的细胞分裂而产生。,细胞定义：细胞是生命活动的基本单位。,细胞是生物体的结构单位：除病毒外，一切生物都是由细胞构成的,第二节 细胞的基本特征,细胞是独立有序、能够进行代谢自我调控的结构与功能体系。不同组织细胞之间存在着广泛的联系和通讯联络，表现出分工合作的相互关系。,大脑做出的决定通过神经细胞传递给手臂的肌肉细胞,第二节 细胞的基本特征,细胞是生物体生长发育的基础。多细胞生物的生长主要是通过细胞分裂、增加细胞的数量并伴随细胞的分化来实现。细胞是生物繁殖和遗传的基础。,从植物体中分离出的单个细胞可以发育成一个完整的植株,细胞是生命活动的基本单位，除病毒外，一切生物都是由细胞构成的。细胞是独立有序、能够进行代谢自我调控的结构与功能体系。细胞是生物体生长发育的基础。细胞是生物繁殖和遗传的基础。,为什么说细胞是生命的基本单位？,细胞的大小、形态和数量,细胞的大小:一般在10 m-100 m。最小的细胞支原体0.1 m,最大的细胞鸵鸟卵直径12cm。,为什么大多数细胞都非常小呢？,游离的细胞呈球形。血细胞、卵细胞神经细胞与传导功能相适应组织细胞受相邻细胞的制约。有扁平、多角、立方、圆柱、梭形等,细胞的形态和功能相适应。,正常红细胞和镰刀型红细胞,放大倍数较高的显微镜观察到生活状态的细胞,细胞体积的守恒定律：不同动物器官的大小与细胞的数量成正比，与细胞大小无关。,细胞的数量,单细胞生物多细胞生物：盘藻 4-几十 婴儿 1012；成人 1014,细胞组织器官系统个体,原核细胞（prokaryotic cell）：,支原体，细菌，蓝绿藻等。,植物细胞,动物细胞,原核细胞原核生物一般是单细胞的生物体，属于原核生物界，主要包括细菌和蓝细菌等。遗传的信息量小，遗传物质DNA通常分布于一定的区域（核区或拟核）内部结构较简单，没有细胞核，也没有以膜为基础的具特定结构与功能的细胞器。原核细胞外层是双层脂质构成的质膜，质膜内的所有细胞内容物称为原生质。有些原核细胞有细胞壁，主要化学成分是肽聚糖。原核细胞也是地球上起源最早、细胞结构最简单的生命形式。,原核细胞与真核细胞,质 粒,原核细胞（prokaryotic cell）：,具有真正的细胞核 细胞膜内是透明黏稠可流动的细胞质基质，其中具有许多由膜包被形成的具有独立特定功能的细胞器。主要细胞器包括：细胞核、线粒体、质体、内质网、核糖体、高尔基体、溶酶体、微体、液泡、微管和微丝等。有的细胞表面还有细胞膜的特化结构如鞭毛或纤毛。以膜为基础分化的结构使得真核细胞比原核细胞复杂许多，导致了真核细胞功能的多样性。真核细胞种类繁多，一些单细胞原生生物、多细胞的植物与动物，以及特殊的真菌类等都含有各种真核细胞。,真核细胞,真核细胞与原核细胞基本结构特征的比较,病毒（virus）,病毒是由核酸（DNA或RNA）芯和蛋白质外壳组成，专营细胞内的寄生生活，缺少进行自主代谢的完整机构，病毒单独存在时不能繁殖。,病毒与蛋白质感染因子,病毒（virus）,类病毒仅由一条裸露的RNA分子组成，无蛋白质外壳。它们具有感染作用，类似于病毒，故称为类病毒。,病毒与蛋白质感染因子,蛋白质感染因子（prion）,这种感染因子不含核酸，在复制方式和传染途径上完全不同于传统概念上的病毒，为了区别于病毒，称其为“蛋白质感染因子”。其本身不能复制,病毒与蛋白质感染因子,PrP有两种异构体：PrPC是存在于正常动物脑组织中的一种糖蛋白，PrPSc是它的致病性异构体 其增殖方式是通过一个PrPsc分子与一个PrPc分子相结合，诱导后者转变成PrPsc，形成了PrPsc二聚体，于是一个PrPsc分子就变成两个。蛋白质感染因子的增殖是正常分子构象发生转变导致,一、小分子物质（一）水（二）无机盐和离子（三）有机小分子：糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸二、生物大分子（一）蛋白质（二）核酸,第三节 细胞的物质基础,第三节 细胞的物质基础,没有水就没有生命,水是生命之源,（一）水 75%-80%,（一）水 75%-80%,结合水 5%,游离水,无机离子和大分子物质的天然溶剂、原生质的分散介质细胞各种生理活动的场所吸收热量，保护作用维持细胞内外的离子及酸碱平衡游离,（二）无机盐：一般以离子形式 1%-1.5%存在,Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Cl-、CO32-、PO43-,也有以非解离形式存在：血红蛋白中的铁,主要分为4类：单糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸通常游离在细胞质溶液中，既是细胞代谢过程中的中间产物，又构成生物大分子的中间产物库，可以装配成生物大分子多聚体,（三）有机小分子,单糖的主要碳骨架可以从3个碳到7个碳。重要的单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖和脱氧核糖等。,单糖,脂肪酸,脂肪酸是直链脂肪烃有机酸，碳氢链是疏水性，含1个羧基，羧基在溶液中电离呈亲水状态，易形成酯和酰胺。脂肪酸最重要的功能是形成生物膜的主要成分。,在氨基酸分子中，与功能基团（一个羧基和一个氨基）以共价键相连接的中心碳原子称为a碳原子。与a碳原子共价键相连的还包括一个氢原子和一个以字母R表示的侧链。,氨基酸,不同氨基酸其R基各不相同。R基的结构决定了20种氨基酸的特殊性质。,第四节,生物体中的20种氨基酸,核苷酸是组成核酸的基本单位每一个核苷酸单体由3部分组成：一个戊糖分子、一个磷酸和一个含氮的碱基。脱氧核糖或核糖上第一位碳原子与嘌呤或嘧啶结合，就成为脱氧核苷或核苷，第三位或第五位碳原子再与磷酸结合，就成为脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。,核苷酸,核苷酸的碱基分为两类：一类是嘌呤，是双环分子；一类是嘧啶，是单环分子。嘌呤包括腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)2种。嘧啶有3种:胸腺嘧啶(T)胞嘧啶(C)尿嘧啶(U),核苷酸单体的组成,一级结构二级结构三级结构四级结构,第四节,1、蛋白质的结构,蛋白质的一级结构又称为初级结构，是指形成肽链的氨基酸序列，包括肽链中氨基酸的数目、种类和顺序等。蛋白质一级结构的改变可使其二级结构和蛋白质的功能发生变化。蛋白质的一级结构是由编码它的基因确定的。,一级结构,螺旋：肽链骨架围绕中心轴向右盘绕呈螺旋状，每一个肽键的羰基氧原子和C端方向氨基酸的酰胺氢原子之间形成氢键，氢键的方向与中心轴几乎平行。折叠：由58个氨基酸残基形成伸展的折叠链片段，相邻的折叠链片段平行排列，氢键的方向与折叠链的长轴几乎垂直。超二级结构或基元。,二级结构和超二级结构,三级结构是指多肽链在二级结构的基础上再盘绕或折叠形成的三维空间形态，一般情况下呈球形或纤维状。一般球形蛋白的三级结构可包括若干个a螺旋和折叠。在三级结构内分立的、独立折叠的单位称为结构域。结构域通常由几个在三级结构中相邻的基元组成，小的蛋白可能只有一个结构域，大的蛋白可包括若干个结构域。,三级结构,由亚基相互作用并结合形成的整个蛋白质特定的结构 蛋白质四级结构的稳定性和折叠依赖于氢键、疏水效应、离子作用力和“范德华力”等非共价键因素，另外，二硫键也具有重要作用。折叠及去折叠。,四级结构,2、蛋白质类型,化学组成分类：单纯蛋白 结合蛋白 糖+蛋白 糖蛋白 核酸+蛋白 核蛋白 脂质+蛋白 脂蛋白,蛋白质功能分类：结构蛋白、调节蛋白、转运蛋白、抗体蛋白、催化蛋白,蛋白质外形分类：纤维蛋白、球形蛋白,3、蛋白质的主要功能,1、结构和支持 结构蛋白：皮肤，毛发2、催化作用 酶3、传递和运输 血红蛋白4、运动功能 肌球蛋白，肌动蛋白，5、防御作用 免疫球蛋白6、调节作用 胰岛素，生长激素,蛋白质的功能涉及一切生命活动。蛋白质是一切生命现象的物质载体。,蜘蛛网的网丝、人体的毛发等都是结构蛋白,伸缩蛋白与结构蛋白可共同完成肌肉的运动。,某些蛋白具有信号的功能，可在细胞内和细胞间进行信号传递，协调和控制相关代谢和生命活动。,蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。蛋白质变性（构象发生变化）使得其特定的功能立即丧失。,蛋白质结构与功能的关系,核酸贮存遗传信息，控制蛋白质的合成。核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。贮存遗传信息的特殊DNA片段称为基因，它主要编码蛋白质的氨基酸序列，从而决定蛋白质的功能。通过蛋白质的作用，DNA实际上控制着细胞和生物体的生命过程。DNA控制蛋白质的合成是通过RNA来实现的，即遗传信息由DNA转录到RNA，后者决定蛋白质的氨基酸序列。,核酸,核酸,一切生物遗传信息的载体，与生物的生长、发育、繁殖、遗传和变异有着极为密切的关系。,存在于细胞核和细胞质,核酸的化学组成：C、H、O、N、P,基本组成单位：核苷酸,DNA：脱氧核糖核苷酸RNA：核糖核苷酸,核苷酸的碱基分为两类：一类是嘌呤，是双环分子；一类是嘧啶，是单环分子。嘌呤包括腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)2种。嘧啶有3种:胸腺嘧啶(T)胞嘧啶(C)尿嘧啶(U),核酸的结构,一个核苷酸单体戊糖第五位碳的磷酸与另一个核苷酸单体戊糖第三位碳相连，形成3，5-磷酸二酯键，如此重复连接形成核酸链的磷酸戊糖基本骨架，碱基则与骨架上戊糖的第一位碳相连。,DNA的结构和功能,DNA双螺旋结构,（1）DNA分子是由两条脱氧核糖核苷酸长链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。,（2）每条链上磷酸和脱氧核糖交替连接，位于双螺旋结构外侧，构成基本骨架，碱基排列在外侧。,（3）两条链上的碱基按照碱基互补配对原则彼此配对，通过氢键连接成碱基对。碱基互补配对原则：A-T，G-C,双螺旋结构理论是现代分子生物学的理论基础。,G-C A-T A-U,碱基配对,RNA的结构,ATPUTPCTPGTPRNA一般为单链，分子内可通过自身回折而形成许多短的双股螺旋区。,RNA的分类,mRNA 是以DNA为模板转录合成的，并进一步作为蛋白质合成的模板。tRNA 是氨基酸的转运工具，它根据mRNA上的遗传信息携带相应的氨基酸进入核糖体，合成肽链。rRNA 是核糖体的组成部分，核糖体是蛋白质合成的场所。,tRNA的结构,rRNA mRNA tRNA,中心法则,DNA,replication,replication,变性与复性,维持DNA双螺旋结构主要靠碱基的氢键，加热、高PH值都能导致DNA双螺旋结构的破坏，使双链解旋分成单链，这一过程即为DNA变性；适当调整温度或PH值，分开的两条互补链又可通过碱基配对重新形成双螺旋，这一过程称为复性或退火。DNA变性和复性的特点是分子生物学重要技术核酸杂交技术的基础。,怎样理解细胞是生命活动的基本单位比较真核生物与原核生物的异同蛋白质一、二、三、四级结构的各自的基本要点DNA 双螺旋结构要点RNA主要有哪三种，各自有什么功能,复 习 题,