分子进化ppt教学课件
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ma分子进化基础PPT课件
▪ 如果一个群体由在这类性状方面相互无差别的个体所组 成则它将不会受到自然选择选择，导致等位基因频率随 时间而变。然而，仅仅是等位基因频率从一代到另一代 发生变化并不一定表示自然选择在起作用，别的过程例 如随机遗传漂变也能导致等位基因频率随时间的改变。
-
▪ 基因型的适合度fitness ，通常用w 表示，是一个关 于该个体的生存和增殖能力的尺度，不过由于一个 群体的大小通常受其所处环境的负载容量限制，所 以某一个体的进化成功不是由其绝对适合度 absolute fitness 而是由其与群体中其他基因型相比 的相对适合度(relative fitness)所决定的。
▪ 点阵法 ▪ 顺序距离法
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Figure 21.4
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3.4 核苷酸替换数的间接估计
▪ 在估计两序列间核苷酸替换数方面最完全的 解决可通过比较它们的核苷酸顺序而得到。 不过替换数也可从其他类型的分子数据，象 限制酶图谱或者DNA-RNA杂交得到的数据， 间接地推断出来。
▪ 对于一个要增加频率的突变型等位基因来说，必须是某 些因子而不是突变来掺入作用，这些因子包括自然选择、 随机遗传漂变、重组和迁徙。
▪ 为了认识进化的过程我们必须研究以上因子是如何影响
-
等位基因频率的变化的。
▪ 本书里我们只讨论自然选择和随机遗传漂变, 在涉及形态学性状的经典进化研究中自然选 择被看成是进化的主要驱动力量。
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▪ 前20 年时间里关于中性突变假说的激烈争论给分 子进化带来了很大影响。
▪ 首先，它导致了在考虑分子变化的进化动力学时随 机漂变的作用不容忽视这一点得到普遍承认。
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▪ 基因型的适合度fitness ，通常用w 表示，是一个关 于该个体的生存和增殖能力的尺度，不过由于一个 群体的大小通常受其所处环境的负载容量限制，所 以某一个体的进化成功不是由其绝对适合度 absolute fitness 而是由其与群体中其他基因型相比 的相对适合度(relative fitness)所决定的。
▪ 点阵法 ▪ 顺序距离法
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Figure 21.4
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3.4 核苷酸替换数的间接估计
▪ 在估计两序列间核苷酸替换数方面最完全的 解决可通过比较它们的核苷酸顺序而得到。 不过替换数也可从其他类型的分子数据，象 限制酶图谱或者DNA-RNA杂交得到的数据， 间接地推断出来。
▪ 对于一个要增加频率的突变型等位基因来说，必须是某 些因子而不是突变来掺入作用，这些因子包括自然选择、 随机遗传漂变、重组和迁徙。
▪ 为了认识进化的过程我们必须研究以上因子是如何影响
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等位基因频率的变化的。
▪ 本书里我们只讨论自然选择和随机遗传漂变, 在涉及形态学性状的经典进化研究中自然选 择被看成是进化的主要驱动力量。
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▪ 前20 年时间里关于中性突变假说的激烈争论给分 子进化带来了很大影响。
▪ 首先，它导致了在考虑分子变化的进化动力学时随 机漂变的作用不容忽视这一点得到普遍承认。
生物信息学第六章分子系统发育分析 ppt课件
姊妹群是单系类群的一种常见类 型。
• 图4-1示出树6个分类群(A-F)进 行不同划分所产生的单系、并系 和复系类群的例子。图4-1(a)中 单系类群为：{A,B}，{E，D， F｝、{C,D,E,F｝、 {A,B,C,D,E,F｝
• 图4-1 (b)中并系类群为:{C, D,E}、 {B,C,D, E, F}等
第四章 分子系统发育分析
§4.1分子进化的基本概念
• 系统发生学是进化生物学的一个重要研究领域，系统发生分 析早在达尔文时代就已经开始。从那时起，科学家们就开始 寻找物种的源头，分析物种之间的进化关系，给各个物种分 门别类。
• 经典系统发生学研究所涉及的特征主要是生物表型 (phenotype)特征，所谓的表型特征主要指形态学的(结构的) 特征，如生物体的大小、颜色、触角个数，也包括某些生理 的、生化的以及行为习性的特征。通过表型比较来推断生物 体的基因型(genotype)，研究物种之间的进化关系。但是， 利用表型特征是有局限性的。有时候关系很远的物种也能进 化出相似的表型，这是由称为趋同进化的过程造成的。
4.1.1同源性与同源性状
• 同源性(homology)是比较生物学中的一个中心概念。第3章 和第4章中已涉及序列同源性检索方面的内容。这里，将进 一步讨论有关序列同源性分析的基本概念。同源，最基本的 意义就是具有共同祖先。一般来说，如果两个物种中有两个 性状(状态)满足以下两个条件中的任意一个，就可以称这两 个性状为一对同源性状(homologous character)：
• 用表型来判定进化关系的另一个问题是，对于许多生物体很难检 测到可用来进行比较的表型特征。例如，即使用显微镜检查，也 难以发现细菌的明显特性。
• 当我们试图比较关系较远的生物体的时候，第三个问题又出现了， 即什么样的表型特征能用来比较呢？例如，分析细菌、蠕虫和哺 乳动物，它们之间的共同特征实在是少之又少。
分子进化与分子改造课件
序列比较 源于同一祖先DNA/氨基酸序列的两
条DNA/氨基酸序列，考察二者的差异。
序列差异
分子进化 以累计在DNA/氨基酸分子上的历史
信息为基础研究分子水平的生物进化过程和机制。
进化过程中分子突变的痕迹。
分子系统发育学（Molecular Phylogenetics）
分子系统学（Molecular
生物大分子进化速率相对恒定
随时间的改变主要表现为核苷酸、蛋白质一级结构的改变
不同物种同源大分子的分子进化速率大体相同，例如人与马的血
红蛋白氨基酸序列差异0.8×10-9/AA.a，人与鲤鱼0.6×10-9/AA.a
分子进化速率远远比表型进化速率稳定
生物大分子进化保守
功能重要的大分子在进化速率上明显低于那些功能不重要的
的进化速率r(t)
6、由此可以推断未知进化事件的发生时间
分子进化与分子改造课件
关于分子钟的讨论和争议
1、对长期进化而言，不存在以恒定速率替换的生物大分
子一级结构（基因功能的改变、基因数目的增加）
2、不存在通用的分子钟
3、争议
分子钟的准确性
中性理论（分子钟成立的基础）
分子进化与分子改造课件
分子进化与分子改造课件
分子进化与分子改造课件
三、分子钟
根据分子系统学研究与古生物学资料相结合，建立推论生
物进化事件发生的时间表。
假定分子进化速率r恒定，则分子进化改变量（替代数目
或替代率）与进化时间成正比。以两条序列为例：
d=2rt
其中，t是进化时间，d是这两条序列每个位点的替代数目
分子进化与系统发育.ppt[兼容模式]_图文(精)
![分子进化与系统发育.ppt[兼容模式]_图文(精)](https://img.taocdn.com/s3/m/2a354ac8c1c708a1284a4477.png)
第 6 讲分子进化与系统发育生化与分子生物学教研室郭俣第一节进化的分子基础第二节分子系统发育分析第三节系统发育树的构建及应用第一节进化的分子基础 1.1 物种进化树 Tree of Life重建所有生物的进化历史并以系统树的形式加以描述。
研究生物进化历史的途径Ø最确凿证据:生物化石缺点:零散、不完整大猩猩、直立人与智人头骨的比较图。
Ø比较形态学、比较解剖学和生理学等缺点:细节存很多的争议生物进化理论n 达尔文进化论:物竞天择,适者生存。
–进化:变异的遗传–自然选择:解释为何演变发生的机制生物是通过遗传、变异和自然选择,从低级到高级,从简单到复杂,种类由少到多地进化着、发展着。
n 中性进化论:并非所有种群中保留下来的突变都由自然选择所形成。
大多数突变是中性或接近中性,不妨碍种群的生存与繁衍。
n 分子进化论Ø1964年 , Linus Pauling 提出分子进化理论; Ø从物种的一些分子特性出发,从而了解物种之间的生物系统发生的关系。
Ø发生在分子层面的进化过程 :DNA, RNA和蛋白质分子。
Ø基本假设 :核苷酸和氨基酸序列中含有生物进化历史的全部信息。
1.2 分子进化 Molecular Evolution主要指在生物进化过程中, 构成生物体的大分子物质 , 如蛋白质、核酸的演变过程。
n 机制基因突变n 特点1. 进化速率的相对恒定性。
2. 进化的保守性。
DNA 突变基本类型缺插入 (insertion失 (deletion倒位 (inversion替代 (substitution转换颠换(transvertion 基因突变A G T CA/GC/TDNA 突变的模式替代插入缺失倒位核苷酸替代:转换 & 颠换转换 :嘌呤替代嘌呤 ,或嘧啶替代嘧啶。
颠换 :嘌呤替代嘧啶 ,或嘧啶替代嘌呤。
Ø转换发生的频率一般比颠换高。
1.2.1 中性突变 (neutral mutation 1968, , 提出分子Kimura 进化中性学说。
分子进化 ppt课件
（一）分子进化速率的恒定性
分子进化速率的恒定性是指核酸或者蛋白质等生 物大分子在进化的过程中碱基或者氨基酸发生 替换的频度，它是测定生物大分子进化快慢的 尺度，时间以年为单位。
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不同物种同类型（同源）的核酸和蛋白质大分 子，被认为有着相同的起源。研究这些大分子 一级结构的改变，检测出不同物种间大分子序 列中的核苷酸或氨基酸的替换数，再结合地质 学上有关化石方面的数据，就可以确定生物大 分子随时间而改变的速度，即分子进化速率。
（2）核酸的进化
就量的方面看，在生物进化过程中，从低级到高 级，基因的数量是逐渐增加的，因此，细胞中 的DNA含量也逐渐增加，这是总的趋势。
例外，如肺鱼和某些两栖类细胞中的DNA含量 就比鸟类和哺乳类的高出很多，主要原因是由 于出现了多倍化，或重复序列及内含子的大量 增加。
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ppt课件
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45
分子进化中性理论的意义：
分子进化中性理论揭示了分子进化的基本规律， 是解释生物大分子进化现象的重要理论。
分子进化中性理论强调遗传漂变和突变压在分子 进化中的作用，是对综合进化论的重要补充和 修正。
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中性理论承认自然选择在表型进化中的作用，同 时又强调分子层次上进化现象的特殊性。
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（四）有害突变的选择清除和中性突变的固定
在分子水平上，明显有害突变型的选择清除，中 性或轻微有害突变的随机固定比明显有利突变 型的正达尔文选择更频繁发生。这是表型进化 与分子进化的最大区别。
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三、分子进化的中性理论
基于对蛋白质和核酸分子的进化改变的比较研究， Kimura (1968)、King & Jukes (1969)、Kimura & Ohta (1971) 等提出了一个被称为“分子进化 中性论” 的理论，用以解释分子层次上的非 达尔文式进化现象。
序列的同源比较及分子系统学和分子进化分析教学课件
特点
本教学课件内容全面、结构清晰，注重 实践操作和案例分析，有助于学生深入 理解和掌握相关知识。
VS
优势
通过同源比较、分子系统学和分子进化分 析三个方面的内容，使学生对分子生物学 领域有一个全面的了解，同时提高学生的 实验操作能力和解决问题的能力。
感谢您的观看
THANKS
分子系统学与分子进化分析的关联
亲缘关系研究
分子系统学是研究生物亲缘关系和进化顺序的科学，通过比较不同物种或不同基因的分子特征，可以推断出它们 之间的亲缘关系和进化路径。
进化机制研究
分子进化分析是研究生物进化机制的科学，通过比较不同物种或不同基因的分子变异和进化速率，可以揭示生物 进化的内在规律和机制。
它基于氨基酸或核苷酸序列的相似性 比较，以评估物种间的亲缘关系和进 化历程。
序列同源比较的背景
随着生物技术的不断发展，研究人员 能够获得越来越多的基因和蛋白质序 列数据。
为了更好地理解这些数据和物种间的 关系，需要进行序列同源比较，以挖 掘更多有用的信息。
序列同源比较的意义
01
序列同源比较有助于研究物种的进化和亲缘关系。
药物研发
分子系统学研究结果可以用来寻找新的药物靶点，有助于开发出 更加有效的药物。
03
分子进化分析原理
分子进化的概念
分子进化的定义
分子进化是指生物大分子在进化过程中发生的适应性或非适应性 变化的过程。
分子进化的研究内容
主要研究生物大分子演化的规律和机制，包括DNA、蛋白质等分 子的演化过程、速度和方向等。
05
教学课件内容及安排
教学课件的主题和目标
主题
序列的同源比较、分子系统学和分子 进化分析
目标
比较基因组学与分子进化1ppt课件
4.古老蛋白塑造细菌紧凑基因组 (Science，Vol. 320. no. 5878, pp. 935 – 938，Christopher J. Cardinale，
Evgeny Nudler, 5/16/2008)
5.科学家破解根结线虫基因组 ,
<<自然—生物技术》（Nature Biotechnology），doi:10.1038/nbt.1482，
1. 全球第一张白种人基因组图谱, 7月由美国科学家公布 .
2. 中国人基因组图谱(又称“炎黄一号”)，
第一个亚洲人全基因序列图谱, 2007.11月公布,
3.恒河猴（rhesus macaque，Macaca mulatta）的基因组图谱. Science, 316: 240-243. April 2007.
•Nature，Nature 454, 955-960 ，Mansi Srivastava，Daniel S. Rokhsar,9/10/2008
7.绘制出首幅小麦基因组物理图谱
小麦的基因组不但数量多，且结构复杂，因此对其进行测序被视为“不可能完成的任 务”。小麦的染色体共含有170亿对碱基，是水稻的约40倍，是人体的约5倍，因此测 序工作进展相对缓慢。 Science，Vol. 322. no. 5898, pp. 101 - 104，Etienne Paux，Catherine Feuillet, 10/4/2008）
最新课件
5
最新课件
6
Genome project
Resourse
number
Microbial genomes 347
Fungal genome
83
Viral genome
1044
进化的分子机理PPT课件
➢生态环境十分不同的人和黑猩猩，趋异时间只有三百 万年，但它们的表型差别却远比趋异时间已有一亿多年 而生态环境相对稳定的两种蛙的差别大得多。可是在人 和黑猩猩之间很难找到氮基酸顺序有差别的蛋白质，两 种蛙之间各种蛋白质却均可发现氨基酸顺序的不同。
自然选择学说在分子水平的矛盾
➢ 自然选择学说认为：生物进化是微小变异长期选 择而产生的群体遗传定向改变的过程。
中性学说
中性基因
➢中性基因是一大类相对于显性基因而存在的遗传基 因，平时它呈休眠状态，其携带的遗传信息不显现。 但他能被一些内外因素激活显现，而当相关内外因素 消失时，它又会恢复休眠状态。
➢分子水平研究发现生物基因组中存在中性基因突变： 不同等位基因间碱基序列存在差异，但无表型选择作 用。
中性基因
✓ 生物变异： 生物变异经常、广泛的存在，与环境是否改
变无关，变异的方向是不确定的。
✓ 选择理论： 对于自然群体，种内生存竞争所产生的自然
选择是物种起源与生物进化的主要动力；
选择决定生物进化的方向，具有创造性作用
三、新拉马克学派与新达尔文学派
19世纪末以拉马克和达尔文的理论为基础分别 形成了新拉马克学派和新达尔文学派。两学派 之间争论的中心问题是生物进化的动力问题。
➢ 据此可以推测：具有适应性意义的基因，在定向 选择作用下进化速率应该比中性基因快；存在于 物种间分子水平上的差异也更大。
➢ 但现有分子水平的研究表明：中性基因往往比那 些功能上重要的基因在物种间差异要大得多。也 就是说：中性基因的进化速率比具有重要功能的 基因快。
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
自然选择学说在分子水平的矛盾
➢ 自然选择学说认为：生物进化是微小变异长期选 择而产生的群体遗传定向改变的过程。
中性学说
中性基因
➢中性基因是一大类相对于显性基因而存在的遗传基 因，平时它呈休眠状态，其携带的遗传信息不显现。 但他能被一些内外因素激活显现，而当相关内外因素 消失时，它又会恢复休眠状态。
➢分子水平研究发现生物基因组中存在中性基因突变： 不同等位基因间碱基序列存在差异，但无表型选择作 用。
中性基因
✓ 生物变异： 生物变异经常、广泛的存在，与环境是否改
变无关，变异的方向是不确定的。
✓ 选择理论： 对于自然群体，种内生存竞争所产生的自然
选择是物种起源与生物进化的主要动力；
选择决定生物进化的方向，具有创造性作用
三、新拉马克学派与新达尔文学派
19世纪末以拉马克和达尔文的理论为基础分别 形成了新拉马克学派和新达尔文学派。两学派 之间争论的中心问题是生物进化的动力问题。
➢ 据此可以推测：具有适应性意义的基因，在定向 选择作用下进化速率应该比中性基因快；存在于 物种间分子水平上的差异也更大。
➢ 但现有分子水平的研究表明：中性基因往往比那 些功能上重要的基因在物种间差异要大得多。也 就是说：中性基因的进化速率比具有重要功能的 基因快。
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
生物的起源与进化 分子进化PPT课件
（如三联体密码第三个核苷酸的替换）
2. 自然选择学说在分子水平的矛盾
自然选择学说认为：生物进化是微小变异长期选择 而产生的群体遗传定向改变过程。
据此可以推测：具有适应性意义的基因，在定向选 择作用下进化速率应该比中性基因快；存在于物种 间分子水平上的差异也更大。
但表型差异极大？ 机体的进化主要是由调节突变所决定的。
生物大分子中的进化信息
利用序列信息可以估算分子进化速率， 从而用分子进化钟 (molecular clock) 来 估算物种进化的分歧时间。 同源蛋白(或其基因)的序列进行两两比较 或多重比较，并进行差异性分析可以构 建分子水平系统进化树(evolution tree)。
血纤肽的进化很快；其作用是使血液不凝固。
同一蛋白质内，功能重要的部分进化速 率慢，功能不重要的部分进化速率快。
分子进化的机制
点突变
替换、缺失、插入、倒位
调节突变：基因的调控位点发生改变， 在适应性进化中可能起主要作用。
金 (Marie-Claire King)和威尔逊算出人和黑 猩猩的基因组只有1%的差别；
蛋白质分子中的进化信息
不同物种中同一蛋白质结构的比较
分析比较不同物种同功蛋白的组成，就可以 估计它们之间的亲缘程度和进化速度。
蛋白质进化中研究得最多的是血红蛋白和细 胞色素c的氨基酸序列差异。
各种生物和人的细胞色素c所不同的氨基酸数目
生物 黑猩猩 罗猴 袋鼠
狗 马 鸡 响尾蛇
氨基酸差别 0 1 10 11 12 13 14
某些肺鱼的C值是兽类的35~40倍
基因组大小
基因组是指细胞内所有基因的总和
在生物进化过程中，总的趋势是，高等生物 的基因组比低等生物大，所含的基因也更多。
2. 自然选择学说在分子水平的矛盾
自然选择学说认为：生物进化是微小变异长期选择 而产生的群体遗传定向改变过程。
据此可以推测：具有适应性意义的基因，在定向选 择作用下进化速率应该比中性基因快；存在于物种 间分子水平上的差异也更大。
但表型差异极大？ 机体的进化主要是由调节突变所决定的。
生物大分子中的进化信息
利用序列信息可以估算分子进化速率， 从而用分子进化钟 (molecular clock) 来 估算物种进化的分歧时间。 同源蛋白(或其基因)的序列进行两两比较 或多重比较，并进行差异性分析可以构 建分子水平系统进化树(evolution tree)。
血纤肽的进化很快；其作用是使血液不凝固。
同一蛋白质内，功能重要的部分进化速 率慢，功能不重要的部分进化速率快。
分子进化的机制
点突变
替换、缺失、插入、倒位
调节突变：基因的调控位点发生改变， 在适应性进化中可能起主要作用。
金 (Marie-Claire King)和威尔逊算出人和黑 猩猩的基因组只有1%的差别；
蛋白质分子中的进化信息
不同物种中同一蛋白质结构的比较
分析比较不同物种同功蛋白的组成，就可以 估计它们之间的亲缘程度和进化速度。
蛋白质进化中研究得最多的是血红蛋白和细 胞色素c的氨基酸序列差异。
各种生物和人的细胞色素c所不同的氨基酸数目
生物 黑猩猩 罗猴 袋鼠
狗 马 鸡 响尾蛇
氨基酸差别 0 1 10 11 12 13 14
某些肺鱼的C值是兽类的35~40倍
基因组大小
基因组是指细胞内所有基因的总和
在生物进化过程中，总的趋势是，高等生物 的基因组比低等生物大，所含的基因也更多。
分子进化分析ppt课件
Eukaryote 4
Phylograms show
Bacterium 1
branch order and
Bacterium 2
branch lengths
Bacterium 3
进化树，有分支和支长
Eukaryote 1
信息
Eukaryote 2
Eukaryote 3
Eukaryote 4
ppt课件.
homologous from analogous proteins. Syst. Zool. 19,
99–113)
ppt课件.
11
paralogs
orthologs
ppt课件.
12
ppt课件.
paralogs
orthologs
Erik L.L. Sonnhammer Orthology,paralogy and proposed classification for paralog subtypes
ppt课件.
19
系统发育树重建分析步骤
多序列比对（自动比对，手工比对） 建立取代模型（建树方法） 建立进化树 进化树评估
ppt课件.
20
系统发育树重建的基本方法
• 最大简约法(maximum parsimony,MP) • 距离法(distance) • 最大似然法(maximum likelihood,ML) • Bayes法
9
分子钟理论
从一个分歧数据可以推测其他
y
x
序列分歧度
分歧p时pt课间件.
10
直系同源与旁系同源
• 直系同源(orthologs): 同源的基因是由于
共同的祖先基因进化而产生的.
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地球上的生命有能 来自外星的一个微 生物，然后演化出 现在的世界。
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Nc=N*•fp•nLZ•fL•fI•Fs
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不管生命最初在哪颗行星上诞生，都必须解决核酸与蛋白质 之间的关系。最有可能的情节是这样的：行星形成初期大气中富 含 HCNNH，3 并H2进,CH一4和步少聚量合的成水橙，色受的紫化外合线物的。照这射种，聚大合气物中可形自成发了转大化量成的 多肽骨架结构的前体，和包括现有生物核酸中的５种碱基。多肽 骨架结构前体下沉到地面，遇水后形成多肽，而在没有水的条件 下与碱基发生进一步聚合形成类核酸的化合物。多肽和核酸前体 大量富集后被包在脂质体内，在极其偶然的情况下， 诞生了能 进行自我复制的核酸 （可能就是一种 RNA)，而这个脂质体内的 多肽则多多少少能帮助它复制。由于脂质体能通过不断吸收脂质 的方式得到成长,并发生分裂。能自我复制的核酸分子和能生长、 分裂的脂质体，这就出现了第一个细胞。这样的脂质体不断生成， 不断融合，使得复杂程度越来越高。在接下来漫长的演变中， RNA分子结构不断发生变化， 包括互相合并等事件，诞生了一个 RNA分子能从另一个 RNA分子转录RNA的功能，进而发展出翻译出 多肽的功能，又演化好翻译出来的多肽可以反过来帮助甚至直接 进行转录和翻译其他多肽，一个细胞的雏形就诞生了。接着又是 复杂化，然后相互竞争， ………
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从蛋白质化学的角度看,
遗传密码已经得到优化
现有密码子 的计算值
• 氨基酸的突变从 其疏水指数的变 化对蛋白质的构 象的影响来看密 码子的进化程度。
复旦大学生物化学系 影响小
影响大
氨基酸的亲疏水性指数 （hydropathic index）
可以用来指示肽链局部的亲疏水程度， 以预测它在蛋白质的内部还是外部