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1、分子生物学讲稿第1章 绪论本章主要内容： 分子生物学的主要研究内容；发展简史；与其它生命学科之间的关系；取得的成果-举例；学习方法1 分子生物学的研究内容1.1 分子生物学定义 广义的概念: 是研究蛋白质、核酸等生物大分子的结构和功能的学科。 狭义的概念: 偏重于核酸的分子生物学研究，主要研究DNA（或基因）的复制、转录、表达和调控机理，是从分子水平阐明生命现象及生物学规律的学科。1.2 主要研究内容 生物大分子的结构和功能 基因表达与调控 DNA重组技术 功能基因组学和生物信息学2 分子生物学发展简史准备和酝酿阶段：1865, Mendel 1871, Miescher 1910, Morg
2、an 1928, Griffith 孟德尔遗传定律 DNA的提取 摩尔根遗传定律 肺炎链球菌的转化 1944, Avery 1949, Chargaff DNA转化实验 Chargaff定律确定了蛋白质是生命的主要基础物质确定了生物遗传的物质基础是DNA现代分子生物学的建立和发展阶段：1950-1952, Wilkins，Franklin，Pauling 1953, Waston，Crick 1954, Crick DNA晶体衍射 DNA双螺旋结构模型的建立 中心法则的提出1958, Meselson，Stahl 1961, Jacob，Monod 1965, Nirenberg，Mattha
3、i DNA半保留复制的证明 乳糖操纵子学说的提出 遗传密码的破译 遗传信息传递中心法则的建立 对蛋白质结构与功能的进一步认识开始改造生命的深入发展阶段：1970, Smith 1970, Temin，Baltimore 1972, Berg 限制酶的发现 逆转录酶的发现 DNA重组技术的建立 1977, Sanger, Gilbert 1986, Cech 1994 DNA测序 核酶的发现 生物芯片 .02 基因组时代 后基因组时代3 与其它生命学科的关系分子生物学是目前自然科学中进展最快、最具活力和生气的领域，是新世纪的带头学科。分子生物学已经广泛渗透到生命科学的各个领域之中。DNA重组技术
4、与其它生物工程技术之间的关系：DNA重组：是指用酶学方法将不同来源的DNA在体外切割和连接，使其形成杂合的DNA分子的技术。基因工程：是指将获取的基因或DNA片段插入到适当的载体中，然后转移到适当的宿主细胞中进行扩增和表达的技术。基因工程包括DNA重组、基因的化学合成、体外DNA突变和体内基因操作等技术。凡是在基因水平上操作并改变生物遗传性状的技术，均可称为基因工程技术。遗传工程：泛指所有人工改造生物遗传性状的技术，包括基因工程、物理和化学诱变、细胞融合、花粉培育、有性杂交和常规育种等。这些技术，有分子水平的、细胞水平的，也有个体水平的。生物工程：是更大范围内改造生物和生产生物产品的工程技术，
5、是现代生物学中一切工程技术的总称，包括基因工程、蛋白质工程、酶工程、发酵工程、细胞工程、农业工程等。 几种工程技术之间的关系（图）4 分子生物学技术取得的成果-应用举例200多家生物技术公司生物技术药品产值： 1996-18亿元；1997-30亿元；-72亿元可生产药物品种：约20种世界主要生物药品年销售额（亿美元）EPO 16.5 葡萄糖脑苷酯酶 2.15抗CD3MAb 0.8 人白细胞介素2 0.40凝血因子VIII 2.5 -干扰素 7.00G-CSF 9.36 -干扰素 2.55GM-CSF 0.41 -干扰素 0.04 tPA 3.0 人生长激素 4.50B型肝炎疫苗 10.0 人胰
6、岛素 7.00生物技术产业化农业领域已有35个科120多种植物获得转基因植物，一些重要的农作物获得商品化的转基因品种。种植面积迅猛发展。采用的基因正在从抗除草剂、抗病虫害基因到抗逆境、高品质方向发展。由单个质量性状基因向多基因数量性状转变。植物反应器生产稀有蛋白。5 学习方法与要求树立历史的观点、发展的观点、联系的观点。广泛阅读、深刻领会、重点掌握。作业资料查询途径(演示)考试主要参考书目1 朱玉贤等. . 现代分子生物学（第2版）. 高等教育出版社，北京.2 阎隆飞等. 1997. 分子生物学（第2版）. 中国农业大学出版社，北京.3 孙乃恩等. 1995. 分子遗传学. 南京大学出版社，南
7、京.4 Turner P.C. et al. . Molecular Biology. 科学出版社, 北京.5 Primrose S. et al. . Principle of Gene Manipulation. (Sixth Edition). 高等教育出版社，北京.第2章 染色体与DNA本章主要内容：染色体的组成与结构；DNA的组成与结构；DNA的复制；DNA的修复；DNA的重组1 染色体（Chromosome)的组成与结构染色质：真核间期核中由DNA、组蛋白、非组蛋白蛋白质及少量RNA所组成的复合体。直径约1015nm。染色体：染色体已被普遍用于指存在于病毒、细菌、真核细胞及其细胞器
8、内所含的核酸分子。存在方式：DNA须经高度压缩，即形成一定的高级结构后，才能装入类核和核内。（图）1.1 原核生物(prokaryote)的染色体（图）原核生物基因组的特点（1）结构简练：整个染色体DNA几乎全部由功能基 因与调控序列所组成。 （2）存在多顺反子mRNA的转录单元（3）存在重叠基因：同一段DNA编码不同的蛋白质。 原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因（如rRNA基因）是以多拷贝形式存在。原核基因重叠的方式：（图）（1）一个基因完全存在于另一个基因内（2）部分重叠（3）两个基因只有一个碱基对的重叠1.2 真核生物染色体的组成染色体的组成化学成分 作用
9、含量 DNA 遗传信息的载体 30% 组蛋白 参与核小体的组成 与DNA质量相当非组蛋白 参与染色质结构调节 2/3组蛋白量少量的RNA 少于10% DNA量 非组蛋白主要包括酶类及与细胞分裂有关的各种蛋白质，如HMG蛋白（可能与DNA超螺旋结构有关）、 DNA结合蛋白（可能是与DNA复制和转录有关的酶或调节物）、A24等组蛋白的特性：(1) 进化上的极端保守性 H1 H2A、H2B H3 、H4，(2) 无组织特异性(3) 肽链氨基酸分布的不对称性(4) 组蛋白的可修饰性。在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。修饰的意义：使染色质结构发生改变，使其它调控蛋白易于和
10、染色质相互接触，从而间接影响转录活性。(5) H5组蛋白的特殊性核小体：核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而H1则在核小体的外面。每个核小体只有一个H1。核小体组成的实验证明（图）染色体形成过程中的长度变化（图）2 DNA的组成与结构2.1 DNA的一级结构2.1.1 化学组成与基本单位DNA和RNA中的碱基（图）。核苷和核苷酸（图）。单核苷酸的组成（举例）。核苷酸单链的组成（图）2.1.2 真核DNA序列的特点单一序列(非重复序列)。中度重复序列。高度重复序列高度重复序列的卫星DNA（图）卫星DNA，占
11、1060%，重复次数达数百万次，不转录，多位于着丝粒处，是异染色质组分，可能与染色体稳定有关。2.1.3 三种常见的DNA短重复序列类型反向重复（inverted repeated)：由反方向互补的两个NA片段组成，两个反转重复序列又叫回文序列(palindrome sequence),反转重复。（举例）。镜像重复(mirror repeat)：由反方向完全相同的两个序列组成。（举例）。直接重复(direct repeat)：由同一方向完全相同的两个序列组成。也叫正向重复序列、顺向重复序列。（举例）。反向重复序列与十字型结构:（图）反向重复序列在单股时可形成发卡结构；双股时可形成十字形结构。C
12、-值矛盾C-值：指物种单倍体基因组DNA的总量。C-值悖理（C-value paradox)，C-值矛盾：某些物种C-值大小与其进化复杂性程度之间不呈对应关系的现象。（图）中度重复序列中的特殊成分 Alu家族Alu家族: 哺乳动物和人类基因组中含量最丰富的一种中度重复序列，长约300bp，在单倍体基因组中重复达30万-50万次。因在其170bp处有一个限制性内切酶Alu的酶切位点（AGCT） 而得名。在人类基因组中大约平均每隔6Kb左右就有一个Alu序列，因此它可作为人类DNA片段的特异标记。Alu家族特点如下：（1）重复单位约300bp；（2）重复单位内有一Alu(限制性内切酶)的识别和切割
13、位点AGCT，被切成170bp和130bp两个片段；（3）3-端有富含A的序列；（4）两端有720bp的正向重复作为分界，这部分与简单序列重复(卫星)DNA非常相似；不同的Alu成员的侧翼重复顺序各不相同。下面是人类gDNA中的两个Alu成员：GTTTAGATAAAGCTA25GTTTAGATAAAAAGAAATGGAGCTA25(GAAA)2NA4GA5GA6GAAAAAATAAATGG2.2 DNA二级结构DNA的双螺旋结构模型2.2.1 几个概念DNA结构多态性：由于结构参数存在一定的差异，而使DNA呈现为B-DNA、A-DNA以及Z-DNA等不同构象类型的现象。 DNA构象家族：每一类型的DNA（A-DNA 、B-DNA或Z-DNA），并非只代表单一的构象，而是代表了一组相关的构象。结构参数：指螺旋走向、每匝碱基对数、相邻碱基对轴向距离、碱基平面与螺旋轴之夹角等。 不同螺旋形式DNA分子的主要参数的比较（图）A-DNA B-DNA Z-
