主要总结一下不太会的或者忘记的部分其他部分就不写了 应试用的

Lecture3：生命的物质基础

组成生物的元素

生物具有多样性，但生物体的元素（化学）组成基本相似主要元素：C、H、O、N、P、S、Ca等，以上7种元素约占生物体的99.35%，其中C、H、O、N 4种元素占97%。

微量元素：铁、铜、锌、锰、钼、钴、镍、镉、锡、硅、碘等。

C相互连接成链或环，形成各种生物大分子的基本骨架；

H和O存在于几乎所有的有机化合物中，构成水的元素之一；

N是蛋白质、核酸等的重要组成元素；

P是核酸、生物膜磷脂、骨骼的成分，参与细胞中能量转移反应；

S是大多数蛋白质的成分；

Ca是骨骼、牙齿等的成分，肌肉收缩、细胞信号转导、血液凝聚等必需；

K+/Na+维持体液或细胞内外正负离子平衡、神经冲动传导、肌肉收缩等；

Mg是血液及其它组织的重要成分；

Cl维持体液或细胞内外正负离子平衡；

Fe是血红蛋白的重要成分。

生物大分子

糖类

糖类（sugars），主要由C、H、O组成，又叫碳水化合物（carbohydrates），是多羟醛或多羟酮及其缩合物和某些衍生物的总称。

广泛分布于生物细胞中，如动物血液中的葡萄糖，植物细胞壁中的纤维素，谷类中的淀粉等。

糖类是细胞重要的结构成分（如纤维素和淀粉），还参与构成核酸和糖蛋白等；是生物代谢过程的重要中间代谢物；是生命活动的主要能源。

葡萄糖

• 分子式C6H12O6, 6碳糖，细胞中储存能量的有机分子。

• 五碳糖和六碳糖在水溶液中成环式结构，即单糖分子中的醛基或酮基与另一个碳原

子上的羟基反应形成半缩醛或半缩酮，从而形成环式结构。

果糖、半乳糖

• 分子式都为C6H12O6，6碳糖，与葡萄糖分子式相同，为同分异构体。

核糖、脱氧核糖

• 5碳糖，第2碳上的氧原子脱去便是脱氧核糖。

• 核糖与脱氧核糖是核糖核酸（RNA）与脱氧核糖核酸（DNA）的主要成分。

二糖

• 最简单的寡糖。

• 两分子单糖经脱水缩合形成以糖苷键（ glycosidic linkage ）连接的二糖。

• 二糖可水解为单糖。

• 重要的二糖有麦芽糖、蔗糖和乳糖等。

多糖

淀粉

· 植物的糖类储存库，由α-葡萄糖通过1，4糖苷键聚合而成。

· 分为直链淀粉（没有分支，如豆类淀粉）和支链淀粉（有分支，如糯米淀粉）。

· 直链淀粉遇碘变蓝，支链淀粉遇碘变紫红色。

· 人和其它动物都能通过消化系统的淀粉酶把淀粉水解为葡萄糖。

纤维素

• 植物细胞壁的主要成分，保持细胞和生物体形状。

• β-葡萄糖通过1，4糖苷键聚合而成，无分支。

• 人体不含水解β-葡萄糖糖苷键的酶，因此不能消化纤维素。

糖原

• 动物淀粉，动物细胞储存能量，主要储存于肝脏和肌肉细胞中，与淀粉结构基本

相同，由α-葡萄糖通过1，4糖苷键聚合而成。

• 糖原支链比支链淀粉更多，但长度较短。

• 糖原遇碘变红色。

脂类

脂肪

脂肪是由甘油和脂肪酸缩水结合而成的脂类，在动物称为脂肪，在植物则称为油。

· 甘油是3羟基丙醇。

· 常见脂肪酸是由12-24个碳的烃链与羧基组成的有机酸。

磷脂

在磷脂中，两个脂肪酸和一个磷酸基团附着在甘油上

两个脂肪酸尾部是疏水的，但磷酸基团及其附着物形成亲水头部

类固醇

类固醇是一种脂类，其特征是碳骨架由四个融合环组成

胆固醇是一种类固醇，是动物细胞膜的成分，也是合成其他类固醇的前体

血液中胆固醇含量过高可能导致心血管疾病

蛋白质

蛋白质四级结构模型

· 一级结构又称为初级结构，指氨基酸序列。

· 二级结构指因多肽链内部分子之间的氢键而形成的α-螺旋和β-折叠，或是无规则卷曲

· 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。包含若干个α-螺旋和/或β-折叠。一般指一条肽链。

氢键、离子键、疏水作用、范德华力、二硫键等决定了三级结构的稳定性。

· 每一个或两个肽链都可以组成蛋白的一个亚基。这种亚基相互作用形成的整个蛋白质特定的结构，即蛋白质四级结构。

一级结构（氨基酸序列）决定了三级结构

结构决定了功能

蛋白质的功能依赖于对其它蛋白的识别和结合能力

核酸

· DNA碱基有四种：A，T，G，C

· RNA碱基有四种：A，U，G，C

Lecture4：能量与代谢

热力学定律

ATP

ATP尾部磷酸基团之间的键可以通过水解来打破

当末端磷酸键断裂时，ATP释放出能量

这种能量的释放来自化学变化到较低自由能状态，而不是来自磷酸盐键本身

ATP通过磷酸化驱动去能反应，

将磷酸基团转移到其他分子上，如反应物

•受体分子现在被称为磷酸化中间体

酶

酶催化原理

正确定位底物

应变基底键

提供有利的

微环境

共价键合到底物

辅助因子

金属离子和辅酶

金属离子的作用主要是以下几方面:

(1）作为酶活性中心的催化基团参与催化反应、传递电子

(2）作为连接酶与底物的桥梁

(3）稳定酶的构象

(4）中和阴离子，降低反应中的静电斥力

多数氧化还原酶类的辅酶是具有核苷酸结构的维生素，如NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶I)，NADP+（烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸，辅酶Ⅱ)，FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）等，可以转移H和电子，在细胞呼吸过程中发挥了很大作用;如辅酶A，转移酰基的作用。

绝大多数维生素参与形成辅酶。

细胞呼吸

• 糖酵解

• 柠檬酸循环

• 柠檬酸循环，也称为Krebs循环，完成丙酮酸分解为$CO_2$

• 该循环氧化丙酮酸衍生的有机燃料，每转产生1个ATP、3个NADH和1个$FADH_2$

• 氧化磷酸化

ATP产生原理：糖酵解，柠檬酸循环，氧化磷酸化

有氧呼吸和厌氧发酵

有氧条件和缺氧条件下，葡萄糖等“食物分子”在生物细胞中产生能量的情况是不一样的。
有氧条件下，酵母细胞可以消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同时产生二氧化碳。
缺氧条件下，酵母菌将葡萄汁中的葡萄糖分解成乙醇和二氧化碳。

• 乙醇发酵
  丙酮酸被转化为$CO_2$,和乙醇;这个过程中重新生成了NAD+ ,从而保证了酵解的继续进行;用于酿酒。

• 乳酸发酵
  丙酮酸被发酵为乳酸;
  这个过程中也重新生成了NAD+，保证了酵解的继续进行;
  乳酸发酵被用于制作奶酪和酸奶。

Lecture5：细胞的亚结构和功能

原核细胞与真核细胞

• 按照结构的复杂程度及进化顺序，细胞可以分为两类，原核细胞和真核细胞。

• 原核细胞没有真正的细胞核，遗传信息较少，DNA通常分布于一定区域，称为核区或拟核。原核细胞内部结构简单，没有以膜为基础的具有特定结构与功能的细胞器。

• 原核生物一般是单细胞生物,主要包括细菌和蓝藻等。

• 原核生物细胞外层是双层脂类构成的质膜（细胞膜)，质膜内所有细胞内容物为原生质。

细胞核

• 含有主要遗传物质，是细胞的信息中心。

• 一般有一个细胞核，但部分肝细胞、心肌细胞等有2个或多个细胞核

• 成熟的红细胞没有细胞核。
  包括核膜，核纤层，核基质，染色质和核仁等部分。

• 核纤层是核膜下方的纤维网络，对核膜有支持作用。

• 染色质是细胞核中由DNA和蛋白质组成并可以被苏木精等染色的物质。在细胞准备分裂时，线性缠绕的染色质凝缩成显微镜下可以辨认的染色体。

• 核仁是细胞核中的纤维和颗粒状结构，富含蛋白质和RNA。是核糖体亚单位发生的场所。核糖体亚单位通过核孔进入细胞质中再组装成核糖体。

内质网

粗面内质网多呈扁囊状，排列较整齐，膜表面分布有大量的核糖体。是分泌性蛋白、溶酶体蛋白和膜蛋白合成、加工、分选的场所。
滑面型内质网的膜表面没有核糖体。是脂类合成的重要场所，某些疏水化合物的解毒场所。

粗糙型内质网作用

粗糙型内质网的功能：是合成蛋白质大分子，并把它从细胞输送出去或在细胞内转运到其他部位。凡蛋白质合成旺盛的细胞，粗糙型内质网便发达。在神经细胞中，粗糙型内质网的发达与记忆有关。
光滑型内质网作用：
光滑型内质网的功能:与糖类和脂类的合成、解毒、同化作用有关，并且还具有运输蛋白质的功能。

过氧化物酶体

• 单层膜结构

• 含有脱氢酶，可以将H+转移给$O_2$，形成$H_2O_2$
  功能较多，通过转移H+分解脂肪酸，解酒，解毒等

膜蛋白

蛋白质决定了膜的大部分特定功能

•外周蛋白与膜表面结合

•完整蛋白质穿透疏水核心

•跨膜的完整蛋白质称为跨膜蛋白质

膜蛋白的主要功能

•运输

•酶活性

•信号转导

•细胞识别

•细胞间连接

•附着于细胞骨架和细胞外基质（ECM）

跨膜运输方式
可以归纳为两类，一类为被动运输(passive transport)，另一类为主动运输(active transport)。
简单扩散是被动运输的一种主要方式，不需要能量，从高浓度一侧向低浓度一侧运动，直至两侧浓度相同。相对分子量小或脂溶性强的物质，如氧，经，乙醇，水等。
水的简单扩散又称为渗透作用(osmosis)，可影响活细胞内外水的平衡并影响细胞的存活。
易化扩散是被动运输的另一种方式，指在跨膜蛋白的帮助下，一些非脂溶性物质或亲水物质，如氨基酸、某些糖和金属离子等，顺浓度梯度或电化学梯度不消耗能量进入细胞内。

包括细胞膜和细胞内膜

• 信息处理

• 能量转化

• 化学反应的组织与控制

• 发生电化学变化

Lecture6：细胞分裂和分化

细胞分裂

体细胞分裂

Mitosis(有丝分裂）, the division of the genetic material in the

Cytokinesis(胞质分裂）, the division of the cytoplasm
有分裂能力的细胞，从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的一个完整过程叫细胞周期(cell cycle)

有丝分裂：

减数分裂：

胞质分裂：

细胞周期的调控：

对于许多细胞来说，G1检查点似乎是最重要的

如果一个单元在G1检查点接收到前进信号，它通常会完成S、G2和M阶段，并且

分

如果电池没有收到goahead信号，它将退出循环，切换到称为G0相的非分裂状态

细胞周期调控因子：

涉及两种调节蛋白

细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖激酶（CDK）

影响细胞分裂的外部因素包括特定的生长因子

某些细胞释放生长因子并刺激其他细胞分裂

血小板衍生生长因子（PDGF）由称为血小板的血细胞碎片制成

• 在密度依赖性抑制中，拥挤的细胞将停止分裂

• 密度依赖性抑制和锚定

依赖性检查细胞在最佳密度下的生长

• 癌细胞的分裂既不受任何类型的调节

细胞分化：

(1）细胞分化起始于基因表达（关闭或打开)和基因表达强度的调控;

(2)分化细胞之间的差异在于不同蛋白质的表达;
(3）分化过程主要在成年阶段以前进行，但仍有少部分细胞（如哺乳动物骨髓中的血细胞)的分化持续终生。

细胞的分化潜能
全能性:能够使后代细胞分化出各种组织细胞并发育成个体，如受精卵
多能性:能够使后代细胞分化出各种组织细胞但不能发育成个体，如生血干细胞
单能性:只能分化形成一种后代细胞，如单能生血细胞

Lecture7：动物的结构和功能

动物组织

上皮组织

动物具有其特殊的组织，组织是构成器官的基本结构分为:上皮组织、结缔组织、肌肉组织、神经组织

上皮组织是指覆盖身体表面和体内器官内表面的一层或多层紧密排列的细胞。

皮肤、肺、肾小管、消化道
上皮组织具有保护、分泌、排泄和吸收等功能，分布在动物体不同部位的上皮，其功能各不相同。
单层上皮、复层上皮

结缔组织

结缔组织由基质及分散其中的细胞构成
具有连接、支持、保护、防御、修复和运输等功能。

疏松结缔组织:大多分布在上皮组织下

血液
脂肪组织
致密结缔组织:纤维状结缔组织，软骨组织，骨骼

肌肉组织

肌肉组织由成束的具收缩能力的长形肌纤维（肌细胞）构成，是脊椎动物体内最丰
富的组织。
维持机体和器官的运动。
包括骨骼肌、心肌和平滑肌三种类型。

神经组织

神经组织是动物体内分化程度较高的一种组织。
神经组织由神经元(传递神经冲动)和神经胶质细胞（支持）构成。
每个神经元都含有细胞体（含细胞核)和数条长短不等的突起(树突、轴突）。
细长的神经轴突和树突又称为神经纤维。神经纤维的末端很细，并终止于器官组织内，成为神经末梢。感觉神经末梢和运动神经末梢分别具有感受器和效应器的作用。

器官与系统

消化系统

人体的消化系统由消化道和消化腺组成。
消化道的主要部分是口、舌、咽、食通、肖、小肠、大肠和肛门。
消化腺包括唾液腺、胰腺和肝脏。

血糖调节

胰岛素和胰高血糖素调节糖原的储存和分解为葡萄糖

肝脏是葡萄糖的场所

体内稳态

富含碳水化合物的膳食会提高胰岛素水平，从而触发糖原的合成

低血糖导致胰高血糖素刺激糖原分解并释放葡萄糖

排泄系统

肾脏是生成尿的器官，能将含氮的代谢终产物从血液中清除。这些代谢废物以尿的形式从输尿管进入膀胱暂时贮存，最后通过尿道排出体外。
排泄系统对于维持机体的水盐平衡、氮的排出、保持内环境稳定具有重要作用。

循环系统

循环系统指心血管系统，由心脏、血管和血液组成，其主要功能是物质运输。
血液为细胞输送营养和氧气，同时还将CO,运输到肺，将其他代谢终产物从身体各部位运输到排泄器官。

呼吸系统

呼吸系统是人体与外界环境进行气体交换的场所。
为血液提供氧气，同时排出细胞新陈代谢的终产物COz。

淋巴和免疫系统

淋巴系统和免疫系统紧密合作，共用一些结构。
淋巴系统是由淋巴管构成的网状结构，淋巴管与淋巴结相连接。淋巴系统是循环系统的辅助和补充。
淋巴结含有大量的白细胞，包括淋巴细胞、单核细胞、粒细胞。白细胞是免疫系统的组成部分。
脾脏是人体最大的免疫器官，含有大量白细胞。

内分泌系统

产生激素的器官叫内分泌腺，作为一个整体，它们构成了内分泌系统。
内分泌系统影响特定的生理活动，调节诸如消化、生长、生殖、心率和水盐平衡以及各种新陈代谢活动等。

神经系统

人的神经系统包括中枢神经系统和周围神经系统两部分。
中枢神经系统主要包括脑和脊髓，脑包括大脑、小脑、间脑、中脑、脑桥和延髓。周围神经系统主要由12对脑神经和31对脊神经组成。

生殖系统

生殖系统由生殖腺（卵巢和睾丸）、输精管或输卵管、附属腺体和外生殖器四部分组成。
主要功能是产生生殖细胞，繁殖后代，延续种族。
生殖器官还具有内分泌功能，可产生激素，调节发育。

肌肉系统

肌肉系统由身体中所有的骨骼肌构成，骨骼肌与坚硬的骨骼或者软骨结构相连，带动身体的某些部分运动。
肌肉系统使我们得以随意运动，对周围环境作出灵活的反应，并可以改变面部的表情。

动物结构和功能的适应性

1.结构和功能的适应性保证了动物与环境之间的化学交换

2.结构和功能的适应保证了较高的工作效率

3.结构和功能的适应维持了内环境的相对稳定

稳态

生物体利用内环境平衡来维持稳定状态或内部平衡，无论外部环境如何

人类的体温、血液pH值和葡萄糖浓度都保持在恒定水平

正反馈和负反馈调节

Lecture8：遗传学定律、基因复制与表达

遗传定律

• 孟德尔遗传定律

• 杂交实验

• 分离定律

• 自由组合定律：非等位基因自由组合

• 伴性遗传

DNA复制

半保留复制:
watson J.D.等提出的DNA半保留复制方式。其方法为:
①.一端沿氢键逐渐断开﹔②.以单链为模板，碱基互补﹔③．氢键结合，聚合酶等连接﹔4.形成新的互补链﹔⑤.形成了两个新DNA分子。

DNA的这种复制方式对保持生物遗传的稳定性是非常重要的。

在每个复制泡的末端是一个复制叉，一个Y形区域，新的DNA链在这里伸长

拓扑异构酶纠正复制分叉之前的“过度缠绕”

螺旋酶是解开双螺旋的酶

单链结合蛋白结合并稳定单链DNA

DNA复制过程

1.DNA双螺旋的解链

• DNA解旋酶在ATP供能下，每分钟旋转300o次解开双螺旋;

• 单链DNA结合蛋白马上结合在分开的单链上，以避免产生单链内配对;

• DNA拓扑异构酶来解决由于复制叉的推进而产生超螺旋的问题。

2.DNA合成的开始

合成DNA片段之前，先由RNA聚合酶合成一小段RNA引物(约有10个碱基对)→DNA聚合酶才开始起作用合成DNA片段。

3.后随链的不连续复制

∵DNA聚合酶，以5’→3’方向发挥作用;

∴从3’→5’合成方向的一条链，就会遇到困难。
考恩伯格( Kornberg A.,1967)提出不连续

复制假说:
在3’→5’方向链上，仍按从5’→3’的方向一段段地合成DNA单链小片段“冈崎片段”(1000~2000bp)→由连接酶连接这些片段→形成一条连续的单链。

转录

RNA，核糖核酸，与DNA差别在于:
RNA大多是单链;含核糖而不是脱氧核糖;4种核苷酸A、U、G、C
细胞中主要有三种RNA分子:
信使RNA (mRNA)
转运RNA (tRNA)核糖体RNA (rRNA)

1. 前体mRNA到成熟mRNA:加帽子和加尾巴
   ·在真核生物细胞核中，DNA链上具有不能编码蛋白质的核苷酸片段即内含子(intron）和编码蛋白质的核苷酸片段即外显子(exon) 。
   ·在真核生物中，转录后新合成的mRNA是未成熟的，称为前体mRNA (pre-mRNA)
   pre-mRNA5’端加“帽子”(5’ -Cap)，3’端加“尾巴”(poly A tail)，和去除内含子变为成熟mRNA

2. 前体mRNA到成熟mRNA:内含子的切除
   ·在真核生物细胞核中，DNA链上具有不能编码蛋白质的核昔酸片段即内含子(intron）和编码蛋白质的核苷酸片段即外显子( exon) 。
   ·在真核生物中，转录后新合成的mRNA是未成熟的，称为前体mRAN (pre-mRNA)
   pre-mRNA5’端加“帽子”(5’ -Cap) ，3’端加“尾巴”(poly A tail)，和去除内含子变为成熟mRNA

遗传密码

遗传密码的基本特征:
1.遗传密码为三联体:

三个碱基决定一种氨基酸;
61个为有意密码，起始密码为GUG（缬氨酸)、AUG(甲硫氨酸);
3个为无意密码，UAA、UAG、UGA为蛋白质合成终止信号。
2.遗传密码间不能重复:
在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子;均以3个一组形成氨基酸密码。

3.遗传密码间无逗号∶
密码子与密码子之间无逗号，按三个三个的顺序一直阅读下去。
如果中间某个碱基增加或缺失后，阅读就会按新的顺序进行下去，最终形成的多肽链就与原先的完全不一样(称为移码突变)。

4．简并性:

①简并现象:
色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，仅一个三联体密码;其余氨基酸都有一种以上的密码子。
②简并现象的意义:
同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大。如: UCU-→>UCC或UCA或UCG，均为丝氨酸。

5．遗传密码的有序性:
决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子中，第1个和第2个碱基的重要性大于第3个碱基，往往只是最后一个碱基发生变化。
例如:脯氨酸(pro） : CCU、CCA、CCC、CCG。

6.通用性:
①在整个生物界中，从病毒到人类，遗传密码通用。
4个基本碱基符号→所有氨基酸→所有蛋白质→生物种类、生物体性状。
1980年以后发现:
具有自我复制能力的线粒体tRNA(转移核糖核酸)在阅读个别密码子时有不同的翻译方式。
如:酵母、链孢霉与哺乳动物的线粒体。

Lecture9：遗传学与表观遗传学

基因表达的调控

• 在真核生物中，特定基因的高水平转录依赖于与特定转录因子相互作用的控制元件

• 远端控制元件，其分组称为增强子，可能远离基因，甚至位于内含子中

• 近端控制元件位于启动子附近

激活剂是一种与增强子结合并刺激基因转录的蛋白质

激活剂有两个域，一个结合DNA，另一个激活转录

结合激活剂促进蛋白质-蛋白质序列导致特定基因转录的相互作用

mRNA降解

• 依赖于脱腺苷酸化的mRNA降解

• 不依赖于脱腺苷酸化的mRNA降解

• 核酸内切酶介导的mRNA降解‘

蛋白质降解

• 自噬

• 泛素-蛋白酶体系统

泛素化:泛素(一类低分子量的蛋白质）分子在一系列特殊的酶作用下，对靶蛋白进行特异性修饰的过程

表观遗传

表观遗传是指在没有DNA序列变化的基础上，基因表达时发生的可遗传的改变，最终导致表型的改变。
表观遗传学是研究基因组DNA序列未发生变化、而基因表达及基因功能的诱导和维持却发生可遗传变化的科学。

特点

• 可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能在细胞或个体世代间遗传

• 可逆性的基因表达调节

• 没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释

决定细胞类型（表型)的不是基因本身，而是基因表达模式，通过细胞分裂来传递和稳定地维持具有组织和细胞特异性的基因表达模式对于整个机体的结构和功能协调是至关重要的。基因表达模式有表观遗传修饰决定。

表观遗传修饰

DNA甲基化

• DNA甲基化(DNA methylation)是最早被发现，研究最清楚的重要表观遗传修饰形式，主要是基因组DNA上的胞喀啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞傕啶由此被修饰为5甲基胞喀啶(5-methylcytosine，5mC)。

• 在基因的5’端调控区域,CpG二连核苷常常以成簇串联形式排列，这种富含CpG二连核苷的区域称为CpG岛(CpG islands)，其大小为500-1000bp，约56%的编码基因含该结构。

• 基因调控元件所含CpG岛中的5mC会阻碍转录因子复合体与DNA的结合
  ·DNA甲基化一般与基因沉默相关联;
  ·非甲基化一般与基因的活化相关联;
  ·而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。

组蛋白修饰

• 组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。

• 组蛋白的N端是不稳定的，其延伸至核小体以外，会受到不同的化学修饰，与基因的表达调控密切相关。

染色质重塑

• 染色质重塑(chromatin remodeling）是一个重要的表观遗传学机制。

• 染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的一系列以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程。

RNA重塑

• 只有一小部分DNA编码蛋白质，而一小部分非蛋白质编码DNA由RNA基因组成，如rRNA和tRNA

• 大量基因组可能转录成非编码RNA（ncRNAs）

• 非编码RNA在两个点调节基因表达：mRNA翻译和染色质配置

除DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、和RNA调控以外，还有X染色体失活、遗传印迹等。
X染色体失活、遗传印迹的本质仍为DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、RNA调控。

遗传印记

概念:
●或称亲本印迹(parent imprinting），是指基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学修饰(DNA甲基化;组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等修饰）而使基因或DNA片段被标识的过程。
特点:
●基因组印迹依靠单亲传递某种性状的遗传信息，被印迹的基因会随着其来自父源或母源而表现不同，即源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。
●不遵循孟德尔定律，是一种典型的非孟德尔遗传，正反交结果不同。

Lecture10：发育-从单细胞到个体

受精过程

受精之后是分裂，这是一个细胞快速分裂而不生长的时期

Cleavage(卵裂)

从一个细胞分开形成多个细胞，成为卵裂球( blastomeres )

• 全母细胞解理(完全卵裂),卵子的完全分裂发生在蛋黄含量很少或中等的物种中，如海胆和青蛙(卵黄少的，例如海胆和青蛙)

• 多晶分裂(不完全卵裂)，卵子分裂不完全，发生在卵黄丰富的物种中，如爬行动物和鸟类(卵黄多的，例如蛇和鸟)

最初的发育是由卵子发生过程中沉积在卵子中的RNA和蛋白质进行的

卵裂后，卵细胞质在许多卵裂球之间分裂，每个卵裂球都能产生足够的RNA来规划细胞的代谢和进一步发育

动物的形态发生涉及细胞形状、位置和存活率的特定变化

分裂后，细胞分裂速度减慢，细胞周期恢复正常

形态发生是细胞占据其适当位置的过程，包括原肠胚形成，细胞从囊胚表面向胚胎内部的运动

器官发生，器官的形成

原肠胚形成

器官建立

器官形成时细胞的迁移
·细胞的长大
细胞的移动
·细胞的分裂和延展
·细胞的死亡

动物而非植物的形态发生涉及细胞的运动

•在动物中，细胞各部分的运动可导致细胞形状改变，或使细胞迁移到新的位置

•细胞骨架的微管和微丝对这些事件至关重要

在这两种适应过程中，胚胎都被羊膜囊中的液体包围

•这可以保护胚胎免受干燥，并允许在旱地繁殖

•哺乳动物和爬行动物（包括鸟类）因此被称为羊膜动物

细胞凋亡

程序性细胞死亡也称为凋亡

在发育过程中的不同时间，单个细胞、一组细胞或整个组织停止发育，并被相邻细胞吞噬

例如，在发育中的胚胎中产生的神经元数量远远超过所需数量

通过凋亡去除额外的神经元

细胞命运决定

细胞命运决定是一个术语，用于描述一个细胞或一组细胞致力于某一特定领域的过程

细胞分化 分化是指结构和功能上的结果专门化

命运图是显示器官和其他结构的图表，这些器官和结构起源于

胚

利用青蛙进行的经典研究表明，生殖层中的细胞谱系可追溯到囊胚细胞

体轴

在一系列动物身上都可以找到双侧对称的体型图

该身体平面图显示了背腹轴和前后轴的不对称性

左右轴基本对称

细胞全能性

在哺乳动物中，发育的全能性保持到8细胞期
发育过程中渐进性的限制增加是动物发育过程中的基本特性Progressive restriction of developmental potential is ageneral feature of development in all animals
组织特异性细胞命运决定在后原肠胚期形成。

细胞的命运决定受到组织信号的调节

纤毛影响组织命运决定

现代生物技术

基因克隆

基因治疗

Lecture11：神经系统与智能

大脑中的化学The chemical brain

神经元用小分子物质相互通讯

神经递质：乙酰胆碱，去甲肾上腺素NA和乙酰胆碱ACh

脑内主要抑制性递质：GABA

兴奋性神经递质：Glutamate and NO

Neuropeptides 神经肽:内源性阿片肽

鸦片的活性成分 Morphine(1806，德国Friedrich Sertürner),有多种作用镇痛作用的位点：
阿司匹林作用于外周
吗啡作用于中枢

神经肽作为神经递质

与小分子不同神经肽在细胞体合成通过长距离运输,在突触释放，调节性作用的关键元件

大脑中的电信号The electrical brain

大脑用电信号传递信息

1. Single neuron: Action potential神经元活动
2. Group of neurons: local field potential (LFP), EEG “脑电信号”

动作电位和离子泵：直接突触传递涉及神经递质与突触后细胞中配体门控离子通道的结合神经递质结合导致离子通道开放，产生突触后电位

信息的传递 通过突触进行

突触后电位分为两类

• 兴奋性后膜电位

兴奋性突触后电位（EPSP）是使膜电位接近阈值的去极化

• 抑制性后膜电位

抑制性突触后电位（IPSP）是使膜电位远离阈值的超极化

神经可塑性主要反映在突触

神经可塑性：通过改变突触和神经元兴奋性，加工得到学习获得的能力

“自我”与外部世界的映射The reflection of the external world

Brain signals construct the reaction to the external world

大脑的“路线”如何计算The wiring map of the brain

大脑运行的特征

I. 局部化分工 （The hieratical structure Specialized functional
regions Connections and intelligence）
II. 阶层型结构（The hieratical structure）
III. 环型结构（loop structure）
IV. 脑状态的动态切换]

Population coding/Vector Coding Distributed representing
群体编码/向量编码/分布式表征

连接主义与智能Connections and intelligence

外祖母细胞是一个假想的神经元，代表一个复杂但具体的概念或对象。

当一个人“看到、听到或以其他方式理智地歧视”一个特定实体时，如他或她的祖母，它就会激活。

这个词是杰里·莱特文在1969年左右创造的。两年前，灵知神经元的JerzyKonorski提出了一个类似的概念。

Theory：Single Cells as Feature Detector
外界世界的信息（甚至运动输出和复杂的认知过程）的编码可以由单个神经元来完成的。

“Running-out-of-neurons” problem
人的大脑神经细胞数目有限，如何表达无限可能的外界信息和内部思维状态

信息由神经元池表示( Information is represented by pools of neurons)

独立编码假设：每个神经元都独立地参与了该池

每个神经元的“投票”给出了一个总体向量

协调编码假说

群体中神经元之间的关系是信号的重要组成部分。

如果不考虑脉冲同步、振荡或人群中神经元之间的其他关系，就无法解码信号

Lecture12：健康与疾病

免疫系统的原理

天然免疫与获得性免疫

先天免疫（所有动物）

• 使用一小组受体识别广泛病原体的共同特征

• 快速响应

屏障防御：皮、粘膜、分泌物

内部防御：吞噬细胞、自然杀伤细胞、抗菌蛋白质类、炎症反应

适应性免疫（仅脊椎动物）

• 使用avast受体阵列识别特定致病因子的特异性

• 响应较慢

体液反应：抗体可以抵抗体液中的感染。

细胞介导反应：细胞毒性细胞可以抵抗体内细胞的感染。

免疫系统的两种噬细胞

• 中性粒细胞

• 巨噬细胞

• 树突细胞

• 嗜酸性粒细胞

脊椎动物的细胞天然防御也涉及自然杀伤细胞

这些细胞在体内循环并检测异常细胞

它们释放导致细胞死亡的化学物质，抑制病毒感染或癌细胞的传播

许多细胞先天防御系统涉及淋巴系统

抗菌肽和蛋白质

肽和蛋白质通过攻击病原体或阻碍其繁殖在天然防御中发挥作用

干扰素蛋白提供天然防御，干扰病毒并帮助激活巨噬细胞

补体系统由大约30种蛋白质组成，可导致入侵细胞溶解，并有助于引发炎症

炎症可以是局部的，也可以是全身的

发热是一种全身炎症反应，由巨噬细胞释放的物质对某些病原体作出反应而引发

败血性休克是一种严重的炎症反应引起的危及生命的疾病

免疫抵抗

炎症反应，如疼痛和肿胀，是由感染损伤后释放的分子引起的

肥大细胞是一种结缔组织，它释放组胺，引发血管扩张并变得更具渗透性

病原微生物可以规避天然免疫

获得性免疫

B细胞与T细胞

适应性反应依赖于两种类型的淋巴细胞或白细胞

在心脏上方胸腺中成熟的淋巴细胞称为T细胞，在骨髓中成熟的淋巴细胞称为B细胞

抗原是能引起B或T细胞反应的物质

B细胞产生大量抗体

B细胞抗原受体与抗原的结合是B细胞活化的早期步骤

•这导致细胞分泌一种称为抗体或免疫球蛋白（Ig）的可溶性蛋白质

•抗体与B细胞抗原受体具有相同的Y形，但是分泌的，而不是膜结合的

T细胞进行免疫应答

•每个T细胞受体由两条不同的多肽链（称为$\alpha $和$\beta$）组成

•链的尖端形成可变（V）区域；其余部分为恒定（C）区域

•T细胞和B细胞抗原受体功能不同

T或B细胞通过特定于病原体一个分子部分的抗原受体与抗原结合

T细胞与宿主细胞上显示或呈现的抗原片段结合

T细胞和B细胞的多样性基础

通过组合可变元件，免疫系统组装各种各样的抗原受体

免疫球蛋白（Ig）基因编码B细胞受体的一条链

通过DNA重排，同一基因可以产生许多不同的链。重排的DNA被转录和翻译，形成抗原受体

免疫反应的动态过程：二次免疫

抗原

抗原中可与抗原受体结合的小部分称为表位

•每个单独的B或T细胞专门识别特定类型的分子

•B细胞和T细胞的抗原受体具有相似的成分，但它们以不同的方式遇到抗原

•每个B细胞抗原受体是一个Y形分子，具有两条相同的重链和两条相同的轻链

•在B细胞中，链的恒定区域变化不大，而可变区域差异很大

•可变区域提供抗原特异性

细胞免疫

细胞毒性T细胞使用有毒蛋白质杀死被病毒或其他细胞内病原体感染的细胞

细胞毒性T细胞识别受感染细胞产生的外源蛋白片段

活化的细胞毒性T细胞分泌蛋白质，破坏靶细胞膜并触发凋亡

B细胞的激活涉及辅助性T细胞以及病原体表面的蛋白质

当抗原与B细胞结合时，B细胞通过受体介导的内吞作用吸收少量外来分子

然后，B细胞的II类MHC蛋白将抗原片段呈现给辅助性T细胞，这一过程对B细胞活化至关重要

B淋巴细胞和T淋巴细胞提供的防御可分为体液免疫反应和细胞介导的免疫反应

在体液免疫反应中，抗体有助于中和或消除血液和淋巴中的毒素和病原体

在细胞介导的免疫反应中，特化T细胞破坏受影响的宿主细胞

抗体和补体系统

抗体不会杀死病原体；相反，它们会标记病原体以供销毁

•中和时，抗体与病毒表面蛋白结合，防止宿主细胞感染

•抗体也可能与体液中的毒素结合，阻止它们进入人体细胞

在调理过程中，抗体与细菌上的抗原结合，引发吞噬作用

•抗原抗体复合物可与补体蛋白结合，从而触发补体蛋白激活级联

•最终，膜攻击复合物在外来细胞膜上形成一个孔，导致其溶解

免疫系统的异常与功效

1. 凝血

2. 免疫排斥

从一个人转移到另一个人的细胞会受到免疫防御的攻击

这使输血或组织或器官的移植变得复杂

3. 器官移植

MHC分子在基因不完全相同的个体中是不同的

MHC分子的差异刺激组织移植和器官移植的排斥反应

4. 过敏反应

5. 自身免疫病

在患有自身免疫性疾病的个体中，免疫系统对自身失去耐受性，转而对抗身体的某些分子

自身免疫性疾病包括系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎、非胰岛素依赖型糖尿病和多发性硬化症

6. 心理因素和免疫

适度运动可改善免疫系统功能，通过改变激素、神经和免疫系统的相互作用来调节免疫系统，充分休息对免疫力也很重要

7. 免疫缺陷病

8. 抗原变异

9. 免疫逃逸

Leture13：现代生物技术

• 分解

• 分析

• 重组

• 创造

大胆而灵活
人类基因组计划的目标是相当大胆的。鉴于人们不知道人类基因组的测序和分析会得出什么样的结果，一些人抱着怀疑的态度审视这项工作也情有可原。优先发展技术
优先发展技术
1990年10月，人类基因组计划的成员们清醒地认识到，必须把基因组测序与绘制图谱的工具与方法作为一个更大的项目去开发。

有计划地分析数据
人类基因组计划的筹划有其缺陷。

数据分享最大化
人类基因组计划改变了生物医学研究中数据分享的E例。

·生物技术∶知识门槛不高

·运用场景︰需求旺盛
·生物技术创新︰基础研究工作量大，基本原理已经奠定

·新技术公司∶多如牛毛
目前生物技术公司的场景∶软件产业化早期。

Lecture14：生命的进化和起源

基因组的进化包含了复制、重排和突变现象

• 事实1: 多样的物种具有不同的基因组

• 事实2: 比较不同的物种发现，基因组里有大量“无用”的DNA序列，大脑中有大量“无用”的区域

基因突变使得进化成为可能

• 种群是一个能够杂交并产生可育后代的局部个体群体
• 基因库由群体中所有位点的所有等位基因组成

• 对于二倍体生物，一个位点上的等位基因总数是个体总数乘以2
• 一个位点的显性等位基因总数为每个纯合显性个体的两个等位基因加上
每个杂合个体的一个等位基因；同样的逻辑也适用于隐性等位基因

The Hardy-Weinberg Equation(“哈迪-温伯格定律”)
• 哈迪-温伯格方程描述了我们对一个没有在特定位点进化的群体所
期望的遗传组成
• 如果观察到的种群遗传组成与哈迪·温伯格的预期不同，则表明种
群可能正在进化

Hardy-Weinberg Equilibrium
• 在配子随机产生下一代并发生孟德尔遗传的群体中，等位基因和
基因型频率代代相传保持不变
• 这样的种群处于哈代-温伯格平衡

自然选择，遗传漂移和基因流动会改变一个群体中
的基因频率

基因漂变

• 偶然事件会导致等位基因频率在一代到下一代之间发生不可预测
的波动，尤其是在小群体中，这一过程被称为遗传漂变。
• 在遗传漂变中，世代间等位基因频率的偶然波动往往会减少遗传
变异。

瓶颈效应

•瓶颈效应是由于环境变化导致人口数量突然减少

•产生的基因库可能不再反映原始群体的基因库

•如果种群数量仍然较小，可能会进一步受到遗传漂变的影响

自然选择

自然选择(自然选择） 是唯一能持续导致适应性进化的机制

•自然选择的进化涉及机会和“排序”

•新的基因变异是偶然产生的

•有益等位基因被“分类”并受到自然选择的青睐

•只有自然选择才能持续增加提供生殖优势的等位基因的频率

杂种优势

当杂合子比两个纯合子都具有更高的适合度时，杂合子优势就会出现

•自然选择倾向于在该位点保持两个或多个等位基因

•杂合子优势可能来自稳定或定向选择

进化

基因组上的进化
• 基因组复杂多样
• DNA复制、重排、突变
• 基因组比较推测亲缘关系
• 种群和微进化
• 基因频率
• 哈迪-温伯格定律
• 自然选择，遗传漂移和基因流动

生命起源

原细胞

• 复制和代谢是生命的关键特性，可能在原细胞中同时出现
• 原细胞可能是由具有膜状结构的充满液体的囊泡形成的
• 在水中，脂质和其他有机分子可以自发形成具有脂质双层的囊泡

RNA是最早使用的遗传物质

The First Single-Celled Organisms

• 已知最古老的化石是叠层石, 细菌席上沉积层堆积形成的岩石叠层石可追溯到35亿年前
• 15多亿年来，原核生物是地球上唯一的居民

• 大气中的大多数氧（O2）来源于生物
• 光合作用产生的氧气与溶解的铁发生反应，沉淀出来形成带状铁
（矿石）

最早的真核生物

最古老的真核细胞化石可追溯到18亿年前
• 真核细胞有核膜、线粒体、内质网和细胞骨架
• 内共生体理论提出，线粒体和质体（叶绿体和相关细胞器）以前是生活在较大宿主细胞内的小型原核生物

多细胞生物出现

• 真核细胞的进化使得更广泛多样的单细胞类型形成
• 当多细胞进化产生并产生藻类、植物、真菌和动物时，出现了第二波多样化

物种的产生和灭亡

• 地球上生命的历史见证了许多生物群的兴衰
• 种群的兴衰取决于种群内的物种形成和灭绝速率
• 生物群命运的这种变化受到了大规模过程的影响，如板块构造、大灭绝和适应性辐射。

Mass Extinctions 大灭绝

• 化石记录表明，大多数曾经生活过的物种现已灭绝
• 物种的灭绝可能是由物种环境的变化引起的
• 有时，物种灭绝的速度急剧增加，并导致大灭绝
• 大灭绝是破坏性全球环境变化的结果

适应辐射

适应性辐射是来自同一祖先的不同适应物种的快速进化

• 陆生恐龙灭绝后，哺乳动物经历了适应性辐射
• 恐龙（鸟类除外）的消失使哺乳动物的多样性和体型得以扩大
• 其他适应性辐射包括光合原核生物的崛起、寒武纪大型食肉动物的进化、和植物、昆虫、四足动物对陆地的占领

进化趋势

• 从化石记录中提取单一的进化进程可能会产生误导
• 应在更广泛的背景下审查明显的趋势
• 物种选择模型表明，不同物种形成的成功可能决定进化趋势
• 进化趋势并不意味着对特定表型的内在驱动力

进化树、系统发生树

在一些进化树中，分支的长度可以反映该谱系中特定DNA序列中
发生的遗传变化的数量

最大简约与最大似然

• 随着不断增长的DNA序列数据库使我们能够研究更多的物种，构建最能描述其进化历史的系统发育树的难度也越来越大
• 系统论者永远无法确定在大型数据集中找到最好的树
• 他们通过应用最大简约和最大似然的原则来缩小可能性

• 最大简约 假设需要最少进化事件的树最有可能
• 最大似然原理指出，给定DNA如何随时间变化的某些规则，可以找到一棵树来反映最可能的进化事件序列
• 计算机程序被用来搜索简约或者似然的进化树

Phylogenetic Trees as Hypotheses

• 系统发育树的最佳假设应符合大多数数据：形态学、分子和化石
• Phylogenetic bracketing（系统发育环套法）允许我们根据后代的
特征预测祖先的特征
• 例如，系统发育括号可以让我们推断恐龙的特征

基因复制和基因家族

• 直系同源基因是在不同物种中发现的基因，它们的差异可追溯到
产生该物种的物种形成事件
• 旁系同源基因源于基因复制；因此，在一个物种中，这种基因的
多个拷贝彼此分离产生

高中知识：生物多样性