分子生物学课件

1、分 子 生 物 学Molecular Biology,主讲：刘常金,课程框架,1绪论 2遗传的物质基础 3DNA的复制与修复 4转录 5蛋白质的生物合成-翻译 6原核生物基因表达的调控 7真核生物基因表达的调控 8DNA或蛋白质的化学修饰与基因表达 9分子生物学研究方法,第一章 绪论,一、二十一世纪是现代生命科学的世纪 二、现代分子生物学中的主要里程碑 三、分子生物学的主要研究内容,一、二十一世纪是现代生命科学的世纪,生物科学是当代自然科学中发展最迅速、对人类的生存和自身发展影响最大的学科领域之一。统计美国“科学引文索引（SCI）”收录的4500余种学术刊物，发现有2350种左右为生物科学相关

2、杂志！统计全世界引用指数（Impact factor，IF）在10以上的超一流学术刊物，也发现80%左右（97年48种刊物中有38种）是生物科学相关刊物。,表1.引用指数IF在10以上的自然科学刊物分科比较,分析1997年SCI收录的4500种期刊的IF发现： Cell 48.0 Nature 28.4 Science 24.1,21st century crisis for human living,化石资源的枯竭与环境污染压力 人口压力与可持续发展 食物危机与生态恶化 森林锐减与土壤沙漠化扩大趋势 重大传染性疾病和老年病对健康与长寿威胁,前景与预测,基于碳氢化合物经济正转变为基于碳水化合物

3、经济 物理学和化学时代转变为生物学时代 工业革命世纪转变到生物技术世纪 生命科学的进步与生物技术的发展带动生物经济的发展是人类实现可持续发展的必然选择。,二、现代分子生物学中的主要里程碑,分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其规律性和相互关系的科学，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。当人们意识到同一生物不同世代之间的连续性是由生物体自身所携带的遗传物质所决定的，科学家为揭示这些遗传密码所进行的努力就成为人类征服自然的一部分，而以生物大分子为研究对象的分子生物学就迅速成为现代科学中最具活力的学科领域。,19

4、10年，德国科学家Kossel第一个分离了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸。,1959年，美国科学家Uchoa第一次合成了核糖核酸，实现了将基因内 的遗传信息通过RNA翻译成蛋白质的过程。同年，Kornberg实现了试 管内细菌细胞中DNA的复制。,1962年，Watson（美）和Crick（英）因为在1953年提出DNA的反向 平行双螺旋模型而与Wilkins共获Noble生理医学奖，后者通过X射线衍 射证实了Watson-Crick模型。 DNA双螺旋模型提出为分子生物学产生标志。,Griffith（1928）及Avery（1944）等人关于致病力强的光滑型（S型） 肺炎链球菌DNA导致致病力弱的

5、粗糙型（R型）细菌发生遗传转化的 实验；,Hershey和Chase（1952）关于DNA是遗传物质的实验；,Crick于1954年所提出的遗传信息传递规律（即中心法则）,Meselson和Stahl（1958）关于DNA半保留复制的实验,Yanofsky和Brener（1961）年关于遗传密码三联子的设想。,图1-1,DNA双螺旋结构模型，1953,那么什么是分子生物学 定义 William Astbury1945年提出molecular biology，即关于生物大分子的物理和化学性质和结构研究的学科。 研究核酸、蛋白质等生物大分子结构和功能及其相互关系和活动规律的科学。 是在分子水平上研

6、究生命现象的本质及其规律的一门新兴前沿学科，主要以核酸、蛋白质等生物大分子作为研究对象，是现代生物技术建立的理论基础。 研究目标和内容 从分子水平上去了解和认识生物个体生命活动的物质基础,努力探索生命的本质如遗传、生殖、生长发育的生命基本特征，不断揭示生物界的奥秘，从而为人类从被动地适应世界转到主动地重组和改造生物界，促进人类的文明发展。在认识上达到“生命形成的多样性和生命本质的一致性在分子水平上的统一”。 内容：1）DNA重组技术（基因工程）；2）基因的表达调控；3）生物大分子的结构和功能研究。 或：1）核酸；2）蛋白质；3）细胞信号转导三大内容。,分子生物学的相关学科和产业 分子生物学 分

7、子生物学理论 现代生物技术 工业、农业、医疗卫生、军事、贸易 生物技术产业 生物经济 新学科 生物信息学 、基因组学、功能基因组学、蛋白质组学、系统生物学,动物科学 植物科学 微生物科学,遗传学 生理学 生物化学 细胞学 胚胎学 解剖学 组织学 分类学 病毒学 进化论,分子生物学简史 brief story for MB 1.2.1 准备和酝酿阶段（18201950年代） 1）确定蛋白质是生命的主要物质 enzyme (Bucher,1890)，protein 2）确定生物的遗传物质是DNA nuclein (Miesher,1868), DNA, RNA 1.2.2 现代生物学的建立和发展阶

8、段 （19501970年代） 1）遗传信息传递的中心法则 2）对蛋白质结构和功能的进一步认识 1.2.3初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段（1970年代以后） 1）重组DNA技术的建立和发展 2）基因组研究的发展 3）单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展 4）基因表达调控机理 5）细胞信号转导机理研究的发展 6）基因组学、蛋白质组学、生物信息学成为新的前沿领域,1988年，McClintock由于在50年代提出并发现了可移动遗传 因子（jumping gene或称mobile element）而获得Nobel奖。,1993年，美国科学家Roberts和Sharp因发现断裂基因（int

9、rons） 而获得Nobel奖。Mullis由于发明PCR仪而与加拿大学者Smith （第一个设计基因定点突变）共享Nobel化学奖。 以下是分子生物学与遗传学发展中最值得纪念的卓越科学家：,1965年，法国科学家Jacob和Monod提出并证实了操纵子（operon）作为调节细菌细胞代谢的分子机制。此外，他们还首次推测存在一种与DNA序列相互补、能将它所编码的遗传信息带到蛋白质合成场所细胞质）并翻译产生蛋白质的mRNA（信使核糖核酸）。,1972年，Paul Berg（美）第一次进行了DNA重组。,1977年，Sanger和Gilbert（英）第一次进行了DNA序列分析。,三、分子生物学的主

10、要研究内容,所有生物体中的有机大分子都是以碳原子为核心，并以共价键的形式与氢、氧、氮及磷以不同方式构成的。不仅如此，一切生物体中的各类有机大分子都是由完全相同的单体，如蛋白质分子中的20种氨基酸、DNA及RNA中的8种碱基所组合而成的，由此产生了分子生物学的3条基本原理：,A构成生物体有机大分子的单体在不同生物中都是相同的； B生物体内一切有机大分子的建成都遵循着各自特定的规则； C某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。,分子生物学研究内容:,1.DNA重组技术基因工程,2.基因表达调控核酸生物学,3.生物大分子结构功能结构分子生物学,DNA重组技术（又称基因工程）是20世纪7

11、0年代初兴起的技术科学，目的是将不同DNA片段（如某个基因或基因的一部分）按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。,1.DNA重组技术（又称基因工程）,严格地说，DNA重组技术并不完全等于基因工程，因为后者还包括其他可能使生物细胞基因组结构得到改造的体系。,DNA重组技术有着广阔的应用前景:,DNA重组技术可用于定向改造某些生物基因组结构， 使它们所具备的特殊经济价值或功能得以成百上千 倍地提高。 DNA重组技术还被用来进行基础研究。,如果说，分子生物学研究的核心是遗传信息的传递和控制，那么根据中心法则，我们要研究的就是DNA到R

12、NA，再到蛋白质的全过程，也即基因的表达与调控。在这里无论是对启动子的研究（包括调控元件或称顺式作用元件），还是对转录因子的克隆及分析，都离不开重组DNA技术的应用。,2.基因表达调控研究,因为蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸（主要是脱氧核糖核酸）分子编码，表现为特定的核苷酸序列，所以基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。 在个体生长发育过程中生物遗传信息的表达按一定的时序发生变化（时序调节），并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境调控）。,（1）原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控

13、主要发生在转录水平。,（2）真核生物有细胞核结构，转录和翻译过 程在时间和空间上都被分隔开，且在转录和翻译后 都有复杂的信息加工过程，其基因表达的调控可以 发生在各种不同的水平上。基因表达调控主要表 现在信号传导研究、转录因子研究及RNA剪辑三 个方面。,转录因子是一群能与基因5端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。,真核基因在结构上的不连续性是近10年来生物学上 的重大发现之一。当基因转录成pre-mRNA后，除了在5 端加帽及3端加多聚ApolyA之外，还要将隔开各个相邻 编码区的内含子剪去，使外显子（编码区）相连后成为 成熟mRNA。,研

14、究发现，有许多基因不是将它们的内含子全部 剪去，而是在不同的细胞或不同的发育阶段有选择地 剪接其中部分内含子，因此生成不同的mRNA及蛋白 质分子。,3.结构分子生物学,生物大分子的结构功能研究（又称结构分子生物学） 一个生物大 分子，无论是核酸、蛋白质或多糖，在发挥生物学功能时，必须具备 两个前提:首先，它拥有特定的空间结构（三维结构）；其次，在它发 挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。,结构分子生物学就是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。,它包括 ：,结构的测定,结构运动变化规律的探索,结构与功能相互关系的建立,常见的研究三维结构及其运动

15、规律的手段：,X射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学）；,二维核磁共振和多维核磁研究液相结构 ；,电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和 各种频谱学方法研究生物高分子的空间 结构 。,分子生物学的展望 21世纪是生命科学世纪，生物经济时代 结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学、生物信息学、信号跨膜转导成为新的热门领域 如何学习分子生物学 教材 专著 期刊杂志 网址网页 实验,参考文献和网页网址,朱玉贤 李毅 现代分子生物学第二版，高等教育出版社，2002 阎隆飞 张玉麟 分子生物学，中国农业大学出版社，1997 李振刚 分子遗传学，科学出版社，2000 Benjamin Lewin Genes V

16、I, Oxford Uni. Press, 1997 P.C.Turner et al. Instant Notes in Molecular Biology 科学出版社,参考教材,英文原版,中文译本,中国生物信息： / 分子生物学信息网 ： 生命科学商务网： 生物软件网 http:/www.bio- 中华基因网： Celera Genomics Education (赛莱拉）: Biology Animation Library （冷泉港）: /resources/BiologyAnimationLibrary.htm /dnaftb/ Jeffrey Qinxi Shens Page （沈庆喜教授）: /faculty/geffshen/ Beginners Guide to Molecular Biology: http:/www.iacr.bbsrc.ac.uk/notebook/courses/guide/ Ergito (Genes VII 电子版）: Tutorials in Molecular Biology: /ls3/tutorials/