1、2014級生物制藥專業基礎課生物化學教研室生物化學教研室 郝軍莉郝軍莉電話：電話：1804853606918048536069課程介紹課程介紹l課程性質：專業基礎課（必修課）l學時分配：理論36學時l主要內容：基本理論l考核方式：1：平時成績40%（綜述20%l PPT匯報10%，平時10%）l 2：考試成績60%1.1.盛祖嘉盛祖嘉 沈仁權沈仁權 分子遺傳學分子遺傳學 2.2.孫乃恩孫乃恩 孫東旭孫東旭 朱德煦朱德煦 分子遺傳學分子遺傳學3.3.劉永明，劉永明，分子生物學簡明教程分子生物學簡明教程4.4.吳乃虎編著吳乃虎編著 基因工程原理基因工程原理5. Benjamin Lewin 5.

2、Benjamin Lewin Genes Genes 參考書目1 分子生物學的概念分子生物學的概念2 分子生物學研究內容分子生物學研究內容3 3 分子生物學與其他學科的關系分子生物學與其他學科的關系4 分子生物學的發展簡史分子生物學的發展簡史5 5 分子生物學應用及發展趨勢分子生物學應用及發展趨勢第1章 緒 論 1.1 什么是分子生物學什么是分子生物學 分子生物學是從分子水平對生物學進行研究的科學，分子生物學是從分子水平對生物學進行研究的科學，實質上是研究生命的分子機理的學科。實質上是研究生命的分子機理的學科。 19501950年年AstburyAstbury首先提出首先提出“分子生物學分子生

3、物學”這一術語，這一術語，意指意指“生物大分子的化學和物理結構研究生物大分子的化學和物理結構研究”。1 分子生物學的概念1.2 分子生物學的基本含義分子生物學的基本含義 從分子水平研究生命的本質從分子水平研究生命的本質 核酸、蛋白質等生物大分子的結構與功能核酸、蛋白質等生物大分子的結構與功能 人類主動地改造和重組自然界的基礎學科人類主動地改造和重組自然界的基礎學科1 分子生物學的概念1.3 1.3 分子生物學三大基石分子生物學三大基石 一基因一酶學說一基因一酶學說 雙螺旋模型雙螺旋模型 操縱子模型操縱子模型1.4 1.4 分子生物學的基本原理分子生物學的基本原理 構成生物體的分子在不同生物中都

4、是相同的構成生物體的分子在不同生物中都是相同的 生物體內分子的構建都遵循共同的規則生物體內分子的構建都遵循共同的規則 核酸、蛋白質決定了生物體的屬性核酸、蛋白質決定了生物體的屬性分子生物學和分子遺傳學的區別：分子生物學和分子遺傳學的區別： 分子遺傳學主要側重于研究核酸的結構與功能分子遺傳學主要側重于研究核酸的結構與功能2 分子生物學研究內容2.1 2.1 結構分子生物學結構分子生物學 結構的測定結構的測定 結構運動變化規律的探索結構運動變化規律的探索 結構與功能相互關系的建立結構與功能相互關系的建立方法：方法：X-射線衍射、核磁共振、電子衍射、中子衍射及頻譜學方法等。射線衍射、核磁共振、電子衍

5、射、中子衍射及頻譜學方法等。2.2 2.2 生物大分子的合成生物大分子的合成 DNA復制、轉錄、蛋白質合成均是遺傳信息傳遞表達過程。復制、轉錄、蛋白質合成均是遺傳信息傳遞表達過程。 合成過程也是生物大分子相互作用的過程，這種作用調節著合成過程也是生物大分子相互作用的過程，這種作用調節著生命過程生命過程生長、發育、適應環境。生長、發育、適應環境。2 分子生物學研究內容2.3 2.3 基因表達調控研究基因表達調控研究基因表達即遺傳信息的傳遞具有基因表達即遺傳信息的傳遞具有時空特異性時空特異性。信號傳導：信號傳導：指外部信號通過細胞膜上的受體蛋白傳指外部信號通過細胞膜上的受體蛋白傳到細胞內部，并激發

6、諸如離子通透性、細胞形狀或到細胞內部，并激發諸如離子通透性、細胞形狀或其他細胞功能方面的應答。其他細胞功能方面的應答。轉錄因子：轉錄因子：是一群能與基因是一群能與基因5鍛上游特定序列專一鍛上游特定序列專一結合，從而保證目的基因以特定的強度在特定的結合，從而保證目的基因以特定的強度在特定的時間和空間表達的蛋白質分子。時間和空間表達的蛋白質分子。RNA編輯：編輯：5加帽、加帽、3加尾、加尾、RNA選擇性剪接等。選擇性剪接等。2 分子生物學研究內容2.4 DNA2.4 DNA重組技術（基因工程）重組技術（基因工程） 將不同的將不同的DNA片斷按照人們的設計定向連接起來，片斷按照人們的設計定向連接起來

7、，在特定的受體細胞中與載體同時復制并得到表達，在特定的受體細胞中與載體同時復制并得到表達，產生影響受體細胞的新的遺傳性狀。產生影響受體細胞的新的遺傳性狀。應用應用： 生產多肽，如激素、抗生素、酶類及抗體等。生產多肽，如激素、抗生素、酶類及抗體等。 定向改造某些生物的基因組結構，如定向改造某些生物的基因組結構，如“超級細菌超級細菌”、轉基因、轉基因動植物等；動植物等； 進行基礎研究，如基因表達調控模式、啟動子和增強子的進行基礎研究，如基因表達調控模式、啟動子和增強子的研究、轉錄因子的克隆和分析等。研究、轉錄因子的克隆和分析等。分子生物學：分子生物學：從從分子分子水平理解生命活動水平理解生命活動細

8、胞生物學：細胞生物學：從從細胞細胞水平理解生命活動水平理解生命活動遺傳學：遺傳學：從從遺傳遺傳角度理解生命活動角度理解生命活動 生物化學：生物化學：從從化學組成化學組成角度來理解生物大分子和生物代謝。角度來理解生物大分子和生物代謝。普通生物學（動物普通生物學（動物&植物）植物）& 微生物學：微生物學：不同不同生物類型生物類型的特點。的特點。生物物理學：生物物理學：從從物理學物理學角度理解生物大分子結構和功能。角度理解生物大分子結構和功能。3 分子生物學與其他學科的關系 分子生物學是生物化學、生物物理學、遺傳學、微生分子生物學是生物化學、生物物理學、遺傳學、微生物學、細胞生物學等

9、多學科相互滲透、綜合融會而產生并物學、細胞生物學等多學科相互滲透、綜合融會而產生并發展起來的。生命活動的發展起來的。生命活動的一致性一致性，是生物學范圍內所有學，是生物學范圍內所有學科在科在分子水平分子水平上的統一。上的統一。4 分子生物學的發展簡史分子生物學發展經歷了五個階段分子生物學發展經歷了五個階段經典遺傳：十八世紀70年代1938年微生物遺傳：1938年 1953年分子遺傳：1953年到1972年重組時代：1972年到1990年后基因組和蛋白質學時代：1990年至今經典遺傳：十八世紀70年代1938年1865 1865 Mendel,G.Mendel,G.發表發表了了植物雜交實植物雜交

10、實驗驗的論文，開的論文，開創了遺傳學。創了遺傳學。 18691869年年F.MiescherF.Miescher從膿從膿細胞中提取到一細胞中提取到一種富含磷元素的種富含磷元素的酸性化合物，稱酸性化合物，稱核質核質(nuclin) (nuclin) 經典遺傳：十八世紀70年代1938年1885188519001900年間年間KosselKossel、LeveneLevene證實核證實核酸由不同的堿基組成。酸由不同的堿基組成。其最簡單的單體結構是其最簡單的單體結構是堿基堿基- -核糖核糖- -磷酸構成的核磷酸構成的核苷酸。苷酸。19291929年又確定了年又確定了核酸有兩種，一種是脫核酸有兩種，一

11、種是脫氧核糖核酸氧核糖核酸(DNA)(DNA)，另，另一種是核糖核酸一種是核糖核酸(RNA)(RNA)。經典遺傳：十八世紀70年代1938年19101910年年Morgan T.H.Morgan T.H.發發現連鎖定律現連鎖定律, ,奠奠定了遺傳的染定了遺傳的染色體學說。色體學說。 經典遺傳：十八世紀70年代1938年19281928年年GriffithGriffith 肺炎雙肺炎雙球菌的轉化球菌的轉化經典遺傳：十八世紀70年代1938年19411941年年Beadlr G.WBeadlr G.W和和Tatum E.LTatum E.L. . 建立建立“ 一個基因一個基因- - 一種酶一種酶”

12、學學說說用用X X射線誘導處理紅色面包霉，射線誘導處理紅色面包霉，篩選出被誘導的突變體來進篩選出被誘導的突變體來進行實驗。根據遺傳分析和大行實驗。根據遺傳分析和大量研究量研究 ，他們認為基因發生，他們認為基因發生突變，就可能導致酶活性的突變，就可能導致酶活性的喪失。喪失。 微生物遺傳：1938年 1953年 1944 1944年年 AveryAvery在離體條在離體條 件下完成化。件下完成化。微生物遺傳：1938年 1953年微生物遺傳：1938年 1953年19501950年年ChargaffChargaff 指出指出DNADNA中四種堿基的中四種堿基的比例關系為比例關系為A/T=G/C=1

13、A/T=G/C=1；微生物遺傳：1938年 1953年19511951年年PaulingPauling和和CoreyCorey提提出了蛋白質的出了蛋白質的-螺旋結構。螺旋結構。19511951年年McClintock B.McClintock B.發現跳躍基因發現跳躍基因或稱轉座或稱轉座微生物遺傳：1938年 1953年微生物遺傳：1938年 1953年19521952年年HersheyHershey和和ChaseChase 噬噬菌體感染實驗菌體感染實驗微生物遺傳：1938年 1953年19521952年年 WilkinsWilkins和和FranklinFranklin用高用高度定向的度定向

14、的DNADNA纖維作出纖維作出高質量的高質量的X-X-光衍射照片光衍射照片分子遺傳：1953年到1972年19531953年，年，WatsonWatson和和CrickCrick提出提出DNADNA的反向的反向平行雙螺旋模型。平行雙螺旋模型。19621962年，年， WilkinsWilkins、 WatsonWatson和和CrickCrick共獲諾貝爾化學獎。共獲諾貝爾化學獎。分子遺傳：1953年到1972年19571957年年CrickCrick提出中心法則。提出中心法則。19571957年年KornbergKornberg用用E.coli E.coli 無細胞提無細胞提取液合成取液合成

15、DNA DNA ，證明，證明DNADNA是模板式合成，并發現了是模板式合成，并發現了DNA polymeraseDNA polymerase。 分子遺傳：1953年到1972年19581958年年MeselsonMeselson和和StahlStahl證實證實DNADNA半保留復制半保留復制分子遺傳：1953年到1972年1961 1961 Jacob, F.Jacob, F.和和Monod, J.Monod, J.提出了操縱子模型提出了操縱子模型19611961年年Brewner, S.Brewner, S.，Jacob, F.Jacob, F. 和和Meselson, MMeselson,

16、 M. . 發現細菌的發現細菌的mRNAmRNA。分子遺傳：1953年到1972年19611961年年 NivenbergNivenberg等人破譯等人破譯出第一批遺傳密碼。出第一批遺傳密碼。19621962年年 Arber, W.Arber, W.，DussoixDussoix, , D D. . 發現了發現了DNADNA的限制與修飾。的限制與修飾。19631963Monod, J.Monod, J.，Changeus, J-PChangeus, J-P和和Jaconb, FJaconb, F提出蛋白變構理論。提出蛋白變構理論。1964 1964 NirenbergNirenberg等通過三

17、聯體結合實驗破譯全部有義密碼子。等通過三聯體結合實驗破譯全部有義密碼子。Holliday,R. Holliday,R. 提出了提出了DNADNA重組模型。重組模型。1965 1965 Holley, R.W. Holley, R.W. 等發表酵母丙氨酸等發表酵母丙氨酸tRNAtRNA的完整序列。的完整序列。分子遺傳：1953年到1972年重組時代：1972年到1990年1972 1972 BergBerg和和BoyerBoyer等人建立等人建立DNADNA重組技術，完成第一個細重組技術，完成第一個細菌基因的克隆菌基因的克隆1973 1973 Cohor, S.R, Chang, A,C.Y,

18、Boyer, H.WCohor, S.R, Chang, A,C.Y, Boyer, H.W和和Holling, Holling, R.BR.B首次在體外構建具有功能的細菌質粒首次在體外構建具有功能的細菌質粒1975 1975 Temin Temin 發現反轉錄酶發現反轉錄酶19771977Sanger, Gilbert Sanger, Gilbert 建立測序方法建立測序方法1980 1980 Botstein,D., White,R.L., Skolnick,M. Botstein,D., White,R.L., Skolnick,M. 和和Davis,R.W. Davis,R.W. 用限

19、制用限制性片段長度的多態性構建人類遺傳學連鎖圖。性片段長度的多態性構建人類遺傳學連鎖圖。1978 1978 Chang,A.C.Y.,Nunberg,T.H.,Kanfaman,R.F.Chang,A.C.Y.,Nunberg,T.H.,Kanfaman,R.F.首首次將真核基因（次將真核基因（dhfrdhfr）在細菌中進）在細菌中進 行表達。行表達。1979 1979 Wang,A.H-JWang,A.H-J和和 Rich,A. Rich,A. 提出提出Z-DNAZ-DNA模型。模型。19801980Botstein,D.,White,R.L.,Skolnick,M.Botstein,D.,

20、White,R.L.,Skolnick,M.和和 Davis,R.W.Davis,R.W.用限用限制性片段長度的多態性構造人類遺傳學連鎖圖。制性片段長度的多態性構造人類遺傳學連鎖圖。重組時代：1972年到1990年重組時代：1972年到1990年1986 1986 Benne, RBenne, R等發現等發現RNARNA編輯的現編輯的現19811981CechCech和和Altman Altman 發現核酶發現核酶Banerji,SBanerji,S等等發現增強子。發現增強子。19841984 Smith M. Smith M. 建立定點突變技術建立定點突變技術1985 1985 Mullis

21、 K Mullis K. .建立建立PCRPCR技術技術后基因組和蛋白質學時代：1990年至今1990 41990 4月月 美國宣布人類基因組測序工作的美國宣布人類基因組測序工作的5 5年計劃。年計劃。1996 DNA1996 DNA芯片進入商業化芯片進入商業化1996 Dietrich, W.F1996 Dietrich, W.F等繪制了小鼠基因組的完整遺傳圖譜。等繪制了小鼠基因組的完整遺傳圖譜。 Dib, CDib, C等繪制了人類的完整遺傳圖譜。等繪制了人類的完整遺傳圖譜。1996 101996 10月完成了酵母基因組的測序月完成了酵母基因組的測序1997 Wilmut 1997 Wil

22、mut 克隆羊誕生克隆羊誕生1998 Sanger F. 1998 Sanger F. 等完成了線蟲的基因組測序。等完成了線蟲的基因組測序。1999 1999 國際人類基因組計劃聯合研究小組國際人類基因組計劃聯合研究小組 完整地破譯出人類第完整地破譯出人類第2222號染色體的遺傳密碼。號染色體的遺傳密碼。2000 62000 6月月26 26 中、美、日、德、法、英中、美、日、德、法、英6 6國國 宣布人類基因組草圖發表。宣布人類基因組草圖發表。2000 102000 10月月 科學家宣布將于科學家宣布將于20012001年年3 3月月 完完 成河豚魚的基因組測序。成河豚魚的基因組測序。200

23、0 122000 12月月1414日英美等國科學家宣布日英美等國科學家宣布 繪出擬南芥基因組的完整圖譜繪出擬南芥基因組的完整圖譜l 1 1月月1212日中、美、日、德、法、英等國科學日中、美、日、德、法、英等國科學 (Nature,15(Nature,15日日) )和美國塞萊拉公司和美國塞萊拉公司(Science,16(Science,16日日) ) 各自公布人類基因組圖譜和初步分析結果。各自公布人類基因組圖譜和初步分析結果。 約約3 3萬基因萬基因后基因組和蛋白質學時代：1990年至今5 分子生物學應用及發展趨勢 品種選育：抗逆性、增產、提高營養價值等品種選育：抗逆性、增產、提高營養價值等

24、作為生物反應器生產人們所需產品作為生物反應器生產人們所需產品 植物的組織培養快速繁殖脫毒等植物的組織培養快速繁殖脫毒等 轉基因植物轉基因植物5.1在農業上的應用在農業上的應用5 分子生物學應用及發展趨勢5.1在農業上的應用在農業上的應用染色體組工程染色體組工程三倍體鮑魚三倍體珍珠無籽西瓜細胞的組織培養細胞的組織培養5 分子生物學應用及發展趨勢5.1在農業上的應用在農業上的應用轉基因鼠轉基因鼠 建立人類疾病模建立人類疾病模 型，模擬疾病的起因。型，模擬疾病的起因。 老年性癡呆癥老年性癡呆癥 自毀容綜合征自毀容綜合征 基因敲除試驗基因敲除試驗 培養人的器官培養人的器官5 分子生物學應用及發展趨勢5

25、.1在農業上的應用在農業上的應用轉基因牛轉基因牛 作為生物反應器作為生物反應器 改善牛奶的品改善牛奶的品質，提高酪蛋白含量質，提高酪蛋白含量 轉入生長激素基轉入生長激素基因，提高產奶量因，提高產奶量5 分子生物學應用及發展趨勢5.1在農業上的應用在農業上的應用轉基因羊轉基因羊 獲得人的凝血酶獲得人的凝血酶原激活劑、凝血原激活劑、凝血因子、尿激酶等。因子、尿激酶等。 改變羊毛的顏色改變羊毛的顏色 人類的基因組計劃人類的基因組計劃 基因治療（遺傳疾病）基因治療（遺傳疾病） 疾病的診斷疾病的診斷 單克隆抗體（生物導彈）單克隆抗體（生物導彈） 疾病的防治（基因工程疫苗）疾病的防治（基因工程疫苗）5 分

26、子生物學應用及發展趨勢5.2 在醫學方面的應用在醫學方面的應用 對人的基因組對人的基因組3 310109 9 個堿基全部序列的測定。個堿基全部序列的測定。 闡明人體中全部基因的位置、結構、功能、表闡明人體中全部基因的位置、結構、功能、表達調控方式及致病突變的全部信息。達調控方式及致病突變的全部信息。 人類的基因組計劃（人類的基因組計劃（Human Genome Program，HGP） 根據染色體數進行基因組分組 每條染色體確定出DNA序列標志 對基因組DNA進行排序 克隆并測定基因組的全部序列 研究每一個基因的結構、功能、表達調控等性質。HGPHGP的研究過程的研究過程 加深人類對自身的了解

27、加深人類對自身的了解 對基因表達調控深入研究對基因表達調控深入研究 認識遺傳疾病以及癌癥等的致病機理認識遺傳疾病以及癌癥等的致病機理 了解人的發育過程有利于人類的健康了解人的發育過程有利于人類的健康 了解人類的發展、進化歷史。了解人類的發展、進化歷史。HGPHGP的意義的意義 人類的基因組計劃人類的基因組計劃（Human Genome Program，HGP）人類后基因組計劃的挑戰人類后基因組計劃的挑戰 基因專利化：重視克隆自己的基因。基因專利化：重視克隆自己的基因。 基因工程產業基因工程產業 基因診斷、治療、蛋白質和基因診斷、治療、蛋白質和細胞計劃等需要基因。細胞計劃等需要基因。遺傳病及基因

28、治療遺傳病及基因治療 體外原位治療體外原位治療從患者體內取出帶有缺陷的細胞，通過基因轉從患者體內取出帶有缺陷的細胞，通過基因轉移進行遺傳修正。將經過遺傳修正后的細胞轉移進行遺傳修正。將經過遺傳修正后的細胞轉入患者的體內。入患者的體內。人類現有人類現有30003000多種遺傳病，已找到了多種遺傳病，已找到了200200與遺傳病有關與遺傳病有關的基因。人類中的遺傳病大致分為單基因、多基因和染的基因。人類中的遺傳病大致分為單基因、多基因和染色體病三大類。如染色體病（由于染色體畸變所致的遺色體病三大類。如染色體病（由于染色體畸變所致的遺傳病）先天愚型、貓叫綜合征、性腺發育不全癥等。傳病）先天愚型、貓叫

29、綜合征、性腺發育不全癥等。遺傳病遺傳病基因治療基因治療遺傳病及基因治療遺傳病及基因治療基因治療基因治療 體內基因治療體內基因治療是指將具有治療功能的基因直接轉入病人是指將具有治療功能的基因直接轉入病人的某一特定組織中，并且能正常表達。的某一特定組織中，并且能正常表達。 反義療法反義療法引入與目的引入與目的mRNAmRNA相補的相補的RNARNA（反義（反義RNARNA），用），用于阻遏或降低某個基因的表達，達到治療目的于阻遏或降低某個基因的表達，達到治療目的。 基因診斷是在基因診斷是在DNADNA重組技術的基礎上發展起來的重組技術的基礎上發展起來的新技術。新技術。基因診斷基因診斷 關鍵是篩選出特異性的關鍵是篩選出特異性的DNADNA探針探針 對病原微生物染色體對病原微生物染色體DNADNA限制性酶切限制性酶切 建立基因文庫篩選出特異性建立基因文庫篩選出特異性DNADNA探針探針 通過通過DNADNA分子雜交鑒定該種病原微生物分子雜交鑒定該種病原微生物 目前已分離出目前已分離出100100多種病原菌的特異性探針多種病原菌的特異性探針DNADNA診斷診斷 關鍵是設計合成待鑒定病原菌特異序列的