生物奥赛分子生物学-课件

分子生物学MolecularBiology1ppt课件分子生物学MolecularBiology1

主要内容1.基因的概念2.基因表达及调控3.组学的基本知识2ppt课件主要内容广义：在分子水平理解生命现象的学科。1.

生物化学：从化学角度解释生物分子（糖类、脂类、蛋白质、核酸及其他生物学分子）化学结构及其代谢途径的一门学科。从化学角度揭示生命现象的古老学科。2.分子生物学：是在生物化学和经典遗传学基础上发展起来的一门新兴学科。以核酸（DNA和RNA）为研究对象，揭示基因的结构（染色体结构）、维持（DNA复制、修复）和信息传递（转录和翻译）。3ppt课件广义：在分子水平理解生命现象的学科。3ppt课件1.基因的概念4ppt课件1.基因的概念4ppt课件1857-1864年：孟德尔经典遗传学规律：独立分配和自由组合规律。“遗传颗粒”—性状。1900年：摩尔根“遗传颗粒”定位在染色体上。1909年：丹麦科学家Johannsen“遗传颗粒”命名为基因。1944年：遗传物质为DNA。1953年：DNA双螺旋结构的发现，分子生物学诞生。1966年：遗传密码子破译。1972年：基因工程的诞生及其后续的快速发展不但是分子生物学的结果而且大大促进了分子生物学的发展。2000年：DNA测序技术的发展获得模式生物和重要生物全基因组学列，分子生物学进入了后基因组和蛋白组时代，重点解决‘蛋白-RNA-DNA’互作的遗传语言问题。孟德尔摩尔根AveryWatsonandCrick多利羊HGP5ppt课件1857-1864年：孟德尔经典遗传学规律：独立分配和自由

基因的概念基因是一段编码功能性RNA分子的DNA片段，包括传统意义上的编码蛋白质的基因，还包含一些非编码蛋白的基因，其终产物为RNA分子，如tRNA、rRNA、snRNA和miRNA。非编码蛋白的基因在编码蛋白质基因表达过程中具有重要作用的作用。在基因的上下游会有调控DNA序列，如启动子和终止子序列，控制着基因表达。基因的结构模式图为：启动子-编码区-终止子

6ppt课件基因的概念基因是一段编分子生物学研究的内容围绕着中心法则进行，特别注意RNA的重要作用和核心地位。

当前的中心法则7ppt课件分子生物学研究的内容围绕着中心法则进行，特别注意RNA的

基因载体-染色质结构

DNA长度远远超过细胞核的直径，必需压缩折叠才能放入核中。压缩的层面有核小体-螺线管-突环，最终形成染色质。8ppt课件基因载体-染色质结构DNA长度远远超过

大肠杆菌（E.coli）结构E.coli染色体只含一个环状超螺旋分子，含量为4.6Mb，完全展开后总长度大约1.3mm.9ppt课件大肠杆菌（E.coli）结构E.coli染

细菌染色体10ppt课件细菌染色体10ppt课DNA双螺旋（2nm)核小体（11nm）螺线管（30nm)突环(300nm)染色体（1400nm）11ppt课件DNA双螺旋（2nm)11ppt课件核小体及核小体核心颗粒核小体：染色质在电子显微镜下观察时呈现为由10nm的球状颗粒和DNA纤维组成的念珠状外观。这些球状颗粒称为核小体（nucleosome）。

核小体核心由组蛋白H2A,H2B,H3和H4各两个亚基组成的八聚体，带正电荷，与带负电荷的DNA通过离子键结合。12ppt课件核小体及核小体核心颗粒核小体：染色质在电子显微镜下观察时呈现核小体间的DNA称为接头DNA（linkerDNA）。核小体所缔合的DNA约为166bp（146+20），由于连接DNA（约55bp）易于为核酸酶所作用。因此，当染色质以微球菌核酸酶（micrococcalnudease）等轻微处理后，染色质就产生一系列依次相差200bp左右的长度不等的DNA片段。

13ppt课件核小体间的DNA称为接头DNA（linkerDNA）。核小30nm纤丝

30nm纤丝：核小体链呈螺旋形缠绕，并形成超微螺旋，称为“螺线管”（solenoid），即30nm纤丝。这种超微螺旋的直径约为3Onm，内径10nm，螺距为llnm，为中空呈管状结构。这种螺旋管的每一转由6个核小体组成，螺线管是染色体的二级结构。14ppt课件30nm纤丝

30nm纤丝：核小体链呈螺旋形缠绕，并形成超微

突环结构螺线管的纤丝沿着它中央的蛋白质轴发射出大小不等的环，像灯刷染色体那样，这些观察证明，染色体是由一系列的环状的域（domain）组成的。这种结构可以说是染色体的三级结构。15ppt课件突环结构螺线管的纤丝16ppt课件16ppt课件2.基因表达及其调控17ppt课件2.基因表达及其调控17ppt课件原核和真核细胞基因表达的区别18ppt课件原核和真核细胞基因表达的区别18ppt课件19ppt课件19ppt课件

原核生物真核生物

无细胞核有细胞核多顺反子（编码多种蛋白）单顺反子（一般编码一种蛋白）环状染色体线性染色体

边转录边翻译转录发生在细胞核，而翻译发生在细胞质一般无内含子一般有内含子20ppt课件原核生物21ppt课件21ppt课件

22ppt课件

22ppt课件转录前水平：调控基因所在染色质的压缩程度，暴露出转录因子等结合位点，为基因转录创造条件。转录水平：组成型表达，诱导型表达，细胞依赖性表达。输出核孔：mRNA分子结合蛋白质介导加工成熟的mRNA出核，错误加工的mRNA分子则留在核中，被降解实现再循环利用。细胞质中mRNA的存量调控：取决于转录产出量和降解量。细胞质中mRNA的命运：有机会翻译蛋白质（细胞质核糖体，定位在内质网上的核糖体）、被降解（尤其错误加工的mRNA的分子），转移到其它细胞中翻译。蛋白质翻译后水平：经过不同的折叠、化学修饰和剪接形成多种功能的蛋白质。是基因功能放大的一种有效措施。23ppt课件转录前水平：调控基因所在染色质的压缩程度，暴露出转录因子等结现代观念：边转录边加工（加帽、去内含子、加尾），一步形成成熟的mRNA。24ppt课件现代观念：边转录边加工（加帽、去内含子、加尾），一步形成成熟

DNA复制-----遗传物质保持和传代25ppt课件25ppt课件DNA复制是多种酶（拓扑异构酶、解旋酶、DNA聚合酶、引发酶、RNA酶、DNA连接酶）和辅助因子（增殖细胞核抗原PCNA，单链结合蛋白）协同作用以半保留半不连续的方式进行的。26ppt课件DNA复制是多种酶（拓扑异构酶、解旋酶、DDNA的半不连续复制27ppt课件DNA的半不连续复制27ppt课件3’5’3’5’OK!How?5’3’5’3’28ppt课件3’5’3’5’OK!How?5’3’5’3’28ppt真核生物的复制子

真核生物的线形染色体是由多复制子构成，每个复制子都有自己的起点。一个典型的哺乳动物细胞有50000～100000个复制子，每个复制子长约40～200kbp。在相邻复制叉的复制泡相遇处，新生DNA融合并形成复制完整的DNA。29ppt课件真核生物的复制子真核生物的线形染色体是由多复制子郭爱娟BCU30ppt课件郭爱娟BCU30ppt课件参与DNA复制的有关物质一、参与DNA复制的模板、底物和引物二、参与DNA复制的有关酶和蛋白

1.DNA拓扑异构酶(DNATopisomerase)2.解旋酶(Helicase)3.单链DNA结合蛋白(SSBP)4.引发酶(Primase)5.DNA聚合酶(DNAPolymerase)6.DNA连接酶(DNAligase)31ppt课件参与DNA复制的有关物质一、参与DNA复制的模板、底物和引物32ppt课件32ppt课件酵母DNA复制所需要的酶33ppt课件酵母DNA复制所需要的酶33ppt课件

SchematicrepresentationoftheorganizationofeukaryoticDNAreplicationfork.(yeast)34ppt课件SchematicrepresentationoftDNA复制过程中，随着复制叉的移动，核小体解聚，随后在新形成的子链中重新形成。35ppt课件DNA复制过程中，随着复制叉的移动，核小体解聚，随后在新形成

DNA转录-----遗传信息流向RNA

转录单位包括启动子-转录区-终止子。转录因子识别启动子，招募RNA聚合酶以负链DNA为模板，按照A-U,G-C配对原则将游离的核苷酸按照5-3方向合成RNA分子的过程。36ppt课件DNA转录36ppt课件原核生物转录原核生物转录和翻译是偶联的，其mRNA为编码多种蛋白的多顺反子。原核生物σ

因子协助RNA聚合酶识别启动子基本元件并由此起始转录，并在具有发卡结构的终止子处（或在ρ因子协助下）结束转录操纵子是原核生物转录调控的主要模式，其中最典型的代表为乳糖操纵子。调控蛋白（或阻遏蛋白）与操纵区结合阻止RNA聚合酶前进达到降低转录效率。37ppt课件原核生物转录原核生物转录和翻译转录单位Figure8.2编码链/+链模板链/-链转录起始不需要引物。RNA聚合酶不具备识别启动子的能力，需要基本转录因子的协助。转录过程如下：起始-延伸-终止。38ppt课件转录单位Figure8.2编码链/+链模板链/-链转录启动子（promoter）是能启动转录的一段DNA片段。常含有转录因子识别和结合的保守的和特异顺式元件（cis-elements），用以控制基因的转录起始。···上游特异元件----------TTGACA------TATAAT---------CA/GT-35序列-10序列+1

特异转录因子结合元件基本转录因子结合元件转录起始位点控制基因特异表达招募RNA聚合酶组装转录起始复合物(何时何地多少）

39ppt课件启动子（promoter）是能启动转录的一段DNA片段。常含原核生物转录调控模型

40ppt课件原核生物转录调控模型

40ppt课件3.在转录期间RNA聚合酶的结构和功能位点（+）链(β’)（-）链EnzymeMovement解旋(α)复旋(α)覆盖约40bp,其中约17bp解链区

41ppt课件3.在转录期间RNA聚合酶的结构和功能位点（+）链(β’42ppt课件42ppt课件延伸起始成功后，聚合酶释放出σ因子，形成核心酶-DNA-新生RNA链三元（三聚）复合物。随着转录泡的移动，不断地解螺旋和再螺旋（解螺旋区域的大小稳定地保持在17bp），RNA链不断的延长。Figure8.1643ppt课件延伸起始成功后，聚合酶释放出σ因子，形成核心酶-DNA-新生终止子终止序列的特点：

1）发夹结构(减速)2）4个或更多的U残基（脱离）Figure8.644ppt课件终止子Figure8.644ppt课件45ppt课件45ppt课件46ppt课件46ppt课件依赖ρ的转录终止不形成强的发夹结构，必须一种辅助因子即ρ蛋白来帮助转录终止。六聚体蛋白，识别72bp序列（特异结构），依赖单链RNA水解ATP。47ppt课件依赖ρ的转录终止不形成强的发夹结构，必须一种辅助因子即ρ蛋白依赖ρ的转录终止Rhofactor(ρ)-dependenttermination48ppt课件依赖ρ的转录终止Rhofactor(ρ)-depende操纵子与乳糖操纵子1.提出：1961年,Jacob（雅格布）-Monod（莫诺）.2.操纵子：操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括：结构基因、调控元件和阻遏蛋白编码基因。大肠杆菌K12中共有4136个基因，以操纵子结构存在的基因接近1/4（256操纵子

控制879基因）49ppt课件操纵子与乳糖操纵子1.提出：1961年,Jacob（雅格操纵子结构

结构基因：控制某一代谢途径关键酶的多顺反子。调控元件：启动子和操纵区（覆盖在启动子和编码区交叉区，是阻遏调节蛋白质的结合位点）。调节基因：编码阻遏蛋白质独立的基因。50ppt课件操纵子结构结构基因：控制某一代谢途径关键酶的多顺反子。50乳糖操纵子51ppt课件乳糖操纵子51ppt课件启动区PlaclacZlacAlaclOlaclacY调控元件结构基因β-半乳糖苷透性酶分解乳糖半乳糖和葡萄糖运送乳糖透过细胞壁乙酰辅酶A乙酰半乳糖β-半乳糖苷酶β-半乳糖苷转乙酰酶

乳糖转化异乳糖调节基因AYZ操纵区转录方向转录单元lacZYA分解X-gal蓝色52ppt课件启动区PlaclacZlacAlaclOlaclacY调控元乳糖阻抑物RNAlaclPlacI乳糖阻抑物单体乳糖阻抑物四聚体lacZlacYlacA透性酶β-半乳糖苷酶转乙酰酶

PlaclacZlacAlaclOlaclacY含回文结构（-5/+21）53ppt课件乳糖阻抑物RNAlaclPlacI乳糖阻抑物单体乳糖阻抑物四PlaclacZlacAlaclOlaclacYPlaclacZlacAlaclOlaclacY

异乳糖诱导物安慰诱导物IPTGRNA聚合酶iRNARNA聚合酶lacZlacYlacA被激活的乳糖阻抑物四聚体乳糖转化54ppt课件PlaclacZlacAlaclOlaclacYPlacla

真核细胞核基因的三种RNA聚合酶核仁pre-rRNA[28S18S5.8S]不敏感核质pre-mRNAsmallRNAsnRNA[U1,U2,U4,U5]敏感核质pre-tRNA5SRNASmallRNA高浓度敏感55ppt课件真核细胞核基因的三种RNA聚合酶核仁pre-rRNA[25´cap

5´非编码区编码区3´非编码区3´poly(A)tail真核生物mRNA结构56ppt课件5´cap5´非编码区编码区真核生物基本转录机器的组装II-F:与RNApol结合具有解旋复旋功能；II-H:具有磷酸化CTD的功能；TBP:TATA-BOX结合蛋白质，识别启动子功能。57ppt课件真核生物基本转录机器的组装II-F:与RNApol结合具58ppt课件58ppt课件特异转录因子通过中介蛋白复合体间接地与基本转录机器互作改变转录起始频率。59ppt课件特异转录因子通过中介蛋白复合体间接地与基本转录机器互作改变转染色质构象调控---转录前调控水平

表观遗传学60ppt课件染色质构象调控---转录前调控水平

61ppt课件61ppt课件

组蛋白乙酰化和脱乙酰化影响染色质的紧密程度从而影响转录因子与启动子结合。62ppt课件组蛋白乙酰化和脱乙酰化影响染色质的紧密程度从而影响转录胞嘧啶与组蛋白的修饰胞嘧啶甲基化H3K27甲基化H3K4甲基化组蛋白H3化学修饰63ppt课件胞嘧啶与组蛋白的修饰胞嘧啶H3K27H3K4组蛋白H363p64ppt课件64ppt课件转录后加工-----从单一基因扩大编码mRNA分子种类65ppt课件65ppt课件

一基多能基因复制-----转录后加工（可变剪接、可变启动子、可变加尾和RNA编辑）-----多种mRNA分子----多种蛋白质66ppt课件一基多能基因复制-----转

真核基因转录后加工过程不但是形成成熟mRNA的必要过程（加帽、内含子剪接和加尾），同时也是重要的调控步骤。这一步骤使得单一的前体mRNA通过可变剪接、RNA编辑和可变加尾形成多种mRNA分子。此外，在同一个基因位点可以存在多个启动子和多个加尾位点，也可以驱动多种mRNA分子合成。综合这些加工手段（可变剪接、可变加尾、可变启动子和RNA编辑），最终从单一个基因产生多种mRNA分子，是遗传性信息扩大的重要手段。67ppt课件真核基因转录后加工过程不但是形成成熟mRNA的必要

一基多能基因复制-----转录后加工（可变剪接、可变启动子、可变加尾和RNA编辑）-----多种mRNA分子----多种蛋白质68ppt课件一基多能基因复制-----转录后加工（可变剪接、可变启动子剪接基本元件（剪接位点和分支点）5’..AAGUAAGU…..CURAY..(10-40).(U/C)NCAGG…3’

外显子

5’剪切位点内含子

外显子

3’剪切位点分支点序列嘧啶区69ppt课件剪接基本元件（剪接位点和分支点）5’..AAGUA内含子剪接：位于内含子和外显子中的剪接元件识别并招募剪接机器，通过两次转酯反应完成除去内含子连接外显子，并护送出细胞核参与蛋白翻译过程。70ppt课件内含子剪接：位于内含子和外显子中的剪接元件识别并招募剪接机器mRNA剪接位点与SnRNA之间的相互识别71ppt课件mRNA剪接位点与SnRNA之间的相互识别71ppt课件U1snRNP结合在5

端拼接点U2snRNP结合在分支点需要SR蛋白正确引导U4/U6和U5snRNP三聚体进入拼接体，U6结合U2剪接过程-顺序组装，动态的流水席72ppt课件U1snRNP结合在5端拼接点U4/U6和U5snRNU1、U4被释放U6结合在5

拼接点U6/U2催化转酯反应5

位点断开，形成套索3

位点断开，外显子拼接73ppt课件U1、U4被释放U6/U2催化转酯反应3位点断开，外显子74ppt课件74ppt课件75ppt课件75ppt课件可变剪接方式外显子跳跃潜在的3-剪接位点利用潜在的5-剪接位点利用内含子滞留76ppt课件可变剪接方式外显子跳跃潜在的3-剪接位点利用潜在的5-剪接77ppt课件77ppt课件内含子生物学功能通过选择性剪接扩大转录本/蛋白种类。具有调控基因表达（增强或减弱）的功能。控制基因表达的组织器官特异表达。充当启动子，产生新的转录本。78ppt课件内含子生物学功能通过选择性剪接扩大转录本/蛋白种类。78pp可变启动子79ppt课件可变启动子79ppt课件定义：选择不同的转录起始位点，可以获得具有不同的5`序列的转录本。功能：#1产生新的蛋白；#2增加新的N序列；#3引入具有复杂二级结构的5-UTR序列，减弱翻译。80ppt课件80ppt课件可变加尾

选择不同的加尾位点，改变了3序列、空间结构以及结合蛋白。具有调控mRNA分子稳定性和基因表达的功能。81ppt课件可变加尾

选择不同的加尾位点，改变了3序列、空间结构以及mRNA翻译-----mRNA遗传信息流向蛋白质

82ppt课件mRNA翻译82ppt课件

1#

多种成分（氨基酸、核糖体、50种左右t-RNA，mRNA和多种蛋白因子）参与蛋白质合成。

2#遗传信息的正确传递涉及到：20种以上的氨酰t-RNA合成酶将氨基正确加载到tRNA)-tRNA反密码子-mRNA密码子特异识别。

3#核糖体按照起始、延伸和终止程序合成蛋白。真核生物和原核生物蛋白合成主要区别在起始阶段。

4#蛋白合成过程中或合成后需要修饰和折叠等加工过程，而加工的信号储藏在特定的氨基酸顺序（如导肽、信号肽）。

5#合成不正常或受损的蛋白主要通过泛素介导的蛋白酶复合体降解的途径，以实现氨基酸循环再利用。83ppt课件83ppt课件遗传密码84ppt课件遗传密码84ppt课件

连续性：从起始密码子到终止密码子按3的倍数连续读码。

简并性：密码子的第三位碱基具有多态性。

基本通用性：病毒、原核细胞和真核细胞。

如：果蝇、酵母、和高等植物植物线粒体利用UGA作为色氨酸密码子。哺乳动物线粒体用AGA/G作为终止密码子，而核DNA则为精氨酸的密码子。

包含在mRNA三联核苷酸序列，它决定蛋白质中氨基酸的种类和排列顺序。

遗传密码（geneticcode）85ppt课件

连续性：从起始密码子到终止密码子按3的倍数连86ppt课件86ppt课件遗传密码的突变

错义突变（missensemutation）

密码子发生突变导致蛋白质中原来的氨基酸被另一种氨基酸取代。无义突变（nonsensemutation）

氨基酸的密码子变成终止密码子。分为琥珀型（UAG）、赭石型（UAA）和乳白型（UGA）三种。

移码突变（frameshiftmutation）

由于一个或多个非三整倍核苷酸对的插入或缺失，导致该位点后密码子阅读框架发生改变。87ppt课件遗传密码的突变错义突变（missensemutation密码子和反密码子是反向配对88ppt课件密码子和反密码子是反向配对88ppt课件DloopTCloopVariableloopAnticodonloop三环一臂的二级结构89ppt课件DloopTCloopVariableloopAnt倒L三级结构DloopTloopVariableloop接受臂90ppt课件倒L三级结构DloopTloopVariableloo3端-CCAOH上氨基酸接受位点（tRNA的荷载功能）aa+tRNA氨酰-tRNAMg2+氨酰-tRNA合成酶AMP+PPiATP91ppt课件3端-CCAOH上氨基酸接受位点（tRNA的荷载功能）a“第二遗传密码”

------氨酰-tRNA合成酶对tRNA和氨基酸的再识别

核糖体只识别tRNA，而不能识别其携带的氨基酸。因此还存在氨酰-tRNA合成酶将正确的氨基酸加载到对应tRNA分子上，即氨酰-tRNA合成酶对tRNA和氨基酸的再识别。

92ppt课件“第二遗传密码”

------氨酰-tRNA合成酶对tRN93ppt课件93ppt课件核糖体94ppt课件核糖体94ppt课件有很多双螺旋区95ppt课件有很多双螺旋区95ppt课件三、核糖体的功能位点96ppt课件三、核糖体的功能位点96ppt课件97ppt课件97ppt课件蛋白质合成过程98ppt课件蛋白质合成过程98ppt课件99ppt课件99ppt课件100ppt课件100ppt课件101ppt课件101ppt课件原核生物转录与翻译共线性102ppt课件原核生物转录与翻译共线性102ppt课件植物细胞生物具有三种不同蛋白和成体系：线粒体、叶绿体、细胞质，它们在核糖体成分、tRNA等具有不同。75%;~20000proteins20%;50~100proteins2~5%;proteinsvariable103ppt课件植物细胞生物具有三种不同蛋白和成体系：线粒体、叶绿体、细胞质翻译后加工-----从单一蛋白质扩大功能的方式（

不同折叠、修饰、亚基组装----多种功能）104ppt课件104ppt课件

翻译后的加工移去部分氨基酸（信号肽、C或N）折叠（共折叠和翻译后折叠）降解（泛素介导的蛋白酶体降解）

修饰（磷酸化，糖基化，甲基化，乙酰化等）105ppt课件翻译后的加工移去部Systemin(系统素),apeptidehormone,isformedbyplantcellsinresponsetowounding.precursor前体系统素（18肽）106ppt课件Systemin(系统素),apeptidehormoMoltenglobule（溶球）

共翻译折叠107ppt课件Moltenglobule