(完整版)分子生物学教案[1]

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1、分子生物学教案一、课程性质 必修课二、教学目的要求 分子生物学是一门近年来发展迅速并且在生命科学领域里应用越来越广泛、 影响越来越深远的一个学科。 从学科角度来讲， 分子生物学函盖面非常广， 与生 物化学和细胞生物学等生命科学主干课程有一些交叉。 在学习本课程之前， 要求 学生已掌握了必要的数、理、化知识，并学习了植物学、动物学、微生物学与生 物化学等基础课程。通过对本课程的学习， 使学生掌握基因概念在分子水平上的发展与演变、 基 因的分子结构和特点、 基因的复制、 基因表达（在转录、翻译水平）的基本原理、 基因表达调控的基本模式、基因发生突变与交换及DNA遗传多型性检测的分子生 物学原理，了

2、解新兴起的基因组学和后基因组学研究现状。 通过与实验课相结合， 系统地介绍与基因克隆相关的 DNA技术，使学生们掌握一些基本的分子生物学技 术。三、教材及有关参考书 朱玉贤等，现代分子生物学高等教育出版社， 2002Benjamin Lewin编著 余龙等主译，Gene毗科学出版社，2005赵寿元等，现代遗传学高等教育出版社， 2001 孙乃恩等，分子遗传学南京大学出版社， 1990四、适用专业生物科学、生物技术、生物工程、科学教育等专业五、授课学时36学时六、课程内容第一章 绪论教学目的：使学生对分子生物学的发展简史、 分子生物学的研究内容及发展 前景有较全面的了解。教学重点、难点：基因概念

3、的发展与演变； 对现代遗传学各发展阶段的认识。 课时安排： 4 学时教学内容：一、什么是分子生物学？分子生物学是研究核酸、 蛋白质等所有生物大分子的形态、 结构特征及其重 要性、规律性和相互关系的科学。二、分子生物学的发展简史从1847年Schleiden和Schwann提出细胞学说，证明动、植物都是由细胞 组成的到今天，虽然不过短短一百多年时间，我们对生物大分子-细胞的化学组成却有了深刻的认识。 孟德尔的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认 识，而 Morgan 的基因学说则进一步将 性状 与基因相耦联，成为分子遗传学 的奠基石。Watson和Crick所提出的脱氧核糖酸双螺旋模型，为

4、充分揭示遗传信 息的传递规律铺平了道路。在蛋白质化学方面，继Sumner在1936年证实酶是蛋白质之后，San ger利用纸电泳及层析技术于1953年首次阐明胰岛素的一级结 构，开创了蛋白质序列分析的先河。而Kendrew和Perutz利用X射线衍射技术解析了肌红蛋白(myoglobin)及血红蛋白(hemoglobin)的三维结构，论证了 这些蛋白质在输送分子氧过程中的特殊作用， 成为研究生物大分子空间立体构型 的先驱。总结与分子生物学相关的诺贝尔奖。三、分子生物学的主要研究内容1 DNA 重组技术 基因工程基因工程指将不同 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

5、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。DNA 重组技术有着广阔的应用前景： 在生物技术制药领域中的应用。如：利用基因工程技术改造传统的制药 工业；利用克隆的基因表达生产有用的肽类和蛋白质药物或疫苗。 定向改造某些生物的基因组结构，使它们具备某些特殊的经济价值。 在基础研究中的应用。如：基因的克隆与分析；启动子分析。2基因表达调控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

6、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）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，基因表达的调控主要发生在转录水平。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 3个方面。3生物大分子结构功能 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

7、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及结构 与功能相互关系的建立 3 个主要研究方向。 最常见的研究三维结构及其运动规律 的手段是 X 射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学） ，其次是用二维核磁共振和 多维核磁研究液相结构， 也有人用电镜三维重组、 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。4功能基因组学与生物信息学研究先后完成了包括从大肠杆菌、 酿酒酵母到线虫等十余种模式

8、生物基因组全序 列的测定工作， 并于 2002年2月12日完成人类基因组测序工作。 世界两大最著 名的学术刊物 nature 和 science 同时发表了人类基因组全序列。基因组测序工作的进展是非常令人振奋的但是也随之产生了新问题。大量涌出的新基因数据迫使我们不得不考虑这些基因编码的蛋白质有什么功能这 个问题。在这些基因组中通常有一半以上基因的功能是未知的。 因此读懂基因组 称为后基因组时代的生命科学领域面临的巨大的挑战。在功能基因组时代， 应用生物信息学方法， 高通量地注释基因组所有编码产 物的生物学功能是一个重要的特征。 生物信息学是在各种 “组学” 研究的推动下 发展起来的 .传统的研

9、究方法是只研究某一个基因或蛋白质或转录产物，而“组 学“的研究是采用高通量的技术分析细胞中全部的基因和蛋白质， 这样势必会产 生海量的信息，因此，人们必须寻求一种 高速度、高效率、大规模的方式积累数 据处理分析方法。四、分子生物学展望未来的发展方向：不同模式生物基因调控网络的比较分析； RNA 介导的基因表达调控网络； 表观遗传(epigenet信息的整合；从数据整合到系统生物学(systems biology)第二章 遗传的物质基础 DNA教学目的：使学生了解并掌握 DNA 的结构与功能教学重点、难点：DNA的一级结构的测定，DNA的二级结构及超螺旋结构。 课时安排： 4 学时教学内容：第一

10、节 DNA 的一级结构一、一级结构的构成所谓 DNA 的一级结构，就是指 4 种核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该 DNA 分子的化学构成。核苷酸序列对 DNA 高级结构的形成有很大影响，如 B-DNA中多聚(G-C)区易出现左手螺旋 DNA (Z-DNA ),而反向重复的DNA 片段易出现发卡式结构等。二、一级结构的序列测定目前所用的 DNA 测序方法是在末端终止法的基础上发展起来的。由英国科 学家Sanger提出的。San ger在生物大分子的序列测定方面做出了杰出贡献。他 曾在 1953 年利用小片段重迭法成功测定了胰岛素 51 个氨基酸序列，并获得诺贝 尔奖。 1977 年又利用末端终

11、止法测定了 X174 噬菌体得 DNA 序列，第二次获 得诺贝尔奖。末端终止法又称为双脱氧法，基本原理是模拟体内 DNA 的复制过程在体外 合成 DNA ，通过测定 DNA 片段的相对长度来推断核苷酸序列。至于成分大家不要死记，可以回忆一下 DNA 复制过程需要哪几种组分：模 板、dNTP、弓I物、DNA聚合酶，其中一种dNTP的磷酸基团用P32标记。除此 之外还需要每个管中分别加入一种 ddNTP。 DDNTP 是双脱氧核苷酸，由于在 3 位上缺少-0H,无法与下一个单体之间形成磷酸二酯键，因此，一旦掺入DNA链的延伸后，便终止 DNA 的合成这样，在 DNA 聚合酶的作用下核苷酸链不断 延

12、伸，我们可以调整dNTP和ddNTP的浓度，使ddNTP在每个位置上都有一个 掺入的机会。每个管都会产生一系列长短不一的 DNA 片段，其共同特征是末端 的最后一个碱基是相同的。我们将所得的所有 DNA 片段进行凝胶电泳，长度不 同，泳动的速度不同。 8%-20%的聚丙烯酰胺可将相差一个碱基的 DNA 片段区 分开，由于 dCTP 是放射性标记的，我们将凝胶放射自显影后，有 DNA 片段的 位置就会显示出相应的信号带。自下而上依次将碱基序列读出。第二节 DNA 的二级结构一、二级结构的特点DNA 不仅具有严格的化学组成，还具有特殊的高级结构，它主要以有规则 的双螺旋形式存在，其基本特点是：1、

13、DNA 分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的；2、DNA 分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排 列在内侧；3、两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成有一定的规律。这 就是嘌呤与嘧啶配对，而且腺嘌呤（A）只能与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）只能与胞嘧啶（C）配对。如一条链上某一碱基是 C,另一条链上与它 配对的碱基必定是Go碱基之间的这种一一对应的关系叫碱基互补配对原则。 组成DNA分子的碱基虽然只有4种，它们的配对方式也只有 A与T, C与G 两种，但是，由于碱基可以任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。例如，某 DNA 分子的一条多核苷酸链

14、有 100 个不同的碱基组成，它们的可能 排列方式就是 4100o二、变性、复性及杂交变性：指双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，只涉及次级键的破坏。常用的 DNA变性方法：热变性和用变性剂处理。如何判断DNA是否发生变性了呢？常用的方法是测定 DNA的光吸收值。 在碱基的嘌呤环和嘧啶环中存在共扼双键， 在 240290nm 波长有一强烈的吸收 峰，最大吸收值在260nm。（蛋白质由于存在肽键，在 280nm有明显的吸收峰） 当DNA变性时，有序的碱基排列被破坏，光吸收值显著增加，该现象称为增色 效应。当缓慢增加 DNA 溶液的温度时，记录不同温度下的 A260 的数值，即绘 制成 DNA 的变性

15、曲线。以温度为横坐标，以 A260 为纵坐标。当 A260 增加到 最大值的一半时，这时的温度称为 DNA 的溶解温度或熔点， Tm 表示。除此之外，光吸收法也是实验室定量测定 DNA 和 RNA 浓度和纯度的一种 方法。从某种样品中提取了基因组 DNA，可根据A260/A280的比值判断其纯度。复性：变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程。杂交：在退火条件下，带有互补核苷酸序列的单链 DNA 或 RNA 混合在一起， 其相应的互补区段会形成双链结构。 分子杂交是分子生物学常用的技术， 可用来 检测某一特定基因的时空表达情况和在基因组中的。分子杂交最初是由Southern设计出来的。当时是用DNA探针检测的DNA , 也就是DNA与DNA的杂交，人们就将这种方法称为是 Southern blotting。在此 基础上，人们设计出 DNA探针检测RNA，称为Northern blotting。基因芯片的工作原理与经典的核酸分子杂交方法(southern、northern)是一致的，都是探针和互补的靶基因结合， 通过随后的信号检测进行定性与定量分析。 基因芯片(DNA microarray)指将N个目的DNA用自动化设备点在固体支持物 上, DNAS固化后，用不同颜色的荧光标记的探针对这些DNA同时进行杂交，根据杂交结果呈现的不同颜色，经计