高职分子生物学课件(分子生物学)
1.分子生物学
蛋白质的结构单位是α-氨基酸。
常见的氨基酸共20种。它们以不同的顺序排列可以为生命世界提供天文数字的各种各样的蛋白质。
蛋白质分子结构的组织形式可分为四个主要的层次。一级结构，也叫化学结构，是分子中氨基酸的排列顺序。
首尾相连的氨基酸通过氨基与羧基的缩合形成链状结构，称为肽链。 肽链主链原子的局部空间排列为二级结构。
二级结构在空间的各种盘绕和卷曲为三级结构。有些蛋白质分子是由相同的或不同的亚单位组装成的，亚单位间的相互关系叫四级结构。
蛋白质的特殊性质和生理功能与其分子的特定结构有着密切的关系，这是形形色色的蛋白质所以能表现出丰富多彩的生命活动的分子基础。 研究蛋白质的结构与功能的关系是分子生物学研究的一个重要内容。
随着结构分析技术的发展，现在已有几千个蛋白质的化学结构和几百个蛋白质的立体结构得到了阐明。70年代末以来，采用测定互补DNA顺序反推蛋白质化学结构的方法，不仅提高了分析效率，而且使一些氨基酸序列分析条件不易得到满足的蛋白质化学结构分析得以实现。
发现和鉴定具有新功能的蛋白质，仍是蛋白质研究的内容。例如与基因调控和高级神经活动有关的蛋白质的研究现在很受重视。
生物体的遗传特征主要由核酸决定。绝大多数生物的基因都由DNA构成。
简单的病毒如噬菌体的基因组是由46000个核苷酸按一定顺序组成的一条双股DNA。 由于是双股DNA，所以通常以碱基对计算其长度。
遗传信息要在子代的生命活动中表现出来，需要通过复制、转录和转译。复制是以亲代DNA为模板合成子代DNA分子。
转录是根据DNA的核苷酸序列决定一类RNA分子中的核苷酸序列；后者又进一步决定蛋白质分子中氨基酸的序列，就是转译。 因为这一类RNA起着信息传递作用，故称信使核糖核酸。
基因在表达其性状的过程中贯串着核酸与核酸、核酸与蛋白质的相互作用。DNA复制时，双股螺旋在解旋酶的作用下被拆开，然后DNA聚合酶以亲代DNA链为模板，复制出于代DNA链。
转录是在RNA聚合酶的催化下完成的。 生物体内普遍存在的膜结构，统称为生物膜。
它包括细胞外周膜和细胞内具有各种特定功能的细胞器膜。从化学组成看，生物膜是由脂质和蛋白质通过非共价键构成的体系。
很多膜还含少量糖类，以糖蛋白或糖脂形式存在。生物体的能量转换主要在膜上进行。
生物体取得能量的方式，或是像植物那样利用太阳能在叶绿体膜上进行光合磷酸化反应；或是像动物那样利用食物在线粒体膜上进行氧化磷酸化反应。 这二者能量来源虽不同，但基本过程非常相似，最后都合成腺苷三磷酸。
生物体利用食物氧化所释放能量的效率可达70%左右，而从煤或石油的燃烧获取能量的效率通常为20~40%，所以生物力能学的研究很受重视。对生物膜能量转换的深入了解和模拟，将会对人类更有效地利用能量作出贡献。
生物膜的另一重要功能是细胞问或细胞膜内外的信息传递。在细胞表面，广泛地存在着一类称为受体的蛋白质。
激素和药物的作用都需通过与受体分子的特异性结合而实现。癌变细胞表面受体物质的分布有明显变化。
细胞膜的表面性质还对细胞分裂繁殖有重要的调节作用。对细胞表面性质的研究带动了糖类的研究。
糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂等生物大分子结构与功能的研究越来越受到重视。从发展趋势看，寡糖与蛋白质或脂质形成的体系将成为分子生物学研究的一个新的重要的领域。
分子生物学的成就说明：生命活动的根本规律在形形色色的生物体中都是统一的。例如，不论在何种生物体中，都由同样的氨基酸和核苷酸分别组成其蛋白质和核酸。
遗传物质，除某些病毒外，都是DNA，并且在所有的细胞中都以同样的生化机制进行复制。物理学的成就证明，一切物质的原子都由为数不多的基本粒子根据相同的规律所组成，说明了物质世界结构上的高度一致，揭示了物质世界的本质，从而带动了整个物理学科的发展。
分子生物学则在分子水平上揭示了生命世界的基本结构和生命活动的根本规律的高度一致，揭示了生命现象的本质。和过去基本粒子的研究带动物理学的发展一样，分子生物学的概念和观点也已经渗入到基础和应用生物学的每一个分支领域，带动了整个生物学的发展，使之提高到一个崭新的水平。
过去生物进化的研究，主要依靠对不同种属间形态和解剖方面的比较来决定亲缘关系。随着蛋白质和核酸结构测定方法的进展，比较不同种属的蛋白质或核酸的化学结构，即可根据差异的程度，来断定它们的亲缘关系。
由此得出的系统进化树，与用经典方法得到的是基本符合的。 采用分子生物学的方法研究分类与进化有特别的优越性。
首先，构成生物体的基本生物大分子的结构反映了生命活动中更为本质的方面。其次，根据结构上的差异程度可以对亲绕关系给出一个定量的，因而也是更准确的概念。
第三，对于形态结构非常简单的微生物的进化，则只有用这种方法才能得到可靠结果。 分子生物学在生物工程技术中也起了巨大的作用，1973年重组DNA技术的成功，为基因工程的发展铺平了道路。
80年代以来，已经采用基因工程技术，把高等动物的一些基因引入单细胞生物。
2.分子生物学的基本内容
蛋白质的特殊性质和生理功能与其分子的特定结构有着密切的关系，这是形形色色的蛋白质所以能表现出丰富多彩的生命活动的分子基础。研究蛋白质的结构与功能的关系是分子生物学研究的一个重要内容。
随着结构分析技术的发展，1962年已有几千个蛋白质的化学结构和几百个蛋白质的立体结构得到了阐明。70年代末以来，采用测定互补DNA顺序反推蛋白质化学结构的方法，不仅提高了分析效率，而且使一些氨基酸序列分析条件不易得到满足的蛋白质化学结构分析得以实现。
发现和鉴定具有新功能的蛋白质，仍是蛋白质研究的内容。例如与基因调控和高级神经活动有关的蛋白质的研究很受重视。 生物体的遗传特征主要由核酸决定。绝大多数生物的基因都由 DNA构成。简单的病毒，如λ噬菌体的基因组是由 46000个核苷酸按一定顺序组成的一条双股DNA（由于是双股DNA，通常以碱基对计算其长度）。细菌，如大肠杆菌的基因组，含4*10^6碱基对。人体细胞染色体上所含DNA为3*10^9碱基对。
遗传信息要在子代的生命活动中表现出来，需要通过复制、转录和转译。复制是以亲代 DNA为模板合成子代DNA分子。转录是根据DNA的核苷酸序列决定一类RNA分子中的核苷酸序列；后者又进一步决定蛋白质分子中氨基酸的序列，就是转译。因为这一类RNA起着信息传递作用，故称信使核糖核酸（mRNA）。由于构成RNA的核苷酸是4种，而蛋白质中却有20种氨基酸，它们的对应关系是由mRNA分子中以一定顺序相连的 3个核苷酸来决定一种氨基酸，这就是三联体遗传密码。
基因在表达其性状的过程中贯串着核酸与核酸、核酸与蛋白质的相互作用。DNA复制时，双股螺旋在解旋酶的作用下被拆开，然后DNA聚合酶以亲代DNA链为模板，复制出子代 DNA链。转录是在RNA聚合酶的催化下完成的。转译的场所核糖核蛋白体是核酸和蛋白质的复合体，根据mRNA的编码，在酶的催化下，把氨基酸连接成完整的肽链。基因表达的调节控制也是通过生物大分子的相互作用而实现的。如大肠杆菌乳糖操纵子上的操纵基因通过与阻遏蛋白的相互作用控制基因的开关。真核细胞染色质所含的非组蛋白在转录的调控中具有特殊作用。正常情况下，真核细胞中仅2~15%基因被表达。这种选择性的转录与转译是细胞分化的基础。 生物体内普遍存在的膜结构，统称为生物膜。它包括细胞外周膜和细胞内具有各种特定功能的细胞器膜。从化学组成看，生物膜是由脂质和蛋白质通过非共价键构成的体系。很多膜还含少量糖类，以糖蛋白或糖脂形式存在。
1972年提出的流动镶嵌模型概括了生物膜的基本特征：其基本骨架是脂双层结构。膜蛋白分为表在蛋白质和嵌入蛋白质。膜脂和膜蛋白均处于不停的运动状态。
生物膜在结构与功能上都具有两侧不对称性。以物质传送为例，某些物质能以很高速度通过膜，另一些则不能。象海带能从海水中把碘浓缩 3万倍。生物膜的选择性通透使细胞内pH和离子组成相对稳定，保持了产生神经、肌肉兴奋所必需的离子梯度，保证了细胞浓缩营养物和排除废物的功能。
生物体的能量转换主要在膜上进行。生物体取得能量的方式，或是像植物那样利用太阳能在叶绿体膜上进行光合磷酸化反应；或是像动物那样利用食物在线粒体膜上进行氧化磷酸化反应。这二者能量来源虽不同，但基本过程非常相似，最后都合成腺苷三磷酸。对于这两种能量转换的机制，P.米切尔提出的化学渗透学说得到了越来越多的证据。生物体利用食物氧化所释放能量的效率可达70%左右，而从煤或石油的燃烧获取能量的效率通常为20~40%，所以生物力能学的研究很受重视。对生物膜能量转换的深入了解和模拟将会对人类更有效地利用能量作出贡献。
生物膜的另一重要功能是细胞间或细胞膜内外的信息传递。在细胞表面，广泛地存在着一类称为受体的蛋白质。激素和药物的作用都需通过与受体分子的特异性结合而实现。癌变细胞表面受体物质的分布有明显变化。细胞膜的表面性质还对细胞分裂繁殖有重要的调节作用。
对细胞表面性质的研究带动了糖类的研究。糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂等生物大分子结构与功能的研究越来越受到重视。从发展趋势看，寡糖与蛋白质或脂质形成的体系将成为分子生物学研究的一个新的重要的领域。
3.如何设计一个分子生物学实验
分子生物学作为基因工程的上游技术，其实验的成果和准确性将决定下游所有的步骤和最终的实验结果。
所以构建一个完备的分子生物学实验室是非常重要的，以下就让我们来看看构建一个分子生物学实验室需要哪些仪器。 1。
冰箱：根据药品、试剂及多种生物制剂保存的需要，必须具备不同控温级别的冰箱，最常使用的有：4℃、-20℃、-80℃冰箱。4℃适合储存某些溶液、试剂、药品等。
-20℃适用于某些试剂、药品、酶、血清、配好的抗生素和DNA、蛋白质样品等。-80℃适合某些长期低温保存的样品、大肠杆菌菌种、纯化的样品、特殊的低温处理消化液等的保存。
0-10℃的层析冷柜适合低温条件下的电泳、层析、透析等实验。 2。
培养箱：37℃恒温箱用于细菌的平板培养及分子生物学实验。 3。
恒温培养摇床：用于大肠杆菌等生物工程菌种的扩增。 4。
水浴锅：用于保温并进行各类实验。25-100℃水浴摇床可用于分子杂交试验，各种生物化学酶反应等试验的保温。
含低温的水浴槽可以用于分子生物学的质粒与基因片段的连接等实验及用于42度的大肠杆菌感受态的热激。 5。
烘箱：主用于烘干实验器皿，有些需要温度高些，有些需要温度低些。 用于RNA方面的实验用具，需要在250℃烤箱中烘干，有些塑料用具只能在42-45℃的烤箱中进行烘干。
6。超纯水机：随着分子生物学的飞速发展，许多实验对水纯度的要求越来越高，用自来水、蒸馏水、离子交换水、反渗透纯水做为供水，磁铁耦合齿轮泵作用使水循环。
用于PCR、PCR氨基酸分析、DNA测序、酶反应、组织和细胞培养等。 7。
蒸汽消毒锅：分子生物学所用大部分试剂，而且实验用具都应严格消毒灭菌。用于小批量物品的随时消毒。
大批实验物品、试剂、培养基可使用大型消毒且定时进行消毒。 8。
滤器滤膜：不耐高温、高压的试剂用其处菌。 9。
各种天平：台秤、精密电子分析天平，用于精确称量各类试剂。 10。
液体体积的度量：量筒、移液管、微量取液器、刻度试管、烧杯、锥形瓶等。 11。
pH计：测定溶液中H 的直接电位的仪器，主要通过一对电极，在不同的pH溶液中产生不同的电动势用pH值表示出来； pH试纸：只适用于培养液、酚饱和液、缓冲液或其它试剂溶液的pH值的粗略估计。 而大部分试剂的配制要求严格的pH值，需精确度高（小数点后两位）的pH计。
12。分光光度计：光密度、分光光度计是利用物质在可见光和紫外线区域中的吸收光谱来鉴定该物质的性质及其含量的一种仪器。
它是由光源、单色器、吸收池、接收器、测量仪表或显示屏幕所组成。 OD值是许多溶液中溶质定量的方便指标之一，通过所产生的单色光而测定某一溶液对该单色光的吸收值，利用它可进行核酸溶液定量和纯度的初步判断。
OD值也可以作为菌浓的检测指标。 13。
高速离心机：最大转速25000r/m，最大离心力89000g。 有冷冻和常温两种，多用于制备和手收集微生物、细胞碎片、细胞、大的细胞器、硫酸铵沉淀物以及免疫沉淀物等。
14。超净工作台：内有紫外灯、照明灯、还应有酒精灯火焰、75%乙醇等灭菌的设备，是一种提供局部洁净度的设备。
其原理是鼓风机驱动空气，经过低、中效的过滤器后，通过工作台面，使实验操作区域成为无菌的环境。 15。
电泳系统：电泳技术是检测、鉴定各种生物大分子的纯度、含量及描述它们的特征，甚至还是分离、纯化、回收和浓缩样品的工具之一。 电泳系统分为电源和电泳槽，电源需经稳流通过稳压器，既能提供稳定的直流电，又能输出稳定的电压；水平式电泳槽：一般分为微型电泳槽和大号水平式电泳槽 16。
PCR仪：仪，也称DNA热循环仪，基因扩增仪，它是使一对寡核苷酸引物结合到正负DNA链上的靶序列两侧，从而酶促合成拷贝数百万倍的靶序列DNA片段，它的每一循环包括在三种不同温度进行的DNA变性，引物复性，DNA聚合酶催化的延伸反应三个过程。 需要说明的是，有些实验室可能还需要梯度PCR仪或实事定量荧光PCR仪来进行一些特殊的分子生物学实验。
17。凝胶成像分析系统：对电泳后含溴乙锭（EB）核酸样品的观察分析。
18。其他设备 （1）微波炉：便于一些溶液的快速加热和定温加热，电泳琼脂糖凝胶配制、溶化等。
（ 2）制冰机：用于制造大多数核酸、蛋白质的实验操作所需的低温环境，以减少核酸酶或蛋白质酶的水解。 （3）层析装置：（色谱分离）是一种分离多组分混合物的有效物理方法。
真空印记系统，DNA合成/测序仪：这些都是对核酸进行深入研究的必备仪器。 （4）磁力搅拌器：多角度旋转混匀器、快速振荡混合器：用于混合仪器。
（5）组织匀浆器：超声组织及细胞破碎器，用其进行样品的分离提纯实验。 （6）通风橱：很多溶剂能逸出毒气，必备柜，放射性试验还要有有机玻璃屏蔽。
（7）玻璃蒸馏器、电热加帽、变压器：用于酚等有机溶剂的蒸馏。 （8 ）Tip头、Eppendorf管：微管移液器tip头（吸液尖）、Eppendorf管（微量离心管）可洗涤，硅化消毒后反复使用。
对一些要求严格的实验，如RNA的提取、保存等操作，应使用新的消毒tip头与Eppendorf管。另外还应备有常用规格的离心管（1000ml、500ml、。
4.分子生物学的主要研究内容有哪些
分子生物学分子生物学主要包含以下三部分研究内容：1。
核酸的分子生物学核酸的分子生物学研究核酸的结构及其功能。由于核酸的主要作用是携带和传递遗传信息，因此分子遗传学（moleculargenetics）是其主要组成部分。
由于50年代以来的迅速发展，该领域已形成了比较完整的理论体系和研究技术，是目前分子生物学内容最丰富的一个领域。 研究内容包括核酸/基因组的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因工程技术的发展和应用等。
遗传信息传递的中心法则（centraldogma）是其理论体系的核心。2。
蛋白质的分子生物学分子生物学蛋白质的分子生物学研究执行各种生命功能的主要大分子──蛋白质的结构与功能。 尽管人类对蛋白质的研究比对核酸研究的历史要长得多，但由于其研究难度较大，与核酸分子生物学相比发展较慢。
近年来虽然在认识蛋白质的结构及其与功能关系方面取得了一些进展，但是对其基本规律的认识尚缺乏突破性的进展。3。
细胞信号转导的分子生物学分子生物学细胞信号转导的分子生物学研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。 构成生物体的每一个细胞的分裂与分化及其它各种功能的完成均依赖于外界环境所赋予的各种指示信号。
在这些外源信号的刺激下，细胞可以将这些信号转变为一系列的生物化学变化，例如蛋白质构象的转变、蛋白质分子的磷酸化以及蛋白与蛋白相互作用的变化等，从而使其增殖、分化及分泌状态等发生改变以适应内外环境的需要。 信号转导研究的目标是阐明这些变化的分子机理，明确每一种信号转导与传递的途径及参与该途径的所有分子的作用和调节方式以及认识各种途径间的网络控制系统。
信号转导机理的研究在理论和技术方面与上述核酸及蛋白质分子有着紧密的联系，是当前分子生物学发展最迅速的领域之一。
