分子生物教案

0第一章 绪论分子生物学是从分子水平上研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的科学。它是从生物化学，遗传学，微生物学和细胞生物学等学科融汇发展而派生出来的边缘学科。第一节 分子生物学和医学分子生物学的研究范围一、核酸的分子生物学包括核酸/基因组的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因工程技术的发展和应用等 二、蛋白质的分子生物学研究执行各种生命功能的主要大分子蛋白质的结构与功能。 三、信号转导的分子生物学研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。 第二节 分子生物学发展简史一、准备和酝酿阶段确定了蛋白质是生命现象的物质基础确定了 DNA 是生物遗传的物质基础二、现代分子生物学的建立和发展阶段中心法则的建立对蛋白质结构和功能的进一步认识三、初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段基因工程技术的建立基因组研究的开展基因表达调控机制的揭示信号转导机制研究的深入第三节 分子生物学与其他学科及医学的关系一、分子生物学与其他学科及现代医学相辅相成二、分子生物学促进中医药研究分子生物学在中医基础理论研究中的应用分子生物学在中药研究中的应用1第二章 从核酸到基因组第一节 核酸的分子组成一、碱基（base）二、戊糖三、核苷（nucleoside) 和核苷酸(nucleotide) 第二节 的结构一、DNA 的一级结构 核酸链的简写式：1、字符式：pp2、线条式： 构成核苷酸的碱基分为嘌呤（Pu)和嘧啶（Py) 腺嘌呤(A), 鸟嘌呤 (G), 胞嘧啶 (C), 胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U) 。中含有：、中含有：、中含有核糖中含有脱氧核糖核苷是由 D-核糖或 D-脱氧核糖与嘌呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化合物。核苷酸是核苷与磷酸残基构成的化合物，即核苷的磷酸2二、DNA 的二级结构 右手双螺旋结构DNA 双螺旋学说的要点1）两条链沿逆平行方向伸展，围绕同一中心轴盘绕呈右手双螺旋。2）主链在双链的外侧，侧链在双链的内侧。3）两条链之间的碱基相互配对，配对原则为 A-T，G-C 。故 A/T=1， G/C=1，A+G/T+C=1 。4）螺旋每上升一圈需 10 对碱基，螺距为 3.4nm。5）双螺旋的稳定靠氢键和碱基堆砌力。 左手双螺旋结构 十字结构3 三股螺旋结构影像重复序列 三、DNA 的三级结构闭环双链 DNA 形成超螺旋结构一些细菌和病毒的 DNA 分子可形成封闭环状，并多扭曲成麻花状的超螺旋结构。真核生物细胞核 DNA 形成染色体结构 染色体的组成主要化学成分:DNA、RNA、组蛋白和非组蛋白。组蛋白与 DNA 的含量之比接近 1:1，是染色体的稳定成分。属于碱性蛋白质，有 5 种，即 H1、H2A、H2B、H3 和 H4。非组蛋白是酸性蛋白质，协助启动 DNA 复制或转录，调控基因表达。RNA 占染色体的 1%3%，含量最少，变化较大，可能通过与组蛋白、非组蛋白相互作用调控基因表达。 染色体的结构模型4DNA 三级结构的生物学意义1. DNA 分子的长度在双螺旋基础上高度压缩，有利于包装。2. 高级结构影响 DNA 双螺旋的解链，影响 DNA 与其他分子的作用，从而影响基因表达。四、线粒体 DNA 的基本结构线粒体 DNA 为双链闭环分子，不与蛋白质形成核蛋白结构，分散在线粒体基质的不同区域内。五、端粒与端粒酶端粒:以线性染色体形式存在的真核基因组 DNA 末端的一种特殊结构。组成：端粒 DNA 和端粒结合蛋白（TBP） 。结构特点：d（TTAGGG）n 构成的 58kb 长的一段特化区。功能：保护线性 DNA 的完整复制、保护染色体体末端、决定细胞寿命。端粒酶：促使端粒合成的酶。组成：RNA 和蛋白质，是特殊的核糖核蛋白酶复合体。功能：以自身的 RNA 为模板合成端粒顺序并添加到染色体末端。六、DNA 的变性、复性与分子杂交1.DNA 变性：指 DNA 分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构的现象。变性的实质：氢键断裂 、碱基间的堆积力遭到破坏 。变性因素：加热、极端的 pH、有机溶剂、尿素及甲酰胺等 。变性后的改变：溶液粘度降低。溶液旋光性发生改变，增色效应。 解链温度 （融解温度 ）Tm：核酸分子内550%的双螺旋结构被破坏的温度。 2.DNA 复性：指变性 DNA 在适当条件下，二条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象，它是变性的一种逆转过程。热变性 DNA 一般经缓慢冷却后即可复性，此过程称之为退火。3.分子杂交： 不同来源的核酸变性后，合并在一处进行复性，形成杂化双链的过程。 第二节 RNA 的结构和功能RNA 与 DNA 不同之处是：核糖/脱氧核糖，尿嘧啶/胸腺嘧啶。包含、四种核苷酸。RNA 是单链线性分子，通过自身折叠形成发夹结构（hairpin）和茎环结构（stem-loop ） 。RNA 碱基组成之间无一定的比例关系，且稀有碱基较多。功能： 1、遗传信息传递体和储存体2、具有酶的功能（剪接或剪切底物） 3、是启动复制的引物 4、参与调节基因的表达 在基因变异时起校正作用 一、 mRNAmRNA（messenger RNA）携带来自 DNA 的遗传信息并指导 Pr 的合成。种类多，不同的基因表达不同的 mRNA；寿命短，细菌 mRNA 的平均半衰期约 1.5 分钟，脊椎动物 mRNA 的平均半衰期约 3 小时；含量少，约占 RNA 总量的 3%5%；分子大小不均一，差异极大。 原核生物 mRNA 的结构特点（1）是多顺反子，即含两段以上的编码序列，分别编码不同的 Pr 多肽链（2）在编码序列之间有间隔序列，在 5端和 3端有非翻译区（3）一般不含修饰核苷酸 （4）寿命短，细菌 mRNA 半寿期一般仅几分钟 真核生物 mRNA 的结构特点为单顺反子 mRNA，有帽子和 poly(A)尾结构。(1) 5帽子：m7GpppNp 表示。6(2) 3 poly(A)尾：一般为 80250 个腺苷酸，称为 poly(A)尾。 （3）分子中可有修饰碱基，主要是甲基化 。（4）分子中有编码区和非编码区，5端非编码区有翻译起始信号。（5）在 poly A 上游约 20 个 bp 处，3端非编码区有一序列 AAUAA，特异的内切酶可识别这一序列，利于 mRNA 成熟。二、tRNA三、 rRNA功用：Pr 合成的场所 成分：rRNA+Pr 核糖体（大亚基，小亚基） 四、具催化活性的 RNA(ribozymes) 核酶的特点化学本质为 RNA 或 RNA 片段。分子大小不一，每一种核酶分子都有自己的活性序列或活性中心。催化效率比酶蛋白低得多、催化活性也具有特异性。催化反应时需要 Mg2+参加。核酶的底物大都为自身 RNA 或其他 RNA 分子 核酶的意义（1）RNA 催化活性的发现对于了解生物进化过程有着重要意义。（2）根据核酶活性中心的结构特点，可以人工改造核酶，用于降解病原体。（3）核酶作用已经成为基因治疗的重要策略之一。五、snRNA （small nuclear RNA，核内小 RNA）snRNA 是存在于真核生物细胞核内、长度不到 300nt 的一类小分子 RNA。snRNA 富含尿嘧啶，因而用 U 命名。主要功能是参与 RNA 前体的加工。第三节 基因和基因组一、基因的化学本质基因（gene）是细胞内遗传物质的功能单位。本质是 DNA 序列，表达一定的功能产物，包功用：携带 aa结构特点 ：1、是单链小分子，含个 bp。2、含有很多稀有碱基和修饰碱基 3、5 -末端总是磷酸化 PG 的。4、3端是 CCA-OH，5、约半数的碱基互相配对形成双螺旋，从而形成三叶草型 。7括蛋白质和 RNA。生物体细胞内一套完整的染色单体，叫做染色体组。一个染色体组中所含的全部 DNA 称为一个基因组（genome ） 。二、基因的基本结构1. 编码序列 指基因中直接编码成熟 RNA（不包括 mRNA）碱基序列或 Pr 多肽链 aa 序列的 DNA 碱基序列。2. 非编码序列 是基因中除编码序列以外的所有序列。3. 外显子(intron)非编码 aa 的 DNA 顺序。4. 内含子（exon)能编码 aa 的 DNA 顺序。5. 启动子 是在 DNA 指导合成 RNA 时，RNA 聚合酶首先结合并启动转录的位点，多数位于基因转录区的上游，属于调控序列。6. 转录起始位点 是在指导合成 RNA 时，DNA 被转录的第一个碱基。7. 终止子 是转录的终止信号，位于基因转录区的下游。三、病毒基因组的结构特征病毒由核酸、蛋白组成，能复制， 但不能自行合成蛋白，须依赖宿主细胞才能繁殖。四、原核生物基因组的结构特征1. 通常由单一闭环双链 DNA 分子组成，形成类核。2. 只有一个复制起点。3. 基因数量较多，而且形成操纵子结构。4. 编码序列一般不重叠。1、结构简单，基因组小。故编码蛋白质少。2、基因组可是 DNA 或 RNA。但两者不能 共存。3、基因重叠多见。即同一段 DNA 能编码 23 种蛋白。意义：使较小的基因携带较多遗传信息。4、重复顺序少。5、非编码区（内含子）少。6、相关基因丛集：功能相关基因常集中在一个或几个特定区域，形成一个功能单位或转录单元。7、基因组是单倍体：每个基因只有一个拷贝，个别有两个拷贝。85. 基因是连续的，无内含子。6. 编码序列约占基因组的 50%。7. 非编码序列主要是一些调控序列。8. 多拷贝基因很少。9. 基因组中存在转座子。10. 在 DNA 分子中存在各种特异序列，包括复制起点（Ori） 、复制终止区（Ter） 、转录的启动子和终止子等。五、真核生物基因组的结构特征1. DNA 是线性分子，其末端序列构成端粒。2. 有多个复制起点。3. 真核生物有完整的细胞核、染色体结构。4. 每一种真核生物的染色体数目都是一定的，体细胞一般是二倍体。5. 基因组序列的 90%以上是非编码序列。6. 含大量重复序列。7. 是断裂基因。8. 转录产物是单顺反子 mRNA。9. 真核生物基因组中存在各种基因家族。第四节 人类基因组计划（HGP）主要目标是分析人类基因组全部碱基序列，进行基因定位和基因分离，破解人类的全部遗传信息。一、人类基因组作图 遗传图谱（genetic map） 物理图谱（physical map） 转录图谱（transcription map） 序列图谱（sequence map）二、功能基因组学（functional genomics）指基因组功能信息的提取、鉴定和开发利用，以及与此相关的数据资料、基因材料和技术手段的贮存和使用。第三章 遗传信息的复制（DNA 的生物合成）方式:1、以 DNA 作为模板指导的 DNA 合成作用复制 92、以 RNA 作为模板指导的 DNA 合成作用逆转录第一节 DNA 复制的基本特征一、半保留复制在 DNA 复制过程中，每个子代 DNA 分子的一条链来自亲代 DNA，另一条链则是新合成的。这种复制方式称为半保留复制。二、复制起点和方向1、复制的启始点复制的启始点（ori）：原核生物只有 1 个起始点，真核生物有多个，形成许多复制单位 .。DNA 复制从起始点开始直到终点为止的 DNA 单位称为复制子或复制单元 2、方向：三、半不连续复制前导链（领头链）的合成是连续的（与复制叉方向一致）