分子生物学复习全套.ppt

分子生物学,孙金凤,淮阴工学院生化学院,1,MolecularBiology,教材,分子生物学杨建雄化学工业出版社(2009-06出版),2,本课程考核要求,平时成绩：30%（包括出勤、课堂表现、作业等）考试成绩：70%,3,本课程主要章节,第1章绪论1h第2章核酸的结构和功能4h第3章基因和基因组5h第4章DNA复制2h第5章DNA的损伤和修复2h第6章DNA的重组和克隆4h第7章RNA的生物合成2h,第8章转录产物的加工2h第9章蛋白质的生物合成1h第10章肽链合成后的加工和输送1h第11章原核生物基因表达的调控2h第12章真核生物基因表达的调控4h,4,第1章绪论,1.1分子生物学的概念1.2分子生物学的研究内容1.3分子生物学的发展和展望,5,1.1分子生物学的概念1938年ReportoftheRockefellerFoundation首次使用了molecularbiology一词。广义的分子生物学是研究生物大分子结构和功能的学科。按此定义，除了核酸的结构和功能是分子生物学的基本内容外，分子生物学还包括蛋白质的结构和功能，酶的作用机制，膜的结构和功能，细胞的信号传导等内容，可以说，广义的分子生物学可以包罗现代生物学在微观领域的绝大部分内容。狭义的分子生物学主要研究基因和基因组的结构与功能，DNA复制及损伤修复，基因的重组和克隆，RNA的转录及转录产物的加工、蛋白质的生物合成及肽链合成后的加工，基因表达的调控等内容，其中也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能。,6,1.2分子生物学的研究内容,7,对基因和基因组的研究一直是分子生物学发展的主线。分子生物学第二个方面的研究内容是基因传递和表达的途径。分子生物学第三个方面的研究内容是基因表达的调控。,1.3分子生物学的发展和展望,8,分子生物学是随着遗传学、细胞生物学和生物化学等学科的发展兴起的。在遗传学方面，Mendel经过7年的豌豆杂交实验，于1865年发表了题为ExperimentsinplantHybridization(植物杂交实验)的论文，总结了基因的分离定律和自由组合定律两条基本规律。,遗憾的是Mendel的研究成果并没有得到当时生物学界的重视，直到35年以后，他的遗传学理论才被重新发现，并得到广泛认同，成为经典遗传学的基础，Mendel也被公认为是经典遗传学的奠基人。,1910年Morgan利用果蝇进行遗传学实验，发现了基因的连锁规律，也证实了遗传的染色体学说。Morgan因为“发现了染色体在遗传中所起的作用，证明了基因位于染色体上”而获得1933年的诺贝尔生理学或医学奖。,摩尔根及其同事、学生用果蝇做实验材料。到1925年已经在这个小生物的四对染色体上鉴定了约100个不同的基因。并且由交配试验而确定链锁的程度，可以用来测量染色体上基因间的距离。1911年他提出了“染色体遗传理论”。1933年，摩尔根获得诺贝尔生理医学奖。,9,直到1944年Avery通过肺炎球菌转化实验证明，DNA可以使生物体的遗传性状发生改变，从而揭示了转化因子的化学本质。1952年Hershey和Chase利用噬菌体感染细菌实验，进一步证实了DNA是遗传物质。,10,证明DNA是遗传物质的经典实验,第二章核酸的结构和功能,4h,11,本章主要内容,2.1DNA是主要的遗传物质2.2核酸的组成成分2.3核酸的一级结构2.4DNA的二级结构,2.5DNA的高级结构2.6RNA的结构和功能2.7核酸的性质2.8核酸的研究方法2.9核酸的序列测定,12,2.1DNA是主要的遗传物质,13,现已证明，除少数病毒以RNA为遗传物质外，多数生物体的遗传物质是DNA。,下一节,本章目录,核酸可以水解成核苷酸，核苷酸可以水解成磷酸和核苷，核苷可以水解成戊糖和碱基，碱基可以分成多种类型。,2.2核酸的组成成分,14,2.2.1戊糖2.2.2含氮碱基2.2.3核苷2.2.4核苷酸,下一节,本章目录,上一节,实验证明DNA和RNA都是没有分支的多核苷酸长链，核苷酸间的连接键是3,5-磷酸二酯键连接。,2.3核酸的一级结构,15,下一节,本章目录,上一节,2.4DNA的二级结构,16,2.4.1双螺旋结构的实验依据2.4.2DNA双螺旋结构的要点2.4.3DNA二级结构的其它类型,下一节,本章目录,上一节,2.5.1环状DNA的超螺旋结构2.5.2真核生物染色体的结构,2.5DNA的高级结构,17,下一节,本章目录,上一节,2.6RNA的结构和功能,18,2.6.1tRNA2.6.2rRNA2.6.3mRNA和hnRNA2.6.4snRNA和snoRNA2.6.5asRNA和RNAi2.6.6非编码RNA的多样性,下一节,本章目录,上一节,2.7核酸的性质,19,2.7.1一般理化性质2.7.2紫外吸收性质2.7.3核酸结构的稳定性2.7.4核酸的变性2.7.5核酸的复性,下一节,本章目录,上一节,2.8核酸的研究方法,20,2.8.1核酸的提取与沉淀,2.8.2核酸的电泳分离,2.8.3核酸的超速离心,2.8.4核酸的分子杂交,2.8.5DNA芯片技术及应用,2.8.6核酸的化学合成,下一节,本章目录,上一节,2.9核酸的序列测定,21,2.9.1链终止法2.9.2焦磷酸测序技术,本章目录,上一节,第3章基因和基因组,22,本章主要内容,3.1基因的概念3.2基因的类型3.3基因组3.4真核生物的基因组3.5结构基因组学3.6功能基因组学,23,3.1基因的概念,3.1.1关于基因认识的发展3.1.2基因的概念,下一节,本章目录,24,3.2基因的类型,3.2.1基因家族和基因簇3.2.2假基因3.2.3重叠基因3.2.4移动基因3.2.5断裂基因,下一节,本章目录,上一节,25,3.3基因组,3.3.1基因组的概念3.3.2病毒的基因组3.3.3原核生物的基因组,下一节,本章目录,上一节,26,3.3.2病毒的基因组,27,3.3.2.1病毒基因组的一般特点3.3.2.2病毒的核酸3.3.2.3噬菌体的基因组3.3.2.4X174噬菌体基因组3.3.2.5SV40病毒基因组3.3.2.6腺病毒基因组3.3.2.7逆转录病毒基因组,3.3.3原核生物的基因组,28,3.3.3.1细菌基因组的一般特点3.3.3.2细菌的染色体基因组大肠杆菌染色体3.3.3.3细菌的自主遗传物质质粒,3.4真核生物的基因组,3.4.1真核生物基因组的特点3.4.2真核生物基因组的重复序列3.4.3线粒体基因组的结构3.4.4叶绿体基因组的结构,下一节,本章目录,上一节,29,3.5结构基因组学,3.5.1遗传图谱和物理图谱3.5.2重叠群的建立3.5.3高分别率物理图谱的制作分子标记3.5.4序列测定3.5.5基因定位,下一节,本章目录,上一节,30,3.6功能基因组学,3.6.1功能基因组学的概念3.6.2蛋白质组学3.6.3生物信息学,本章目录,上一节,31,DNA的生物合成,第4章,32,本章主要内容,4.1DNA复制的概况4.2原核生物DNA的复制4.3真核生物DNA的复制4.4DNA复制的其它方式4.5DNA复制的高度忠实性4.6逆转录作用4.7原核生物DNA复制的调控4.8真核生物DNA复制的调控,33,4.1DNA复制的概况,4.1.1DNA的半保留复制4.1.2复制的起点和方向,下一节,本章目录,34,下一节,本章目录,上一节,4.2原核生物DNA的复制,4.2.1参与原核生物DNA复制的酶和蛋白质4.2.2复制的起始4.2.3DNA链的延伸4.2.4复制的终止,35,4.3真核生物DNA的复制,4.3.1参与真核生物DNA复制的酶和蛋白质4.3.2真核生物DNA复制的特点4.3.3真核生物DNA复制的过程4.3.4端粒DNA的复制4.3.5DNA复制与核小体组装,36,下一节,本章目录,上一节,4.4DNA复制的其它方式,4.4.1滚环复制4.4.2取代环复制4.4.3线形DNA末端复制的问题,37,下一节,本章目录,上一节,DNA作为遗传物质必须能够准确的复制，保障其复制具有高度忠实性的机制主要有：(1)四种脱氧核苷三磷酸浓度的平衡(2)DNApol的高度选择性(3)DNApol的自我校对(4)使用RNA引物(5)错配修复,4.5DNA复制的高度忠实性,38,下一节,本章目录,上一节,4.6逆转录作用,4.6.1逆转录病毒的结构4.6.2cDNA的合成4.6.3原病毒DNA的整合4.6.4逆转录作用的生物学意义,39,下一节,本章目录,上一节,4.7原核生物DNA复制的调控,4.7.1大肠杆菌染色体DNA的复制调控4.7.2ColEl质粒DNA复制的调控4.7.3R6K质粒DNA复制的调控4.7.4单链DNA噬菌体复制的调控4.7.5噬菌体DNA复制的调控,40,下一节,本章目录,上一节,复制起点OriC的甲基化延迟关键的起始蛋白DnaA的合成受阻,4.8真核生物DNA复制的调控,4.8.1SV40病毒DNA复制的调控4.8.2腺病毒DNA复制的调控4.8.3酵母染色体DNA的复制调控,41,本章目录,上一节,第5章DNA的损伤与修复,42,2h,本章主要内容,5.1DNA损伤的产生5.2基因的突变5.3DNA损伤的修复,43,5.1DNA损伤的产生,5.1.1DNA分子的自发性损伤5.1.2物理因素引起的DNA损伤5.1.3化学因素引起的DNA损伤,下一节,本章目录,44,5.2基因的突变,5.2.1突变的类型5.2.2突变的回复和校正5.2.3诱变剂和致癌剂的检测,下一节,本章目录,上一节,45,5.3DNA损伤的修复,5.3.1直接修复5.3.2切除修复5.3.3损伤跨越5.3.4DNA缺陷修复与癌症的关系,本章目录,上一节,46,DNA损伤修复的类型,第6章DNA重组和克隆4h,47,本章主要内容,6.1同源重组6.2位点特异性重组6.3转座重组6.4逆转录转座子6.5转座的分子机制6.6聚合酶链式反应技术6.7DNA克隆6.8克隆基因的表达6.9转基因植物和转基因动物,48,遗传重组的类型,6.1同源重组,6.1.1同源重组的分子模型6.1.2细菌的基因转移与重组6.1.3细菌同源重组的酶学机制6.1.4真核生物的同源重组,下一节,本章目录,49,6.2位点特异性重组,6.2.1位点特异性重组的机制6.2.2噬菌体DNA的整合与切除6.2.3细菌的特异位点重组6.2.4免疫球蛋白基因的V(D)J重组,下一节,本章目录,上一节,50,6.3转座重组,6.3.1转座子的概念6.3.2原核生物的转座子6.3.3真核生物的转座子,下一节,本章目录,上一节,51,6.4逆转录转座子,6.4.1逆转录转座子的结构6.4.2逆转录转座子的生物学意义,下一节,本章目录,上一节,52,6.5转座的分子机制,6.5.1非复制型转座6.5.2复制型转座,下一节,本章目录,上一节,53,6.6聚合酶链式反应技术,6.6.1PCR的基本原理6.6.2PCR反应体系的优化6.6.3PCR技术的扩展,下一节,本章目录,上一节,54,6.7DNA克隆,6.7.1用于DNA克隆的工具酶6.7.2常用的克隆载体6.7.3DNA分子的体外连接6.7.4重组DNA导入受体细胞6.7.5重组子的筛选6.7.6基因组文库的构建6.7.7cDNA文库的构建6.7.8目的基因的来源,下一节,本章目录,上一节,55,6.8克隆基因的表达,6.8.1检测表达产物的方法6.8.2外源基因在原核细胞中的表达6.8.3外源基因在真核细胞中的表达,下一节,本章目录,上一节,56,提高外源基因在原核细胞中表达水平的措施,6.9转基因植物和转基因动物,6.9.1转基因植物6.9.2转基因动物,本章目录,上一节,57,第7章RNA的生物合成,本章主要内容,7.1RNA生物合成的概况7.2原核生物的转录7.3真核生物的转录7.4转录校对7.5转录过程的选择性抑制7.6RNA复制,7.1RNA生物合成的概况,从细菌到人类，RNA聚合酶本质上均催化同一种反应，即在一定的模板(DNA或RNA)指导下，以4种核苷三磷酸（rNTP）为原料，按碱基配对规律，从53合成RNA链。,下一节,本章目录,Templateandnontemplate(coding)DNAstrands,7.2.1原核生物的RNA聚合酶7.2.2转录的起始7.2.3RNA链的延伸7.2.4转录的终止,下一节,本章目录,上一节,7.2原核生物的转录,原核生物启动子,7.3.1真核生物转录的特点7.3.2真核生物的RNA聚合酶7.3.3RNA聚合酶II催化的转录7.3.4RNA聚合酶I催化的转录7.3.5RNA聚合酶III催化的转录,7.3真核生物的转录,下一节,本章目录,上一节,RNApol缺乏3-核酸外切酶活性，因此无法进行类似DNA复制的校对。不过，转录过程中有另外的两种校对机制，可以保障转录的忠实性。(1)焦磷酸解(2)水解编辑,7.4转录校对,下一节,本章目录,上一节,RNA转录的抑制剂包括碱基类似物，DNA模板功能的抑制剂，和RNA聚合酶的抑制剂。,7.5.1碱基类似物7.5.2DNA模板功能的抑制剂7.5.3RNA聚合酶的抑制物,7.5转录过程的选择性抑制,下一节,本章目录,上一节,7.6RNA复制,7.6.1RNA复制的特点7.6.2双链RNA病毒的RNA复制7.6.3正链RNA病毒的RNA复制7.6.4负链RNA病毒的RNA复制7.6.5无模板的RNA合成,本章目录,上一节,第8章转录产物的加工,本章主要内容,8.1原核生物RNA的转录后加工8.2真核生物tRNA前体的转录后加工8.3真核生物rRNA前体的转录后加工8.4真核生物mRNA前体的加工8.5不同类型内含子的比较8.6核酶,在原核生物中，rRNA的基因与某些tRNA的基因组成混合操纵子，其余tRNA基因也成簇存在，并与编码蛋白质的基因组成操纵子。它们在形成多顺反子转录物后，经切割成为rRNA和tRNA的前体，然后进一步加工成熟。除了少数例外，原核生物的mRNA一经转录，通常都立即进行翻译，一般不进行转录后的加工。,8.1.1原核生物tRNA前体的加工8.1.2原核生物rRNA前体的加工8.1.3原核生物mRNA前体的加工,8.1原核生物RNA的转录后加工,下一节,本章目录,8.2真核生物tRNA前体的转录后加工,8.2.1真核生物tRNA前体的结构特点8.2.2内含子的剪接8.2.3在3-端添加-CCA8.2.4核苷酸的修饰,下一节,本章目录,上一节,8.3.1rRNA基因的结构8.3.2rRNA前体的核苷酸修饰8.3.3rRNA前体的剪切,8.3真核生物rRNA前体的转录后加工,下一节,本章目录,上一节,hnRNA须在细胞核中经过复杂的加工过程，才被转移到细胞质中行使功能。,8.4真核生物mRNA前体的加工,8.4.1形成5-端帽子结构8.4.2形成3-端的多聚腺苷酸8.4.3断裂基因的拼接,下一节,本章目录,上一节,8.5.1I型内含子8.5.2II型内含子8.5.3内含子剪接机制的比较,8.5不同类型内含子的比较,下一节,本章目录,上一节,8.6.1核酶的发现8.6.2核酶的类型8.6.3核酶的结构,8.6核酶,本章目录,上一节,第9章蛋白质的生物合成,本章主要内容,9.1蛋白质生物合成的概述9.2遗传密码的破译9.3遗传密码的特性9.4氨酰-tRNA的合成9.5原核生物的蛋白质合成9.6真核生物的蛋白质合成9.7蛋白质生物合成的抑制剂,9.1蛋白质生物合成的概述,下一节,本章目录,9.1.1mRNA是蛋白质合成的模板9.1.2tRNA是氨基酸的运载体9.1.3核糖体是蛋白质合成的场所9.1.4参与蛋白质合成的各种辅因子,9.2.1遗传密码是三联体,9.2遗传密码的破译,9.2.2用人工合成的多聚核苷酸破译遗传密码,9.2.3用人工合成的三核苷酸破译遗传密码,下一节,本章目录,上一节,9.3.1遗传密码是连续排列的三联体,9.3遗传密码的特性,9.3.2起始密码与终止密码,9.3.3遗传密码的简并性,9.3.4遗传密码的变偶性,9.3.5遗传密码的通用性,9.3.6遗传密码的防错系统,9.3.7可读框,下一节,本章目录,上一节,9.4.1合成氨酰-tRNA的反应,9.4氨酰-tRNA的合成,9.4.2氨酰-tRNA合成酶的特异性,下一节,本章目录,上一节,9.5.1原核生物肽链合成的起始,9.5原核生物的蛋白质合成,9.5.2原核生物肽链的延伸,9.5.3原核生物肽链合成的终止,下一节,本章目录,上一节,9.6.1真核生物肽链合成的起始,9.6真核生物的蛋白质合成,9.6.2真核生物肽链的延伸,9.6.3真核生物肽链合成的终止,下一节,本章目录,上一节,比较,9.7.1原核生物肽链合成的抑制剂,9.7蛋白质生物合成的抑制剂,9.7.2真核生物肽链合成的抑制剂,9.7.3作用于原核生物和真核生物的肽链合成抑制剂,本章目录,上一节,第10章肽链合成后的加工和输送,主要内容,10.1肽链合成后的加工10.2肽链合成后的定向输送,10.1.3多肽链的折叠,10.1.2氨基酸残基的修饰,10.1.1肽链的剪接,10.1肽链合成后的加工,下一节,本章目录,常见的肽链的剪接方式,磷酸化,糖基化,折叠酶,10.2肽链合成后的定向输送,10.2.2翻译后途径,10.2.1共翻译途径,本章目录,上一节,信号肽,粗面内质网,细胞质内游离的核糖体,蛋白质定向运输的方式,第11章原核生物基因表达的调控,2h,87,本章主要内容,11.1原核生物基因表达调控的概述11.2DNA水平的调控11.3操纵子对基因表达的调控11.4转录终止阶段的调控11.5翻译水平的调控11.6核开关和群体感应,88,下一节,本章目录,11.1原核生物基因表达调控概述,调节型基因和组成型基因,原核生物基因表达调控的层次,正调控和负调控,89,11.2.1细菌DNA重排对基因表达的影响11.2.2因子对原核生物转录起始的调控,11.2DNA水平的调控,下一节,本章目录,上一节,90,11.3.1操纵子的基本结构11.3.2乳糖操纵子11.3.3阿拉伯糖操纵子11.3.4色氨酸操纵子,11.3操纵子对基因表达的调控,下一节,本章目录,上一节,91,乳糖操纵子的负调控系统，正调控系统。,色氨酸操纵子的阻遏机制和衰减机制,遗传信息的表达有时序调控和适应调控，转录水平的调控是关键环节，因为这是表达的第一步，转录调控主要发生在起始和终止阶段。转录终止阶段的调控一般包括两种情况：弱化作用和抗终止作用。,11.4转录终止阶段的调控,11.4.1抗终止作用11.4.2弱化作用,下一节,本章目录,上一节,92,11.5.1mRNA二级结构对基因表达的调控11.5.2mRNA稳定性对翻译的调节11.5.3反义RNA对翻译的调控11.5.4蛋白质合成的自体调控11.5.5严谨反应与核糖体合成的调控,11.5翻译水平的调控,下一节,本章目录,上一节,93,魔斑,核开关和群体感应是近年新发现的基因表达调控机制，在细菌中广泛存在，核开关在植物和真菌中也有发现。,11.6.1核开关11.6.2群体感应,11.6核开关和群体感应,本章目录,上一节,94,第12章真核生物基因表达的调控,4h,95,本章主要内容,12.1真核生物基因表达调控的特点12.2染色体水平的调控12.3染色体基因的重排12.4DNA水平的调控12.5真核生物转录水平的调控12.6转录后水平的调控12.7翻译水平的调控12.8翻译后调控12.9真核生物发育过程中的基因表达调控,96,12.1.1原核生物和真核生物基因表达调控的差别12.1.2真核生物基因表达调控的层次,12.1真核生物基因表达调控的特点,下一节,本章目录,97,12.2染色体水平的调控,12.2.1异染色质化对基因活性的影