生命科学复习资料
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绪论
生命的特征：（掌握）
- 细胞是生命的基本单位（除病毒）
- 新陈代谢，生长和运动是生命的本能
- 生命通过繁殖而延续，DNA是生物遗传的基本物质
- 生物具有个体发育的经历和系统进化的历史
- 生物对外界刺激可产生应激反应并对环境形成适应性
生命科学发展背景：（了解）
- 1928-1942年，发现青霉素
- 1953年提出DNA双螺旋结构模型
- 1973年基因工程诞生
- 1997年克隆羊多莉诞生
- 2000年人类基因组计划完成
- 近30年来脑科学爆炸性的发展
基础生物学研究的主线：基因、蛋白质、细胞、发育、进化、生态研究
生命科学与工程：从显微镜的发明开始
生物体成像：磁共振成像、同位素发射计算机辅助断层成像（单光子断层成像技术和系统、正电子发射计算机断层成像）
生物芯片技术：分析生物芯片（DNA芯片、蛋白质芯片）、生物计算机和芯片实验室
材料工程与生命科学：很早之前用黄金修补牙齿和假牙的应用——第二次世界大战后聚乙烯塑料和涤纶等仿造动脉血管——用高分子聚乙烯和不锈钢制成的人工髋关节——1953年Gibbon公司制造的心肺机（人工心脏）——1982年美国犹太大学医学中心人工心脏移植
生物医学工程：神经工程及脑机交互和生物医学微系统
仿生学（仿造生命工程学）：1960年第一届国际仿生学大会召开——仿生学的正式确立、鸟类骨骼结构——发泡金属
如何在生命科学与工程领域探索和创新？（理解和应用）
- 加强跨领域知识的学习
- 把握基本概念及其内在联系
- 实践性与创新性学习
细胞及细胞工程
细胞的基本特征
细胞是生命活动的基本单位
细胞的基本共性：相似的化学组成；脂——蛋白体系的生物膜；相同的遗传装置；一分为二的分裂方式
| 生物分类 | 举例 |
|---|---|
| 原核生物 | 支原体、细菌、蓝藻 |
| 真核生物 | 真菌、动植物 |
| 古核生物 | 古细菌 |
支原体是最小最简单的细胞
细胞生物学的研究方法
细胞形态结构的观察方法（原理、应用）
光学显微镜：
- 普通复式光学显微镜
分辨率0.2μm；可以直接观察单细胞生物或体外培养细胞；观察生物组织样品通常需要进行固定、包埋、切片和染色 - 相差显微镜和微分干涉显微镜
两束光的相互干渉；非染色活细胞 - 荧光显微镜
激发滤光片的短波长的激发光照射荧光分子产生荧光；用于观测荧光标记的物质 - 激光扫描共聚焦显微镜
荧光显微镜加强版，聚光镜和物镜同时聚焦到同一点上，再利用激光扫描装置和计算机高速采集与处理汇聚信息，形成清晰的二维图像
电子显微镜：使用了波长更短的电子束作为光源
- 超薄切片技术
因电子束的穿透能力有限，需要包埋到特殊的介质中，以更好地保存细胞的精细结构 - 负染色技术
使用重金属盐对铺展在载网上的样品进行染色 - 冷冻蚀刻技术
包括冰冻断裂和蚀刻复型两步，增强图像浮雕效果 - 电镜三维重构与低温电镜技术
对生物样品在不同的倾角下进行拍照，得到一系列图片再经傅立叶变换等数学处理得到大分子三维结构的电子密度图，用于分析难以形成三维晶体的膜蛋白和复合体的三维结构 - 扫描电镜技术
电子束被磁透镜汇聚成极细的电子探针，激发样品表面放出二次电子，由探测器收集并被闪烁器转变为光信号，得到样品表面的立体图像
扫描隧道显微镜：利用量子力学中的隧道效应，即通常在低电压下，两电极之间具有很大的阻抗，阻止电流通过，称之为势垒。两电极接近后产生隧道电流，这种现象称为隧道效应。可用于直接观察DNA、RNA和蛋白质等生物大分子及生物膜、病毒等结构。
细胞及其组分的分析方法（原理）
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用超离心技术分离细胞组分
低渗匀浆、超声波破碎或研磨等方法破坏细胞质膜，在通过差速离心分离亚细胞组分 -
细胞成分的细胞化学显示方法
通过显色剂与特殊基团特异性结合的特征，通过定位和颜色的深浅判断某种物质在细胞中的分布和相对含量 -
特异蛋白抗原的定位与定性
利用免疫学的单克隆抗体与其他一些检测手段相结合。免疫荧光与免疫电镜是最常见的研究细胞内蛋白质分子定位的重要技术- 免疫荧光技术
利用抗原抗体特异性结合与荧光标记技术研究特异蛋白抗原在细胞内分布的方法，包括直接和间接免疫荧光技术 - 免疫电镜技术
可以有效提高样品的分辨率，利用带有特殊标记的抗体与相应抗原结合，在电子显微镜下观察，标记物形成一定的电子密度而指示出相应抗原所在的部位
- 免疫荧光技术
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细胞内特异核酸的定位与定性
用标记的核酸探针通过分子杂交确定特异核苷酸序列在染色体上或在细胞中的位置的方法称为原位杂交 -
定量细胞化学分析与细胞分选技术
流式细胞术可定量地测定某一细胞中的DNA、RNA或某一特异的标记蛋白的数量，以及细胞群体中上述成分含量不同的细胞的数量，还可以用于细胞的分选
细胞培养与细胞工程
细胞培养包括原核生物细胞、真核单细胞、植物细胞与动物细胞的培养以及与此密切相关的病毒的培养
-
动物细胞的培养
体外培养的动物细胞可分为原代细胞和传代细胞，原代细胞指从机体取出后立即培养的细胞，进行传代培养后的细胞即称为传代细胞。适应在体外培养条件下持续传代培养的细胞称为传代细胞。- 贴壁培养：用浓度与活性适中的胰酶或胶原酶与EDTA（螯合剂）等将细胞连接处消化分散，给与良好的营养液与无菌的培养环境，在培养基中进行静止或慢速转动培养。但一定要加入一定量的小牛血清，这样细胞才能很好地贴壁生长与分裂
- 悬浮培养：条件比较复杂，最大优点是在有限的培养液中获得大量细胞
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植物细胞的培养
- 单倍体细胞培养：用花药在人工培养基上进行培养。
- 原生质体培养：用植物的体细胞（二倍体），先经纤维素酶处理去掉细胞壁，得到原生质体。原生质体在无菌培养基中可以生长分裂，经过诱导分化最终长成植株。
细胞工程：包括细胞培养、细胞分化的定向诱导，细胞融合和显微注射等。
- 细胞融合与单克隆抗体技术
两个或多个细胞融合成一个双核或多核细胞的现象称为细胞融合。介导时常用的促溶剂有灭活的病毒（如仙台病毒）或化学物质（如聚二乙醇，PEG）。植物细胞融合时还要先用纤维素酶去掉细胞壁，然后才便于原生质体融合。20世纪80年代又发明了电融合技术，施加高压电脉冲处理使其融合。
基因型相同的细胞形成的融合细胞称为同核体，基因型不同的细胞形成的融合细胞称为异核体。种间异核体也可有繁殖能力。杂交细胞在培养过程中会发生染色体丢失现象。
应用：创造新物种（白菜-甘蓝）、单克隆抗体技术（小鼠的骨髓瘤细胞与小鼠脾细胞（B淋巴细胞）在聚乙二醇或灭活病毒的介导下融合） - 显微操作技术与动物的克隆
细胞拆合就是把细胞核与细胞质分离开来，然后把不同来源的胞质体和核体相互结合，形成核质杂交细胞。- 物理法：用机械方法或短波光去掉细胞核或使之失活，然后用微吸管吸取其他细胞的核，注入去核的细胞质中，组成新的杂交细胞。这种核移植必须用显微操纵仪进行操作。
- 化学法：用细胞松弛素B处理细胞，细胞出现排核现象，再结合离心技术，将细胞拆分为核质体与胞质体两部分。
细胞及生物大分子的动态变化
- 荧光漂白恢复技术
先用高能激光束照射细胞，淬灭荧光分子，得到光漂白区，然后非漂白区的荧光分子向光漂白区迁移，称为荧光恢复。 - 单分子技术与细胞生命活动的研究
常见的方法用光镊，磁镊和原子力显微镜。
原子显微镜通过激光反射检测微悬臂梁的弯曲形变来间接测量 - 酵母双杂交技术
利用单细胞真核生物酵母 在体内分析蛋白质之间的相互作用 - 荧光共振能量转移技术
- 在一定波长的激光照射下，只有供体分子的基团A发光
- 供体与受体结合，发生能量转移，受体分子的基团B发光
- 放射自显影技术
利用放射性同位素的电离射线对乳胶（含AgBr或AgCl）的感光作用对细胞内的生物大分子进行定性、定位和半定量研究
妈耶，一不小心Ctrl+W把几个小时写的东西全删了，算了不补了
真香！
再生医学与组织工程
再生医学
概念：通过研究机体的正常组织特征与功能、创伤修复与再生机制及干细胞分化机理，寻找有效的治疗方法，促进机体自我修复与再生，或构建新的组织与器官以维持、修复或改善损伤组织和器官功能的科学
再生医学研究的核心：干细胞
生物体能够再生的原因：干细胞的存在
干细胞是一类没有进行终末分化的细胞，能够自我更新和分化
干细胞分化潜能：
- Unipotent：只能够分化成一种细胞
- Multipotent：能够分化成几种细胞
- Pluripotent：能够分化产生除胎盘外的其他所有组织细胞
- Totipotent：能够分化产生所有细胞类型
干细胞的类型：
- 胚胎干细胞（Pluripotent）
- 诱导多能干细胞（Pluripotent）
- 成体干细胞
胚胎干细胞的特点：
- 多能性：能够分化为三胚层细胞（Pluripotent）
- 增殖能力：能够长期增殖并保持未分化状态（自我更新）
- 端粒：相比于其他干细胞，胚胎干细胞具有较高的端粒酶活性和较长的端粒，因此其他干细胞增殖能力较低
- 核型：胚胎干细胞在长期增殖后可以保持正常的核型
胚胎干细胞存在的问题：
- 伦理问题
- 免疫排斥
诱导多能干细胞的优势：
- 具有和胚胎干细胞相似的分化潜能
- 能够产生病人特异或疾病特异的诱导多能干细胞
- 非胚胎来源，无伦理争议
诱导多能干细胞面临的问题：
- 新技术（2007）
- 病毒感染的过程将基因随机插入基因组，可能导致癌症并产生其他安全隐患
- 重编程机理还不明确
成体干细胞：
- 几乎所有组织中都存在成体干细胞
- 作用：维持和修复其所在的组织
- 潜能：Multipotent
- 成体干细胞具有可塑性
组织工程
组织工程基本原理：
- 从患者或捐献者体内取出细胞
- 细胞体外扩增
- 将细胞种于三维支架材料上
- 给予细胞一定的物理和化学刺激以促进组织功能的成熟
- 将体外构建的组织植入病人体内
组织工程基本要素：
- 细胞
- 细胞外支架
- 三位组建
- 信号分子
- 血液供应
细胞来源：
- 成体的功能细胞：皮肤角质细胞、软骨细胞、血管内皮细胞
- 干细胞：成体干细胞、胚胎干细胞、诱导多能干细胞
分类：
- 自体移植（Autograft）：同一个体的移植
- 同源移植（Syngraft）：基因型一致的个体（同卵双胞胎）
- 同种移植（Allograft）：同一物种
- 异种移植（Xenograft）：不同物种
细胞外支架：
- 大多数人体细胞是贴壁依赖的，即需要黏附在一定的基质材料上才能生存
- 在体内细胞都是生长在细胞外基质中的，细胞外基质对细胞的增殖，分化，功能等基本生命活动具有重要影响
- 细胞外基质的主要成分是细胞外基质蛋白，细胞能够通过表面的受体与细胞外的基质蛋白结合，从而将自己固定在细胞外基质上
- 细胞外基质是细胞产生的，能够被细胞改造，适应组织功能的需求
神经与脑科学
中枢神经系统：脑、脊髓
周围神经系统：颅神经、脊神经
神经元：
胞体：蛋白质合成的主要部位、代谢活动的主要场所
突起：树突、轴突
神经胶质细胞：
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中枢神经系统的神经胶质细胞：
- 星形胶质细胞：维持环境稳定、代谢、保护
- 少突胶质细胞：形成髓鞘
- 小胶质细胞：吞噬功能
- 室管膜细胞：产生脑脊液
-
周围神经系统的神经胶质细胞
- 施万细胞：参与形成神经纤维髓鞘，分泌神经营养因子
- 卫星细胞：包裹神经元胞体，有营养和保护作用
生物芯片
概念：快速并且自动化的处理生物样品并对其所包含的各种生物信息进行解析的微型器件
处理生物样品+解析生物信息
分类：微流控芯片、微阵列芯片
微流控芯片
特点：利用微加工技术，在具有微流管道和腔体等结构的器件上，对微量的液体样品进行操作和分析
优势：
- 样品消耗量小，成本降低
- 高通量，快速，高灵敏度
- 集成多个步骤，自动化和便携化
微阵列芯片
特点：在常规玻片或其他基底材料上固定高密度的DNA、蛋白或者细胞点阵
优势：
- 高通量
- 操作简便
- 细胞微阵列能够对细胞进行高通量实时观察
DNA微阵列芯片：
- 基因的相对表达量
- 不同样本中差异化表达的基因
- 药物作用靶点
- 疾病易感基因
- 基因的突变情况
- 单碱基突变
- 短片段突变
DNA测序技术
- 一代测序
1977年，桑格发明双脱氧链终止法
优点：目标序列的低通量检测，准确度高 - 二代测序
2005年，高通量并行测序技术
优点：边合成边测序，降低了大规模测序的成本，加快了大规模测序的速度 - 三代测序
优点：单分子，快速，长度长，低成本测序
缺点：准确性地，仪器昂贵
桑格测序
有一个很好的演示视频：
http://smcg.cifn.unam.mx/enp-unam/03-EstructuraDelGenoma/animaciones/secuencia.swf
特点：
- 用双脱氧三磷酸腺苷终止DNA扩增反应
- 毛细管电泳分离荧光标记的不同长度的反应终止物
- 一次只能测量单个样品
步骤：
- 分离待测核酸模板，使用PCR大量扩增待测序列
- 在四只试管中加入引物、模板和4种dNTP（脱氧核苷酸）和DNA聚合酶，再分别加入4中带放射性标记的ddNTP（双脱氧核苷酸）
- 延伸引物，结合ddNTP时链延伸终止，形成一系列不同长度的DNA链
- 在毛细管中凝胶电泳， 利用放射自显影技术确定DNA序列
二代测序
特点：
- 首先对DNA进行随机片段化
- DNA片段与同一接头相连
- 在固体表面进行扩增（桥式PCR）——为了信号放大
- 直接读取每一步反应接上得到核苷酸，无需电泳分离（边合成边测序）
- 可以同时对上百万个序列进行读取
- 读长和准确率小于桑格测序
步骤：
- 桥式PCR扩增DNA序列
- 加入带有荧光标记和终止基团的核苷酸
- 带荧光标记的核苷酸链接到引物上，合成暂停，使用激光照射，记录荧光信号
- 用化学试剂淬灭荧光信号并去除终止集团，继续监测下一个碱基
桥式PCR
步骤：
- 高温下使DNA双链解离
- 将解离的单链连接到固定在基座的引物A上
- 头部弯曲与另一端引物B结合
- 延伸引物，形成双链DNA
- 高温解离双链，再连续进行扩增
- 将引物B的一段切离，只留下一侧的DNA链
- 将引物B结合，再延伸为双链DNA，扩增完毕