高職分子生物學(xué)課件(分子生物學(xué))
1.分子生物學(xué)
蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位是α-氨基酸。
常見的氨基酸共20種。它們以不同的順序排列可以為生命世界提供天文數(shù)字的各種各樣的蛋白質(zhì)。
蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的組織形式可分為四個主要的層次。一級結(jié)構(gòu)，也叫化學(xué)結(jié)構(gòu)，是分子中氨基酸的排列順序。
首尾相連的氨基酸通過氨基與羧基的縮合形成鏈狀結(jié)構(gòu)，稱為肽鏈。 肽鏈主鏈原子的局部空間排列為二級結(jié)構(gòu)。
二級結(jié)構(gòu)在空間的各種盤繞和卷曲為三級結(jié)構(gòu)。有些蛋白質(zhì)分子是由相同的或不同的亞單位組裝成的，亞單位間的相互關(guān)系叫四級結(jié)構(gòu)。
蛋白質(zhì)的特殊性質(zhì)和生理功能與其分子的特定結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，這是形形色色的蛋白質(zhì)所以能表現(xiàn)出豐富多彩的生命活動的分子基礎(chǔ)。 研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是分子生物學(xué)研究的一個重要內(nèi)容。
隨著結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有幾千個蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和幾百個蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)得到了闡明。70年代末以來，采用測定互補DNA順序反推蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的方法，不僅提高了分析效率，而且使一些氨基酸序列分析條件不易得到滿足的蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)分析得以實現(xiàn)。
發(fā)現(xiàn)和鑒定具有新功能的蛋白質(zhì)，仍是蛋白質(zhì)研究的內(nèi)容。例如與基因調(diào)控和高級神經(jīng)活動有關(guān)的蛋白質(zhì)的研究現(xiàn)在很受重視。
生物體的遺傳特征主要由核酸決定。絕大多數(shù)生物的基因都由DNA構(gòu)成。
簡單的病毒如噬菌體的基因組是由46000個核苷酸按一定順序組成的一條雙股DNA。 由于是雙股DNA，所以通常以堿基對計算其長度。
遺傳信息要在子代的生命活動中表現(xiàn)出來，需要通過復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯。復(fù)制是以親代DNA為模板合成子代DNA分子。
轉(zhuǎn)錄是根據(jù)DNA的核苷酸序列決定一類RNA分子中的核苷酸序列；后者又進一步?jīng)Q定蛋白質(zhì)分子中氨基酸的序列，就是轉(zhuǎn)譯。 因為這一類RNA起著信息傳遞作用，故稱信使核糖核酸。
基因在表達其性狀的過程中貫串著核酸與核酸、核酸與蛋白質(zhì)的相互作用。DNA復(fù)制時，雙股螺旋在解旋酶的作用下被拆開，然后DNA聚合酶以親代DNA鏈為模板，復(fù)制出于代DNA鏈。
轉(zhuǎn)錄是在RNA聚合酶的催化下完成的。 生物體內(nèi)普遍存在的膜結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為生物膜。
它包括細胞外周膜和細胞內(nèi)具有各種特定功能的細胞器膜。從化學(xué)組成看，生物膜是由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)通過非共價鍵構(gòu)成的體系。
很多膜還含少量糖類，以糖蛋白或糖脂形式存在。生物體的能量轉(zhuǎn)換主要在膜上進行。
生物體取得能量的方式，或是像植物那樣利用太陽能在葉綠體膜上進行光合磷酸化反應(yīng)；或是像動物那樣利用食物在線粒體膜上進行氧化磷酸化反應(yīng)。 這二者能量來源雖不同，但基本過程非常相似，最后都合成腺苷三磷酸。
生物體利用食物氧化所釋放能量的效率可達70%左右，而從煤或石油的燃燒獲取能量的效率通常為20~40%，所以生物力能學(xué)的研究很受重視。對生物膜能量轉(zhuǎn)換的深入了解和模擬，將會對人類更有效地利用能量作出貢獻。
生物膜的另一重要功能是細胞問或細胞膜內(nèi)外的信息傳遞。在細胞表面，廣泛地存在著一類稱為受體的蛋白質(zhì)。
激素和藥物的作用都需通過與受體分子的特異性結(jié)合而實現(xiàn)。癌變細胞表面受體物質(zhì)的分布有明顯變化。
細胞膜的表面性質(zhì)還對細胞分裂繁殖有重要的調(diào)節(jié)作用。對細胞表面性質(zhì)的研究帶動了糖類的研究。
糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂等生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的研究越來越受到重視。從發(fā)展趨勢看，寡糖與蛋白質(zhì)或脂質(zhì)形成的體系將成為分子生物學(xué)研究的一個新的重要的領(lǐng)域。
分子生物學(xué)的成就說明：生命活動的根本規(guī)律在形形色色的生物體中都是統(tǒng)一的。例如，不論在何種生物體中，都由同樣的氨基酸和核苷酸分別組成其蛋白質(zhì)和核酸。
遺傳物質(zhì)，除某些病毒外，都是DNA，并且在所有的細胞中都以同樣的生化機制進行復(fù)制。物理學(xué)的成就證明，一切物質(zhì)的原子都由為數(shù)不多的基本粒子根據(jù)相同的規(guī)律所組成，說明了物質(zhì)世界結(jié)構(gòu)上的高度一致，揭示了物質(zhì)世界的本質(zhì)，從而帶動了整個物理學(xué)科的發(fā)展。
分子生物學(xué)則在分子水平上揭示了生命世界的基本結(jié)構(gòu)和生命活動的根本規(guī)律的高度一致，揭示了生命現(xiàn)象的本質(zhì)。和過去基本粒子的研究帶動物理學(xué)的發(fā)展一樣，分子生物學(xué)的概念和觀點也已經(jīng)滲入到基礎(chǔ)和應(yīng)用生物學(xué)的每一個分支領(lǐng)域，帶動了整個生物學(xué)的發(fā)展，使之提高到一個嶄新的水平。
過去生物進化的研究，主要依靠對不同種屬間形態(tài)和解剖方面的比較來決定親緣關(guān)系。隨著蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)測定方法的進展，比較不同種屬的蛋白質(zhì)或核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)，即可根據(jù)差異的程度，來斷定它們的親緣關(guān)系。
由此得出的系統(tǒng)進化樹，與用經(jīng)典方法得到的是基本符合的。 采用分子生物學(xué)的方法研究分類與進化有特別的優(yōu)越性。
首先，構(gòu)成生物體的基本生物大分子的結(jié)構(gòu)反映了生命活動中更為本質(zhì)的方面。其次，根據(jù)結(jié)構(gòu)上的差異程度可以對親繞關(guān)系給出一個定量的，因而也是更準(zhǔn)確的概念。
第三，對于形態(tài)結(jié)構(gòu)非常簡單的微生物的進化，則只有用這種方法才能得到可靠結(jié)果。 分子生物學(xué)在生物工程技術(shù)中也起了巨大的作用，1973年重組DNA技術(shù)的成功，為基因工程的發(fā)展鋪平了道路。
80年代以來，已經(jīng)采用基因工程技術(shù)，把高等動物的一些基因引入單細胞生物。
2.分子生物學(xué)的基本內(nèi)容
蛋白質(zhì)的特殊性質(zhì)和生理功能與其分子的特定結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，這是形形色色的蛋白質(zhì)所以能表現(xiàn)出豐富多彩的生命活動的分子基礎(chǔ)。研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是分子生物學(xué)研究的一個重要內(nèi)容。
隨著結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的發(fā)展，1962年已有幾千個蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和幾百個蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)得到了闡明。70年代末以來，采用測定互補DNA順序反推蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的方法，不僅提高了分析效率，而且使一些氨基酸序列分析條件不易得到滿足的蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)分析得以實現(xiàn)。
發(fā)現(xiàn)和鑒定具有新功能的蛋白質(zhì)，仍是蛋白質(zhì)研究的內(nèi)容。例如與基因調(diào)控和高級神經(jīng)活動有關(guān)的蛋白質(zhì)的研究很受重視。 生物體的遺傳特征主要由核酸決定。絕大多數(shù)生物的基因都由 DNA構(gòu)成。簡單的病毒，如λ噬菌體的基因組是由 46000個核苷酸按一定順序組成的一條雙股DNA（由于是雙股DNA，通常以堿基對計算其長度）。細菌，如大腸桿菌的基因組，含4*10^6堿基對。人體細胞染色體上所含DNA為3*10^9堿基對。
遺傳信息要在子代的生命活動中表現(xiàn)出來，需要通過復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯。復(fù)制是以親代 DNA為模板合成子代DNA分子。轉(zhuǎn)錄是根據(jù)DNA的核苷酸序列決定一類RNA分子中的核苷酸序列；后者又進一步?jīng)Q定蛋白質(zhì)分子中氨基酸的序列，就是轉(zhuǎn)譯。因為這一類RNA起著信息傳遞作用，故稱信使核糖核酸（mRNA）。由于構(gòu)成RNA的核苷酸是4種，而蛋白質(zhì)中卻有20種氨基酸，它們的對應(yīng)關(guān)系是由mRNA分子中以一定順序相連的 3個核苷酸來決定一種氨基酸，這就是三聯(lián)體遺傳密碼。
基因在表達其性狀的過程中貫串著核酸與核酸、核酸與蛋白質(zhì)的相互作用。DNA復(fù)制時，雙股螺旋在解旋酶的作用下被拆開，然后DNA聚合酶以親代DNA鏈為模板，復(fù)制出子代 DNA鏈。轉(zhuǎn)錄是在RNA聚合酶的催化下完成的。轉(zhuǎn)譯的場所核糖核蛋白體是核酸和蛋白質(zhì)的復(fù)合體，根據(jù)mRNA的編碼，在酶的催化下，把氨基酸連接成完整的肽鏈?；虮磉_的調(diào)節(jié)控制也是通過生物大分子的相互作用而實現(xiàn)的。如大腸桿菌乳糖操縱子上的操縱基因通過與阻遏蛋白的相互作用控制基因的開關(guān)。真核細胞染色質(zhì)所含的非組蛋白在轉(zhuǎn)錄的調(diào)控中具有特殊作用。正常情況下，真核細胞中僅2~15%基因被表達。這種選擇性的轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)譯是細胞分化的基礎(chǔ)。 生物體內(nèi)普遍存在的膜結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為生物膜。它包括細胞外周膜和細胞內(nèi)具有各種特定功能的細胞器膜。從化學(xué)組成看，生物膜是由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)通過非共價鍵構(gòu)成的體系。很多膜還含少量糖類，以糖蛋白或糖脂形式存在。
1972年提出的流動鑲嵌模型概括了生物膜的基本特征：其基本骨架是脂雙層結(jié)構(gòu)。膜蛋白分為表在蛋白質(zhì)和嵌入蛋白質(zhì)。膜脂和膜蛋白均處于不停的運動狀態(tài)。
生物膜在結(jié)構(gòu)與功能上都具有兩側(cè)不對稱性。以物質(zhì)傳送為例，某些物質(zhì)能以很高速度通過膜，另一些則不能。象海帶能從海水中把碘濃縮 3萬倍。生物膜的選擇性通透使細胞內(nèi)pH和離子組成相對穩(wěn)定，保持了產(chǎn)生神經(jīng)、肌肉興奮所必需的離子梯度，保證了細胞濃縮營養(yǎng)物和排除廢物的功能。
生物體的能量轉(zhuǎn)換主要在膜上進行。生物體取得能量的方式，或是像植物那樣利用太陽能在葉綠體膜上進行光合磷酸化反應(yīng)；或是像動物那樣利用食物在線粒體膜上進行氧化磷酸化反應(yīng)。這二者能量來源雖不同，但基本過程非常相似，最后都合成腺苷三磷酸。對于這兩種能量轉(zhuǎn)換的機制，P.米切爾提出的化學(xué)滲透學(xué)說得到了越來越多的證據(jù)。生物體利用食物氧化所釋放能量的效率可達70%左右，而從煤或石油的燃燒獲取能量的效率通常為20~40%，所以生物力能學(xué)的研究很受重視。對生物膜能量轉(zhuǎn)換的深入了解和模擬將會對人類更有效地利用能量作出貢獻。
生物膜的另一重要功能是細胞間或細胞膜內(nèi)外的信息傳遞。在細胞表面，廣泛地存在著一類稱為受體的蛋白質(zhì)。激素和藥物的作用都需通過與受體分子的特異性結(jié)合而實現(xiàn)。癌變細胞表面受體物質(zhì)的分布有明顯變化。細胞膜的表面性質(zhì)還對細胞分裂繁殖有重要的調(diào)節(jié)作用。
對細胞表面性質(zhì)的研究帶動了糖類的研究。糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂等生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的研究越來越受到重視。從發(fā)展趨勢看，寡糖與蛋白質(zhì)或脂質(zhì)形成的體系將成為分子生物學(xué)研究的一個新的重要的領(lǐng)域。
3.如何設(shè)計一個分子生物學(xué)實驗
分子生物學(xué)作為基因工程的上游技術(shù)，其實驗的成果和準(zhǔn)確性將決定下游所有的步驟和最終的實驗結(jié)果。
所以構(gòu)建一個完備的分子生物學(xué)實驗室是非常重要的，以下就讓我們來看看構(gòu)建一個分子生物學(xué)實驗室需要哪些儀器。 1。
冰箱：根據(jù)藥品、試劑及多種生物制劑保存的需要，必須具備不同控溫級別的冰箱，最常使用的有：4℃、-20℃、-80℃冰箱。4℃適合儲存某些溶液、試劑、藥品等。
-20℃適用于某些試劑、藥品、酶、血清、配好的抗生素和DNA、蛋白質(zhì)樣品等。-80℃適合某些長期低溫保存的樣品、大腸桿菌菌種、純化的樣品、特殊的低溫處理消化液等的保存。
0-10℃的層析冷柜適合低溫條件下的電泳、層析、透析等實驗。 2。
培養(yǎng)箱：37℃恒溫箱用于細菌的平板培養(yǎng)及分子生物學(xué)實驗。 3。
恒溫培養(yǎng)搖床：用于大腸桿菌等生物工程菌種的擴增。 4。
水浴鍋：用于保溫并進行各類實驗。25-100℃水浴搖床可用于分子雜交試驗，各種生物化學(xué)酶反應(yīng)等試驗的保溫。
含低溫的水浴槽可以用于分子生物學(xué)的質(zhì)粒與基因片段的連接等實驗及用于42度的大腸桿菌感受態(tài)的熱激。 5。
烘箱：主用于烘干實驗器皿，有些需要溫度高些，有些需要溫度低些。 用于RNA方面的實驗用具，需要在250℃烤箱中烘干，有些塑料用具只能在42-45℃的烤箱中進行烘干。
6。超純水機：隨著分子生物學(xué)的飛速發(fā)展，許多實驗對水純度的要求越來越高，用自來水、蒸餾水、離子交換水、反滲透純水做為供水，磁鐵耦合齒輪泵作用使水循環(huán)。
用于PCR、PCR氨基酸分析、DNA測序、酶反應(yīng)、組織和細胞培養(yǎng)等。 7。
蒸汽消毒鍋：分子生物學(xué)所用大部分試劑，而且實驗用具都應(yīng)嚴(yán)格消毒滅菌。用于小批量物品的隨時消毒。
大批實驗物品、試劑、培養(yǎng)基可使用大型消毒且定時進行消毒。 8。
濾器濾膜：不耐高溫、高壓的試劑用其處菌。 9。
各種天平：臺秤、精密電子分析天平，用于精確稱量各類試劑。 10。
液體體積的度量：量筒、移液管、微量取液器、刻度試管、燒杯、錐形瓶等。 11。
pH計：測定溶液中H 的直接電位的儀器，主要通過一對電極，在不同的pH溶液中產(chǎn)生不同的電動勢用pH值表示出來； pH試紙：只適用于培養(yǎng)液、酚飽和液、緩沖液或其它試劑溶液的pH值的粗略估計。 而大部分試劑的配制要求嚴(yán)格的pH值，需精確度高（小數(shù)點后兩位）的pH計。
12。分光光度計：光密度、分光光度計是利用物質(zhì)在可見光和紫外線區(qū)域中的吸收光譜來鑒定該物質(zhì)的性質(zhì)及其含量的一種儀器。
它是由光源、單色器、吸收池、接收器、測量儀表或顯示屏幕所組成。 OD值是許多溶液中溶質(zhì)定量的方便指標(biāo)之一，通過所產(chǎn)生的單色光而測定某一溶液對該單色光的吸收值，利用它可進行核酸溶液定量和純度的初步判斷。
OD值也可以作為菌濃的檢測指標(biāo)。 13。
高速離心機：最大轉(zhuǎn)速25000r/m，最大離心力89000g。 有冷凍和常溫兩種，多用于制備和手收集微生物、細胞碎片、細胞、大的細胞器、硫酸銨沉淀物以及免疫沉淀物等。
14。超凈工作臺：內(nèi)有紫外燈、照明燈、還應(yīng)有酒精燈火焰、75%乙醇等滅菌的設(shè)備，是一種提供局部潔凈度的設(shè)備。
其原理是鼓風(fēng)機驅(qū)動空氣，經(jīng)過低、中效的過濾器后，通過工作臺面，使實驗操作區(qū)域成為無菌的環(huán)境。 15。
電泳系統(tǒng)：電泳技術(shù)是檢測、鑒定各種生物大分子的純度、含量及描述它們的特征，甚至還是分離、純化、回收和濃縮樣品的工具之一。 電泳系統(tǒng)分為電源和電泳槽，電源需經(jīng)穩(wěn)流通過穩(wěn)壓器，既能提供穩(wěn)定的直流電，又能輸出穩(wěn)定的電壓；水平式電泳槽：一般分為微型電泳槽和大號水平式電泳槽 16。
PCR儀：儀，也稱DNA熱循環(huán)儀，基因擴增儀，它是使一對寡核苷酸引物結(jié)合到正負DNA鏈上的靶序列兩側(cè)，從而酶促合成拷貝數(shù)百萬倍的靶序列DNA片段，它的每一循環(huán)包括在三種不同溫度進行的DNA變性，引物復(fù)性，DNA聚合酶催化的延伸反應(yīng)三個過程。 需要說明的是，有些實驗室可能還需要梯度PCR儀或?qū)嵤露繜晒釶CR儀來進行一些特殊的分子生物學(xué)實驗。
17。凝膠成像分析系統(tǒng)：對電泳后含溴乙錠（EB）核酸樣品的觀察分析。
18。其他設(shè)備 （1）微波爐：便于一些溶液的快速加熱和定溫加熱，電泳瓊脂糖凝膠配制、溶化等。
（ 2）制冰機：用于制造大多數(shù)核酸、蛋白質(zhì)的實驗操作所需的低溫環(huán)境，以減少核酸酶或蛋白質(zhì)酶的水解。 （3）層析裝置：（色譜分離）是一種分離多組分混合物的有效物理方法。
真空印記系統(tǒng)，DNA合成/測序儀：這些都是對核酸進行深入研究的必備儀器。 （4）磁力攪拌器：多角度旋轉(zhuǎn)混勻器、快速振蕩混合器：用于混合儀器。
（5）組織勻漿器：超聲組織及細胞破碎器，用其進行樣品的分離提純實驗。 （6）通風(fēng)櫥：很多溶劑能逸出毒氣，必備柜，放射性試驗還要有有機玻璃屏蔽。
（7）玻璃蒸餾器、電熱加帽、變壓器：用于酚等有機溶劑的蒸餾。 （8 ）Tip頭、Eppendorf管：微管移液器tip頭（吸液尖）、Eppendorf管（微量離心管）可洗滌，硅化消毒后反復(fù)使用。
對一些要求嚴(yán)格的實驗，如RNA的提取、保存等操作，應(yīng)使用新的消毒tip頭與Eppendorf管。另外還應(yīng)備有常用規(guī)格的離心管（1000ml、500ml、。
4.分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容有哪些
分子生物學(xué)分子生物學(xué)主要包含以下三部分研究內(nèi)容：1。
核酸的分子生物學(xué)核酸的分子生物學(xué)研究核酸的結(jié)構(gòu)及其功能。由于核酸的主要作用是攜帶和傳遞遺傳信息，因此分子遺傳學(xué)（moleculargenetics）是其主要組成部分。
由于50年代以來的迅速發(fā)展，該領(lǐng)域已形成了比較完整的理論體系和研究技術(shù)，是目前分子生物學(xué)內(nèi)容最豐富的一個領(lǐng)域。 研究內(nèi)容包括核酸/基因組的結(jié)構(gòu)、遺傳信息的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與翻譯，核酸存儲的信息修復(fù)與突變，基因表達調(diào)控和基因工程技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用等。
遺傳信息傳遞的中心法則（centraldogma）是其理論體系的核心。2。
蛋白質(zhì)的分子生物學(xué)分子生物學(xué)蛋白質(zhì)的分子生物學(xué)研究執(zhí)行各種生命功能的主要大分子──蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。 盡管人類對蛋白質(zhì)的研究比對核酸研究的歷史要長得多，但由于其研究難度較大，與核酸分子生物學(xué)相比發(fā)展較慢。
近年來雖然在認識蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其與功能關(guān)系方面取得了一些進展，但是對其基本規(guī)律的認識尚缺乏突破性的進展。3。
細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子生物學(xué)分子生物學(xué)細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子生物學(xué)研究細胞內(nèi)、細胞間信息傳遞的分子基礎(chǔ)。 構(gòu)成生物體的每一個細胞的分裂與分化及其它各種功能的完成均依賴于外界環(huán)境所賦予的各種指示信號。
在這些外源信號的刺激下，細胞可以將這些信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗械纳锘瘜W(xué)變化，例如蛋白質(zhì)構(gòu)象的轉(zhuǎn)變、蛋白質(zhì)分子的磷酸化以及蛋白與蛋白相互作用的變化等，從而使其增殖、分化及分泌狀態(tài)等發(fā)生改變以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的需要。 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的目標(biāo)是闡明這些變化的分子機理，明確每一種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與傳遞的途徑及參與該途徑的所有分子的作用和調(diào)節(jié)方式以及認識各種途徑間的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。
信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機理的研究在理論和技術(shù)方面與上述核酸及蛋白質(zhì)分子有著緊密的聯(lián)系，是當(dāng)前分子生物學(xué)發(fā)展最迅速的領(lǐng)域之一。
