生物信息学的生物学基础东南大学生物电子学国家重点试验室.pdf

第2章 生物信息学的生物学基础 生物信息学的主要研究对象是生物分子，因而生物信息学最重要的生物学基础是分子生物学。 分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功能和相互关系科学，是人类从分子水平上 研究生命活动规律、揭开生物世界奥秘的科学，分子生物学的研究成果促进人类认识复杂的生命现 象，认识生命的本质，使人类逐步从被动地适应自然界转向积极主动地改造自然界。Sanger于1953 年首先完成牛胰岛素的氨基酸序列分析，同年Watson和Crick提出著名的DNA双螺旋结构模型，它揭 开了人们从分子水平研究生命科学的序幕，产生了分子生物学这样一门新的边缘学科。半个世纪以 来，生物科学家经过不懈的努力，赢得了20世纪自然科学伟大的革命，DNA结构、RNA在蛋白质合成 中的功能、蛋白质的结构和功能、遗传密码子及基因表达调控的本质等一一被揭示出来。 2.1细胞 各种生物体之间存在着差异，这种差异是由基因组所决定的。尽管各种生物体的基因组不一样， 但是，所有的生物体都具有一种共同的成分——细胞。细胞是组成生物体的基本单位，细胞活动是 生物活动的基础，细胞是生物体的遗传控制中心。无论是多么复杂的生物，一切生命活动都是发生 在细胞中的，生命的各种活动如生长、发育、遗传等，都是在细胞代谢的基础上实现的。 根据细胞内有无细胞核，可以将细胞分为两类，一类是原核细胞，如细菌、蓝藻的细胞。另一 类是真核细胞，如酵母细胞。原核细胞比真核细胞小，没有细胞核，结构也简单的多。核酸与蛋白 质是细胞内重要的物质。核酸是细胞内的遗传物质，它们为细胞中的其它成分编码，编码信息一般 贮存在DNA长链上。对于真核生物，DNA主要聚集在染色质上。有些病毒将遗传物质贮存在RNA上。蛋 白质是细胞生物功能的执行者。作为酶，蛋白质可以大大加快细胞内各种化学反应的速度。蛋白质 还有很多其他的功能，如蛋白质可以进行细胞内外物质的运输，蛋白质在细胞内可以充当结构支撑 物，蛋白质也是免疫系统的关键。细胞与细胞以及细胞与外界环境不断进行着物质交换和信息传递， 这些都依赖于存在于细胞表面的或跨膜的蛋白质。这种物质交换和信息传递的分子基础在整个生命 世界也是高度一致的。在后面一节中，我们将详细介绍蛋白质。 下面简述一个细胞的主要构成部分。 细胞膜和细胞壁。细胞膜又称质膜，它是细胞的表面边界，其主要构成物质是磷脂分子，而磷 脂是一种双亲分子，其中拥有磷酸基团的一端亲水，而拥有脂肪酸长链的另一端疏水。从结构上看， 细胞膜由双层磷脂构成，两层磷脂分子都是疏水端向内，亲水端向外。这样可以保护水和其他物质， 防止其流失。当然，细胞有特殊的通道与外界进行物质交换。细胞膜最重要的特性之一是半透性， 即有选择地允许物质通过扩散和主动运输等方式出入细胞，从而保证细胞的正常代谢。细胞膜有许 多功能，例如与外界进行物质交换，接受外界传导信号等。植物细胞在细胞膜之外还有细胞壁，它 是无生命的结构，其组成成分是细胞分泌的产物，其功能是保护细胞。 细胞核。细胞核是真核细胞的特征，所有真核细胞都具有细胞核。细胞核包含以染色质形式而 存在的遗传物质。染色质上有处于不同构象的DNA长链，这些DNA长链被核蛋白所包裹。一层核膜包 围着细胞核，使之与细胞的其他部分分割开。细胞核在细胞的代谢、生长和分化中起着重要的作用， 它是细胞的控制中心。细胞核内的核仁是随细胞分裂周期性产生和消失的圆形小体，核仁的中心是 核仁组织区的特定DNA片段，这是一些转录rRNA的基因。核仁实际上是rRNA合成、加工以及装配成核 糖体亚单位的场所。此外，细胞核内还有核骨架和核液等。 细胞质和细胞器。在细胞膜与细胞核之间是透明、粘稠的胞质胶状聚集体。对于原核生物，细 胞质包含一个细胞的所有物质；对于真核生物，细胞质包含除细胞核之外的所有物质，包括各种细 胞器，主要的细胞器有线粒体、叶绿体（植物细胞特有）、内质网、高尔基体以及溶酶体等。细胞 质还含有核糖体、细胞质骨架、液泡等。线粒体是细胞中的能量加工厂，是细胞呼吸和能量代谢的 中心，含有细胞呼吸所需要的各种酶和电子传递载体，可以将各种养料的潜能转化成细胞用来实现 各种活动的能量。叶绿体植物细胞特有的一种能量转换器，它是进行光和作用的中心。内质网是细 胞内的一个复杂的膜系统，具体说是由细胞内囊腔和细管彼此相连所形成的管道系统，它是蛋白质 和脂肪合成的场所。高尔基体是细胞内物质交换中心，是细胞各种分泌物的最后加工和包装的场所。 溶酶体的功能是消化从细胞外吞入的颗粒和细胞本身产生的碎渣，溶酶体内含40种以上水解酶，可 催化蛋白质、多糖