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@LittleRewriter 2019-11-18T14:42:40.000000Z 字数 25393 阅读 1059

生命科学基础

生物

生命科学简介

生命由元素构成

（1）生命由元素组成

水、压力、紫外线和阳光的条件使得生命发源。生命发源之地，有人说是原始海洋，有人说是深海热泉，有人说是粘土矿物。但无论如何，生命的构成是元素。

元素周期表有118种元素，但其中只有寥寥能组成生命。必须元素是碳氢氧氮，还有硫磷等组成原料、合成有机物 。从元素到小分子到有机大分子到生命的过程中我们能清晰的看到，一切都是以元素为基础的。

细胞是生命的结构基础，也是一个微观世界。那么无生命的有机物如何构成细胞？其中最关键的就是能量的供应。

（2）生命的三大关键特征

小分子在能量作用下碰撞形成有机大分子，常见的有糖类、类脂、氨基酸和蛋白质、DNA，这分别是新陈代谢、细胞膜、自我复制的基础。这三大特征使得化学进化发生，形成了细胞。

（3）迎接生命的挑战

对疾病的历程是简单摸索-经验积累-基础研究-药物发现的过程。随着人类对生命本质的探索，生命科学孕育而出

生命科学的含义

（1）生命科学概论

生命科学是对研究生命活动规律、生命本质、生物发育、生物间关系和生物与环境关系的科学。

以疾病发展为例。新石器时代人们发明了环钻术，古希腊和伊斯兰文明发现解剖学知识，欧洲给出了麻醉和感染控制，20世纪发明了抗生素、输血和X射线，21世纪我们有治病、防病和医疗美容。

（2）生命科学的发展历程

古代~16世纪 准备和奠基期

16~20世纪 系统的创立发展期

20~21世纪 交叉融合

（3）著名生物学家

林奈 系统分类

拉马克 用进废退

施莱登、施旺 细胞学说

达尔文 进化论

孟德尔 遗传学

（4）大发展的重要事件

艾弗里的DNA本质探究

桑格 蛋白质的结构和DNA测序方法

沃森 DNA之父

佩鲁茨和肯德鲁 蛋白结构

克里克 遗传中心法则

克拉马和伦理伯格 遗传密码的破译

（5）应用生物学的形成

改造器官：对供体器官的生物技术改造，以消除受体器官不相容的窘境

（6）生物技术的热点领域

生物芯片、脑科学、生物信息学、人工生命、分子生命学

（7）发展前沿

人类基因组计划、脑科学、人工生命

生命科学和现代人类的关系

（1）生命科学和健康

（2）生命科学和人类

（3）生命科学和工业

生命科学和其他学科的关系

有很多是SCI引用。

生命的化学基础

原子与元素

（1）

地球生物分成原核生物、古核生物、真核生物和病毒。

组成元素的原子包括质子、中子和电子，元素化学性质取决于最外层电子性质。

生物界与非生物界有统一性。自然界有100多种，而生物界有50多种。但是如果比较人体中元素的含量和自然界中，会明显的看到生物界和非生物界存在本质差别，生命体对元素是具有选择性的。

我们称C,H,O,N为主要元素，其中占人体60%以上；称S P Cl Ca K Na Mg为常量元素；称其余18种为微量元素。

常见营养元素

Ca 骨骼和牙齿成分

Fe 血红蛋白的重要原料

Zn 体内多种酶火星有关

P 骨骼牙齿组分

（2）同位素

同位素是同一元素的不同原子，质子数相同，中子数不同。

放射性同位素有很多应用。最常见的是放射性同位素示踪技术。

同时射线有危害。

（3）水和生命

细胞含水量是70%~95%，有支持生命的独特性。

水有内聚作用，可以促进运输。水也可以缓解温度变化。

生物大分子

（1）组成生命的分子结构基础

生命元素构成小分子物质，分成无机化合物和有机化合物。这些小分子消耗能量，聚合成生物大分子。反之，这些大分子可以产能，并放出能量。

（2）蛋白质

蛋白质含N，约1g元素N的存在表示大约有6.25g蛋白质存在，故称6.25为蛋白质常数。

蛋白质的单体是氨基酸，通过肽键和肽形成分子。

按照功能常见的有结构蛋白、贮藏蛋白、收缩蛋白、转运蛋白、防卫蛋白、信号蛋白、酶。

自然界有300多种蛋白质，组成蛋白质的氨基酸有20种。多肽链各个氨基酸的排列顺序构成蛋白质的一级结构。脱水缩合形成二级结构，经过螺旋和 折叠形成三级、四级结构。

蛋白质变性是高温、紫外线、强酸、强碱、一定浓度尿素作用下蛋白质的空间结构破坏导致的蛋白质理化性质和生物学性质的改变。变性只是非共价键的破坏。实践中，要防止酶制剂变性，也要利用变形来杀菌消毒。

蛋白质机器是世界上最小的机器，是指由分子尺度物质构成的能行使某种功能的机器。其中一个应用是分子马达，可以实现材料的收缩舒张。

（3）糖类

糖类是自然界存在量最大、分布最广的有机化合物，分成单糖、寡糖和多糖。

糖类的功能有：供能；作为生物大分子的结构成分；生物大分子的合成原料；植物构造的基本成分，如纤维素、果胶。

单糖是糖类的构造单体，可以通过糖苷键的相互结合形成各种糖。常见的单糖有葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖。葡萄糖是最常见的单糖，合成ATP、合成原料；核糖和脱氧核糖参与构成核苷酸，是RNA和DNA合成原料；果糖存在于果浆、蜂蜜中，用于食品添加剂；半乳糖是乳汁成分、糖蛋白的成分，可以供能。

寡糖与多糖没有明显界限。乳糖是葡萄糖和半乳糖，蔗糖是葡萄糖和果糖，麦芽糖是2个葡萄糖，还有纤维二糖。寡糖还有三糖，如龙胆三糖、棉子糖、松三糖和车前糖。重要信息物质也是一种寡糖。麦芽糖和纤维二糖易水解，而乳糖、蔗糖、麦芽糖都是游离状态。

多糖是单糖分子的长链聚合物，有糖原、淀粉、纤维素、粘多糖等。

膳食纤维分成纤维素和果胶，果胶是甲氧基化的半乳糖醛酸。

氨基聚糖一种是玻尿酸，有多种功能。还有肝素，可以起到抗凝作用；蛋白聚糖，过多会导致关节疾病。

几丁质是一种壳多糖，是N-乙酰葡糖胺糖苷键聚合连接而成的，有吸湿性，可吸附重金属离子。

（4）脂质

脂质不溶于水，易溶于有机溶剂，容易形成内部疏水聚集体。常见的有油脂和类固醇。

油脂由甘油三脂组成，分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。可用于供能、保持温度。特殊的脂肪有富含不饱和脂肪酸二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸的深海鱼油和主要成分为可可脂、同时含有饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的巧克力。此外还有反式脂肪酸。多数生产厂家为了方便对植物油的储存，会进行氢化，这就导致了反式脂肪酸的产生。这种脂肪酸容易积累，不易消化，可能会引起肥胖、心血管疾病。高温油炸食品可能含有较多的反式脂肪酸。

类固醇是四个稠和的环构成的，有固醇、胆汁酸等，最常见的是胆固醇。胆固醇广泛分布，脑和神经组织分布多，参与细胞膜形成，合成其他类固醇（胆汁酸、维生素D、甾体激素等），但是过量胆固醇会引起高胆固醇血症，有极低密度脂蛋白胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇和高密度脂蛋白胆固醇三种，低密度脂蛋白胆固醇难以分解，容易聚集，可能引起血管动脉硬化等。

（5）核酸

核酸常和蛋白质结合形成核蛋白，分成DNA和RNA。核酸是染色体的成分，可以储藏、传递遗传信息。核酸由核苷酸单体头尾相连构成。

单核苷酸由五碳糖、磷酸、含氮碱基构成。

核酸的一级结构是脱氧核苷酸的排列顺序，二级结构是依照互补原则形成的双螺旋结构。

RNA多为单链，能形成发夹结构。

核酸与蛋白质类似，氢键在温度、酸、碱、一定浓度尿素作用下可以断开，成为变性。适宜条件下，核酸可以复兴。利用这一原理可以进行分子杂交。如果用同位素标记已知序列的寡氨基酸，杂交反应可以探究待测核酸是否有与之相同的序列，称为探针。

部分核酸有催化活性，如核酶。核酶可以切割DNA或RNA，参与RNA自身的剪切和加工，但是催化效率较低。

此外，研究表明，存在许多非编码RNA，不编码蛋白质，但是在细胞中起调控作用，有重要作用。

细胞

细胞的基本特征

人体约有30万亿细胞。人体需要新陈代谢，细胞有生命周期来维护机体代谢。

所有细胞都有一些共同特征。

（1）细胞的发展历史

17世纪，英国光学仪器修理师的胡克发现了细胞。他在研究软木塞切片的时候发现了软木屑由小腔室构成，并命名为cell。当然实际上这时的cell只是细胞壁和细胞腔，但是这也激起了科学家的很多探索。

1838、1839年，施莱登和施旺对细胞进行了更直观的探讨，提出了细胞学说。他们认为，细胞是构成一切生物有机体的基本元件。

（2）细胞的层次结构

生命具有诸多层次。生命大分子构成的细胞是独立生命的基本单位，但是它并不是构成生命的最小结构。最小结构应该是病毒。

（3）细胞的形状

在各种影响因素下，细胞具有千变万化的形状。圆形、饼状、方块状、五星状……下面是几个例子

单细胞生物的细胞形状较为复杂，各种都有。肌细胞是长梭形的，这种结构有利于收缩舒张。红细胞是圆饼状，有利于运输氧气。保卫细胞是月牙形的，可以形成一个气孔，有利于植物的生存。当然，细胞离体后可能会变形。

（4）细胞的大小

一般来说，真核细胞体积大于原核细胞，卵细胞大于体细胞。

多数动植物细胞直径是 ，支原体只有 ，人的坐骨神经细胞长达。

技术发展推动了我们对细胞的认识。在20世纪30年代有赖于透射电子显微镜，可以看到超微结构；60年代末用扫描电子显微镜可以看到立体结构；如今可以放大100万倍，看到细胞器。

（5）细胞的数量

动物体的大小与细胞大小没有关系，大多与细胞数量有关。

正常人体有30万亿个细胞，大脑有几百亿个神经细胞，成年男性一升血液有4万亿个细胞。

（6）细胞的寿命

肠粘膜细胞寿命3天，肝细胞寿命500天，血液中白细胞寿命几小时。

根据细胞代数学说，人体细胞大约每2.4年更新一代。人体细胞的体外培养大约是50代，称2.4是弗列克系数。据此，人的理论平均寿命约是120年。

（7）细胞的分类

原核细胞出现在35亿年前，真核细胞出现在约18-23亿年前。

从诸多分析中发现，真核生物起源于古细菌。古细菌通过吞噬某些真细菌，将其改变成线粒体和叶绿体，进化称了当今真核世界。

（8）细胞的环境

细胞生活在等渗的水溶液中。

细胞的环境分化为内环境和外环境。

原核细胞

（1）概述

  1. 原核细胞的特征：细胞小，结构简单，没有细胞核，DNA卷曲在拟核上面
  2. 分类：三菌（细菌，放线菌，蓝细菌）、三体（支原体、衣原体、立克次氏体）
  3. 结构：一般没有膜结构包被，不进行有丝或减数，转录翻译同时进行，之后二分裂；有鞭毛，无原生质运动，无变形虫样运动；含有呼吸酶，光合作用、氧化磷酸化在细胞膜进行。

（2）细菌

分布最广，数量最多，物质循环主要参与者

直径在 之间，分成球菌杆菌螺旋菌

细菌的细胞质：

  1. 细胞壁主要成分是肽聚糖，溶菌酶能破坏结构，青霉素能抑制细胞壁合成
  2. 核糖体附着于细胞膜内侧或有利于细胞质，由大亚单位和小亚单位组成，也可以与抗菌素结合
  3. 质粒位于核区DNA外的环状DNA分子，可自主复制、能整合到核DNA，常作为载体用于DNA重组。穿梭质粒是在两重不同类群宿主存活复制的质粒。
  4. 荚膜由多糖类物质构成，决定了细菌生存，可以抵御不良环境、不被白细胞吞噬、选择性粘附于宿主细胞，同时荚膜纤丝贮存消化酶。

（3）放线菌

放线菌呈辐射状生长，分布广泛，多以孢子或菌丝状态存在，是土壤泥腥味的始作俑者。

抗生素主要由放线菌产生，大多是链霉菌的次生代谢产物。

（4）蓝藻

蓝藻是能进行与高等植物类似的光合作用的大型单细胞原核生物，也有最简单的植物的说法。

蓝藻孕育了好氧生物的进化发展，分布广泛。

一些蓝藻有经济价值，如地耳（螺旋藻）；有固氮作用，是良好的绿肥；发菜是一级野生固沙植物。但是另一方面，富营养化水体中蓝藻可能会引起赤潮、水华，少数蓝藻种类会诱发肝癌。

蓝藻许多呈现黑蓝色。

（5）支原体

支原体是细胞外生存的最小微生物，也是唯一一种没有细胞器的原核生物。

大小是 ，可以通过滤菌器，不能维持固定形态，呈现高度多形性。

对人危害较大。

繁殖速度慢，适宜温度35度，固体培养呈现荷包蛋状。

2010年科学家们合成了世界上首个与天然染色体序列几乎相同的原核生物支原体辛西娅。

细胞膜胆固醇含量多，对热干燥敏感，对除青霉素外的抗生素敏感。

（6）衣原体

酶系统不完全，不能合成ATPGTP，被称为摄能寄生物。

比细菌小，可过滤菌膜。多呈球状、堆状，有肺炎衣原体、鹦鹉热衣原体、沙眼衣原体、家畜衣原体之分，能形成包涵体。

（7）立克次氏体

酶系统不完全，不能合成ATPGTP，也是摄能寄生物。

不能通过滤菌膜。

多寄生于节肢动物，可以引发斑疹、伤寒、战壕热。

真核细胞

（1）概述

真核生物包括大量单细胞生物、原生生物和全部多细胞生物。

多数真核生物进行有性繁殖，有丝分裂；也有些高度分化的真核细胞无丝分裂，如人的肝脏细胞、肾小管上皮细胞、肾上腺皮质细胞和蛙红细胞。

真核生物生物膜高度特化，形成功能结构单位。

真核生物有三大基本结构体系：

  1. 膜系统结构
  2. 遗传信息表达系统结构
  3. 细胞骨架体系

（2）膜系统结构

I 液态流动镶嵌模型

细胞膜由磷脂双分子层构成，并有多球形的蛋白质分子镶嵌。

具有一定的流动性，可以完成各种生理功能。

II 脂笩模型

细胞膜上胆固醇和鞘磷脂的微结构域称为脂笩，由膜蛋白构成。

可以进行膜的信号转导和蛋白质分选。

III 细胞膜系统的特性

细胞膜系统有流动性。磷脂双分子层疏水的尾在内，亲水的头在外。膜蛋白也有流动性，这是通过人鼠细胞融合实验证明的。

细胞膜系统有不对称性，包括成分不对称和方向不对称。膜蛋白有内在蛋白和外在蛋白，内在蛋白的跨膜部分为疏水的螺旋，外在蛋白与内在蛋白或者膜脂连接。膜蛋白分布也不对称，糖蛋白的糖链分布在膜的外表面，膜受体分子和配体结合部位在外层脂质，腺苷酸环化酶等分布在膜内表面。

细胞膜系统有选择透性。水分子可以自由通过，葡萄糖、氨基酸、尿素、氯离子可以透过膜，蛋白质、钠、钾不易透过膜。一定条件下可以在膜蛋白协助下进出细胞。选择透性维持细胞内外水的移动，各种物质交换，酸碱度、渗透压。如果在病理情况下，细胞膜通透性增加，可能发生组织水肿。

IV 六大功能

  1. 将细胞分割成细胞器
  2. 屏障作用
  3. 传递信息
  4. 细胞识别，结合受体和小分子
  5. 塑形，保证细胞形态
  6. 物质转运

物质转运可以分成对小分子的被动转运、主动转运和对大分子通过膜泡运输的大分子膜运输

V 内膜系统

内膜系统是发达的细胞内膜形成功能区隔，由膜围成各种各样的细胞器，在结构上形成一个连续的体系。

あ）内质网（ER）

内质网连通细胞核、细胞质、细胞膜，可以对细胞质区隔化，负责物质转运。内质网的内腔是相互连通的。

内质网分成粗面内质网和滑面内质网。前者附着核糖体，参与蛋白质合成加工；后者分布在特化细胞，有解毒功能。

内质网有应激反应，可以抵抗外来物质。

い）高尔基体（GA）

高尔基体由扁平囊和小泡组成，位于内质网和细胞膜之间。

呈现弓形或蛋白形，参与细胞分泌活动、溶酶体的形成，植物有丝分裂末期形成细胞壁。

是蛋白质加工分类包装的长梭，分门别类进行输送，主要进行蛋白质的糖基化修饰。

う）溶酶体

溶酶体有一层膜，由高尔基体形成。

内含各种酸性水解酶，可以进行细胞内消化。

对外界进入细胞内的物质有吞噬作用，细胞自身的局部细胞质或细胞器有自噬作用。

え）外泌体

外泌体包含RNA和蛋白质，是一种盘状囊泡，直径40-100nm。

外泌体在溶酶体的基础上，溶酶体膜内陷形成内体，内体膜再内陷形成。与细胞膜融合后可以释放到胞外基质。

外泌体分布在血液、唾液、尿液、脑脊液和乳汁在内体液中，可能参与细胞间通讯。

外泌体可以作为一些疾病的早期诊断标志物，癌变过程中有非常显著的变化。

お）线粒体

线粒体有双层膜结构，与能量代谢有关，多分布在需能多的部位。

线粒体外膜含有孔蛋白，内膜折叠成嵴，含有与能量转换相关的蛋白。膜间隙分布着可溶性酶、第五和辅助因子。

基质中有三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系和线粒体DNA、RNA、核糖体。

线粒体是细胞呼吸长梭，与氧自由基的形成、细胞掉网、信号传导、跨膜运输、电解质稳态平衡调控有关。

か）叶绿体

叶绿体是植物光合作用的场所。

其形如透镜、双层镜，内有类囊体。

是一种半自主细胞器，含有自身遗传表达系统，与线粒体类似。

自主性有限，RNA转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥依赖于核基因组。

き）核糖体

核糖体是椭球形小体，无膜结构，由40%的蛋白质和60%的rNA组成。

是合成蛋白质的细胞器。附着在内质网的核糖体合成膜蛋白和分泌细胞质，其他细胞内蛋白质由游离的核糖体合成。

（3）遗传表达系统

细胞核是遗传系统主要贮存、复制、转录场所。

核膜是一种双层膜，分成外核膜和内核膜，上有很多小孔。

染色质是DNA和蛋白质，易被碱性染料着色。染色体和染色质是统一物质在不同细胞周期的表现，有丝间期是染色质，有丝中是染色体。因物种而异有二倍体和单倍体之分。与染色质结合的蛋白负责DNA分子遗传信息组织、复制、阅读，包括非组蛋白和组蛋白，在染色质DNA组装时大沟小沟会结合组蛋白。染色质是基因存在和发挥功能的结构基础。

核仁是核内一到数个小球性的结构，是转录rRNA和装配核糖体的场所，其数目大小和蛋白质代谢活跃程度有关。可以合成核糖体的大小亚基前体，转运后在细胞质中成熟，形成有功能的大小亚基。

核纤层在内核膜内表面，是一层纤维状的蛋白网。核纤层纵横排列整齐，是核膜和染色质的结构支架，可以调控基因表达。同时核纤层蛋白影响双链DNA的断裂修复。

（4）细胞骨架

细胞骨架有广义和狭义之分。广义的细胞骨架包括细胞质骨架和细胞核的核纤层。

细胞质是分布于真核细胞中的蛋白纤维网架体系，由微管、微丝和中间纤维组成，有多种结合蛋白。

在细胞运动、分裂、分化、物质运输、能量转换、信息传递都有重要作用。

I 微管

微管直径22-25nm，可以聚合和解聚。可以维持细胞形态，是细胞内物质运输轨道，给细胞器定位 ，可以做鞭毛运动和纤毛运动，并进行纺锤体和染色体运动。

微管与老年痴呆症有关，因为微管的主要成分是蛋白，上有磷酸化位点，从而保持其正常组装，而过度磷酸化 就会导致微管异常组装，导致神经纤维出现问题。因此微管的组装稳定性会影响老年痴呆。

药物可以干预微管的组装和解聚。秋水仙素可以破坏微管组装，紫杉酚可以促进微管装配。

II 微丝

微丝直径7nm，主要组成是肌动蛋白，存在动态变化。

可以细胞运动、胞质分裂，是微绒毛的结构单位。

化学药物会影响，细胞松弛素促进解聚，鬼笔环肽抑制解聚。

微丝可以提供肌纤维收缩功能，有赖于肌动蛋白的作用。肌动蛋白是真核生物最丰富的蛋白质，常用于研究某一蛋白表达水平变化的内对照。

微丝也负责细胞内物质运输或宏观运动。这有赖于马达蛋白，利用ATP水解释放能量驱动自身沿微管微丝定向运动。

可以分成沿微丝运动的肌球蛋白、沿微管运动的驱动蛋白和动力蛋白。

III 中间纤维

中间纤维直径10mm，是最稳定的细胞骨架成分，几乎分布于所有动物细胞，上皮细胞含量丰富。

多数细胞含有中间纤维，但骨骼肌细胞含有结蛋白和波形蛋白两种中间纤维。

常围绕细胞核，扩展到细胞膜，与其连接。核纤层属于中间纤维。

可以增强细胞抗机械压力，构成神经元纤维，运输mRNA，并用于肿瘤来源鉴定。

（5）胞外结构

I 细胞外基质

细胞外基质分成蛋白聚糖、胶原蛋白和黏着蛋白。蛋白聚糖形成亲水胶质，胶原蛋白赋予基质强度韧性，黏着蛋白可以将细胞固定于组织。所以细胞外基质可以保护支持细胞，将细胞连接。

同时含有大量信号分子，可以影响细胞形状、代谢、功能、迁移、增殖、分化。

II 胞间连接

动物细胞的胞间连接分成紧密连接、间隙连接和桥粒。

植物细胞主要是胞间连丝，是细胞间物质运输和信息传递的重要通道，有连接细胞内质网的连丝微管。

真核细胞和原核细胞的比较

特征 原核细胞 真核细胞
细胞大小
细胞核 无核仁核膜 有核仁核膜
细胞器 只有核糖体 有各种细胞器
核糖体 70S 80S
DNA 有一条，环状，少量结合蛋白质 有多条DNA，与蛋白质结合，形成线状染色体或染色质
内膜系统 简单 复杂
细胞骨架 无 有微管微丝
细胞壁 肽聚糖、乙酰胞壁酸 纤维素、果胶
转录翻译 同时同地 不同时间地点
分裂 二分裂 有丝、无丝、减数等

共同点：有细胞膜、细胞质；有核糖体；能转录翻译，形成蛋白质；有DNA、RNA；以DNA为遗传物质

细胞通讯

（1）概念

一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞并产生相应反应的过程。

其过程是：信号与受体结合激活受体，通过细胞信号传递，激活一条或几条信息通路，产生不同生物效应。

（2）信号的分类

按照信号自身性质，可以分成物理信号和化学信号；

按照信号存在位置，分成胞内信号和胞外信号；

按照细胞分泌方式，可以分成：

  1. 旁分泌信号。分泌道细胞外后，只能作用于邻近细胞的信号分子，如生长因子等。
  2. 突触分泌。神经细胞等通过突触间传递信息的物质，如神经递质等。
  3. 内分泌信号。由内分泌细胞合成并分泌到细胞外进行信号传导的分子，如激素等。
  4. 自分泌信号。细胞间信息物质能对同种细胞或分泌细胞自身起调节作用，如前列腺素。

（3）胞外信号

又称第一信使或初级信使，包括环境信号和胞间信号。

环境信号是影响生物发育的重要外界环境因子，包括机械刺激、磁场、辐射、温度、风、光、、、土壤性质、重力、水分、营养元素、伤害、病原因子等；胞间信号是生物体细胞自身合成的能从产生出运向别处并刺激其他细胞的细胞间通信分子，包括激素、NO、神经递质、多肽、糖类、细胞代谢物、甾体等。

（4）胞内信号

又称第二信使，是细胞感受胞外信号和胞间信号后产生的

如钙离子、肌醇三磷酸、二酰基甘油、环腺苷酸、环鸟苷酸。胞内成分NO、、花生四烯酸、环ADP核糖、IP4、IP5、IP6等也可以作为第二信使。

一个常见的机制是通过腺苷酸环化酶活性调节靶细胞cAMP水平，活化cAMP依赖的PKA可以调控下游的生命活动。

（5）受体

受体是一种能识别、选择性结合某种配基的生物大分子，可以分为细胞内受体和细胞膜受体。

细胞内受体识别脂溶性，如甾类激素、甲状腺素、维生素D、视黄酸。

细胞膜受体识别亲水性的，如分泌性信号分子（如神经递质、多肽类、生长因子）或膜结合型信号分子（细胞表面抗原）。

（6）信号转导

信号转导是信号分子通过与存在于靶细胞膜上或胞内受体特异性识别结合、激活信号放大系统，引起蛋白质分子构象、酶活性、膜通透性或基因表达等改变，使得代谢途径调节、基因表达调节、细胞骨架变化。

转导是多层次的交叉调控，下面是几种常见的：

  1. G蛋白介导的信号转导途径（参与多种生理活动）
  2. 受体酪酐酸蛋白激酶信号转导途径（细胞增殖、组织肥大）
  3. 非受体酪氨酸蛋白激酶信号转导途径（激素、细胞因子）
  4. 受体鸟苷酸环化酶信号转导途径（气体分子介导）
  5. 核受体信号转导途径（类固醇激素受体、甲状腺素受体）

G蛋白和G蛋白耦联受体

G蛋白即鸟苷酸结合蛋白，位于细胞膜胞质面，能与GDP、GTP结合。

开始G蛋白与GDP结合，第一信使来临后活化，与GTP结合，可以对一些受体调控。

（7）胞间通信

细胞信号转导是细胞间实现通信的关键过程，对于多细胞生物间功能协调、细胞生长分化控制、组织发生和形态建成是必须的。

接触通信、连接通信是除了化学信号以外的两种方式。

接触通信无须释放化学信号分子，可以分成同种同类细胞间的识别、同种异类细胞间的识别、异种异类细胞间的识别。

连接通信是相邻细胞间通过某种结构相连接，传递化学信号，实现胞间通信的方式。动物细胞采用间隙连接，是细胞膜上两个连接子对接形成的，允许小分子物质通过，有助于相邻同型细胞对外界信号协同反应。植物细胞采用胞间连丝。

细胞生物效应

（1）细胞的生长和存活

细胞生长是指细胞数量不变，体积增大。其生长存活受温度、渗透压等影响。此外，紫外线、放射线也会对细胞存活造成影响。

例如，是最适宜哺乳动物的温度。

（2）细胞增殖

细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖、遗传的基础。细胞以分裂方式增殖，通过细胞分裂，将遗传物质平均分配到两个子细胞中。

研究标定细胞增殖常用方法是依据DNA含量变化或者标志性蛋白质活性变化。如细胞代谢活性检测、细胞DNA合成检测（BrdU等）、ATP浓度检测、细胞增殖相关抗原检测。

最常用的是MTT法。MTT是一种黄色的化合物，可以接受，某些条件下会变成蓝紫色的化合物，但这一性质死细胞不成立。因此测定吸光度就可以确定细胞存活状态。

（3）细胞分化

细胞分话是同一来源的细胞产生形态结构功能各不相同的细胞类群的过程，结果上是空间上和时间上的差异。本质是基因组在时间、空间上的选择性表达，一般是不可逆的。

某些条件下，分化细胞不稳定，基因表达模式可能发生可逆过程，称为去分化。

细胞分化通常符合从全能到多能再到单能的过程。

（4）细胞衰老

细胞衰老的学说有很多。

（5）细胞死亡

细胞死亡分为细胞坏死和细胞掉网。细胞坏死是环境因素或病原物入侵导致的细胞死亡，是病理性死亡；细胞凋亡是个体正常生命活动需要，一部分细胞执行一定死亡程序而死去，这是细胞的生理性的主动性的自觉自杀行为。

细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行、自稳平衡的保持、抵御外界各种因素干扰起到关键作用。

细胞凋亡的过程是：接受凋亡信号、带凋亡细胞从群体剥离出来、凋亡细胞分割成较小的凋亡小体、巨噬细胞吞噬掉凋亡小体。

细胞凋亡时，体积缩小，连接消失，细胞质密度增加，核质浓缩，核膜核仁破碎，胞膜有小泡状形成，被分割为几个凋亡小体。之后会被吞噬。

细胞与能量

生物体中的能量形式与代谢

（1）生物能量的转化与流动

所有的生命活动需要特定能量驱动，能量来源消失，则生命活动停止。

生命体的能量是流动的。光量子可以转化为藻类、植物、光合细菌等的能量，进而促进小分子等合成生物大分子，以势能的形式存在于糖分子的共价键上，糖就变成一种高能化合物。糖在体内分解会产生热，并转化为其他分子，彻底氧化。这是能量流动的过程。

新陈代谢是生物体摄取并转化成不同形式的能量，用以完成机械操作、转移分子或离子、合成大分子以及其他物质的前体的过程。

细胞中的化学能可以合成自身的大分子、完成各种需能运动、产生并维持膜两侧离子浓度差和电子梯度差、维持动物体温、形成发光现象等。

（2）生命体内能量特点

细胞只能利用化学能。拉瓦锡19世纪认为动物呼吸就是有机物的缓慢氧化。活细胞存在于恒定温度压强下，只能利用化学能。

能量的转移和转化是伴随着物质代谢过程完成的。随着化学键的拆解，能量可以发生转移，这往往伴随着分子中功能基团的转移或者电子的传递。

不同生物分子之间能量转化有通用的形式。ATP是细胞内通用能量流通货币。一个ATP断裂， 。自养生物ATP可以来自于光能。

（4）细胞呼吸

细胞所摄取的有机物经过一系列氧化分解，生成有机小分子或无机物，并获得能量的过程。其本质是化合物中化学键的断裂和重建，与化学反应的不同是以ATP为不同化合物之间的能量转换形式。

细胞呼吸也可以看成构成共价键的电子拥有的势能传递的过程，可以将低能量的电子与质子结合，将能量传递给其他分子。

可以分成无氧呼吸和有氧呼吸，区别是最终将电子势能传递给无机氧化物还是。

含碳化合物的氧化是细胞能量主要来源。以葡萄糖为例，葡萄糖可以进行无氧酵解、有氧氧化、戊糖磷酸途径。无氧酵解是无氧条件下分解成丙酮酸或乳酸，有氧氧化是无氧酵解产生的丙酮酸为起点通过三羧酸循环分解成CO2和H2O，戊糖磷酸是直接脱氢脱羧并将化学能储存在NADPH中。

I 有氧氧化

有氧氧化的特征有：

  1. 需要作为电子最终受体
  2. 线粒体进行，条件温和，有酶参与
  3. 能量一般储存在ATP中

有氧氧化的阶段有：

  1. 葡萄糖生成丙酮酸
  2. 也称柠檬酸循环，将丙酮酸分解成NADH、CO2
  3. 前两个阶段生成的和进入线粒体膜上的电子传递链，驱动ATP合成

厌氧呼吸的阶段是：将电子加到丙酮酸上，生出NAD+

II 电子传递和氧化磷酸化

体内代谢能量转移通过氧化还原反应进行。电子传递到氧会释放能量。

传递电子往往需要载体，常见的是 ，， 等。

生物体有两种方式从氧化分解获得ATP分子，一种是底物水平磷酸化，另一种是氧化磷酸化。第一种比较直接。

氧化磷酸化是将能量转化成高能电子，形成电子载体，进入线粒体，通过电子传递链传递，最终将电子传递给氧，驱动ATP生成的过程。这一过程主要在线粒体基质进行。

化学渗透学说指出，电子传递释放能量能趋势过膜，造成跨膜质子梯度差，质子顺梯度释放能量合成ATP。

细胞内的代谢网络

  1. 细胞内代谢有共通途径。糖代谢过程产生高能电子载体，进入线粒体完成电子传递和氧化磷酸化，生成ATP；氨基酸、脂肪酸和其他有机分子，脱去功能集团的碳骨架结构，进入碳水化合物代谢途径。
  2. 细胞内的代谢途径呈现动态平衡的网格结构。
  3. 细胞内的代谢反应受到机体严格调控。生化反应有大量的负反馈调节，用来保持机体代谢维持在一定的稳态。
  4. 细胞内物质代谢和能量代谢相伴随。
  5. 酶参与代谢反应调控

酶在代谢与能量转化作用主要体现在代谢网络中的反应需要酶的参与和调节。所有生化反应要依赖于特定 调控和调节方式，由此控制反应途径可以完成体内生化代谢。生化反应都有酶参与，自发反应和可逆反应也需要酶的参与，并受到细胞代谢体系的调节。

酶是有高度催化活性的、起特定催化作用的生物大分子。按照组成可以分成单纯酶（只由蛋白质构成）、结合酶（有非蛋白质的辅基、辅酶或辅因子）和核酶（本质是RNA）；按照所在位置分可以分成细胞内酶（位于细胞内不同分隔区，受损时血液含量会明显增加，可以作为判断细胞受损的标准之一）、细胞外酶（胞内以酶原形式存在，分泌到胞外产生活性）。酶可以降低反应活化能，有专一性。

酶有一个活性中心，是行使催化功能的部位，和底物形成酶-底物复合物即中间产物。

影响酶活性的因素多是使蛋白质三维结构改变的物理或化学因素，如强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、高温、紫外线、调节剂等。所以酶反应有最适PH、最适温度和最适离子环境。最适温度和最适PH 人体内最适温度多为35~40，最适pH多为6~8，但这会依据功能而改变。

可以通过激活剂和抑制剂改变酶活性，从而调控反应。与酶分子结合后降低活性的化合物叫做抑制剂，不改变特定结构而增强酶活性的叫做激活剂。依据抑制方式可以分成竞争性抑制和非竞争性抑制。竞争性抑制剂抢占结合位点，非竞争性抑制剂（调节剂）结合底物分子结合位点以外的特定位点而调节酶活性。

酶原激活、酶活调节、酶的合成降解都是酶的调节方式。共价修饰是常见的调节方式，即通过共价结合其他化学基团方式来调节活性。

基因与遗传

细胞周期与细胞分裂

一、细胞周期与调控

细胞周期可以分成四个阶段：

G1、S、G2期合在一起称为间期。

并不是所有的细胞都处于细胞周期某一阶段，事实上成体的多数细胞是不分裂的。

G0期细胞是脱离细胞周期、停止分裂的一个阶段，在一定刺激下，又可以进入周期。未受刺激时，其潜力依然存在；受到刺激而增殖时又能合成DNA、进行细胞分裂。

细胞周期调控依赖于细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）和周期蛋白（Cyclin），CDK和周期蛋白形成cyclin-CDK复合体协调控制细胞周期进程。

癌基因是对细胞增殖起促进作用的基因，原癌基因是起促进作用的，分成ras家族、myc家族、src家族、sis家族、myb家族；抑癌基因是对增殖其抑制作用基因，如Rb、p53、p21、PTEN等，抑癌基因缺失或表达抑制是导致肿瘤发生的原因之一。

根据功能，抑癌基因可以分成细胞信号转导与表观遗传学调控、细胞周期负调控、负调控转录因子、与发育和肝细胞增生相关调控、DNA错配修复等。

二、细胞分裂

根据分裂期细胞是否出现纺锤丝、染色体及染色体行为和动态可以分成有丝分裂、无丝分裂和减数分裂。

无丝分裂是最早被发现的分裂方式，没有纺锤丝和染色体变化。

有丝分裂的步骤是：

减数分裂既是保持染色体数目稳定的机制，也是生物进化的机制。

遗传、基因和染色体

三大定律是基因分离定律、基因自由组合定律、基因连锁和交换定律。

基因连锁和交换定律是位于非同源染色体上的两对基因按照自由组合定律向后代传递，位于同源染色体上的两对基因按照连锁和交换定律向后代传递。

DNA与遗传

一、DNA是遗传的基础

DNA通常只在核中的染色体上，蛋白质可以见于各个组分。

同种生物，每个细胞核的DNA含量基本上是相同的。能改变DNA结构的各种物理或化学因素都可以引起遗传学意义上的突变。细胞核内的DNA含量与染色体数目存在平行关系。DNA化学性质非常稳定。

二、DNA的分子结构

DNA双螺旋结构是两条反向平行的多脱氧核苷酸链围绕同一中心轴缠绕形成的右手双螺旋。两条链形成碱基对，碱基互补配对。脱氧核糖和磷酸骨架位于外侧，碱基在内部。双螺旋长轴每一转有10个碱基对，螺距为3.4nm。螺旋表明形成大沟和小沟，碱基在大沟暴露。

三、DNA的复制

1958年，Meselson和Stahl证明了DNA是半保留复制。

因为DNA是含氮分子，合成过程中氮会掺入新合成的DNA链。由于原子量不同，在新DNA链合成后重量也会变化，可以通过电泳检测。实验过程见高中生物必修二。

复制时一条链可以连续合成，称为先导链；另一台只能不断重新合成RNA引物和片段，称这样的片段为冈崎片段，即跟随链。

复制的四个条件是母链、四种三磷酸脱氧核苷、酶和引物。

端粒DNA是染色体末端的串联重复顺序，可以稳定染色体功能，防止染色体DNA降解、末端融合，保护染色体结构基因DNA，调节细胞周期生长。

PCR是多聚酶链反应，是针对特定DNA片段体外快速扩增的技术。该方法操作简便，可以扩增特定DNA片段。其过程包括变性、退火和延迟三个阶段：

检测产物可以用琼脂糖凝胶电泳

基因的表达

一、中心法则

中心法则是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，完成遗传信息的传递和表达的过程。

基因表达是DNA序列蕴含的遗传信息通过转录翻译形成有生物活性的蛋白质的过程。

遗传密码是通过比较DNA和所合成的多肽序列在上个世纪60年代初合成的。

RNA碱基序列与蛋白质的对应关系可以写成一张遗传密码表。遗传密码具有如下特性：

阅读一串序列，有三种不同的阅读框架。如果基因损伤导致框内碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变。

二、转录

转录是以双链中一条DNA链为模板，按照碱基互补配对过程，在RNA聚合酶催化下，用ATP、UTP、GTP、CTP为原料合成RNA的过程，形成rRNA、tRNA、mRNA、snRNA、miRNA等。

将mRNA转录本剪接体的作用下剪去内含子的构成叫做剪接，只有真核生物细胞DNA中有内含子和外显子的结构。RNA的剪接过程中，可能会出现可变剪接，形成不同的外显子链（Alternative splicing events），可能会产生不同功能的蛋白质。

在mRNA的5'端加入7甲基鸟嘌呤核苷酸（m7G），可以促进与核糖体的结合，防止该端被剪接。3'端会在多聚腺苷酸酶作用下加上100-200个A，可以延长mRNA寿命，促进mRNA转移到细胞质中，有利于核糖体的识别。

三、翻译

翻译是把mRNA载于碱基排列顺序上的遗传信息解读为多肽链上氨基酸的种类顺序并合成多肽链的过程，需要mRNA、tRNA、核糖体、氨基酸、酶、各种蛋白质合成因子、GTP、Mg++等。

tRNA是蛋白质翻译的运载工具，给每个三联体密码子译成氨基酸提供结合体，为准确无误将所需氨基酸运到核糖体上提供运载体。其呈现三叶草形，一般由76个核苷酸组成，含有丰富的稀有碱基，都能与A、P结合。tRNA最上端是两端碱基配对形成的受体臂，并且3'最后三个碱基永远是未配对的CCA。此外结构有含二氢尿嘧啶的D环（与氨酰-tRNA合成酶结合）、含有拟尿嘧啶的TC环（可以与核糖体大亚基结合稳定翻译）和反密码子环（读识密码子）。

核糖体是指导蛋白质合成的大分子机器，执行蛋白质合成的功能。核糖体上有三个与tRNA结合的位点，分别是A位点（与新到来的氨基酸结合）、P位点（肽酰-tRNA结合位点）和E位点（延伸过程中多态链转到AA-tRNA上释放tRNA位点）。转肽酶活性将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰-tRNA形成肽链；蛋白因子结合位点，分成起始因子、延长因子、释放因子等，一般由大小亚基组成；小亚基有对模板RNA特异性识别、结合起始tRNA、结合和水解ATP等功能。

翻译可以分成下面步骤

四、加工

翻译之后往往要加工，需要正确折叠 、切除、修饰等才能形成有生物活性的蛋白质，称为翻译后加工。这往往在内质网或者高尔基体中完成。

常见的加工有

遗传突变和分子诊疗

一、基因突变

基因突变是DNA发生碱基对的可能改变，可能导致遗传病、群体中DNA多态性，为生物进化提供了遗传变异的原材料。

一般可以分成下面几种：

（1）碱基替换

转换：一个嘌呤被另一个嘌呤、一个嘧啶被另一个嘧啶

颠换：嘌呤取代嘧啶或嘧啶取代嘌呤

可能产生几种效应

同义突变：前后密码子都编码同一氨基酸

错义突变：碱基替换导致改变后密码子编码另一个氨基酸

无义突变：原来某个氨基酸密码子变成了终止密码子，使多肽链合成提前终止

终止密码子突变：原来的终止密码子变成了编码某种氨基酸的密码子

（2）移码突变

在DNA编码顺序中插入或缺失一个或几个碱基对（），造成这一位置以后一系列编码发生移位错误。

（3）动态突变

基因组中某种脱氧三核苷酸串联重复拷贝数增加，且增加随着世代传递不断扩增。

导致基因突变的因素有物理因素如电离辐射、化学因素如诱变剂、生物因素如某些病毒。

二、遗传重组

遗传重组是任何原因造成的不同DNA分子间发生的共价连接，造成DNA序列重新排列，包括DNA链的断裂、交换或转移片段，并形成新的DNA分子。可以分成：

  1. 同源分子。同源序列DNA分子之间或分子内重新组合，需要重组酶催化。减数分裂非姐妹染色单体交换、细菌转导接合、病毒重组都属于。
  2. 位点特异性重组。小范围DNA同源序列为特殊位点，供重组蛋白结合，发生两个DNA分子不对等交换重组。如噬菌体转移到大肠杆菌中
  3. 转座作用。McClintock在玉米中发现了这一现象。转座子是特定的DNA序列，能在染色体组内移动，插入基因引起基因突变或染色体重组。反转录转座子是以RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的可动元件。反转录病毒可以编码反转录酶，存在三种形式：RNA形式、DNA形式（含有长末端重复序列）、整合到宿主的DNA形式。反转录转座子约占基因组50%。常见的反转录转座子可以分成可以自主转座长散在重复序列和需要自主转座子酶帮助下转座的短散在重复序列。
  4. DNA重组技术。有目的的将供体细胞DNA片段与另一个不同DNA分子遗传重组，形成重组DNA分子。

三、表观遗传变异

基因DNA序列不发生改变，但是由于DNA甲基化、RNA编辑等作用，使得基因表达发生可遗传改变的现象。

（1）DNA甲基化

基因组DNA上胞嘧啶第五位碳原子在甲基化酶作用下和甲基间共价结合，变成5-甲基胞嘧啶（5mC）。哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量2%-7%，约70%存在于CpG二连核苷。这会阻碍转录因子复合体和DNA结合。

DNA甲基化一般与基因沉默相关联，非甲基化一般与活化相关联，去甲基化一般与沉默基因重新激活相关联。

（2）组蛋白修饰

可以分成下面几种

组蛋白被修饰的氨基酸种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码，遗传密码表观遗传学延伸决定基因表达调控状态，并且可遗传。

（3）染色质重塑

由染色体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是染色质重塑。组蛋白尾巴化学修饰可以改变染色质结构，进而影响临近基因活性。

（4）非编码RNA调控

无论DNA修饰还是组蛋白修饰，都是基因活性调节中间参与者，而诱导基因活性改变最大可能是功能性非编码RNA。

非编码RNA在调节基因表达、基因转录、调整染色质结构、表观遗传记忆、RNA选择性剪接、蛋白质翻译中发挥重要作用。

RNA在保护机体免受外来核酸侵扰中也扮演重要角色，是最古老的免疫体系。

四、遗传病

因遗传因素导致的疾病称为遗传病。

生殖细胞或受精卵遗传物质在结构功能改变可以导致单基因遗传病、多基因遗传病、染色体病；体细胞中遗传物质改变也可能导致遗传病。

（1）单基因遗传病

进一步可以分成常显、常隐、伴X显、伴X隐、伴Y、线粒体遗传病。伴Y呈父系遗传，线粒体呈母性遗传。

（2）多基因遗传病

多基因遗传病发病涉及较多的是与治病有关的基因，数量达到一定程度才能治病。多基因遗传病发病率高，遗传倾向低。

（3）染色体异常遗传病

染色体病可以分成

五、突变的检测与分析

基因突变检测可以用于多种疾病早期筛查、诊断、孕后判断。

六、疾病的分子诊断与治疗

分子诊断是应用分子生物学等方法检测标志分子结构或表达水平变化而做出诊断的技术，包括DNA、RNA、蛋白质。

常见的技术有

可以根据基因型信息选择最合适的药物和治疗方案，称为个体化药物治疗。

七、基因治疗

向有功能缺陷的细胞补充相应功能基因，纠正基因缺陷，从而起到治疗目的。广义上是DNA与RNA层面上对相关基因表达调控。

常见的策略有

基因表达调控

一、表达调控的含义

基因表达是基因的转录和翻译

基因表达的调控是基因表达的调节控制使得细胞基因表达过程在时间空间上处于有序状态，并对环境条件变化做出反应的复杂过程，可以在基因水平、转录水平、转录后水平、翻译水平、翻译后水平等水平上发生。

表达模式有：

  1. 同一细胞内，基因表达量不同
  2. 不同组织器官，基因表达量不同
  3. 同一基因在不同组织器官表达量不同

管家基因是在不同类型细胞和生长发育时期表达相同，比较少；奢侈基因是分化后表达的特定基因。

二、原核基因的表达调控

一般可以分成负转录调控：调节基因编码阻遏蛋白，组织转录；正转录调控：调节基因编码激活蛋白，促进转录。进一步可以分为负控诱导、负控阻遏、正控诱导、正控阻遏等。

一个例子是原核生物中的操纵子，如乳糖操纵子。在培养基缺乏乳糖，上游调节基因I编码阻遏蛋白，与操纵基因O结合，使操纵子受阻处于关闭状态；若只有乳糖，代谢产物异乳糖会与阻遏蛋白位点结合，无法与操纵基因结合，使得RNA聚合酶与启动子结合，产生分解乳糖的酶。

三、真核生物的表达调控

真核生物表达调控有如下特点：

顺式作用元件包括启动子、增强子、沉默子等，反式作用因子包括转录因子等。

表达调控的层次有

基因组

概述

基因组广义是一个物种全部序列和携带的遗传信息，包括常染色体、性染色体、线粒体、叶绿体带有的所有DNA序列，而狭义上是某一个生物体的。

可以用DNA双脱氧链终止法测序来对基因组进行序列分析。得到的有遗传图（以多态性遗传标志为位标）、物理图（以一直核苷酸序列DNA片段为位标）、序列图（测序得到的基因组图）三种。

1996年完成了第一种原核生物的测序，2001年人类基因组完成。

原核生物一般有一条染色体，且大都有但拷贝基因，整个染色体DNA几乎全部由功能基因和调控序列组成，细胞若包含质粒和转座子也属于基因组。

真核生物染色体在一个以上，核由核酸组蛋白、酸性蛋白、酶等组成。

人类基因组计划HGP在2001年完成。人类基因组DNA含有bp，约有2-2.5万基因，其余为非编码序列。有22条常染色体和XY性染色体，构成两个染色体组。

小卫星DNA又称可变数目串联重复，是15-65bp基本单位串联而成，总长不超过20kb，无亲属关系人序列不同，可用作DNA指纹分析。微卫星DNA又称短串联重复序列，基本构成单位为1-6bp，呈串联重复。

单核苷酸多态性是不同个体DNA单个核苷酸差异，有些基因突变对表型影响很小，导致了其形成。

人类基因组有如下特点

  1. 基因组没有想象中多，比小鼠少、线虫多
  2. 基因只占基因组很小一部分
  3. 人与人99.99%的基因序列相同

DNA重组

一、DNA重组技术的概念

重组DNA技术是将一种生物体的基因与载体在体外进行拼接重组然后转入受体内，使之能按照意愿稳定遗传并表达出新产物或新性状的DNA体外操作程序，也称分子克隆技术。

供体、受体、载体是三大基本元件。

二、过程

载体在酶切后，经过体外重组形成重组DNA分子，之后引入受体细胞，建立无性繁殖系进行扩增。通过载体上的标记基因进行检测，根据结果筛选所需，进行外源基因的表达。

在与载体连接过程中，需要用同一种限制性核酸内切酶得到相同的粘性末端，用DNA连接酶形成重组DNA（环状重组质粒）。将DNA分子引入受体细胞，对植物可以用农杆菌转化法、对动物可以用显微注射技术、对微生物可以用处理法等。检测目的基因过程如下：

三、应用

农牧业中，可以改良物种；工业上，可以发酵。

基因治疗是将外援正常基因导入靶细胞来纠正或补偿基因缺陷和异常引起的经，即将外源基因插入适当受体细胞中。

蛋白质工程是利用基因工程手段，在目标蛋白氨基酸序列引入突变，从而改变目标蛋白空间结构。如用蛋白质工程生产工业用酶，改良酶品种；制造抗体等。

生物信息学

生物信息学是生命科学、计算机科学和信息技术的结合，主要研究是研究生物信息和生物实验数据采集处理存储，涉及数据库建立传播等。

序列比对是通过比对来推测序列的演化过程，主要探究序列的来源、进化、不同生物基因的同源性等。基因组注释是在已经测序的基因组中，根据RNA表达或某些序列特征找出新的基因并标注功能。蛋白质结构预测是对一级结构和空间结构关系研究得到的数据库资料在一定程度上预测空间结构的过程。图像处理是在图像识别经验基础上构建算法，开发图像识别和处理软件。

数据库有核酸数据库、蛋白质信息资源数据库、蛋白质序列数据库等。

转基因食品

转基因食品是将某些生物优良基因通过现代生物技术在其他物种有效表达，使其有可遗传形状称为转基因生物，转基因生物为原料加工食品为转基因食品。

可以按分类分成植物性、动物性和微生物性。

其优点在于改善了营养成分含量，提高了农产品作物抗害能力，提高了保鲜期，提高了单产量，摆脱了季节气候限制，打破物种界限。但是同时存在一定安全隐患。转基因食品可能引发过敏，可能产生毒素，可能导致抗药性。

分化和发育

细胞全能性是高度分化的细胞仍有发育成完整个体的潜能。

干细胞是一类具有自我更新和继续分化潜能的细胞，本身不执行生理功能，分化程度低，可以分成胚胎干细胞、成体干细胞、核移植干细胞等。肝细胞是再生医学研究方向，可以和体细胞克隆技术结合，同时可能有效解决免疫排斥问题。

基因发育和进化

基因型是全部遗传物质组成，可以遗传后代，表型是具有特定基因型个体在一定环境作用下表现出的性状总和。

基因突变是基因组DNA分子突然的、可遗传变异的现象，有随机性、普遍性、低频性和可逆性等。

表型=基因型+环境。

基因有一定的保守序列，即具有高度相似性或同一性的分子序列，例如管家基因。

动物和人

稳态和调节

稳态是机体依赖调节机制，对抗内外环境变化影响，维护内环境处于动态平衡的相对稳定状态。

稳态调节存在反馈作用，可以分成正反馈和负反馈。反馈是效应产生的结果反过来影响效应本身。

人有五大组织：上皮组织、结缔组织、软骨与骨、肌组织、神经组织。上皮组织是覆盖在身体表面和器官内外表面膜状紧密排列细胞，腺体包括内分泌腺也属于上皮组织。肌肉组织是由成束的具有收缩能力的长形肌纤维构成的，维持机体和器官运动，包括骨骼肌、心肌和平滑肌。神经组织是体内信息接受传递储存分析的组织，传递电信号，由神经细胞和神经胶质细胞组成。结缔组织是连接其他各种组织的特殊组织。

神经系统、循环系统、免疫系统、消化系统、呼吸系统、泌尿系统、生殖系统、内分泌系统、运动系统是人的九大系统。

人的体温并不完全一致，但是脑干和躯干温度保持相对稳定。一般将人体温分成核心和表层温度，即体壳温度和体核温度。影响体温的因素有体温的日节律、性别、年龄、运动等。

机体与环境存在热交换，这是基于产热和散热的动态平衡。散热包括辐射、传导、对流、蒸发等形式，产热见高中生物。

体温调节分成自主性和行为性两种方式。自主性是在调节中枢影响下的生理性调节反应，行为性是有意识改善行为活动。

激素

激素是内分泌腺或器官组织内分泌细胞多合成与分泌，以体液为媒介，在细胞之间递送调节信息高效能生物活性物质，包括远距分泌、旁分泌、神经分泌、自分泌、内在分泌等。

激素的调节分成四个方面：

某些细胞既有神经功能，又有内分泌功能，称为神经内分泌细胞，产生了神经内分泌学。

主要的神经-内分泌系统有下丘脑-腺垂体、下丘脑-神经垂体。

下丘脑与腺垂体之间有独特的血管网络即垂体门脉系统。下丘脑主要分泌生长激素抑制激素、CRH、GHRH等下丘脑调节肽，而腺垂体分泌促甲状腺激素、促肾上腺皮质激素等 。松果体位于下丘脑，也可以分泌。

甲状腺是人体最大的内分泌腺，是唯一一个将激素大量存储于细胞外的内分泌腺。可以合成T3、T4、TH，并受TSH的调控。

胰岛是胰腺的内分泌部，是小岛状散在分布于外分泌腺泡之间的内分泌细胞团，有丰富毛细血管分布，可以分成五种细胞。胰岛素是由B细胞分泌的最常见激素，有如下生物学功能：

胰高血糖素由A细胞分泌，功能由

肾上腺分成皮质和髓质两个部分，皮质激素包括糖皮质激素、盐皮质激素等。

免疫

免疫应答包括固有免疫和适应性免疫，固有免疫是非特异性免疫，适应性免疫是获得性免疫。

中枢免疫器官是免疫细胞发生分化发育成熟的场所，骨髓是B淋巴细胞，胸腺是T淋巴细胞。

外周免疫器官是产生免疫应答的场所。脾脏是最大的免疫器官，是免疫应答的重要场所。淋巴结广泛分布非粘膜部位，在应答时会肿大，有相关组织如阑尾、扁桃体等。

免疫细胞主要源于造血干细胞，而造血干细胞源于骨髓中。包括抗原呈递细胞、粒细胞、单核细胞、淋巴细胞等。

免疫分子主要分成模型分子和分泌性分子。抗体是有机体产生的能与抗原反应的分泌型免疫球蛋白，存在于血液、淋巴液、某些细胞分泌物中，人体常见的有IgM、IgG、IgA、IgE、IgD等，可以特异性识别结合抗原、激活补体、Fc受体、穿过胎盘和黏膜、免疫应答。补体是存在于人和脊椎动物血清和组织液中一组活化后具有酶活性的蛋白质。细胞因子是由免疫原、丝裂原或其它因子刺激细胞产生的低分子量可溶性蛋白质，可以调节固有免疫和适应性免疫应答。

免疫系统主要用于防御、监视、自稳。防御是识别清除外来抗原，监视是识别清楚体内突变细胞、衰老细胞、死亡细胞，自稳是调节稳定状态。

免疫应答分成体液免疫和细胞免疫，主要取决于入侵病原体种类和入侵途径。B淋巴细胞通过将抗体释放到体液参与体液免疫，T淋巴细胞激活巨噬细胞或用细胞毒杀灭受感染细胞，清除胞内病原体。

固有免疫是机体与生俱来的抵抗体外病原体侵袭、清楚体内抗原性异物的一系列防御能力，产生于发育早期，出现在宿主抗感染免疫应答初始阶段，以抗原非特异性方式识别和清除病原体。其分期是：

  1. 即刻固有免疫应答阶段(0-4h)
    • 屏障作用
    • 巨噬细胞的作用
    • 补体激活
    • 中性粒细胞的作用
  2. 早期固有免疫应答阶段(4-96h)
    • 巨噬细胞募集
    • 巨噬细胞活化
    • B-1细胞活化
  3. 适应性免疫应答诱导阶段(96h后)

固有免疫组成为组织屏障、固有免疫分子、固有免疫细胞。可以分成机械和化学屏障、炎症反应、体温反应、血脑屏障和胎盘屏障。

适应性免疫是T、B淋巴细胞接受非己物质刺激后活化 、增殖、分化成效应细胞，进而产生一系列生物学效应，具有特异性和耐受性，可以区分自己和非己，多样识别抗原，有记忆性。T淋巴细胞介导细胞免疫应答，B淋巴细胞介导体液免疫应答，过程是遭遇并识别特定抗原、淋巴细胞活化和增殖、攻击特定抗原。

免疫系统防御功能过高会过敏，过低是免疫缺陷综合症。自我稳定异常会产生自身免疫病，自我监视过强或过弱都可能导致肿瘤。

繁殖

繁殖可以分成有性生殖和无性生殖。

无性生殖只涉及一个个体，亲体不通过两性细胞结合产生后代个体。常见的有分裂生殖、孢子生殖、出芽生殖、营养生殖。

有性生殖是雌雄两个亲体的性细胞结合发育成一个新个体，保持种族的遗传特性，优点是能产生新的变异。此外，也有单性生殖等有性生殖方式。

受精是成熟的生殖细胞融合并创造出具备双亲遗传潜能的受精卵的过程，包括卵母细胞的成熟；精子获能；精卵间的接触和识别；精子入卵（配子融合和遗传物质的融合）；卵的激活。

辅助生殖技术包括人工授精和体外受精-胚胎移植及其衍生技术两类。

卵裂阶段是指通过多次的有丝分裂将大量的卵质分配到无数的较小的，具核的细胞中去，处于卵裂期的细胞也被称为卵裂球。经过卵裂，受精卵被分割成很多小细胞，这些由小细胞组成的中空球形体称为囊胚（或胚泡）。囊胚的形成标志着卵裂的结束。

发育

发育是生命现象的发展、生物有机体自我构建和组织的过程。

经过原肠作用，胚胎形成 了内胚层、中胚层和外胚层 组成的三胚层结构。

内胚层将会发育成消化系 统和呼吸系统； 中胚层会发育成肌肉、骨 骼、心脏、结缔组织、血细 胞、生殖腺和泌尿系统等； 外胚层将来发育成表皮和神经系统。

在胚胎诱导相互作用的种组织中， 产生影响并引起另一种细胞或组织分化方向变化的这部分组织称为诱导者； 而接受影响并改变分化方向的细胞或组织成为反应组织。诱导者的作用可能是激活那些对细胞分化所必需的特异蛋白质的编码基因，而反应组织则 必须具有感受性才能接受诱导者的刺激发生分化的变化。在动物胚胎的生长发育过程中，存在着大量的、连续的诱导作用，对胚胎的建成是尤为重要的。其中原肠胚的脊索中胚层诱导其上方的外胚层形成神经系统的作用，被称为初级胚胎诱导。初级胚胎诱导的产物——神经管又可作为诱导者，如神经管中的视杯，可诱导其表面覆盖的外胚层形成晶状体，这被称为次级胚胎诱导。

生长发育的晚期涉及到： ①神经系统的发育，可 以细化为两大阶段：神经系统的组织发生和神经连接的形成； ②附肢的发育； ③眼的发育； ④变态； ⑤性腺的发育和性别决定； ⑥生殖细胞的发生。

神经系统

神经系统起源于外胚层，由神经管和神经嵴分化而成，是由神经组织构成的器官系统，通常分成中枢神经系统和周围神经系统两部分。中枢神经系统包括脑和脊髓，周围神经系统分成脑神经、脊神经、植物性神经及其神经节。

中枢神经系统是由神经组织及供给营养的血管和极少量的结缔组织构成，包括神经细胞和神经胶质细胞。神经细胞是具有突起的细胞，是神经系统结构功能基本单位，有感受刺激和传到神经冲动功能。神经胶质细胞主要是对神经细胞支持、营养、保护、修复。

神经发生包括从神经干细胞增殖并经历均衡和不均衡性分裂成为定向祖细胞，并逐渐向功能区域迁移、不断发生可塑性变化并与其他神经元建立突触联系从而产生神经功能的完整过程。这一过程需要一系列细胞相互作用，在成体大脑中普遍存在。

神经元是神经系统基本结构功能单位，是有长突触的细胞，由细胞体和细胞突起构成。一个神经元包括：

根据轴突和树突数目不同，可以分成双极神经元、多极神经元、假单极神经元；根据所含神经活性物质可以分成胆碱能神经元、单胺类神经元、肽能神经元。

神经元是敏感可兴奋的细胞膜，物质运输是逆向运输，一旦受损不能被替换。神经元是神经系统基本单位，能够接受刺激产生动作电位进而传递信息，同时具有信息整合和存储的功能。

神经电信号传递方式一般分成突触传递和非突触传递。突触传递是指通过神经元突触结构完成的信号传递，进一步分成化学突触传递和电突触传递；非突触传递是前一细胞通过释放神经递质作用于较远范围。

细胞间的通讯通过释放神经递质或神经肽作用于突触后膜的受体而完成细胞间的信息传递。化学突触传递就是通常所说的经典突触传递，即突触前神经元产生的兴奋性／抑制性电信号（动作电位）诱发突触前膜释放神经递质，跨过突触间隙而作用于突触后膜，进而改变突触后神经元的电活动；在化学突触传递过程中，突触前神经元首先通过释放神经递质而将神经电信号转变为化学信号，然后携带信息的神经递质作用于突触后膜，并将化学信号再转换为电信号，所以又称为电-化学-电传递。

通过缝隙连接而产生，即两个相连的神经元各自提供一半蛋白质亚基，形成将彼此细胞质直接相连的间隙连接通道，使得两个细胞中的离子与小分子能互相交换；电介导的突触传递没有突触延迟，电突触是直接通过电耦合进行电信号传递的，突触一侧神经元的电位变化可直接通过缝隙连接通道传入另一侧的神经元，从而完成电信号的传递。相对于化学突触传递，电突触传递信号传递可靠，不易受各种因素影响，传递速度快，易于形成同步化活动。

神经胶质细胞是神经组织中除神经元以外另一大类细胞，广泛分布于中枢和周围神经系统。神经胶质细胞一般比较小，数量是神经细胞10-50倍，多分布在神经元胞体、突起以及中枢神经毛细血管的周围，对神经细胞具有支持、营养、保护、髓鞘形成以及绝缘、促进神经元再生与修复等作用。

其相互作用包括如下过程：

传感也称为感觉传导，是将感觉刺激从一种形式转化为另一种形式，通常是物理刺激被转换为动作电位并沿轴突传递到中枢神经系统加以整合。这主要依靠于感觉神经元完成。

感觉神经元也称为传入神经元，是通过其受体将特定类型的刺激转化为动作电位或分级电位的神经元，该过程称为传感。感觉神经元的细胞体位于脊髓的背神经节中。感觉信息沿着感觉神经中的传入神经纤维通过脊髓传播到大脑。刺激可以来自身体外的传感器，例如光和声，或来自体内传感器，例如血压或身体感觉。

不同类型感觉神经元有不同传感受体，影响不同种类刺激。不同来源刺激会被相应感觉神经元受体转换为电信号。根据刺激源可以分成外部传感器、本体传感器、内部传感器，分别对外部环境、身体在空间位置和姿势信息即前庭器官肌肉刺激、内脏事件信息感知。

化学传感器是特化的受体细胞，响应化学刺激，其转导内源或外部有道产生的化学物质并产生生物信号。神经细胞将神经冲动发送回大脑，位于不同组织中，大脑中也有分布。机械传感器分布在血管中、维持机体血压、感受血压变化并将信息传递给大脑，维持压力反射。光传感器是对光敏感的神经细胞，常常在视网膜中，进行光转导里产生视觉。

认知过程就是信息加工的过程，是信息输入、编码、储存、提取、输出的过程。大脑信息输入是指外界环境中的刺激作用于人的感觉器官之后，感受器将外部刺激转化为神经冲动传向大脑，并给大脑带来信息，供大脑进行加工。睡眠是机体对环境的反应性降低，以及与环境的相互作用减弱的一种可以被轻易逆转的状态，可以分成入睡期、浅睡期、中度睡眠期、深度睡眠期。当人进入深度睡眠时，大脑神经元会长出新的突触，加强神经元之间的联系，从而巩固和加强记忆。睡眠做梦有助于学习记忆。

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