日期:2020å¹´02月21日    0

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引子

新型冠状病毒肆虐,已经在家猫了一个月了,期间病毒肆虐,瘟疫四起,然后,很想了解一下病毒究竟何物,倒是看了不少的科普视频,李永乐老师、妈咪说、毕导、回形针啥的,大致理解了病毒的机理,但是涉及到很多很多基础概念,让自己摸不清头脑,于是,又找来高中的生物课,把细胞、遗传中涉及到的基础概念学习学习,便有了此篇博客。学习这玩意纯粹是好奇心和兴趣,也完全是和生活同步,应个景。

科普视频

一直想把最近看的各种不错的科普视频整理一下,终于坐下来开始捋一捋了:

  • 回形针:首推的是回形针的这个关于新冠的一切,讲的通俗易懂,条例很清晰,一如既往的冷静冷酷,把很多细节交代的很清楚,其中计算致死率的算法也帮我改进了了一下我的计算方法。另外,回形针这类科普节目的流行,极大满足了我这种好奇心比较强的人,必须给他们这个团队点赞。
  • 李永乐老师:都是就着那块熟悉的黑板进行,讲的超级清楚,必须要推荐,三个系列:细菌,给我们讲了细菌的本质,了解了这个,才可以进一步解锁病毒;然后是病毒,让我们了解病毒是如何侵入细胞的;最后是埃博拉病毒,让我们了解病毒的可怕和防止。
  • 妈咪说:真的高产,一口气就做了6期,关于微生物、病毒和防止的视频,真的是一网打尽啊,和前2个比,妈咪说的清晰易懂一点不输给他们,那么就来挨个看看微生物、冠状病毒、预防传染病、治疗冠状病毒、天花和狂犬、预测拐点。顺道说一下,妈咪说UP大神,是我非常非常喜欢的科学博主,人家主职是数学和物理,其中的复杂科学系列,最近刚刷完,讲的超级赞。

B站上的一些其他科普视频,也值得去浏览一遍,增厚自己对病毒、人体的理解:

    

最值得推荐的是一部BBC的讲细胞和病毒的纪录片《人体的奥秘之细胞的暗战》,大片的既视感,讲的很生动,好在B站上有链接,我贴两个:1,2,3

文章

生物学学习

由于前面提到,很多概念不是很了解,因此非常想找一门讲述这些基础概念的课,认真学习一下。

别说,还真找到了,就是有点长,居然是一门长达几十个小时的高中生物课,顺道吐槽一下,现在高中生物学习的内容真的是挺深的啊,我记得我高中的时候,没学过这么多生物知识啊。

这门课就是一个叫苏苏苏的B站UP主上传的课,看其本人就是一枚在读生物研究僧,这门课还是很赞的,建议对生物感兴趣的同学们,可以从头到尾听一遍,【UP主的space】,里面有3门课,分别是细胞、遗传和免疫。介老师讲的特别逗,也特别清晰,非常赞的一门课,还时不时地给孩子们灌点有毒鸡汤,非常接地气,一点不觉枯燥。

由此,也引出了我这篇博客的下篇,就是我的听课笔记。

记录这些,主要是对抗记忆的衰退,提纲挈领的写下听课的笔记,方便未来自己回忆。

分子生物

第一部分,主要讲细胞结构、细胞的有机生物构成等知识。

细胞中的元素和化学物

蛋白质

蛋白质的基本组成元素是氨基酸,氨基酸都是氨基+羧(suo)基+侧链基团,中心是一个碳原子,这种通用结构。羧基就是一个变的,不同的羧基,就是不同的蛋白质。

一般带羧基的都叫XX酸,再加上有个氨基,所以,这玩意叫$\color{red}{氨基酸}$。

生物中的氨基酸有20种,有一类是咱身体自身可以合成的,需要从外界摄取,叫必需氨基酸,有8种,谐音是“笨蛋来宿舍凉一凉鞋”,“苯、蛋、赖、苏、色、亮、异亮、缬”。

生物大分子:是指细胞内存在的蛋白质、核酸、多糖这些大个的分子,大概有几千到几十万个原子组成。但是,脂肪和葡萄糖不是大分子。生物大分子,都是以若干个碳原子构成的碳链作为基本骨架的。

两个氨基酸,的羧基,结合,脱掉一个水分子,然后他俩就结合到一起了,术语叫“脱水缩合”,这个结合叫$\color{red}{肽键}$,2个氨基酸结合叫二肽,10个叫十肽。

一个蛋白质分子,是由一条或者多条肽链,折叠而成。“蛋白质就是氨基酸脱水折叠而成”。

这样,不同的氨基酸组合,排列顺序,空间结构不同,所以,蛋白质种类无数。

蛋白质,会变性,就是“死了”,没有生化功能了,比如鸡蛋煮熟了,而且,是不可逆的。

蛋白质含氮量大概是16%,早起用含氮量来看蛋白质含量,所以,才会出现当年三聚氰胺添加到奶里增加蛋白质检验指标数的丑闻。

蛋白质:组成组织,催化(其实就是酶,酶就是蛋白质),激素也是蛋白质,还可以运输(马达蛋白、血红蛋白)。

不过酶和激素不一样,酶是细胞内用,是催化剂;激素是跑遍全身的,是有腺体产生的,他就是直接的生化参与元素,也不一定都是蛋白质,也可能是胺、脂类等。

第一个人工合成的蛋白质,是中国合成的人工胰岛素,1965年。

核酸

核糖核酸:RNA,主要在细胞质里面,是由核苷酸组成。

脱氧核糖核酸:DNA,主要在细胞核里面,是由脱氧核糖核苷酸组成。为啥叫脱氧呢,是五碳糖2号位置少了一个氧原子,所以叫“脱氧”。

核苷酸是由:磷酸基团 + 五碳糖 + 含氮碱基,组成。脱氧核糖是2号位少一个氧。

变化的就是含氮碱基,一共有5种:(所以有5种核苷酸、脱氧核苷酸)

  • 腺嘌呤A
  • 胞嘧啶C
  • 鸟嘌呤G
  • 胸腺嘧啶T
  • 尿嘧啶U

RNA只有ACGU,DNA只有ACGT。

所谓DNA,其实就是由脱氧核糖核酸们双螺旋链接,并且包裹上蛋白质形成的一条长链。DNA是双链的,每个链都是由脱氧核糖核酸组成,通过3’-5’磷酸二酯键连接到一起。两条链中间是靠碱基之间的氢链链接。只能是AT,CG组合,AT是2对氢键,CG是3对氢键。

RNA是单链的。

糖和脂质

糖

有机糖,有五碳糖和六碳糖,五碳糖就是核糖和脱氧核糖;其他的糖是六碳糖(葡萄糖、果糖、半乳糖),他们都是一个糖类分子。

常见的糖:

蔗糖:二糖,是由葡萄糖和果糖,缩水而成。

乳糖、麦芽糖、阿斯巴甜(无糖可乐成本)、肝脏里的糖原。

糖的种类:单糖、二糖、多糖。

糖、蛋白质、脂肪可以别氧化功能,先消耗糖,不足之后是脂肪,最后是蛋白质。

二糖(两个一元糖组成):麦芽糖(2个葡萄糖),蔗糖(果糖+葡萄糖),乳糖(葡萄糖+半乳糖)。

多糖:多个葡萄糖组合而成,组合结构不同,形成淀粉、糖原、纤维素。

脂质

脂质:有三种,a、脂肪,b、磷脂,c、固醇(胆固醇,性激素,维生素D)

脂肪:就是CHO3个元素组成。是由甘油,链接3条脂肪酸链,也叫“甘油三酯”。

饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸,都是脂肪,区别在于脂肪酸组成链的时候,链上的碳C是双链的是不饱和脂肪酸,如果是碳碳之间是单链的是饱和脂肪酸,不饱和脂肪酸可以降低胆固醇,是好油。

橄榄油中不饱和脂肪含量高,不过别搞错,它还是含有很多饱和脂肪酸的,所以也不能多食。

磷脂:由CHONP5个元素组成。

它用来构成细胞膜,他是由甘油,链接2个脂肪酸链,第3个,链接磷酸基团和其他基团。

固醇:也是CHO3元素组成。有3类:

  • 胆固醇:细胞膜组成成分,还参与血液中脂类运输,
  • 性激素:促成生殖细胞形成,促进性器官发育。
  • 维生素D:促进人和肠道对钙和磷的吸收。

血管内壁破损后,糖、脂肪就会沉积在破口处,堵塞血管,所以,要降低胆固醇,说白了就是少让他往那里搬运脂肪。

体检的时候,会查低密度脂蛋白和高密度脂蛋白。低密度脂蛋白,这种不好,他负责往血液里运胆固醇,他是“坏”指标;而另外一种高密度脂蛋白,他是负责把胆固醇运到肝脏里消化掉,是“好”指标。

细胞中的无机物

æ°´

结合水:固化在细胞中的水。

自由水:可以自由流动,游离在体内。

无机盐

占身体的1%。

渗透压,就是溶质分子和水分子高低,导致的内外向水分子或者溶质分子的流动。

细胞膜

是由磷脂组成,但是还包含了一些蛋白质,可以通过浓度差,把一些小分子颗粒渗透进来,叫做被动传输;也可以由atp提供能量,做主动传输,可以把外面低浓度的东西,通过蛋白质当载体,运输到细胞内部来。

结构化学,极性分子

细胞内外的静息电位

差速离心法:分离各种细胞器。

细胞器

细胞膜(城墙)

细胞核(市政府)

细胞质(城市空地)

叶绿体(太阳能发电站)

线粒体(发电厂):跟个大米粒一样,类似个供电站,动物植物细胞都有,里面有酶,细胞有氧呼吸产生能量,

内质网:糙内质网合成蛋白质,光内质网合成脂质

高尔基体:也可以造蛋白,和多糖。

核糖体(养殖场):无模结构,内质网上附着的核糖体合成分泌蛋白(就是要排出细胞的蛋白),游离在细胞质中的核糖体合成细胞内蛋白

液泡(粮仓):植物细胞中的一个大水泡,跟细胞质不是一码事,有渗透吸水有关,有机物无机物都有

溶酶体(垃圾场):吞噬衰退老的细胞器,病毒和细菌

中心体:动物和低等植物有,跟有丝分裂油管

细胞骨架(城市框架):蛋白质的纤维组成,支撑细胞,固定各个细胞器;细胞核里面也有细胞核骨架。

蛋白质加工过程:氨基酸首先通过包吞方式进入细胞内,然后在光华内质网上被合成成蛋白质,然后通过囊泡传输给高尔基体,高尔基体加工后,再形成囊泡,然后由细胞壁通过包吐方式,传给给细胞外。

细胞核

红细胞是没有细胞核的,退化了。

细胞核控制着细胞里面的新陈代谢,新陈代谢就是细胞内的各种生物化学反应,细胞核要是没有了,就没有上面的蛋白质生成了,细胞核是总指挥。

染色质:就是变成染色体之前的形态,在分离的时候,染色质会高度螺旋,变端变粗,成为杆、棒状,然后分裂完,解开螺旋,又变成一团麻一样的染色质。所以,染色体就是染色质,只是不同时期的时候名字不一样而已。本质上就是DNA+蛋白。

核仁:合成rRNA。

细胞中的生化反应 - 酶

胃蛋白酶,消化用的,胃里的。

活化能:从低能变成容易变成容易发生化学反应的高能、活跃状态所需要的能量,催化剂可以有效降低这种活化能,酶就是一种催化剂,它也可以降低活化能。

酶的化学本质就是蛋白质, 他催化了有机化学的反应,叫“酶促反应”,他的能力叫酶的活性。

酶的催化效率非常高,远超一般的无机催化剂。

一种酶只能催化特定的一种或一类的化学反应,酶具备专一性。

ATP(三磷酸腺苷)

ATP是个蓄电池,

脂类、蛋白和糖,可以在氧化后供能,但是太慢了,直接能源物质ATP可以直接供能,更高效,

放能过程是水解后,3个磷酸变2个(ADP),并释放大量能量,

ATP←→ADP,不停循环,吸能就是ADP变成ATP,放能就是ATP变成ADP,跟个蓄电池一样。

他的能量是来自于上面提到的脂类、蛋白和糖水解,细胞可以是ATP供能,也可以是自己水解这三类物质获得,本质上,能量是来自于太阳。

所以细胞呼吸,就是有机物在细胞内进过氧化分解,生成二氧化碳或者其他产物,并且释放能量,合成ATP的过程。

有氧无氧呼吸

就是细胞在氧气和酶的作用下,把糖等有机物彻底氧化分解,产生二氧化碳和水,并释放大量能量,40%的命令都转换到ATP中,剩下的变成了热量释放了。(很高了,内燃机转化率才25%)

$ C_6H_{12}O_6+6H_2O+6O_2=6CO_2+12H_2O+energy[32 ATPs]$

解释:葡萄糖+水+氧气⇒二氧化碳+水+能量(这些能量可以合成32个ATP分子)

这个过程分为3个阶段,第2、3个阶段发生在线粒体里面,所以上面说过,线粒体是细胞的发电厂, 而且放能最多的就是在第三个阶段,是离子H和氧结合产生水的过程(细节得看老师讲的3个详细阶段,涉及到葡萄糖⇒丙酮酸⇒氢离子的那个化学反应过程)

无氧呼吸,不需要氧,不同催化剂产生酒精或者乳酸:大多数植物、酵母菌产生酒精;动物和乳酸菌、高等植物(土豆,甜菜根)产生乳酸。无氧呼吸能量产生的少。无氧转化效率是30%,70%变成热量。

锻炼减肥的时候,无氧运动,转成atp少,更多的变成热量。

B站演示动画:细胞有氧呼吸作用

光合作用

叶绿素、胡萝卜素、叶黄素,在叶子上,吸收光能,绿色是因为叶绿素不太吸收绿色,绿色都放射了,所以叶子是绿色的。

光合作用是二氧化碳+水,生成氧气,和有机物的过程。

$CO_2+H_2O^* = (CH_2O) + O^*_2$

分为2个过程:一个是在叶绿体上,需要光,主要是分解水,ATP生成;第二个阶段不需要光,也叫暗反应,在叶绿体基质中,很复杂,是一个叫华尔文过程,就是C3,C5在酶的作用下不停的转化,变成有机物的一个反复过程。

这里有个概念,植物既做光合作用,也做有氧呼吸,也就是他自己产生的氧气,自己会耗掉,所以,当光强足够强的时候,植物才对外释放额外的氧气,但是也有个光强也有个饱和点,再多的光强也不会产生额外的氧气了。

B站演示动画:光合作用

细胞增殖

有丝分裂,它先准备,时间比较长,然后再分裂,分裂很快,但是准备很久。红细胞、横纹肌细胞、神经细胞,已经分化完成,永远不会再分裂。

早期的胚胎细胞分裂走起是30分钟-75分钟,是很快的。

$\color{red}{有丝分裂}$:

DNA要严格复制,不能出错。

  • 最开始DNA还是染色质,一团乱麻,但是慢慢地,就高度螺旋化,成染色体(就是有形状了),中间有个凹陷的“着丝点”,就是连接处。
  • 然后,螺旋更强烈,然后细胞核膜分解消失,然后染色体的两头形成一种纺锤状的物质叫“纺锤丝”,就是未来的核膜,他就是细胞质中的蛋白质形成的。
  • 然后,这些”纺锤丝”拉着染色体,很整齐的形成一个“赤道板”,就是未来2个细胞的分割线。
  • 然后,“着丝点”断裂,染色体
  • 然后,然后纺锤丝逐渐消失,核膜、核仁重新形成,染色体去螺旋化然后变成乱麻状的染色质,然后再形成一个分割他们两个细胞核的细胞壁,细胞分裂完成。

上面见的是植物有丝分裂,动物的略有不同:

  • 动物细胞有一个叫中心粒的东西,他先复制一下
  • 纺锤丝是由这分裂出来的2个中心粒来形成纺锤丝的两极的

无丝分裂:低等生物,没有出现纺锤丝和染色体变化(螺旋),就是一个细胞核,拉伸断裂成2个而已。

可以去B站围观有丝分化的动画演示:

细胞分化

就是形成不同组织、器官。分化很稳定,不可逆。就是你变成啥器官细胞,肯定会持续变成,而且,肺细胞不可能再演变成胃细胞了。

胚胎期,他们的分化潜能最大,一旦慢慢长大,具有分化潜能的细胞会越来越少,能力也越来越差,比如后期的干细胞只能分裂成10种左右的器官细胞,但是早期的胚胎细胞(比如原肠胚细胞)可以分裂成200多种器官。

一旦分化了,就不可能再变成其他细胞了,定型了。但是,可以通过人为的干扰,可以让这个特性失效,让某些定型细胞重 新具备分化潜能。

不同细胞的基因表达不同了,所谓表达,就是生成不同的蛋白,我理解。

所有细胞都有的表达的基因叫“管家基因”,比如核糖体蛋白基因;特定细胞才表达的基因叫“奢侈基因”,比如血红蛋白基因,只在红细胞里面表达。

干细胞:就是那些潜能细胞,未充分分化,尚不成熟,可再生多种器官细胞,也叫“万能细胞”。

把人的体细胞核引入卵细胞,分裂出来的就是很强分化能力的细胞,进行人工干预后,可以形成各种器官,但是各国都禁止,因为伦理上认为卵细胞分化出来的就是胚胎了。然后,2006年,日本科学家,不用卵细胞了,而用普通体细胞,通过转录因子来实现,这个技术叫:IPS:诱导功能干细胞。

细胞的衰老和凋亡

细胞衰老的原因,一种是“端粒学说”,端粒是细胞DNA末端的那一段结构,每次分类,这个端粒就变少,少了以后,DAN复制就容易出错,所以细胞分裂40-50代就完蛋了。还有一种是“自由基”学说,说是带电的活跃分子,他越来越多的缘故,自由基太多容易一起癌变。

细胞凋亡是自杀,细胞器会变成小颗粒,被吞噬细胞吃掉;细胞坏死是他杀,细胞质散落,会引起炎症。

细胞的癌变:

1951年去世的好莱坞明星海拉的宫颈癌细胞,被实验室实验使用,一直用到现在,对比一般的细胞也就是50来代,不超过2个月。

癌细胞表面的糖蛋白少,不容易相互黏着,所以容易游走,也就是容易扩散。

影响癌症的有两种基因:原癌基因,是负责细胞分裂的,调节细胞周期,控制生长;抑癌基因,是抑制不正常增殖的。

遗传

孟德尔杂交实验

孟德尔第一定律:

大概意思就是说,有两种遗传因子,也就是基因,一种叫显式基因,就是可以表现出来的,一种是隐形基因,是与之相反的表现。每种都是成对出现。举个例子,显式是AA,隐式是aa,当然还有Aa这种。在形成配子的时候,就是下一代的时候,基因会分离,然后随机组合。比如AA+aa,可以成Aa。而AA+Aa,可能能AA,Aa。而Aa+Aa,可能成AA,aa和Aa。

其中AA,aa叫纯合子,Aa叫杂合子。

AA和Aa,它们表现的出来的都是A特征,a会被隐藏。当然aa肯定是表现成a。

特征是啥,其实就是高矮、胖瘦、蓝黄眼睛,成对出现的。

这玩意其实是一个排列组合的过程,AA,aa,Aa,彼此间排列组合的过程,很简单。

孟德尔就就假设了一种表征分2种。

分离定律,啥意思?就是说Aa,这样的基因,自交(啥叫自交,就是自己和自己杂交,只有植物可以,它们雌雄同体,动物做不到),然后你就发现AA,aa,Aa,各占1/3,”分离“啦。直接观察到了就是变异(也就是aa)的,占1/3。

多种性状在一起

上面讨论的都是一个性状,那多个性状在一起呢?

孟德尔研究告诉我们,一堆性状在一起的时候,各个性状对之间,互不干扰。

AABB+aabb ⇒ AaBb

AaBb + AaBb⇒

AABB() 、AaBB()、aaBB()、

AABb() 、AaBb()、aaBb()、

AAbb() 、Aabb()、aabb()

由于隐形性状ab和显性性状AB在一起的时候不表现,所以最后就会是:

AB, Ab, aB,ab 4个组合样子,比例就是9:3:3:1

这里需要说明一下,算比例不能用上面的9个算,得画一个4x4的表格,来组合AB,Ab,aB,ab他们,4x4=16=9+3+3+1

挺简单的,

这里有个细节要再说一下,我的基因是AaBb,我分裂的时候,我遗传出去的每个基因要分离(就是减半),所以,我可能分离出来4中基因,AB,Ab,aB,ab,去和另外一个性细胞他的一半去组合。

对,时刻牢记,我分裂的时候,我的基因也分为一半。

一些概念:

  • 基因型:就是究竟可以组合出几种基因,AABB,AaBB….aabb,是9种
  • 表现型:就是只看显性的,那么只有A和B
  • 配子:就是分离后的基因组合,就是AB,Ab,aB,ab,是4种
  • 分离比:就是表现形式的后代的比例

然后,就可以做数据归纳法了,就是3种基因混在一起,4种,5种…..

不过,真实世界比这个要复杂,

有的时候,Aa不是和AA一样,可能是一种新的特征,是A和a两种的融合,比如老师说的那个啥花,A是白色,a是红色,而Aa就是粉色。

也可能是A和a的组合,才一起决定一个性状等。

减数分裂

减数分裂是生殖细胞特有的,染色体复制1次,但是细胞分裂2次,整个过程是:

1、先复制染色体,1个DNA变2个

2、然后第一次分类,整个时候没有着丝点,就是简单的分开DNA,一边一个,做一次分裂

3、每个分开的细胞,再分裂一次,着丝点把一个DNA分成了一半,变成1/2的DNA了

看,分裂了2次。

卵子分裂自己的,精子分裂自己的,只有生殖细胞这样,其他细胞不这样。

母体细胞,就是完备的DNA的细胞,叫做”精原细胞“或者”卵原细胞“,

减数分裂的,1/2的DAN细胞,叫做精子、卵子。

男的精原细胞,可以不断地有丝分裂增殖,然后某一些精原细胞做减数分裂,变成精子;

而女的卵原细胞,在胚胎形成期就完成了有丝分裂,发育好后只进行减数分裂了;

所以,女人的卵子一生就定了;男人的精子可以源源不断。

同源染色体,我理解就是控制同一性状的染色体,他们俩必须要分开到配子里,

怎么控制同源染色体分开呢?说是有个”联会“的概念,就是让这些同源染色体,先两两配对,有这么一个过程。

所以,1个精原细胞,先复制染色体,(变胖了,变胖的叫四分体)然后有丝分裂,也叫第一次减数分裂,变成跟之前基因数相同,但是染色体是一半的次级精母细胞,然后它在做第二次减数分裂,变成2个精子。

所以,1个精原细胞,可以变成4个精子。

四分体的时候,会发生交叉互换,就是同源染色体会在同样位置上进行互换,交换了DNA片段。

上面是精子,那卵子呢?

卵子跟他差不多,但是,四分体第一次分裂后,会变成1个大的细胞,1个小的细胞,小的叫极体,然后极体再分裂成2个极体,而那个大的细胞,再分裂之后,变成1个小的极体,和1 个真正的卵细胞。最终那3个极体细胞会退化消失掉。

总结一下,1个卵原细胞,最终分裂成3个极体,和1个卵细胞。

B站动画演示:减数分裂全过程

受精过程

只有1个精子可以和卵子结合,这个精子识别了糖蛋白受体以后,释放出酸性水解酶(溶酶体分泌出来的),溶解掉卵细胞表面,钻入结合。

细胞核来自父母双方,但是细胞质大部分是来自于母方。

B站动画演示:女性的受精过程

遗传

萨顿假说:(他只是觉得染色体和基因相关,基因是啥,是个抽象概念,就是保持和传递性状的玩意,萨顿认为,基因的载体是染色体,但是他只是猜想,摩尔根才给出了证明)

  • 减数分裂,非同源染色体自由组合
  • 基因和染色体有相关关系

摩尔根实验:

他用果蝇做实验,8个染色体,其中有2个是控制性别的,2个是同源的,4对同源。控制性别的XX是雌,XY是雄的。

卡文迪许实验室,和DNA螺旋体模型的构建故事,诺贝尔奖的恩怨。

DNA

DNA结构

他们之间3,5位置,结合,把他们一个个接到了一起。

碱基互补原则(沙加夫规则/查克夫规则),就是AT、GC配对

DNA复制

就是拧巴在一起的2条链,被解旋酶给分开,然后利用细胞核内游离的脱氧核糖核苷酸,各自配对结合,然后DNA聚合酶再把他们的3,5位置的磷酸分子焊接(形成3’5’磷酸二酯键)到一起,组成一个新链。

一个DNA上有很多碱基对,不是每个对就是一个基因,而是一组碱基对组成一个基因,而且是线性的,就是说,连续的一段,而不是花着来的。

比如大肠杆菌,470万个碱基对,但是只有4400个基因,每个基因是1000个碱基对左右。

人大约有2-3万个基因,分布在46个(23对同源)染色体上,大概有30亿个碱基对。最大的染色体约含有2亿5千万个碱基对,最小的则约有3800万个碱基对。在基因与基因之间,会有一段可能含有调控序列和非编码DNA的基因间区段,也就说,不是所有的碱基对都属于基因,可能是没用的,只有2%的碱基对构成了基因,98%的碱基对没用。

“基因是有遗传效应的遗传片段”

DNA指导合成蛋白质

细胞核,DNA出不去,那怎么指导,在细胞质中合成的蛋白质呢?

所以需要一个信使“mRNA”, message RNA,信使RNA。

通过mRNA把DNA的遗传信息传递出去,这个过程叫“$\color{red}{转录}$”。

转录过程:

  • 首先是RNA聚合酶先找到对应的基因片段,这得费点功夫,比如人的只有2%的DNA上有遗传片段
  • RNA聚合酶找到了那段后,就给那段包裹起来,然后在罩上的这里面,偷偷的解开了双螺旋链
  • 然后在里面让RNA的组成,“核糖核酸”,注意,不是脱氧核糖核酸,而是核糖核酸,跟这些碱基对配对,不过犹豫RNA里没有T,所以T就变成了U了
  • 然后,在把这些碱基一个个的穿起来,串成1个RNA串,然后就可以吐出来了
  • 最后,RNA聚合酶,再把DNA链拉上,完好无损的

这个过程观看,观看老师课上的动画演示:16分钟开的动画演示,非常清楚。也可以观看这个转录翻译。

这些需要说明一些事情:

  • 使用的是RNA聚合酶,上面DNA复制的时候是DNA聚合酶,注意区别
  • 另外,解开DNA链,用的就是RNA聚合酶,而不是复制的时候的解旋酶了,RNA聚合酶就可以干解旋的事儿
  • DNA解开后的两条链,用来吸引其他核糖核酸的那条,叫模板链。另外那条闲着的,叫编码链。
  • DNA转录时时发生,但是DNA复制只发生在S期(间期)发生

好啦,转录完,一条RNA链就诞生了,上面可是有了DNA上的遗传密码的噢。

遗传密码

DAN合成的RNA上,是一堆的ACGU编码,这个编码可以指导合成蛋白质,可是,这一堆乱码怎么就表达合成啥蛋白质呢?这个就是所谓的遗传密码。

“克里克、马太、尼伦伯格”等科学家,一起努力,共同破解了这个神奇的编码世界。

我们知道,信使rRNA上的密码是一系列的ACGU,是一个长序列,基因编码实际上是3个一组,来进行蛋白表达的。3个碱基,对应1个密码子,3个有64种组合,但是对应20种氨基酸,所以就有一个对应密码表了,这种规则是固定的,所有生物共用这套密码本,太神奇了:

这个表里,可以看出有的是3-4种密码对1个氨基酸,有的1个密码就对一个氨基酸,

另外,密码子不重用,没有间隔,比如

ACG CGT AAC ….,

这样持续下去,中间没有间隔。

3个碱基,对应1个密码子,3个有64种组合,但是只有61个用于编码,剩下的3个是终止密码子,是为了合成蛋白的时候,终止合成,让它成为一个独立的蛋白质多肽链。

朊病毒,是一种破坏蛋白质结构的病毒,比如疯牛病,他的机理是,他感染的蛋白质,会产生结构异常,一般蛋白质的折叠结构是固定的,这种病毒可以导致折叠结构异常,从而使得蛋白质失去效用。

2019年1月21日,西北农林科技大学的徐晓东教授和他媳妇、研究生共同发现了朊病毒,引起轰动,不过这哥们一直不太受重视,匮乏科研经费,研究生甚至出去打工替补实验室,不过功夫不负有心人,终于功德圆满。

【中心法则】

所谓中心法则,其实就是讲述DNA如何通过信使RNA来合成蛋白质;不过后来科学家发现,有的病毒RNA也可以合成自己;有的病毒RNA还可以先合成一个DNA单链,然后解开,然后用单链DAN复制成双链DNA,然后织入到宿主DAN中;还有最后这个朊病毒,可以直接合成蛋白质。所以,中心法则,就变成上图的模样。

基因改变

一种是基因突变,就是DNA中某个碱基对发生改变了,比如改变了,或者多了一对,少了一对,这就会导致他在转录的时候,影响蛋白质合成。

有可能是自发突变,比如收到X光照射,收到亚硝酸、碱基类影响,被病毒织入自身DNA。大概是$10^{-5} ~ 10^{-8}$的概率。基因突变大部分都是有害的。

当然,基因变异也可能带来好处,就是生物变异,变异后,适应大自然的性状就会保留下来,也即是有这个新技能的动植物存活下来了,从而促进了生物的进化。

一种是基因重组,就是有性繁殖的时候,在减数分裂的分裂的时候,会进行同源染色体的等位基因局部互换,然后还会和其他性细胞进行合体,从而带来新的性状。

稳态调节

人体内环境

人体的体液,2/3是细胞内页,1/3是细胞外液(包括血浆、组织液和淋巴液。细胞外液也叫“内环境”)。

血浆是由:白细胞、血小板、血浆、红细胞组成。血小板和白细胞很少,主要是红细胞。

淋巴,也叫淋巴液,是在淋巴管流动的液体,生活着淋巴细胞和吞噬细胞。

血管把运送营养物质,透过毛细血管壁,进入到组织液当中,然后再进入到细胞当中;同样,细胞的代谢的废物会排泄到组织液中,然后组织液再排到血管当中个,最终由血液带出;血液和组织液是双向交换的。

不过淋巴不是双向的,是单向的,组织液中把异常蛋白质(废物)排到淋巴液里,淋巴液再排到血液里。

血液,90%都是水,8%的蛋白质,1%是无机盐。

渗透压,说的就是对水分子的吸引力,$Na^+$(钠离子)维持细胞外液渗透压起决定作用;$K^+$(钾离子)维持细胞内液渗透压起决定作用。不均衡会导致组织液或者细胞吸水,比如水肿就是这个原因。

血液的PH只在7.35-7.45之间。

呼吸的时候,肺泡获得氧气,然后氧气进入肺部的毛细血管,然后找一个红细胞,氧气钻入红细胞,然后红细胞带着他到达身体的各个部分,到达后,氧气会从红细胞中钻出,进入到血浆中,然后穿越毛细血管壁进入到组织液当中,然后再到组织内的细胞内,细胞就可以利用氧气做有氧呼吸制造ATP了。

细胞代谢后,产生的代谢废物和二氧化碳,会进入到组织液中,然后进入血液,二氧化碳会回到肺中排出,而各种废物会通过血液进入肾,通过肾小球过滤成尿液排出。

葡萄糖是在我们的消化道中被吸收的,小肠绒毛上皮细胞,然后就进入了小肠中的毛细血管,然后随着血液循环,传输给身体各个部分,然后类似氧气一样,通过组织液,最终进入到细胞内。

谷草转氨酶(GOT)心脏中活力最大,其次是肝脏;谷丙转氨酶(GPT)肝脏中活力最大;如果有病变感染,GPT散落到血液中,就会检测到,所以临床用血液中的GPT含量来判断肝脏的健康程度。

肌酐是肌肉代谢,尿酸素也是,如果这两个指标高,就表明肾有问题了,肾是无痛觉的。

神经系统

神经分为中枢神经和外周神经。中枢神经包括大脑和脊髓。而他俩扩展出来的神经网络叫外周神经系统。类比一下,就如树干与树枝。

神经中枢:指的是中枢神经中,一片区域,完成某个特定功能,比如大脑皮层的一片区域是负责语言的,就叫做“语言中枢”。

脑神经有12对,其中的”迷走神经”,属于脑神经,他分布很广,控制着所有的内脏,包括呼吸、消化、心脏等。

脊神经,控制所有的肌体,躯干和四肢,一共有31对。

“自主神经系统”,就是控制内脏运动的神经,分为交感神经,和副交感神经。交感神经是兴奋的时候占优势,一般都是脊神经发出的;副交感神经是安静的时候占优势,一般都是从大脑发出的(迷走神经就是其中的一个)。

组成神经系统的细胞,有2种,一种是神经细胞(也叫神经元),一种是神经胶质细胞。他的结构:

  • 树突:接受其他神经细胞信号的一端
  • 轴突:发送信息到其他神经元的一端,一般比较长
  • 髓鞘:就是轴突上的绝缘体,防止生物电短路。
  • 神经纤维:轴突和髓鞘合起来叫神经纤维。

“神经末梢”,就是神经的末端,分为感觉神经末梢,就是感受外部刺激的;而运动神经末梢,是控制肌肉、腺体运动的。

“神经胶质细胞”,是帮助滋养、支撑神经元的,他是起辅助作用的。

外周神经细胞可以再生,有一种叫“施旺”细胞帮助修复它们。但是中枢神经细胞是不能再生的,虽然之前的研究说是大脑的神经元不会再生,但是最近的研究发现,学习、运动可以增加海马区(记忆相关的)的神经元会增多。

兴奋,是个专有词汇,是指感受到刺激后,从静止到活跃的过程。 生物收到刺激,会产生生物电信号,然后在神经纤维上传导,这个电信号也叫神经冲动,在神经两端加上电压表可以测到的。 原因是,刺激会导致神经细胞表面的“钠钾泵”蛋白开放,他是一个主动转运的蛋白,$N^+$钠离子就会内流,这样细胞膜内就产生正点,而细胞膜就带负电了,然后和神经纤维的另外一段就产生电位差,产生生物电。 传递过去后,到了神经末梢,然后传给另外一个神经细胞,传递下去了。

可以看一下B站的动画演示,加深理解:

神经元之间,靠“突触”相连,突触是左面的神经元的末梢的突触小体,和右面的神经元的树突的结合体。 突触是二者的合体,但是,其实没有合体,中间是有间隙的,叫突触间隙。 神经信号,也就是兴奋,传导的时候,左面的神经末梢的突触小体中的突触小泡,会释放神经递质到右面的神经元里,与受体结合,并释放出信号。

大脑结构

大脑皮层,就是脑外面薄薄得一层,凹进去的叫沟,凸出的叫回。最中间的那个沟,前面的叫中央前回,后面的中央后回。中央前回控制着躯体运动,而且左右交叉。手站的面积比较大,因为触觉以及控制要求的比较多。 大脑属于高级中枢,他来管理低级中枢,也就是脊髓。

可以去B站看一下大脑的结构,了解更多:

免疫系统

$\color{red}{抗原}$:是个不好的词,就是病原体表面上的那些可以和免疫细胞受体结合的物质,这些物质其实就是蛋白质。“抗原就是进入生物体的大分子异物”。

免疫系统组成:器官、细胞、活性物质。

免疫器官包括:中枢免疫器官、外周免疫器官。 中枢免疫器官,这里是免疫细胞产生的地方,包括骨髓、胸腺(主要是产生T细胞)。 外周免疫器官,脾、淋巴、扁桃体。

骨髓中的造血干细胞,会分化出红细胞、血小板和白细胞。其中白细胞就是免疫细胞。大部分的白细胞都是骨髓产生的。

胸腺会孵化T细胞,T细胞是在骨髓中产生,但是在胸腺中成熟的。胸腺在青春期达到发育高峰,随后就逐渐退化了。

脾脏是人的血库,可以储存血液,以备失血、缺氧、运动的时候提供补充,如果血液里有病菌、抗原、异物啥的,脾脏中的巨噬细胞就会吞掉它们。还会吞噬死亡衰老的细胞,比如衰老的红细胞、血小板。

免疫细胞:就是白细胞,全部来自于骨髓的免疫干细胞,一共有5种。

  • 淋巴细胞:B细胞和T细胞
  • 中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞:个大,内含颗粒状物质
  • 单核细胞:巨噬细胞、树突状细胞

抗原呈递细胞:就是身体的异物首先被这些抗原呈递细胞(树突状细胞、巨噬细胞),检测,就相当于试纸一样,检测完的结果,会暴露在细胞的表面,然后传递给其他有杀灭能力的免疫细胞(B细胞、T细胞),这样的“检测”细胞,就是抗原呈递细胞。 他就是中介,是个检测员。

免疫活性物质:就是免疫细胞产生的,可以发挥免疫作用的物质,比如抗体、溶菌酶、细胞因子(干扰素、白细胞介素、肿瘤坏死因子)等。 其中抗体最重要,抗体是能与某种抗原结合的蛋白质,分布在全身的血清里。他和抗原一结合,就沉淀下来了,然后巨噬细胞就可以吃掉他们了。

人体本来有皮肤、粘膜,以及免疫器官的保护,但是如果人体免疫力低下,病原体继续扩散,就会触发免疫系统的第三道防线,就是免疫细胞的工作。

免疫细胞工作,一种是体液免疫,就是进入体液的病原体。过程是这样的:B细胞首先和病原接触,摸摸他的底;同事,吞噬细胞吞噬病原体,然后把病原体的抗体放到自己的表面,然后抗原呈递给辅助性T细胞,辅助性T细胞再传递给B细胞,B细胞double confirm了抗原,就开始增殖,准备大干一场了。他会分裂成,大量的浆细胞和少量的记忆B细胞,浆细胞完成病原杀灭后就消失了(消灭过程是分泌抗体,与病原结合沉淀,然后巨噬细胞吞噬),而记忆B细胞会在人体内存活很久,甚至是一辈子,这个也是你得过啥病痊愈后,就不会再轻易得的原因,因为记忆B细胞已经记住这些坏蛋了,下次再出现,立刻杀灭。

第二种,是细胞免疫,这种是病原体进入了体细胞了,而不是仅仅在体液里(血液、淋巴液),这个时候,就需要进行细胞免疫活动了。这个时候,这个细胞已经是完蛋了,叫“靶细胞”。基本过程跟体液细胞一样的,就是抗原呈递给辅助性T细胞,不过,一个额外的过程也出现,就是细胞毒性T细胞出场了,他会识别靶细胞的表面的蛋白变化,然后细胞毒性T细胞就开始活化分裂,分裂出记忆T细胞和细胞毒性T细胞,细胞毒性T细胞就开始随着身体血液扩散到全身,像警察一样,去找那些感染的细胞,然后消灭它。

过敏

有些人,在过敏原的刺激下,他们的B细胞会活化,分泌抗体,这些抗体就会吸附在消化道、呼吸道、细胞(致敏肥大细胞)表面。

内分泌

内分泌,就是内分泌腺,分泌出激素,然后进入血液循环,然后进入组织液,最终到达被作用的细胞,被作用的细胞叫靶细胞、靶器官。

内分泌,是由腺体分泌的,包括内分泌腺、外分泌腺。外分泌腺就是汗腺、胃腺、唾液腺,它们是不进入我们的身体内环境的。内分泌腺,包括垂体、甲状腺、肾上腺,它们分泌的激素,会从腺体的毛细血管出来进入血液,达到全身各处。这是用中“体液调节”。

“促胰液素”是人类发现的第一种激素,是小肠粘膜上分泌出来的促使胰腺分泌胰液的激素。

“班廷”发现了胰岛素,后来获得诺贝尔奖。

“睾酮”是睾丸内分泌的雄激素。

激素是由腺体分泌,但是一些器官表面的内分泌细胞,也可以分泌,如小肠表面。

下丘脑,有一些内分泌细胞,也可分分泌激素,促激素释放激素(催发垂体分泌垂体促激素)和抗利尿激素(促进肾小管对水的吸收,比如吃咸的时候分泌)。

垂体,分泌促激素(促发其他腺体分泌激素);和生长激素(促进蛋白质合成和骨生长),侏儒症、巨人症都是因为这个分泌混乱的原因。

甲状腺,分泌甲状腺激素,促进新陈代谢、生长发育、促进中枢神经发育,提高兴奋度。所以甲亢,就是甲状腺分泌太多,会消化过快,过于亢奋。

肾上腺,在肾脏内侧上方,分泌肾上腺素,是一种神经递质,提高机体应激能力。

卵巢,分泌雌激素、孕激素,促进生殖器官生长,生殖细胞生长。

血糖调节

人体内有两种糖原:肝糖原分解可以得到葡萄糖,肌糖原分解得不到。 脂肪也可以转换成葡萄糖。

血糖的3个来源:食物中被消化道分解吸收的、肝糖原、脂肪。 血糖的3个去处:氧化分解(通过有氧呼吸变成能量),肝糖原、肌糖原,脂肪。

胰脏中分泌2种胰岛细胞,胰岛B细胞可以降血糖,促进血糖分解,抑制肝糖原转换等;胰岛A细胞,正好想法,是促血糖的,他促进肝糖原分解和促进合成葡萄糖。

糖尿病的原因就是,体内葡萄糖太多了,超过了肾小管的“肾糖阈”。I型糖尿病是先天性缺少胰岛B细胞导致;II型糖尿病是大部分得的,是因为他们的胰岛素无法和受体结合导致的。

发烧,其实是机体自我调节过程,下丘脑会把人体的温度从37度调节到39度,这个温度利于免疫细胞活性,不利于病原体存活。烧退的时候,人体需要降温,这个时候,毛孔会打开,汗腺分泌汗液,起到挥发作用,从而降低体温。所以烧退的时候,人会大汗一场。

尿液形成

血液经过肾小球,水分和有机物质就会积累在肾小球外面的肾小囊中,形成原尿,然后经过肾小管的时候,水分会被重新收回去部分,99%的水分、葡萄糖、无机盐会被重新收回静脉,剩下的就是真正的含氮的废物。

后记

终于完成了对生物、人体、细胞一个基础的学习和了解,澄清了很多过去不太懂的概念,至少再去看一些消息、传言或者文章,很多内容应该是有一定的理解能力了,很高兴。这个过程中,也惊叹于大自然的奇妙,人体的复杂,以及前赴后继的生物学、医学上这些先辈们孜孜不倦的研究和追求,也深感自己的无知和渺小,我们始终是大自然里卑微的一个个个体,常怀有敬畏之心,虚怀若谷的不断学习。



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