《分子生物学》教案提供给学生的.docx
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《分子生物学》教案提供给学生的
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第一章绪论
一．分子生物学的含义及其研究内容：
1.分子生物学的含义：
广义：
研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规侓性和互相关系的科学，是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。
狭义：
研究范畴偏重于核酸（或基因）的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调节控制等过程。
（也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构、功能的研究）
2.分子生物学的研究内容：
（1）分子生物学的三条基本原理：
构成生物体各类有机大分子的单体在不同的生物体中都是相同的。
生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规则。
某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。
（2）研究内容：
DNA重组技术
DNA重组技术的应用前景：
用于大量生产某种在正常细胞代谢中产量很低的多肽：
如激素、抗生素、酶类、抗体等，提高产量，降低成本，使许多有用多肽得到广泛的应用。
用于定向改造某些生物基因组结构,使其具备的特殊经济价值或功能提高、扩大用于基础研究
基因表达调控研究
原核生物：
基因组、染色体结构简单。
转录、翻译在同一时间和空间内发生，调控主要在转录水平。
真核生物：
存在细胞核结构。
转录、翻译过程在时间、空间上都被隔开，且转录、翻译后存在复杂的信号加工过程。
调控：
三个水平上
信号传导研究
转录因子研究
RNA剪辑
生物大分子的结构、功能研究
又称：
结构分子生物学
研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。
研究方向：
结构的测定
结构运动变化规律
结构与功能相关关系
常用手段：
X射线衍射的晶体学（三维结构及运动规律）
三维核磁共振，多维核磁研究液相结构
二．分子生物学简史：
三．分子生物学在生命科学中的地位：
与生物化学
与微生物学
与遗传学
与细胞生物学
与发育生物学
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与生理学
其他
四．分子生物学的展望：
认识论上的重大飞跃
渗入到生物科学与相关其他学科中，使这些学科面目大为改观
本世纪的带头学科
动植物基因组的研究仍为分子生物学的重大课题
实际方面
复习题
名词解释
分子生物学，信号传导，转录因子，RNA剪辑
简答题
简述分子生物学的含义及研究内容
简述DNA重组技术的应用前景
简述真核生物基因表达调控的三个水平
第二章DNA的结构
一DNA的一级结构：
1、核酸是重要的生物大分子
根据化学成分分：
DNA脱氧核糖核酸
RNA核糖核酸
功能：
DNA：
信息分子，生物的主要遗传物质，遗传信息的储存和携带者
RNA：
参与信息的传递和表达过程，即在蛋白质生物合成中起作用。
另：
有些参
与调控基因表达和核酸合成；有些具有生物催化作用（核酶）
；RNA
病毒是遗传物质
2、基本组成
核酸
核苷酸
（碱基——戊糖——磷酸）
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核苷磷酸
（碱基——戊糖）
碱基（嘌呤、嘧啶）戊糖（核糖、脱氧核糖）
3、DNA的一级结构
（1）定义：
四种脱氧核苷酸通过3，，5，—磷酸二酯键连接成多核苷酸链，各核苷酸在多核苷酸链上的排列顺序。
（2）脱氧核苷酸之间的连接方式
二DNA的二级结构
1．DNA碱基组成
（1）碱基当量定律
A+G=T+C
（2）不对称比率
A+T/G+C比值因物种而异
2．DNA的双螺旋结构
（1）DNA的双螺旋结构模型要点
DNA
链的走向为
（窄槽）。
分子由两条反向平行的多聚脱氧核苷酸链组成，
，
，
一条链的走向5
3，另一条
3
，
，
形成大沟（宽槽）和小沟
5，两条链沿一个假想的中心轴右旋相互盘绕，
磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架分位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链
间的碱基按A=T（两个氢键），C≡G（三个氢键）配对形成碱基平面，碱基平面与螺旋纵轴
近于垂直。
螺旋的直径为20?
，相邻碱基平面的垂直距离为3.4?
，所以螺旋每隔10个碱基对（bp）重复一次，间距34?
。
（2）DNA双螺旋结构的稳定因素氢键
碱基堆积力范德华力
磷酸基的负电荷静电斥力碱基分子内能
3．DNA二级结构的不均一性、多样性
（1）DNA双螺旋结构的多态性
A-DNA、B-DNA、C-DNA、D-DNA、Z-DNA
（2）其他DNA螺旋结构回文结构
概念：
双链DNA中含有的二个结构相同，方向相反的序列称反向重复序列，又称回文结构
DNA三股螺旋
多聚嘧啶和多聚嘌呤组成的螺旋区段，在其序列中较长的镜像重复时，可形成局部三股配对并相互盘绕的三股螺旋
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三DNA的变性和复性
1．概念
（1）DNA的变性：
双螺旋DNA氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规则线团状态的过程。
（2）DNA的复性：
变性的DNA互补链在适当条件下重新缔结成双链的过程。
（3）DNA的降解：
DNA磷酸二酯键断裂的过程。
（4）增色效应：
DNA变性后，在260nm处的紫外吸收值明显增加的现象。
（5）减色效应：
DNA复性过程，在260nm处的紫外吸收值明显减小的现象。
（6）熔解温度（Tm）：
DNA的热变性过程中，260nm处的紫外吸收值的增加量达到最大增量的一半时的温度。
（7）双螺旋的呼吸作用：
双链DNA中配对碱基的氢键不断处于断裂和再生状态之中，特别是稳定性相对较低的富含A-T的区段，在微观上，常会发生瞬间的单链泡状结构，这种现象称双螺旋的呼吸作用
2．DNA的变性
Tm：
DNA中C≡G含量
溶液中离子强度
DNA组成成分
尿素、甲酰胺
3．DNA的复性
复性的条件：
足够高的离子强度
足够高的温度
影响复性速度的因素：
DNA分子的复杂性
DNA浓度
DNA片段大小
温度
溶液阳离子浓度
四DNA超螺旋结构
1、是一切DNA（环状、线状）的共有的重要特征
拓扑异构酶拓扑异构酶
负超螺旋
松弛
DNA
正超螺旋
溴乙锭溴乙锭
2、拓扑异构酶
概念：
在真核、原核生物中发现有催化双螺旋DNA的超螺旋化或者回到松弛态的酶
类，即负责DNA拓扑异构体的超螺旋与松弛态相互间的转化，反应都与链的
切断——缝合机制相关。
复习题
DNA
的一级结构，回文结构，
DNA
的变性，
DNA
的复性，增色效应，减色效应，熔解温
度（Tm），拓扑异构酶，双螺旋呼吸作用，镜像重复
总结DNA的双螺旋结构模型要点
简述在DNA热变性过程中，影响熔解温度（Tm）的因素有哪些？
简述DNA复性的两个基本要求是什么？
简述影响复性速度的因素
简述拓扑异构酶的概念、分类、特点及作用机理
第三章基因的组织与结构
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一
原核生物的基因组和基因
原核生物基因组的结构特点：
基因组小，DNA含量低
结构简练
存在转录单位
有重叠基因
二真核生物基因组及其组分
1.真核生物基因组结构特点分子量大
染色体是DNA的载体
转录、翻译存在严格空间间隔重复序列
蛋白质编码基因往往以单拷贝存在
复杂的成熟和间接过程
调控
2.DNA序列的分类非重复序列轻度重复序列中度重复序列
高度重复序列—卫星DNA
三基因家族
概念
真核生物的基因组中有许多来源相同，结构相似，功能相关的基因，这样一组或一套基因组合称基因家族。
2、分类
简单多基因家族
复杂多基因家族
发育调控的多基因家族
3、简单多基因家族
在家族中有一个或几个（数个）基因以串联方式重复排列，基因与基因之间有中度重复序列，在基因组中分散成若干基因簇，各基因含有单一转录单元和非转录区
4、复杂多基因家族
由几个相关基因家族构成，基因家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单元（存在不同形式的复杂多基因家族）
5、发育调控的多基因家族
不同组织，细胞类型，时间表达的复杂多基因家族。
四真核生物的不连续基因
1.外显子，内含子
概念
内含子：
存在于初级转录产物或基因组中的那部分核苷酸序列（非编码序列）
DNA中，但不包括在成熟
，也即初级转录产物hnRNA
mRNA、tRNA加工产生成熟
或rRNA
mRNA时
被切除的间隔序列。
外显子：
成熟mRNA或蛋白质中存在的序列（蛋白质编码序列）
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3.基因断裂结构的重要特点
外显子与内含子的可变性
外显子与内含子的连接区
五假基因
概念
在一些基因家族中，利用cDNA探针分子杂交找到若干可以杂交的同源性片段，一些在序
列上与活性基因相似，但不具备有功能，不能转录或翻译生成成熟mRNA或蛋白质，或产
生过早终止的无活性肽链，或由于错误的阅读框架形成无活性的蛋白质，这种序列称假基因。
例：
血红蛋白珠蛋白基因家族：
α家族：
移码突变或中止密码突变而不能表达，而且缺两个内含子。
碱基突变不能产生有功能的蛋白质。
β家族：
缺乏内含子剪接加工的5，共同序列。
PolyA的信号由AATAAA突变成AATGAA。
正常的起始密码子ATG为GTG所取代。
从编码第38个氨基酸开始有20个核苷酸的缺失，造成一个终止密码，使肽链提前终止。
六转位因子
1、概念
概念
一些DNA序列，能在同一细胞的不同染色体之间，或同一染色体的不同位点之间转移，且
转移不依赖于序列的同源性，在原位点上此序列不丢失，只是它的一个新拷贝插上到新的位点。
1、结构特点
1、结构特点：
在转位因子的两端，存在末端重复序列（TIR），在转位过程中至关重要。
2、结构特点：
绝大多数转位因子含有开放阅读框架（ORF），它可能编码转座酶，促进转
位因子的转位。
3、结构特点：
受体DNA上很短的一段靶序列，由于转位因子的插入，靶序列在转位因子
的两侧形成正向重复序列。
靶序列的长短对每类转位因子都是特异的。
4、识别机制：
“区域性优先”，绝大多数转位因子可以插入到染色体DNA的任何碱基序列
内，但更倾向于插入到某些特定的“靶序列”位点。
5、插入机制：
取决于DNA双螺旋状态或DNA-蛋白质的结合状况等，而不是取决于靶的
具体序列，不依赖于给体和受体序列之间的任何同源性的相互关系，即有别于DNA重
组现象。
6、每个转位因子携带自身转位所需的基因。
7、转位作用可以引起缺失和倒位，一段序列转位到新的位点，可以阻碍有关基因的转录和
翻译。
2、分类
4、转位作用的机理
复习题
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名词解释：
重叠基因，重复序列，卫星DNA，基因家族，外显子，内含子，假基因，转位
因子，插入序列
问答题
真核生物不连续基因的特点
举例说明基因家族的各种类型
根据复性动力学的研究及重复频率对DNA序列进行分类真核生物与原核生物基因组结构特点及区别
转位因子的特点
转位因子的作用机理（转位因子的转位作用与重组过程的区别，能根据图示区分两个过程及顺序）
1、IS元件整合到靶位点时发生什么？
2、一个复合转座子和一个IS元件之间的关系是什么？
3、列出一个转座子插入到一个新位点所要求的步骤？
4、分析比较细菌转座子的结构与特点？
5、比较简单转座模型和复制转座模型，指出他们的不同之处？
第四章蛋白质与DNA的相互作用
一DNA结合蛋白质的检测和纯化：
1.凝胶滞留法分析DNA结合蛋白
2.足迹法分析DNA上蛋白质结合位点
3.亲和层析分离纯化结合蛋白质
二蛋白质与DNA结合的特性
1.结合类型
与单链RNA
与茎环结构
与双链DNA的普遍结合
与双链DNA的特异性结合
2.蛋白质与DNA结合的一般规律
1、识别部位的DNA序列具有某种二度对称性，结合蛋白质分子具有二个结合位点，分别与之结合。
2、接触区：
蛋白质和DNA接触区只在DNA分子的一侧。
3、“识别螺旋”：
蛋白质分子中存在一个或几个与DNA特异性结合，此α-螺旋区内氨基酸与
α-螺旋区，某个螺旋（识别螺旋）负责
DNA特定部位的碱基接触。
4、蛋白质与DNA分子发生构象的变化，通过诱导、配合进行“相互作用”
5、稳定“相互作用”的力：
带正电荷的氨基酸残基常与DNA骨架中带负电荷的磷酸基
团形成离子键，离子键的形成不具有专一性，但可稳定相互作用。
三蛋白质与DNA的普遍结合
1.普遍结合涉及的结构因素
（1）0.7nm的重复距离
（2）对称性
2.结构模型
四蛋白质与DNA特异性识别的模型
1.普遍性结合可能是特异性识别的一个阶段
2.DNA大沟存在特异性识别的结构
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3.特异性识别中氨基酸与DNA碱基对的共平面
4.氨基酸残基与碱基对之间形成氢键
5.小沟中“二元码”识别
复习题
填空题
蛋白质与双链DNA结合的类型，。
蛋白质与DNA普遍结合的结构因素
型，，。
蛋白质与DNA结合的一般规律
蛋白质与DNA特异结合模型的特点
如何检测、纯化DNA上的结合蛋白
，
。
及类
第五章基因工程原理
一概念
1.现代生物技术：
利用微生物、哺乳动物或植物细胞等生物体系，采用先进的生物学和工程学技术，有目的、有计划、有选择地加工制造各种生物制品的新兴技术领域。
主体技术：
基因工程、蛋白质工程、细胞工程、发酵工程、酶工程
2.基因工程：
外源DNA，通过具有复制能力的载体分子（质粒、噬菌体、病毒等）形成重组
导入到不具有这种重组分子的受体细胞内，进行持久稳定的复制和表达，使受体细胞产生
外源DNA或其蛋白质分子。
DNA
分子，
构成要素：
（1）目的基因（外源
（2）载体（复制能力）
（3）受体细胞
（4）工具酶
DNA）
重要技术环节：
（1）目的基因的获得
（2）载体的制备
（3）体外构建重组载体
（4）受体的遗传转化
（5）筛选转化细胞（成败与否的关键）
第六章DNA的复制
一、DNA复制的特点
1、DNA的半保留复制
DNA复制过程中每个子代分子的一条链来自亲代
方式称DNA的半保留复制。
DNA
，另一条链则是新合成的，
这种复制
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2、复制的顺序性（起点、方向和速度）
无论原核生物还是真核生物DNA的复制主要是从固定的起始点开始，以双向等速复制的方式进行。
一个复制子只含有一个复制起点
3、DNA的半不连续复制
冈崎片段：
在半不连续复制过程中形成的短DNA片段。
前导链和后滞链：
复制叉上一股链上DNA合成总是比另一股超前一步，称前导链，则另一
条链称后滞链。
半不连续复制：
前导链的连续复制和滞后链的不连续复制（形成多个冈崎片段再转化成成熟
的DNA链）的复制方式。
二、复制的几种主要方式
1、线性DNA双链的复制
单一起点的单向复制
单一起点的双向复制
多起点的双向复制
2、环状DNA双链的复制
θ型
滚环型（δ型,成环滚环型）
D型
三、原核生物和真核生物DNA的复制过程及特点
（一）、原核生物DNA的复制过程及特点
1、复制过程：
DNA双链复制起始
复制的不断延伸
复制的终止
2、相关的酶和蛋白质
DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
引物酶和RNA聚合酶
解链酶
单链DNA结合蛋白（SSB）
依赖DNA的ATPase
DNA连接酶
旋转酶
（二）、真核生物DNA的复制过程及特点
与原核的区别：
1、真核生物是多复制子的，而原核生物一般是单复制子的。
2、真核生物染色体在全部复制完之前，各起始点上
DNA
不能开始新的复制，而快速生长
的原核生物，复制起始点可以连续开始新的
DNA
复制，表现为一个复制子，多个复制叉的
现象。
3、真核生物复制叉移动速度
50bp/s，E.coil
是其
20倍，因此人类每
30000-300000bp
就有一
个复制原点。
4、核生物
核生物
5种聚合酶，分别是聚合酶α、聚合酶β、聚合酶γ、聚合酶δ、聚合酶ε。
原
3种聚合酶，分别是聚合酶Ⅰ、聚合酶Ⅱ、聚合酶Ⅲ。
5、真核生物和原核生物在复制的主要方面相似，但在合成
RNA
引物的聚合酶种类，辅助
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蛋白，决定开始引物转录的核苷酸序列等方面有差异。
6、在调控水平上有差异。
四、DNA复制的调控
E.coli
的复制调控
原核生物细胞生长、增殖速度取决于培养条件，但不同生长速度的细胞中的
速度恒定，只是复制叉数目不同。
复制叉多少，决定复制起始频率的高低，是原核生物细胞复制调控机制，
白质和RNA
真核细胞DNA的复制调控
DNA链延伸
调控因子是蛋
3个水平
1、细胞生活周期水平调控
2、染色体水平调控
3、复制子水平调控
复习题
1、概念：
DNA的半保留复制，DNA的半不连续复制
2、DNA复制的几种形式有⑴＿⑵＿（①＿②＿③＿）
3、真核生物复制调控的水平①＿②＿③＿。
4、描述E.coli的DNA复制过程及水平。
5、真核生物及原核生物DNA复制的区别。
第七章生物信息的传递（上）
-----------
从
DNA
到RNA（RNA
的转录）
一、转录的概述
1、基因的编码链和有意义链
转录：
由RNA聚合酶催化，通过互补碱基配对合成RNA的反应。
有意义链（编码链）：
基因的DNA总是以mRNA相一致（除T与U之间差别外）的非模板
链序列来表示，非模板链称有意义链（编码链）。
反义链（模板链）：
合成mRNA的转录模板DNA称反义链（模板链）。
2、RNA聚合酶催化转录的四个阶段：
①模板的识别（启动子的选择）
启动子：
原核生物基因中进行起始反应所必要的全部序列。
②转录的起始
③延伸
④终止
3、RNA合成的基本特征
存在RNA聚合酶
底物前体
模板
RNA合成的方向
4、RNA合成的测定
5、合成RNA的酶类
原核生物RNA聚合酶
真核生物RNA聚合酶
转录复合物
一、原核生物转录阶段Ⅰ——启动子与转录起始
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1、启动子区的基本结构
，
上游：
起点前面，5末端的序列。
，
下游：
起点后面3末端的序列。
启动子内保守的共同序列：
2、启动子区的识别
3、酶和启动子的结合
4、δ因子的结合与解离
二、原核生物转录阶段Ⅱ——RNA延伸
三、原核生物转录阶段Ⅲ——转录终止
1、概念：
终止子：
转录终止的信号序列。
分类：
不依赖于ρ因子的终止子：
不需要任何辅助因子，核心酶能够在某些终止信号上完成转录的终止，又称强终止子。
依赖于ρ因子的终止子：
需要辅助因子ρ才能完成终止的整个过程。
2、依赖于ρ因子的终止
结构特点：
终止位点上游一般存在一个富含
GC碱基的二重对称区（导致
RNA产物具有一个发夹
结构）
终止位点前面有一段由
4-8
个A组成的序列（导致转录产物
3，端有一段富含寡聚U片
段）
终止过程
RNA聚合酶到达终止子位点时，发生暂停。
发夹结构茎区前一半序列与后一半序列合成后首先配对，形成
RNA的二级结构，提前
把茎区序列从
RNA-DNA
杂合配对中“吸引”出来。
RNA链生长端剩下一段寡聚
U序列还能继续与
DNA模板上的寡聚A氢键配对。
因为
为rU-dA双链十分不稳定，氢键和碱基堆积力都很弱，为
rU-dA
双链可以解开，新生RNA
从模板DNA上脱落，不需要ρ因子可以终止转录。
3、依赖于ρ因子的终止
ρ因子
结构特点：
终止位点上游一般存在一个的二重对称区（导致
RNA产物具有一个发夹结构）但含
GC碱基较少。
，
终止位点前面缺少AT组成的序列（导致转录产物
3端缺少寡聚U片段）
终止过程
，
端。
RNA合成起始，ρ因子即结合到新生RNA链5
ρ因子利用NTPase水解反应提供的能量沿RNA链向前移动。
RNA聚合酶在终止子发夹处暂停。
ρ因子赶上RNA聚合酶，并与聚合酶相互作用。
ρ因子通过与β亚基相互作用，将嵌
合于RNA聚合酶空间结构中的
RNA“拉”出来，与RNA聚合酶竞争RNA3，端（ρ因子的
两种活性，催化
NTP水解促使新生
RNA链从三元复合物中解离出来），同时促使RNA聚
合酶脱离模板
DNA，三元复合物解体，转录中止。
四、真核生物转录过程
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五、转录产物及其加工
㈠原核生物与真核生物mRNA的特征比较
⒈原核生物mRNA的特征
①原核生物mRNA的半衰期短
②许多原核生物mRNA以多顺反子的形式存在
③原核生物mRNA的5，端无帽子结构，3，端没有或只有较短的poly（A）结构。
起始密码子上游7-12个核苷酸处存在SD序列保守区,16SrNA3，端反向互补⒉真核生物mRNA的特征
，
①真核生物mRNA5端存在帽子结构
帽子结构的功能
帽子结构常被甲基化
②绝大多数真核生物mRNA有poly（A）结构。
poly（A）结构
poly（A）功能
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