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1、分 子 生 物 学 教 案任课学院：生命科学学院 课程名称分子生物学课程编号180012授课专业生物、生命、生计课程类别必修课公共基础课；专业基础课；专业课选修课限选课； 任选课授课方式课堂讲授；实验课考核方式考试；考查总学时数60学分数3学时分配课堂讲授 60学时； 教材名称Molecular Biology（3 e）作者Robert F. Weaver 出版社及出版时间McGraw-Hill，2004指定参考书作者出版社及出版时间分子遗传学孙乃恩南京大学出版社，2004基因及其表达（第二版）童克中科学出版社，2000.12分子遗传学张玉静科学出版社，2004.4GeneBenjamin L
2、ewinPrentice Hall，2004现代分子生物学（2e）朱玉贤，李毅高等教育出版社，2002Molecular Biology of the Gene（5e）James WatsonPearson Education，2004Molecular Cell Biology（5e）Harvey LodishW H Freeman，2004Essentials of Molecular Biology（3e，影印版）George M. Malacinski, David Freifelder北京：科学出版社，2002Instant Notes in Molecular Biology（2e
3、，影印版）Tumer PC, McLennan AG, Bates AD, et al北京：科学出版社，2001高级分子生物学要义陈淳，徐沁，徐晋麟译北京：科学出版社，2003高级分子遗传学李明刚北京：科学出版社，2004授课题目（章、节） 第一章 Introduction主要内容主要内容主要内容1二十世纪生命科学发展历程的回顾1.1 近代的自然观与进化学说生命的起源问题神创论：十八世纪以前，圣经及其宣扬的神创论或创世说、特创论在西方学术界、知识界以及整个西方文化中占据着统治地位。大多数人相信世界是上帝有目的地设计和创造的，由上帝制定的法则所主宰，是有序协调、安排合理、美妙完善且永恒不变的。布
4、丰进化学说：在博物学一书中提出了进化论点，认为物种是可变的，特别强调环境对生物的直接影响，当物种生存的环境发生改变，尤其是气候与食物性质的变化，可引起生物机体的改变。灾变论：在整个地质发展的过程中，地球经常发生各种突如其来的灾害性变化，并且有的灾害是具有很大规模的。每当经过一次巨大的灾害性变化，就会使几乎所有的生物灭绝。这些灭绝的生物就沉积在相应的地层，并变成化石而被保存下来。这时，造物主又重新创造出新的物种，使地球又重新恢复了生机。均变论：地球表面所有特征都是由难以觉察的、作用时间较长的自然过程形成的。拉马克学说：生物种是可变的，所有现存的物种，包括人类都是从其他物种变化、传衍而来；生物本身
5、存在由低级向高级连续发展的内在趋势；环境变化是物种变化的原因，并把动物进化的原因总结为“用进废退”和“获得性遗传”两个原则。达尔文学说：1859年发表了物种起源， 用大量的事实证明了生物变异的普遍性、变异与遗传的关系，提出了生存竞争和自然选择学说，系统地论述了物种形成的机制。 生命只有一个祖先，因为生命都起源于一个原始细胞的开端，生物是从简单到复杂、从低级到高级逐步发展而来的，生物在进化中不断地进行着生存斗争，进行着自然选择。 现代进化论：1）生物进化的基本单位：摒弃了达尔文把个体作为生物进化基本单位的说法，认为应当把群体作为进化的基本单位。突变本身是物种的一种适应性状，它既是进化的动因，又是
6、进化的结果。自然选择的作用不是通过对优胜个体的挑选，而是以消灭无适应能力的个体这一方式而实现的。2）生物进化的体现：在达尔文看来，进化的改变仅仅体现在个体上，现在进化论则认为，由于基因分离和重组，有性繁殖的个体不可能使其基因型恒定地延续下去，只有交互繁殖的种群才能保持一个相对恒定的基因库。因此，进化体现在种群的遗传组成的改变上，不是个体在进化，而是种群在进化。3）自然选择的因素：在达尔文学说中，自然选择来自繁殖过剩和生存斗争；而在现代进化论中，则将自然选择归结为不同基因型有差异的延续。4）可遗传的变异和不遗传的变异：达尔文还不能区别可遗传的变异和不遗传的变异，他有时还采用了后天获得性遗传的概念
7、。综合进化论摒弃了这些过时的概念，而将自然选择学说和门德尔理论及基因论结合起来。魏斯曼的“种质学说”：种质连续论：种质在世代之间连续相继；支持选择理论； 否定后天获得性遗传。1.2 细胞学说的提出1883年德国植物学家施莱登和动物学家施旺总结了前人的研究结果，提出了细胞学说：“一切生物从单细胞到高等动植物都是由细胞组成的，细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位。1.3 孟德尔遗传定律的提出与经典遗传学的创立孟德尔学说的主要内容为：分离定律：基因作为独特的独立单位而代代相传。细胞中有成对的基本遗传单位，在杂种的生殖细胞中，成对的遗传单位一个来自雄性亲本，一个来自雌性亲本，形成配子时这些遗传单位彼
8、此分离。独立分配定律：在一对染色体上的基因对中的等位基因能够独立遗传，与其他染色体对基因对中的等位基因无关；并且含不同对基因组合的性细胞能够同另一个亲本的性细胞进行随机的融合。1.4 摩尔根的性状连锁遗传规律的提出及基因学说1）种质(基因）是连续的遗传物质；2）基因是染色体上的遗传单位，有很高稳定性，能自我复制和发生变异；3）在个体发育中，基因在一定条件下，控制着一定的代谢过程，体现出相应的遗传特性和特征表现；4）生物进化主要是基因及其突变。2分子生物学概念What is Molecular biology? 1）Define in broadly： Understand biological
9、 phenomena in molecular terms (difficult to distinguish from biochemistry).2）Define in restrictively：The study of gene structure and their activities in molecular level.3）Seeks to explain the relationships between the structure and function of biological molecules and how these relationships contrib
10、ute to the operation and control of biochemical processes. Of principal interest are the macromolecules and macromolecular complexes of DNA, RNA and protein and the processes of replication, transcription and translation. 4）Molecular biology is the study of genes and their activities at the molecula
11、r level.2.1 贯穿分子生物学的三条基本原则1）构成生物体各类有机大分子的单体在不同的生物中都是相同的；2）生物体内一切有极大分子的建成都遵循共同的规则；3）某一特定生物体所拥有的核酸界蛋白质分子决定了它的属性。2.2 分子生物学研究的三大领域1）狭义分子生物学：Gene concept、Gene structure、Gene duplication、Gene expression、Gene recombination、Gene mutation 2）结构生物学：生物大分子的结构与功能、生物大分子之间的互作： DNAprotein、 Hormone receptor、Enzyme su
12、bstrate.3）生物技术理论与应用：基因工程、细胞工程、发酵工程、酶（蛋白质）工程。2.3 分子生物学发展的三大支持学科1）Cytology、Molecular Cell biology；2）Genetics、Molecular Genetics；3）Biochemistry：Nucleic Acid Chemistry、Protein Chemistry。2.4 分子生物发展历程以诺贝尔获奖事件为主线，介绍分子生物学发展的里程碑与主要内容。3二十一世生物学的新热点及研究领域3.1 结构生物学生物大分子的高级三维结构与功能的统一，生物大分子之间的互作构成了基因的社会学。 3.2 分子发育生
13、物学器官的发生、胚胎的形成、个体的发育。3.3 分子细胞生物学3.4 分子神经生物、分子肿瘤生物学、生物信息学3.5 二十一世纪生命科学世纪生命科学与技术是我国赶超世界发达国家生产力水平，实现国力后发优势和经济跨越式发展最有前景和最有希望的领域！对生命现象的认识从单基因水平向全基因组整体水平发展；现代生命科学研究的理论与技术从较长期的积累走向应用。从现在起到今后的1015年内，生物学在其本身发展和其他学科的影响下，正经历着重大转变。一方面在微观层次上对生物大分子的结构和功能，特别是基因组的研究取得重大突破后，正深入到后基因组学时代，通过功能基因组学和比较基因组学的研究，对基因、细胞、发育和脑功
14、能的探索正在形成一条主线，随之而来的蛋白质组学和生物信息学方面的研究也将在生命科学中成为重要角色。另一方面，在宏观层次上对生命的起源与进化、分类学、生态学、生物资源与可持续发展以及生物复杂性等研究也将取得重要进展。特别是通过微观与宏观、分析与综合、单个基因与整体、个体与群体等多方面的结合，以及多种新技术的应用，生命科学的发展正面临一个新的高峰。目的与要求分子生物学不仅是目前自然科学中进展最迅速，最具活力和生气的领域，也是新世纪的带头学科。在第一章中，主要介绍分子生物学的基本含义及其研究内容，以及二十世纪生命科学发展历程，使学生对分子生物学的研究现状所了解。通过对以部分诺贝尔生理医学奖和化学奖作
15、为纽带的分子生物学发展简史的介绍，使学生全面了解分子生物学的发展。通过分子生物学发展简史、经典分子生物学实验、及杰出研究者科研经历的介绍，使学生懂得做学问、搞研究是一件实实在在的事情，探索科学规律要实事求是，来不得半点虚假，使学生在学习过程中自然而然地获得科学品质的升华。重点与难点分子生物学的基本含义及主要研究内容，明确分子生物学研究的三大领域，清晰分子生物学发展的三大支持学科在研究内容的侧重点上与分子生物学的差异，掌握后基因组时代的主要特征。教学手段传统板书与多媒体相结合。给学生电子教材。本课复习要点以及下次课预习内容1复习要点1.1 孟德尔遗传定律的提出与经典遗传学的创立。1.2 摩尔根的
16、性状连锁遗传规律的提出及基因学说。1.3 分子生物学研究的三大领域。1.4分子生物学概念1.5 结构基因组学与功能基因组学。1.6 中心法则的补充内容。2预习内容2.1 基因概念的演变与发展。思考题或作业题1分子生物学的基本含义2基因学说的主要内容3二十一世纪生命科学基础研究中最活跃的前沿。实施结果与改进意见课堂效果良好。但由于课件中有许多内容是以英文形式出现，且事先没有给学生讲稿，部分学生反映，跟不上教师的讲课速度。建议在以后上课时，事先将课件、讲稿发给学生。授课题目（章、节）第二章 基因概念的演变与发展主要内容主要内容主要内容历史上，从基因概念发展到现代基因组定义所历经的不同阶段。从遗传学
17、史的角度看，基因概念大致分以下几个阶段：泛基因（或者称前基因）阶段，孟德尔的遗传因子阶段，摩尔根的基因阶段，顺反子阶段，操纵子阶段和现代基因阶段。1 早期的基因概念1.1 融合遗传理论 （Blending inheritance）：两种不同的性状在杂交后，被融合在一起的双亲遗传物质在子代中就像血液一样混合，而不能再分开，在以后的世代中也不会出现性状分离的现象。1.2 获得性遗传理论（1nheritance of acquired characters L.B.Lamarck.1809）：一定的物种为适应环境的变化而不断加强和完善对环境的适应，从而逐渐转变为新种，所获得的性状是由于环境影响而非遗
18、传物质的改变，新性状一旦获得，便能遗传给后代。1.3 泛生论假说（Hypothesis of the Pangenesis）：体内的各类细胞均具有代表其自身的胚芽。杂种内的镶嵌特征是亲本胚芽混合所致。在生活周期的任何阶段细胞都可放山胚芽，胚芽随血流循环，通过分裂而增殖并发育成同样的细胞。胚芽也可积累在生殖细胞内，并传递给后代。当环境条件发生变化时，胚芽也会发生改变，并将此新的获得特性传给后代。1.4 种质论（Theory of germplasm A.Weismann 1883）：种质是指性细胞和产生性细胞的那些细胞。 魏斯曼认为，在世代繁衍的过程中，种质自身永世长存、在世代之间连续相继；体质
19、是保护和帮助种质繁殖自身的一种手段，是由种质产生的，种质细胞系完全独立于体质细胞系，体质细胞发生的变化（也就是获得的性状）不影响种质细胞，因而获得性状是不会遗传给子代的。1.5 遗传因子假说（Hypothesis of the inherited factor G.JMendel 1866）：1）每一个遗传因子（基因）是一个相对独立的功能单位 也就是说控制性状发育的因子都有其相对独立的行为和功能的单位性。2）因子的纯洁性 遗传因子（基因）在杂合状态互不污染，保持它各自的纯洁性。3）因子的等位性 这是遗传因子的单位性、纯洁性的基础。等位性指的是在有性生殖的二倍体生物中，控制成对性状的基因是成对的
20、，形成配子时，只有成对的等位基因才相互分离。否定了Hypothesis of the Pangenesis；奠定了Theory of particulate inheritance；提出了Law o fsegregation和Law of independent assortment。但缺乏细胞在有丝分裂和减数分裂过程中染色体行为的有力证据。2. 经典的基因概念 从1910年到30年代美国人托马斯亨特摩尔根（18661945年）等通过数百种果蝇性状的杂交实验，结合细胞学的观察，不仅证明了孟德尔定律的正确性，而且还发现了基因连锁和交换现象及其染色体机理，同时还证实了长期存在的一种猜测，即借助于显
21、微镜能看到的在细胞核里呈小棍形状结构的染色体就是基因的所在地。他阐明了基因变异和遗传的染色体机理，总结为基因学说。2.1基因是染色体上的实体 2.2基因象链珠一样，孤立地呈线状地排列在染色体上：每个基因控制（或影响）一个性状（基因作为功能单位）；每个基因独立突变，与其它基因无关（基因是突变单位）；每个基因通过交换过程能够与染色体上的最近邻分离（基因被看成是重组单位）。突变被认为是基因分子发生细微变化，产生新等位基因。交换纯粹是珠串的机械性断裂，然后又将同源染色体相应的“珠串片段”重新熔接（融合）。2.3 Gene is three in one：functional unit、mutation
22、 unit、cross-over unit. 3基因概念的演变与发展2.1 基因的位置效应（Position effect）：因染色体不同区段的结构而影响基因表达的现象称为位置效应。1）稳定位置效应（stable position effect）2）花斑位置效应（variegated position effect） 2.2 拟等位基因概念的提出 （pseudo alleles）紧密连锁 （交换率极低），功能相同（表型相似），但不是结构性的等位基因。2.3顺反子理论（Theory of cistron，2.4S.Benzer 1955）1）基因是DNA分子上的一个特定的区段，就其功能来说是一个
23、独立的单位；2）在一个顺反子内，有若干个突变单位即突变子（muton）；3）在一个顺反子内，有若干个交换单位即交换子（recon）；4）基因是一个具有特定功能的，完整的，不可分割的最小的遗传单位；5）基因内可以较低频率发生基因内的重组，交换；6）cistron 概念的提出是对经典的基因概念的动摇，是对pseudo alleles概念的修正。2.4 等位基因（allele）概念的发展同一座位存在的两个以上不同状态的基因, 其总和称之为复等位基因（multiple alleles）（A, a1, a2.），具有相对差异的DNA区域。1）：全同等位基因：在同一基因座位（locus）中，同一突变位点（
24、site）向不同方向发生突变所形成的等位基因（homoallele）。2）非全同等位基因；在同一基因座位（locus）中，不同突变位点（site）发生突变所形成的等位基因 ( heteroallele )。 2.5 操纵子理论很多生物功能上相关的结构基因在染色体上串连排列，由一个共同的控制区来操纵这些基因的转录。包含这些结构基因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子（operon）。一个操纵子转录后形成单个的多顺反子mRNA。操纵子的控制区由启动子（P）和操纵基因（O）所组成。后者位于紧靠结构基因的上游部分，它是调节基因产物的结合位点。调节基因(regulatory gene)是位于操纵子附近的
25、一个抑制位点（inhibitory site，i），是一个独立的转录单位，它有自己的启动子，其表达产物即阻遏物（repressor），所以在操纵子中此基因又称为阻遏基因（repressor gene）。2.6基因的类型1）transcritable, translatable gene：具有转录和翻译功能，包括结构基因（structural genes）与调节基因（regulatory genes）。2）Transcritable but non-translatable gene：只转录产生相应的RNA，而不翻译成多肽链。rDNA是专门转录核糖体RNA（rRNA）的，rRNA与相应的蛋白质结
26、合形成核糖体，为mRNA翻译形成多肽链提供场所；tDNA专门转录转移RNA（tRNA），tRNA的作用是激活氨基酸，因为在多肽链合成时，氨基酸先要被激活，然后被转移到核糖体上按mRNA信息与其他氨基酸连接形成多肽链。3）Non-transcritable, non-translatable gene：对基因表达起调节控制作用，包括启动子（promotor）与操纵基因（operator）。目的与要求使学生对基因概念的演变与发展有一个清晰的脉络，了解基因的概念是一个历史发展的事物，随着人们认识的不断深入，基因的概念在不断得到修正与发展。This chapter outlines the three
27、 activities of genes and provides some background information that will be useful in our deeper explorations in subsequent chapters.重点与难点1盂德尔学说的颗粒遗传的思想：1.1 每一个遗传因子（基因）是一个相对独立的功能单位；1.2 因子的纯洁性；1.3 因子的等位性。2Theory of the gene2.1 基因是染色体上的实体；2.2 基因象链珠（bead）一样，孤立地呈线状地排列在染色体；2.3 基因是三位一体的遗传单位。教学手段传统板书与多媒体相结合
28、。给学生电子教材。本课复习要点以及下次课预习内容1复习要点1.1 获得性遗传理论（1nheritance of acquired characters L.B.Lamarck.1809）。1.2 泛生论假说（Hypothesis of the Pangenesis）。1.3 遗传因子假说（Hypothesis of the inherited factor G.JMendel 1866）。1.4 Theory of the gene2预习内容2.1 基因概念的演变与发展。思考题或作业题1遗传因子假说的主要内容。2达尔文的进化论有哪些新的发展与修缮。3位置效应提出的实验基础。4你如何看待基因概念
29、的内涵与外延。5在今天看来，一个基因一个酶的假说是不完全准确的，请解释其原因。实施结果与改进意见课堂效果良好。授课题目（章、节）第二章 基因概念的演变与发展主要内容主要内容主要内容3DNA is the main genetic material3.1 DNA is the genetic material1）Transformation in Bacteria（Frederick Griffith，1928）2）DNA: The Transforming Material（Oswald Avery, Colin MacLeod, and Maclyn McCarty，1944）3）The g
30、enetic material of phage T2 is DNA（Hershey and Chase, 1952）3.2 Viral Genes Are Also Nucleic Acidssome viruses use an alternative nucleic acid, ribonucleic acid (RNA), as the genetic material.3.3 Prion（proteinaccous infections particle）4基因的分子结构4.1 基因是DNA分子的片段 Mono-phosphate（Mp）Nucleic Acid (NA) Polyn
31、ucleotide chain（poly Nt） Nucleotide（Nt）basic unit Nucleoside （Ns）Ribose（Deoxy-ribose）BasePurin (pu) Aderine（A） Guanine (G) Pyrimidine (py)Thymine (T) Uracil (U)Cytosine (C) Cytosine (C) 1）a nitrogenous base：The nitrogenous base is a purine or pyrimidine ring.嘧啶碱基：单环结构，胞嘧啶存在于DNA和RNA两种核酸中，胸腺嘧啶只存在于DNA中
32、，尿嘧啶只存在于RNA中。嘌呤碱基：双环结构，DNA与RNA均含有腺嘌呤和鸟嘌呤。Each nucleic acid contains 4 types of base. The same two purines, adenine and guanine, are present in both DNA and RNA. The two pyrimidines in DNA are cytosine and thymine; in RNA uracil is found instead of thymine. The only difference between uracil and thym
33、ine is the presence of a methyl substituent at position C5.2) pentose：呋喃型环状结构，-D-戊糖（核糖）、-D-2-脱氧戊糖（脱氧核糖）。DNA has 2deoxyribose, whereas RNA has ribose. The difference is that the sugar in RNA has an OH group at the 2 position of the pentose ring. The sugar can be linked by its 5 or 3 position to a pho
34、sphate group.3）nucleoside：A nucleoside consists of a purine or pyrimidine base linked to position 1 of a pentose sugar by a glycosidic bond from N1 of pyrimidines or N9 of purines.4）nucleic acid：A nucleic acid consists of a long chain of nucleotides. This is constructed by linking the 5 position of
35、one pentose ring to the 3 position of the next pentose ring via a phosphate group. So the sugar-phosphate backbone is said to consist of 53 phosphodiester linkages. The nitrogenous bases stick out from the backbone.4.2 Significance of Chemical Differences Between DNA and RNA1）Two fundamental chemica
36、l differences distinguish DNA from RNA:DNA contains 2-deoxyribose instead of ribose；DNA contains thymine instead of uracil.2）What are the consequences of these differences and do they hold any significance in common?DNA is a more stable polymeric form than RNA. The greater stability of DNA over RNA
37、is consistent with the respective roles these macromolecules have assumed in heredity and information transfer. The ribose 2-OH group of RNA is absent in DNA. This difference leads to a greater resistance of DNA to alkaline hydrolysis （pH11.5）；RNA is less stable than DNA because its vicinal 2-OH gro
38、up makes the 3-phosphodiester bond susceptible to nucleophilic cleavage cytosine deaminates to form uracil at a finite rate in vivo. Because C in one DNA strand pairs with G in the other strand, whereas U would pair with A, conversion of a C to a U could potentially result in a heritable change of a
39、 CG pair to a UA pair. Such a change in nucleotide sequence would constitute a mutation in the DNA.4.3 DNA 双螺旋结构模型 (DNA Double Helix Model) 1）Chargaffs Rules：The four bases commonly found in DNA (A, C, G, and T) do not occur in equimolar amounts and that the relative amounts of each vary from specie
40、s to species . adenine and thymine, and guanine and cytosine, are always found in a 1:1 ratio and that the number of pyrimidine residues alwji equals the number of purine residues. These findings are known as Chargaffs rules: A = T; C = G; pyrimidines = purines.2）X-ray diffraction photograph. These
41、established the dimensions of the DNA double helix and allowed for comparison with the known sizes of the bases. The diameter of the double helix is constant throughout its length at 2 nm. This is the right size to accommodate apurine paired with a pyrimidine, but too small for a purine-purine pair,
42、 and too large for a pyrimidine-pyrimidine pair.3）Watson and Cricks Double HelixThe B-form of DNA is a double helix consisting of two polynucleotide chains that run antiparallel. The nitrogenous bases of each chain are flat purine or pyrimidine rings that face inwards and pair with one another by hy
43、drogen bonding to form A-T or G-C pairs only. The diameter of the double helix is 20 , and there is a complete turn every 34 , with 10 base pairs per turn. The double helix forms a major (wide) groove and a minor (narrow) groove. The major groove is rice in chemical information 4) The Double Helix e
44、xits in Multiple conformation5) DNA can sometimes form a left-handed helix: Z-DNA: A Left-Handed Double Helix6) Several factors account for the stability of the double-helical structure of DNA: Hydrogen bond, phosphoester bond, van der Waals forces, electrovalent bond, stack together through hydrophobic interactions 4.4 核酸分子的空间结构1) 一级结构：DNA分子的核苷酸组成与排列（sequence）;2) 二级结构：D. S. DNA Double Helix model A, B, Z., Linear , circle T. S. DNA（Triplex Strands） Tet. S DNA （Tetraplex Strands）
