分子生物学教案

分子生物学教案

生物06

2009-2010-01

48学时

刘小烛

目录

1、介绍教科书、作者、引言和序论

2、染色体与DNA

3、生物信息传递（上）一一从DNA到RNA

4、生物信息传递（下）从mRNA到蛋白质

5、分子生物学研究方法

6、基因的表达与调控（上）一一原核基因表达调控模式

7、基因的表达与调控（下）一一真核基因表达调控一般规律

8、基因组与比较基因组学

注：本教案涉及内容的讲课方法及手段全部为课堂教学

第一章

教学内容：介绍教科书、作者、引言和序论（1.引言、2.分子生物学简史、3.分子生物

学的研究内容、4.分子生物学展望）

教学目的：介绍本书基本结构和作者并鼓励大家争做“栋梁”；了解分子生物学的发展史、现

状和未来以及学生自身的时代，鼓励学生努力学习揭示生命科学规律的科学一一分子生物

学。

讲课具体内容

*介绍教科书及作者•为什么选定此书？

对现有的分子生物学书本进行了研究，较老的书把不该写的内容写进去了；有的书结构杂乱。

而此书编辑脉络清晰，内容充实，具有现代气息，反映了分子生物学的主旋律，对本质一针

见血，是一本很好的书。本书的基本内容适合你们。

作者：

对于第一作者大家可以看书，我着重介绍第二作者，他毕业于本校的前身一一北林，在秋木

园上过学，后来在美国拿了博士学位，现在在美国康奈尔大学任教授，从事分子生物学工作，

99年受国务院邀请，以百名在海外有成就的博士团的身份来参加建国50周年庆典。他克隆

了许多有用的基因，我对他的花卉矮壮基因和调控开花时间基因很感兴趣，我和他有合作。

他是从这里走出去的，希望你们之中也有人走出向他那样的高度。

结构：叙述很有条理，全书共分十章，分别为：

1、序论

2、染色体与DNA

3、生物信息传递（上）一一从DNA到RNA

4、生物信息传递（下）一一从mRNA到蛋白质

5、分子生物学研究方法

6、基因的表达与调控（上）一一原核基因表达调控模式

7、基因的表达与调控（下）一一真核基因表达调控一般规律

后面三章（8、疾病与人类健康，9、基因与发育，10、基因组与比较基因组学）与林口学生

关系不密切，就不分为各章进行介绍，将把一些新的热点介绍给大家。

*介绍参考书

首先把这两本书推荐给大家，这是目前美国本科及研究生使用率最高的，很新的一本书。

另外一本是我们实验的主要参考书。请大家注意书的特殊标记，不要读错了书。

其次大体介绍分子生物学的书，图书馆及书店有许多有关方面的书，有兴趣的同学可以

深学一些内容，欢迎与我探讨！

刖言

分子生物学的核心•1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋模型，人们对基因理解由抽

象化、概念化转为有准确的物质内容。这是分子生物学的核心。

.分子生物学分化于生物化学

分子生物学的分化"20世纪90年代由于学科的渗透和交又，‘TheInternationalUnionof

Biochemistry”更名为'TheInternationalUnionofBiochemistryandMolecularBiology"；"中国

生物化学学会”更名为“中国生物化学与分子生物学学会”；由原来中国生物化学学会主办的

《生物化学》现更名为《生命的化学》，中国生物化学与分子生物学学会还增办了《中国生

物化学与分子生物学学报》、各省的也跟着更名。这时，分子生物学才真正的浮出水面，分

子生物学研究的核心内容才真正的明晰起来。

80年代的分子生物学：当时的分子生物学是这样叙述的：分子生物学是在分子水平上研究

生物的结构、组织和功能的科学。主要涉及的内容有蛋白的结构、酶、抗体、生物膜、核酸

等等。对于生化来说可以认为没有新的内容，仅为生化的一部分。

分子生物学实际是核酸生物学:就在人体基因组计划开始实施的20世纪90年代,也就是“生

化学会”更名的年代，分子生物学才从生物化学中较为清晰的分化出来：分子生物学所关心

的主要是核酸在细胞生命过程中的作用，包括核酸本身的复制、保存以及基因的表达与调

控规律，这门学科应该被称为核酸生物学。分子生物学名词是图省事新鲜发明的。由于言

简意赅，易于接受传播，符合传媒口味，一旦炮制，不胫而走深入人心，尽管不十分贴切，

这个学科名词就这样定了下来。

重大事件：2003年4月14日，国际人类基因组测序组宣布：人类基因组序列图-“完

成图”提前绘制成功。人类基因组计划成果可以揭示人类生命活动的奥秘。基因遗传性疾病、

严重危害人类健康的易感性疾病的致病机理有望得到彻底阐明。

学习目的和意义

20世纪初以来，生命科学所取得的巨大成就和进步，使生物学这门学科在自然科学中

的地位发生了革命性的变化。生物学革命也为物理学、数学、化学、信息科学、材料与工

程科学注入了大量新鲜血液，提出了数不胜数的新问题、新概念和新思路。它在各个科学

之间广泛渗透，相互交叉，相互作用，极大地推动了科学的发展。生物学已经成为带头学

科。

人类面临的人口膨胀、粮食短缺、环境污染、疾病猖獗、能源资源贵乏、生态平衡被破

坏及生物物种消亡等一系列重大问题。为了解决这些问题以及彻底认识自己，了解自己深

深地吸引着人类自身。分子生物学从分子水平深入探索生命与自然的奥秘，全面改造和改

良我们的生存环境与生存质量。分子生物学作为生物学科最新兴、最具活力的科学，在推

动我国科学事业的发展、推动生物工程产业的倔起、推动国民经济持续高速发展等方面均

有着举足重轻的影响。

落后就要挨打，就要受人宰割。没有强大的分子生物学基础研究，我们就不可能在生物

工程这个21世纪的龙头产业中占有一席之地，就不可能与世界列强平等对话。知识就是力

量，就是财富！谁拥有了先进的科学技术，谁就拥有了在世界上立于不败之地的法宝。

一、绪论（1.引言；2.分子生物学简史；3.分子生物学的研究内容；4.分子生物学展望）

1.引言

现代生物学研究的目标是要在分子水平上掌握细胞的功能并揭示生命的本质。从20世

纪40年代开始，生命科学家赢得了当代自然科学最伟大的革命的胜利，揭开生物遗传之谜。

DNA的结构与功能、RNA在蛋白质合成中的功能、蛋白质的结构与功能、遗传密码及基因表

达调控的本质等重要问题相继被阐明。分子水平的生物学研究，正越来越多地影响传统生物

科学的各个领域。首先简单介绍有关历史背景知识和人物，包括对遗传的最基本单位一一基

因化学本质的认识。

1•1创世说与进化论

多少年来，人们常常会反复提出下面3个与生命和一切生物学现象有关的问题：

1、生命是怎样起源的？

2、为什么“有其父必有其子〃？

3,动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？

直到19世纪初叶，这些问题大都只能从宗教或迷信的角度进行回答。西方人一直相信基

督教的宣传，相信上帝先创造了花草树木、世间万物，后来又创造了男人亚当，再从亚当身

上抽出一根肋骨，这就成了女人夏娃。亚当、夏娃婚配繁衍产生了人类。

1859年，伟大的英国生物学家达尔文(ChNlesDw・win)发表了著名的《物种起源》一书，

确立了进化论的概念。生物进化学说，打破了上帝造人的传统观念，改变了人们对人类在整

个世界中的地位的看法，极大地推动了人类思想的发展。

达尔文从小热爱大自然，喜欢采集动、植物标本。他16岁到爱丁堡大学学习，在研讨拉

马克的进化学说时。他觉得拉马克不信”上帝创造一切''的''创世说"，却又拿不出令人信服的

证据。使达尔文的思想陷于矛盾和斗争之中，他决心深人大自然去寻找答案。

后来，他以自然科学家的身份，参加了历时5年的贝格尔号军舰环球旅行，他观察过

火山，经历过地震，见到了各种形形色色稀奇古怪的动物和植物。他采集了大量动、植物标

本和化石并细心地进行比较、鉴别和研究，提出并解答了•系列学术问题。他认为；大陆自

古以来发生过许多次巨变，如冰川时期等，所以不可能存在亘古不变的动、植物。

从贝格尔号回到英国以后，他发表了一系列论文，逐步阐述了生物进化的观点。在《物

种起源》这部划时代的科学巨著中，他用大量事实证明''物竞天择，适者生存''的进化论思想。

他认为世界上的一切生物都是可变的，井预言从低级到高级的变化过程中必定有过渡物种存

在。他指出物种的变异是由于大自然的环境和生物群体的生存竞争造成的，彻底否定了上帝

创造万物的旧思想，推翻了物种不变的神话，使生物学真正迈入实证自然科学的行:列。

通过记载不同动、植物的地理分布，研究近亲种族的解剖学、形态学的相似性和变异率，

达尔文第■■个认识到生物世界的不连续性。他提出许多环境因素，如大地变迁、特定区域内

的温度、降雨量变化及气候条件改变，都会以“自然选择压力''的形式在生物体的世代遗传中

体现出来。在这种”自然选择压力”之下，新物种才不断诞生。旧的、与环境不再相容的物种

也不断消亡。对于每一个动、植物种群来说，因为总是有大大多于可能生存下来的个体出生，

所以为生存而斗争是长期的、永久的。如果某些个体偶然获得了于自身有利的变异，就会在

生与死的斗争中占同类的卜.风，从而生存下来。根据遗传学原理，任何生存下来的个体都倾

向于扩增其经过修饰的新性状，以保持生存优势。

达尔文关于生物进化的学说及其唯物主义的物种起源理论，是生物科学史上最伟大的

创举之一，具有不可磨灭的贡献。为了纪念这位生物科学大师，人们把进化论称为达尔文学

说大家要牢固地建立起唯物主义的物种起源理论观点！

1•2细胞学说

17世纪末叶，荷兰籍显微镜专家Leeuwenhoek制作成功了世界第一一架光学显微镜。通过

这一装置，他看到了一系列肉眼看不到的单细胞生物。他第一个观察到精子，发现了酵母菌，

描述了红细胞等等。

他断定微生物不是由泥沙尘埃产生的，而是和动物一样，有完整的生活史。

大约与Leeuwenhoek同时代的Hooke,第一次用"细胞”这个概念来形容组成软木的最基本

单元。但是直到19世纪中叶，这一概念才正式被科学界所接受。随着显微技术、组织保存技

术和超薄切片技术的不断发展，科学家发现动、植物组织都是由细胞所组成，而且细胞是可

以分裂的，每一个细胞都是或曾经是一个单独的活的实体，包含有生命的全部特征。

动、植物的基本单元是细胞，这是细胞学说的核心。细胞的发生和形成是生物学界普遍

和永久的规律。每一个动、植物个体实际上是千千万万个生命单元的总和，而这些微小单

元一一细胞，包含了所有的生命信息。

细胞学说对生物科学最重要的贡献在于:因为单个细胞生长分裂，组织、器官和个体的

生命现象实际上是细胞活动的总和，所以细胞可以而且应该成为生物学研究的首要对象。

1.3经典的生物化学和遗传学

进化论和细胞学说相结合，产生了现代生物学；以研究动、植物遗传变异规律为目标的

遗传学利以分离纯化、鉴定细胞内含物质为目标的生物化学则是这一学科的两大支柱。19

世纪中叶，人们发现动物和植物细胞的提取液中主要是一些能受热或酸变性形成纤维状沉

淀的物质。这些物质包含有大体相等摩尔浓度的碳、氢、氧和氮。科学家将这些物质命名

为蛋白质。蛋白质是生活细胞中所有化学反应的执行者和催化剂。生物化学执行着双重使

命：分析细胞的组成成分和弄清楚这些物质与细胞内生命现象的联系。19世纪中叶到20世

纪初，是早期生物化学的大发展阶段，组成蛋白质的20种基本氨基酸被相继发现。著名生

物化学家Fisher还论证了连接相邻氨基酸的“肽键”的形成。细胞的其他部分，如脂类、糖

类和核酸也相继在那一阶段被科学家所认识和部分纯化。当时:科学家还无法解释细胞内

最重要的生命活动，即细胞成分是如何世代相传的。

奥地利大科学家、经典遗传学创始人孟德尔(GregorMen加1)发现并提出遗传学定律的

故事像是不朽的神话，在生物学界被广泛传诵。孟德尔从小爱好园艺，他对"种瓜得瓜，种

豆得豆”的生物遗传

现象感到好奇和困惑。他做了许多试验，例如，他用产生圆形种子的豌豆同产生皱皮种子

的豌豆杂交，得到几百粒全是圆形的杂交子一代(R)种子。第二年，他种植了253粒R圆形

种子并进行自交，得到7324粒F2种子，其中有5474粒是圆形的，1850粒是皱皮的，用统计学

方法计算出圆皱比为3:1。

他还进行了具有2个对立性状的豌豆品系之间的双因子杂交试验。他发现当选用产生黄

色圆形种子的豌豆品系同产生绿色皱皮种子的豌豆品系进行杂交时，所产生的R种子全是黄

色圆形的，但在自交产生的F2代556粒种子中，不但出现了2种亲本类型，而且还出现了2种

新的重组类型，其中黄色圆形315粒，黄色皱皮121粒，绿色圆形108粒，绿色皱皮32粒。这4

种类型的比例接近于9:3:3:1。

根据以上现象，孟德尔总结出生物遗传的两条基本规律：

第一，当两种不同植物杂交时，它们的下一代可能与亲本之一完全相同。这一现象称为

统一律。根据自己长期的实验结果，孟德尔认为，生物的每一种性状都是由遗传因子控制的。

这些因子可以从亲代到子代，代代相传。在体细胞内，遗传因子是成对存在的。其中一个来

自父本，一个来自母本。形成配子时成对的遗传因子彼此分开，单独存在。他还认为，有些

遗传因子以显性(dominant)形式存在，即能在任何杂种一代中得到表达;而有些因子呈隐性

(recessive)状态，只有当父、母本同时含有这一因子时.，才得到表现。

第二，将不同植物品种杂交后的F,代种子再进行杂交或自交时，下一代就会按照一定的

比例发生分离，因而具有不同的形式。他把这一现象称为分离规律。如把红花和白花杂交，

得到的8株3代植株全部为灰色花，互相交配结果得到2株红花、2株白花、4株灰色花。这一

代的白色花互相交配，将永远得到白色花，红色花互相交配得到的永远是红色花。但这•代

的灰色花互相交配，其结果就像上一代那样，仍旧是2红、2白、4灰。所有这些花朵，都按

照孟德尔的分离规律依次遗传下去。分离规律对每一代动、植物都适用。

在孟德尔遗传学的基础上，美国著名的遗传学家Morgan又提出了基因学说。他的红眼果蝇

和白眼果蝇的研究很有名由于一是遗传学的内容，这里不多讲。结果是，白眼隐性突变基

因确实位于X染色体上。这一现象被称为遗传性状的连锁定律，又称连锁遗传。

Morgan第一次将代表某一特定性状的基因，同某一特定的染色体联系起来，使科学界普

遍认识了染色体的重要性并接受了孟德尔的遗传学原理。Morgan特别指出：种质必须由某些

独立的要素组成，我们把这些要素称为遗传因子，或者更简单地称为基因。开始有了基因在

染色体内的初步认识。到了这里我希望大家建立这样的概念：染色体好比•艘轮船，基因就

是船上的一个部件。

1•4•DNA的发现

1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋模型，从此人们对基因就有了准确的物质内容

的认识。然而，在这是之前，人们对于基因的理解仍然是抽象的、概念化的，缺乏准确的物

质内容；对核酸是遗传信息的载体没有认识，还以为只有像蛋白质这样复杂的大分子才可以

担当决定细胞生物学特性和遗传的重托。那时的遗传学家，没有探明基因的结构特征，不能

解释基因是怎样在细胞繁殖过程中准确地复制和遗传的。

1928年英国科学家Griffith等人发现，肺炎链球菌使小鼠死亡的原因是引起肺炎。细菌

的毒性（致病力）是由细胞表面荚膜中的多糖所决定的。具有光滑外表的S型肺炎链球菌因为

带有荚膜多糖而能使小鼠发病，具有粗糙外表的R型细菌因为没有荚膜多糖而失去致病力

（荚膜多糖能保护细菌免受动物白细胞的攻击）o

肺炎犍球菌感染小取

s型前体/布

死s型菌体

R型密体

死小U体内有活s型菌体

死S型・体

+

活R型苗体

提取死S型前体DNA

与R型活■体混合

转化

活s型菌体

图1-1DNA是“转化源”

首先用实验证明基因就是DNA分子的是美国著名的微生物学家Avery。将光滑型致病菌

（S型）烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠，发现这些死细菌丧失了致病能力（图『1）。再用活的

粗糙型细菌（R型）来侵染小鼠，也不能使之发病，因为粗糙型细菌天然无致病力。然而，当

他们将经烧煮杀死的S型细菌和活的R型细菌混合再感染小鼠时；奇迹发生了！实验小鼠死

亡。解剖死鼠，发现有大量活的S型（而不是R型）细菌。他们推测，死细菌中的某一成分一

转化源（transfermingprinciple）将无致病力的细菌转化成病原细菌。10多年后，实验表

明，DNA就是转化源。死细菌的蛋白质及细胞失去生命功能，但只要死细菌的DNA不被破坏，

死细菌DNA在活的R型细菌中可转化出活的S型致病菌，从而导致了小鼠死亡。这一重大发现

轰动了整个生物界。改变了“只有像蛋白质这样复杂的大分子才可以担当决定细胞生物学

特性和遗传的重托”的固有认识。在遗传学理论上树立了全新的观点及DNA是遗传信息的载

体。

美国冷泉港卡内基遗传学实验室科学家Hershey和他的学生Chase在1952年从事噬菌

体侵染细菌的实验（图1-2）。噬菌体专门寄生在细菌体内。它的头、尾外部都有由蛋白质组

成的外壳，头内主要是DNA。噬菌体侵染细菌的过程可以分为以下5个步骤：1.噬菌体用尾部

的末端（基片、尾丝）吸附在细菌表面;2.噬菌体通过尾轴把DNA全部注入细菌细胞内，噬菌

体的蛋白质外壳则留在细胞外面;3.噬菌体的DNA一旦进入细菌体内，它就能利用细菌的生

命过程合成噬菌体自身的DNA和蛋白质;4.新合成的DNA和蛋白质外壳，能组装成许许多多与

亲代完全相同的子代噬菌体;5.子代噬菌体由于细菌的解体而被释放出来，再去侵染其他细

菌。在这整个过程中，DNA是关键。

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那么，DNA到底是什么样的呢?在1944年的研究报告中，Avery写道：当溶液中酒精的体积

达到90时，有纤维状物质析出。如稍加搅动，这种物质便会像棉线绕在线轴上一样绕在硬

棒上，溶液中的其他成分则以颗粒状沉淀留在下面。溶解纤维状物质并重复沉淀数次，可

提高其纯度。这一物质具有很强的生物学活性，初步实验证实它很可能就是DNA（谁能想

到!八对DNA分子的物理化学研究导致了现代生物学翻天覆地的革命！

本节的教学目的：让学生树立唯物主义进化论观点；了解从性状到细胞再到染色体再

至UDNA的的历史，知道分子生物学产生的历史。

2、分子生物学简史

分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其规律性和相互关系

的科学，是人类从分子水平上真正揭示生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改

造和重组自然界的基础学科。同一生物不同世代之间的连续性是由生物体自身所携带的遗传

物质所决定的。科学家为揭示这些遗传密码所进行的努力成为人类征服自然的一部分。以生

物大分子为研究对象的分子生物学迅速成为现代生物学领域里最具活力的科学。

从1847年Schleiden和Schwann提出“细胞学说”到证明动、植物都是由细胞组成的，短短

一百多年的时间，人们对生物大分子一一细胞的化学组成已经有了深刻的认识。孟德尔的遗

传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识，而Morgan的基因学说则进一步将"性状”

与“基因”相偶联，成为现代遗传学的奠基石。随着核酸化学研究的进展，Watson和Crick提

出了脱氧核糖核酸的双螺旋模型，为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路，是人类生物

学研究史中最壮丽的历程碑。在蛋白质化学方面，继Sumner在1936年证实酶是蛋白质之后,

Sanger利用纸电泳及层析技术于1953年首次阐明胰岛素的一级结构，开创了蛋白质序列分析

的先河。Kendrew和Perutz利用X射线衍射技术解析了肌红蛋白（myoglobin）及血红蛋白

（hemoglobin）的三维结构，论证了这些蛋白质在输送分子氧过程中的特殊作用，成为研究生

物大分子空间立体构型的先驱。为了解分子生物学的发展，看一看部分诺贝尔生理医学奖和

化学奖获奖情况，以了解分子生物学的发展简史。

1910年，德国科学家Kossel因为蛋白质、细胞及细胞核化学的研究而获得诺贝尔生理医

学桨，他首先分离出腺噪岭、胸腺嚏咤和组氨酸。

1959年，美籍西班牙裔科学家Uchoa发现了细菌的多核昔酸磷酸化酶，成功地合成了核

糖核酸，研究并重建了将基因内的遗传信息通过RNA中间体翻译成蛋白质的过程。他和

Kornberg分享了当年的诺贝尔生理医学奖，后者的主要贡献是实现了DNA分子在细菌细胞和

试管内的复制。

1962年，美国科学家Watson和英国科学家Crick因为在1953年提出DNA的反向平行双螺旋

模型而与Wilkins共享诺贝尔生理医学奖，后者通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了

Watson和Crick的DNA模型。

同年，英国科学家Kendrew和Perutz由于测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构而荣获

诺贝尔化学奖。

1965年，法国科学家Jacob和Monod由于提出并证实了操纵子(operon)作为调节细菌细胞

代谢的分子机制而与Iwoff分享了诺贝尔生理医学奖。Jacob和Monod还首次提出mRNA。

1968年，美国科学家Nirenberg由于在破译DNA遗传密码方面的贡献，与Hollej^tlKhorana

等人分享了诺贝尔生理医学奖。Holley的主要功绩在于阐明了酵母丙氨酸tRNA的核昔酸序

列，并证实所有tRNA具有结构上的相似性；Khorana第一个合成了核酸分子，并且人工复制

了酵母基因。

1975年，美国人DulbeccoTemin和BaItimore由于发现在RNA肿瘤病:毒中存在以RNA为模

板，逆转录生成DNA的逆转录酶而共享诺贝尔生理医学奖。

1980年，Sanger和Gilbert因设计出一种测定DNA分子内核甘酸序列的方法，与Berg分获

诺贝尔化学奖。Berg是研究DNA重组技术的元老，他最早(1972)获得了含有编码哺乳动物激

素基因的工程菌株。此外，Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝尔化

学奖。

1984年，德国人Kohler、美国人Milstein和丹麦科学家Jerne由于发展了单克降抗体技

术，完善了极微量蛋白质的检测技术而分享了诺贝尔生理医学奖。

1989年，美国科学家Altman和Cech由于发现某些RNA具有酶的功能

(称为核酶)而共享诺贝尔化学奖。Bishop和Varmus由于发现正常细胞同样带有原癌基因而

分享当年的诺贝尔生理医学奖。

1993年，美国科学家Mullis由于发明PCR仪而与第一个设计基因定点突变的Smith共享诺

贝尔化学奖。

1994年，美国科学家Gilmm和Rdbell由于发现了G蛋白在细胞内信号转导中的作用而分享

诺贝尔生理医学奖。

1996年，澳大利亚科学家Doherty和瑞士人Zinkernagel由于阐明了T-淋巴细胞的免疫机

制而分享了当年的诺贝尔生理医学奖。

1999年，美国科学家Blobel由于阐述了蛋白质在细胞间的运转机制，明确了信号肽及信

号识别复合物(SRPS,signal-recognitionparticles)在蛋白质跨膜运转过程中的主导作用

而获得诺贝尔生理医学奖。

2000年，德国科学家Carlsson和美国人Greengard及Kandel由于在细胞内信号转导、帕

金森综合症治疗、神经传导及记忆系统发育等方面的工作而分享诺贝尔生理医学奖。

2001年，美国科学家Hartwell、英国科学家Hunt和Nurse因为对细胞周期调捽因子的研

究而分享诺贝尔生理医学奖。

此外，Avery等人(1944)关于强致病性光滑型(S型)肺炎链球菌DNA导致无毒株粗糙型(R

型)细菌发生遗传转化的实验并分离了DNA、Meselson和Stahl(1958)关于DNA半保留复制的实

验、Crick于1954年所提出的遗传信息传递规律(即中心法则，图1-3)、Yanofsky和

Brener(1961)关于遗传密码三联手的设想都对分子生物学的发展起了重大作用。

生理功能

图1-3遗传信息传递的中心法则

20世纪60年代、70年代和80年代，我国科学家相继实现了人工全合成有生物学活性的结

晶牛胰岛素。采用有机合成与酶促相结合的方法完成了酵母内氨酸转移核糖核酸的人工全合

成。在酶学研究、蛋白质结构及生物膜结构与功能等方面都有所建树。

各位把分子生物学发展的主线条串起来，得出主干认识。

孟德尔--性状遗传，Morgan"性状"与"基因"相偶联，Watson和Sumner(1936)证实酶

是蛋白质，Avery等人(1944)(S型)肺炎链球菌DNA导致(R型)细菌发生遗传转化并分离了

DNA；Watson和Crick在1953年提出DNA的反向平行双螺旋模型，Crick(1954)中心法则、

Meselson和Stahl(1958)DNA半保留复制、Sanger(1958)阐明胰岛素的一级结构。1959年,

Uchoa发现了多核昔酸磷酸化酶，成功地合成了核糖核酸，研究并重建了将基因内的遗传信

息通过RNA中间体翻译成蛋白质的过程。Kornberg实现了DNA分子在细菌细胞和试管内的复

制。Yanofsky和Brener(1961)遗传密码三联子。Wilkins(1962)证实了Watson和Crick的

DNA模型。1965年，Jacob和Monod提出mRNA。1968年，Nirenberg破译D\A遗传密码；Holley

阐明了酵母丙氨酸tRNA的核昔酸序列，并证实所有tRNA具有结构上的相似性；Khorana第一

个合成了核酸分子，并且人工复制了酵母基因。Berg(1972)获得了工程菌株。1975年，

DulbeccoTemin和Baltimore发现逆转录酶。1980年，Sanger和Gilbert设计出一种测定DNA

分子内核廿酸序列的方法，1993年，Mullis发明PCR仪；Smith第•个设计基因定点突变。

本节教学目的：记住分子生物学发展的主要历史事件和人物，勾画出分子生物学发展时

期的主线条。

3、分子生物学的研究内容

现代生物学研究发现，所有生物体中的有机大分子都是以碳原子为核心，并以共价键的

形式与氢、氧、氮及磷构成的。一切生物体中的各类有机大分子都是由完全相同的单体组合

而成的，如蛋白质分子中的20种氨基酸、DNA的4种脱氧核甘酸和RNA中的4种核甘酸，由此产

生了分子生物学的3条基本原理：

①构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中都是相同的；如构成人的DNA和小麦

的DNA的4种脱氧核甘酸都是相同的ATCG,构成各种生物体的蛋白质分子中的赖氨酸都是相同

的。

②生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规则；如老鼠和桃树以及所有生物体内

的蛋白质分子都由肽键相连。

③某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。核酸是遗传信息的携带

者，这些信息将最终产生出蛋白质，蛋白质是功能的体现者。

从表面看，分子生物学涉猎范围极为广阔，研究内容也似乎包罗万象。事实上，它所研

究的仅以下四个方面：DNA重组技术；基因的复制、保存、表达和表达调控；生物大分子

的结构功能；基因组、功能基因组与生物信息学。

3,1DNA重组技术

DNA重组技术是20世纪70年代初兴起的技术科学，我所在的研究室80年代初开始将烟草

花叶病毒的外壳蛋白基因转入烟草，希望烟草产生抗烟草花叶病毒的能力。DNA重组技术目

的是将不同的DNA片段（如某个基因或基因的•部分或几个基因）按照人们的设计定向连接起

来，在特定的受体细胞中复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。DNA重组技

术基本上与基因工程等同，但是严格说来，并不完全等于基因工程，因为后者还包括其他可

能使生物细胞基因组结构得到改造的体系。DNA重组技术是核酸化学、蛋白质化学、酶工程

及微生物学、遗传学、细胞学长期深人研究的结晶，而限制性内切酶、DNA连接酶及其他工

具酶的发现与应用则是这一•技术得以建立的关键。

DNA重组技术有着广阔的应用前景。首先，它可被用于大量生产某些在正常细胞代谢中

产量很低的多肽，如激素、抗生素、酶类及抗体等，提高产量，降低成本，使许多有价值

的多肽类物质得以服务于人类。

其次，DNA重组技术可用于定向改造某些生物的基因组结构，使它们所具备的特殊经济价值

或功能得以成百上千倍地提高。如2000年，我在日本理学研究实力最强的研究所一一理化

学研究所所进行的研究：将三种酶有序的组装在载体上，转入烟草中，烟草就会产生一种

可被生物降解的塑料一一多聚链烷酸。

第三，DNA重组技术是研究分子生物学的重要手段：

分子生物学研究的核心是遗传信息的传递和控制，根据中心法则，我们要研究的就是从

DNA到RNA,再到蛋白质的全过程，还有基因的表达与调控。因此，无论是对启动子的研究（包

括调控元件），还是对转录因子的克隆与分析，都必须使用DNA重组技术。

3•2基因表达调控研究

蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，决定蛋白质结构和合成时序的信息都由

核酸（主要是脱氧核糖核酸）分子编码，表现为特定的核甘酸序列，所以基因表达实质上就是

遗传信息的转录和翻译。基因表达的调控主要发生在转录水平或翻译水平上。原核生物的基

因组和染色体结构分别比真核生物简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，因此基因表

达的调捽主要发生在转录水平。真核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上都

被分隔开，且在转录和翻译后分别有复杂的信息加工过程，其基因表达的调控可以发生在各

种不同的水平匕

基因表达调控主要表现在信号转导研究、转录因子研究及RNA剪接3个方面。

信号传导是指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传到细胞内部，并激发离子通透性、细

胞形状或其他细胞功能方面的应答过程。信号传导之所以能引起细胞功能的改变，主要是由

于信号最后活化了某些蛋白质分子，使之发生构型变化，从而直接作用于靶位点，打开或关

闭某些基因。

转录因子是一群能与基因5'端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度

在特定的忖间与空间表达的蛋白质分子。

真核基因在结构上的不连续性是近10年来生物学上的重大发现之一。当基因转录成

pre-mRNA后，除了在5'端加帽及3'端加多聚A[Poly（A）]之外，还要切去隔开各个相邻编码区

的内含子，使外显子（编码区）相连后成为成熟mRNA。研究发现，许多基因中的内含子在

pre-mRNA中的片段并不是一次全部切去，而是在不同的细胞或不同的发育阶段选择性剪切其

中部分内含子，生成不同的mRNA及蛋白质分子。由于RNA的选择性剪切不牵涉到遗传信息的

永久性改变，所以是真核基因表达调控中一种比较灵活的方式。

3•3生物大分子的结构功能研究一一结构分子生物学

一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质或多糖，在发挥生物学功能时，必须具备两个前

提。首先，它拥有特定的空间结构（三维结构）；其次，在它发挥生物学功能的过程中必定存

在着结构和构象的变化。结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动

变化与其生物学功能关系的科学。它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索及结构与功

能相互关系的建立3个主要研究方向。目前，最常见的研究三维结构及其运动规律的手段是x

射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学），其次是用二维或多维核磁共振研究液相结构。

3-4基因组、功能基因组与生物信息学研究

在基因组研究方面：2001年2月，世界两大最著名的学术刊物Nature和Science同时

发表了人类基因组全序列，为确定基因对人类生长发育和疾病的预防治疗提供了一个前所未

有的大舞台，生命科学界为之振奋。现在，数十种原核生物、酵母、线虫、果蝇、老鼠、小

麦、水稻和拟南芥等多种真核生物基因组被破译。

功能基因组计划：完成某一生物的基因组计划就意味着该物种所有遗传密码己经为人类

所掌握，但测定基因组序列只是了解基因的第一步。因为基因组计划不可能直接阐明基因的

功能，更不能预测该基因所编码蛋白质的功能与活性，所以，并不能指导人们充分准确地利

用这些基因的产物。于是，科学家又在基因组计划的基础上提出了“蛋白组计划"（又称"后基

因组计划”或"功能基因组计划”），旨在快速、高效、大规模鉴定基因的产物和功能。

生物信息学：巨大的基因组信息给科学家带来了前所未遇的挑战。以人细胞中所带有的

30亿个碱基对为例，一个人即使每秒读10个碱基，每天工作24小时，一年干365天，也得花

10年时间才能把这些数据看一遍，如果做数据分析，所需时间更多。没有生物信息学的知识,

不借助于最先进的计算科学，人类就不可能最大限度地开发和运用基因组学所产生的庞大数

据。依靠计算机快速高效运算并进行统计分类和结构功能预测的生物信息学就是在这样的背

景下诞生的。

4分子生物学展望

从20世纪50年代初Watson和Crick提出DNA双螺旋模型至今，短短50年间，生物学领域发

生了巨变。核甘酸序列测定技术的迅速进步，使人类基因组30亿个碱基对全部被测定！20

年前，当人们第一次谈到这个巨大的项目时，不免带有“谈虎色变”的感觉。X射线衍射及

其他高分子研究技术的相继问世，使建立生物大分子三维构象库的梦想成真，到2001年己有

20000余套蛋白质构象入库;DNA重组技术的应用，使得基因克隆分析日益成为全世界数以万

计生物科学工作者手中的“常规武器”，近来每年都有上千个新的基因序列被存入各类基因

文库（GAFP的cDNA和蛋白序列就是由我们研究组完成并存入genbank中）。根据2000年的统

计资料，全球范围内转基因植物的大田试验已超过2500次，己有200多种植物被转化成功。

20世纪中期以来，生物学在各个学科之间广泛渗透，相互促进，不断深入和发展。科学

家既从宏观和微观、最基本和最复杂等不同方向展开研究，也从分子水平、细胞水平、个体

和群体等不同层次深人探索各种生物学现象，逐步揭开生命的奥秘。生物学革命也为数学、

物理学、化学、信息科学、材料与•工程科学提出了许多新概念、新问题和新思路，促使这些

学科在理论和方法上得到发展提高。

生命世界的多样性和生命本质的一致性这个辩证的统一，已经为越来越多的人所接受。

尽管生命过程在数以万计的不同生物中的表现形式可以是完全不同的，但生命活动的本质是

高度致的，如核酸与蛋白质级结构的对应关系，在整个生命世界都是一致的。

除极少数生物体外，脱氧核糖核酸是地球上千百万生灵所共有的遗传密码。如果没有这

个统一性，人们就不可能把某一个基因从A生物转移到B生物体内，使其得到表达并发挥相同

的功能。从表面上看，动物和植物是两个完全不同的群体，它们以两种完全不同的方式摄取

能量。动物靠的是氧化磷酸化，在食物的氧化过程中合成“生命通货”——腺廿三磷酸(ATP);

而植物则通过光合作用，将光能转变成ATP,以供生命活动之需。其实，动、植物细胞代谢

活动的实质都是电子在一系列受体蛋白之间传递，造成膜内外质子梯度差，以合成ATP。生

命活动的这种高度一致性，使分子生物学研究日益渗透到生物学的各个领域，产生了全面的

影响。

分子生物学、细胞生物学和神经生物学是当代生物学研究的三大主题，分子生物学的全

面渗透推动了细胞生物学和神经生物学的发展。分子生物学研究技术的发展，完全改变了科

学家对膜内外信号转导、离子通道的分子结构、功能特性及运转方式的认识。

遗传学是分子生物学发展以来受影响最大的学科。孟德尔著名的皱皮豌豆和圆粒豌豆子

代分离实验以及由此得到的遗传规律，纷纷在近20年内得到分子水平上的解释。越来越多的

遗传学原理正在被分子水平的实验所证实或拣弃，分子遗传学已成为人类了解、阐明和改造

自然界的重要武器。

分类和进化研究是生物学中最古老的领域，它们同样由于分子生物学的渗透而获得了新

生。过去研究分类和进化，主要依靠生物体的形态，并辅以生理特征，来探讨生物间亲缘关

系的远近。现在，反映不同生命活动中更为本质的核酸、蛋白质序列间的比较，已被大量用

于分类和进化的研究。由于核酸技术的进步，科学家已经可能从已灭绝的化石里提取极为微

量的DNA分子，并进行深入的研究，以此确证这些生物在进化树上的地位。

分子生物学还对发育生物学研究产生了巨大的影响。人们早就知道，个体生长发育所需

的全部信息都是储存在DNA序列中的，如果受精卵中的遗传信息不能按照一定的时空顺序表

达，个体发育规律就会被打乱，高度有序的生物世界就不复存在。

分子生物学的发展揭示了生命本质的高度有序性和一致性，是人类在认识论上的重大飞

跃。生命活动的一致性，决定了本世纪的生物学是真正的统一生物学(generalbiology),

是生物学范围内所有学科在分子水平上的统一。由于分子生物学、生物化学及生物物理学的

影响，大量物理、化学工作者进入生物学领域，既有力地推动了生命科学的发展，也极大地

影响了这两个学科的发展。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。

要真正学好分子生物学这门重要的实验科学，除了在书本上下功夫，理解并掌握其基本

规律之外，还要善于跟踪和研究最新的科技文献，因为这些新发现、新进展往往对于解决学

习中碰到的疑难问题有着举一反三、画龙点睛的作用。实验操作是掌握分子生物学精髓的主

要途径，经常动手做实验或设计一些新的实验程序，往往能起到事半功倍的效果。

思考题：生物科学方向的大学生了解分子生物学的必要性。

第二章染色体与DNA

教学内容：1染色体；2DNA的结构；3DNA的复制；4原核生物和真核生物DNA

的复制特点；5DNA的修复；6DNA的重组；7DNA克隆概述

教学目的：让学生了解以上教学内容。

教学重点：染色体、DNA的结构和DNA的复制。难点是原核生物和真核生物DNA的复制特点、

DNA的修复和DNA的重组。

讲课具体内容

染色体与DNA

所仃生命体都具备代代相传的本领。然而，生物遗传的物质基础是什么?或者说，决定

生物遗传的因素是什么？分子生物学的研究证实，脱氧核糖核酸(DNA)控制了生物的性状遗

传，也有以核糖核酸(RNA)作为遗传物质的(如部分病毒)。最新研究发现，有一类蛋白质也

能控制生物的性状遗传。关于这种最新研究成果，大家有个概念就行了，不在本章的讲述内

容中。本章讲的是DNA和RNA；它们都是由很多个核甘酸连接而成的生物大分子，而每个核昔

酸又由磷酸、核糖和碱基3部分组成。

(从化学结构水平解释以下三个图)

图2-1核昔酸的组成与结构

核甘的5'位和3'位都可能与磷酸举团相连

组成DNA分子的碱基只有4种，即腺喋吟(A),鸟喋吟(G)、胸腺喀咤(T)和胞嗑嚏(C)。下图是

存在于DNA和RNA分子中的5种碱基的结构式。

2.1染色体T9•

喋玲腺喙吟鸟喋吟

胞磅呢尿嗑啜

图2-2组成DNA和RNA分子的五种含氨减基的结构式

胸腺喀嚏(T)在DNA中，尿嗑咤(U)在RNA中。

1染色体

1•1染色体概述

19世纪中叶，细胞生物学家在细胞分裂时观察到存在于细胞核中的棒状可染色结构，将

其命名为染色体。

染色体位于真核细胞核的核仁内，是极细微的线性构造，它控制了生命遗传，称之为“生

命之线”。当细胞分裂时，每一条染色体都复制生成一条与母链完全一样的子链，形成同

源染色体对。

由于亲代能够将自己的遗传物质DNA以染色体chromosome的形式传给子代，保持了物种

的稳定性和连续性，因此，染色体在遗传上起着主要作用。染色体包括DNA和蛋白质两大部

分。同一物种内相同染色体所带DNA的量是一定的，但不同染色体或不同物种之间变化很大，

从百万到几亿个核甘酸不等。组成染色体的蛋白质（组蛋白和非组蛋白）种类和含量也是十分

稳定的。由于细胞内的DNA主要在染色体上，所以说遗传物质的主要载体是染色体。

真核与原核细胞染色体除了外观结构不同之外，它们在细胞内的存在方式也不同。细菌

染色体外裹着稀疏的蛋白质，这些蛋白质有些与DNA的折叠有关，另一些则参与DNA复制、重

组及转录过程。真核细胞的染色体中，DNA与蛋白质完全融合在一起，其蛋白质与相应DNA

的质量比约为2:1。这些蛋白质在染色体的结构中起着重要作用。DNA、组蛋白、非组蛋白及

部分RNA组成了染色体。

因为原核生物没有真正的细胞核，DNA一般位于一个类似“核”的结构一一称为类核体上。

细菌DNA是一条相对分子质量在IO,左右的共价、闭合双链分子，通常也称为染色体。大肠杆

菌一般情况下含有一条染色体。原核细胞都是单倍的。

2.1嫌色体•

K条色体I染2色体2金“色体3染K色体4染色体$

染K色体6K染色体7（染色c体8条色体9染«色体10

｝（JI卜II

9色体II染色体12险色体130色体14染色体IS

B2-3人类22对染色体及性染色体显微结构图

原核生物DNA的主要特征:原核生物中一般只有一条染色体，且大都带有单拷贝基因；整

个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；几乎福个基因序列都与它所编码的蛋

白质序列呈线性对应状态。（无内含子）

1-2真核细胞染色体的组成

真核细胞的染色体由DNA、组蛋白、非组蛋白及部分RNA组成，其蛋白质与相应DNA的

质量比约为2:1。

真核细胞有明显的核结构。体细胞的染色体是二倍体（成对的），每个基因有两个拷贝。

性细胞（生殖细胞或配子）的染色体数目是体细胞的一半（对中的一条），称为单倍体，所

含基因是体细胞中两个拷贝之一。来自父本和母本各带单拷贝基因的单配体配子进行细胞融

合之后，创造了一个新生的二倍体。在这个新的个体内，基因的一个拷贝来自父本，另一个

拷贝来自母本。这两个有一定差异的基因拷贝完全融合(基因重组)之后得到的两个拷贝是

完全相同的，恢复体细胞“每个基因有两个完全相同拷贝”的一般状态。

作为遗传物质，染色体具有如下特征：1、分子结构相对稳定;2、能够自我复制，使亲、

子代之间保持连续性;3、能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程;4、能够产生遗传

的变异。真核细胞染色体被大量蛋白质及核膜所包围，DNA的转录和翻译在不同的空间和时

间上进行，其基因表达的调控不仅与DNA的序列有关，而且也与染色体的结构有关。下面介

绍真核细胞染色体的组成。

1•2•1蛋白质

染色体上的蛋白质主要包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA

组成核小体。组蛋白分别为Hl、H2A、H2B、H3及H4。这些组蛋白都含有大量的赖氨酸和精

氨酸。

组蛋白具有如下特性：

(1)进化上的极端保守性不同种生物组蛋白的氨基酸序列十分相似，特别是H3、H4。

H3及H4在氨基酸组成上的极端保守性对稳定真核生物的染色体结构起重要作用。

(2)无组织特异性指一切生物组织都含以上5种组蛋白，只有极少数生物例外。

(3)肽链上氨基酸分布的不对称性碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。大部分疏

水基团都分布在C端。这种不对称的分布与它们的功能和相互作用有关。碱性的半条链易与

DNA的负电荷区结合(思考：为什么)，而另外半条链与其他蛋白结合。

(4)组蛋白被修饰包括甲基化、乙酰化及磷酸化等。

(5)富含碱性氨基酸碱性的组蛋白易于与酸性的DNA相结合。

(6)染色体上的组蛋白与DNA等量

染色体上还存在大量的非组蛋白。非组蛋白大约占组蛋白总量的70%,它的种类约在

20-100种之间，其中常见的有15—20种。非组蛋白包括酶类，收缩蛋白、骨架蛋白、肌动蛋

白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。

1•2•2DNA

真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被不编码

蛋白质的非功能DNA所隔开。许多DNA序列不编码蛋白质，是无生理功能的。真核细胞DNA序

列大致上可被分为3类：

(1)不重复序列在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或很少的儿个拷贝，它占

DNA总量的40%—80%。不重复序列长约750—2000bP,相当于一个结构基因的长度。结构基

因属于不重复序列。

单拷贝基因通过基因扩增可以合成大量的蛋白质，一个蛋白基因作为模板可以合成10,

个相应mRNA,每个mRNA可存活4d,共合成105个相应蛋白，这样，一个单拷贝蛋白基因就可

以合成109个蛋白分子。

(2)中度重复序列这类序列的重复次数在10〜10"之间，占总DNA的10%〜40%,各种

rRNA、tRNA以及某些结构基因(如组蛋白基因等)都属于这一类。。中度重复序列往往分散在

不重复序列之间。

2.1染色体・27・

Him

间隔区28sS.8SI8S间隔区28sS.8SI8S

图2-6非洲爪"的rRNA基因结构示:t图

(3)高度重复序列一一卫星DNA这类DNA只在真核生物中发现，占基因组的10%〜

60%,由6〜100个碱基组成，在DNA链上串联重复高达数百万次。卫星DNA是不转录的。

1•2•3染色质和核小体

由DNA和组蛋白组成的染色质纤维细丝是许多核小体连成的念珠状结构。核小体是由

H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的8聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间,DNA

分子盘绕在外，而H1则在核小体的外面。每个核小体只有一个H1。用核酸酶水解核小体后产

生的核心颗粒含146bpDNA和组蛋白八聚体，146bpDNA绕在核心外面形成1・75圈，每圈约80bp。

许多核小体构成了连续的染色质DNA细丝。

50nm

图2-7株小体单体的存在及核心颗粒的形成

(<)核小体结构示意图Mb)从电ft下看到的染色质结构；“)核小体单元的产生

相近(图2—8)。

E双着畲IO个

■嫌的班色源

一个中包才30

个9K座秋Ml帕

7个及在收地旧中

，府6个环伏DNA

•个环松郁构中畲

W75OOObp

30nmM构

»«.<♦DNA的含

球伏结0

XK«tDNA

ffl2-8Kk也体DNA嫡懵示意图

(«)3OmnG色体幼构图；(b)双螺旋DNA经过一系列包铁成为瘫色

体的过程四示

注：详细解释上图(每个环状结构中含62.5圈螺线管)。

人中期染色体中含6.2xl0，bp,其理论长度应是200cm,这么长的DNA被包装在46个5Hm

长的圆柱体(染色体)中，其压缩比约为10000。大家能否从染色体的组装看出生物体构成的

精密和神奇？

1•3原核生物基因组

原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少。注意染色体外遗传基

因的概念：即细菌的质粒、真核生物的线粒体、高等植物的叶绿体等所含有的DNA和功能基

因。

下边从基因组的组织结构来看原核细胞DNA的特点。

1•3•1结构简练

原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不转录。而且，

这些不转录DNA序列通常是控制基因表达的序列，包括了RNA聚合酶结合位点、转录终止信

号区及核糖体结合位点等基因表达调控元件。这些不转录DNA序列不像真核DNA的内含子编

码区。真核DNA的内含子编码区显得多余而且占DNA总量的比例很大。

1-3-2存在转录单元

原核生物DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，会丛集在基因组的特定部位，形成转

录单元，它们可被一起转录为可翻译多个蛋白质的mRNA分子，这种mRNA叫多顺反子mRNA。

在大肠杆菌中，由几个结构基因及其操纵基因、启动基因组成的操纵子是一种转录功能单

位。例如组氨酸操纵子转录成一条多顺反子mRNA,再翻译成组氨酸合成途径中的9个酶。

1-3-3有重叠基因

一般说来，基因是一段DNA序列，这段序列负责编码一个蛋白质或一条多肽。但是，在

一些细菌和动物病毒中有重叠基因，即同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息。重叠基因

主要有以下几种情况：

(1)一个基因完全在另一个基因里面。

(2)部分重叠。

(3)两个基因只有一个碱基对的重叠。

有的重叠基因的重叠部分翻译相同序列的肽段；有的翻译不同的肽段，这是因为翻译起

点错位引起的。基因重叠可能是生物进化过程中自然选择的结果。

2DNA的结构

DNA是遗传的物质基础，基因是具有特定生物功能的DNA序列。研究DNA的分子结构，可

以从化学键的水平解释DNA是怎样起遗传作用的；是如何来完成上一代的性状准确地在下一

代表现出来这一过程的。

2•1DNA的一级结构

DNA是高分子化合物，其基本单位是脱氧核甘酸。在所有的DNA分子中，磷酸和脱氧核糖

是不变的，而含氮碱基是可变的，主要有4种，即腺喋吟(A)、鸟噂吟(G)、胞喀咤(C)和胸

腺喀咤(T)。脱氧核甘酸可分别称为腺喋吟脱氧核甘酸、鸟噂吟脱氧核甘酸、胞喀咤脱氧核

甘酸和胸腺喀咤脱氧核甘酸。许许多多个脱氧核甘酸经3'的羟基与5'的核普三磷酸反应形

成磷酸二酯键聚合而成为DNA链。DNA通常以线性或环状形式存在，绝大多数DNA分子都由碱

基互补的双链构成，也有少数生物以单链形式存在，如某些噬菌体和病毒。

所谓DNA的一级结构，就是指4种核甘酸的连接及其排列顺序。

DNA具有严格的化学组成，还具有特殊的空间结构，它主要以有规则的双螺旋形式存在，

其基本特点是：

(l)DNA分子是由两条互相平行的脱氧核甘酸长链盘绕而成的；

(2)DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内

侧；

(3)两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成有一定的规律。这就是噪

吟与喀咤配对，而且腺噪吟(A)只能与胸腺喀陡(T)配对，鸟喋吟(G)只能与胞喀咤(C)

配对。A—T,C—G要很熟悉。

组成DNA分子的碱基虽然只有4种，碱基可以任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。

例如，某DNA的ATGC的排列方式几乎是无限的。每个DNA分子所具有的特定的碱基排列顺序

构成了DNA分子的特异性，不同的DNA链可以编码出完全不同的多肽。

2•2DNA的二级结构

DNA的二级结构是指两条多核甘酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。在生物活体中，

不论DNA的二级结构还是高级结构，都是时刻变化的。通常情况下，DNA的二级结构分两大类:

右手螺旋(A-DAN,B-DNA)和左手螺旋(Z-DNA)。

通常情况下DAN的构象为B-DNA,若DNA双链中一条链被相应的RNA链所替换，会变构成

A-DNA。当DNA处于转录状态时，DNA模板链与由它转录所得的RNA链间形成的双链就是A-DNA。

B-DNA双链都被RNA链所取代而得到由两条RNA链组成的双螺旋结构也是