《生物化学与分子生物学》—-绪论—-听课笔记（一）

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

[华中科技大学]生物化学与分子生物学

绪论

1.1 生物化学与分子生物学绪论（1）

• 生物化学(Biochemistry、Biological chemistry): 研究生物体（微生物、植物、动物及人体）的化学组成和生命过程中的化学变化规律的科学。
• 分子生物学(Molecular Biology)：生物化学有机地融合了微生物学、遗传学和细胞生物学的有关知识—-形成了现代的分子生物学。它主要是从分子水平上理解生命活动，主要研究遗传信息的传递（复制）、保持（损伤和修复）、基因的表达（转录和翻译）与调控。
• 分子生物学是生物化学发展的一个新阶段。
• 生化分子生物学主要研究内容：

1. 发现和阐明构成生命物体的分子基础，生物分子的化学组成、结构和性质。
2. 新陈代谢
3. 生物分子的结构功能与生命现象的关系
4. 生物分子在生物机体中的相互作用及其变化规律
5. 基因表达、调控
6. DNA重组技术

• 生命的共同特征（属性）：

1. 化学成分（元素与分子组成）的同一性
2. 结构的有序性
3. 新陈代谢
4. 自我复制

• 生命体的元素组成：组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上存在的90余种天然元素中，只有约30种元素对生物体是必需的。
• 第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是组成生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体总质量的99%以上。
• 第二类元素：包括S、P、CI、Ca、K、Na和Mg，这类元素也是组成生命体的基本元素。
• 第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生物体内存在的主要痕量（在应用科学领域，指某种物质的含量在百万分之一以下称为痕量）元素（所有生物）。
• 第四类元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si、V、Ba、Ni等（某些生物）。
• 组成生命体的元素组成与生物圈的元素组成既相似又有显著差异。（目前为止发现老师PPT上的文字已经有两处错误了。。。这种MOOC面向这么多的学生，不认真校正的吗。。。尴尬）
• C、H、O和N四种元素是根据适合性（fitness）被选中的。其共同特征：轻。容易形成1,2,3和4个共价键，其之间可以形成单键或双键，具有广泛的化学结合方式。
• CI、Ca、K、Na和Mg常以单原子离子形式存在干细胞溶胶中，主要维持细胞渗透压、离子梯度以及中和生物大分子的电荷等非专一性作用，因此可以认为这些元素是根据可得性（availability）而被选中的。
• 生物体的化学组成：自然界所有的生命物体都由三类物质组成：水、无机离子和生物分子。
• 生物分子（biomolecule）都是碳的化合物：糖类（碳水化合物）、脂类、核酸（DNA、RNA）、蛋白质、代谢物（氨基酸、糖、有机酸、核苷酸等）、其他有机小分子（微生物、辅酶、激素、色素等）。
• 碳在成键方面的多能性是生物起源和进化过程中选择碳化合物作为细胞分子机器的主要原因。
• 生物大分子及其构件：许多生物分子（如：多糖、蛋白质和核酸）都是相对分子量高的多聚体（ploymer），由小的、相对简单的有机物称为构件分子（block-building molecule）组成，这些多聚体称生物大分子（biomacromolecule），相对分子量为几十万-几百万Da（分子量1Da就是1g/mol）。构件分子也称单体（monomer），如氨基酸、单糖、核苷酸等，相对分子量为<=500 Da.
• 全部生物分子归根结底都是由环境中获得的小分子前体如O2、H2O、NH3和N2组成的。
• 构件分子经过共价缩合形成核酸、蛋白质、多糖等生物大分子，后者借助非共价键缔合成超分子复合物或集装体（supermolecule complex or assembly）。
• 超分子复合物进而组装成更大的细胞器（organelle）、细胞等生物结构。

1.2 生物化学与分子生物学绪论（2）

• 生命的起源。
• RNA was probably the first hereditary material.
• RNA  catalysts(催化剂), called ribozymes(核酸酶), remove introns from RNA.
• Ribozymes also help catalyze the synthesis of new RNA polymers.

1.3 生物化学与分子生物学绪论（3）

• Laboratory experiments have demonstrated that RNA sequences can evolve in abiotic conditions.
• RNA molecules have both a genotype (nucleotide sequence) and a phenotype (three dimensional shape) that interacts with surrounding molecules.
• Under particular conditions, some RNA sequences are more stable and replicate faster and with fewer errors than other sequences.
• RNA-directed protein synthesis may have begun as weak binding of specific amino acids to bases along RNA molecules, which functioned as simple templates holding a few amino acids together long enough for them to be linked.(老师的英文发音实在太感人了。。。)
• 生化与分子生物学的发展史
• Three key events has shaped biochemistry:

1. Synthesis of urea (1828, Fredrich Wohler, compounds found exclusively in living organisms could be synthesized from common inorganic substances), 尿素的合成
2. Roles of enzymes (1897, Eduard Buchner’s cell-free fermentation; Emil Fischer’s work on enzymes), 酶的作用
3. Roles of nucleic acids (1944, Avery-Macleod-McCarty’s experiment on the transformation principles of bacterial cells), 核酸的作用

• 分子生物学发展的重要阶段

1. 第一阶段 遗传的物质基础：孟德尔遗传理论，摩尔根基因学说
2. 第二阶段 基因化学物质：Kossel首先分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶、组氨酸，Ochoa发现细菌的多核苷酸磷酸化酶，并合成了核糖核酸。
3. 第三阶段 DNA的结构：Watson和Crick DNA模型，视作分子生物学真正诞生的事件。
4. 第四阶段 基因的作用方式：Jacob和Monod 乳糖操纵子模型；Nirenberg等破译遗传密码。
5. 第五阶段 现代分子生物学：Temin和Baitimore逆转录的发现；Sanger DNA 测序法；Berg的第一个基因工程菌的完成；各种工具酶的发现；Mullis的PCR技术等。

• 20世纪90年代以来，开始了全球性基因组计划。
• 结构基因组学得到：遗传图、物理图、序列图。1/2 of all genes “identified” have no known function.
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• 功能基因组学采用一些新的技术，如转录组学应用微阵列（Microarray）、DNA芯片（DNA chip）及SAGE（Serial analysis of gene expression）等技术，可对成千上万的基因表达进行分析比较，并从基因整体水平上对基因的活动规律进行阐述，力求从细胞水平上解决基因组问题。
• 蛋白质组学技术旨在快速、高效、大规模鉴定基因产物和功能，建立对生命现象的整体认识。
• 后基因组时代将对生命科学、医学和农业产生深刻的影响；由此发展的新技术在科学研究和实践中的应用前景无限光明。
• 以下生物学问题目前了解甚少：

1. 有关细胞分化、生长、发育机理及其调控
2. 人类重要疾病相关基因及其功能、药物开发
3. 脑功能：神经活动、学习、记忆过程……

1.4 生物化学与分子生物学绪论（4）

• 二十一世纪是现代生物科学的世纪：美国“科学引文索引（SCI）”引用指数在10以上的超一流学术刊物，80%左右是生物科学相关刊物。
• 生化与分子生物学研究领域的诺贝尔奖：Physiology or Medicine; Chemistry
• 学习方法：兴趣、理解和记忆、阅读和练习、科学思维的方法和实验技能、生物学功能