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1、分子生物学课程现代生物学精要速览中文版培训资料分子生物学课程(现代生物学精要速览中文版)分子生物学课程教案 20072008学年 第1学期授课专业：生物技术课程名称：分子生物学主讲教师： 何宁佳 查幸福 赵爱春 课程说明一、课程名称：分子生物学二、总课时数：45三、先修课程：基因工程原理四、使用教材：PC Turner, AG McLennan, AD Bates&MRH White, Instant notes in Molecular Biology, 科学出版社，2004年1月第八次印刷五、教学参考书：1 PC特纳、AG麦克伦南、AD贝茨、MRH怀特，分子生物学-现代生物学精要速览中文版

2、，科学出版社，2004年8月第七次印刷。2 朱玉贤， 李毅编著现代分子生物学，第二版，高等教育出版社，2004年1月第3次印刷。六、考核方式：理论课采用闭卷考试的方法，总成绩，平时成绩30%，中期考试10%，期末考试60%七、教案编写说明：教案又称课时授课计划,是任课教师的教学实施方案。任课教师应遵循专业教学计划制订的培养目标，以教学大纲为依据，在熟悉教材、了解学生的基础上，结合教学实践经验，提前编写设计好每门课程每个章、节或主题的全部教学活动。教案可以按每堂课（指同一主题连续12节课）设计编写。教案编写说明如下：1、 编号：按施教的顺序标明序号。2、 教学课型表示所授课程的类型，请在相应课型

3、栏内选择打“”。3、 题目：标明章、节或主题。4、 教学内容：是授课的核心。将授课的内容按逻辑层次，有序设计编排，必要时标以“*”、“#”“？”符号分别表示重点、难点或疑点。5、 教学方式既教学方法，如讲授、讨论、示教、指导等。教学手段指教科书、板书、多媒体、模型、标本、挂图、音像等教学工具。6、 讨论、思考题和作业：提出若干问题以供讨论，或作为课后复习时思考，亦可要求学生作为作业来完成，以供考核之用。7、 参考书目：列出参考书籍、有关资料。8、 日期的填写系指本堂课授课的时间。 课时教案讲 授 人查幸福课时1.5序号1课题内容Cells and macromolecules教学时间2007.

4、09.03教学方法讲授教学课型理论 实验 习题实践 复习 其它教学手段板书、多媒体教学目的1.了解原核细胞和真核细胞结构、亚细胞及分子组成上的差异2.了解真核细胞亚细胞器的结构与功能3.掌握细胞和大分子的分类，及用以分析的一些方法重点难点细胞分类、亚细胞器教学内容备注A1 Cellular classification (细胞分类)Eubacteria(真细菌)和Archaea(古细菌)属原核细胞生物,它们一般由cell wall (细胞壁)、plasma membrane (细胞膜)、cytoplasm (细胞质)和nucleoid (类核体)构成，细胞中有质粒、核糖核酸、核糖体及各种蛋白质

5、，没有亚细胞器。古细菌虽然在结构上与真细菌相似，但是其复制、转录和翻译更接近真核生物。Eukaryotes(真核生物)包括动物、植物、真菌和原生生物（藻类和原生动物），其细胞体积较大，细胞质中含有细胞器、核糖体和由蛋白质纤维组成的细胞骨架，细胞核由膜包绕。植物、许多真菌和原生生物也有细胞壁。真核生物大多是多细胞，在发育过程中不同群细胞经分化形成特定组织。A2 Subcellular organells (亚细胞器)Nuclei (细胞核) 携带细胞的遗传信息，每条染色体含有一个DNA分子。有核膜包围，内有核仁，核仁是rRNA合成和核糖体进行部分组装的场所。Mitochondria and ch

6、loroplasts (线粒体与叶绿体) 线粒体是细胞产能的场所，由外膜和内膜组成，内膜突出折叠成嵴，其内含有一个小的环状DNA分子、特异RNA和核糖体，可合成小部分线粒体蛋白，其所需要的大部分蛋白质则由细胞核DNA编码并在细胞质中合成。植物的叶绿体是光合作用的场所，依靠光同化CO2 与水形成碳水化合物和氧气。叶绿体在内膜腔内有类囊体，类囊体上含有捕捉光能进行光合作用的叶绿素。叶绿体也能独立合成小部分蛋白质。Endoplasmic reticulum (内质网) 是细胞质内与核膜相连的膜体系，光面内质网主要合成脂类及用于氧化解毒的酶。粗面内质网上有许多核糖体，特异合成分泌性蛋白质，经过初步的糖

7、基化修饰，转运至高尔基体进一步修饰分检并分泌。Microbodies (微体) 溶酶体有膜包绕，从高尔基体出芽而成，含有丰富的消化酶，回收来自损伤细胞器或体外进入的大分子。过氧化物酶体含有破坏过氧化氢的酶，可防止过氧化氢和高活性自由基损伤细胞。乙醛酸循环体是特定的植物过氧化物酶体，进行乙醛酸循环。它们合称微体。Organelle isolation (细胞器的分离) 大小和密度不同的细胞器，根据不同的沉降系数值采用差速离心法相互分离，并用密度梯度离心进一步纯化。A3 Macromolecules (生物大分子)Protein and nucleic acid (蛋白质和核酸) 蛋白质是氨基酸以

8、肽键连接而成的聚合体，它是体内重要的结构物质和功能物质。核酸（DNA和RNA）是核苷酸以3/，5/-磷酸二酯键连接形成的聚合体，由含氮碱基、五碳糖和磷酸组成。核酸参与遗传信息的储存与加工，但这些信息的表达则需要蛋白质。Polysaccharides and lipids (多糖和脂类)也是重要的生物大分子。Complex macromolecules (复杂大分子) 核蛋白是核酸与蛋白质的结合体，如端粒酶，核糖核酸酶P等。另外还有糖蛋白、蛋白多糖、脂蛋白和糖脂。A4 Large macromolecular assemblies (大分子的组装)Protein complexes (蛋白质复合

9、体) 细胞中多个构件和运动元件是由蛋白质复合体构成的。细胞骨架就是由微丝（肌动蛋白和肌球蛋白）、微管（微管蛋白）和中间纤维等多种蛋白质构成。微丝组构细胞形态、控制细胞运动及亚细胞器在细胞内的分布。微管是细胞骨架、真核生物纤毛、鞭毛及表面毛状结构的主要组分。肌动蛋白和肌球蛋白也是肌肉纤维的主要组分。Nucleoprotein (核蛋白) 由核酸与蛋白质组成。核糖体是较大的细胞质核糖核酸蛋白质复合体，是蛋白质的合成场所。细菌70S核糖体含有大亚基（50S）和小亚基（30S），50S亚基包含23S、5SRNA分子和31种蛋白质，30S亚基包含16SRNA分子和21种蛋白质。真核生物的80S核糖体含有

10、60S（包括28S、5.8S和多种5SRNA）和40S（含18SRNA）两个亚基。染色质是构成真核生物染色体的元件，由DNA与组蛋白组成的脱氧核蛋白复合体。病毒是核蛋白复合体的另一个例子。Membranes (膜) 脂质双层分子与蛋白质构成细胞与细胞器的边界。外围膜蛋白结合在膜的外表或锚定在膜上。镶嵌膜蛋白被埋在膜中，跨膜蛋白横跨双层膜，突出膜的内外表面。膜蛋白有多种功能（参见教材P13）思 考 题与 作 业1.真核生物与原核生物的细胞结构的差异有哪些?2.细胞中各个亚细胞器分别行使什么功能?教学后记学生对这些知识点都容易接受，但对专业术语的英文不熟悉。在以后的教学中要经常提及，让学生熟悉这些

11、专业英语。课时教案讲 授 人查幸福课时1.5序号2课题内容Protein structure教学时间2007.09.03教学方法讲授教学课型理论 实验 习题实践 复习 其它教学手段板书、多媒体教学目的1了解氨基酸的基本结构和分类2理解蛋白质一级结构和空间结构3了解蛋白质分析的常用方法和蛋白质组学重点难点氨基酸、蛋白质的结构与功能教学内容备注B1 Amino acids (氨基酸)L-氨基酸是蛋白质的基本构成单元，它们都有一个共同的结构，a-碳原子上连有一个羧基、一个氨基、一个质子和一个R侧链，氨基酸结构的差异主要表现为R侧链的区别。a-碳原子是手性碳原子，因此氨基酸具有D-和L-两种立体异构体

12、。组成蛋白质的均为L-氨基酸。根据R-侧链的极性将氨基酸分类极性带电荷的氨基酸：酸性氨基酸-天冬氨酸、谷氨酸，碱性氨基酸-赖氨酸、精氨酸和组氨酸。极性不带电的氨基酸 ；非极性氨基酸（参见教材）B2 Protein structure and function (蛋白质结构与功能)大小与形状 蛋白质分为球蛋白和纤维蛋白两类。酶多为球形蛋白，纤维蛋白是重要的结构蛋白，如羊毛和头发中的角蛋白与丝蛋白。一些蛋白质含有非蛋白成分，如酶中的辅基和脂蛋白中的脂类。一级结构 氨基酸的a-羧基与下一个氨基酸a-氨基缩合形成肽键，许多氨基酸以肽键相连形成的大分子多肽聚合物即为蛋白质。多肽有方向性，游离氨基端为N-

13、端，游离羧基端为C-端。从N-端到C-端的氨基酸顺序即为多肽的一级结构。二级结构 CN键具有部分双键性质，使得C=O与N=H四原子形成刚性的肽键单元平面，肽键单元间以氢键相连，多肽链在空间折叠形成二级结构，常见的有a-螺旋和-折叠。三级结构 二级结构进一步折叠形成多肽的三级结构。亲水基团位于蛋白质外侧，疏水基团埋在内侧，氢键、盐键、范德华力和疏水力维持结构的稳定。伴娘蛋白帮助蛋白质正确折叠。四级结构 由多条多肽链（亚基）构成的寡聚蛋白，稳定三级结构的力量可将亚基维系在一起构成蛋白质的四级结构。如血红蛋白是由两个球蛋白链和两个球蛋白链构成的22四聚体。蛋白质的功能（参见教材P22）结构域和结构基

14、序 结构域是同一多肽中有限的高度有序结构片段相连而成。结构基序也称超二级 结构，是频繁出现在球蛋白中的二级结构元件群。蛋白质家族 不同物种的具有相同功能承担相同生化角色的蛋白质家族成员为直向同源。进化不同但功能相似的蛋白为共生同源。B3 Protein analysis (蛋白质分析法)蛋白质纯化 有根据蛋白质大小进行分离的凝胶过滤层析；离子交换层析、等电聚焦和电泳则是根据蛋白质所带电荷的不同来分离。蛋白质测序 用特异的蛋白酶或化学试剂将多肽切割成教小的肽段，然后在自动测序仪中用Edmen降解法从N-端开始测序。通过不同酶切割产生的重叠片段的重排再现原始序列。更为简单的方法是对蛋白质的互补DN

15、A(cDNA)进行测序。测定分子量 SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳和质谱法是最常用的方法。蛋白质组学 一个细胞在生存期或任何一个时间内转录表达的全套蛋白称为该细胞的蛋白质组，对这些蛋白质的分裂鉴定和研究即为蛋白质组学。思 考 题与 作 业完成课后习题(参见教材P315-316)教学后记与生物化学联系有待加强。课时教案讲 授 人查幸福课时1.5序号3课题内容Properties of nucleic acid教学时间2007.09.10教学方法讲授教学课型理论 实验 习题实践 复习 其它教学手段板书、多媒体教学目的1了解核酸的种类组成和结构2理解DNA双螺旋和超螺旋结构 3了解核酸理化性质，尤其是紫外

16、吸收和变性重点难点核酸结构、核酸的理化特性教学内容备注C1核酸结构核酸是由核糖、碱基（嘌呤和嘧啶）、磷酸构成。碱基与核糖构成核苷，核苷与磷酸形成5/-核苷酸。核酸有两类：DNA（脱氧核糖核酸）：由脱氧核糖、碱基（A、G、C、T）、磷酸形成的5/ -脱氧核苷酸构成。 RNA（核糖核酸）：由核糖、碱基（A、G、C、U）、磷酸形成的5 -核苷酸构成。在DNA和RNA分子中，核苷酸之间以3，5-磷酸二酯键连接形成长链大分子。核酸分子都有游离的5/端和游离3/端。核酸序列 从左到右按5/端向3/端方向书写核酸的碱基序列，其中的核苷酸用单个碱基字母A、G、C、T或U代表。DNA双螺旋 1953年沃森和克里

17、克提出两条DNA分子相互缠绕形成右手双螺旋，螺旋有大沟和小沟戊糖-磷酸骨架位于分子外侧，双链间对应碱基靠氢键形成碱基对，其中A与T配对（2个氢键），G与C配对（3个氢键）。双螺旋的每一匝螺旋含约10个碱基对。两条链反向平行排列。双螺旋的两条链为互补链，任意一条链的序列可确定另条链的序列，它暗示出DNA复制和转录的分子机制。A型、B型及Z型螺旋 沃森和克里克提出的为B-DNA结构，是适用于所有DNA的稳定形式，碱基对与螺旋轴垂直，每匝10bp碱基对，有一条主沟和一条小沟。低温条件下，DNA可被诱导形成A型螺旋。A型与B型一样均为右手螺旋，但较宽而紧密，碱基对倾斜于螺旋轴，每匝为11个碱基对，A型

18、的主要意义在于它是RNA及RNA与DNA杂合体的主要形式。在单一交替的嘧啶-嘌呤序列的合成双链DNA中，形成左旋Z-DNA，它有Z字型外观，每匝12碱基对，嘌呤核苷酸形成顺式构象。RNA二级结构 RNA 通常为单链，可以通过分子内氢键形成局部螺旋结构。C2核酸的理化性质 氢键碱基堆积力和疏水作用维持核酸的稳定性。但在强酸条件下，核酸完全水解为碱基、核糖及磷酸，在略稀的酸中则产生脱嘌呤核酸。DNA化学测序法是用化学方法移去特定碱基或将DNA在特定碱基处断裂。碱性环境中嘌呤产生由酮式向烯醇式转化，导致氢键断裂，双链解离，DNA变性。一些化学物质能使核酸在中性PH下变性，如尿素和甲酰胺。DNA为细长

19、分子，水溶液具有高黏性，机械力或超声波易损伤DNA，使其黏度下降。将DNA放入高浓度高分子盐溶液（如氯化铯）中高速离心，DNA最终沉降于与其浮力密度相应的位置，形成狭带，这种技术称为平衡密度梯度离心或等密度梯度离心。DNA的沉降可用来确定其（G+C）含量和分离具有不同（G+C）含量的片段。C3核酸的光谱学和热力学性质 紫外光吸收和减色性 DNA和RNA最大紫外光吸收波长为260nm，与蛋白质的280nm相区别，用于核酸定性定量和纯化。单核苷酸光吸收值最大，其次是单链DNA（ssDNA)，双链DNA(dsDNA)最小，这种变化称为减色性。DNA纯度 dsDNA的大致纯度可由A260/A280的比

20、值来确定，纯dsDNA该值为1.8，纯RNA为2.0，蛋白质则小于1，如果DNA样品的A260/A280大于1.8，说明有RNA污染，小于1.8，说明含有蛋白质。变性和复性 加热使DNA 中氢键断裂，双链DNA的螺旋结构变成不规则的线团，称为DNA变性。变性核酸的紫外光吸收值增大，其变化值一半时对应的温度称为解链温度（Tm)，它随DNA中G+C含量的增加而增大。退火处理（慢速冷却）使得互补链互相配对，恢复双链结构为DNA复性。不同核酸链互补部分的复性称为杂交。C4 DNA超螺旋闭环DNA 大多DNA为闭环双链，两条链相互缠绕，缠绕的数目称为连接数（Lk)。分子中没有游离断。超螺旋 超螺旋是DN

21、A双链轴线的高度卷曲，如果扭曲方向与双螺旋方向相同，为正超螺旋，反之为负超螺旋。几乎所有细胞中的DNA都是负超螺旋。超螺旋的水平可以用连接数的变化（Lk）来衡量，如负超螺旋约6圈超螺旋/100圈双螺旋，表示为Lk/Lk0=0.06。拓扑异构体 碱基顺序相同但连接数不同的DNA分子称为拓扑异构体。缠绕和扭曲 缠绕(Tw)是指双螺旋一股链绕另一股旋转；扭曲(Wr)则是双螺旋轴在空间的盘绕。Lk=Tw+Wr（参见教材P47）。嵌入剂如溴化乙锭能插到双螺旋的碱基对中，使之解旋。对负超螺旋分子，（负）扭曲减少，分子构型发生变化。超螺旋有扭转应力，比松散分子具有更高能量，对负超螺旋，这一能量有助于DNA螺

22、旋的局部解旋。拓扑异构酶 调控DNA超螺旋水平的酶称为拓扑异构酶。有两类：型在DNA一股链上产生一个切口，使另一条链得以穿越，连接数每次改变1；型酶在双链上产生切口，使另一双链DNA片段得以穿过，连接数每次改变2。对所有的生物体，拓扑异构酶都是一种必要的酶，涉及复制重组和转录。思 考 题与 作 业DNA 双螺旋模型的主要内容是什么?教学后记讲超螺旋的时候,采用模型演示讲解效果较好.课时教案讲 授 人查幸福课时1.5序号4课题内容Prokaryotic and eukaryotic chromosome structure教学时间2007.09.10教学方法讲授教学课型理论 实验 习题实践 复习

23、 其它教学手段板书、多媒体教学目的1 理解原核生物和真核生物染色体的结构，掌握真核生物染色体结构特点2 理解核小体的组成及组蛋白的类型3 理解异染色质、CpG岛、C0t曲线及基因组复杂度的含义重点难点原核生物的染色体结构、染色质结构、真核生物的染色体结构教学内容备注D1 原核生物的染色体结构原核生物的基因组可以大肠杆菌染色体为例，其为单一闭环DNA分子，集中分布在拟核区域内。生长时，DNA持续复制，生长速率最大时，每个细胞平价有基因组的两个拷贝。DNA有50100个环或结构域，各个结构域可保持不同水平的超螺旋，整个染色体为负超螺旋。结构域被非特异结合蛋白如HU和H-NS等类组蛋白缠绕，使一半超

24、螺旋被束缚。RNA聚合酶及mRNA等有助于类核的组构。尚未发现核小体D2 染色质结构染色质 真核生物 DNA总长度比原核生物大数千倍，并由一定数目分散的染色体组成，每条染色体中的DNA为单一线性分子。染色质是紧密组装高度有序的DNA蛋白质复合体。 组蛋白 是染色质中主要的结合蛋白，分5类：H2A、H2B、H3、H4，以及H1。所有组蛋白带有大量正电荷，序列中20%30%由精氨酸和赖氨酸组成，这样组蛋白与带负电的DNA紧密结合。H1在不同种间在序列上比其他组蛋白具有更多的差异。核小体 是染色质的基本构成单位。长约200bp，与由H2A、H2B、H3、H4各2分子构成的八聚体核心紧密结合有，以及1

25、分子H1松散结合。除去H1，剩下与组蛋白八聚体结合的146bp的核小体核心。围绕核小体的DNA左手环绕形成负超螺旋（扭曲）。H1的功能 H1与核小体结合，对DNA起稳定作用，免受核酸酶的降解。核小体核心与H1构成染色小体。在有些细胞中H1可被极度变异的组蛋白H5所取代。连接DNA 核小体间由连接DNA串联，平均长度为55bp，不同组织中其长度在0100bp内变化。30nm纤丝 核小体进一步被组装成高度有序的左手螺旋（螺线管），即30 nm纤丝，每圈螺旋约6个核小体。高级结构 30nm纤丝构成100kb的环，被蛋白和核基质所固定。D3 真核生物染色体结构有丝分裂染色体 呈高度浓缩状态，两个姐妹染

26、色单体在着丝粒处相连，染色体末端是端粒。酵母着丝粒仅由88bp长的富含AT的序列组成，而哺乳动物的着丝粒序列很长，其侧翼是大量的重复序列，即卫星DNA。端粒是染色体DNA末端特化的 序列，由大量的短重复序列构成，由端粒酶合成。间期染色体 在间期，染色体的基因被转录，DNA被复制，染色体呈松散状态。异染色质 是间期染色体内保持高度浓缩的部分。它大部分由靠近着丝粒的重复卫星DNA构成，无转录活性。雌性哺乳动物的两条X染色体都呈异染色质状态。DNase 超敏性 DNase 可切割裸露DNA，较长的敏感区域代表着那里正在进行转录，因此染色质对DNase 的敏感性可被用来定位细胞中具转录活性的染色质。C

27、pG 甲基化 哺乳动物DNA中5/CG3/序列通常在胞嘧啶碱基处被甲基化，它与染色质中的非转录区相连。基因组中还有未甲基化的CpG“岛”，包围着持家基因的启动子区域，形成DNase 敏感区。组蛋白变异体和修饰 被包装的染色质的快速变化可通过组蛋白的化学修饰来调控，如核心组蛋白N端赖氨酸残基的乙酰化；而有丝分裂中染色体的浓缩伴随着组蛋白H1的磷酸化。D4 基因组复杂度非编码DNA 复杂的真核生物基因组DNA是原核生物的1000多倍，但大部分不编码蛋白质，其编码区被内含子中断。这些非编码DNA大部分由多重拷贝组成，这些拷贝可以是串联重复的（如卫星DNA）或是分散于基因组中（如分散的Alu元件）。复

28、性动力学 DNA加热变性后在低浓度下复性，在一定时间内（t），DNA复性的比例由初始DNA浓度（C0）决定的。用剩余单链DNA的比例（f)对 C0 t作图，得到的曲线代表了DNA样品的复性动力学，即C0 t曲线。多个拷贝的单链片段比单一序列的复性快。DNA复性速率可用光谱法（紫外吸收值降低）和羟基磷灰石层析法测量。人类DNA复性分3个阶段：高度重复中度重复）单一序列。E.coli的复性仅有一个阶段。单一序列DNA 在单倍体基因组中只有一个或几个拷贝的序列。在E.coli基因组中，所有DNA都是单一序列，但由于DNA较短，其复性较快， C0 t值相对较小。串联基因簇 由串联重复的基因或基因簇构成

29、中度重复DNA区段。如rRNA基因和组蛋白基因簇，18S、5.8S 、28S rRNA基因及间隔区组成的单位在DNA链上串联重复约5000次，这些基因位于核仁区。5个组蛋白基因同在一个基因簇，串联重复达数百次。分散重复DNA 中度重复DNA大部分由短散布元件（SINES，有几百个碱基）和长散布元件（LINES有几千个碱基）重复上千次构成，并分散于基因组中。如Alu 元件和L1元件，它们几乎占了人类基因组的10% 。卫星DNA 由极短的序列高度重复串联排列而成，在CsCl密度梯度离心中，在主带DNA附近出现的卫星带。卫星DNA又分小卫星DNA（不确定数目串联重复，VNTR）和微卫星DNA（简单串

30、联重复，STR），前者出现在染色体末端，后者则平均分布在染色体上。鉴定亲缘关系的DNA指纹技术的基础就是小卫星DNA的重复排列。基因多态性 基因或基因座上碱基变化能使该基因座产生多种形式。思 考 题与 作 业什么是卫星DNA.?教学后记在复性动力学部分要讲更易懂些.课时教案讲 授 人查幸福课时3序号5课题内容DNA replication教学时间2007.09.21教学方法讲授教学课型理论 实验 习题实践 复习 其它教学手段板书、多媒体教学目的1 理解DNA复制的半保留机制和半不连续复制2 掌握细菌DNA复制过程及有重要作用的酶和蛋白质3了解细胞周期4 了解真核生物DNA复制的特点重点难点原核和真核生物的复制机制教学内容备注E1 DNA复制概述半保留机制 DNA两条亲代链分别作为模板催化新生子链的合成，新生DNA的一条链是原来的旧链，另一条是新合成的，为半保留复制。Meselson 和 Stahl (1958年)用实验证明了该机制（见教材P71）。亲代链分开及新生DNA开始复制处称为复制叉。DNA合成的底物是脱氧核苷三磷酸（dNTP ）:dATP dGTP 、 dCTP 、 dTTP 。合成的能量来自 dNTP的水解。复制子、复制起始与终