分子生物学总结知识点

1、绪论办公室：生物新馆327Tel：81612E-mail：yyxiamenOffice Hour：周二 2：00-4：00生物学 (Biology)研究和生命相关的所有面向生命科学的核心部分生命科学 (Life Sciences)还包括生物学相关领域i.e. 生物医学生物制药生物伦理等现代生物学的几大主题生命的逐级组成遗传信息的表达和传递能量和物质的转移和转化生物系统中的相互作用 生态环境：生物间&生物和环境 分子角度：生物体内部生物演化新技术的发明X-射线晶体学电泳超速离心电子显微镜课程大纲绪论（1）理论（2-10）遗传学（2）生物化学I（3）生物化学 II （4）DNA和RNA结构

2、（5）DNA的复制（6）DNA的修复和重组（7）转录（8）翻译（9）基因表达调控（10）实践（11-16）分子生物学基本技术（模式生物，基因重组）（11）载体，转化和筛选（12）印记杂交，PCR和测序（13）DNA和蛋白质技术（14）在原核生物中操纵基因表达（15）期末成绩 60期中测评 16作业 24 （2次作业）课堂表现 extra credit假说的特点可验证的可证伪性实验(1) 实验设计特点 必须能够证实假说或驳斥假说实验的结果必须要客观和可测量实验必须能被其他科学家所重复(2) 变量(3) 实验中可变化的因素Types:因变量自变量受控变量 实验中保持不变的因素(3) 对照实验在实验

3、中设置比较实验对象的方法目的：与进行实验的对象比较减少实验中不确定的变数带来的影响对照实验中经常考虑：安慰剂效应（病人虽然获得无效的治疗，但却“预料”或“相信”治疗有效，而使得病症得到舒缓的现象） 双盲实验(4) 消除实验中的假象和样品中的随机误差措施：设计多次重复实验被测样品数量足够大(5)模式生物受到广泛研究，对其生物现象有深刻了解的物种伪科学：1.没有对照的证据2.相互矛盾的例子3.商业利益驱使遗传学I.孟德尔和基因的概念孟德尔的实验遗传学的研究，要从稳定的特征开始建立实验系统性状是稳定的让各种性状的豌豆自交，观察子代，找出纯种品系 直觉判断 1.数据的推理2.实验判断 建立模型测交概念

4、介绍基因：控制性状的可遗传因子等位基因：一个基因的不同版本性状生物体可以遗传的一种特征 （连续不连续）表型外表基因型个体携带的一对等位基因 （RR，Rr）纯合体基因型为两个相同等位基因的个体杂合体基因型为不同等位基因的个体显性纯种繁育的F1代所表现出的表型隐性纯种繁育的F1代没有表现出的表型孟德尔定律1.旁氏表 是用于预测特定杂交或育种实验结果的一种图表第一定律有机体内每一个特定的性状都是由一对等位基因控制 (R, r)在减数分裂产生配子的过程中，这对等位基因是可以相互分开的第二定律对于两对或两对以上的等位基因在配子产生的过程中，不同对的等位基因可以自由组合孟德尔定律的前提：一个基因只控制一种

5、性状一种性状只由一种基因控制控制性状的基因均在不同的染色体上显性和表型的关系显性和隐性的等位基因显性的等位基因因为这种等位基因的表型可以看到不是压制了隐性的等位基因（等位基因间不作用）而是从基因型到表型的过程决定豌豆的性状圆粒 vs. 皱粒淀粉分支酶 - 显性等位基因 - 酶可以正常添加分支隐性等位基因 - 酶无法有效添加分支有较少分支的淀粉 - 糖多 - 水分会通过渗透压进入种皮 - 成熟后失水 - 变皱有较多分支的淀粉 - 糖少 - 水分基本不进入种皮 - 成熟后不失水 - 不会变皱杂合体：可以合成足够的酶来添加分支杂合体和显性纯合体表型一致显性等位基因的频率显性等位基因是否更常见？多指畸

6、形隐性等位基因更常见（看适应坏境能力）II.遗传的染色体基础1 染色体学说孟德尔指出的遗传因子在染色体上减数分裂中，遗传因子随着染色体彼此分离而分开2 摩尔根的实验1. 果蝇和突变体使用果蝇研究遗传规律生长周期短，繁殖后代多只有4对染色体，便于观察有很多变体野生型一个物种的代表性形态由一个正常的代表性的等位基因决定突变型不是代表性形态2. 染色体互换是指两条同源染色体在减数分裂 I 前期进行配对时，部分的DNA发生交换此过程所造成的结果，称为遗传重组 3. 伴性遗传遗传基因位于性染色体上的遗传现象性染色体 - 决定性别三基因的连锁和互换连锁：两个基因在同一个染色体上在配子形成的过程中，两个基因

7、倾向在一起不被分开举例：人类的红发和雀斑III.遗传的分子基础1 DNA是遗传物质1.Frederick Griffith的实验 转化因子解剖老鼠尸体：光滑有毒的细菌背景知识：细菌间交换遗传物质 转化因子 2.Avery的实验 验证了DNA是转化因子破碎光滑致病菌的细胞 S匀浆均分在几个试管中每个试管加入特定的酶 - 降解/破坏一种特定的物质 (Lipase破坏脂肪)加入粗糙不致病细菌细胞 R 感染老鼠 3.Hersey & Chase的实验 1.噬菌体 (Bacteriophage)感染细菌并能在细菌内复制的病毒 把遗传物质注入细菌中 2.区分DNA与蛋白质放射性同位素标记蛋白质S3

8、5DNAP32分开噬菌体和细菌离心分析细菌内成分2 DNA的结构DNA的一级结构一级结构 （多聚核苷酸链）单链DNADNA的二级结构两条多核苷酸链反向平行盘绕形成的双螺旋结构A与T间形成两个氢键；G与C间形成三个氢键三DNA复制四基因的本质1.基因和性状基因DNA片段基因如何控制性状？基因表达2.基因的特点1.同样的基因在不同的细胞被表达不同 视红蛋白眼细胞和肌肉细胞都有编码的基因但只有眼细胞才表达2. 不同的基因组合产生不同性状基因和性状的关系：一个基因可以参与几个性状的表达一个性状可以由几个基因参与表达前提：有的性状由不只一种基因控制眼睛的颜色、身高、血压、智力每个单词和其他的单词组合会有

9、不同的意义英文： saw the wood sharpen the saw中文: 盘子 盘头发孟德尔的豌豆实验中得出的最显著的结论是： a)豌豆有遗传多样性b)性状是通过分离的单位继承，而不是混合的结果c)F1代中的隐性基因频率高于显性基因d)基因是由DNA组成e)一个有多种性状是隐性纯合的生物体在生存上是不利的X染色体上的隐性等位基因导致红绿色盲。一个正常的女性（其父亲是红绿色盲）和一个红绿色盲的男性结婚，他们的儿子患有红绿色盲的几率是：a)0b)¼c)½d)¾e)1答案： b c 生物化学（1）I.化学键和元素1 物质和元素物质 (Matter)常用來泛指所有

10、组成可观测物体的成份化合物 (Compound)是由两种或两种以上的元素以固定的摩尔比通过化学键结合在一起的化学物质元素它们只由一种原子组成，其原子中的每一核子具有同样数量的质子，用一般的化学方法不能使之分解，并且能构成一切物质 某种化学元素只需要微小的量，就能使组织适当地的成长、发展、完成组织的生理机能所有生物都需要：铁部分物种需要：碘2 原子原子是一种元素能保持其化学性质的最小单位所有物质均由原子组成次原子粒子 (Subatomic Particles)是指比原子还小的粒子例如：电子、中子、质子、光子等等1. 原子结构质子中子电子原子核电子层：一组原子轨道电子被认为一组一组地围绕着核心以特

11、定的距离旋转，所以轨迹就形成了一个壳2. 电子能量化学反应中：当两个原子接近时，原子核是不反应只有电子参加反应一个电子可以在电子层间运动，伴随吸收或释放能量 当一个电子吸收能量，离原子核远一些当一个电子失去能量，离原子核近一些3.电子的分布和化学性质原子的化学性质和电子在电子层的分布有关主要和外层电子相关化合价 (Valence)是由一定元素的原子构成的共价键的数量价电子 (Valence Electron)可以参与化学反应的最外层电子价电子层 (Valence Shell)最外层的电子轨道3 化学键化学键：价电子层不饱和的两个原子：会发生反应，结果是使价电子层饱和共享或转移价电子化学键将原子

12、联系在一起的吸引力生物化学的两个前提:液体环境生理温度强化学键在生理温度下不会断裂（没有酶的作用）i.e. 共价键弱化学键在生理温度下不断生成和断裂（没有酶的作用）i.e. 氢键，范德华力，疏水作用，离子键共价键两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理想情况下达到电子饱和的状态，由此组成比较稳定和坚固的化学结构叫做共价键分子是一种构成物质的粒子，呈电中性、由一个或多个原子组成，原子之间因共价键而结合电负性：它以一组数值的相对大小表示元素原子在分子中对成键电子的吸引能力，称为相对电负性，简称电负性元素电负性数值越大，原子在形成化学键时对成键电子的吸引力越强 注意：非极性共价键极性共价键离子键：

13、又被称为盐键，通过两个或多个原子或化学基团失去或获得电子而成为离子后形成带相反电荷的原子或基团之间存在静电吸引力以形成离子键极性：指一根共价键或一个共价分子中电荷分布的不均匀性弱化学键：弱化学键的生物学意义：生物大分子维持高级结构两个生物大分子相作用，弱化学键结合氢键已经与电负性较高的原子键合的氢原子与另一个原子之间（供体氢原子与受体原子间）形成的氢键既可以是分子间氢键，也可以是分子内的它是蛋白质和核酸的二、三和四级结构得以稳定的部分原因范德华力在化学中指分子之间非定向的、无饱和性的、较弱的相互作用力疏水作用属于非极性分子的一种性质，使这些分子在水溶液中具有自我聚集的特性稳定生物大分子四化学反

14、应一种化学物质转变为另一种化学物质的过程涉及化学键的生成或断裂化学反应平衡是指在宏观条件一定的可逆反应中，化学反应正逆反应速率相等II.水和生命1 水形成氢键水分子之间形成氢键水分子和其他分子可以形成氢键水分子之间H与2个O之间，H是来回移动的，不是固定的2 水对于生命的重要性1. 水的内聚力、粘附力、表面张力 植物的导管运水内聚力粘合力2.固态水轻于液态水3.水对温度的调节水的比热高 （吸收或释放一定热量，温度改变小）调节海岸地区的空气温度稳定海洋温度4.水是很好的溶剂水是很好的溶剂可以和一些化学物质形成氢键溶于水/不溶于水使化学反应顺利进行 三酸碱度和体内环境活细胞pH值 7 体内有缓冲液

15、III.重要的功能基团1 碳原子和有机化学碳原子对于整个生态系统的物质循环重要植物通过光合作用合成转化成物质供次级消费者可以形成生物大分子有机化学是研究有机化合物及有机物质的结构、性质、反应的学科有机化学研究的对象是以不同形式包含碳原子的物质2 碳原子可形成多种分子1. 碳原子形成的键碳元素：形成有机化合物碳原子可以形成多种分子可以和其他四种原子成键2.碳骨架和分子多样性结构异构体共价键的搭档不同顺反异构体由于存在双键或环，这些分子的自由旋转受阻，产生两个互不相同的异构体，分别称为顺式（cis）和反式（trans）异构体在双键化合物中，若与两个双键原子相连的相同或相似的基团处在双键的同侧，则该

16、化合物被称为“顺式”异构体；若两个基团处于异侧，则定义为“反式”异构体3 重要的功能基团1. 生命中重要的官能团是决定有机化合物的化学性质的原子和原子团7种重要的官能团：羟基羧基羧酸根胺巯基磷酸基团甲基基团2.ATP三磷酸腺苷IV.大生物分子1 高分子高分子是通过一定形式的聚合反应生成具有非常高的分子量的大分子，一般指聚合物和结构上包括聚合物的分子存在于生物体内; 生物体可以自身合成分子量较大存贮大量的能量举例：糖 蛋白质 脂类 核酸 2 蛋白1. 氨基酸和多肽氨基酸构成蛋白质的基本单位，赋予蛋白质特定的分子结构形态，使其分子具有生化活性基本结构多肽：一分子氨基酸的羧基(-COOH)和另一分子

17、氨基酸的胺基(-NH2)脱水缩合形成的酰胺键，即-CO-NH-有部分双键的特性2. 蛋白质结构和功能从一级结构到更高级结构的过程就被称为蛋白质折叠作用：倾向于稳定结构；保护行使功能一级结构组成蛋白质多肽链的线性氨基酸序列二级结构依靠不同氨基酸之间的C=O和N-H基团间的氢键形成的稳定结构，主要为螺旋和折叠三级结构通过多个二级结构元素在三维空间的排列所形成的一个蛋白质分子的三维结构四级结构用于描述由不同多肽链（亚基）间相互作用形成具有功能的蛋白质复合物分子为什么绝大多数蛋白有螺旋结构？肽链的骨架原子间都能形成连接侧链被放在螺旋外更好地接触帮助蛋白质很好地结合DNA运用螺旋识别特定的DNA序列二级

18、结构：折叠多肽骨架的一种高度延展形态多肽链区域整齐排列，使得一个折叠单链的羰基与相邻单链的NH基团形成氢键少数蛋白运用折叠和DNA结合：TBP与TATA序列蛋白质构型变化：蛋白质可以在多个类似结构中转换，以行使其生物学功能。对于功能性的结构变化，这些三级或四级结构通常用化学构型进行描述，而相应的结构转换就被称为构型变化3.什么决定蛋白质结构？氨基酸序列和折叠方式物理化学因素（pH、温度、离子强度等3 核酸1. 核酸的组成2.DNA和RNA结构4 化学键和大分子结构1.大分子中的弱化学键2.弱化学键在生物体系中的作用(1)生理温度下不断形成和断裂(2)弱相互作用需要互补的分子表面酶和底物抗原和抗

19、体(3)弱键引导大多数蛋白质DNA和蛋白质蛋白质的相互作用知识点：强化学键弱化学键共价键氢键水的4个重要特征官能团大生物分子蛋白质核酸蛋白质的四级结构肽键蛋白质折叠蛋白质变性弱化学键的重要意义下列哪种化学键帮助稳定蛋白质中的螺旋和折叠？a)肽键b)疏水作用c)离子键d)氢键水在蒸发过程中，下列哪种化学键要断裂？a)离子键b)氢键c)极性共价键d)非极性共价键答案： d b 生物化学（2）I.能量1 热动力学1. 能量的形式生命如何工作：细胞把一种形式的能量转化为另一种形式的能量热能：分子或原子的不规则运动势能：由于位置由于结构（电子间成键的方式）化学能化学反应中可供使用的势能比如：葡萄糖的分解

20、释放能量打比方：烃和氧气发生反应，释放出的能量启动和尾气2. 系统孤立系统封闭系统开放系统3. 热力学定律热力学第一定律能量是恒定的植物是能量的转化者，而不是创造者化学能转化为其他能量热力学第二定律为什么生物体不能再利用能量？在能量转化过程中，部分能量被转化成热能量在转化过程中，部分能量变得不能再工作了食物中的化学能只有一小部分转化成动能，其他都以热的形式散失损失的可用的能量转化为热拥挤的屋子较热-每个人体内都有各种化学反应的发生每次的能量转化都让宇宙更加无序熵来表示无序程度热力学第二定律：每次能量的转化都使得系统的熵增加为什么有些过程是自发的？一个过程，如果导致熵增加，不需要加入能量一个过程

21、，如果导致熵减少，只有能量输入才能发生生物学上的有序和无序2 自由能1. 化学反应和自由能自由能：在等温等压情况下，系统能用来工作的能量H: 焓 （系统总能量）S：熵 T：温度变化总结：所有自发反应降低系统的自由能自由能是衡量系统的不稳定性-系统会向更稳定的状态化学平衡：一个过程趋向化学平衡，自由能降低2. 自由能和代谢根据自由能的变化，化学反应分为两类：放能反应放能反应：释放自由能到周围环境举例：细胞呼吸G=-686kcal/mol注意：打破化学键不释放能量原来的键断裂后形成新化学键可以释放出多少势能（能量储存在化学键里）反应是自发的吸能反应吸能反应从环境中吸收自由能反应不是自发3.化学平衡

22、和代谢水力发电系统封闭系统的反应会达到平衡后不再做功一个细胞如果达到代谢平衡，就意味着死亡事实上代谢永远不会达到平衡开放系统分解反应是逐步进行的三ATP1.ATP的结构和功能细胞的3种主要功能：化学做功-促使反应进行运输-物质的跨膜运输机械-肌肉收缩、染色体移动等细胞实现这些功能依靠：能量耦合能量耦合：用放能反应驱动吸能反应如果一个吸能反应所需的自由能小于ATP水解的能量，这两个反应就能耦合-耦合的总反应是放能的ATP负责细胞内的能量耦合大多数情况下，作为能量转换的中间状态来协助细胞工作ATP结构ATP的功能：能量耦合合成RNA放能反应ATP和水的能量高于ADP和无机磷酸ATP水解过程中释放的

23、能量是从系统向低自由能状态变化为什么ATP水解产生大量的能量？3个磷酸基团是带负电荷相互排斥造成ATP分子的不稳定2. ATP的水解如何帮助细胞工作如果ATP水解发生在试管内释放的自由能加热周围的水生物体内相似的例子：肌肉收缩-ATP水解放能-温暖身体细胞可以直接利用ATP水解释放的能量这一过程需要磷酸化一个磷酸基团从ATP上被转移到另一个分子（反应物）上原理：接受磷酸基团的受体分子和磷酸基团共价结合-磷酸化的中间态（是耦合吸能反应和放能反应的关键）-这个中间态比未磷酸化的分子更加不稳定ATP如何促使运输和机械运动改变蛋白质的构型改变蛋白质间的结合直接：磷酸化导致膜蛋白携带分子进行运输机动蛋白

24、在细胞骨架上的运动间接：ATP和机动蛋白非共价结合ATP水解3.ATP的再利用II.酶1 活化能1. 什么是活化能？任何化学反应的发生都涉及化学键的生成和断裂从一个分子转化成另一个分子：在反应开始前，初始分子转化成一个极不稳定的状态转化成极不稳定状态（化学键可以断裂）- 反应物分子必须吸收能量活化能：转化成极不稳定状态（化学键可以断裂）- 反应物分子必须吸收能量反应物AB和CD必须从周围环境中吸收足够的能量来达到不稳定的过渡态（化学键可以断裂）化学键断裂，新化学键生成，释放能量到周围环境，分子又恢复到低能量状态2. 酶能降低活化能将分子重排的活化能降低到热运动能够提供的范围大多数代谢反应都需要

25、先克服活化能障碍才能进行，所以他们可以被酶来调控3.什么是酶？一个自发的化学反应速度可能非常慢酶大分子催化剂2 酶和底物特异性1. 酶和底物酶和底物复合体酶和底物反应特异性由几个方面决定：构型电荷亲水疏水性2. 活性位点 (Active Site)是指酶中具有催化能力与结合位置的部位结合位点催化位点通常是酶分子表面上一个类似口袋的区域，内部含有可与特定底物发生反应的残基酶反应机制应用治疗HIV药物：HIV蛋白酶抑制物HIV蛋白酶反应特点：特异性结合底物结合后切除底物抑制物：和HIV蛋白酶有效结合但无法被切除改变底物结构3.诱导契合 (Induced Fit)酶和底物的作用方式：动态结合 不等于

26、 锁匙酶和底物的结构要互补当底物进入活性位点后酶的形状改变一些活性位点的化学基团和底物的化学基团紧密结合3 酶的作用原理1. 酶的作用周期底物进入活性位点：酶发生构型变化使得活性位点和底物契合底物和活性位点以弱化学键结合（氢键、离子键等）活性位点降低活化能，催化反应底物转变成产物产物从活性位点释放活性位点以供下一个底物2.酶如何降低活化能当酶遇到底物时，活性位点提供一个好的模板，使得底物能够以一定的方向参与到化学反应中当活性位点和底物结合后，酶会把底物向过渡态驱赶，并给化学键相应的压力因为活化能和打破化学键的困难度成正比，给底物施加压力，可以使底物更好地向过渡态接近，所以可以降低达到过渡态的自

27、由能四影响酶活性的因素1.温度和pH在极端条件下，包括高温、过高或过低pH条件等，酶会失去催化活性但也有一些酶则偏好在非常条件下发挥催化功能，如嗜热菌中的酶在高温条件下反而具有较高活性，嗜酸菌中的酶又偏好低pH条件2. 辅助因子有些酶需要辅助因子才能完成催化辅助因子：非蛋白物质酶必须和其结合才能催化化学反应辅酶是辅助因子的一种3.酶的抑制剂竞争抑制非竞争抑制5. 酶的调控1. 变构调控原理：一些酶除了有活性中心外，还有所谓变构中心，该中心可与配体（有时为底物）结合从而使酶的构象发生改变，影响到酶活性中心与底物的亲和力以及酶的活性受到变构调控的酶都会有几个亚基每个亚基都有自己的活性位点整个复合体在两种构型中振动/摇摆：有催化活性 无催化活性调控机理：活化剂或抑制剂结合在调控位点（变构位点）；一般在亚基连接处活化剂使酶保持在稳定的活性状态抑制剂使酶保持在稳定的不活跃状态一个亚基的构型变化会引起其他亚基的构型也变化2.变构激活和变构抑制III.高能键的重要性1 自由能和生物大分子分解反应自由能的减少举例：分解不稳定的食物分子转