(完整版)分子生物学与基因工程

2021年2月28日发(作者：viagra)
绪论

分子生物学

广义：
研究蛋白质及核酸等生物大分 子结构和功能，
也就是从分子水平阐明生
命现象和生物学规律。


狭义：
研究生物体主要遗传物质——基因或
DNA
的结构及其复制、
转录、
表达
和调节控制等过程的科学。

基因工程：
是指将一种或多种生物体的基因或基因组提取出来
,
或者人工合成的基因
,
按照
人们的愿望
,
进行严密的设计
,
经过体外加工重组
,
通过一定的方法
,
转移到另一种生物
体的细胞内
,
使之能在受体细胞遗传并获得新的遗传性状的技术。

里程碑事件：
1944
年，
Avery
在肺炎双球菌转化实验中证实了
DNA
是遗传的物质 基础，
标志
着分子生物学的诞生。

1953
年，
Wats on
和
Crick
提出
DNA
双螺旋模型，为分子生物学的发展奠定 了坚实的基础。

1961
年，法国科学家
Jacob
和
M onod
提出了乳糖操纵子模型。

1972
年，
Berg
构建了世界上第一个重组
DNA
分子，开辟了生物学新领域——遗传工程。

1983
年，
Mullis
发明了聚合酶链式反应（
PCR
）技术， 极大地推动了分子生物学的发展。

90
年代，开展了“人类基因组计划”和模式生物 的基因组测序，分子生物学进入“基因组
时代”
。目前，分子生物学进入了“后基因组时代”或 “蛋白质组时代”
。


第二讲

核酸的化学成分：
核酸是一种高分子的化合物，
它的构成单元是核苷酸，
是核苷酸的多聚体。

核苷酸分子由三个部分组成：


碱基：嘧啶、嘌呤

核苷


五碳糖：核糖或脱氧核糖

核苷酸


磷酸…………………………………………

脱氧核糖核酸（
DNA
）和核糖核酸（
RNA
）

（
1
）
DNA
含的糖分子是脱氧核糖，
RNA
含的是核糖；

（
2
）
DNA
含有的碱基是腺嘌呤（
A
）
、胞嘧啶（
C
）
、鸟嘌呤（
G
）和胸腺嘧啶（
T
）
，
RNA
含有
的碱基前
3
个与
DNA< br>完全相同，只有最后一个胸腺嘧啶被尿嘧啶（
U
）所代替；

（
3
）
DNA
通常是双链，而
RNA
主要为单链；

（
4
）
DNA
的分子链一般较长，而
RNA
分子链较短。

核酸的分布：
真核生物的绝大部分
DNA
存在于细胞核内的染色体 上，
它是构成染色体的主要
成分之一，还有少量的
DNA
存在于细胞质中的叶绿体、线粒体等细胞器内。
RNA
在细胞核
和细胞质中 都有，核内则更多地集中在核仁上，少量在染色体上。细菌也含有
DNA
和
RNA
；
多数噬菌体只有
DNA
；多数植物病毒只有< br>RNA
；动物病毒有些含有
RNA
，有些含有
DNA
。

间接证据：
（
1
）一种生物不同组织的细胞，不论年龄 大小，功能如何，它的
DNA
含量是恒定
的，
而生殖细胞精子的
DN A
含量则刚好是体细胞的一半。
多倍体生物细胞的
DNA
含量是按其
染色体倍数性的增加而递增的，但细胞核里的蛋白质并没有相似的分布规律。

（
2
）
DNA
在代谢上较稳定。

（
3< br>）
DNA
是所有生物的染色体所共有的，而某些生物的染色体上则没有蛋白质。

（
4
）
DNA
通常只存在于细胞核染色体上，但某些能自体复制的细 胞器，如线粒体、叶绿体
有其自己的
DNA
。

（
5
）在各类生物中能引起
DNA
结构改变的化学物质都可引起基因突变。

直 接证据：
肺炎链球菌试验；噬菌体侵染实验；烟草花叶病毒侵染烟草实验（
RNA
）< br>
DNA
结构：
多核苷酸链片段（一级）
；双螺旋结构（二级）
（
1
）两条多核苷酸链以右手螺旋的形式彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上；

（
2
）两条多核苷酸链走向为反向平行，即一条链磷酸二酯键为
5
’－
3
’方向，而另一条为
3
’一
5
’方向，二者 刚好相反；

（
3
）每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核 糖相联系，另一方面通过氢
键与它互补的碱基相联系。
互补碱基对
A
与
T
之间形成两对氢键，
而
C
与
G
之间形成三对氢
键。上下碱基对之间的距离为
0.34nm
；

（
4
）每个 螺旋为
3.4nm
长，刚好含有
10
个碱基对，其直径约为
2nm< br>；

（
5
）在双螺旋分子的表面大沟和小沟交替出现。
< br>维持双螺旋结构稳定性的力：
（
1
）氢键（
2
）疏水作用—— 碱基堆集力（
3
）范德华力（
4
）
磷酸基的负电荷静电斥力（
5
）碱基分子内能

Tm
：
是指吸收值增加的中点。
影响因素：

1
）
DNA
序列中
G + C
的含量或比例，含量越高，
Tm
值也越大（决定性因素）
；
2
）溶液的离子强度；
3
）核酸分子的长度有关：核酸分子越
长，
Tm
值越大；
4
）某些化学物质；
5
）溶液
pH
值

Z-DN A
是左手螺旋，每个螺旋含
12
个碱基对，比
A-DNA
拧得更紧< br>;
双螺旋中不存在深沟，只
有浅沟……

DNA
的精细结构

（
1
）依赖于序列的
B-DN A
构象变化：双螺旋的许多结构参数是随碱基序列的不同而在一定
范围内变化的，
这称 为
DNA
的局部构象。
在
DNA
中，
随碱基序列的不同而变 化的参数有许多，
其中重要的有
螺旋扭转角、螺旋桨扭角、
碱基对转动角
等， 此外碱基对间还会发生滑动。以
上这些变化使
DNA
形成了精细结构。
而精细 结构正是
DNA
发挥功能时，
相应蛋白质因子与靶
位点作专一性识别和结合的 标志。

（
2
）连续
AT
序列的构象；

（
3
）含错配碱基对的
B-DNA
；

（
4
）
DNA
的局部构象与
DNA
结合蛋白：各种酶（如
DN A
聚合酶、
RNA
聚合酶等）
；调节蛋白
（如
CAP
，
Cro
阻遏物等）
；
这些蛋白质与
DNA
的结合涉及到 生物学中的一些基本问题，
如遗
传和个体发育等，因此，核酸
-
蛋白质交互作 用已成为分子生物学中的一个研究热点。

DNA
的超螺旋结构（此处含有一道大题，详见平时的作业本）

DNA
结构的变化可以用数学式来表述：
L = T
＋
W < br>L
称为
DNA
的连接数；
T
称为盘绕数；
W
为超盘绕数。

天然的
DNA
都呈负超螺旋，
但在体外可得正超螺旋

环形
DNA
分子会由超螺旋化而变得更为致密，
它们在
超离心
中的沉降速 度和在
凝胶电泳
中的
迁移速度都增加，故超螺旋
DNA
可通过这两种 方法来检测和分离。

拓扑异构酶
含义：指细胞内存在着一类能催化
DNA< br>拓扑异构体相互转化的酶

DNA
中的不寻常结构：
交替的嘧啶、嘌呤 重复序列倾向形成
Z-DNA
；反向重复序列倾向形成
十字形结构；构成
镜像 重复
的同型嘧啶
-
同型嘌呤序列可能形成
三链结构（
T-A-T; C-G-C
）
；
富含
G
的序列可能形成
四链结构（端粒酶）
G-G
G-G

k
对
DNA
具有特征性，它与
DNA
的 碱基对数目成反相关，因此，

Cot
曲线
提供了一种测定
DNA
分子量的方法。
Cot
曲线也揭示单一来源的
DNA
所具有的不同复杂性部分。

Southern
杂交鉴别
DNA

第三讲

染 色体的结构特征
:
染色体是由染色质构成的，
染色质是由
DNA
、< br>RNA
和蛋白质形成的复合体。

组蛋白在进化中是保守的；组蛋白在翻译后是 受到修饰的，其中包括特异精、组、赖、丝和
苏氨酸残基的甲基化、乙酰基化和磷酸化。

染色质基本单位核小体。核小体由约
200
bp
的
DNA
和
H2A
，
H2B
．
H3
及
H4
各
2
分子所组成。
念珠状。

C
值的含义：
在真核生物中， 每种生物的单倍体基因组的
DNA
总量是恒定的，称之为
C
值，
它是 每种生物的一个特性，不同物种的
C
值差别很大。

C
值悖理：< br>一般认为，一个生物的形态学复杂性应该与其
C
值的大小大致相关，但是，
C< br>值
和进化之间的复杂性并没有严格的相应关系。

DNA
的形状与大小 ：
DNA
一般为长而无分支的双股线性分子，但有些为环型，也有少数为单
股环型。不 同的
DNA
大小相差悬殊。虽然一般而言，复杂的有机体需要更多的
DNA
， 但不存
在严格的对应关系。

DNA
的序列组织：
真核生物
DNA
碱基组成上的异质性主要由于存在着以下
3
类
DNA
序列：< br>①
高度重复序列
（卫星
DNA
；
微卫星
DNA
：
Alu
家族）
；
②中度重复序列
（中度重复序列包括
r RNA
和组蛋白基因，
每一基因组约含
1000
拷贝）
；
③单一序列
（包括酶在内的各种蛋白质基因）
。

简述真核生物基因组特点（
此处含有一个问答大题，详见平时的作业本
）


第四讲


丙氨酸


Ala

A

精氨酸

Arg

R


天冬酰氨

Asn
N


天冬氨酸

Asp
D


半胱氨酸

Cys

C

谷氨酰胺

Gln
Q


谷氨酸

Glu
E


甘氨酸


Gly

G

组氨酸

His

H

异亮氨酸

Ile

I

亮氨酸

Leu

L

赖氨酸

Lys

K


甲硫氨酸

Met

M

苯丙氨酸

Phe

F


脯氨酸

Pro

P

丝氨酸

Ser

S

苏氨酸

Thr

T

色氨酸


Trp

W


酪氨酸

Tyr

Y


缬氨酸

Val

V
蛋白质概述：
蛋白质是由
20
种左右的
α
-
氨基酸通过肽键相互连接而成的一类 具有特定的空
间构象和生物学功能的高分子有机化合物。

α
—螺旋和双螺旋的异同点（
此处含有一个简答题，详见平时作业
）

蛋白质功能与结构的关系：
蛋白质一级结构是空间结构的基础；
一级结构相似的蛋白质 ，
其
基本构象及功能也相似；
在蛋白质的一级结构中，
参与功能活性部位的残 基或处于特定构象
关键部位的残基，
即使在整个分子中发生一个残基的异常，
那么该蛋 白质的功能也会受到明
显的影响——“分子病”的镰刀状红细胞性贫血仅仅是
574
个 氨基酸残基中，一个氨基酸
残基即β亚基
N
端的第
6
号氨基酸残基发 生了变异所造成的，这种变异来源于基因上遗传
信息的突变；蛋白质的空间构象是其功能活性的基础。< br>（
此处含有一个简答题，详见平时作
业
）

蛋白质的别构效应 ：
在生物体内，
当某种物质特异地与蛋白质分子的某个部位结合，
触发该
蛋白 质的构象发生一定变化，从而导致其功能活性的变化。


第五、六讲

DNA
、
RNA
合成：
（
分析题
）

SSBP
：单链结合蛋白

半保留复制：
DNA
在复制时首 先两条链之间的氢键断裂使两条链分开，然后以每一条链分
别做模板各自合成一条新的
DNA< br>链，
这样新合成的子代
DNA
分子中一条链来自亲代
DNA
，
另一条链是新合成的，这种复制方式为半保留复制。



（
名词解释
）

半不连续复制：
DNA
复制时，两 条链分别作模板，有一条链是连续合成的，这条链称为前
导链；而另一条链合成时，

只能以
5
’
→
3
’先合成冈崎片段，然后利用
D NA
连接酶将各
个片段连接起来形成随从链。
（
名词解释
）

不对称转录：
RNA
的转录合成是以
DNA
的一条链为模板而进行的 ，
这种转录方式又叫做不
对称转录（
名词解释
）

解释复制方向
5
′→
3
′：

RNA
聚合 酶在
DNA
复制起始处做为引物，它们的
3
′—
OH
末端提供了由
DNA
聚合酶催化形成
DNA
分子第一个磷酸二酯键的位置。
DNA
聚合酶催化
dNTP
加到引物的
3
′
OH< br>末端，因而
DNA
合成的方向是
5
′→
3
′

（
简答题
）

DNA
复制过程中的酶：
拓扑异构酶
I



DNA
解链酶


引物酶


DNA
聚合酶
I



DNA
聚合
酶
III
/ DNA
连接酶


拓扑异构酶
II

（
填空题
）





DNA
复制时，先由拓扑异构酶作用于
D NA
双螺旋分子，使之松弛，然后由
DNA
解链
酶作用，解开双链，此时在引 发酶的作用下合成一段
RNA
作为引物，在
DNA pol III
的聚合< br>作用下连续地合成前导链；
随从链的合成依靠多种酶与蛋白质因子的参与：
首先在引发酶 的
作用下合成
RNA
引物，然后在
DNA pol III
的聚合作 用下合成
DNA
片段，它们共同形成冈
崎片段。
RNA
引物是靠DNA
聚合酶
I
进行切割的，并由
DNA
聚合酶
I填补
RNA
引物切除
后留下的空隙，最后由
DNA
连接酶形成一 条完整的链。





DNA
复制的准确性很高 ，
在原核生物中主要依靠
DNA
聚合酶
I
的外切活性来校正复制过程中的碱基错配，而真核生物则依靠
DNA
聚合酶来完成。

在真核生 物中，
DNA
复制一般有多个起始点，主要依靠
DNA
聚合酶
α和
δ
来完成，
另外还需要
PCNA
等多种蛋白质因子参与。
DDRP
：转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的酶叫做
依赖
D NA
的
RNA
聚合
酶
。





DDRP
：
依赖
DNA
的
DNA
聚合酶
。


第七讲

参与蛋白质生物合成的物质基础：
（
1
）合成原料。自然界由
mRNA
编码的氨基酸共有
20
种，只有这些氨基酸能够作为蛋白质生物合成的直接原料。


（
2
）
mRNA
是合成蛋白质的
直接模板。
mRNA
以它分子中的核苷酸 排列顺序携带从
DNA
传递来的遗传信息，
作为蛋白
质生物合成的直接模板， 决定蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。


（
3
）
tRNA
是氨基酸的
运载工具。
tRNA
是一类小分子
RNA
，长度 为
73-94
个核苷酸，
tRNA
分子中富含
稀有碱基
和< br>修饰碱基
，
tRNA
分子
3
’端均为
CCA
序列
，氨基酸分子通过共价键与
A
结合，此处的
结构也叫
氨基酸臂< br>。
tRNA
分子中还有一个
反密码环


（
4
）核糖体——蛋白质的合成场所


（
5）蛋白质生物合成的必需因子。起始因子（
IF
）
。延长因子（
EF）
。释放因子（
RF
）
。





1968
霍利


柯拉那


尼伦伯格

遗传密码的特点：
（
1
）起始码（
2
）终止码

（
3
）密码无标点符号

（
4
）密码的兼并性。

一
种氨基酸有几组密码子，
或者几组密码子代表一种氨基酸的现象称为密码子的兼并性，
这种
简并性主要是由于密码子的 第三个碱基发生摆动现象形成的，
也就是说密码子的专一性主要
由前两个碱基决定，
即 使第三个碱基发生突变也能翻译出正确的氨基酸，
这对于保证物种的
稳定性有一定意义。如：< br>GCU
，
GCC
，
GCA
，
GCG
都代表丙 氨酸。

（
5
）密码的通用性


核糖体作为合成场所的原因：
（
解释，分析，简答
）

任何 生物的核糖体都是由大、小两个亚基组成。
（
1
）
mRNA
结合位点 ：由几种蛋白质构成
一个结构域，负责与
mRNA
的结合。
（
2）
P
位点：又叫做肽酰基
tRNA
位或给位。它是结
合起始tRNA
并向
A
位给出氨基酸的位置。
（
3
）
A
位点：叫做氨基酰

tRNA
位或受位。是
结合一个新进入的氨基酰
tRNA
的位置。
（
4
）
转肽酶活性部位：
位于
P
位和
A
位的连接处 。
（
5
）结合参与蛋白质合成的起始因子（
IF
）
、延长因 子
(EF)
和终止因子或释放因子
(RF)
。

蛋白质生物合成的基本过程：
（
含一道大题，详见平时作业本
）
< br>蛋白质翻译后加工修饰：
（
1
）氨基端和羧基端的修饰。
氨基端乙酰化 ；甲酰基经酶水解而
除去，
蛋氨酸残基由氨肽酶催化而水解除去，
包括除去信号肽序列 ，因此，
成熟的蛋白质分
子
N-
端没有甲酰基，或没有蛋氨酸。
（< br>2
）共价修饰。
羟基化，糖基化，磷酸化，二硫键的
形成
（
3
）亚基的聚合。
有许多蛋白质是由二个以上亚基构成的，这就需这些多肽链通过非
共价 键聚合成多聚体才能表现生物活性
（成人血红蛋白由两条α链，
两条β链及四分子血红
素所组成）
。
（
4
）水解断链。
一般真核细胞中一个基因对应一个< br>mRNA
，一个
mRNA
对应
一条多肽链，
但也有少数的情况 ，
即一种翻译后的多肽链经水解后产生几种不同的蛋白质或
多肽（哺乳动物的鸦片样促黑皮激素 ）
。


第八讲

基因表达指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。

简述 大肠杆菌乳糖操纵子的结构、各部分的功能及基因表达调控机理（
此处含有一道大题，
详见平时 作业本
）

基因表达组成性表达：
指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
其中某些基因表达产物是
细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，
这类 基因可称为看家基因，
这些基
因中不少是在生物个体其它组织细胞、
甚至在同一物种的 细胞中都是持续表达的，
可以看成
是细胞基本的基因表达。
组成性基因表达也不是一成 不变的，
其表达强弱也是受一定机制调
控的。


基因表达适应性表 达：
指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。
应环境条件变
化基因表达水 平增高的现象称为诱导，
这类基因被称为可诱导的基因；
相反，
随环境条件变
化而基因表达水平降低的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。

BAC
：
细菌人工染色体



载体

（
名词解释
）

YAC
：
是酵母人工染色体，是目 前能容纳最大外源
DNA
片段的载体




（
名词解释
）

MAC
：
乳类人工染色体



载体

（
名词解释
）

结构 基因群：
操纵元中被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因
(
SG
)
，各结构基因头尾
衔接、串连排列，组成结构基因群。


启动子：
指能被
RNA
聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段
DNA
序列。
（
填空题
）

操纵子：
指能被调控蛋白特异性结合的一段
DNA
序列。

终止子：
指给予
RNA
聚合酶转录终止信号的
DNA
序列。