分子生物学 第一章

生命科学学院发育生物学学科Tel：82191783E-mail：xuzhiru2003@126.com许志茹分子生物学

（MolecularBiology）Let’sworktogethertomakethiscourseagreatexperienceinyourlife.Iamlookingforwardtohaveawonderfulsemesterwithallofyou.Hopethatyouallenjoythecourse.It’smypleasuretolearnMolecularBiologywithyou.Prerequisite:

Biology,Biochemistry,Genetics,CellBiologyMolecularBiologySyllabusAutumnsemester,Sept2010CourseDescription:Structureandfunctionofmacromolecules(DNA,RNA).Thesynthesisofthosemacromolecules(DNAreplication,transcription,translation,mutant)reviewedindetail.Regulationofgeneexpressionwillbediscussed.

课程安排第一章绪论第二章基因概念的演变与发展

第三章DNA的复制

第四章RNA的转录第五章蛋白质的翻译

第六章基因表达的调控

第七章基因突变和遗传重组的分子机制

课程目标：构建一个完整的分子生物学知识框架；了解分析基因结构与功能的现代技术方法；增强后继学习的能力；学会批判性学习，应用所学知识解决分子生物学领域中新的或感兴趣的问题。出勤要求：缺课3次将取消出勤分。Grades:

Components

PercentageFinalGrade平时成绩出勤10%小考20%试卷成绩70%IfyouthinkIhavesaidsomethingthatisincorrect,pleasepointthisout.WhenyouaskmeaquestionthatIcannotanswer,Iwillresearchitandgetbacktoyou.

Ifyouhavetriedtounderstandthematerialbutjustcan'tgetit,thencometalktomeeitherduringmyofficehoursormakeanappointment.Iamhappytoworkwithyouasmuchasisnecessary.Isee,IdonotknoweverythingThePowerPointofcourseispresentedin

English，butalsoinChinesetohelp

understanding!MOLECULARBIOLOGYisaprincipalcoursefortheundergraduatestudentsofCollegeofLifeSciences.Allthingsareeasytoindustry教材《基础分子生物学》，郑用琏主编，高等教育出版社主要参考书目录孙乃恩等，分子遗传学，南京大学出版社，1990Lewin,B,GenesGeneⅧ

,OxfordUniversityPress,2003JamesD.Watson

etal,.MolecularBiologyofGene,5E

Turner,PCetal,分子生物学,科学出版社,1998RobertF.WeaverMolecularbiology2004.3E徐晋麟等现代遗传学原理(修订版2003)科学出版社李明刚，高级分子遗传学，科学出版社，2004CHAPTERONEIntroduction二十世纪生命科学的回顾分子生物学的概念二十一世纪分子生物学展望1.1近代的自然观与进化学说

神创论:世界是上帝有目的设计和创造的，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。HolyBibleOriginsofLife

布丰进化学说：Questionstwothousandyearsofdogma,allcreatureshavebeencreatedindependentlyofoneanotherbyGod.organicchange.theenvironmentacteddirectlyonorganismsthroughwhathecalled"organicparticles".

物种是可变的，特别强调环境对生物的直接影响。物种生存环境的改变，尤其是气候与食物性质的变化，可引起生物机体的改变。是第一个提出广泛而具体的进化学说的博物学家。GeorgeBuffon（1717-1788）18世纪末到19世纪初大量的各种形态的生物化石既相似又不同表明曾经上生存过现今不再存在的物种为了解释此发现而又不违背圣经有了灾变论。法国地质学家、古生物学家居维叶是“灾变论”最有影响的代表。认为，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，如，火山爆发、洪水泛滥、气候急剧变化等。当灾难发生时，许多生物遭到灭顶之灾。每当经过一次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。GeorsesCuvier（1769-1832）

均变论（Uniformitarianism

）PrinciplesofGeology.

Theearthwasshapedentirelybyslow-movingforcesactingoveraverylongperiodoftime.thepresentisthekeytothepast均变论：莱伊尔,《地质学原理》。地球表面的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。这种“将今论古”的科学方法对达尔文的影响很大。Lyell,SirCharles(1797-1875)

Lyell'sworkinturnprofoundlyinfluencedCharlesDarwin.

Lamarck'sevolutionarytheory

：《法国植物志》（

1778）、

《无脊椎动物系统》(1801)和《动物学哲学》(1809)。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。英国人霍尔丹和美籍苏联生物学家杜布赞斯基创立了“现代进化论”生物进化的体现

可遗传的变异和不遗传的变异

生物进化的基本单位自然选择的因素魏斯曼的theoryofcontinuityofgermplasm：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。

22代后1.2细胞学说的提出

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（MendelG.J.,1822-1884）豌豆杂交试验（1856-1864），系统地研究了生物的遗传和变异：1866年发表《植物杂交试验》，提出了分离规律和独立分配规律；假定细胞中有它的物质基础“遗传因子”，认为遗传是受细胞里的遗传因子所控制的。

1900年，三位植物学家：荷兰修哥•弗里斯（HugodeVries）

奥地利艾力世•谢马克(ErichvonTschermak）德国卡尔•柯伦斯（CarlCorrens）1900年孟德尔遗传规律的被重新发现，标志着遗传学的建立和开始发展。摩尔根提出“性状连锁遗传规律”和“基因学说”：

种质(基因）是连续的遗传物质；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；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；生物进化主要是基因及其突变。

中国步入世界生命科学强国1859-2010

Darwin<物种的起源-第1版>

一夜间销售而空1928Fleming发明青霉素人类与病原微生物的生存斗争中取得了主动权经典遗传学理论

1900.-1926.1953J.WatsonandF.Crick

对基因的概念、结构与功能的认识发生了质的飞跃

ModernGenetics1973年斯坦福大学Cohn加州大学Boyer重组DNA技术

一夜间生物技术企业股票猛涨1997.2苏格兰科学家Wilmut绵羊“多利”的克隆为发育生物学研究开拓了更广阔的空间2000年6月HGP提前完成功能基因组时代到来还原论20世纪人类对生命现象的认识个体染色体基因DNAdNt基因的概念基因的本质基因的功能逐步深刻认识人类对生命现象的认识还原论20世纪生命科学的飞跃了解整个生命现象的本质仍然是零敲碎打研究策略

（piecemeal

）人类对生命现象的认识

整体论揭示生命的奥秘21世纪GenomicsStructuralGenomicsFunctionalgenomics数、理、化相关学科生物学实验技术渗透交叉近代生物学生物学个性共性宏观生物学（生态学为核心）微观生物学（分子生物学为核心）细胞水平分子水平结构生物学，发育生物学，神经生物学等新兴学科发展生物多样性研究资源保护与利用人类生态环境的保护工农业生产持续发展现代生物学的发展分子生物学分子结构生物学分子发育生物学分子神经生物学分子育种学分子肿瘤学分子细胞生物学分子免疫学分子病毒学分子生理学分子考古学分子遗传学分子数量遗传学分子生态学分子进化学…………….分子生物学的延伸分子生物学已经渗透到生物学的几乎所有领域分子生物学已经成为生命科学领域的带头学科21世纪生命科学发展的重要态势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.

2.1WhatisMolecularbiology?2分子生物学的概念Defineinbroadly：

understandbiologicalphenomenainmolecularterms(difficulttodistinguishfrombiochemistry).Defineinrestrictively：thestudyofgenestructureandtheiractivitiesinmolecularlevel.

WhatisMolecularbiology?

GeneconceptGenestructureGenereplicationGeneexpressionGenerecombinationGenemutationMolecularBiologyofGeneWhatisthegene?Basicproperty：ReplicationExpressionMutation

J.WatsonandF.Crick

1953DNADoubleHelixmodel2.2分子生物学诞生分子生物学研究领域共同遵循三大基本原则★构成生物大分子的单体是相同的★生物遗传信息的表达的中心法则相同DNARNApolypeptidesproteincharacter高级结构生物大分子之间的互作个性分子生物学的三大原则共同的核酸语言共同的蛋白质语言★生物大分子单体的排列（核苷酸，氨基酸）protein分子生物学研究领域的三大主要领域结构生物学基因分子生物学生物技术理论与应用分子生物学研究的三大主要领域生物大分子的结构与功能生物大分子之间的互作DNA—protein

Hormone—receptor

Enzyme--substrate基因的概念基因的结构基因的复制基因的表达基因的重组基因的突变基因工程细胞工程酶工程发酵工程蛋白质工程狭义的分子生物学分子生物学发展的三大支持学科1839-1847年MatthiasSchleiden&TheodorSchwann细胞的化学组成，细胞器的结构，细胞骨架，生物大分子在细胞中的定位及功能分子生物学发展的三大支撑学科生物体由细胞组成所有组织的最基本单元----形状相似，高度分化的细胞细胞的发生与形成是生物界普遍和永久的规律CytologyMolecularCellbiologyCytologyGregorMendel1864年GeneticsMolecularGeneticsGenestructureGeneduplicationGeneexpressionGenerecombinationGenemutation

分子生物学发展的三大支撑学科遗传因子假说GeneticsBiochemistryNucleicAcidChemistryProteinChemistry(1936年JamesSumner萨姆纳

)NobelPrizeinChemistry1946分子生物学发展的三大支撑学科EnzymaticnatureofcrystallineProteinBiochemistry2.3分子生物学发展的历程分子生物学的孕育时期

1941比德尔与塔特姆：“一个基因一种酶”

德尔布吕克：噬菌体；莱德伯格与塔特姆：大肠杆菌，基因分离和重组现象埃弗里证明

DNA携带着遗传信息薛定谔《生命是什么》分子生物学的诞生和发展

查加夫：

DNA分子嘌呤和嘧啶总分子数量相等威尔金斯和富兰克林、波林：

DNA的晶体结构赫尔希：用同位素方法证明

DNA是遗传信息的载体DNA

双螺旋结构的分子模型

NobelmedalHalfapoundof23-karalgold.2.5inchesacross近半个世纪以来医学，化学中重大突破与成就者NobelPrize分子生物学发展的里程碑与主要内容TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1910

发现核素是蛋白质和核酸的复合物。得到了组成核酸的基本成分。科塞尔发现有些物种的核酸与蛋白质结合比较紧密，有些则比较松散。科塞尔因其在核酸化学领域的开创性工作，荣获1910年的诺贝尔生理学或医学奖。AlbrechtKossel(艾布瑞契·科塞尔)（1853~1927）

"forhisdiscoveriesconcerningtheroleplayedbytheChromosomeinheredity,demonstratedthatgenesareonthechromosome"ThomasHuntMorgan

(托马斯·亨特·摩尔根)

（1866-1945）

inPhysiologyorMedicine1933NobelPrize

TheNobelPrizeinChemistry1946

"forhisdiscoverythatenzymescanbecrystallized""fortheirpreparationofenzymesandvirusproteinsinapureform"

JamesBatchellerSumner翟姆斯·巴彻勒·萨姆纳JohnHowardNorthrop约翰·霍华德·诺斯罗普WendellMeredithStanley温德尔·梅雷迪斯·斯坦利

CornellUniversity

RockefellerInstituteUSARockefellerInstituteUSA1887-19551891-19871904-1971TheNobelPrizeinChemistry19461958J.Lederberg乔舒亚·莱德伯格(33y)细菌的基因重组和遗传物质的结构TheNobelPrizeinChemistry1958“forhisworkonthestructureofproteins,especiallythatofinsulin“/‘insjuin/（胰岛素）FrederickSangerCambridgeUniversity

1918-Beadle&Tatum比德尔和埃德华·塔特姆Onegene--oneenzymeArthurKornberg亚瑟·科恩伯格(41y)分离了

DNApolymeraseI，实现了DNA在试管内的复制BrooklynSeveroOchoa塞韦罗·奥乔亚(54y)Spain发现了多核苷酸磷酸化酶，重建了转录和翻译过程1959TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1959

FrancisCrick(35y)1951分子生物学的重要里程碑JamesWatson(23y)丹麦哥本哈根剑桥大学CavendishLab.M.H.F.Wilkins&RosalindFrankin

X~rayphotographofDNAwithhighquality

(核塘与磷酸连接成的扭曲绳子，每一节上都有配对的碱基)1951.King’sLab.LondonUniversityUKJamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel19531962英国科学家:马克斯·佩鲁斯（1914~2002）约翰·肯德鲁（1917~1997）TheNobelPrizeinChemistry1962"fortheirstudiesofthestructuresofglobularproteins测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构"

Lac.OperonTheory;ConceptofmRNATheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965FrancoisJacob弗兰克斯·雅各布JacquesMonod雅克·莫诺德TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1968

罗伯特·霍利哈尔·戈宾德·科拉纳马歇尔·尼伦伯格H.GobindKhorana(46y)第一个合成了核酸分子，并且人工复制了酵母基因｡MarshallNirenberg(41y)GeneticcodenRobertHolley(46y)酵母tRNAphe的序列和结构，一致性1969MaxDelbruck(63y)AlfredHershey(61y)Phage病毒的复制机制和遗传结构PhageinfectioncycleDNAasgeneticmaterial麦克斯·德尔布吕克阿尔弗雷德·赫尔希TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1969Reversetranscription（在RNA肿瘤病毒中反转录，逆转录酶）大卫·巴尔的摩

(37y)霍华德·马丁·特明

(41y)

雷那托·杜尔贝科（1914~）

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1975

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1978"forthediscoveryofrestrictionenzymesandtheirapplicationtoproblemsofmoleculargenetics"沃纳·阿尔伯丹尼尔·内森斯汉密尔顿·史密斯

SwitzerlandBiozentrumderUniversität

JohnsHopkinsUniversitySchoolofMedicine

Baltimore,USAJohnsHopkinsUniversitySchoolofMedicine

Baltimore,USA1929-1928-19991931-TheNobelPrizeinChemistry1980WalterGilbert沃尔特·吉尔伯特1932-"fortheircontributionsconcerningthedeterminationofbasesequencesinnucleicacids"FrederickSanger弗雷德里克·桑格1918-TheNobelPrizeinChemistry1980“开发了试管内，在酶的作用下将大肠杆菌的噬菌体基因与SV40基因结合在一起的技术，重组DNA"PaulBerg保罗·伯格

StanfordUniversity

1926-TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1983.BarbaraMcClintock巴巴拉·麦克林托克(86y)DNAtransposableelementTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1984

fortheirsconcerningthespecificityindevelopmentandcontroloftheimmunesystemandthediscoveryoftheprincipleforproductionofmonoclonalantibodies

NielsK.Jerne杰尼(1911~1994)

GeorgesJ.F.Köhler科勒(1946~1995)

CésarMilstein米尔斯坦

(1927~2002)

TheNobelPrizeinChemistry1989"fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNARibozyme"

SidneyAltman西德尼·奥尔特曼ThomasR.Cech托马斯·切赫

YaleUniversity

NewHaven,CT,USAUniversityofColorado

Boulder,CO,USA1939-1947TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1989

discoveryofthecellularoriginofretroviraloncogenes，发现正常细胞同样带有原癌基因J.MichaelBishop迈克尔·毕晓普（1936~)HaroldE.Varmus哈罗德.瓦穆斯（1939~)TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1993“fortheirdiscoveryofsplitgenesIn1978”RichardJ.Roberts理查德·罗伯茨PhillipA.Sharp菲利普·夏普TheNobelPrizeinChemistry1993"forhisinventionofthepolymerasechainreaction(PCR)method"KaryB.Mullis穆利斯（1944~）TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1994

fortheirdiscoveryofG-proteinsandtheroleoftheseproteinsinsignaltransductionincells

AlfredG.Gilman阿尔弗雷德·吉尔曼（1941~）

MartinRodbell马丁·罗德贝尔（1925~1998）

discoveredGeneticcontrolofearlydevelopmentinDrosophila先后独立鉴定了控制果蝇体节发育基因EdwardB.Lewis爱德华·刘易斯ChristianeNüsslein-Volhard斯蒂纳·沃尔哈德EricF.Wieschaus艾里克-威斯乔斯

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1995TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1996

阐明了T-淋巴细胞的免疫机制。他们发现，白血细胞只有同时识别入侵病原物和与之相伴的主要组织不相容抗原，才能准确识别受病原侵害的细胞并将其清除掉。

PeterC.Doherty彼得·多尔蒂（1940~)RolfM.Zinkernage青克纳格尔（1944~）StanleyB.Prusiner斯坦利·普鲁西纳UniversityofCalifornia,SchoolofMedicine

USA1942-discoveryofPrions-anewbiologicalprincipleofinfection发现了阮病毒是早老性痴呆症的病原，并且能够直接在寄主细胞中繁殖传播。

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1997TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1998

fortheirdiscoveriesconcerningnitricoxideasasignallingmoleculeinthecardiovascularsystem

RobertF.Furchgott罗伯特·弗奇戈特（1916~）

LouisJ.Ignarro路易斯·伊格纳罗（1941~）

FeridMurad弗里德·穆拉德（1936~）

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1999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在蛋白质跨膜运转过程中的主导作用GünterBlobel冈特·布洛贝尔（1936~）

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2000

fortheirdiscoveriesconcerningsignaltransductioninthenervoussystem

ArvidCarlsson阿尔维德-卡尔森(1923~)PaulGreengard保罗-格林加德(1925~)EricR.Kandel埃里克-坎德尔（1929~）

discoveredkeyregulatorsofthecellcycleLelandH.Hartwell利兰·哈特韦尔（1939~）

R.Timothy(Tim)Hunt蒂莫西·亨特（1943~）

SirPaulM.Nurse保罗·纳斯(1949~）

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2001TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2002

Fortheirdiscoveriesconcerninggenetic