《分子生物学》教案(提供给学生的)

1、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

2、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

3、、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

4、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（碱基一一戊糖一一磷酸）核苷磷酸（碱基戊糖）V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

5、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 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,另一条链的走向为 3，-5，,两条链沿一个假想的中心轴右旋相互盘绕，形成大沟（宽槽）和小沟（窄槽）。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

6、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

7、重复时，可形成局部三股 配对并相互盘绕的三股螺旋三 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

8、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 三 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- 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

9、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 切断一一缝合机制相关。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

10、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一卫星 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

11、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 DNA 中，但不包括在成熟 mRNA、tRNA 或 rRNA 中的那部分核苷酸序列（非编码序列） ，也即初级转录产物hnRNA 加工产生成熟 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）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

12、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：a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。3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

13、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

14、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

15、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

16、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a-螺旋区，某个螺旋(识别螺旋)负责 与 DNA 特异性结合，此a-螺旋区内氨基酸与 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

17、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_，_。及类蛋白质与 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

18、、纯化 DNA 上的结合蛋白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DNA 分子,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。构成要素：（1）目的基因（外源 DNA（2）载体（复制能力）（3）受体细胞（4）工具酶重要技术环节：（1）目的基因的获得（

19、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DNA， 另一条链则是新合成的，这种复制方式称 DNA 的半保留复制。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

20、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0型滚环型（3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、川引物酶和 RNA 聚合酶解链酶单链 DNA 结合蛋白（SSB）依赖 DNA 的 ATPaseDNA 连接酶旋转酶（

21、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 5 种聚合酶，分别是聚合酶a、聚合酶3、聚合酶丫、聚合酶3、聚合酶。原 核生物 3 种聚合酶，分别是聚合酶I、聚合酶H、聚合酶川。5、 真核生物和原核生物在复制的主

22、要方面相似，但在合成RNA 引物的聚合酶种类， 辅助 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DNA 链延伸速度恒定，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，调控因子是蛋白质和 RNA真核细胞 DNA 的复制调控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_（_）3、真核生物复制调控的水平_

23、。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 至 U 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

24、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、S因子的结合与解离、原核生物转录阶段HRNA 延伸三、原核生物转录阶段川-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p因子的终止子：不需要任何辅助因子， 核心

25、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p因子的终止子：需要辅助因子p才能完成终止的整个过程。2、依赖于p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

26、 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p因子可以终止转录。3、依赖于p因子的终止p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。终止过程RNA 合成起始，p因子即结合到新生 RNA 链 5,端。p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。p因子赶上 RNA 聚合酶，并与聚合酶相互作用。p因子通过与B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RNA

27、3，端（p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、真核生物转录过程五、转录产物及其加工原核生物与真核生物 mRNA 的特征比较1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2真核生物 mRNA 的特征终止位点前面缺少 AT 组成的序列（导致转录产

28、物3,端缺少寡聚 U 片段）1真核生物 mRNA5，端存在帽子结构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(真核生物)内含子的剪接，编辑及化学修饰内含子，外显子一断裂基因2RNA 的剪接1自我剪接方式I类内含子n类内含子2核蛋白参与的剪接方式GU-AG 型AU-AC 型3蛋白质(酶)参与的方式内含子的变位剪接：个体发育或细胞分化时可以有选择地越过某些外显子或某个剪接点进行 变位剪接，产生组织或发育阶段特异性mRNA。分类：tRNA 前体的剪接方式变位剪接方式3. RNA 的编辑和化学修饰1RNA 的

29、编辑RNA 的编辑：某些 RNA，特别是 mRNA 的一种加工方式，它导致了DNA 所编码的遗传信息的改变，使经过编辑的 mRNA 序列发生了不同于模板 DNA 的变化。RNA 的编辑的方式：单碱基突变尿苷酸的缺失和添加2RNA 的化学修饰复习题：.概念转录；启动子；终止子；RNA 的剪接；RNA 的编辑；编码链；模板链2RNA 的特异性化学修饰有 _ , _ , _ , _ , _ , _。RNA 的主要编辑方式 _, _ 。RNA 的主要剪接方式 _, _, _。原核生物转录启动子内保守的共同序列称 _ , _。-10 区又称_。-35 区又称_。合成 RNA 的最主要酶：原核生物是 _;

30、真核生物是 _ 。原核 RNA 聚合酶包括_ 和 _ 两部分，其中核心酶包括 2 个_亚基，1 个_ 亚基，1 个 亚基，1 个 亚基。由原核 RNA 聚合酶参与形成的转录复合体有 _，_。两者的区别在于 _ 。真核 mRNA 的帽子结构是由 _和_缩合成的产物内含子的主要种类_，_，_，_。3简述 RNA 聚合酶催化转录的 4 个阶段简述 RNA 合成的基本特征图示 RNA 三种剪接方式简述原核 RNA 聚合酶各亚基的功能简述真核生物 5，帽子和 3,poly （A ）尾巴的功能4真核生物、原核生物 mRNA 特征比较原核生物转录终止的两种方式及过程（或原核生物转录终止子的分类及各自的结构特点）第八章 生物信息的传递（下）-从 mRNA 到蛋白