分子生物学第一章绪论课件
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分子生物学课件 1.绪论
分子生物学 Molecular Biology
主讲：徐庆华 东北农业大学 成栋学院
Welcome Each of you to Molecular Biology Class
先修课程： • 生物化学（Biochemistry） • 细胞生物学（Cell Biology） • 遗传学（Genetics）
分子生物学是从分子水平研究生命 本质的一门新兴的学科，是研究核酸、 蛋白质等生物大分子的结构与功能， 并从分子水平阐述蛋白质与核酸、蛋 白与蛋白之间相互作用的关系及其基 因表达调控机理的学科。
分子生物学是当前生命科 学中发展最快并正与其他 学科广泛交叉、渗透的重 要前沿领域。
分子生物学(molecular biology) 研究核酸和蛋白质等生物大分子的结 构及其在遗传信息和细胞信息传递中功能 的一门新兴学科。
1.3.4 研究方法
In study method
●分子生物学是以化学和物理的方法研究大
分子结构，采用生物化学与遗传学相结合
的方法探索其功能并解决大分子结构与功
能及其代谢调节的关系。
◆生物化学主要采用生物化学与化学以及生 理学的方法，探索生命的化学过程，解决 分子转化与能量转换的问题。
1.4 分子生物学简史
• Anti-parallel
• Complementary
• Double-helix
Just for this discovery ,in 1962, Francis Crick won the Nobel Prize jointly with James Watson and Maurice Wilkins,and it makes a new branch subject——Molecular Biology. Just for this discovery, Life science entered a new era . It’s a new milestone in the history of life science.
主讲：徐庆华 东北农业大学 成栋学院
Welcome Each of you to Molecular Biology Class
先修课程： • 生物化学（Biochemistry） • 细胞生物学（Cell Biology） • 遗传学（Genetics）
分子生物学是从分子水平研究生命 本质的一门新兴的学科，是研究核酸、 蛋白质等生物大分子的结构与功能， 并从分子水平阐述蛋白质与核酸、蛋 白与蛋白之间相互作用的关系及其基 因表达调控机理的学科。
分子生物学是当前生命科 学中发展最快并正与其他 学科广泛交叉、渗透的重 要前沿领域。
分子生物学(molecular biology) 研究核酸和蛋白质等生物大分子的结 构及其在遗传信息和细胞信息传递中功能 的一门新兴学科。
1.3.4 研究方法
In study method
●分子生物学是以化学和物理的方法研究大
分子结构，采用生物化学与遗传学相结合
的方法探索其功能并解决大分子结构与功
能及其代谢调节的关系。
◆生物化学主要采用生物化学与化学以及生 理学的方法，探索生命的化学过程，解决 分子转化与能量转换的问题。
1.4 分子生物学简史
• Anti-parallel
• Complementary
• Double-helix
Just for this discovery ,in 1962, Francis Crick won the Nobel Prize jointly with James Watson and Maurice Wilkins,and it makes a new branch subject——Molecular Biology. Just for this discovery, Life science entered a new era . It’s a new milestone in the history of life science.
分子生物学--绪论 ppt课件
• 第二个实验室是加州理工学院的大化学家 莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)实验室。在此 之前，鲍林已发现了蛋白质的α螺旋结构。
• 第三个则是个非正式的研究小组，沃森到 剑桥大学做博士后时，虽然其真实意图是 要研究DNA分子结构，挂着的课题项目却 是研究烟草花叶病毒。比他年长12岁的克 里克当时正在做博士论文，论文题目是 “多肽和蛋白质：X射线研究”。
• 在同一期Nature上，还发表了弗兰克林和威尔金 斯的两篇论文，以实验报告和数据分析支持了沃 森、克里克的论文。
威尔金斯(Maurice Wilkins 1916~2004) 英国物理 学家，剑桥大学
弗兰克林（Rosalind Franklin 1920~1958）英国 物理学家，剑桥大学 分辨出了DNA的两种构型，并成功地拍摄了它 的X射线衍射照片。
分子生物学
主要内容
• 分子生物学的开端 • 生物大分子 • DNA的复制和修复 • 转录 • 翻译 • 分子生物学的研究方法
第一章 分子生物学的开端
内容提要 • 分子生物学开端的标志事件 • 证明DNA就是遗传物质的主要历史事件 • 分子生物学的学科特征
问题1：
科学史上哪些事件和分子生物学的诞生 关系密切？
• 1951年，23岁的生物学博士沃森来到卡文迪什实 验室做博后。到剑桥之前，曾经做过用同位素标 记追踪噬菌体DNA的实验，坚信DNA就是遗传物 质。
关于卡文迪什实验室
• 素以世界物理学家的圣地“麦加”和培养人才的 “苗圃”著称的英国剑桥大学卡文迪什实验室， 由于面向世界广揽优秀的科学人才，在放射性、 原子物理、核物理、分子生物学、射电天文学和 凝聚态物理等方面，取得了大量举世关注的重大 成就。
• 第一个学说是“序列假说”，它认为一段核酸的 特殊性完全由它的碱基序列所决定，碱基序列编 码一个特定蛋白质的氨基酸序列，蛋白质的氨基 酸序列决定了蛋白质的三维结构。
分子生物学 绪论 1
绪论一、医学分子生物学的概念分子生物学（molecular biology）是在分子水平研究生命现象的科学，以研究生命现象的本质为目的，通过对生物大分子核酸、蛋白质等结构、功能及相互作用等的研究来阐明生命的分子基础，探讨生命的奥秘。
医学分子生物学是利用分子生物学的理论与技术，从分子水平研究疾病的发生发展机制，疾病的预测与风险评价，疾病的临床诊断与治疗，疾病的预防与控制的科学。
目前，分子生物学是生命科学中发展最快的领域，并且与诸多学科有着广泛的交叉与渗透，它是生命科学的前沿学科。
二、医学分子生物学研究内容医学分子生物学研究的主要内容有：①生物大分子的结构与功能及分子间的相互作用。
主要研究核酸、蛋白质、酶的结构与功能及蛋白质与蛋白质、核酸与核酸、核酸与蛋白质、核酸与其它生物大分子之间的相互作用。
②基因与基因组。
③遗传信息的传递、表达与调控。
④细胞的增殖与分化：包括癌基因与抑癌基因、肽类生长因子、细胞周期及其调控的分子机理等。
⑤细胞通讯与细胞内信号传导。
⑥分子生物学技术：主要包括分子杂交技术、聚合酶链反应技术、基因工程与蛋白质工程等。
⑦基因与疾病。
⑧基因诊断与基因治疗。
三、分子生物学的发展史分子生物学的重大发现构成了分子生物学的发展历程。
尤其是20世纪50年代，Watson 和Crick提出的DNA双螺旋结构，标志着现代分子生物学的兴起，为揭开人类生命现象的本质，探究疾病现象，实现个性化医学奠定了基础。
1944年，Oswald T. Avery等进行了肺炎双球菌转化实验，证明了遗传物质是DNA。
1953年，Watson和Crick发现了DNA的二级结构—双螺旋结构。
1954年，Crick提出了遗传信息传递的“中心法则”。
1958年，Meselson和Stahl用实验证实了DNA半保留复制模型。
1967年，在大肠杆菌中发现了DNA连接酶。
1969年，Pardue和John等用放射性标记DNA或28S RNA发明了原位杂交技术（ISH）。
分子生物学 第一章 绪论 PPT课件
Friedrich Miescher (1844-1895)
1869年 法国的米歇尔从白细胞核中分离出DNA
1879年
德国生物学家弗莱明发现细胞核内的染色体 1903年
Wilhelm Ludwig Johannsen 1857～1927
美国细胞学家萨顿提出了遗传的染色体学说
1909年
丹麦生物学家约翰逊创造了基因（gene）一词
解决可能引发的伦理,法律和社会问题
物种 DNA数量
HBV 3.2kb
噬菌体 49kb
大肠杆 4000kb
酵母 17000kb
果蝇 164000kb
人 3000000kb
分级鸟枪测序法
基因组DNA细菌人工染色体 DNA克隆的排序（物理作图）
分段测序
随机打断后克隆 DNA测序
DNA序列的组装
基因组测序 的一般流程
诺贝尔生理和医学奖
诺贝尔生理和医学奖
诺贝尔化学奖 诺贝尔生理和医学奖
1975年 D.Baltimore 逆转录酶，DNA病毒
诺贝尔生理和医学奖
H.M.Temin
R.Dolbeco
1978年 W.Arber
DNA限制性内切酶
诺贝尔生理和医学奖
D.Nathens
H.O.Smith
1980年 P.Berg
1994 Transgenic tomatoes sold in the shops
Two methods of producing transgenic mice
转基因 动物的 一般制 备过 程。
转基因动 物的一般 制备过程 （续）。
1988 Transgenic sheep
1989 a transgenic pig
现代分子生物学第一章 绪论 PPT课件
25
序列图：核苷酸组成的序列图。
一般说来，“基因组学”主要解决的问题是基因组的 “结构”，即上述4张结构图，目前，HGP已经初步完 成，并由“结构”向“功能”转移，即：“后基因组学” (post-genomics)。
26
（四）后基因组学大致包含下述内容 1. 人类基因的识别和鉴定 2. 基因功能信息的提取和鉴定 1) 人类基因突变体的系统鉴定 2) 基因表达图谱的绘制 3) “基因改变一功能改变”的鉴定 4) 蛋白质水平，修饰状态和相互作用的探测 3. 基因表达的调控 4. 信号传导
论文6000～8000篇，平均篇/10.8秒问世。 （二）人类科技知识，19世纪是每50年增加1倍，当前是 每
3～5年增加1倍。工程师知识半衰期是5年。
3
（三）1973年，Cohen Group利用重组DNA技术第一 次实现了细菌遗传性状转移（terr+NerSr→terrNer）, 导致 了基因工程技术诞生。至今不到30年，人类已 拥有克隆羊、克隆猪……的技术，可以复制1个生命 体。
5
（三）当代科学技发展有2种形式：一是突破，二是融 合。突破是线性的，即从研究开发新一代科技成果取 代原有一代的科技成果。融合是非线性的，即混合原 有不同领域科技，进而发展新产品，造成革命性市场， 它们是互补和合作的结果。
（四）基因工程技术既是突破，也是融合，既是科学，
也是技术。它们是分子生物学，生物化学，遗传学、
7
二、分子生物学与其它学科的交叉
生命过程是一个多层次、连续的整合过程。基因和分子 研究是认识生命过程的深入层次，这个层次的研究结果对 于基因后生命现象如生理表现，病理表现，病生理表现， 具有重要意义。
生命科学中一些最重要的课题需要分子生物学渗入， 如细胞生长、分化、衰老，凋亡，个体发育和神经活动等 研究。分子生物学与这些研究活动结合在一起，形成新的 生长点和新的边缘学科，较为突出的者有：
序列图：核苷酸组成的序列图。
一般说来，“基因组学”主要解决的问题是基因组的 “结构”，即上述4张结构图，目前，HGP已经初步完 成，并由“结构”向“功能”转移，即：“后基因组学” (post-genomics)。
26
（四）后基因组学大致包含下述内容 1. 人类基因的识别和鉴定 2. 基因功能信息的提取和鉴定 1) 人类基因突变体的系统鉴定 2) 基因表达图谱的绘制 3) “基因改变一功能改变”的鉴定 4) 蛋白质水平，修饰状态和相互作用的探测 3. 基因表达的调控 4. 信号传导
论文6000～8000篇，平均篇/10.8秒问世。 （二）人类科技知识，19世纪是每50年增加1倍，当前是 每
3～5年增加1倍。工程师知识半衰期是5年。
3
（三）1973年，Cohen Group利用重组DNA技术第一 次实现了细菌遗传性状转移（terr+NerSr→terrNer）, 导致 了基因工程技术诞生。至今不到30年，人类已 拥有克隆羊、克隆猪……的技术，可以复制1个生命 体。
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（三）当代科学技发展有2种形式：一是突破，二是融 合。突破是线性的，即从研究开发新一代科技成果取 代原有一代的科技成果。融合是非线性的，即混合原 有不同领域科技，进而发展新产品，造成革命性市场， 它们是互补和合作的结果。
（四）基因工程技术既是突破，也是融合，既是科学，
也是技术。它们是分子生物学，生物化学，遗传学、
7
二、分子生物学与其它学科的交叉
生命过程是一个多层次、连续的整合过程。基因和分子 研究是认识生命过程的深入层次，这个层次的研究结果对 于基因后生命现象如生理表现，病理表现，病生理表现， 具有重要意义。
生命科学中一些最重要的课题需要分子生物学渗入， 如细胞生长、分化、衰老，凋亡，个体发育和神经活动等 研究。分子生物学与这些研究活动结合在一起，形成新的 生长点和新的边缘学科，较为突出的者有：
分子生物学第一章绪论
1994年 A.Gliman
信号传导和G-蛋白
诺贝尔生理和医学奖
M.Rodbell
1995年 E.B.Lewis, C基因和果蝇突变关系探讨 诺贝尔生理和医学奖
Nusslein-Volhard，
E.Wieschaus
教学ppt
19
（一）理论上的三大发现
1. 40年代，发现了生物遗传物质的化学本质是DNA 2. 50年代，Walson-crick提出了DNA结构的双螺旋模
四、分子生物学与其他学科的关系
教学ppt
3
教学重点： 1、分子生物学的含义 2、分子生物学的主要研究内容 教学难点：
1、分子生物学含义的理解
教学ppt
4
一、分子生物学的基本含义
1、定义 从分子水平研究生命本质的一门新兴边缘学科
2、主要任务 阐明生物大分子的结构及结构与功能的关系
3、研究对象 核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传 信息和细胞信息传递中的作用
型，搞清楚了生物遗传的分子机制 3. 60年代，确定了遗传信息的传递方式：
DNA→RNA→protein
教学ppt
20
1.DNA is the genetic material
教学ppt
21
DNA is the genetic material
契马克 澳大利亚
德弗里斯 荷兰
教学ppt
柯灵斯 德国
11
Friedrich Miescher (1844-1895)
1869年 法国的米歇尔从白细胞核中分离出DNA
1879年 德国生物学家弗莱明发现细胞核内的染色体
1903年 美国细胞学家萨顿提出了遗传的染色体学说
Wilhelm Ludwig Johannsen 1857～1927
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1982年 A.Klug
核酸蛋白复合体
诺贝尔化学奖
1986年 R.L.Montalcini
生长因子
诺贝尔生理和医学奖
S.Cohen
1988年 G.Eline
抗DNA合成类药物
诺贝尔生理和医学奖
G.Hitchigns
1989年 J.M.Bishop
癌基因学说
诺贝尔生理和医学奖
H.E.armans
T.CachRNA
德弗里斯 荷兰
柯灵斯 德国
Friedrich Miescher (1844-1895)
1869年 法国的米歇尔从白细胞核中分离出DNA
1879年
德国生物学家弗莱明发现细胞核内的染色体 1903年
Wilhelm Ludwig Johannsen 1857～1927
美国细胞学家萨顿提出了遗传的染色体学说
分子生物学第一章绪论课件
•
4、分子生物学的主要研究内容
• 核酸的分子生物学 分离克隆基因 （clone） 确定基因的结构 (structure)
基因的功能研究 (function)
生化功能 生理功能 基因表达调控研究 (express control) • 蛋白质的分子生物学 • 细胞信号转导的分子生物学
二、分子生物学发展简史
1.准备和酝酿阶段 蛋白质 DNA
2.建立和发展阶段 中心法则 蛋白质结构与功能
3.深入发展阶段 重组DNA技术 基因组研究 基因表达调控 细胞信号转导
分离定律 自由组合定律 遗传因子学说
(1822 -
1884)
孟德尔分离律图示
“重新发现”孟德尔遗传定律
契马克 澳大利亚
DNA→RNA→protein
1.DNA is the genetic material
DNA is the genetic material
The genetic material of phage T2 is DNA.
2.DNA is a double helix
DNA is a double helix
1909年
丹麦生物学家约翰逊创造了基因（gene）一词
Thomas Hunt Morgan 1866～1945
1910年创立遗传的染色体理论
2
1913年 A.H.Stutervant提出以交换值作为染色体上基因相对距离的想法 1927年 美国遗传学家缪勒发现X射线照射可人工诱使遗传基因发生突变
1902-1992
❖ 基因的剪刀——限制性内切酶 ❖ 基因的针线——DNA连接酶 ❖ 基因的车子——载体 ❖ 逆转录酶
限制性内切酶
• 能识别双链DNA中特定碱基顺序的核酸水解酶 • 大都从原核生物中发现提取的 • 以内切方式水解核酸链中磷酸二酯键 5’-P 3’-OH • 分类：
Ⅰ型:复合功能酶,兼有修饰、切割两种特性，识别位点 和切割位点不一致，不能形成特异片段。
1966 Marshall Nirenberg & Har Gobind Khorana 1970 Hamilton Smith 1972 Paul Berg 1973 Herbert Boyer & Stanley Cohen 1977 Walter Gilbert and Frederick Sanger 1977 Phillip Sharp, Richard Roberts
……
三十三年来有关分子生物学诺贝尔获奖名单
年份 获奖者
内容
所获的诺贝尔奖
1962年 J.D.Wasten，
DNA双螺旋结构
诺贝尔生理和医学奖
H.C.Click
1965年 F.Jacob
基因调控乳糖操纵子
诺贝尔生理和医学奖
J.L.Monod
1966年 F.P.Rous
病毒致癌学说
诺贝尔生理和医学奖
1968年 R.W.Holley
3.The central dogma
定向基因改造设想
设想一 能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？
设想二 能否让细菌“吐出”蚕丝？
设想三
能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵 的药物？
经过多年的努力，科学家于20世纪70年代创立了 可以定向改造生物的新技术——基因工程。
（二）技术上的四大发明
诺贝尔生理和医学奖
G.E.Palade
1975年 D.Baltimore 逆转录酶，DNA病毒
诺贝尔生理和医学奖
H.M.Temin
R.Dolbeco
1978年 W.Arber
DNA限制性内切酶
诺贝尔生理和医学奖
D.Nathens
H.O.Smith
1980年 P.Berg
重组 DNA
诺贝尔化学奖
W.Gilbert DNA顺序分析
1931 Barbara McClintock和 Harriet Creighton : 染色体重组
1941 George Beadle 和E. L. Tatum：一基因一酶学说
1944 Oswald Avery 1953 James Watson and Francis Crick 1958 Matthew Meselson and Franklin Stahl 1961 Sidney Brenner, François Jacob & Matthew Meselson
2019年 E.B.Lewis, C基因和果蝇突变关系探讨 诺贝尔生理和医学奖
Nusslein-Volhard，
E.Wieschaus
（一）理论上的三大发现
1. 40年代，发现了生物遗传物质的化学本质是DNA 2. 50年代，Walson-crick提出了DNA结构的双螺旋模
型，搞清楚了生物遗传的分子机制 3. 60年代，确定了遗传信息的传递方式：
酶催化活性
诺贝尔化学奖
S.Altman(Ribozyme)
1993年 R.Roberts，
断裂基因
诺贝尔生理和医学奖
P.sharp
K.B.Mullis
PCR仪
诺贝尔化学奖
M.Smith
寡聚核苷酸介导基因突变法 诺贝尔化学奖
1994年 A.Gliman
信号传导和G-蛋白
诺贝尔生理和医学奖
M.Rodbell
核糖核酸中心法则
诺贝尔生理和医学奖
H.G.Khorana
M.W.Nurenberg
1969年 M.Delbruck
噬菌体基因研究
诺贝尔生理和医学奖
A.D.Hershey
S.E.Luria
1972年 S.Moore
核糖核酸三维结构
诺贝尔化学奖
W.H.Stein
1974年 A.Claude
分离细胞发现RNA病毒