物理生物学 第 4 章 模式系统 一沙见世界, 一花窥天堂. 手心握无限, 须臾纳永恒. 威廉·布莱克（William Blake） Copyright © 刘士勇 2012

4.1 模式系统的选择 1.研究对象适宜在实验室条件下生长 2.易于进行遗传和生化分析 3. 不能对研究者的健康造成太大的危害 4.1 模式系统的选择 1.研究对象适宜在实验室条件下生长 2.易于进行遗传和生化分析 3. 不能对研究者的健康造成太大的危害 Copyright © 刘士勇 2012

大肠杆菌作为模式系统，为我们提供了大量的关于细菌的生命过程的知识。但是, 有些现象是大肠杆菌没有的。比如：多细胞真核的有性生殖特征以及分化成多种类型的细胞形成多细胞生物。最好对于生命科学的每一个分支，选取一种或者几种模式生物。 Copyright © 刘士勇 2012

生物化学与遗传学 选择和筛选 如何收集某个表型的个体？ 如果要分离对某抗生素不明感的突变体是容易的，只要将抗生素倒入培养皿分离出活体即可。这种猎取突变体的方法称为选择。 但是由于很少能建立如此方便的生死条件，怎么办？ 对于果蝇，通过视觉检查来筛选突变体。这种方法可以处理白眼果蝇和皱皮豌豆。 当且仅当正常的大肠杆菌的乳糖利用途径完好时，他们能将无色的化学试剂(x-gal)培养基转变为蓝色产物。那么，纯白色代表突变体菌落。

条件突变体 基因的表型只在一些特定的条件下表达。 一个经典的离子是分离微生物中的热敏突变体。正常的大肠杆菌可以在10到45℃这样一个宽的温度范围内复制。细菌DNA聚合酶上的突变将会改变蛋白质的稳定性使聚合酶在低温（30℃）下实现功能而在高温（40 ℃）时不稳定，这样的细菌在低温下能繁殖。

分离细菌突变体的平皿复制法

血红蛋白分子结构和功能的研究

配体和受体相互作用的例子 用PYMOL软件演示并探索这些分子 在生命世界中，高分子的功能来源于其相互作用。

血红蛋白在红细胞中，负责细胞间氧气的主动运输。像肌肉这类组织也含有氧结合蛋白质：肌红蛋白。不同之处是血红蛋白质有4个氧结合位点，而肌红蛋白只有1个。这两种蛋白质的结构不同导致功能差别很大。从物理建模来看，我们关注的中心问题是受体与配体结合的百分比浓度与外界条件（比如温度和pH值）的函数关系。 用PYMOL软件演示并探索这两种分子的异同点。

肌红蛋白和血红蛋白摄取氧气的结合曲线

Protein-ligand interactions can all be described quantitatively in a similar fashion P + L PL The association constant: Ka = The dissociation constant: Kd = θ = [PL] [P][L] [P][L] [PL] [PL] [L] Ka (M-1) and Kd (M) reflects the affinity of the ligand to the protein. = [PL]+[P] [L]+Kd

玻尔效应

血红蛋白吸收氧的结合曲线与pH的依赖关系 推动了蛋白质结构和功能的定量模型研究。

血常规

估算：血红蛋白的数目 红细胞计数(RBC) 5x1012 个/L 血红蛋白 （HGB） 150g/L 成人身体含5L左右的血液，可以估算出25 x1012 个红细胞，750g血红蛋白 每个血红蛋白分子质量约为64kDa,由此可以得到成人体内含有7x1021 个血红蛋白 每个红细胞含 3x108个血红蛋白

4.2.2 结构生物学的起源 4.2.3 疾病的分子模型 4.2.4 协同效应和别构效应 Copyright © 刘士勇 2012

血红蛋白的结构

http://www.rcsb.org/pdb/101/motm.do?momID=41

CO can also bind to heme with much higher affinity than O2, accounting The distal His (His E7, or His64) Heme is noncovalently bound! The proximal His (His F8, or His93) CO can also bind to heme with much higher affinity than O2, accounting for its toxicity. His F8 His E7

1910年，Herrick在一位贫血患者的血液中首次发现了镰形红细胞 1949年Pauling 等在研究镰形细胞贫血时，发现患者血红蛋白电泳迁移率较正常人的血红蛋白慢，提示这种血红蛋白分子存在化学结构上差异，针对这种现象，Pauling及其合作者提出了分子病（molecular disease）的概念

1956年Ingram用实验（用胰蛋白酶把正常的血红蛋白(HbA)和镰形细胞的血红蛋白(HbS)在相同条件下切成肽段,通过对比二者的滤纸电泳双向层析谱,发现有一个肽段的位置不同。）证实，镰形细胞贫血患者的血红蛋白的一个氨基酸发生了改变。 这是β链N末端的一段肽链。也就是说,HbS和HbA的α链是完全相同的,所不同的只是"链上从N末端开始的第6位的氨基酸残基,在正常的HbA分子中是谷氨酸,在病态的HbS分子中却被缬氨酸所代替。

DNA水平 蛋白质水平 细胞水平 http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/mutations_06

血红蛋白与氧结合的过程是一个非常神奇的过程。首先一个氧分子与血红蛋白四个亚基中的一个结合，与氧结合之后的珠蛋白结构发生变化，造成整个血红蛋白结构的变化，这种变化使得第二个氧分子相比于第一个氧分子更容易寻找血红蛋白的另一个亚基结合，而它的结合会进一步促进第三个氧分子的结合，以此类推直到构成血红蛋白的四个亚基分别与四个氧分子结合。而在组织内释放氧的过程也是这样，一个氧分子的离去会刺激另一个的离去，直到完全释放所有的氧分子，这种有趣的现象称为协同效应。

血红蛋白病的地理分布 http://www.xxmu.edu.cn/yxycxwl/course/09/09-02.htm

4.3 噬菌体 4.3.1 分子生物学的兴起 噬菌体有时被称为“生物学的氢原子” ---Max Delbruck Copyright © 刘士勇 2012

T2(大）和Φ29(小）噬菌体的电子显微镜照片

赫希-蔡斯实验 A 对于噬菌体核酸被标记的情形，在感染的细胞中发现放射性的磷原子 B对于噬菌体蛋白质被标记的情形，感染细胞中没有放射性

赫希-蔡斯实验确认了遗传物质的本质，阐明了病毒DNA进入细胞的机制。

Nature 451, 139 (10 January 2008)  Obituary: Seymour Benzer (1921–2007) David Anderson1 & Sydney Brenner1 Seymour Benzer (1921–2007) Neuron 57, January 10, 2008 Yadin Dudai PLoS Biol 2008 Seymour Benzer 1921–2007 The Man Who Took Us from Genes to Behaviour William A. Harris Seymour Benzer with a Drosophila model, 1974 Science 4 January 2008 Seymour Benzer (1921-2007) Yuh-Nung Jan （詹裕农） and Lily Jan*（叶公杼） Genetics. 2008 A Tribute to Seymour Benzer, 1921–2007 Nancy M. Bonini Current Biology Vol 18 No 3 Seymour Benzer 1921–2007 Ralph J. Greenspan

Benzer T4噬菌体的实验证明DNA序列和蛋白质序列的共线性假说 受Benzer实验启发，布伦纳(Brenner)和克里克认识到这些方法可以回答基本的密码问题：遗传密码是由三联体密码子构成的吗？乔治·伽莫夫

野生型基因 插入碱基 删除碱基 插入碱基，删除碱基

细菌细胞 细菌病毒的生活方式

4.3.2 现代生物物理学的兴起 当一个模式系统的用处似乎被挖掘完时，它却像凤凰一样浴火重生，出现新的内容，提供解释某些新现象的模型基础。 Copyright © 刘士勇 2012

结构生物学家成功地结晶并测定病毒的某一部分或整个病毒的结构。 单分子生物物理学的兴起使得对病毒的生命周期研究成为可能。 关于分子马达的许多单分子研究是在噬菌体的马达上进行的。 Copyright © 刘士勇 2012

聚焦激光束 显微载物片 物镜 光镊示意图 激光束

单分子分析噬菌体DNA的包装。噬菌体分子马达抵抗外力将病毒基因组拉进衣壳。

利用T7噬菌体的RNA聚合酶对转录过程进行单分子研究，可以测量RNA聚合酶产生的力

4.4 大肠杆菌 4.4.1 细菌和分子生物学 4.4.2 大肠杆菌和中心法则 Copyright © 刘士勇 2012

1980年，保罗.伯格在诺贝尔演讲中说：“直到最近一些年，我们所知的基因结构、组织和功能的分子细节多数是对原核生物及其寄生的病毒，特别是对大肠杆菌和T或者λ噬菌体的研究中得到的。” 第2章描述了大肠杆菌的结构，第3章描述了一些参与生命周期的关键过程。

下一张图显示了4.6Mb基因组。 可以估算出大肠杆菌基因组编码4600个蛋白质，基因组测序表明实际上基因数目为4435个，其中4131个编码蛋白质，168个编码RNA，其他的似乎没有功能。

大肠杆菌的环形基因组 3-（3-羟苯基）丙酸降解 氰酸盐的利用 半乳糖苷乙酰转移酶 乳糖通透酶 半乳糖苷酶 乳糖阻遏蛋白

lacI （pdb 1LBH) ： 乳糖阻遏蛋白质分子 lacZ (pdb 1BGL) beta-半乳糖苷酶：负责消化乳糖 lacY (pdb 1PV7) 构建可以通透乳糖的细胞膜孔 lacA (pdb 1KRV) 一种将乙酰CoA的乙酰基转移到糖上面的酶； CoA即辅酶A，是一种可粘连乙酰基的小分子载体 启动子：转录前RNA聚合酶结合的区域。

François Jacob Jacques Lucien Monod André Michel Lwoff 1910年2月9日－ 1976年5月31日 1902年5月8日－ 1994年9月30日 1920年6月17日－ 1965年的诺贝尔生理学或医学奖

梅塞尔森-斯塔尔实验 梅塞尔森-斯塔尔实验和半保留复制假说。

"the most beautiful experiment in biology" Matthew Meselson 1930年5月24日－ Franklin Stahl 1929年10月8日－ http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/M/Meselson_Stahl.html

实验发现：新合成的DNA的质量介于完全含15N的DNA和完全含14N的DNA之间，因此支持半保留复制假说。 样品放在CsCl的梯度中离心分离。（原理：浮力和离心机的等效引力匹配） 实验发现：新合成的DNA的质量介于完全含15N的DNA和完全含14N的DNA之间，因此支持半保留复制假说。

大肠杆菌的提取物被用来体外合成DNA，mRNA和蛋白质

4.4.3 乳糖操纵子和基因调控 Copyright © 刘士勇 2012

乳糖操纵子 指的是大肠杆菌基因组中的一个区域，包含启动子位点（在乳糖操纵子结构基因的上游与RNA聚合酶结合的位点）、操纵基因位点（乳糖阻遏蛋白在该位点结合并抑制RNA聚合酶的转录）、乳糖通透酶、转乙酰酶。 Copyright © 刘士勇 2012

葡萄糖 乳糖 操纵子开启

4.4.4 细菌的趋化性 大肠杆菌作为分析细胞运动的模式系统 Copyright © 刘士勇 2012

细菌的趋化性机制

5条特征为10微米的鞭毛

小分子与受体结合诱导信号蛋白质的磷酸化，信号蛋白质结合到马达上影响马达的力学行为。

酵母是真核生物。它有膜被细胞器，包括内质网、高尔基体和线粒体，这些大肠杆菌都没有。 4.5 酵母 酵母是真核生物。它有膜被细胞器，包括内质网、高尔基体和线粒体，这些大肠杆菌都没有。 酵母具有性，父母双方的基因组混在一起，然后重组。 酵母是真菌。比其它细菌更接近动物。 Copyright © 刘士勇 2012

4.5.1 生物化学的崛起 4.5.2 细胞周期 Copyright © 刘士勇 2012

酵母的细胞周期

4.5.3 酵母和极性 Copyright © 刘士勇 2012

酵母生长出芽位置的选择 Cdc42蛋白质是指导构建大尺度内部极化结构（如肌动蛋白质纤维）的原始信号

存在分泌缺陷的酵母细胞中的膜运输小泡的堆积现象 突变体 大量堆积 正常

酵母蛋白质相互作用网络

果蝇作为模式系统用于遗传学、发育乃至脑功能和动物行为 4.6 果蝇 4.6.1 现代遗传学的兴起 果蝇作为模式系统用于遗传学、发育乃至脑功能和动物行为 Copyright © 刘士勇 2012

标记两个不同点之间的字符串进行随机剪切来阐明变异的相关性以及基因的物理距离

现象： 摩尔根和合作者观察到携带白眼和微型翼的变异母体的后代同时包含两种变异的可能性要比携带白眼和黄色躯体的变异母体的后代同时包含两种变异的可能性小。 解释： 表达黄色躯体的基因与表达白色躯体的基因在染色体上的物理距离要比表达微型翼的基因到白眼基因近，因而在基于重组过程中被分开的概率更小。

4.6.2 果蝇与发育 Copyright © 刘士勇 2012

触角变异 双胸变异

4.7 小鼠和人 Copyright © 刘士勇 2012

小鼠基因操控

4.8 特型系统 4.8.1 特型细胞 4.8.2 乌贼巨型轴突和生物电 Copyright © 刘士勇 2012

乌贼的巨型轴突 神经细胞有稳定的跨膜电位差 Nersnt方程

轴突

传播 动作电位 电极

全血细胞计数的典型值

证明存在内含子的实验

总结 介绍了许多关键的模式分子和模式生物。 关键的模式系统：血红蛋白、噬菌体、大肠杆菌、酵母以及果蝇。 下面将会探索定量的理论和实验之间丰富的联系。

谢谢大家，希望大家以后一步一个脚印稳步前进！END