分子生物学教案(整理版)

第一章绪论（2学时）本章重点分子生物学的研究内容。

基本要点一、分子生物学简史基因概念的发展遗传物质与蛋白质的对应关系DNA二级结构的发现DNA复制机制的发现—半保留复制Jacob和Monod提出基因表达的操纵子模型遗传密码的破译分离限制性内切酶-重组DNA—定向改变生物测序、PCR、分子杂交基因组计划和后基因组时代：1．人类基因组计划的主要内容：①遗传图分析；②物理图分析；③转录图分析；④基因组序列测定；⑤资料的储存与利用。

2．后基因组研究：①功能基因组学；②蛋白质组学。

二、分子生物学的研究内容分子生物学是研究核酸、蛋白质等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。

从分子水平揭示生命的奥秘的学科。

它的主要研究内容包括：生物大分子的结构与功能（结构分子生物学）基因表达的调控DNA重组技术基因组结构和功能，生物信息学三、分子生物学展望第二章DNA与染色体（10学时）本章重点1．DNA双螺旋结构模型要点。

2．核小体的概念。

3．DNA的变性、复性及分子杂交。

4．基因组，基因家族。

5．DNA的转座。

本章难点DNA在真核细胞内的组装；基因家族；DNA的转座。

基本要点一、核酸的化学组成1．核苷酸中的碱基成分碱基：嘌呤(A，G) 嘧啶（T，C，U）2．戊糖与核苷核苷酸（脱氧核苷酸）：核苷（脱氧核苷）与磷酸通过酯键结合。

3．核苷酸的结构与命名核苷一磷酸（nucleoside monophosphate，NMP）核苷二磷酸（nucleoside diphosphate，NDP）核苷三磷酸（nucleoside triphosphate，NTP）环腺苷酸（cycle AMP，cAMP）环鸟苷酸（cycle GMP，cGMP）二、核酸的一级结构1．DNA和RNA的一级结构四种核苷酸或脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以3’，5’磷酸二酯键（phosphodiester linkage）相连形成的多聚核苷酸链或脱氧核苷酸（polydeoxy- nucleotides），称为核苷酸序列(也称为碱基序列)。

脱氧核苷酸或核苷酸的连接具有严格的方向性，是前一核苷酸的３’-OH与下一位核苷酸的5’-位磷酸间形成3’，5’磷酸二酯键，构成一个没有分支的线性大分子。

DNA的书写应从5'到3'。

2．RNA与DNA的差别戊糖成分是核糖不是脱氧核糖; 嘧啶为胞嘧啶和尿嘧啶而不含有胸腺嘧啶，U代替了DNA的T。

DNA和RNA对遗传信息的携带和传递是依靠核苷酸中的碱基排列顺序变化而实现的。

三、DNA的空间结构与功能1．DNA的二级结构——双螺旋结构模型ＤＮＡ的双螺旋结构的研究背景：Chargaff规则：①Ａ=T，G=C；②不同生物种属的DNA碱基组成不同，③同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。

ＤＮＡ双螺旋结构模型的要点：①ＤＮＡ是一反向平行的互补双链结构亲水的脱氧核糖基和磷酸基骨架位于双链的外侧、而碱基位于内侧，两条链的碱基互补配对，A---T形成两个氢键，G---C形成三个氢键。

堆积的疏水性碱基平面与线性分子结构的长轴相垂直。

两条链呈反平行走向，一条链５’→３’，另一条链是３’→５’。

）。

②DNA是右手螺旋结构DNA线性长分子在小小的细胞核中折叠形成了一个右手螺旋式结构。

螺旋直径为２nm。

螺旋每旋转一周包含了10对碱基，每个碱基的旋转角度为36°。

螺距为3.4nm；碱基平面之间的距离为0.34nm。

DNA双螺旋分子存在一个大沟（major groove）和一个小沟（minor groove），目前认为这些沟状结构与蛋白质和DNA间的识别有关。

③DNA双螺旋结构稳定的维系横向靠两条链间互补碱基的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持，尤以碱基堆积力更为重要。

2．ＤＮＡ结构的多样性B-DNA(Ｗatson-Crick模型结构)；Z-DNA；A-DNA。

3．DNA的超螺旋结构DNA在双链螺旋式结构基础上，进一步折叠成为超级螺旋结构。

正超螺旋、负超螺旋。

四、核酸的理化性质及其应用1．核酸的一般理化性质核酸具有较强的酸性。

DNA是线性高分子，粘度极大，RNA分子远小于DNA，粘度也小得多。

DNA分子在机械力的作用下易发生断裂。

嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键，因此对波长260ｎｍ左右的紫外光有较强吸收。

这是DNA和RNA定量最常用的方法。

2．ＤＮＡ的变性ＤＮＡ变性在某些理化因素作用下，DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，DNA双螺旋结构松散，变成单链。

加热是实验室最常用的DNA变性的方法。

DNA的增色效应（hyperchromic effect）加热时，DNA双链解链过程中，内部的碱基暴露，对260nm波长紫外光吸收增加，DNA的A260增加，并与解链程度有一定的比例关系。

这种关系称为DNA 的增色效应（hyperchromic effect）。

解链曲线连续加热DNA的过程中以温度对A260的关系作图，所得的曲线。

从曲线中可以看出，DNA的变性从开始解链到完全解链，是在一个相当窄的温度内完成的，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50％时的温度称为DNA的解链温度（融解温度）（melting temprature，Tm）。

在Tm时，核酸分子内50%的双链结构被解开。

一种DNA分子的Tm值的大小与其所含碱基中的G+C比例相关，G+C比例越高，Tm值越高。

Tm值计算公式：Tm＝69.3+0.41（%G+C）；＜20bp的寡核苷酸的Tm计算：Tm＝4（G+C）+2（A+T）。

3．ＤＮＡ的复性与分子杂交DNA复性变性DNA在适当条件下，分开的两条单链分子按照碱基互补原则重新恢复天然的双螺旋构象的现象。

热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，又称为退火（annealing）。

DNA的复性速度受到温度的影响，复性时温度缓慢下降才可使其重新配对复性。

如加热后，将其迅速冷却至４℃以下，则几乎不可能发生复性。

这一特性被用来保持DNA的变性状态，一般认为，比Tm 低25℃的温度是DNA复性的最佳条件。

核酸分子杂交（hybridization）不同来源的DNA单链分子（DNA或RNA）放在同一溶液中，只要含有大致相同的互补碱基序列，经过退火处理，能够重新形成杂种双螺旋，这个过程称为分子杂交。

可以用来检验不同物种的同源序列或同源基因。

双链分子的再形成既可以发生在序列完全互补的核酸分子间，也可以发生在那些碱基序列部分互补的不同的DNA之间或DNA与RNA之间。

核酸分子探针用同位素、生物素或荧光染料标记一小段已知序列的多聚核苷酸的末端或全链就可以作为探针，探针的序列如果与DNA或RNA序列互补，就可以探知核酸分子。

五、基因和基因组（一）、基因(gene)是合成一种功能蛋白或RNA分子所必须的全部DNA序列。

一个典型的真核基因包括：①编码序列—外显子(exon)；②插入外显子之间的非编码序列—内合子(intron)；③5'-端和3'-端非翻译区(UTR) ；④调控序列(可位于上述三种序列中)。

绝大多数真核基因是断裂基因(split-gene)，外显子不连续。

（二）、基因组(genome)一特定生物体的整套(单倍体)遗传物质的总和，基因组的大小用全部DNA 的碱基对总数表示。

人基因组3×109(30亿bp)，共编码约3万个基因。

每种真核生物的单倍体基因组中的全部DNA量称为C值，与进化的复杂性并不一致(C-Value Paradox)。

六、真核生物基因组（一）、真核生物基因组的特点：①真核基因组DNA在细胞核内处于以核小体为基本单位的染色体结构中；②真核基因组中，编码序列只占整个基因组的很小部分(2—3％)。

（二）、真核基因组中DNA序列的分类1、高度重复序列(重复次数>105)：如卫星DNA(Satellite DNA)。

2、中度重复序列（1）中度重复序列的特点①重复单位序列相似，但不完全一样；②散在分布于基因组中；③序列的长度和拷贝数非常不均一；④中度重复序列一般具有种属特异性，可作为DNA标记；⑤中度重复序列可能是转座元件(返座子)。

（2）中度重复序列的分类①长散在重复序列(long interspersed repeated segments．) LINES②短散在重复序列(Short interspersed repeated segments) SINESSINES：长度<500bp，拷贝数>105．如人Alu序列LINEs：长度>1000bp(可达7Kb),拷贝数104-105，如人LINEl。

3、单拷贝序列(Unique Sequence)包括大多数编码蛋白质的结构基因和基因间间隔序列。

（三）、基因家族(gene family)一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因。

可能由某一共同祖先基因(ancestral gene)经重复(duplication)和突变产生。

基因家族的特点：①基因家族的成员可以串联排列在一起，形成基因簇(gene cluster)或串联重复基因(tandemly repeated genes)，如rRNA、tRNA和组蛋白的基因；②有些基因家族的成员也可位于不同的染色体上，如珠蛋白基因；③有些成员不产生有功能的基因产物，这种基因称为假基因(Pseudogene)．Ψa1表示与a1相似的假基因。

假基因分类。

加工过的假基因(processed pseudogene)。

典型的基因家族1．tRNA基因单倍体人基因组中1300个tRNA基因，tRNA基因簇。

2．rRNA基因>l00 copy．rRNA基因簇(重复单元28S、18S、5.8s-rRNA)3．组蛋白基因30-40 copy．定位：7q32-q36组蛋白基因簇(重复单位：H1，H2A，H2B，H3、H4)特点：无intron，Poly(A)- RNA。

4．珠蛋白基因α类：16p13，基因簇(24Kb)：5’—ζ—Ψζ—Ψα1—α2—α1—3’β类：11p15，基因簇(60Kb)：5’—ζ—Gr—Ar—Ψβ—δ—β—3’（四）、超基因家族(Supergene family ，Superfamily)由基因家族和单基因组成的大基因家族，结构上有程度不等的同源性，但功能不同。

（五）、人类基因组中的重复序列标记1、A1u序列单倍体人基因组50万-100万拷贝，平均每隔3-6Kb就有一个Alu序列，人A1u 序列长300bp：2×130bp重复序列；+31bp间隔序列(中间)；两侧7-21bp正向重复(direct repeats)，返座子?Alu序列广泛散布于人基因组，约90%已克隆的人基因含有Alu序列；Alu序列标志。