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1、分子生物学 Molecular Biology,主讲:马生健(博士)Tel:15876394188(674188) QQ:182240898 E-mail: ,What is molecular biology? 分子生物学简单的讲就是在分子水平研究生命现象的一门前沿学科,更具体的定义则不同的专家有不同的说法. 分子生物学是揭示生物大分子结构与功能的学科,既是当前生命科学领域中最重要的基础学科和分支学科,也是该领域中属于最前沿的领军学科,正在强有力地推动着生物学及其相关领域许多学科的飞速发展。,分子生物学与其它学科的关系,分子生物学与现代化学与物理学相对独立,又有交叉。 分子生物学与生化,细胞
2、学,遗传学关系密切。 分子生物学已渗透到生物学的各个领域,成为生命科学的带头学科。,生物学:研究生命现象与活动规律的科学。 分类:非细胞生物 具细胞形态生物:原核、古核、真核 生物多样性:一定范围内不同的生物有规律地构成稳定的生态综合体。,生物学、生物分类和生物多样性,化学、生物化学与化学生物学,化学:在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质及其规律的科学。 生物化学:研究生物的化学组成及其在生命活动中变化规律的一门学科。,物理学、生物物理学,物理学:研究物质的结构、相互作用及其运动规律的学科。 生物物理学:物理学与生物学相结合的一门边缘学科,应用物理学的概念和方法研究生物各层次与功能的关
3、系,分析生命活动的物过程和物质在生命活动过程中表现的物理特性。,遗传学、细胞生物学、发育生物学,遗传学:研究生物遗传和变异的科学。 细胞生物学:在显微、亚显微和分子水平三层次研究细胞的结构、功能和生命规律的科学。 干细胞:一类具有自我复制能力的多潜能细胞,在一定条件下,可分化成多种功能细胞。,分子生物学的主要内容,本书从构成生物体的大分子开始,沿着遗传信息流向的中心法则,阐述生物大分子及其在复制、修复、重组、转录、翻译、信号转导、基因表达与调控等主要环节中的相互作用与功能。 共分12章,主要包括生物大分子,基因与基因组,DNA的复制,DNA的损伤、修复与突变,转录,翻译,原核生物基因的表达调控
4、,真核生物基因的表达调控,基因重组、基因工程和分子生物学常用的研究技术。,结构分子生物学,任务:通过阐明生物大分子的三维结构来解释细胞的生理功能。,遗传信息的传递规律,中心法则:图1-1,基因、基因组和蛋白质组,基因:DNA片段断裂基因重叠基因假基因移动基因 基因组:单倍体细胞中全套染色体或病毒粒子所含的全部DNA或RNA分子。 蛋白质组:全部基因表达的全部蛋白质及其存在方式。,基因的表达调控、基因工程,持家基因 奢侈基因 基因工程 基因诊断与治疗,The history of molecular biology 分子生物学的历史(丛书序),一、萌芽阶段(The embryo stage )(
5、1950年前) 1871年,Miescher发现核素。 1900年,Mendel创立了分离规律和自由组合规律 ,提出了遗传因子的概念。 1910年,Morgan :基因学说。 二十年代,Levene研究了核酸的结构,并提出了四核苷酸假说。 1944年,Avery证实DNA携带遗传信息。 1948-1953年Chargaff等:DNA碱基组成A=T、G=C的Chargaff规则 。,The establish stage 创立阶段(1950-1970年),1953年,Watson 和Crick DNA双螺旋(double helix) 1958年,Crick中心法则(Central dogma)
6、 1958年,Meselson 和Stahl :DNA半保留复制(semiconservative replication)。 1958年Weiss及Hurwitz等发现依赖于DNA的RNA聚合酶; 1968年,Okazaki(冈畸)提出DNA不连续复制模型(semi-continuous replication) 1961年Hall和Spiege-lman用RNA-DNA杂交证明mRNA与DNA序列互补,逐步阐明了RNA转录合成的机理。 1961年,Jacob 和Monod操纵子学说. 60年代,Nirenberg、Ochoa以及Khorana等几组科学家的共同努力破译了RNA上编码合成蛋白
7、质的遗传密码(Genetical codon).,The development stage 发展阶段(1970年后),1970年,Temin 和Baltimore发现逆转录酶 阿尔伯(Arber)、史密斯(Smith)和内森斯(Nathans),发现限制性内切酶,获1978年诺贝尔生理学和医学奖 Sanger 设计测定DNA分子内核苷酸序列,1980年与伯格(Berg)(重组DNA技术)分享 Nobel 生理医学奖 1983年,Mullis发明了PCR技术 1989年Altman、 Cech发现核酶共享Nobel化学奖.,转基因动物的研究。 转基因植物的诞生。 基因治疗技术。 基因组时代-人
8、类基因组计划。 后基因组时代-基因功能与蛋白质组。,分子生物学常用参考书目,1 Molecular Biology of the Cell (4th Edition by B Alberts) 2 Molecular Cell Biology (4th Edition by H Lodish) 3 Molecular Biology (2nd Edition by R Weaver) 4 Molecular Biology (Instant Notes in Molecular Biology, 2nd Edition by P Turner) 5 Advanced Molecular Bio
9、logy (by R Twyman) 6 现代分子生物学(朱玉贤等、北京大学) 分子生物学(郜金荣等、武汉大学) 分子生物学(杨歧山、浙江大学) 分子生物学(王曼莹、高等师范院校新世纪教材) 基础分子生物学教程(赵亚华、“十一五”国家级规划教材),分子生物学实验参考书目,1. 分子克隆实验指南(The bible) 2. 精编分子生物学实验指南 3. 分子生物学实验基础 4. 现代分子生物学实验原理与方法 5. 分子生物学实验技术 6. 现代分子生物学实验技术 7. 分子生物学基础技术 8. PCR技术实验指南,分子生物学主要参考杂志,Cell 37.297 Science 24.676 Na
10、ture 27.368 Nature Medicine 28.114 New England J of Medicine 27.766 FASEB J. 14.629 J of Experimental Medicine 14.384 J of Natural Products 1.432 J of Pharmacological Science 1.543 Planta Medica 1.430 Chinese Medical J. 0.127,Section A 细胞与大分子,原核细胞,真核细胞,Protein,DNA,RNA,其它大分子 unrelated to MB course,多糖
11、,脂类,Complex macromolecules including these molecules,A1 细胞分类,Prokaryotic cell,Eukaryotic cell,根据细胞类型划分有机体,典型原核细胞示意图,(类核),(纤毛),(鞭毛),A1 Cellular classification,back,(核糖体),Cell wall(细胞壁): 保护细胞菌 受低渗溶液裂解 Plasma membrane(质膜): 双脂层与嵌入蛋白组成:可进行的交换 Genetic materials: 类核(单一环形染色体), 质粒 Ribosmes(核糖体): 蛋白合成场所 Pili(
12、纤毛): 细胞与其它细胞接触 Flagella(鞭毛): 细胞移动,典型真核细胞示意图,A1 Cellular classification,back,Cytoskeletal Fiber 细胞骨架纤维: 控制细胞的形状与运动 组织一些代谢功能,Definition: 细胞在分裂后生成的子细胞改变了它的基因表达模式,产生了功能上不同于母细胞的一种现象。 The main molecular reason: 基因转录改变了,但DNA本身没有变 细胞分化受发育调控基因控制,此类基因的突变将导致异常个体出现。,A1 Cellular classification,back,Cellular diff
13、erentiation (细胞分化),For example 原核生物与低等真核生物孢子形成(Spore formation) (Fig. S3) 高等真核生物体细胞胚(Embryonic cell)分化成高度特异化的细胞. (Fig. S4),Embryonic cell differentiation in Xenopus (爪蟾属):from a single cell to an adult,tadpole,Differentiation is regulated by developmental control genes,A1 Cellular classification,Fig
14、. S4,back,蝌蚪,空间特异性(spatial specificity),在个体生长全过程,某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现 同形异位现象(homeosis): 果蝇头部长触角部位长出脚来 同形异位盒基因(homeobox) :高度保守的一段核苷酸序列(180bp), 控制胚胎发育的基因,Phylogenetic tree determined by rRNA sequence comparisons (rRNA序列比较得到的系统发育树),A1 Cellular classification,Fig. S2,back,A2 亚细胞器 (subcellular organelles
15、) 细胞核Nuclei 线粒体Mitochondria 、叶绿体chloroplasts , 内质网 Endoplasmic reticulum, 微体 Microbodies, 细胞器的分离(Organelle isolation),Cross with Cell Biology,(核),DNA 复制(replication) RNA转录( transcription) &加工( processing) 核糖体的组装 (Ribosome assembly ),A2 Subcellular organelles,(线粒体),Main function: cellular respiration
16、/ATP production via oxidative phosphorylation,DNA replication, RNA transcription, protein synthesis,Nuclear-encoded Mitochonrial proteins: synthesis and transportation,A2 Subcellular organelles,(类囊体),(基粒),Photosynthesis, the light-dependent assimilation of CO2 and H2O to form carbohydrates and O2,DN
17、A replication, RNA transcription, protein synthesis,A plant specific organelle,A2 Subcellular organelles,(叶绿体),Nuclear-encoded chloroplast proteins: synthesis and transportation,drug oxidation and detoxificatin,(内质网),Protein synthesis 蛋白质合成,(酯类代谢) (药物的氧化和解毒),A2 Subcellular organelles,Microbodies (ly
18、sosomes, peroxisomes and glycoxysomes),(溶酶体,过氧化物酶体,醛氧化酶体),Glyoxysomes (乙醛酸循环体),A2 Subcellular organelles,细胞器(Organelle)分离: centrifugation (离心),Density gradient centrifugation Rate zonal (velocity) centrifugation(速度区带离心) Equilibrium centrifugation (平衡离心,等密度离心),Differential (speed) centrifugation:,A2
19、Subcellular organelles,Sedimentation coefficient (沉降系数,s),Density gradients: to prevent convective mixing of the components after separation and to ensure linear sedimentation rates of the components Supporting materials: sucrose (蔗糖), Ficoll(一种合成多糖), cesdium chloride (氯化铯),A3 生物大分子 Protein 蛋白质(Sect
20、ion B) Nucleic acids核酸 (Section C) Polysaccharides(多糖) Lipids (脂类) Complex macromolecules复合大分子,MB course (X), Biochemistry () Immunology (),A3 Macromolecules,多糖是由单糖通过糖苷键共价结合的聚合物 Polysaccharides are polymers of simple sugars covalently linked by glycosidic bonds(糖苷键).,共价地,A3 Macromolecules,脂类:单一脂 Lip
21、ids: individual lipids are not strictly macromolecules, large lipid molecules are built up from small monomeric units and involved in many macromolecule assembly,Triglycerides (甘油三酯),back,Complex macromolecules (复杂大分子): 是一类生物大分子共价或非共价的结合,这种结合能显著提高复合物的结构与功能。 Covalent(共价) or noncovalent associations o
22、f more than one major classes of large biomolecules which greatly increases the functionality or structural capabilities of the complex.,核蛋白 Nulceoprotein: nucleic acids + protein (Section A4),A3 Macromolecules,糖蛋白 Glycoprotein:,carbohydrate + protein,脂蛋白 Lipoprotein:,Lipid + protein,A4 大分子的组装 Prote
23、in complexes (蛋白质复合体) Nucleoprotein (核蛋白) Membranes (膜) Noncovalent interactions 非共价相互作用,protein complexes 蛋白质复合体,Long polymers of tubulin维管蛋白,Fig.1. Schematic diagram showing the (a) cross-sectional and (b) surface pattern of tubulin a and b subunits in a microtubule,(microfilament),actin and myosi
24、n, components of muscle fibers as well,keratin,(cilia纤毛 and flagella鞭毛),A4 Large macromolecular Assemblies,Noncovalent interaction,角蛋白,Crystal structure of 50S rRNA,A4 Large macromolecular Assemblies,Nulceoprotein 核蛋白(1) associations of nucleic acids and protein,Ribosome核糖体: ribosomal proteins rRNAs
25、,Chromatin (染色质): Viruses: Telomerase (端粒酶) : Ribonuclease P:,A4 Large macromolecular Assemblies,DNA + 组蛋白,蛋白衣壳+ RNA or DNA,复制染色体末端. RNA 作为复制模板 蛋白质(催化)合成反应,tRNA 突变. Protein P RNA,Nulceoprotein核蛋白 (2),Plasma membrane 质膜,Noncovalent非共价 interactions The force of macromolecule assembly 大分子组装的力,A4 Large macromolecular Assemblies,范德华力 van der Waals forces: noncovalent associations between uncharged molecules. *氢键 Hydrogen bonds (dipole-dipole): nucleic acids *疏水作用力Hydrophobic interaction: proteins,电荷-电荷作用(盐桥): 带电分子 电荷-偶极,偶极-偶极:至少一方是一个偶极.力弱。 色散力: 非极性分子-CH3,(偶极),(uncharged molecules),
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