1、免费考研网 制作 pdf版本 免费考研网 北大生命科学院分子生物学讲分子生物学课程教学讲义 朱玉贤 第一讲 序论 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、结构特征及其重要性、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 对像 的
2、分子生物学 就迅速成为 现代 社会 中 最具活力 的科学 。 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 充
3、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 ， Sanger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 。 1910年 ， 德
4、 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 。 1965年 ，
5、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 。 1988年 ， McClintock由 于在 50年
6、 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 （ introns） 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 。 此外 ， 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 粗糙 型（
7、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 以 及 Yanofsky和 Brener（ 1961） 年 关 于 遗传密码 三 联 子的 设想 都为 分子生物学的 发展做 出了 重大 贡献 。 我 国 生物科学 家 吴宪 20世 纪 20年 代 初回 国后在 协 和 医 科大学生 化 系 与 汪猷 、 张昌颖 等人一 道 完
8、 成了 蛋白质 变 性 理 论、 血 液 生 化 检 测 和免 疫 化 学等一系 列 有重大 影响 的研究， 成为我 国 生物 化 学界的 先 驱 。 20世 纪 60年 代、 70年 代和 80年 代， 我 国 科学 家 相 继实 现 了 人 工全 合 成 有生物学 活 性的结 晶牛 胰岛素 ， 解 出了 三方 二 锌猪 胰岛素 的 晶 体 结构， 采 用 有 机 合 成与 酶 促 相结 合 的 方法 完 成了 酵母丙 氨 酸转 移 核 糖 核酸的人 工全 合 成 ， 在酶 学研究、蛋白质结构及生物 膜 结构 与 功能 等 方面 都 有世所 瞩目 的 建树 。 三 、分子生物学的主要研究 内
9、 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 ： 1 构 成 生物 体 有 机 大分子的 单 体 在 不同 生物中 都 是相 同 的 ； 免费考研网 制作 pdf版本 免费考研网 2 生物 体 内 一 切 有 机 大分
10、子的 建 成都 遵循着 各 自特 定 的规 则 ； 3 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 : DNA重组 技术 -基因 工 程 基因 表达 调 控 -核酸生物学 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 ） 这 是 20世 纪 70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
11、受 体细胞 的 新 的 遗传 性 状。 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 是核酸 化 学、蛋白质 化 学、 酶 工 程及 微 生物学、 遗传 学、 细胞 学 长期 深 入 研究的结 晶 ， 而 限 制性 内 切 酶 DNA连 接 酶 及其 他 工 具 酶 的 发 现 与 应 用 则 是 这 一 技术 得 以 建 立 的关 键 。 DNA重组 技术 有 着广阔 的应 用 前景 NA重组 技术 可 用于 定 向改造 某 些 生物 基因 组结构， 使 它
12、们 所 具 备 的特 殊 经济 价 值 或功能得 以成百 上 千倍 的地 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 是从 DNA到 RNA， 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 。 基因 表达 调 控 研究 因为 蛋白
13、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 ）。 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
14、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 。 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
15、 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
16、白质分子 。 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 及结构 与 功能 相互关系的
17、 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 。 义 第二讲 染色 体与 DNA 免费考研网 制作 pdf版本 免费考研网 一、 DNA的组 成与 结构 Avery在 1944年 的研究 报告 中 写 道 ： “当 溶 液 中 酒精 的 体 积 达 到 9/10时 ，有 纤
18、 维 状 物质 析 出。 如 稍 加 搅拌 ， 它 就会 象 棉 线在线 轴 上一 样绕 在 硬棒 上， 溶 液 中的其 它 成 份 则 呈颗粒 状 沉淀 。 溶 解 纤 维 状 物质 并 重 复 数 次 ， 可 提 高 其 纯 度 。这 一 物质 具 有 很 强 的生物学 活 性， 初 步 实 验 证 实 ， 它 很 可能 就 是 DNA（ 谁 能想 到 ！ ） “。对 DNA分子的物 理化 学研究 导致 了 现代生物学 翻 天 覆 地的 革 命， 这 更 是 Avery所 没 有 想 到。 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
19、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 。 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、 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 姿峤惶媪 樱 旁谕獠啵
20、钩苫 竟羌埽 罨 帕 性 谀诓唷 ?br3、 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 G。 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
21、 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 有 100个 不同 的 碱 基 组 成 ， 它 们 的 可能 排 列方 式 就 是 4100。 二、 DNA聚 合酶 与 DNA的 合 成 The accuracy of translation relies on the specificity of base pairing. The actual rate in bacteria seems to be -10-8-10-10. This corresp
22、onds to -1 error per genome per 1000 bacterial replication cycles, or -10-6 per gene per generation. DNA polymerase might improve the specificity of complementary base selection at either (or both) of two stages: 1， It could scrutinize the incoming base for the proper complementarity with the templa
23、te base; for example, by specifically recongnizing matching chemical features. This would be a presynthetic error control. 2， Or it could scrutinize the base pair after the new base has been added to the chain, and, in those cases in which a mistake has been made, remove the most recently added base
24、. This would be a proofreading control. 三 、 DNA的生 理意 义及 成 分分 析 早 在 1928年 英国 科学 家 Griffith等人 就 发 现 肺炎链球 菌 使 小鼠残废 的 原 因 是 引 起 肺炎 。细 菌 的 毒 性 （ 致病 力 ） 是由 细 胞 表 面 荚 膜 中的 多糖 所 决定 的 。具 有 光滑 外 表 的 S型 肺炎链球 菌 因为带 有 荚 膜 多糖而都 能 使 小鼠 发病 ， 而具 有 粗糙 外 表 的 R型 因为 没 有 荚 膜 多糖而 失 去 致病 力 （ 荚 膜 多糖 能保 护 细 菌 免 受 运 动白 细胞 攻击
25、）。 首 先 用实 验 证明基因就 是 DNA分子的是 美国 著 名 的 微 生物学 家 Avery。 Avery等人 将 光滑 型 致病 菌（ S型） 烧煮杀灭 活 性 以 后 再 侵 染 小鼠 ， 发 现 这些 死 细 菌 自然 丧 失 了 致病能 力。 再 用 活 的 粗糙 型 细 菌（ R 型） 来 侵 染 小鼠 ， 也 不 能 使之 发 病 ， 因为 粗糙 型 细 菌 天 然 无 致病 力。当 他 们将 经 烧煮杀死 的 S型 细 菌 和 活 的 R型 细 菌 混 合 再 感 染 小鼠 时 ， 实 验 小鼠 每 次 都 死 了。 解 剖死 鼠 ， 发 现有大 量 活 的 S型（ 而不
26、 是 R型） 细 菌 。 他 们 推测 ， 死 细 菌 中的 某 一 成 分 棗 转 化 源 （ transforming principle） 将 无 致病 力 的 细 菌 转 化成 病原 细 菌 。 美国 冷泉港 卡 内 基遗传 学 实 验 室 科学 家 Hershey和 他 的学生 Chase在 1952年 从 事噬 菌 体 侵 染 细 菌 的 实 验 。 噬 菌 体 专 门寄 生 在 细 菌 体 内 。 它 的 头 、 尾 外 部都 有由蛋白质组 成 的 外 壳 ， 头 内 主要是 DNA。 噬 菌 体 侵 染 细 菌 的 过 程 可 以 分 为以 下 5个 步 骤 ： 噬 菌 体 用
27、 尾 部 的 末 端 （ 基 片 、 尾丝 ） 吸附 在 细 菌 表 面 ； 噬 菌 体 通 过 尾 轴 把 DNA全 部 注 入 细 菌 细胞 内 ， 噬 菌 体 的蛋白质 外 壳 则 留 在 细胞 外面 ； 噬 菌 体 的 DNA 一 旦 进 入 细 菌 体 内 ， 它 就 能 利用 细 菌 的生命 过 程 合 成 噬 菌 体 自 身 的 DNA和蛋白质 ； 新 合 成 的 DNA和蛋白质 外 壳 ， 能 组 装 成 许许 多多与 亲 代 完全 相 同 的子 噬 菌 体 ； 子代 噬 菌 体 由 于免费考研网 制作 pdf版本 免费考研网 细 菌 的 解 体而 被 释放 出 来 ， 再
28、去 侵 染 其 他 细 菌 。 他 们 发 现被 感 染 的 细 菌 中 带 有 70%的 噬 菌 体 DNA， 但只 带 有 20%的 噬 菌 体 蛋白质 。 子代 噬 菌 体 中 带 有 50%标记 的 DNA， 却 只 有 1%的 标记 蛋白质 。 四 . C-value和 Cot1/2 The total amount of DNA in the haploid genome is a characteristic of each living species known as C-value. Cot1/2 is the product of concentration and ti
29、me required for 50% reassociation given in nucleotide-moles second/liter. 五 、 染色 体 结构 DNA molecules are the largest macromolecules in the cell and are commonly packaged into structures called “ chromosomes” , most bacteria 如 果 注 射后 几 分 钟 内 即 收 获 肝脏 ， 那么 ， 放 射 性 标记 只 存在于 含 有核 糖体 颗粒 的 细胞 质 成 份 中 。 （ 2） Francis Crick等人第一 次 证 实 只 有 用三 联 子 密码 的形 式 才 能 把 包含 在 由 AUGC四 个 字 母 组 成遗传 信息（ 核酸 ） 准确 无 误 地 翻译 成 由 20种 不同 氨 基 酸组 成 的蛋白质序 列 ， 实 现 遗传 信息 的 表达 。 实 验 1: 用 吖 啶 类 试 剂 （ 诱 导 核 苷 酸 插 入 或 丢 失 ） 处 理 T4噬 菌 体 rII位 点 上的 两 个 基因 ， 使之 发 生 移 码 突变 （ frame-shift） ，
