分子生物学总结知识点.docx
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分子生物学总结知识点
绪论
•办公室：
生物新馆327
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81612
•E-mail：
yyxiamen@
•OfficeHour：
•周二2：
00-4：
00
•生物学（Biology）
–研究和生命相关的所有面向
–生命科学的核心部分
•生命科学（LifeSciences）
–还包括生物学相关领域
–i.e.
•生物医学
•生物制药
生物伦理等
现代生物学的几大主题
•生命的逐级组成
•遗传信息的表达和传递
•能量和物质的转移和转化
•生物系统中的相互作用
–生态环境：
生物间&生物和环境
–分子角度：
生物体内部
•生物演化
新技术的发明
•X-射线晶体学
•电泳
•超速离心
•电子显微镜
课程大纲
•绪论
（1）
•理论（2-10）
–遗传学
（2）
–生物化学I（3）
–生物化学II（4）
–DNA和RNA结构（5）
–DNA的复制（6）
–DNA的修复和重组（7）
–转录（8）
–翻译（9）
–基因表达调控（10）
•实践（11-16）
–分子生物学基本技术（模式生物，基因重组）（11）
–载体，转化和筛选（12）
–印记杂交，PCR和测序（13）
–DNA和蛋白质技术（14）
–在原核生物中操纵基因表达（15）
•期末成绩60％
•期中测评16％
•作业24％（2次作业）
•课堂表现extracredit
假说的特点
–可验证的
–可证伪性
实验
（1）实验设计特点•
必须能够证实假说或驳斥假说
•实验的结果必须要客观和可测量
•实验必须能被其他科学家所重复
（2）变量
（3）–实验中可变化的因素
Types:
–因变量
–自变量
–受控变量实验中保持不变的因素
（3）对照实验
•在实验中设置比较实验对象的方法
•目的：
–与进行实验的对象比较
–减少实验中不确定的变数带来的影响
对照实验中经常考虑：
安慰剂效应（–病人虽然获得无效的治疗，但却“预料”或“相信”治疗有效，而使得病症得到舒缓的现象）双盲实验
（4）消除实验中的假象和样品中的随机误差
措施：
–设计多次重复实验
–被测样品数量足够大
（5）模式生物
•受到广泛研究，对其生物现象有深刻了解的物种
伪科学：
1.没有对照的证据
2.相互矛盾的例子
3.商业利益驱使
遗传学
I.孟德尔和基因的概念
孟德尔的实验
•遗传学的研究，要从稳定的特征开始
•建立实验系统——性状是稳定的
•让各种性状的豌豆自交，观察子代，找出纯种品系
直觉判断1.数据的推理2.实验判断
建立模型
测交
概念介绍
•基因：
–控制性状的可遗传因子
•等位基因：
–一个基因的不同版本
性状•生物体可以遗传的一种特征（•连续
•不连续）
•表型
–外表
•基因型
–个体携带的一对等位基因（RR，Rr）
•纯合体
–基因型为两个相同等位基因的个体
•杂合体
–基因型为不同等位基因的个体
•显性
–纯种繁育的F1代所表现出的表型
•隐性
–纯种繁育的F1代没有表现出的表型
孟德尔定律
1.旁氏表•是用于预测特定杂交或育种实验结果的一种图表
第一定律
•有机体内每一个特定的性状都是由一对等位基因控制（R,r）
•在减数分裂产生配子的过程中，这对等位基因是可以相互分开的
第二定律
•对于两对或两对以上的等位基因
•在配子产生的过程中，不同对的等位基因可以自由组合
孟德尔定律的前提：
•一个基因只控制一种性状
•一种性状只由一种基因控制
•控制性状的基因均在不同的染色体上
显性和表型的关系
显性和隐性的等位基因
•显性的等位基因
–因为这种等位基因的表型可以看到
–不是压制了隐性的等位基因（等位基因间不作用）
–而是从基因型到表型的过程决定
豌豆的性状
•圆粒vs.皱粒
•淀粉分支酶---显性等位基因---酶可以正常添加分支
•隐性等位基因---酶无法有效添加分支
•有较少分支的淀粉---糖多---水分会通过渗透压进入种皮---成熟后失水---变皱
•有较多分支的淀粉---糖少---水分基本不进入种皮---成熟后不失水---不会变皱
•杂合体：
–可以合成足够的酶来添加分支
–杂合体和显性纯合体表型一致
显性等位基因的频率
•显性等位基因是否更常见？
•多指畸形
•隐性等位基因更常见（看适应坏境能力）
II.遗传的染色体基础
1．染色体学说
•孟德尔指出的遗传因子在染色体上
•减数分裂中，遗传因子随着染色体彼此分离而分开
2．摩尔根的实验
1.果蝇和突变体
•使用果蝇研究遗传规律
–生长周期短，繁殖后代多
–只有4对染色体，便于观察
–有很多变体
•野生型
–一个物种的代表性形态
–由一个正常的代表性的等位基因决定
•突变型
–不是代表性形态
2.染色体互换
•是指两条同源染色体在减数分裂I前期进行配对时，部分的DNA发生交换
•此过程所造成的结果，称为遗传重组
3.伴性遗传
•遗传基因位于性染色体上的遗传现象
•性染色体---决定性别
三．基因的连锁和互换
连锁：
•两个基因在同一个染色体上
•在配子形成的过程中，两个基因倾向在一起不被分开
•举例：
–人类的红发和雀斑
III.遗传的分子基础
1．DNA是遗传物质
1.FrederickGriffith的实验转化因子
•解剖老鼠尸体：
–光滑有毒的细菌
•背景知识：
–细菌间交换遗传物质
转化因子
2.Avery的实验–验证了DNA是转化因子
•破碎光滑致病菌的细胞S
•匀浆均分在几个试管中
•每个试管加入特定的酶---降解/破坏一种特定的物质（Lipase破坏脂肪）
•加入粗糙不致病细菌细胞R
•感染老鼠
3.Hersey&Chase的实验
1.噬菌体（Bacteriophage）
–感染细菌并能在细菌内复制的病毒
–把遗传物质注入细菌中
2.区分DNA与蛋白质
•放射性同位素标记
–蛋白质——S35
–DNA——P32
•分开噬菌体和细菌
•离心
•分析细菌内成分
2．DNA的结构
•DNA的一级结构
•一级结构（多聚核苷酸链）
–单链DNA
DNA的二级结构
•两条多核苷酸链反向平行盘绕形成的双螺旋结构
•A与T间形成两个氢键；G与C间形成三个氢键
三．DNA复制
四．基因的本质
1.基因和性状
•基因——DNA片段
•基因如何控制性状？
–基因表达
2.基因的特点
1.同样的基因在不同的细胞被表达不同
•视红蛋白
•眼细胞和肌肉细胞都有编码的基因
•但只有眼细胞才表达
2.不同的基因组合产生不同性状
基因和性状的关系：
•一个基因可以参与几个性状的表达
•一个性状可以由几个基因参与表达
•前提：
–有的性状由不只一种基因控制
–眼睛的颜色、身高、血压、智力
•每个单词和其他的单词组合会有不同的意义
–英文：
sawthewoodsharpenthesaw
–中文:
盘子盘头发
•孟德尔的豌豆实验中得出的最显著的结论是：
a）豌豆有遗传多样性
b）性状是通过分离的单位继承，而不是混合的结果
c）F1代中的隐性基因频率高于显性基因
d）基因是由DNA组成
e）一个有多种性状是隐性纯合的生物体在生存上是不利的
•X染色体上的隐性等位基因导致红绿色盲。
一个正常的女性（其父亲是红绿色盲）和一个红绿色盲的男性结婚，他们的儿子患有红绿色盲的几率是：
a）0
b）¼
c）½
d）¾
e）1
•答案：
bc
生物化学
（1）
I.化学键和元素
1．物质和元素
•物质（Matter）
–常用來泛指所有组成可观测物体的成份
•化合物（Compound）
–是由两种或两种以上的元素以固定的摩尔比通过化学键结合在一起的化学物质
•元素
–它们只由一种原子组成，其原子中的每一核子具有同样数量的质子，用一般的化学方法不能使之分解，并且能构成一切物质
•某种化学元素只需要微小的量，就能使组织适当地的成长、发展、完成组织的生理机能
•所有生物都需要：
–铁
•部分物种需要：
–碘
2．原子
•原子
–是一种元素能保持其化学性质的最小单位
–所有物质均由原子组成
•次原子粒子（SubatomicParticles）
–是指比原子还小的粒子
–例如：
电子、中子、质子、光子等等
1.原子结构
•质子
•中子
•电子
•原子核
电子层：
•一组原子轨道
•电子被认为一组一组地围绕着核心以特定的距离旋转，所以轨迹就形成了一个壳
2.电子能量
•化学反应中：
•当两个原子接近时，原子核是不反应
•只有电子参加反应
•一个电子可以在电子层间运动，伴随吸收或释放能量
•当一个电子吸收能量，离原子核远一些
•当一个电子失去能量，离原子核近一些
3.电子的分布和化学性质
•原子的化学性质和电子在电子层的分布有关
•主要和外层电子相关
•化合价（Valence）
–是由一定元素的原子构成的共价键的数量
•价电子（ValenceElectron）
–可以参与化学反应的最外层电子
•价电子层（ValenceShell）
–最外层的电子轨道
3．化学键
化学键：
•价电子层不饱和的两个原子：
•会发生反应，结果是使价电子层饱和
•共享或转移价电子
•化学键
–将原子联系在一起的吸引力
•生物化学的两个前提:
–液体环境
–生理温度
•强化学键
–在生理温度下不会断裂（没有酶的作用）
–i.e.共价键
•弱化学键
–在生理温度下不断生成和断裂（没有酶的作用）
–i.e.氢键，范德华力，疏水作用，离子键
共价键
•两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理想情况下达到电子饱和的状态，由此组成比较稳定和坚固的化学结构叫做共价键
•分子
–是一种构成物质的粒子，呈电中性、由一个或多个原子组成，原子之间因共价键而结合
电负性：
•它以一组数值的相对大小表示元素原子在分子中对成键电子的吸引能力，称为相对电负性，简称电负性
•元素电负性数值越大，原子在形成化学键时对成键电子的吸引力越强
•注意：
–非极性共价键
–极性共价键
离子键：
•又被称为盐键，通过两个或多个原子或化学基团失去或获得电子而成为离子后形成
•带相反电荷的原子或基团之间存在静电吸引力以形成离子键
极性：
•指一根共价键或一个共价分子中电荷分布的不均匀性
弱化学键：
•弱化学键的生物学意义：
–生物大分子维持高级结构
–两个生物大分子相作用，弱化学键结合
•氢键
•已经与电负性较高的原子键合的氢原子与另一个原子之间（供体氢原子与受体原子间）形成的
•氢键既可以是分子间氢键，也可以是分子内的
•它是蛋白质和核酸的二、三和四级结构得以稳定的部分原因
•范德华力
•在化学中指分子之间非定向的、无饱和性的、较弱的相互作用力
•疏水作用
•属于非极性分子的一种性质，使这些分子在水溶液中具有自我聚集的特性
•稳定生物大分子
四．化学反应
•一种化学物质转变为另一种化学物质的过程
•涉及化学键的生成或断裂
•化学反应平衡
–是指在宏观条件一定的可逆反应中，化学反应正逆反应速率相等
II.水和生命
1．水形成氢键
•水分子之间形成氢键
•水分子和其他分子可以形成氢键
•水分子之间
–H与2个O之间，H是来回移动的，不是固定的
2．水对于生命的重要性
1.水的内聚力、粘附力、表面张力
•植物的导管运水
–内聚力
–粘合力
2.固态水轻于液态水
3.水对温度的调节
•水的比热高（吸收或释放一定热量，温度改变小）
–调节海岸地区的空气温度
–稳定海洋温度
4.水是很好的溶剂
•水是很好的溶剂
–可以和一些化学物质形成氢键
–溶于水/不溶于水
•使化学反应顺利进行
三．酸碱度和体内环境
•活细胞pH值~7–体内有缓冲液
III.重要的功能基团
1．碳原子和有机化学
•碳原子对于整个生态系统的物质循环重要
–植物通过光合作用合成
–转化成物质供次级消费者
–可以形成生物大分子
•有机化学是研究有机化合物及有机物质的结构、性质、反应的学科
•有机化学研究的对象是以不同形式包含碳原子的物质
2．碳原子可形成多种分子
1.碳原子形成的键
•碳元素：
形成有机化合物
•碳原子可以形成多种分子
–可以和其他四种原子成键
2.碳骨架和分子多样性
•结构异构体
–共价键的搭档不同
•顺反异构体
•由于存在双键或环，这些分子的自由旋转受阻，产生两个互不相同的异构体，分别称为顺式（cis）和反式（trans）异构体
•在双键化合物中，若与两个双键原子相连的相同或相似的基团处在双键的同侧，则该化合物被称为“顺式”异构体；若两个基团处于异侧，则定义为“反式”异构体
3．重要的功能基团
1.生命中重要的官能团
•是决定有机化合物的化学性质的原子和原子团
•7种重要的官能团：
–羟基
–羧基
–羧酸根
–胺
–巯基
–磷酸基团
–甲基基团
2.ATP
•三磷酸腺苷
IV.大生物分子
1．高分子
•高分子是通过一定形式的聚合反应生成具有非常高的分子量的大分子，一般指聚合物和结构上包括聚合物的分子
•存在于生物体内;生物体可以自身合成
•分子量较大
•存贮大量的能量
•举例：
–糖
–蛋白质
–脂类
–核酸
2．蛋白
1.氨基酸和多肽
氨基酸
•构成蛋白质的基本单位，赋予蛋白质特定的分子结构形态，使其分子具有生化活性
•基本结构
多肽：
•一分子氨基酸的α－羧基（-COOH）和另一分子氨基酸的α－胺基（-NH2）脱水缩合形成的酰胺键，即-CO-NH-
•有部分双键的特性
2.蛋白质结构和功能
•从一级结构到更高级结构的过程就被称为蛋白质折叠
•作用：
–倾向于稳定结构；保护
–行使功能
•一级结构
–组成蛋白质多肽链的线性氨基酸序列
•二级结构
–依靠不同氨基酸之间的C=O和N-H基团间的氢键形成的稳定结构，主要为α螺旋和β折叠
•三级结构
–通过多个二级结构元素在三维空间的排列所形成的一个蛋白质分子的三维结构
•四级结构
–用于描述由不同多肽链（亚基）间相互作用形成具有功能的蛋白质复合物分子
•为什么绝大多数蛋白有α－螺旋结构？
–肽链的骨架原子间都能形成连接
–侧链被放在螺旋外——更好地接触
•帮助蛋白质很好地结合DNA
–运用α－螺旋识别特定的DNA序列
二级结构：
β－折叠
•多肽骨架的一种高度延展形态
•多肽链区域整齐排列，使得一个β－折叠单链的羰基与相邻单链的NH基团形成氢键
•少数蛋白运用β－折叠和DNA结合：
–TBP与TATA序列
蛋白质构型变化：
•蛋白质可以在多个类似结构中转换，以行使其生物学功能。
对于功能性的结构变化，这些三级或四级结构通常用化学构型进行描述，而相应的结构转换就被称为构型变化
3.什么决定蛋白质结构？
•氨基酸序列和折叠方式
物理化学因素（pH、温度、离子强度等
3．核酸
1.核酸的组成
2.DNA和RNA结构
4．化学键和大分子结构
1.大分子中的弱化学键
2.弱化学键在生物体系中的作用
（1）生理温度下不断形成和断裂
（2）弱相互作用需要互补的分子表面
–酶和底物
–抗原和抗体
（3）弱键引导大多数蛋白质－DNA和蛋白质－蛋白质的相互作用
知识点：
•强化学键
•弱化学键
•共价键
•氢键
•水的4个重要特征
•官能团
•大生物分子
•蛋白质
•核酸
•蛋白质的四级结构
•肽键
•蛋白质折叠
•蛋白质变性
•弱化学键的重要意义
•下列哪种化学键帮助稳定蛋白质中的α－螺旋和β－折叠？
a）肽键
b）疏水作用
c）离子键
d）氢键
•水在蒸发过程中，下列哪种化学键要断裂？
a）离子键
b）氢键
c）极性共价键
d）非极性共价键
•答案：
db
生物化学
（2）
I.能量
1．热动力学
1.能量的形式
•生命如何工作：
细胞把一种形式的能量转化为另一种形式的能量
•热能：
–分子或原子的不规则运动
•势能：
–由于位置
–由于结构（电子间成键的方式）
•化学能
–化学反应中可供使用的势能
•比如：
葡萄糖的分解
–释放能量
•打比方：
–烃和氧气发生反应，释放出的能量启动和尾气
2.系统
•孤立系统
•封闭系统
•开放系统
3.热力学定律
热力学第一定律
•能量是恒定的
•植物是能量的转化者，而不是创造者
•化学能转化为其他能量
热力学第二定律
•为什么生物体不能再利用能量？
•在能量转化过程中，部分能量被转化成热
•能量在转化过程中，部分能量变得不能再工作了
•食物中的化学能只有一小部分转化成动能，其他都以热的形式散失
•损失的可用的能量转化为热
•拥挤的屋子较热---每个人体内都有各种化学反应的发生
•每次的能量转化都让宇宙更加无序
•熵来表示无序程度
•热力学第二定律：
–每次能量的转化都使得系统的熵增加
•为什么有些过程是自发的？
•一个过程，如果导致熵增加，不需要加入能量
•一个过程，如果导致熵减少，只有能量输入才能发生
•生物学上的有序和无序
2．自由能
1.化学反应和自由能
•自由能：
–在等温等压情况下，系统能用来工作的能量
•H:
焓（系统总能量）S：
熵T：
温度变化
•总结：
–所有自发反应降低系统的自由能
•自由能是衡量系统的不稳定性---系统会向更稳定的状态
•化学平衡：
–一个过程趋向化学平衡，自由能降低
2.自由能和代谢
•根据自由能的变化，化学反应分为两类：
–放能反应
•放能反应：
–释放自由能到周围环境
•举例：
细胞呼吸
–ΔG=-686kcal/mol
•注意：
–打破化学键不释放能量
–原来的键断裂后形成新化学键可以释放出多少势能（能量储存在化学键里）
•反应是自发的
–吸能反应
•吸能反应
–从环境中吸收自由能
–反应不是自发
3.化学平衡和代谢
•水力发电系统
–封闭系统的反应会达到平衡后不再做功
•一个细胞如果达到代谢平衡，就意味着死亡
•事实上代谢永远不会达到平衡
•开放系统
•分解反应是逐步进行的
三．ATP
1.ATP的结构和功能
•细胞的3种主要功能：
–化学做功---促使反应进行
–运输---物质的跨膜运输
–机械---肌肉收缩、染色体移动等
•细胞实现这些功能依靠：
能量耦合
•能量耦合：
–用放能反应驱动吸能反应
–如果一个吸能反应所需的自由能小于ATP水解的能量，这两个反应就能耦合---耦合的总反应是放能的
•ATP负责细胞内的能量耦合
•大多数情况下，作为能量转换的中间状态来协助细胞工作
•ATP结构
•ATP的功能：
–能量耦合
–合成RNA
•放能反应
–ATP和水的能量高于ADP和无机磷酸
–ATP水解过程中释放的能量是从系统向低自由能状态变化
•为什么ATP水解产生大量的能量？
–3个磷酸基团是带负电荷
–相互排斥造成ATP分子的不稳定
2.ATP的水解如何帮助细胞工作
•如果ATP水解发生在试管内
–释放的自由能加热周围的水
•生物体内相似的例子：
–肌肉收缩---ATP水解放能---温暖身体
•细胞可以直接利用ATP水解释放的能量
•这一过程需要磷酸化
–一个磷酸基团从ATP上被转移到另一个分子（反应物）上
•原理：
–接受磷酸基团的受体分子和磷酸基团共价结合---磷酸化的中间态（是耦合吸能反应和放能反应的关键）---这个中间态比未磷酸化的分子更加不稳定
•ATP如何促使运输和机械运动
–改变蛋白质的构型
–改变蛋白质间的结合
•直接：
–磷酸化导致膜蛋白携带分子进行运输
•机动蛋白在细胞骨架上的运动
•间接：
–ATP和机动蛋白非共价结合
–ATP水解
3.ATP的再利用
II.酶
1．活化能
1.什么是活化能？
•任何化学反应的发生都涉及化学键的生成和断裂
•从一个分子转化成另一个分子：
–在反应开始前，初始分子转化成一个极不稳定的状态
•转化成极不稳定状态（化学键可以断裂）---反应物分子必须吸收能量
•活化能：
–转化成极不稳定状态（化学键可以断裂）---反应物分子必须吸收能量
•反应物AB和CD必须从周围环境中吸收足够的能量来达到不稳定的过渡态（化学键可以断裂）
•化学键断裂，新化学键生成，释放能量到周围环境，分子又恢复到低能量状态
2.酶能降低活化能
•将分子重排的活化能降低到热运动能够提供的范围
•大多数代谢反应都需要先克服活化能障碍才能进行，所以他们可以被酶来调控
3.什么是酶？
•一个自发的化学反应速度可能非常慢
•酶
–大分子
–催化剂
2．酶和底物特异性
1.酶和底物
•酶和底物复合体
•酶和底物反应特异性
•由几个方面决定：
–构型
–电荷
–亲水／疏水性
2.活性位点（ActiveSite）
•是指酶中具有催化能力与结合位置的部位
–结合位点
–催化位点
•通常是酶分子表面上一个类似口袋的区域，内部含有可与特定底物发生反应的残基
酶反应机制应用
•治疗HIV药物：
HIV蛋白酶抑制物
•HIV蛋白酶反应特点：
–特异性结合底物
–结合后切除底物
•抑制物：
–和HIV蛋白酶有效结合
–但无法被切除
改变底物结构
3.诱导契合（InducedFit）
•酶和底物的作用方式：
动态结合不等于锁匙
–酶和底物的结构要互补
–当底物进入活性位点后
–酶的形状改变一些
–活性位点的化学基团和底物的化学基团紧密结合
3．酶的作用原理
1.酶的作用周期
•底物进入活性位点：
酶发生构型变化使得活性位点和底物契合
•底物和活性位点以弱化学键结合（氢键、离子键等）
•活性位点降低活化能，催化反应
•底物转变成产物
•产物从活性位点释放
•活性位点以供下一个底物
2.酶如何降低活化能
•当酶遇到底物时，活性位点提供一个好的模板，使得底物能够以一定的方向参与到化学反应中
•当活性位点和底物结合后，酶会把底物向过渡态驱赶，并给化学键相应的压力
•因为活化能和打破化学键的困难度成正比，给底物施加压力，可以使底物更好地向过渡态接近，所以可以降低达到过渡态的自由能
四．影响酶活性的因素
1.温度和pH
•在极端条件下，包括高温、过高或过低pH条件等，酶会失去催化活性
•但也有一些酶则偏好在非常条件下发挥催化功能，如嗜热菌中的酶在高温条件下反而具有较高活性，嗜酸菌中的酶又偏好低pH条件
2.辅助因子
•有些酶需要辅助因子才能完成催化
•辅助因子：
–非蛋白物质
–酶必须和其结合才能催化化学反应
•辅酶是辅助因子的一种
3.酶的抑制剂
•竞争抑制
•非竞争抑制
5.酶的调控
1.变构调控
•原理：
–一些酶除了有活性中心外，还有所谓变构中心，该中心可与配体（有时为底物）结合从而使酶的构象发生改变，影响到酶活性中心与底物的亲和力以及酶的活性
•受到变构调控的酶都会有几个亚基
•每个亚基都有自己的活性位点
•整个复
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