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1、分子生物学讲稿陈耕夫副教授绪论一、分子生物学分子生物学是从分子水平来研究生命现象的科学。其核心内容是通过生物的物质基础核酸、蛋白质、酶等生物大分子的结构，功能及其相互作用等运动规律的研究来阐明生命现象的分子基础，从而探索生命的奥秘。分子生物学是现代生命科学的“共同语言”。二、分子生物学的任务1. 核酸的分子生物学是目前分子生物学内容最丰富的一个领域。研究内容包括基因组的结构、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。2. 蛋白质的分子生物学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。3. 细胞信号转导的分子生物学研
2、究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。三、分子生物学与现代医药科学的关系在发病机制方面的研究应用、在疾病诊断中的应用、 在疾病治疗中的应用、 在个体识别中的应用、 在医药工业领域的应用，等等。第一章 核酸的分子结构、性质和功能一、核酸是遗传物质（一）核酸的种类和分布分布：DNA：主要分布在细胞核（或类核区）、线粒体、叶绿体RNA主要分布在细胞质中（二）核酸是遗传物质DNA是遗传物质的证据：肺炎双球菌的转化试验、噬菌体感染实验等。RNA是遗传物质的证据：烟草花叶病毒M和HR品系的重建试验 二、DNA的结构与功能（一）DNA的一级结构与种属的差异DNA一级结构指的是脱氧核苷酸在DNA链中的组成和排列
3、顺序。DNA一级结构的不同是物种间差异的更本原因。除了少数RNA病毒外，DNA几乎是所有生物遗传信息的携带者。核酸一级结构的书写方式。（二）DNA的二级结构具有多样性1. 双螺旋结构是DNA二级结构的主要类型DNA双螺旋结构主要有A、B、Z等三种类型，染色体在大多数时候以B型DNA形式存在。B型DNA二级结构特点：两条脱氧核酸链构成右手双螺旋结构，链的走向相反；磷酸脱氧核糖链在螺旋的外侧，碱基在螺旋的内侧；脱氧核糖平面与碱基平面相互垂直；碱基配对规律：A=T、GC；稳定力横向是氢键；纵向是碱基堆积力。2. 三链DNA（Triplex DNA）结构当DNA发生重组时，单链DNA侵入DNA双螺旋局
4、部区域可以形成三链DNA结构。DNA双螺旋中，多聚“嘌呤核苷酸-嘧啶核苷酸”是形成三链结构的结构基础。第三条单链为多聚“嘧啶核苷酸-嘌呤核苷酸”序列，则与双链DNA的碱基形成Hoogsteen配对。3. 四链DNA（Quadruplex DNA）结构真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链DNA结构。（三）DNA的超螺旋结构（三级结构）1. DNA超螺旋结构的概念超螺旋结构(superhelix 或supercoil)：DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。超螺旋结构又分为正超螺旋核负超螺旋：正超螺旋(positive supercoil)：盘绕方向与DNA双螺
5、旋方同相同。 负超螺旋(negative supercoil)：盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。 2. 原核DNA超螺旋结构原核DNA也能与相应的核蛋白结合形成超螺旋结构，但其与蛋白质结合没有特点的结构特点。3. 真核DNA超螺旋结构真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。DNA双螺旋有规律地盘绕组蛋白形成核小体，再进一步的多次盘绕，最后形成染色体。三、RNA的结构与功能（一）mRNA、tRNA、rRNA1. mRNA和hnRNAmRNA的功能是通过三联体密码子指导蛋白质的生物合成。真核mRNA与原核mRNA在结构上有很显著的差别。真核mRNA结构及功能
6、特点：（1）转录在细胞核进行，翻译在细胞浆进行；（2）hnRNA含内含子，需切除内含子连接外显子才成为有活性的mRNA；（3）一条mRNA只能翻译出一种蛋白质；（4）5有帽子结构：与真核mRNA抗5核酸外切酶及正确识别翻译起始位置有关；（5）3有尾巴结构：与mRNA从细胞核转移到细胞浆及mRNA半衰期有关。2. tRNAtRNA的主要功能是在蛋白质合成过程中根据密码子的指引，搬运正确的氨基酸至翻译位置，起着翻译“适配器”的作用。tRNA二级结构特点、三级结构特点。（1）氨基酰tRNA合成酶是翻译保真性的保证其翻译保真性主要依赖于：氨基酰-tRNA合成酶具有酶的高度特异性，通过识别氨基酸与tRN
7、A上的特殊部位（又称为副密码子或鉴别元件）来保证氨基酸与相应tRNA的正确链接；氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性，即带有相应反密码子的tRNA如果连接上错误的氨基酸，则氨基酰-tRNA合成酶不会把错误链接的氨基酰-tRNA释放到溶液中，而是将错误的氨基酸水解掉。副密码子：tRNA分子上能被氨基酰tRNA合成酶识别、决定了该tRNA携带何种氨基酸的核酸序列，称为副密码子（paracodon）。（2）细胞内tRNA组成的特点含不同反密码子的tRNA可以携带相同的氨基酸。由于有的氨基酸可有多个密码子为其编码，因此需要数种tRNA做载体。而能识别同种氨基酸但反密码子不同的多种tRNA互称为同工tRN
8、A (analogy tRNA)。含相同反密码子的tRNA结构可以不同：含相同反密码子的tRNA也有多种，他们结构差异很大，有些含量很高，称为多数tRNA (major tRNA); 有些含量很低，称为少数tRNA (minor tRNA)。3. rRNA数种rRNA与数十种蛋白质组成的核蛋白体是蛋白质合成的“装配机”，是合成蛋白质的场所。核蛋白体由小亚基和大亚基组成。大、小亚基的功能为：（1）小亚基：负责序列的特异性识别，如起始序列的识别、起始密码子的识别等；（2）大亚基：AA-tRNA的结合、肽键的形成、转位等酶反应； （3）rRNA：不同rRNA具有不同的功能。如5S rRNA可以识别t
9、RNA中的TyC；16S rRNA识别SD序列等等。（二）其他小分子RNA1. 不均一RNA（hnRNA）：真核细胞成熟mRNA的前体。2. 核小RNA（snRNA）：参与hnRNA的剪接、转运。这类RNA富含修饰尿嘧啶残基而被命名为U系列snRNA，如U1-snRNA、U2-snRNA等。3. 核仁小RNA（snoRNA）：参与rRNA的加工、修饰。4. 胞质小RNA（scRNA、7L-RNA等）：蛋白质在内质网定位合成的信号识别体的组成成分（三）起始RNA和指导RNA起始RNA（iRNA）：DNA合成时首先合成的一个短的RNA片段作为引物，引发DNA聚合酶活性，启动DNA的生物合成。这个片
10、段称之。指导RNA（gRNA）：在RNA编辑过程中，作为模板介导RNA编辑。其含有进行RNA编辑的编辑区序列信息。（四）端粒RNA与端粒酶端粒为真核生物线性染色体末端的一种特殊的结构，与真核染色体末端的复制、防止染色体末端融合、重组、降解有关。端粒中的主要成分是端粒酶，其组成为：端粒酶RNA (hTR)、端粒酶协同蛋白 (hTP1)、端粒酶逆转录酶 (hTRT) 。端粒酶的作用机理爬行模型。（五）核酶（ribozyme）具有酶类似催化活性的RNA。其活性的保持需要一种特定的构象，如“锤头结构”。依据其特定构象可以人工合成具有催化活性的核酶。四、反义核酸及药物（一）反义核酸的概念及功能反义核酸（
11、antisense nucleic acid）是指根据碱基互补原理，利用人工合成或生命有机体合成的与特定核酸链互补的DNA或RNA片段。反义核酸与目的（靶）序列核酸结合，通过空间位阻效应或诱导RNAase活性的降解作用，在复制、转录、剪接、mRNA转运及翻译等水平上，抑制或封闭目的（靶）基因的表达。（二）反义技术与药物1. 反义DNA：正常DNA片段、甲基磷酸型DNA片段、硫代磷酸型DNA片段、双硫代磷酸型DNA片段、a-构型DNA片段等。2. 反义RNA3. 肽核酸第三代反义寡核苷酸药物4. 核酶五、RNAi（RNA干扰）（一）RNA干扰的概念某些小片段RNA具有同蛋白质调节因子一样的能够使
12、相应的基因表达下调作用，这种调节作用称为RNA干扰（RNA interference，RNAi）。其本质为一种RNA能够有效地控制另一种RNA的翻译活性。这些RNA单链的长度很小，一般只有20-25个核苷酸组成，故又称为小干扰RNA（small interference RNA，siRNA）。（二） RNA干扰的基本原理（1）siRNA与mRNA5端或3端结合，抑制翻译的正确起始、终止过程；（2）siRNA与mRNA结合为双链结构后，成为双链RNA酶的作用靶标，mRNA被双链RNA酶降解。（三）RNAi的应用基因疾病的治疗；肿瘤疾病的治疗；病毒疾病的治疗；研究基因的工具，等等。六、病毒核酸（一
13、）什么是病毒？病毒是一类亚显微专属性的细胞内寄生物。病毒应该具有如下特征：1. 病毒粒子由蛋白质和核酸构成；2. 病毒粒子是由预先形成的组分装配而成，自身不能进行“生长”(细胞分裂)；3. 病毒自身不具备能量代谢的遗传信息，在能量代谢上绝对依赖于宿主细胞；4. 病毒自身同样不具备物质代谢的遗传信息，如蛋白质，核酸等生物分子的生物合成场所（或条件），这也依赖于宿主细胞。（二）病毒核酸的一般特征1. 病毒核酸的分子量差别显著；2. 病毒核酸可以以DNA、RNA的单链、双链或线形、环形等多种形式存在；3. 病毒的基因组较小，但编码蛋白质的种类却较多。往往同一段核酸链可以翻译出几种多肽；4. 寄生原核
14、生物的病毒基因结构与原核生物基因结构相似，如没有内含子；寄生真核生物的病毒结构与真核生物基因结构相似，如含有内含子等。（三）DNA病毒核酸的结构大多数动物病毒含有双链DNA；双链环形DNA病毒，没有游离的DNA末端，对某些DNA外切酶有抵抗性，不易被降解；双链线形DNA病毒，其DNA链末端有某些特殊 结构，如粘性末端、末端重复序列、末端回文结构、双链末端共价键相连（如痘苗病毒）、末端连接蛋白质（如腺病毒）等。（四）RNA病毒核酸的结构RNA携带其全部遗传信息，病毒基因组大小存在明显差别；有些RNA病毒在形成mRNA时也有类似于DNA病毒的剪接，因此在RNA病毒中也可有一段RNA编码不止一种蛋白
15、质；绝大多数的RNA病毒为单链线形，但也有少数双链RNA，目前还发现了环状病毒（d病毒，HDV）。病毒若具有mRNA功能，称为正链RNA病毒，其核酸具有真核mRNA 的结构特点。病毒互补链起mRNA功能，称为负链RNA病毒。逆转录病毒为正链RNA、单链、有帽尾结构。第二章 基因与基因组一、基因的概念（一）基因概念的发展19世纪孟德尔：生物体的某一特定性状是受一个遗传因子所控制；1926年摩尔根基因论：遗传因子是在特定的染色体上直线排列的遗传颗粒；1928年Griffith肺炎球菌转化实验：证实DNA是遗传物质；1944年Avery用生物化学的方法证明转化因子是DNA而不是其他物质；1953年 Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型，明确了DNA的复制方式；1957年Crick提出中心法则；1957年Benzer提出顺反子概念；1961年Gamow提出三联体遗传密码，从而将DNA分子结构与生物体蛋白质合成结合起来；1961年Jacob和Monod提出了操纵子学说，阐明了基因在乳糖利用中的作用。（二）基因的分子生物学定义基因是指DNA分子中能编码一条多肽链或RNA链，并具有一定长度的DNA片段。一个完整的基因
