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1绪论1.1分子生物学的基本概念①分子生物学---广义：在分子水平上研究生命现象，或用分子的术语描述生物现象的学科。狭义：核酸与蛋白质水平上研究基因的复制，基因的表达（包括RNA转录、蛋白质翻译），基因表达的调控以及基因的突变与交换的分子机制。②序列假说：核酸片段的特异性，完全由其碱基序列决定，而且这种序列是一种蛋白质氨基酸的密码③中心法则：DNA的遗传信息经RNA一旦进入蛋白质，也就不可能再行输出。④三大原则：Ⅰ、构成生物大分子的单体是相同的；Ⅱ、生物大分子单体的排列决定了不同生物性状的差异和个体特征；Ⅲ、所有生物遗传信息表达的中心法则是相同的⑤分子生物学是研究细胞内大分子的结构、功能和相互作用特点和规律，并通过这些规律认识生命现象的一门科学。1.2分子生物学的发展简史①细胞学说：（1）以下3点是必修一上的内容：a细胞是一个有机体，一切动植物都由细胞发育而来，并由细胞和细胞产物所组成。b细胞是一个相对独立的单位，既有它自己的生命，又对与其他细胞共同组成的整体的生命起作用。c新细胞可以从老细胞中产生。（2）以下7点是百度到的内容：a.细胞是有机体，一切动植物都是由单细胞发育而来，并由细胞和细胞产物所构成；b.所有细胞在结构和组成上基本相似；c.新细胞是由已存在的细胞分裂而来；d.生物的疾病是因为其细胞机能失常；e.细胞是生物体结构和功能的基本单位；f生物体是通过细胞的活动来反映其功能的；g.细胞是一个相对独立的单位，既有他自己的生命，又对于其他细胞共同组成的整体的生命起作用。②正向遗传学：在不知道基因化学本质的前提下，仅依靠表型突变体在世代间的传递规律来研究基因的特征和染色体上的位置，描述基因突变和染色体的改变，分析它们对生物形态和生理特征所产生的效应。③反向遗传学：通过转基因办法来确定某一基因的功能。④GeorgeBeadle和EdwardTatum提出“一个基因一个酶”假说Avery围绕肺炎链球菌的成就第一个动摇了“基因是蛋白质”的理念，为“DNA是遗传物质”的理论建立奠定了基础Chargaff法则：A+C=T+GNirenberg在一周内破解了第一个遗传密码：UUU——苯丙氨酸Jacob和Monod发现乳糖操纵子模型Pardee，Jacob，Monod命名的“Pa-Ja-Mo”实验结果证明：基因通过一种RNA严格地控制着蛋白质的合成。这种RNA被命名为“信使RNA”⑤操纵子模型：几个结构基因可以同时被一个调节基因控制，并组合在一起形成“操纵子”的结构，它们从“启动子”的序列开始转录成一条单一的mRNA分子。⑥操纵子模型将基因划分为调控基因和结构基因⑦利用限制性内切酶EcoR1和连接酶获得了一个既含SV40的原癌基因，又含有λ噬菌体DNA片段的人工重组DNA分子。科学史将这一工作标志为“遗传工程”的开始。⑧Mullis—多聚酶链反应（PCR）技术。定义PCR是一项“晚熟”的技术，定义PCR是一项“简单”的技术。从嗜热水生菌（Taq）中成功提取的耐热性的DNA聚合酶。1.3现代分子生物学的发展①将具有内含子与外显子相间阁排列的基因定义为“间隔基因”和“断裂基因”。“断裂基因”被誉为一次“小革命”。②1997-朊蛋白的发现与遗传机制；2001-细胞周期的调控；2002-细胞程序性死亡的机制的揭示；2005人类幽门螺旋杆菌的发现与功能证实；2006-细胞内RNA干涉现象的发现与应用。③分子细胞生物学、分子遗传学、分子病理学、分子免疫学、分子神经生物学等“分子化”的生物学学科形成。2基因概念的演变与发展2.1早期的“基因”概念1．融合遗传理论：这一理论认为，父本精液与母本胚胎中的体液融合后，传递给后代并控制子代个体的性状表现。2．1809年jean-baptistedelamaarck提出“获得性遗传理论”3．1866年chaelesrobertdarwin提出“泛生论”4．weismann.是第一个通过切除尾巴实验的证据否定了“泛生论”假说的科学家。并于1885年提出了著名的遗传物质的“种质论”。Weismann认为多细胞生物可分为“体质”和“种质”。2.2经典的基因概念1．孟德尔提出了遗传因子，1909年丹麦遗传学家johannsen创造了基因“gene”单词来表达孟德尔的“遗传因子”2．经典的基因概念：即基因是孤立的排列在染色体上的实体（不再是代表某种性状的抽象符号AaBb.......）是具有特定功能。能独立发生突变和遗传交换的“三位一体”的、最小的遗传单位。3．基因具有剂量效应，位置效应。4．基因（也即顺反子）是染色体上的一个片段，在一个顺反子内有若干个交换单位，最小的交换单位被称为交换子。最小的突变单位被称为突变子，5．在同一基因座位中，同一突变位点向不同方向发生突变所形成的等位基因称为全同等位基因，在同一基因座位中，不同突变位点发生突变所形成的等位基因称为非全同等位基因，6．人类kuru病和牛海绵状脑炎（疯牛病）的传染性病原蛋白颗粒。阮病毒的繁殖是将自身PrPcs蛋白（Mr27000~30000）结构信息通过与正常膜蛋白PrPc（Mr33000~35000）结合，在分子伴侣的辅助下，传递给PrPc并将其转化为PrPcs的过程。Piusiner不仅因此获得了1997年的诺贝尔奖，而且也结束了蛋白质是否是遗传物质的争论。2.3基因的分子结构1、RNA与DNA在结构上的差异主要表现在：（1）核苷中德核糖为2位非脱氧OH基。（2）碱基中没有胸腺嘧啶T只有尿嘧啶U（3）RNA分子多为单链分子（4）RNA分子化学稳定性较差，易发生降解（5）在以DNA分子为主要遗传物质的生物中，DNA分子链长，数目少，RNA分子链短，数目多，2、DNA双螺旋结构的模型，揭示了DNA分子是由两条反向平行的多多聚核苷酸链组成，磷酸骨架主链位于螺旋的外缘，A/T,G/C以氢键方式连接形成的碱基对堆积在螺旋内部，向右盘旋的B-双螺旋棒状实体。其主要结构特征如下：1脱氧核苷酸之间是通过3，5-膦酸二酯键将脱氧核糖5’位和3’位连接，形成螺旋体的磷酸骨架。2多聚核苷酸链间形成氢键的前提是具有为共价键束缚的氢原子和受体原子，并能满足碱基之间按氢键互补配对的方式，形成直径2.0nm的螺旋体。3.双螺旋中任一条核苷酸链绕纵轴旋转360°所升降的螺距为3.4nm。其中包含有10个碱基对，每对碱基对之间相距0.34nm,相对于螺旋纵轴上升或下降了36°。4.由于从螺旋轴心到两条磷酸骨架主链所划分的两个扇形不等，一个大于180°，一个小于180°，形成大沟，小沟。大沟往往是基因表达调控的重要位点。3、影响双螺旋结构稳定的因素（1）氢键；（2）磷酸酯键；（3）电荷；（4）碱基堆积力（5）碱基对之间的挤压、抵御可以使DNA分子的内能增加，破坏稳定。4、DNA分子的两条核苷酸链是由碱基对之间氢键连接的，当天然DNA的溶液被加热或受到极端pH溶剂、尿素、酰胺等某些有机试剂的处理后，碱基对之间的氢键会发生断裂，或氢键的形成关系发生改变，或碱基间的堆积力受到破坏，两条核苷酸链便逐渐彼此分离，形成无规则的线团，这一过程成为变性5、已发生变性的DNA溶液在逐渐降温的条件下，两条核苷酸链的配对碱基间又重新形成氢键，恢复到天然DNA的双螺旋结构，这一过程称为复性6、碱基中的嘌呤环和嘧啶环对260nm的紫外线具有强烈的吸收特征值。7、当在进行DNA热变性研究时，这种随温度升高单链状态的DNA分子不断增加而表现出A260值递增的效应被定义为碱基的增色效应或DNA的减色效应。8、.Tm值：通过对不同DNA分子变性S曲线的分析，将增色效应达到最大值一半的温度定义为该DNA分子的变性温度或Tm值9、影响DNA分子热变性Tm值的主要因素（1）DNA分子的碱基组成：G+C含量越高的DNA分子，Tm值也越大；（2）DNA分子的碱基排列；（3）DNA片段的大小；（4）变性剂的影响；（5）盐浓度：Na+浓度越高，DNA分子的稳定性越高，Tm值越大；（6）pH。10、影响DNA分子复性的因素（1）Na+浓度；（2）温度；（3）长度；（4）浓度；（5）核苷酸的排列或核苷酸序列的复杂性2.4核酸分子的空间结构1、DNA分子二级结构的形态：线型（L型），环型（C型），分支型（B型），叉型（Y型），置换型（D型），发夹型（H型），纽结型（K型），环突型（R型）。2、三股螺旋DNA分子的种类：（1）分子内的三股螺旋DNA（2）分子间的三股螺旋DNA（3）平行三股螺旋DNA。3、三股螺旋DNA分子的结构特点：第三条链上的核苷酸与Watson—Crick碱基对之间的连接氢键被称为Hoogsteen氢键4、三股螺旋的生物学意义：阻止调节蛋白的结合，从而关闭基因的表达。是基因表达调控的机制之一也是RNA分子参与表观遗传调节的机制之一。可以作为分子刀实施DNA的定点切割。5、四股螺旋由4条核苷酸链组成。其功能为：起到稳定染色体结构，避免线状染色体DNA在复制过程中出现的5‘端短缩的重要生物学意义。6、.转座子的遗传效应：（1）诱变效应（2）切除效应（3）双转座效应（4）位置效应（5）转座爆炸7、转座因子的应用：利用转座子的插入突变效应，研究基因的结构和功能区；利用转座子分离克隆基因；利用转座子进行插入突变位点的扩增，利用Tn进行基因定位；利用IR作为基因转移载体等。特别是生物学进入后基因组时代，利用转座子构建大型突变体库，为反向遗传学研究，功能基因的克隆与功能研究提供了重要的技术平台8、假基因：指具有与功能基因相似的序列，但不能翻译有功能蛋白质的无功能基因。往往存在于真核生物的多基因家族中。9、.假基因的分类：（1）功能基因累积突变型（2）加工假基因2.4.3DNA的三级结构1、溴化乙锭：具有扁平分子结构，分子可以插入到DNA中，在紫外线的激发下，可以产生红光，因此拓扑异构酶成为分子生物学研究中常用的DNA燃料。2、原核生物中的拓扑异构酶主要有两种，拓扑异构酶Ⅰ是由TopA基因编码的单聚体蛋白，异构酶Ⅱ是由gyrA，graB两个基因编码的α，β亚基构建的异源四聚体蛋白。拓扑异构酶Ⅰ在原核生物中称为ω酶，在真核生物中称为切缝酶，当拓扑酶Ⅰ对单链DNA作用一次，使L增加1，W也增加1，即消除一个DNA负超螺旋。拓扑异构酶Ⅱ在原核生物中称为螺旋酶或旋转酶。拓扑酶Ⅱ每作用一次，使双链DNA的L减少2，从而引入两个负超螺旋。2.5基因概念的多样性2.5.1生物进化的C值矛盾1、大C值：分子生物学将某生物单倍体基因组DNA的核苷酸数定义为大C值。2、小c值：将受中心法则限定，编码结构基因DNA的核苷酸数定义为小c值。3、C值矛盾：生物基因组的大小同生物在进化上所处地位的高低没有绝对的相关性，这种现象称为C值矛盾。体现为：①C值不随生物的进化程度和复杂性而增加,如肺鱼的C值为112.2G，而人的是3.2G，与牛相近。②亲缘关系密切的生物C值相差甚大，如豌豆为14，而蚕豆为2。③高等真核生物具有比用于表达高得多的C值，如人的染色体组DNA含量在理论上包含300万个基因，但实际有用途的基因只有4万左右。2.5.3.3重复序列的种类1、重复序列的DNA可人为的划分为中度重复序列和高度重复序列。①中度重复序列：将每一重复单位的序列长度为0.1—1kb，每一基因组有10—10000拷贝，C0t（1/2）值为0.001—0.1的组分划归为中度重复序列。真核生物中的rDNA,tDNA及组蛋白基因均属于中度重复基因。Alu序列家族是灵长类动物特有的一种成员众多，功能还不十分明了的中度重复序列。②高度重复序列：将每一重复单位的序列长度为2—10bp，每一基因组有10^5—10^6拷贝，C0t（1/2）值小于0.001的组分划归为高度重复序列。2.5.3.4重复序列的形成1、重复序列形成的原因：①滚环扩增—突变：推测中度重复序列rDNA通过滚环方式不断形成串联重复的拷贝，随后插入到基因组的DNA分子中，并在进化中发生突变，形成重复家族中的相似成员。②反转座插入：类似于Alu家族形成的机制一样，转录的RNA分子经反转录形成cDNA，再以转座子转座方