医学分子生物学.docx

1、医学分子生物学医学分子生物学*生物学： 研究生命、生命本质、生命活动规律的科学，从整体水平、细胞水平、分子水平三个层次上研究生命活动及其规律的一门学科。*分子生物学：从分子水平研究生命现象、生命本质、生命活动规律的一门新兴边缘学科。*医学分子生物学： 是分子生物学的一个重要分支，是从分子水平上研究人体在正常和疾病状态下的生命活动及其规律，从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和医治研究的一门科学。*分子生物学重要技术原理：基因工程技术（分子克隆）原理、DNA序列测定、核酸分子杂交、PCR、转基因和基因打靶、DNA芯片技术的大体概念、原理及其在医学领域的应用*分子生物学在临床医学中应用：基因结构异样

2、和调控异样与疾病发生的关系、基因诊断和基因医治的大体概念及其应用第 一 章 绪 论第一节分子生物学和医学分子生物学研究的要紧内容*分子生物学的大体含义研究对象 学科地位 是当前生命科学中进展最快的前沿领域，正在与其它学科普遍交叉与渗透的重要前沿领域，生命科学的带头学科。分子生物学的要紧内容：一、生物大分子的结构与功能及分子间的彼此作用：要紧研究核酸、蛋白质、酶的结构与功能及蛋白质与蛋白质、核酸与核酸、核酸与蛋白质、 核酸与其它生物大分子之间的彼此作用。二、基因信息的传递及调控：三、细胞之间的信息传递机制：四、细胞的识别：涉及细胞粘附分子与细胞外基质。五、细胞的增殖与分化：包括癌基因与抑癌基因、

3、肽类生长因子、细胞周期及其调控的分子机理等。六、分子生物学技术：要紧包括分子杂交技术、链反映技术、基因工程与蛋白质工程等。医学分子生物学要紧内容：一。生物大分子的结构与功能。二。基因组的结构与功能。三。基因的复制、表达、调控。四。细胞通信与细胞内信号传导。五基因工程的各类技术体系（克隆、测序、杂交、PCR、转基因、DNA芯片）。六基因与疾病。七基因诊断与基因医治医学分子生物学的概念和性质：一概念：是从分子水平上研究人体正常和疾病状态下生命活动及其规律的一门科学。二是分子生物学的重要分支三是医学领域的带头学科第二节 分子生物学的历史回忆孕育时期 年 Miescher核素; 年，Gene 年，Mo

4、rgan ：Gene 存在于染色体上 年，Avery证明DNA携带遗传信息。创建时期1.二十年代，Levene研究了核酸的结构，并提出了四核苷酸假说。年Watson 和Crick DNA双螺旋年Crick中心法那么年，Meselson 和Stahl DNA半保留复制。年发觉mRNA，年，Jacob 和Monod操纵子学说年，Nirenberg破译第一个遗传密码进展时期年，Temin 和Baltimore发觉逆转录酶。2.阿尔伯(Arber)、史密斯(Smith)和内森斯(Nathans)，发觉限制性内切酶,获1978年诺贝尔生理学和医学奖。 设计测定DNA分子内核苷酸序列，1980年与伯格(B

5、erg)（重组DNA技术）分享Nobel 生理医学奖。年Altman、 Cech发觉核酶共享Nobel化学奖.技术的成立。6.显微注射术开始转基因动物的研究。7.转基因植物的诞生。8.基因医治技术。9.人类基因组打算。10.克隆羊的诞分子生物学的研究进展一不断把本学科的理论和技术引向深切 目前分子生物学研究的前沿：基因组研究、基因表达调控研究、结构分子生物学研究、信号传导研究二。不断地与其他学科进行深切的横向联系和交叉融合 分子、细胞、整体水平的研究取得和谐统一分子生物学与其他学科的结合分子生物学普遍渗透到医学各学科领域，成为现代医学重要的基础分子生物学与生理学,微生物学,免疫学,病理学,药理

6、学,临床医学的结合分子生物学普遍的渗透到医学各学科领域 分子细胞学 分子药理学 分子免疫学 分子病理学 分子病毒学 分子神经学 分子细菌学 分子遗传学 分子诊断学（基因诊断学）分子医治学（基因医治学）分子生物学大大增进了医学的进展医学分子生物学是分子生物学的一个重要分支，它要紧研究人体生物大分子和大分子体系的结构、功能，彼此作用及其同疾病发生、进展的关系。人体的生长、发育、衰老、死亡等生命现象，人体各类疾病的发生，都是一种或多基因有关，常常涉及到细胞间通信和细胞内信号转导。因此，医学分子生物学要紧研究人体发育、分化和衰老的分子生物学基础，细胞增殖调控的分子基础，人体三大功能调控系统（神经、内分

7、泌、免疫）的分子生物学基础，基因的结构异样或调控异样与疾病发生、进展的关系；同时，应用分子生物学理论和技术体系开展疾病的基因诊断和基因医治、生物制药和卫生防疫。 第三节分子生物学在医学上的应用一、人体发育调控和人体功能调控的分子生物学基础1、发育、分化与衰老的分子生物学基础2、细胞增殖调控的分子生物学基础3、神经、内分泌和免疫调控的分子生物学基础二、基因与疾病基因结构与功能的改变、基因表达调控异样、病原体的基因结构与功能都与疾病的发生有关对疾病相关基因的研究，不仅从分子水平说明疾病发生、进展的机制，而且为基因诊断和基因医治奠定了基础。基因诊断：是应用分子生物学技术，检查人体某些基因结构或表达调

8、控的转变，或检测病原体基因组在人体内的存在，从而达到诊断疾病和基因医治奠定了基础基因医治： 是通过特定的分子生物学技术关闭或降低异样表达的基因，或将正常的外源基因导入体内特定的靶细胞以拟补缺点基因，或将某种特定基因导入体细胞表达以产生特定的蛋白质因子实现对疾病的医治作用。整体上分为两个大的方面：一、纠正异样基因（异样表达或缺点） 二、利用特定基因在体内表达特定的蛋白质因子以实现对疾病的医治作用。三、生物工程与生物制药1、基因工程生产多肽类药物：人胰岛素、人一辈子长激素、干扰素、红细胞生成素、孕激素、白介素1-16、集落刺激因子、免疫球蛋白、B细胞生长因子。酶工程：利用基因工程技术制取酶制剂：如

9、尿激酶、链激酶蛋白质工程：利用基因工程技术改造目的基因的结构，在受体细胞中表达不同结构的蛋白质。微生物工程：利用微生物特定性状产生有效物质，抗生素2、利用转基因动、植物获取多肽类药物四、预防医学1、疫苗研究：利用重组DNA技术和转基因动、植物技术能够改造病原体或有关蛋白成份，研制各类基因工程疫苗，取代传统疫苗。DNA疫苗：也称核酸免疫，直接用编码抗原的基因重组到真核表达载体，直接导入机体内，表达出相应抗原，通过细胞或体液免疫产生抗体，而达到防治疾病的目的。2、环境检测与净化：采纳分子杂交或PCR方式检测环境中病原体；通过基因重组的方式制造超级细菌。五、中医药研究中医基础理论 中医临床 针灸 中

10、药第二章核酸的结构与功能核酸是一类重要的生物大分子，是生物遗传的物质基础。脱氧核糖核酸要紧存在于细胞核内，是遗传信息的贮存和携带者，是遗传的物质基础。核糖核酸要紧散布在细胞质中，参与遗传信息表达的各进程。第一节 核酸的化学组成核酸-单核苷酸-【核酸（碱基和戊糖）+磷酸】戊 糖（ribose） -D-核糖 -D-2-脱氧核糖碱基（base）嘧啶pyrimidine 嘌呤purine 胞嘧啶（C） 胸腺嘧啶（T） 尿嘧啶（U） 鸟嘌呤（G） 腺嘌呤（A）（2-氧-4-氨基嘧）（5-甲基尿嘧啶） (2,4-二氧嘧啶) （2-氨基-6-氧嘌呤） （6-氨基嘌呤）稀有碱基假尿嘧啶核苷 次黄嘌呤核苷 二氢

11、尿嘧啶核苷 甲基鸟嘌呤核苷核苷碱基 purine：N9-1 |_核苷键 |戊糖 pyrimidine：N1-C1 8种核苷核苷酸核苷与磷酸缩合生成的磷酸酯。自然界所发觉的核苷酸要紧为核苷C5上羟基与磷酸形成的酯键，称为5核苷酸或一磷酸核苷。核苷酸是核酸的大体组成单位。 RNA DNAAMP、ADP、ATP dAMP、dADP、dATPGMP、GDP、GTP dGMP、dGDP、dGTPCMP、CDP、CTP dCMP、dCDP、dCTPUMP、UDP、UTP dTMP、dTDP、dTTP二磷酸核苷和三磷酸核苷多为核苷酸有关代谢中间产物或酶活性及代谢的调剂物质。三磷酸核苷是参与核酸合成的直接形式

12、，并同时为生理储能和供能的重要形式。 第二节 DNA 的 分子结 构 DNA的碱基组成A、G、C、T A=T A + G = C + TDNA的一级结构（primary structure)特点：*DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序，即碱基的排列顺序。单核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接成大分子多核苷酸。5-结尾：P3 -结尾：OH书写方式1. 线条简化式 2. 文字简化式 pApGpCpT 方向：5 3pA- G C - TpAGCT DNA的二级结构（secondary structure) 特点：两条反向平行的脱氧核苷酸链绕同一中心轴，右手螺旋。 磷酸-戊糖骨架位于外侧，两条链上的碱基以A=

13、T、G=C相连，组成碱基平面，位于螺旋内侧。 10个碱基对旋转一周，螺距为， 螺旋直径为。 大沟（major groove），小沟（minor groove） 氢键：维持双螺旋横向稳固 碱基堆砌力：维持纵向稳固DNA的三级结构（ tertiary tructure ）特点：原核生物DNA超螺旋共价封锁环状双螺旋再进一步螺旋。真核生物真核生物的三级结构是该DNA双链盘绕在组蛋白上的负超旋。这种以组蛋白为核心绕以DNA片段的颗粒称为核小体（nucleosome）。完整的核小体由两部份组成，即核小体核心（nucleosome core），和连接各核心颗粒之间的区域称连接区（linker）。DNA双螺

14、旋核小体串珠状多核小体细丝螺线管超螺线管染色单体DNA的功能 生物遗传信息的携带者、生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板。基因（gene)是一个功能性遗传单位，是合成一个有功能蛋白或RNA所必需的全数DNA序列。基因组（genome）指细胞或生物体的一套完整单个的遗传物质。一个基因组包括一整套基因。结构基因（structural gene）编码蛋白质或RNA。第三节 RNA的结构和功能RNA的一样特点要紧存在于细胞质中一样是单链分子 与DNA在碱基组成上的区别是RNA分子中含有的是U，U与T具有相同的结构信息量 RNA核糖分子上C2-OH是游离的，是一个易发生不良反映的位置，因此RNA不如D

15、NA稳固tRNA (transfer RNA)细胞内分子量最小的一类核酸，约占总RNA的15% 含有10-20%的稀有碱基 细胞内tRNA的种类很多，每一种氨基酸都有其相应的一种或几种tRNA 二级结构为“三叶草”的结构 三级结构呈倒L形 重要的功能是参与转运氨基酸，解译mRNA的密码tRNA “三叶草”形的二级结构功能部位：反密码环: 反密码子 氨基酸臂：3-CCA-OH倒L形的三级结构mRNA (messenger RNA)细胞内含量较少的一类RNA，占总RNA的5%左右，但种类很多。 功能：将核内DNA的碱基顺序（遗传信息）按碱基互补原那么抄写并转送到胞质的核糖体上，用以决定蛋白质合成的

16、氨基酸顺序。 三联密码：mRNA分子上每三个核苷酸为一组，决定肽链上的一个氨基酸。真核生物mRNA的特殊结构5-结尾的帽结构：m7G-ppp5-Np 增进核糖体与mRNA的结合 加速翻译的起始速度、增强mRNA的稳固性 3-结尾的polyA结构: 参与mRNA从核内向胞质的转移、增强mRNA的稳固性 真核生物mRNA含有内含子，在核内需通过一系列的加工、修饰及剪接等去除内含子，转变成成熟的mRNA，进入胞浆。rRNA (ribosomal RNA)细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%左右。 rRNA不能单独行使功能，必需与蛋白质结合后形成核糖体(ribosome)，作为蛋白质合成的场

17、所。某些低等真核生物的细胞核rRNA的前体在成熟进程中能够自我剪接，称为核酶(ribozyme)。 原核细胞rRNA包括：5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA + 蛋白质 + 蛋白质 大亚基 小亚基 真核细胞rRNA包括：5S rRNA rRNA 28S rRNA 18S rRNA + 蛋白质 + 蛋白质 大亚基 小亚基rRNA二级结构：有较多茎环结构，是与蛋白质结合的结构基础，也是酶性RNA的结构基础。第四节 核酸的理化性质分子大小： 1 m DNA = 3 000 bp = 2x106 Dalton 紫外吸收： 260nm核酸的变性、复性与分子杂交1. DNA变性：在某些因素

18、的作用下，DNA双链间氢键断裂，双螺旋结构解开，形成单链无规那么线团状分子的进程。v高色效应 ：解链进程中，DNA A260增加，并与解链程度相关。v Tm 值：50%DNA解链的温度，又称融解温度。2. 复性：变性DNA在适当条件下，可使两条彼此分开的链从头缔合成为双螺旋结构的进程。3. 分子杂交：两条来源不同具有完全或不完全互补碱基顺序的多核苷酸片段在溶液中经退火处置能够形成双螺旋结构。如DNA/DNA、DNA/RNA、RNA/RNA杂交分子。 第三讲相关基础知识一、生物大分子通常将所有的生物分子简单地分为两类：一类是小分子，即为简单的单体物质；另一类是大分子，一样为多聚化合物。一、生命物

19、质的十三个层次量子小分子生物大分子 生物大分子聚合体细胞器细胞“系” 细胞组织器官系统个体种群生态系 二、生物大分子是指生物体内由分子量较低的大体结构单位首尾相连形成的多聚化合物。如核酸是由核苷酸与核苷酸相连而组成的，蛋白质的多肽链是由氨基酸与氨基酸相连而成。大体结构单位的排列顺序组成了生物大分子的一级结构，在此基础上可形成复杂的空间结构。核酸、蛋白质和多糖都属于生物大分子范围。核酸与蛋白质的结构与功能是分子水生平命活动的基础，分子生物学的研究内容大体上围绕核酸与蛋白质展开的。 3、生物大分子聚合体 如核蛋白、糖蛋白、脂蛋白 4、细胞“系”遗传信息流、膜流、能流、以受体为主的通信流等。 二、D

20、NA复制的特点复制 以DNA为模板,按碱基互补配对原那么,聚合成新的DNA链的进程。一、DNA的半保留复制半保留复制即新的双链DNA中，一股链来自模板，一股链为新合成的。实验依据2002年10月，在由权威的美国生物科学杂志组织的一次评选中，梅塞尔森和斯塔尔的半保留复制实验被选为有史以来生物学领域“最漂亮”的一项实验。半保留复制的意义复制的这种方式可保证亲代的遗传特点完整无误的传递给子代，表现了遗传的保守性。DNA复制的一样进程即DNA复制时一条链是持续合成的，另一条是不持续分段合成最后才连接成长链。由于DNA双链方向相反，当双链以复制的起点解开形成复制叉时，3端位于复制起点的模板链合成新链是从

21、5向3进展，是DNA聚合酶前进的方向，故能够持续合成，而5端位于复制起点的模板链，由于缺乏3向5走向的DNA聚合酶不可能合成持续新链，只能以不持续的方式分段进行。此持续合成的新链其合成方向与复制叉前进方向一致，称领头链，分段合成的短链称冈崎片段，其合成方向与复制叉前进方向相反，称为侍从链。复制起始点 经常使用ori或O表示。细胞中的DNA复制一经开始就会持续复制下去，直至完成细胞中全数基因组DNA的复制复制子或复制单元：NDA复制从起始点直到终点为止，每一个如此的DNA单位称复制子。原核细胞中，每一个DNA分子只有一个复制起始点，因此只有一个复制子；真核生物中，复制是从许多起始点同时开始的，因

22、此每一个DNA分子上有许多个复制子大肠杆菌的DNA复制定点开始双向复制这是原核与真核生物DNA复制最要紧的形式三、DNA损伤与修复（一） DNA的损伤（DNA damage） 指一个或多个脱氧核苷酸的组成、复制或表型功能的异样转变，也称DNA损伤，又称突变（mutation） 突变的结果引发遗传信息的改变。一、DNA分子的自发性损伤（1）DNA复制中的错误（2）DNA的自发性化学转变：碱基的异构互变、碱基的脱氨基作用、脱嘌呤与脱嘧啶、碱基修饰与链断裂二、物理因素引发的DNA损伤（1）紫外线引发的DNA损伤（2）电离辐射引发的DNA损伤3、化学因素引发的DNA损伤（1）烷化剂对DNA的损伤（2）

23、碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤（二）DNA损伤的后果一、点突变：指DNA上的单一碱基的变异（转换：嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶；颠换：嘌呤与嘧啶或嘧啶与嘌呤）二、缺失：指DNA链上一个或一段核苷酸的消失3、插入：指一个或一段核苷酸插入到DNA链中4、倒位或转位：指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁移到另一处五、双链断裂（三）DNA修复一、答复修复这是较简单的修复方式，一样都能将DNA修复到原样（1）光修复最先发觉的DNA修复方式，由细菌中的光解酶完成。后发觉类似的修复酶普遍存在于动植物中，人体细胞中也有发觉。（2）单链断裂的重接（3）碱基的直接插入（4）烷基的转移二、切除修复：是修

24、复DNA损伤最为普遍的方式，对多种DNA损伤都能起修复作用。普遍存在于各类生物细胞中，也是人体细胞要紧的DNA修复机制切除修复：先切除DNA损伤序列，再合成补充切除的片段3、重组修复切除错误片段，自另一条复制好的链中找相应片段补充。反映需要RecA等蛋白参与。4、SOS修复：是指DNA受到严峻损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误偏向修复，使细胞有较高的突变率。此系统由十几个修复蛋白组成。（四）基因突变是指由于DNA碱基对的置换、增添或缺失而引发的基因结构的转变。一、自发突变：在自然条件下发生二、诱

25、发突变：人工利用物理或化学药剂诱发依照基因结构的改变方式分为：碱基置换突变和移码突变依照遗传信息的改变方式分为：同义突变、错义突变、无义突变四、转录、复制、翻译一、转录转录是以DNA的一股为模板合成一条互补RNA的进程。转录的整个进程至少需包括以下步骤： (1)聚合酶来到转录起点周围。DNA里隐含转录起点的序列称为启动子。原核生物的RNA聚合酶能够直接识别启动子，真核生物的RNA聚合酶那么需藉助於转录因子。(2)解开DNA的双螺旋。负责解开双螺旋的酶是解螺旋酶。原核生物的RNA聚合酶具有解螺旋酶的功能，可是真核生物的RNA聚合酶没有，其DNA的双螺旋系由特定的转录因子解开。(3)以DNA的一股

26、为模板合成RNA，所用的原料是核苷三磷酸。(4)终止转录。真核生物和原核生物利用不同的信号终止转录。（注：遗传密码的终止密码子代表肽链合成的终止，并非转录的终止）。在真核生物里，与DNA结合的组蛋白会阻碍RNA聚合酶和DNA的作用，因此需要其他转录因子来应付此种情形。RNA转录是以一条全序列负链RNA为模板，指导合成几条较短的正链RNA（即mRNA）的进程称RNA，如疱疹性口炎病毒（）RNA可转录出5种单顺反子mRNA，进而翻译出5种蛋白质。 二、复制分DNA复制与RNA复制，前者如上述。后者是指以RNA为模板，在RNA指导的RNA聚合酶（也称RNA复制酶）催化下合成互补的RNA链的进程。（）

27、RNA病毒（如流感病毒、狂犬病毒）或双链RNA病毒都能进行复制。 3、翻译：以mRNA为模板合成肽链的进程称翻译。4、逆转录：以mRNA为模板，在逆转录酶的作用下利用宿主细胞中4种dNTP为原料在引物的3端以53方向合成与RNA互补的DNA链（cDNA）的进程称逆转录。 复制、转录与逆转录的区别第一是原料不同；酶不同；摸版不同；生成物不同。别的还有调控方式，参与的因子等不同五、转录的基础一、转录单位：指RNA聚合酶作用的起始点与终止位点之间的DNA顺序二、转录子：指2个或2个以上紧密连锁并一起转录一种mRNA分子的结构基因组成的复合单位。只存在于原核生物中。3、启动子(promoter)：又称

28、启动基因，是DNA模板上专一地与RNA聚合酶结归并决定转录从何处起始的部位，也决定基因的转录效率。生物中有许多启动子，如大肠杆菌约有2000个启动子。各启动子的效率可不相同，大肠杆菌的强启动子每2秒钟启动一次转录，而弱启动子每10分钟才启动一次，从百多个大肠杆菌启动子结构的分析，得知两个强启动子的同源序列的中心在转录起始部位(基因编码链上第一个核苷酸) 5侧约10和35个核苷酸处，弱启动子序列中往往有多处核苷酸被置换。许多原核生物都含有这两个重要的启动子区：真核生物的启动子部位与原核生物不同，而且启动转录的活性，除需启动子外，还需某些外加序列4、DNA指导的RNA聚合酶催化NTP合成与模板互补

29、的RNA 大肠杆菌的RNA聚合酶含有五个亚单元：a两个，b、b及各一个。真核生物的RNA聚合酶有三种：Pol I、Pol II及Pol III。其中最要紧的是Pol II，参与所有蛋白质基因和大部份snRNA基因的转录。Pol I位於细胞核的核仁，负责合成5S之外的rRNA。Pol III位於核仁外，负责合成tRNA、5S rRNA、U6 snRNA及一些小RNA(如7SL、7SK、7SM 等)。这三种聚合酶各由十几个亚单元组成，其中四个与大肠杆菌RNA聚合酶的a、b和b类似。只是，真核生物的RNA聚合酶并非包括类似因子的亚单元。它需藉助於一样性转录因子才能来到启动子区域，发挥聚合酶的功能。五

30、、终止子终止子是DNA分子中终止转录的核苷酸序列。而终止密码子是作为翻译终止的信号，在以下图中，DNA分子下面一条被从左到右转录，从画线DNA转录来的RNA片段形成发夹环，因为两框中核苷酸含有互补碱基顺序，这就迫使DNA/RNA杂交区域裂开，因此随后包括氢链结合较弱的多聚腺苷酸和尿嘧啶mRNA分子就从那个位置离开下来。六、增强子是能够增强与之相连锁的基因转录活性的调控序列(顺式作用元件)，其本身不具有启动子的活性。增强子的作用特点：与启动子的相对位置和取向无关，具有远程效应（只要共处一条DNA分子上）；需要特定的蛋白因子参与；有些能在几乎所有类型细胞中发挥作用，而大多数具有相对组织特异性。六、转录调控元件与因子一、顺式作用元件：为与结构基因串联的DNA顺序，它们对基因转录的精准起始和活性调剂起着十分重要的作用。如启动子、增强子等。 二、反式作用因子：是散布于不同或相同染色体上基因所编码的蛋白质因子，通过顺式作用元件和RNA聚合酶的彼此作用而调剂基因转录的活性。 七、基因扩增的概念在某些情形下，真核细胞DNA分子的必然顺序反复进行复制，而其它部份不复制，这种现象称为基因扩增。（两栖类的卵母细胞中多见）它是通过改变基因数量而调剂基因表达产物的一种调剂方式。 八、DNA探针是指一段有标记的与已知的DNA互补的DNA片段。 基因探针probe）确实是一段与目的基因或DNA互补