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天津科技大学

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《分子生物学》

教学方案

生物技术系分子生物学课程组编

课程名称：

分子生物学

授课对象：

生物技术本科生

主讲教师：

刘常金刘清岱

教学辅助：

白小佳姚秀玲

教材：

生物化学（第二版）朱玉贤李毅主编高等教育出版社

课时：

70学时

教学参考资料：

P.C.TurnerInstantnotesmolecularbiology科学出版社

辅助资料：

生物化学与分子生物学习题集王金发主编

第一章绪论（2学时）

本章重点：

1分子生物学的定义

2分子生物学发展简史

3分子生物学主要研究内容

本章难点：

分子生物学研究内容及展望

第二章核酸的结构与功能（4学时）

本章重点:

1．DNA双螺旋结构模型要点。

2．核小体的概念。

3．DNA的变性、复性及分子杂交。

本章难点：

DNA在真核细胞内的组装。

一、核酸的化学组成

基本要点：

1．核苷酸中的碱基成分

核苷酸由碱基嘌呤（A,G）嘧啶（T，C，U）

戊糖β-D-核糖，β-D-2-核糖

磷酸

2．戊糖与核苷核苷酸（脱氧核苷酸）核苷（脱氧核苷）与磷酸通过酯键结合。

3．核苷酸的结构与命名

核苷一磷酸（nucleosidemonophosphate,NMP）

核苷二磷酸（nucleosidediphosphate,NDP）

核苷三磷酸（nucleosidetriphosphate,NTP）

环腺苷酸（cycleAMP,cAMP）环鸟苷酸（cycleGMP,cGMP）

基本概念：

基本要求：

了解核苷酸的结构。

熟悉核苷酸的命名。

掌握核苷酸的化学组成。

二、核酸的一级结构

基本要点：

1．DNA和RNA的一级结构四种核苷酸或脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以3’，5’磷酸二酯键（phosphodiesterlinkage）相连形成的多聚核苷酸链或脱氧核苷酸（polydeoxynucleotides）,称为核苷酸序列（也称为碱基序列）。

脱氧核苷酸或核苷酸的连接具有严格的方向性，是前一核苷酸的３’-OH与下一位核苷酸的5’-位磷酸间形成3’，5’磷酸二酯键，构成一个没有分支的线性大分子。

DNA的书写应从5'到3'。

2．RNA与DNA的差别戊糖成分是核糖不是脱氧核糖;嘧啶为胞嘧啶和尿嘧啶而不含有胸腺嘧啶,U代替了DNA的T。

DNA和RNA对遗传信息的携带和传递是依靠核苷酸中的碱基排列顺序变化而实现的。

基本概念：

核酸的一级结构。

基本要求：

熟悉DNA与RNA的区别。

掌握核酸的一级结构。

三、DNA的空间结构与功能

基本要点：

1．DNA的二级结构——双螺旋结构模型

ＤＮＡ的双螺旋结构的研究背景Chargaff规则：

①腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数总是相等（Ａ=T），鸟嘌呤的含量总是与胞嘧啶相等（G=C）；②不同生物种属的DNA碱基组成不同，③同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。

ＤＮＡ双螺旋结构模型的要点

ＤＮＡ是一反向平行的互补双链结构亲水的脱氧核糖基和磷酸基骨架位于双链的外侧、而碱基位于内侧，两条链的碱基互补配对，A---T形成两个氢键，G---C形成三个氢键。

堆积的疏水性碱基平面与线性分子结构的长轴相垂直。

两条链呈反平行走向，一条链５’→３’，另一条链是３’→５’。

）。

DNA是右手螺旋结构DNA线性长分子在小小的细胞核中折叠形成了一个右手螺旋式结构（图３-7）。

螺旋直径为２nm。

螺旋每旋转一周包含了10对碱基，每个碱基的旋转角度为36°。

螺距为3.4nm；碱基平面之间的距离为0.34nm。

DNA双螺旋分子存在一个大沟（majorgroove）和一个小沟（minorgroove），目前认为这些沟状结构与蛋白质和DNA间的识别有关。

DNA双螺旋结构稳定的维系横向靠两条链间互补碱基的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持，尤以碱基堆积力更为重要。

2．ＤＮＡ结构的多样性B-DNA（Ｗatson-Crick模型结构）Z-DNAA-DNA

3．DNA的超螺旋结构DNA在双链螺旋式结构基础上,进一步折叠成为超级螺旋结构,在蛋白质的参与下构成核小体（nucleosome）,再进一步折叠将DNA紧密压缩于染色体中。

DNA的超螺旋-原核生物DNA的高级结构绝大部分原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋分子。

这种双螺旋分子还需再次螺旋化形成超螺旋结构以保证其可以较致密的形式存在于细胞内（图3-9）。

4．DNA在真核生物细胞核内的组装染色体的基本单位核小体。

核小体由DNA和组蛋白共同构成。

组蛋白分子共有五种,分别称为H1,H2A,H2B,H3和H4共同构成了核小体的核心,称为组蛋白八聚体（又称核心组蛋白）。

DNA双螺旋分子缠绕在这一核心上构成了核小体的核心颗粒（coreparticle）。

核小体的核心颗粒之间再由DNA（约60个碱基对,bp）和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成串珠样的结构（图3-10）。

在此基础上,核小体又进一步旋转折叠,形成纤维状结构及襟状结构、最后形成棒状的染色体,将近lm长的DNA分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。

DNA双螺旋分子→组蛋白八聚体→DNA双螺旋分子缠绕（核心颗粒）→串珠样的结构→维状结构及襟状结构→棒状的染色体

5．DNA的功能基因（gene）就是DNA分子中的某一区段,经过复制可以遗传给子代,经过转录和翻译可以保证支持生命活动的各种蛋白质在细胞内有序地合成。

DNA的基本功能就是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板,它是生命遗传繁殖的物质基础,也是个体生命活动的基础。

一个生物体的全部基因序列称为基因组（genome）。

基本概念：

DNA双螺旋结构、核小体

基本要求：

了解DNA双螺旋结构模型的研究背景及意义。

熟悉DNA结构的多样性及超螺旋结构。

掌握DNA双螺旋结构模型的要点及DNA的功能。

四、RNA的空间结构与功能

基本要点：

1．信使RNA的结构与功能细胞核内合成的mRNA初级产物比成熟的mRNA大得多,这种初级的RNA被称为不均一核RNA（HetergeneounuclearRNA,hnRNA）,它们在细胞核内存在时间极短,经过剪接成为成熟的mRNA并移位到细胞质（见十二章）。

成熟的mRNA由编码区和非编码区构成,它的结构特点（图3-11）如下:

大多数的真核mRNA转录后在5'-端加一个7-甲基鸟苷,同时第一个核苷酸的C'2也是甲基化的,这种m7GpppNm结构被称为帽子结构（capsequence）。

帽子结构具有促进核蛋白体与mRNA的结合、加速翻译起始速度的作用,同时可以增强mRNA的稳定性。

在真核mRNA的3'末端,有一多聚腺苷酸（polyA）结构,通常称为多聚A尾。

一般由数十个至一百几十个腺苷酸连接而成。

polyA是RNA生成后加上去的。

polyA与mRNA从核内向胞质的转位及mRNA的稳定性有关。

各种mRNA的长短差别很大,mRNA分子的长短,决定翻译的蛋白质分子量的大小。

各种RNA分子中,mRNA的半衰期最短,由几分钟到数小时不等,是细胞内蛋白质合成速度的调控点之一。

mRNA的功能是把核内DNA的碱基顺序（遗传信息）,按照碱基互补的原则,抄录并转送至胞质,在蛋白质合成中用以翻译成蛋白质中氨基酸的排列顺序。

mRNA分子上每3个核苷酸为一组,三联体密码（tripletcode）。

2．转运RNA的结构与功能转运RNA（transferRNA,tRNA）是细胞内分子量最小的一类核酸,100多种tRNA都由70至90个核苷酸构成。

tRNA的功能是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体并将其转呈给mRNA。

tRNA的结构特点:

分子中含10%~20%的稀有碱基（rarebases）。

稀有碱基是指除A、G、C、U外的一些碱基,包括双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（ψ,pseudouridine）和甲基化的嘌呤（mG,mA）等（图3-12）。

一般的嘧啶核苷以杂环上N-1与糖环的C-1’连成糖苷键,假尿嘧啶核苷则用杂环上的C-5与糖环的C-1’相连。

tRNA核苷酸中存在局部互补配对的区域,可以形成局部双链,进而形成一种茎-环样（stem-loop）结构或发夹结构。

中间不能配对的部分则膨出形成环状或襻状。

tRNA形成三叶草形（cloverleafpattern）二级结构。

分别称为DHU环和Tψ环,以及反密码环。

反密码子（anticoden）与mRNA相应的三联体密码子碱基互补。

例如负责转运酪氨酸的tRNA（tRNATyr）的反密码子5'-GUA-3'与mRNA上相应的三联体密码子5'-UAC-3'（编码酪氨酸）呈反向互补。

不同的tRNA依照其转运的氨基酸的差别,有不同的反密码子。

X射线衍射结构分析发现tRNA的共同三级结构是倒L型（图3-13b）。

倒L形三级结构中Tψ环与DHU环相距很近。

3．核蛋白体RNA的结构与功能核蛋白体RNA（ribosomalRNA,rRNA）约占RNA总量的80%以上。

rRNA与核蛋白体蛋白共同构成核蛋白体或称为核糖体（ribosome）,原核生物和真核生物的核蛋白体均由易于解聚的大、小两个亚基组成。

真核生物的核蛋白体小亚基由18SrRNA及30余种蛋白质构成；大亚基则由5S、5.8S、及28S三种rRNA加上近50种蛋白质构成（表3-3）。

真核生物的18SrRNA的二级结构呈花状（图3-14）,形似40S小亚基,其中多个茎环结构为核蛋白体蛋白的结合和组装提供了结构基础。

4．其他小分子ＲＮＡ细胞的不同部位还存在着另外一些小分子的RNA，它们分别被称为小核ＲＮＡ、小核仁ＲＮＡ、小胞质RＮＡ等。

这些小RNA分别参与hnRNA和rRNA的转运和加工。

5．核酶某些RNA分子本身具有自我催化能力，可以完成rRNA的剪接。

这种具有催化作用的ＲＮＡ被称为核酶（ribozyme）。

基本概念：

核酶

基本要求：

了解HnRNA、SnRNA等小分子RNA的功能。

掌握mRNA、tRNA、rRNA的结构特点和功能。

五、核酸的理化性质及其应用

基本要点：

1．核酸的一般理化性质核酸具有较强的酸性。

DNA是线性高分子，粘度极大，RNA分子远小于DNA，粘度也小得多。

DNA分子在机械力的作用下易发生断裂。

嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键，因此对波长260ｎｍ左右的紫外光有较强吸收。

这是DNA和RNA定量最常用的方法。

2．ＤＮＡ的变性

ＤＮＡ变性在某些理化因素作用下，DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，DNA双螺旋结构松散，变成单链。

加热是实验室最常用的DNA变性的方法。

DNA的增色效应（hyperchromiceffect）加热时，DNA双链解链过程中，内部的碱基暴露，对260nm波长紫外光吸收增加，DNA的A260增加，并与解链程度有一定的比例关系。

这种关系称为DNA的增色效应（hyperchromiceffect）。

解链曲线连续加热DNA的过程中以温度对A260的关系作图，所得的曲线（图3-15）。

从曲线中可以看出，DNA的变性从开始解链到完全解链，是在一个相当窄的温度内完成的，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50％时的温度称为DNA的解链温度（融解温度）（meltingtemprature,Tm）。

在Tm时，核酸分子内50%的双链结构被解开。

一种DNA分子的Tm值的大小与其所含碱基中的G+C比例相关，G+C比例越高，Tm值越高。

Tm值计算公式：

Tm＝69.3+0.41（%G+C），

＜20bp的寡核苷酸的Tm计算：

Tm＝4（G+C）+2（A+T）。

3．ＤＮＡ的复性与分子杂交

DNA复性变性DNA在适当条件下，分开的两条单链分子按照碱基互