分子生物学与生物化学课件

分子生物学与生物化学导论课程概述和学习目标课程概述学习目标本课程涵盖分子生物学与生物化学的核心内容，包括生物大分子的结构与功能、酶的作用机制、代谢途径、复制、DNA转录、翻译以及基因表达调控我们将结合课堂讲授、实验操作和文献阅读，帮助大家全面理解分子生物学与生物化学的基本原理和应用分子生物学与生物化学的历史发展早期探索1世纪末至世纪初，科学家们开始研究细胞的化学组成和代谢过程，为1920分子生物学与生物化学的发展奠定了基础例如，米歇尔发现核酸，费歇尔研究蛋白质的结构重要突破2世纪中叶，沃森和克里克发现双螺旋结构，标志着分子生物学的诞20DNA生此后，科学家们陆续揭示了复制、转录、翻译的分子机制，为基DNA因工程的发展奠定了基础快速发展3生物大分子概述蛋白质核酸12蛋白质是生命活动的主要承担者，具有多种功能，如催化、运输、核酸是遗传信息的携带者，包括和储存遗传信DNA RNA DNA免疫、结构支持等蛋白质由氨基酸组成，通过肽键连接形成多息，参与蛋白质的合成核酸由核苷酸组成，通过磷酸二酯RNA肽链键连接形成多核苷酸链碳水化合物脂质34碳水化合物是细胞的主要能源物质，也参与细胞结构的组成碳脂质是细胞膜的主要成分，也具有储存能量、参与信号转导等功水化合物包括单糖、二糖和多糖葡萄糖是细胞最常用的能源物能脂质包括脂肪、磷脂、胆固醇等脂肪酸是脂质的基本组成质单位氨基酸的结构与性质氨基酸的结构氨基酸的分类氨基酸的性质氨基酸是组成蛋白质的基本单位，具有根据侧链基团的性质，氨基酸可分为氨基酸具有两性电离的性质，可以作为R共同的结构一个氨基、一个羧基、一非极性氨基酸、极性非带电氨基酸、酸酸或碱参与反应氨基酸的光学异构性个氢原子和一个侧链基团连接到同一性氨基酸和碱性氨基酸不同类型的氨也是蛋白质结构的重要特征只有R L-个碳原子上侧链基团决定了氨基基酸在蛋白质的结构和功能中发挥不同型氨基酸参与蛋白质的组成α-R酸的性质的作用蛋白质的一级结构肽键氨基酸之间通过肽键连接形成多肽链肽键是连接一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基的酰胺键肽键的形成伴随着水的释放氨基酸序列蛋白质的一级结构是指多肽链中氨基酸的排列顺序氨基酸序列决定了蛋白质的性质和功能不同的蛋白质具有不同的氨基酸序列一级结构的测定蛋白质的一级结构可以通过降解法或质谱法测定Edman降解法通过逐步去除端氨基酸并鉴定来测定氨基酸序Edman N列质谱法通过测量多肽链的质量来推断氨基酸序列蛋白质的二级结构螺旋折叠αβ螺旋是一种常见的蛋白质二级折叠是另一种常见的蛋白质二αβ结构，多肽链呈螺旋状，氨基酸级结构，多肽链呈折叠状，氨基残基的侧链向外伸展螺旋的酸残基的侧链交替向上或向下伸α形成依赖于链内氢键的稳定作展折叠可以是平行的或反平β用行的转角β转角是连接螺旋和折叠的短链结构，通常由四个氨基酸残基组成βαββ转角可以改变多肽链的方向，使其能够折叠成紧密的结构蛋白质的三级结构氢键极性氨基酸残基之间可以形成氢键，2稳定蛋白质的结构氢键可以存在于疏水相互作用多肽链内或多肽链之间非极性氨基酸残基倾向于聚集在蛋白质的内部，形成疏水核心，从而稳定1蛋白质的结构疏水相互作用是蛋白二硫键质折叠的重要驱动力半胱氨酸残基之间可以形成二硫键，稳定蛋白质的结构二硫键是共价3键，比氢键和疏水相互作用更强蛋白质的四级结构亚基相互作用例子蛋白质的四级结构是指由多个亚基组成亚基之间通过非共价键相互作用，形成血红蛋白、免疫球蛋白和病毒外壳蛋白的蛋白质的结构亚基可以是相同的或稳定的蛋白质复合物亚基之间的相互是具有四级结构的蛋白质的例子四级不同的多肽链每个亚基具有自己的三作用可以调节蛋白质的功能例如，血结构对于蛋白质的功能至关重要，例级结构红蛋白由四个亚基组成，氧气结合可以如，血红蛋白需要四个亚基协同作用才改变亚基之间的相互作用，从而提高氧能有效地运输氧气气的亲和力核酸的化学组成核苷酸含氮碱基12核酸的基本组成单位是核核酸中包含五种含氮碱苷酸每个核苷酸由一个基腺嘌呤（）、鸟嘌呤A磷酸基团、一个戊糖和一（）、胞嘧啶（）、胸G C个含氮碱基组成戊糖可腺嘧啶（）和尿嘧啶T以是核糖（）或脱氧（）中包含、RNA UDNA A核糖（）、、，中包含DNA G C TRNA、、、A GC U磷酸二酯键3核苷酸之间通过磷酸二酯键连接形成多核苷酸链磷酸二酯键连接一个核苷酸的戊糖的碳原子和另一个核苷酸的磷酸基团3的双螺旋结构DNA双螺旋是由两条多核苷酸链组成的双螺旋结构两条链反DNA向平行，即一条链的端与另一条链的端相对53碱基配对中，腺嘌呤（）与胸腺嘧啶（）配对，鸟嘌呤DNA AT（）与胞嘧啶（）配对碱基配对通过氢键实现GC之间形成两个氢键，之间形成三个氢键A-T G-C稳定性双螺旋结构的稳定依赖于碱基配对和堆积作用碱DNA基堆积作用是指碱基之间的范德华力相互作用，可以进一步稳定结构DNA的类型和结构RNAmRNA tRNA是信使，携带遗传是转运，负责将氨基mRNA RNAtRNA RNA信息从到核糖体，指导蛋酸转运到核糖体，参与蛋白质的DNA白质的合成的序列与合成每个分子可以携带mRNA tRNA的编码链相同，只是将胸特定的氨基酸，并识别上DNA mRNA腺嘧啶（）替换为尿嘧啶的特定密码子T（）UrRNA是核糖体，是核糖体的主要组成成分在蛋白质的合rRNA RNArRNA成中起重要作用，例如，催化肽键的形成碳水化合物的分类和结构单糖二糖多糖单糖是碳水化合物的基本组成单位，例二糖是由两个单糖分子组成的碳水化合多糖是由多个单糖分子组成的碳水化合如，葡萄糖、果糖和半乳糖葡萄糖是物，例如，蔗糖、乳糖和麦芽糖蔗糖物，例如，淀粉、糖原和纤维素淀粉细胞最常用的能源物质果糖存在于水由葡萄糖和果糖组成乳糖由葡萄糖和是植物的储能物质糖原是动物的储能果和蜂蜜中半乳糖是乳糖的组成成半乳糖组成麦芽糖由两个葡萄糖分子物质纤维素是植物细胞壁的主要成分组成分脂质的分类和结构脂肪磷脂12脂肪是由甘油和三个脂肪磷脂是由甘油、两个脂肪酸分子组成的酯脂肪是酸分子和一个磷酸基团组细胞的主要储能物质脂成的酯磷脂是细胞膜的肪酸可以是饱和的或不饱主要成分磷酸基团可以和的饱和脂肪酸不含双是带电荷的，例如，磷酸键，不饱和脂肪酸含有一胆碱个或多个双键胆固醇3胆固醇是一种环状脂质，存在于动物细胞膜中胆固醇可以调节细胞膜的流动性胆固醇也是合成类固醇激素的前体酶的概念和特性酶的概念1酶是生物催化剂，可以加速生物化学反应的速度酶本质上是蛋白质，具有高度的特异性每种酶只能催化特定的反应或一类反应酶的特性2酶具有高度的催化效率、特异性和调节性酶可以显著降低反应的活化能，从而加速反应的速度酶可以通过多种机制进行调节，例如，底物浓度、产物浓度、值、温度和调节分子pH酶的分类3根据催化反应的类型，酶可以分为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和连接酶每种酶催化特定类型的反应酶的作用机制催化反应酶通过多种机制催化反应，例如，酸2碱催化、共价催化、金属离子催化和底物结合邻近效应酶可以稳定过渡态，从而酶与底物结合形成酶底物复合物降低反应的活化能-1酶的活性位点是与底物结合的区域活性位点具有特定的结构，可以与特产物释放定的底物结合反应完成后，酶释放产物，恢复到原始状态酶可以继续催化新的反应3酶的催化循环是一个重复的过程酶动力学米氏方程和酶抑制Vmax Km米氏方程描述了酶催化反应的速度与底是酶在饱和底物浓度下的最大反酶抑制剂可以降低酶的活性酶抑制剂Vmax物浓度之间的关系米氏方程包含两个应速度是酶达到一半时的可以是竞争性的或非竞争性的竞争性Km Vmax重要的参数最大反应速度（）底物浓度反映了酶与底物之间的抑制剂与底物竞争结合活性位点非竞Vmax Km和米氏常数（）亲和力越小，酶与底物之间的亲争性抑制剂结合到酶的另一个位点，改Km Km和力越高变酶的构象酶的调节别构调节共价修饰别构调节是指调节分子结合到酶共价修饰是指通过共价键连接化的别构位点，改变酶的构象和活学基团到酶上，改变酶的活性性别构调节可以是激活或抑常见的共价修饰包括磷酸化、乙制别构调节是细胞调控代谢途酰化和甲基化共价修饰是细胞径的重要机制调控代谢途径的另一种重要机制蛋白酶水解蛋白酶水解是指蛋白酶切割酶，使其失活蛋白酶水解是一种不可逆的调节机制蛋白酶水解可以用于快速关闭不需要的代谢途径代谢概述代谢代谢途径能量货币代谢是指细胞内所有化学反应的总和代代谢途径是一系列连续的酶催化反应代是细胞的能量货币水解释放能ATP ATP谢包括合成代谢和分解代谢合成代谢是谢途径可以分解或合成特定的分子代谢量，驱动细胞内的各种反应由腺嘌ATP指合成复杂分子的过程，需要消耗能量途径通常由多个酶催化反应组成每个酶呤、核糖和三个磷酸基团组成可以ATP分解代谢是指分解复杂分子的过程，释放催化反应产生一个中间产物，作为下一个被水解成和无机磷酸，释放能量ADP能量酶催化反应的底物糖酵解途径过程步骤调控糖酵解途径是将葡萄糖分解为丙酮酸的糖酵解途径包括十个酶催化反应每个糖酵解途径受到多种因素的调节，例过程糖酵解途径发生在细胞质中，不酶催化反应产生一个中间产物，作为下如，浓度、浓度和柠檬酸浓ATP AMP需要氧气糖酵解途径产生少量一个酶催化反应的底物糖酵解途径可度高浓度抑制糖酵解途径高ATP ATP和以分为两个阶段能量消耗阶段和能量浓度激活糖酵解途径高柠檬酸NADH AMP产生阶段浓度抑制糖酵解途径柠檬酸循环过程步骤12柠檬酸循环是将丙酮酸氧柠檬酸循环包括八个酶催化为二氧化碳的过程柠化反应每个酶催化反应檬酸循环发生在线粒体基产生一个中间产物，作为质中，需要氧气柠檬酸下一个酶催化反应的底循环产生少量、物柠檬酸循环的第一个ATP和反应是乙酰辅酶与草酰乙NADH FADH2A酸结合，形成柠檬酸调控3柠檬酸循环受到多种因素的调节，例如，浓度、浓ATP ADP度、浓度和琥珀酰辅酶浓度高浓度抑制柠檬酸循NADH AATP环高浓度激活柠檬酸循环高浓度抑制柠檬酸循ADP NADH环高琥珀酰辅酶浓度抑制柠檬酸循环A电子传递链和氧化磷酸化电子传递链氧化磷酸化电子传递链是一系列蛋白质复合氧化磷酸化是利用质子梯度驱动物，位于线粒体内膜上电子传合成的过程质子通过ATP递链将和中的电合成酶从膜间隙流回线粒体NADH FADH2ATP子传递给氧气，释放能量电子基质，驱动合成氧化磷酸ATP传递链释放的能量用于将质子从化是细胞产生的主要方式ATP线粒体基质泵入膜间隙，形成质子梯度调控电子传递链和氧化磷酸化受到多种因素的调节，例如，浓度、ATP ADP浓度和氧气浓度高浓度抑制电子传递链和氧化磷酸化高浓ATP ADP度激活电子传递链和氧化磷酸化低氧气浓度抑制电子传递链和氧化磷酸化糖异生前体糖异生的前体包括丙酮酸、乳酸、甘油和氨基酸丙酮酸可以从糖酵解途径或乳酸循环产生乳酸可以从肌肉活动产生甘油可以过程调控从脂肪分解产生氨基酸可以从蛋白质分解产生糖异生是从非碳水化合物前体合成葡萄糖的糖异生受到多种因素的调节，例如，血糖水过程糖异生发生在肝脏和肾脏中糖异生平、胰岛素浓度和胰高血糖素浓度低血糖是维持血糖水平的重要途径糖异生需要消水平激活糖异生低胰岛素浓度激活糖异生耗能量高胰高血糖素浓度激活糖异生213糖原的合成与分解糖原合成糖原分解调控糖原合成是将葡萄糖合成糖原的过程糖原分解是将糖原分解为葡萄糖的过糖原合成和糖原分解受到多种因素的调糖原合成发生在肝脏和肌肉中糖原合程糖原分解发生在肝脏和肌肉中糖节，例如，血糖水平、胰岛素浓度和胰成是储存葡萄糖的重要途径糖原合成原分解是释放葡萄糖的重要途径糖原高血糖素浓度高血糖水平激活糖原合需要消耗能量分解不需要消耗能量成，抑制糖原分解高胰岛素浓度激活糖原合成，抑制糖原分解高胰高血糖素浓度抑制糖原合成，激活糖原分解脂肪酸的分解氧化β脂肪酸的分解是指脂肪酸氧化为乙酰辅酶的过程脂肪酸的分A解发生在线粒体基质中，需要氧气脂肪酸的分解产生大量、ATP和NADH FADH2步骤脂肪酸的分解包括四个步骤氧化、水合、氧化和裂解每个步骤产生一个中间产物，作为下一个步骤的底物脂肪酸的分解可以重复进行，直到脂肪酸完全氧化为乙酰辅酶A调控脂肪酸的分解受到多种因素的调节，例如，能量需求、激素水平和底物可用性高能量需求激活脂肪酸的分解高胰高血糖素浓度激活脂肪酸的分解高肉碱浓度激活脂肪酸的分解脂肪酸的合成过程步骤脂肪酸的合成是指从乙酰辅酶脂肪酸的合成包括多个步骤，每A合成脂肪酸的过程脂肪酸的合个步骤添加两个碳原子到脂肪酸成发生在细胞质中，需要链上脂肪酸合成的关键酶是脂脂肪酸的合成需要消肪酸合酶脂肪酸合酶是一个多NADPH耗能量脂肪酸的合成受到多种酶复合物，包含多个催化结构因素的调节，例如，能量需求、域激素水平和底物可用性调控高能量需求抑制脂肪酸的合成高胰岛素浓度激活脂肪酸的合成高柠檬酸浓度激活脂肪酸的合成高棕榈酰辅酶浓度抑制脂肪酸的合成A磷脂的代谢分解磷脂的分解是指将磷脂分解为甘油-磷酸和脂肪酸的过程磷脂的分解23-合成发生在溶酶体中磷脂的分解可以释放脂肪酸用于能量产生或信号转导磷脂的合成是指从甘油磷酸和脂-3-1肪酸合成磷脂的过程磷脂的合成发调控生在内质网上磷脂的合成需要消耗能量磷脂的代谢受到多种因素的调节，例如，细胞信号和能量需求细胞信号3可以激活或抑制磷脂的合成和分解高能量需求激活磷脂的分解胆固醇的代谢合成运输调控胆固醇的合成是指从乙酰辅酶合成胆胆固醇通过脂蛋白运输到全身脂蛋白胆固醇的代谢受到多种因素的调节，例A固醇的过程胆固醇的合成发生在细胞包括低密度脂蛋白（）和高密度脂如，饮食、激素和细胞信号高胆固醇LDL质和内质网上胆固醇的合成需要消耗蛋白（）将胆固醇运输到饮食抑制胆固醇的合成高胰岛素浓度HDL LDL能量组织将胆固醇运输到肝脏抑制胆固醇的合成细胞信号可以激活HDL或抑制胆固醇的合成和分解氨基酸的代谢分解合成12氨基酸的分解是指将氨基人体可以合成一部分氨基酸分解为酮酸和氨的过酸，称为非必需氨基酸α-程氨基酸的分解发生在人体不能合成的氨基酸称肝脏中氨是有毒的，需为必需氨基酸，需要从食要转化为尿素才能排出体物中获取氨基酸是蛋白外质合成的原料，也是合成其他生物分子的前体调控3氨基酸的代谢受到多种因素的调节，例如，能量需求、激素水平和底物可用性高能量需求激活氨基酸的分解高胰岛素浓度抑制氨基酸的分解高氨基酸浓度激活蛋白质合成核苷酸的代谢合成分解核苷酸的合成是指从头合成核苷核苷酸的分解是指将核苷酸分解酸或从已存在的核苷酸回收利用为含氮碱基、戊糖和磷酸基团的的过程核苷酸的合成发生在细过程核苷酸的分解发生在肝脏胞质中，需要消耗能量核苷酸中分解产物可以回收利用或排是和的组成单位，也出体外DNA RNA是合成其他生物分子的前体调控核苷酸的代谢受到多种因素的调节，例如，细胞信号和底物可用性细胞信号可以激活或抑制核苷酸的合成和分解高核苷酸浓度抑制核苷酸的合成复制的基本原理DNA半保留复制复制起点复制方向复制是半保留复制，即每个新复制从复制起点开始复制起点是复制是双向的，即从复制起点开始，DNA DNA DNA DNA分子都包含一条原始链和一条新合成链分子上特定的序列，可以被复制起向两个方向进行复制叉是分子上DNA DNA半保留复制保证了遗传信息的准确传递始蛋白识别细菌只有一个复制起点，真正在复制的区域复制叉会随着复制的进核生物有多个复制起点行而移动复制的分子机制DNA聚合酶解旋酶1DNA2聚合酶是催化复制解旋酶可以解开双螺DNA DNA DNA的关键酶聚合酶只能旋解旋酶需要才能发挥DNA ATP从到方向合成作用解旋酶在复制叉处发挥53DNA聚合酶需要引物才能起作用，为复制提供模DNA DNA始复制板DNA引物酶3引物酶可以合成引物引物是聚合酶起始复制所RNA RNADNA DNA必需的引物酶在复制起点处发挥作用，为聚合酶提供起始点DNA修复机制DNA直接修复切除修复直接修复是指直接修复损切除修复是指去除受损的DNA DNA伤的过程直接修复不需要去除片段，然后用新的片段替DNA受损的碱基直接修复的例子包换的过程切除修复包括碱基切括光修复和烷基转移酶修复除修复和核苷酸切除修复碱基切除修复修复小的损伤DNA核苷酸切除修复修复大的DNA损伤错配修复错配修复是指修复复制过程中产生的错配碱基的过程错配修复需DNA要识别新合成的链和模板链错配修复的关键酶是、和DNA MutSMutLMutH转录的基本概念模板链分子中有两条链，只有一条链作DNA为转录的模板，称为模板链另一条2转录链称为编码链的序列与编码mRNA链相同，只是将胸腺嘧啶（）替换为转录是指从模板合成的过TDNA RNA尿嘧啶（）程转录发生在细胞核中转录需要U1聚合酶才能发挥作用转录的RNA启动子产物是分子，包括、RNA mRNA和tRNA rRNA转录从启动子开始启动子是分DNA子上特定的序列，可以被聚合酶3RNA识别启动子决定了转录的起始位置和方向原核生物的转录过程聚合酶转录起始转录终止RNA原核生物只有一种聚合酶转录起始需要聚合酶结合到启动转录终止可以通过两种方式进行依RNA RNA RNAρ聚合酶由五个亚基组成、、、子上启动子包含两个保守序列赖性终止和非依赖性终止依赖性αββ-ρρ和亚基识别启动子、和序列和序列亚基识别终止需要蛋白才能发挥作用蛋白ωσσαββ10-35σ-10ρρ亚基参与的合成亚基的作用序列和序列聚合酶结合到结合到分子上，然后移动到RNAω-35RNA RNA RNA尚不清楚启动子上后，解开双螺旋，形成聚合酶处，导致聚合酶从模DNA RNADNA转录泡板上脱落非依赖性终止不需要蛋ρρ白才能发挥作用非依赖性终止依赖ρ于分子上的特定序列，形成发夹RNA结构，导致聚合酶从模板上RNADNA脱落真核生物的转录过程聚合酶转录起始1RNA2真核生物有三种聚合真核生物的转录起始需要多个RNA酶聚合酶、聚合转录因子才能发挥作用转录RNA I RNA酶和聚合酶因子结合到启动子上，然后招II RNA III RNA聚合酶转录基因募聚合酶启动子包含I rRNA RNA聚合酶转录基多个元件，例如，盒、RNA IImRNA TATA因聚合酶转录元件和元件RNA IIItRNA InrDPE基因和基因5S rRNA转录终止3真核生物的转录终止机制尚不完全清楚聚合酶转录基RNAIImRNA因，转录终止与加工相关聚合酶和聚合酶转录RNA RNAIRNAIII基因和基因，转录终止依赖于特定的终止信号rRNA tRNA加工与剪接RNA加工端加帽RNA5加工是指对分子进端加帽是指在的RNA RNA5mRNA5行修饰的过程加工包端添加一个帽结构帽结构由RNA括端加帽、端加尾和甲基鸟嘌呤组成帽结构537-剪接加工可以增可以保护免受核酸酶RNARNAmRNA加分子的稳定性，提高的降解，并促进翻译的起始RNA翻译效率端加尾3端加尾是指在的端添加一个尾巴尾3mRNA3polyA polyA巴由多个腺嘌呤核苷酸组成尾巴可以增加的稳定polyA mRNA性，并促进翻译的起始遗传密码起始密码子起始密码子是，对应甲硫氨酸AUG2密码子起始密码子标志着翻译的起始位置翻译从起始密码子开始遗传密码是由三个核苷酸组成的序列，称为密码子每个密码子对应一1个氨基酸遗传密码是简并的，即一终止密码子个氨基酸可以对应多个密码子终止密码子是、和UAA UAGUGA终止密码子不对应任何氨基酸终止3密码子标志着翻译的终止位置翻译在终止密码子处停止和氨基酰合成酶tRNA-tRNA反密码子氨基酰合成酶tRNA-tRNA是转运，负责将氨基酸转分子上包含一个反密码子，可以氨基酰合成酶是催化氨基酸与tRNA RNAtRNA-tRNA运到核糖体，参与蛋白质的合成每个与上的密码子互补配对反密结合的酶每种氨基酸对应一种mRNA tRNA分子可以携带特定的氨基酸，并码子决定了分子携带的氨基酸类氨基酰合成酶氨基酰tRNA tRNA-tRNA-tRNA识别上的特定密码子型反密码子与密码子的配对保证了翻合成酶保证了氨基酸与结合的特mRNA tRNA译的准确性异性蛋白质合成的起始过程起始因子核糖体结合起始复合物蛋白质合成的起始需要多个起始因子才能和起始结合到核糖体上起、起始和核糖体形成起始复mRNA tRNAmRNA tRNA发挥作用起始因子结合到核糖体上，然始携带甲硫氨酸起始的反密合物起始复合物标志着蛋白质合成的起tRNA tRNA后招募和起始起始因子保码子与上的起始密码子互补配始起始复合物可以开始进行蛋白质合成mRNA tRNAmRNA AUG证了蛋白质合成的准确起始对核糖体结合到上后，开始扫描的延长过程mRNA，寻找起始密码子mRNA蛋白质合成的延长过程延长因子肽键形成蛋白质合成的延长需要多个延长核糖体催化氨基酸之间形成肽因子才能发挥作用延长因子结键肽键连接一个氨基酸的羧基合到核糖体上，然后招募氨基酰和另一个氨基酸的氨基肽键的，并促进肽键的形成形成需要消耗能量肽键的形成-tRNA延长因子保证了蛋白质合成的顺将氨基酸连接成多肽链利进行转位核糖体沿着移动，将下一个密码子移动到位点转位需要消耗mRNA A能量转位将核糖体移动到下一个密码子，为下一个氨基酰的结-tRNA合创造空间蛋白质合成的终止过程多肽链释放释放因子催化多肽链从上释放多肽tRNA释放因子链释放后，核糖体、和解离mRNA tRNA多肽链释放标志着蛋白质合成的终止多肽蛋白质合成的终止需要释放因子才能发挥作核糖体再循环链可以开始折叠成具有功能的蛋白质用释放因子识别上的终止密码子mRNA释放因子结合到核糖体上，然后催化多肽链核糖体、和解离后，可以进行mRNA tRNA的释放释放因子保证了蛋白质合成的准确再循环，参与下一个蛋白质合成过程核糖终止体再循环保证了蛋白质合成的效率213翻译后修饰磷酸化糖基化泛素化磷酸化是指在蛋白质上添加磷酸基团的糖基化是指在蛋白质上添加糖基的过泛素化是指在蛋白质上添加泛素的过过程磷酸化可以改变蛋白质的活性、程糖基化可以增加蛋白质的稳定性，程泛素化可以标记蛋白质用于降解，定位和相互作用磷酸化是一种常见的并参与蛋白质的折叠和定位糖基化发并参与细胞信号转导泛素化需要多个调节机制蛋白质激酶催化磷酸化反生在内质网和高尔基体中酶才能发挥作用蛋白酶体可以降解泛应蛋白质磷酸酶催化去磷酸化反应素化的蛋白质原核生物基因表达调控操纵子模型操纵子操纵子是原核生物基因表达调控的基本单位操纵子由一个启动子、一个操纵序列和多个结构基因组成启动子是聚合酶结合的位点操纵RNA序列是阻遏蛋白结合的位点结构基因是编码蛋白质的基因阻遏蛋白阻遏蛋白可以结合到操纵序列上，阻止聚合酶的结合，从而抑制基RNA因的表达阻遏蛋白的结合受到小分子的调节小分子可以与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋白的构象，从而影响阻遏蛋白的结合能力诱导物诱导物是可以与阻遏蛋白结合的小分子，从而阻止阻遏蛋白的结合诱导物的存在可以激活基因的表达乳糖操纵子是一个典型的例子乳糖是乳糖操纵子的诱导物真核生物转录水平的调控转录因子增强子真核生物的转录调控需要多个转增强子是分子上特定的序DNA录因子才能发挥作用转录因子列，可以增强基因的表达增强可以结合到上，激活或抑子可以位于基因的上游、下游或DNA制基因的表达转录因子具有多基因内部增强子的作用距离和个结构域，包括结合结构方向是灵活的DNA域、激活结构域和抑制结构域染色质结构染色质结构对基因的表达有重要影响开放的染色质结构有利于基因的表达封闭的染色质结构不利于基因的表达染色质结构可以通过多种方式进行修饰，例如，组蛋白乙酰化和组蛋白甲基化表观遗传学调控组蛋白修饰组蛋白修饰是指在组蛋白上添加化学基团的过程组蛋白修饰可以激活或抑制基因的表达组蛋白修饰是表观遗传学调控的重要机制组蛋白修饰甲基化2DNA可以遗传给下一代甲基化是指在分子上添加DNA DNA甲基的过程甲基化可以抑制1DNA非编码RNA基因的表达甲基化是表观遗DNA非编码是指不编码蛋白质的RNARNA传学调控的重要机制甲基化DNA分子非编码可以参与基因的表RNA可以遗传给下一代达调控非编码包括RNA

3、长链非编码和环状microRNA RNA非编码可以与结RNARNAmRNA合，抑制翻译非编码可以与RNA结合，影响转录DNA基因组学概述基因组基因组测序基因组注释基因组是指一个生物体的全部遗传信息基因组测序是指确定一个生物体的基因基因组注释是指识别基因组中的基因和的总和基因组包括编码基因和非编码组序列的过程基因组测序技术已经取其他功能元件的过程基因组注释需要序列基因组学是研究基因组的结构、得了巨大的进展，使得基因组测序的成使用生物信息学方法基因组注释可以功能和进化的学科本大大降低基因组测序可以用于研究帮助我们理解基因组的功能基因的功能、疾病的发生和进化转录组学和蛋白质组学转录组学蛋白质组学12转录组学是研究细胞中所有蛋白质组学是研究细胞中所分子的总和的学科有蛋白质分子的总和的学RNA转录组学可以用于研究基因科蛋白质组学可以用于研的表达水平、的剪接究蛋白质的表达水平、蛋白RNA和的修饰转录组学质的修饰和蛋白质的相互作RNA可以帮助我们理解基因在不用蛋白质组学可以帮助我同条件下的表达模式们理解蛋白质在细胞中的功能联系3转录组学和蛋白质组学可以相互补充，帮助我们全面理解基因的表达和调控转录组学可以告诉我们哪些基因正在表达蛋白质组学可以告诉我们哪些蛋白质正在翻译结合转录组学和蛋白质组学，我们可以更好地理解基因的功能代谢组学和系统生物学代谢组学系统生物学应用代谢组学是研究细胞中所有代谢分子的系统生物学是研究生物系统的整体性质代谢组学和系统生物学可以应用于疾病总和的学科代谢组学可以用于研究代的学科系统生物学结合了基因组学、诊断、药物开发和个性化医疗代谢组谢途径的活性、代谢分子的浓度和代谢转录组学、蛋白质组学和代谢组学，以学可以用于识别疾病的生物标志物系分子的流动代谢组学可以帮助我们理及生物信息学和数学建模，试图理解生统生物学可以用于预测药物的疗效和副解细胞的代谢状态物系统的复杂性系统生物学可以帮助作用结合代谢组学和系统生物学，我我们预测生物系统的行为们可以开发更有效的药物和更精准的治疗方案技术原理及应用PCRPCR是聚合酶链式反应的简称，是一种体外扩增的技术PCR DNA可以在短时间内将片段扩增数百万倍是分子生物PCR DNA PCR学研究的重要工具原理的原理是利用聚合酶复制需要模板、引PCR DNA DNAPCR DNA物、和聚合酶的步骤包括变性、退火和延伸变dNTP DNAPCR性是指将双链解开退火是指引物与模板结合延伸是DNA DNA指聚合酶复制DNA DNA应用可以应用于基因克隆、基因测序、基因诊断和法医学可PCR PCR以用于扩增目标基因，然后进行基因克隆可以用于扩增PCR DNA片段，然后进行基因测序可以用于检测病原体的，从而PCR DNA进行基因诊断可以用于扩增片段，然后进行指纹PCR DNADNA分析，从而进行法医学鉴定基因克隆技术载体载体是指可以携带外源进入宿主细DNA胞的分子载体包括质粒、噬菌体DNA和病毒质粒是最常用的载体质粒是2一种环状分子，存在于细菌中噬基因克隆DNA菌体是一种可以感染细菌的病毒病毒基因克隆是指将目标基因插入到载体中，是一种可以感染动物或植物的病毒然后将载体导入到宿主细胞中，从而在1宿主细胞中复制目标基因的技术基因宿主细胞克隆是分子生物学研究的重要工具宿主细胞是指可以接受载体的细胞宿主细胞包括细菌、酵母和动物细胞细3菌是最常用的宿主细胞细菌繁殖速度快，易于培养酵母是一种单细胞真核生物动物细胞是一种多细胞真核生物基因测序技术测序二代测序三代测序Sanger测序是第一代基因测序技术二代测序是新一代基因测序技术二代三代测序是最新一代基因测序技术三Sanger测序的原理是利用聚合酶测序可以同时测序数百万个片代测序可以直接测序单个分子Sanger DNADNADNA合成，然后在合成过程中加段二代测序的成本比测序低三代测序不需要扩增三代测序DNADNASanger PCR入可以终止的得多二代测序技术包括测技术包括测序和ddNTP ddNTPDNA IlluminaPacBio Oxford合成测序需要使用毛细管电序、测序和测序测序Sanger Roche454Solid Nanopore泳技术来分离不同长度的片段DNA基因编辑技术CRISPR-Cas9原理应用1CRISPR-Cas923是一种基因编辑技术的原理是利用可以应用于治疗遗传CRISPR-Cas9CRISPR-Cas9Cas9CRISPR-Cas9可以精确地编辑蛋白和可以引导性疾病、癌症和病毒感染CRISPR-Cas9sgRNA sgRNA序列技术已蛋白结合到目标序列上可以用于改造农作物，DNA CRISPR-Cas9Cas9DNA CRISPR-Cas9经被广泛应用于基因研究、疾病治疗蛋白可以切割目标序列提高产量和抗病性Cas9DNA CRISPR-Cas9和农业育种细胞可以修复被切割的序列也可以用于进行基因研究，理解基因DNA通过控制细胞的修复方式，可以实现的功能基因的敲除、插入和修复重组技术在医学中的应用DNA胰岛素疫苗基因治疗重组技术可以用于生产胰岛素重组技术可以用于生产疫苗将重组技术可以用于进行基因治DNADNADNA将人胰岛素基因克隆到细菌中，然后病原体的基因克隆到病毒中，然后利疗将正常的基因导入到患者的细胞利用细菌生产胰岛素重组胰岛素已用病毒感染细胞，表达病原体的抗中，从而治疗遗传性疾病基因治疗经取代了动物胰岛素，成为治疗糖尿原重组疫苗可以诱导免疫反应，从是一种很有前景的治疗方法，但仍然病的主要药物而预防疾病乙肝疫苗是一种重组疫面临许多挑战苗单克隆抗体技术杂交瘤单克隆抗体技术需要使用杂交瘤细胞杂交瘤细胞是由细胞和骨髓瘤B单克隆抗体2细胞融合产生的细胞杂交瘤细胞既能产生抗体，又能无限增殖单克隆抗体是指由单一细胞克隆产B生的抗体单克隆抗体具有高度的特1应用异性，可以与特定的抗原结合单克隆抗体技术是生产单克隆抗体的技单克隆抗体可以应用于疾病诊断、疾术病治疗和科学研究单克隆抗体可以用于检测疾病的生物标志物单克隆3抗体可以用于靶向治疗癌症单克隆抗体可以用于研究蛋白质的功能干细胞技术与再生医学干细胞诱导多能干细胞再生医学干细胞是指具有自我复制能力和多向分诱导多能干细胞是指通过基因工程技术再生医学是指利用干细胞技术修复或替化潜能的细胞干细胞可以分为胚胎干将成体细胞转化为类似于胚胎干细胞的换受损的组织和器官的医学再生医学细胞和成体干细胞胚胎干细胞具有全细胞诱导多能干细胞具有多能性，可可以治疗多种疾病，例如，心脏病、糖能性，可以分化成任何类型的细胞成以分化成多种类型的细胞诱导多能干尿病和神经退行性疾病再生医学是一体干细胞具有多能性，只能分化成特定细胞技术为再生医学提供了新的途径种很有前景的治疗方法，但仍然面临许类型的细胞多挑战基因治疗基因治疗载体挑战基因治疗是指将正常的基因导入到患者的细胞中，基因治疗需要使用载体将正常的基因导入到细胞基因治疗面临许多挑战，例如，载体的选择、靶从而治疗遗传性疾病的技术基因治疗可以分为中载体包括病毒和非病毒载体病毒载体具有向性、免疫反应和长期安全性基因治疗是一种体内基因治疗和体外基因治疗体内基因治疗是高效的转染效率，但具有免疫原性和致癌风险很有前景的治疗方法，但仍然需要进一步的研究指将正常的基因直接导入到患者的体内体外基非病毒载体具有较低的免疫原性和致癌风险，但和开发因治疗是指将患者的细胞取出体外，然后将正常转染效率较低的基因导入到细胞中，最后将细胞导入到患者的体内分子生物学在疾病诊断中的应用诊断基因芯片诊断液体活检PCR可以用于检测病原体的，从基因芯片可以用于检测多个基因的表液体活检是指从血液或其他体液中检PCR DNA而诊断传染病诊断具有灵敏度达水平，从而诊断癌症和其他疾病测肿瘤细胞或肿瘤，从而诊断癌PCRDNA高、特异性强和速度快的优点基因芯片诊断可以用于预测疾病的预症液体活检可以用于早期诊断、疗PCR诊断已经广泛应用于临床诊断后和治疗效果效监测和耐药性分析液体活检是一种很有前景的诊断方法，但仍然需要进一步的研究和开发生物信息学与计算生物学计算生物学计算生物学是指利用数学模型和计算机模拟研究生物系统的学科计算生物学可以用于预测生物系统的行为、优化实验设计生物信息学和发现新的生物学规律计算生物学是系2生物信息学是指利用计算机技术处理统生物学研究的重要工具生物数据的学科生物信息学可以用于基因组注释、蛋白质结构预测、药1发展物设计和系统生物学研究生物信息生物信息学和计算生物学的发展促进了生学是现代生物学研究的重要组成部物学研究的快速发展生物信息学和计算分3生物学正在改变我们理解生命的方式生物信息学和计算生物学将在未来的生物学研究中发挥越来越重要的作用课程总结与展望在本课程中，我们学习了分子生物学与生物化学的基本概念、原理和技术我们了解了生物大分子的结构与功能、酶的作用机制、代谢途径、基因的表达调控以及分子生物学在医学和生物技术领域的应用分子生物学与生物化学是现代生物学研究的核心学科，将在未来的生物学研究中发挥越来越重要的作用随着科学技术的不断发展，分子生物学与生物化学将继续取得新的突破基因组学、蛋白质组学、代谢组学和系统生物学将帮助我们更全面地理解生物系统的复杂性基因编辑技术、干细胞技术和基因治疗将为疾病治疗提供新的途径生物信息学和计算生物学将促进生物学研究的快速发展我们期待着分子生物学与生物化学在未来的发展中取得更多的成就，为人类健康和福祉做出更大的贡献。