专业基础课《分子生物学》课程教学大纲(普通班).pdf
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1、 分子生物学 课程教学大纲 适用对象:本科药学专业中文班 (学分:3 学时:54 )一、课程的性质和任务:分子生物学是研究生物基因表达规律、探索生命奥密的一门基础理论科学,也是研究基因的结构和功能的科学,也是高等院校生物学专业必修课程之一,面向生物技术专业和生物科学专业。本课程应在无机及分析化学、有机化学、生物化学等课程之后开设,同时又是动物生理学、植物生理学、遗传学、细胞生物学、微生物学等课程的专业基础课。分子生物学是生物学科发展最快的学科,在推动二十一世纪生物技术产业的崛起、推动国民经济持续高速发展等方面均有重要的作用。通过对本课程的学习,使学生掌握分子生物学的发展史及研究内容;DNA 的
2、结构和功能;基因组的特点及其研究方法;DNA 的复制和损伤的修复;RNA 的生物合成和剪接加工;蛋白质的生物合成;分子生物学的基本研究方法和技术手段;原核生物和真核生物基因表达的调控的等内容。理论教学 36 学时,实验教学 18 学时。通过本课程学习,使学生掌握分子生物学的基本原理和实验技能,具备从事与分子生物学相关学科的科研工作的初步能力,并为后续课程的学习打好坚实的基础。二、教学内容和要求(含每章教学目的、基本教学内容和教学要求):第一章 绪论【教学基本要求】掌握分子生物学的概念和研究范畴,熟悉分子生物学的发展历史。【教学具体内容】一、分子生物学的概念 二、分子生物学研究的内容 基因与基因
3、组的结构与功能;DNA 的生物合成、修复和重组;RNA 的生物合成和转录产物的加工;蛋白质的生物合成;基因表达的调控;穿插介绍相关的研究技术。三、分子生物学的发展和展望 人类对 DNA 和遗传信息传递的认识阶段;重组 DNA 技术的建立、发展和应用;结构基因学和功能基因学的发展现状和发展趋势。第二章 染色体与 DNA 【教学基本要求】掌握 DNA 的一二三级结构、性质和功能;熟悉原核生物和真核生物基因组的特点,掌握 DNA 复制过程及 DNA 变性复性等概念及影响因素。【教学具体内容】第一节 染色体和 DNA 的结构 一、DNA 的一级结构:是指 4 种核苷酸的连接及排列顺序,表示了 DNA
4、分子的化学构成。二、DNA 的物理图谱 三、DNA 一级结构的测定 四、DNA 的双螺旋结构 一类是右手螺旋,如、B-DNA、C-DNA、D-DNA、E-DNA、A-DNA;另一类是局部的左手螺旋,即 Z-DNA。五、DNA 的三股螺旋结构 六、DNA 超螺旋结构 可分为正超螺旋与负超螺旋两类。七、核小体与染色体 核小体:DNA 双螺旋链,等距离缠绕组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各二分子组成八聚体形成众多核心颗粒。1、组蛋白特征 2、非组蛋白 八、DNA 结构的不均一性 九、DNA 的变性、复性和分子杂交 1、DNA 的变性(denaturation)2、DNA 的复性:热变性 DNA
5、一般经缓慢冷却后即可复性,此过程称为退火(annealing)。3、核酸的分子杂交:Southern 印迹分析,Northern 印迹分析,菌落或噬菌斑原位杂交。十、基因与基因组 基因:一般是指表达一种蛋白质或功能 RNA 的遗传物质的基本单位。基因组:是指某种生物所包含的全套基因。(一)原核基因组 1、病毒基因组:2、细菌基因组:细菌基因组含有染色体和染色体外的 DNA质粒。1)质粒的特点:独立于染色体之外的双链环状 DNA 分子,含有遗传信息能进行自主复制 2)细菌基因组的结构特征(二)真核基因组 真核基因组结构特征 1、重复序列,2、基因割裂现象,3、假基因,4、基因家族 第二节 DNA
6、 的复制 一、DNA 复制的方式及一般过程:(一)DNA 的半保留复制(semiconservative replication)半保留复制的实验依据(二)DNA 复制的一般过程:二、DNA 复制过程的三个阶段(一)DNA 复制的起始阶段:1、DNA 复制起始点的结构特性:2、DNA 复制的方向性:3、DNA 复制的起始:。(二)DNA 链的延长 1、DNA 聚合酶:1 2、与超螺旋松驰有关的酶 (三)DNA 复制的终止阶段 真核生物线性 DNA 末端具有端粒结构。端粒的结构:端粒 DNA 的合成一种特殊的反转录酶叫做端粒酶(telomerase)。1、反转录酶的催化作用:2、反转录酶的特点:
7、3、反转录酶发现的意义 三、基因重组和基因移动:基因重组和基因移动是生物进化的动力,具有重要的生物学意义。1、基因重组 2、基因移动 插入序列(insertion sequence,IS),转座子(Transposon,Tn)四、基因突变和基因的损伤与修复 1、基因突变的分类:2、突变可能造成的后果:3、基因突变的特征:4、基因的损伤:。引起基因损伤的因素:1)物理因素:a、紫外线 b、电离辐射。2)化学因素 a、烷化剂,b、核苷酸类似物,c、代谢产生的活性物质。3)生物因素 :DNA 病毒和 RNA 病毒感染、质粒转移、基因重组、转座子的转位 4)自发损伤或突变 5、基因修复 1)直接修复:
8、a、光修复:b、烷基转移修复。2)碱基切除修复。3)核苷酸切除修复。第三章 生物信息的传递(上)从 DNA 到 RNA【教学基本要求】掌握几种不同 RNA 的结构特点和功能特点。了解转录的过程,掌握起始和终止的协助因子。掌握 RNA的转录后加工的类型及其作用。【教学具体内容】第一节:RNA 的结构与功能 一、tRNA(结构)tRNA 的二级结构(三叶草结构)三叶草结构的共同特点:tRNA(功能):a、起始 tRNA 和延伸 tRNA,b、同工 tRNA,c、校正 tRNA。二、rRNA 占细胞内总 RNA 量的 80%,为蛋白质的合成提供场所。原核生物和真核生物核蛋白体均由易于解聚的大、小亚基
9、组成,原核 rRNA 主要分为 5S、16S、23S 三种;真核 rRNA 主要分为 5S、28S、5.8S、18S,S 是大分子物质在超速离心沉降中的一个物理学单位,可反映分子量的大小。三、mRNA 1、mRNA 在细胞内只占总 RNA 的 1%-2%。2、mRNA 的代谢很快。3、真核生物中 hnRNA 是 mRNA 的未成熟前体,也称为不均一核 RNA(heterogeneous nuclear RNA,hnRNA)。4、hnRNA 与 mRNA 之间的差别 mRNA5/端的帽子功能:mRNA3/端 polyA 尾巴的功能:四、snRNA 参与 RNA 的剪接。五、小胞浆 RNA(scR
10、NA)是蛋白质定位合成于粗面内质网上所需的信号识别体(signal recognization particle)组成成分。六、反义 RNA(antisense,anRNA)1)抑制 DNA 复制:作为 DNA 复制的抑制因子,它可与引物 RNA 互补结合。2)抑制转录:在转录水平上,反义 RNA 可与 mRNA 5末端互补,阻止 RNA 的转录。3)抑制翻译:三种作用,一是与 mRNA5 端不译区结合,直接抑制翻译;二是与起始密码子结合抑制翻译起始;三是与 mRNA 非编码区结合引起 mRNA 构象改变,从而影响翻译。七、核酶(ribozyme)具有酶的催化活性可在预选位点剪切 RNA 的反
11、义 RNA 又称酶 RNA。第二节 转录 RNA 的生物合成 一、依赖 DNA 的 RNA 聚合酶(DDRP)1、原核生物 RNA 聚合酶 全酶由六个亚基组成,去掉亚基的部分称为核心酶(2/)2、真核生物 RNA 聚合酶 真核生物有四种 RNA 聚合酶,分别称 RNA 聚合酶、和线粒体 RNA 聚合酶。RNA 聚合酶:位于核仁中,转录编码 rRNA。RNA 聚合酶:位于核质中,转录核内 hnRNA RNA 聚合酶:位于核质中,转录合成 tRNA 和许多小的核 RNAs。二、RNA 转录过程可分为识别、起始延长和终止三个阶段。(一)识别:即 RNA 聚合酶全酶识别启动子 1、原核生物启动子核苷酸
12、序列的特点:2、真核生物的启动子(二)转录起始和延伸 1、原核生物转录起始:因子从全酶解离下来,靠核心酶在 DNA 链上向下游滑动。2、真核生物转录起始 需要多种蛋白因子的协助,它们与 RNA 聚合酶形成转录起始复合物,共同参与转录起始的过程。转录因子(Transcription Factor)结合顺序:D-A-B-F-E-H(三)转录的终止 一类是不依赖于蛋白质因子而实现的终止作用 另一类是依赖蛋白质辅因子因子才能实现终止作用 第三节 真核生物 RNA 的转录后加工 真核生物从断裂基因产生的 mRNA 要经过复杂的加工历程:mRNA 的加工 5端加帽:3端加尾:RNA 的剪接(splicin
13、g):RNA 的编辑(editing):第四章 生物信息的传递(下)从 RNA 到蛋白质【教学基本要求】掌握蛋白质合成的分子基础,熟悉蛋白质合成的详细过程。一、蛋白质生物合成的概述 mRNA 是蛋白质合成的模板;tRNA 转运活化的氨基酸至 mRNA 模板上;核糖体是蛋白质合成的场所;参与蛋白质合成的各种辅因子。二、遗传密码的破译与遗传密码的特征 遗传密码是三联体;用人工合成的多聚核苷酸破译遗传密码起始密码和终止密码;用人工合成的三核苷酸破译遗传密码。遗传密码是连续排列的三联体;起始密码与终止密码;密码简并性;密码的变偶性;遗传密码的 通用性和变异性;遗传密码的防错系统。摆动假说.三、tRNA
14、 与氨酰-tRNA 的合成(一)tRNA 的结构 1、二级结构:三叶草形 2、三级结构:“L”形(二)tRNA 的功能 1、解读 mRNA 的遗传信息 2、运输的工具,运载氨基酸 tRNA 有两个关键部位:3端 CCA,反密码子部位(三)tRNA 的种类 1、起始 tRNA 和延伸 tRNA 2、同工 tRNA 3、校正 tRNA:校正 tRNA 通过改变(四)氨酰-tRNA 合成的反应;氨酰-tRNA 合成酶的特异性。四、核糖体 (一)核糖体的结构 1、核糖体由大小两个亚基组成 2、核糖体蛋白 3、核糖体 RNA 组成和功能特点 1)5S rRNA,(2)16S rRNA,(3)23SrRN
15、A,(4)5.8SrRNA 4、核糖体有 3 个 tRNA 结合位点:A 位P 位E 位。(二)核糖体的自我组装(三)核糖体的功能:小亚基的功能,大亚基的功能 五、原核生物的蛋白质合成 原核生物肽链合成的起始;原核生物肽链的延伸;原核生物肽链合成的终止。六、真核生物的蛋白质合成 真核生物肽链合成的起始;真核生物肽链的延伸;真核生物肽链合成的终止。七、蛋白质生物合成的抑制剂 许多抗生素都能够抑制细菌细胞内蛋白质合成,5-甲基色氨酸、环己亚胺、白喉毒素、蓖麻蛋白、等也都能抑制蛋白质的合成。原核生物肽链合成的抑制剂;真核生物肽链合成的抑制剂。第十章 肽链合成后的加工和输送 一、肽链的剪接和加工 肽链
16、的剪接(N 端 fMet 或 Met 的切除,切除新生肽链中非功能片段);氨基酸残基的修饰;多链的折叠。二、肽链合成后的定向输送 翻译转运同步机制;翻译后转运机制。信号识别颗粒 第五章 分子生物学研究法(上)DNA、RNA 及蛋白质操作技术【教学基本要求】掌握 DNA 体外重组的概念及基本流程;学习 DNA 文库的构建流程;掌握 PCR 等技术的原理及操作,了解实时定量 PCR 等技术的原理;了解 RNA 及蛋白的操作技术。【教学具体内容】一、DNA 体外重组的基本含义 1、DNA 体外重组的基本概念:2、DNA 体外重组的基本过程:二、限制性内切酶 限制酶产生末端的连接 a、粘性末端互补 b
17、、不匹配末端连接 c、平末端连接 三、其他常用的工具酶 (一)DNA 聚合酶 1、大肠杆菌 DNA 聚合酶 I 2、Klenow 酶 3、Tag DNA 聚合酶 4、逆转录酶(依赖于 RNA 的 DNA 聚合酶)。(二)T4 噬菌体 DNA 连接酶(三)碱性磷酸酶(四)核酸酶 1、S1 核酸酶:2、核糖核酸酶(RNaseA)四、常用的载体 1、质粒载体 (1)质粒的生物学基本特性 a、自主复制性:b、不相容性:c、稳定性 d、寄生性:e、复制类型:(2)质粒 DNA 的构型,具有三种不同的构型:SC 构型;oc 构型;L 构型。(3)实验室常用质粒 a、pBR322 b、pUC18/19(7)
18、质粒的制备 实验室一般使用两种方法制备质粒 I.碱裂解法 II、沸水浴法 2、噬菌体载体:噬菌体的繁殖方式有两种:溶菌性方式(lytic pathway);溶原性方式(lysogenic pathway)。3、考斯质粒(粘性质粒,cosmid):考斯质粒是含有 l-DNA 两端 cos 区的质粒 理想的基因工程载体的一般要求。五、目的基因的获得 (一)原核生物基因文库的构建(二)真核生物目的基因的获得 1、cDNA 文库的构建:2、cDNA 文库目的基因的筛选 3、化学合成法获得目的基因:PCR 反应过程:变性,退火,延伸 逆转录 PCR。实时定量 PCR。六、外源基因表达系统(一)大肠杆菌表
19、达系统(二)酵母表达系统(三)昆虫细胞表达系统(四)哺乳类细胞表达系统 七、蛋白质与蛋白质组学技术 蛋白质组学 蛋白质组的广义认识。双向电泳(two-dimensional electrophoresis)(一)第一向等电聚焦;(二)第二向 SDS-PAGE 电泳 第六章:分子生物学研究法(下)基因功能研究技术 一、基因表达研究技术(一)基因表达系列分析技术(Serial Analysis of Gene Expression,SAGE)(二)RNA 的选择性剪接技术 常用 RT-PCR 法(反转录 PCR)研究某个基因是否存在选择性剪切。(三)原位杂交技术 RNA 原位杂交:染色体原位杂交:
20、(四)基因定点突变(site-directed mutagenesis)该方法通过改变基因特定位点核苷酸序列来改变编码的氨基酸序列,主要采用 PCR 方法.二、基因敲除技术(一)基本原理 经典遗传学(Forward genetics)现代遗传学(Reverse genetics,反向遗传学)基因敲除(gene knock-out)又称基因打靶 基因敲除分为:完全基因敲除:条件型基因敲除(又称不完全基因敲除)(二)高等动物基因敲除技术 真核生物基因敲除的技术路线主要包括:转基因动物(transgenic animal):嵌合体动物。1、转基因动物的发展 2、转基因动物的基本过程 3、转基因动物的
21、方法 3-1、逆转录病毒感染法:3-2、DNA 显微注射法:3-3、胚胎干细胞法(三)、植物基因敲除技术 T-DNA 插入失活技术是目前在植物中使用最为广泛的基因敲除手段。T-DNA:是农杆菌 Ti 或 Ri 质粒中的一段 DNA 序列。三、蛋白质及 DNA/RNA 相互作用技术(一)酵母单杂交系统(Yeast one-hybrid system)(二)酵母双杂交系统(Yeast two-hybrid system)四、RNAi(RNA interference,RNA 干涉)技术及其应用 RNAi 技术:单链 RNA(ssRNA,single-stranded RNA)的降解。Dicer(一
22、种具有 RNAase III 活性的核酸酶)的加工 小分子干扰核糖核酸(siRNA,short interfering RNA),并有效地定位目标 mRNA。RNA 诱导的沉默复合体(RISC)的核蛋白体。五、基因芯片及数据分析 基因芯片(DNA chip),又称 DNA 微阵列(DNA microarray)技术 基因芯片的测序原理是杂交测序方法 基因芯片可用于进行基因诊断。六、印迹法 Blotting Methods Southern blotting Northern blotting Western blotting 分别可对 DNA/RNA/蛋白质进行分析。六、蛋白-DNA 相互作用
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