运城学院教案

生命科学系

2019-2020 学年 第 一 学期

教研室名称 生 物 科 学

课 程名 称 分子生物学

课 程代 码 09106C

课 程类 型 必 修

授 课教 师 刘 缙

职 称 讲 师

1

授 课 计 划

授课时间： 3 月 9 日至 6月 27 日（共 16周）

计划制定时间： 2018 年 3 月 10日

课程名称 分子生物学课程编号 09106C

总学时 64学时

讲课：64 学时

实验： 学时

实习： 学时

学分数 1

课 型必修课（ √ ） 选修课（ ）

理论课（ ） 实验课（ ）

任课教师 刘 缙 职称 讲 师

授课对象 生物科学专业（本科）1701 班

使用教材

和主要参

考资料

教材：朱玉贤、李毅等编著，《现代分子生物学》，第四版。高等教育

出版社，2007年。

参考教材：

B. Lewin 《Genes VIII》科学出版社，2005年。

R. Weaver《Molecular Biology》 (2nd Edition) 科学出版社，2002年。

R.M.特怀曼 《高级分子生物学要义》（第一版）科学出版社，2000年。

阎隆飞、张玉麟，《分子生物学》，第二版。中国农大出版社，1997年。

王亚馥 《遗传学》（第一版）高等教育出版社，1999年。

教学进程

时间（周）

第 1周第 1-3 周

第 3-5 周

第 5-7 周

第 8-11周第 11-13周第 14-16周第 16周

教学内容（章节）

第一章 绪论 课程总体介绍

第二章 染色体与 DNA第三章 从 DNA到 RNA第四章 从 mRNA到蛋白质

第五章 分子生物学研究方法

第六章 原核基因表达调控模式

第七章 真核基因表达调控的一般规律

第九章 基因组与比较基因组学

学时分配

21288812122

2

《分子生物学》教案

（第 1 次课 2 学时）

一、 授课题目 绪论及课程总体介绍

二、 教学目的和要求

了解分子生物学发展简史和分子生物学的研究内容和发展趋势，了解分子生

物学的一些分支学科，掌握分子生物学的基本概念与分子生物学发展密切相关的

事件，掌握 DNA 重组技术、基因组、结构基因组学、功能基因组与生物信息学等

相关概念。

三、 教学重点和难点

重点：证明 DNA 是遗传物质的经典实验 ，DNA 重组技术

难点：结构基因组学与功能基因组学的辨析

四、 主要参考资料

教材：朱玉贤、李毅等编著，《现代分子生物学》，第三版。高等教育出版社，2007。

参考教材：

B. Lewin 《Genes VIII》科学出版社，2005年。

R. Weaver《Molecular Biology》 (2nd Edition) 科学出版社，2002。

R.M.特怀曼 《高级分子生物学要义》（第一版）科学出版社，2000。

王亚馥 《遗传学》（第一版）高等教育出版社，1999。

阎隆飞、张玉麟主编，《分子生物学》，第二版。中国农业大学出版社，1997。

五、 教学过程

第一章 绪 论 *

课程总体介绍

3

回顾所学知识点

分子生物学定义

分子生物学发展简史

分子生物学研究内容

分子生物学展望

（一）、课程总体介绍：

小故事：

电影<<侏罗纪公园>>不能成为可能吗？

事例一：白垩纪的象鼻虫部分基因的克隆

事例二：我国学者陈章良的恐龙蛋基因 实际是霉菌污染物？

技术上是可能的，现实上的问题限制其成为可能，完整染色体的获得，扩增体系、

PCR的灵敏度是的污染成为了现实问题。昆虫肠道DNA or 肠道微生物DNA？

20世纪是IT的时代，21世纪是BT的时代。与各学科交叉、渗透越来越重要。

分子生物学的重要性 （上海中科院8所，北京生物物理所、植物所、遗传所、微生物

所等）

分子生物学的学习方法：

第一、认识细胞生物学课程的重要性。如果你将来打算从事生物学相关的工作，

学好分子生物学能加深你对生命的理解。

第二、明确分子生物学的研究内容和熟悉相关技术。如生物大分子的结构与功能、

基因表达调控、基因工程和功能基因组学和生物信息学。

第三、将所学过的知识关联起来，多问自己几个为什么。分子生物学涉及细胞生

物学、生物化学、遗传学、动植物生理学等几乎所有学过的课程，将学过的知识与分

子生物学课程中讲到的内容关联起来，比较一下有什么不同，有什么相同，为什么？

4

尽可能形成对细胞和生命的完整印象，不要只见树木不见森林。如我们在学习分子生

物学研究方法的时候，要联想起核酸、蛋白质等相关生物大分子的结构和性质。学习

基因表达调控时要想到基因转录和翻译的过程是怎样的，诸如此类的例子很多。

第四、紧跟学科前沿，当前的热点主要有“细胞信号转导”、“基因表达调控”、 “功

能基因组、蛋白质组和转录组学”等。细胞生物学是当今发展最快的学科之一，知识

的半衰期很短（2-3年），国内教科书由于编撰周期较长，一般滞后于学科实际水平5-10

年左右，课本中的很多知识都已是陈旧知识。有很多办法可以使你紧跟学科前沿：一

是选择国外的最新教材，中国图书进出口公司读者服务部

http://link.clubol.com/link/index.php那里可以买到很多价廉物美的正宗原版教材（一般

200-400元，只相当于国外价格的1/5）；二是经常读一些最新的期刊资料，如果条件所

限查不到国外资料，可以到中国期刊网、万方数据等数据库中查一些综述文章，这些

文章很多是国家自然科学基金支助的，如在中国期刊网的检索栏输入关键词“基因表

达调控”，二次检索输入关键词“进展”，你会发现一大堆这样的文章，都是汉字写的

比读英文省事。三是可以上一些生物专业的网站，浏览专业博客，加入专业QQ群等。

第五、学一点科技史，尤其是生物学史，看一些生物科学书籍和科学家传记。看

看科学家如何开展创造发明，学习他们惊人的毅力、锐敏的眼光和独特的思维。牛顿

说过：“我之所以比别人看得更远，是因为站在巨人的肩膀上。”

有用的生物科学网站：小木虫学术资源网、生物谷、丁香园论坛、科学网

分子生物学参考书籍介绍：

朱玉贤 《现代分子生物学》，高等教育出版社

孙乃恩 《分子遗传学》，南京大学出版社。

阎隆飞 《分子生物学》，中国农业大学出版社，

Lewin,B, 《Genes VIII》 , Oxford University Press

Turner P.C. et al. Molecular Biology. 科学出版社

5

Weaver R. Molecular Biology. 科学出版社

R.M.特怀曼 《高级分子生物学要义》（第一版）科学出版社，2000。

课程内容及安排

时间（周）

第 1 周

第 1-2 周

第 3-4 周

第 4-5 周

第 6-8 周

第 8-11 周

第 11-13 周

第 14 周

第 15 周

第 16 周

教学内容（章节）

第一章 绪论及课程总体介绍

第二章 染色体与 DNA*

第三章 生物信息的传递——从 DNA 到 RNA**

第四章生物信息的传递——从 mRNA 到蛋白质**

第五章 分子生物学研究方法**

第六章 原核基因表达调控模式***

第七章 真核基因表达调控的一般规律***

第八章 疾病与人类健康

第九章 基因与发育

第十章 基因组与比较基因组学

学时分配

2

6

6

6

10

12

10

4

4

4

（二）、回顾所学知识点

1、 创世说与进化论

达尔文、1859 年《物种起源》，确立了进化论的概念

要点：他认为，生物之间存在着生存斗争，适应者生存下来，不适者则被淘汰，这

就是自然的选择。生物正是通过遗传、变异和自然选择，从低级到高级，从简单到复

杂，种类由少到多地进化着、发展着。 以上三点，就是我们常听到的“物竞天择，

适者生存”，现在基因学诞生之生，为此提供了重要的证据，事实上，物竞天择，竞的

是“基因”。

2、细胞学说

细胞学说（1847）德国 Schleiden德国 Schwann （细胞生物学的起源）

细胞学说的主要内容有：

1 细胞是有机体， 一切动植物都是由单细胞发育而来， 即生物是由细胞和细胞

6

的产物所组成；

2 所有细胞在结构和组成上基本相似；

3 新细胞是由已存在的细胞分裂而来；

4 生物的疾病是因为其细胞机能失常。

3、经典生物化学和遗传学

19 世纪中叶，蛋白质

19 世纪中叶到 20 世纪初，组成蛋白质的 20 种基本氨基酸被相继发现（1935 年，

苏氨酸）

著名生物化学家 Fisher 还论证了连接相邻氨基酸的“肽键”的形成。

孟德尔 Gregor Mendel (1822-1884),奥地利科学家，经典遗传学的奠基人

1857-1864 的 7 年中，进行了豌豆的杂交研究，1865 年发表了他的划时代的论文《植

物杂交试验》

在论文中提出了“遗传因子”的概念，并得出了三条规律：

显性规律(The Law of Dominance)

分离规律（The Law of Segregation）

自由组合规律（The Law of Independent Assortment）

在孟德尔遗传学的基础上，美国著名的遗传学家 Morgan

又提出了基因学说。连锁遗传规律

将性状与基因偶联

4、DNA 的发现（发展简史中介绍）

DNA 是细菌的遗传物质

DNA 是病毒的遗传物质

DNA 是真核生物的遗传物质

细胞转染 TK 基因 表达胸苷激酶 无胸苷培养基的动物细胞无法生长。

RNA 也是遗传物质 烟草花叶病毒杂合实验

7

（二）、分子生物学定义

什么是分子生物学？

Robert Weaver 在《Molecular Biology》第四版中的定义：

I consider molecular biology to be the study of genes and their activities at the molecular

level, including transcription, translation, DNA replication, recombination and translocation.

本书的定义：分子生物学是研究核酸蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及

重要性、规律性和相互关系的科学。是人类从分子水平上真正揭示生物世界的奥秘，由被

动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。P8

即从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学，（狭义）

主要指遗传信息的传递（复制）、保持（损伤和修复）、基因的表达（转录和翻译）与调控。

所谓在分子水平上研究生命的本质主要是指对遗传、 生殖、生长和发育等生命基本

特征的分子机理的阐明，从而为利用和改造生物奠定理论基础和提供新的手段。

（三）、分子生物学发展简史

1、孕育阶段（1820 - 1950 年代）

1865年，孟德尔发表了他的《植物杂交实验》一文，首次阐述了生物界有规律的遗传

现象。“遗传因子 ”

1900年，孟德尔遗传规律被证实，成为近代遗传学基础。

1910年，Morgan的染色体—基因遗传理论 ， Gene 存在于染色体上。进一步将“性

状”与“基因”相耦联，成为现代遗传学的奠基石。

1944年，美国微生物学家Avery证明基因就是DNA分子，提出 DNA是遗传信息的载体。

8

9

1957年，Heinz Fraenk、el-Conrat和B. Singre的杂合病毒实验：

2、创立阶段（1950 - 1970 年代）

1953年， 美国科学家Watson 和英国科学家Crick提出 DNA Double Helix model

1962年Watson、 Crick与Wilkins共享诺贝尔生理医学奖

通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了前两者提出的DNA的模型

罗莎琳·埃尔西·富兰克林（Rosalind Elsie Franklin，1920年－1958年

（治学严谨，发现了A、B两种构型DNA，不善于沟通，团队精神） 一步之遥

威尔金斯

1958年Crick提出中心法则。

中国科学院2001年硕士入学考试分子遗传学试题:

何谓中心法则？如何基于该法则来解释生物形状的遗传和变异？（10分）

1958年，Meselson 和Stahl证明 DNA半保留复制。

10

半保留复制是遗传消息能准确传代的保证。是物质稳性的分子基础。

1959年，美籍西班牙裔科学家Uchoa和美国Kornberg

发现了DNA和RNA的生物合成机理而分享了诺贝尔生理医

学奖。

1961年，法国科学家Jacob（雅各布）和Monod（莫诺）

提出操纵子学说（第六章）

1965年获得诺贝尔生理医学奖，首次提出mRNA分子的存在

（巴黎巴斯德研究所 沃尔夫 共享）

3、发展阶段（1970年代以后）

1970年，Temin 和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现逆转录酶。1975年，获诺贝尔生

理医学奖

11

1977年，Sanger等人发明了一种测定DNA分子内核苷酸序列的方法（双脱氧链终止法，

第五章）。

1980年，Sanger与Gilbert和Berg共享诺贝尔化学奖

Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝尔化学奖。

1983年，美国遗传学家McClintoc发现可移动的遗传因子而获得诺贝尔生理医学奖。

1984年 Kohler & Milstein → Monocloning antibody 诺贝尔生理医学奖

1993年 Roberts & Sharp → Splitting gene 诺贝尔化学奖

1993年 Mullis & Smith → PCR technique & gene mutation in locus

1994年 Gilman & Rodball → G-protein as a signal molecular in cell

获诺贝尔生理医学奖

1995年Lewis & Nusslein-Volhard &Wieschaus → Control gene of body developing in

Drosophila 诺贝尔生理医学奖

1997年，普鲁西纳朊病毒 prion 诺贝尔生理医学奖

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非编码RNA（图片背景介绍，了解）

非编码RNA（Non-Coding RNA），指的是不被翻译成蛋白质的RNA，

tRNA, rRNA等，这些RNA不被翻译成蛋白质，但是其中有一些会参与蛋白质翻译过程。

snRNA（核内小RNA），snoRNA（核仁小RNA，内含子编码，调节细胞死亡）等参与RNA剪接

和RNA修饰，

miRNA也是非编码RNA，是小的RNA分子，与转录基因互补，介导基因沉默（RNAi）。

gRNA又称引导RNA，真核生物中参与RNA编辑的具有与mRNA互补序列的RNA；

eRNA，从内含子（introns）或DNA非编码区转录的RNA分子，精细调控基因的转录和翻译

效率；

SNP RNA，信号识别颗粒RNA，细胞质中与含信号肽mRNA识别，决定分泌的RNA功能分子；

pRNA，噬菌体RNA，fi29噬菌体中用6个同样的小RNA分子利用ATP参与DNA的包装；

tmRNA，具有tRNA样和mRNA样复合的RNA，广泛存在细菌中，识别翻译或读码有误的核糖体，

也识别那些延迟停转的核糖体，介导这些有问题的核糖体的崩解；

最后就是mRNA中的非翻译区，含有核糖体识别元件如5'-UTR,3'-UTR等。

长链非编码RNA（large intergenic non-coding RNA，lincRNA） 虽然与蛋白质合成无关，

但能形成一定的二级结构，并调节蛋白质的活性。lincRNA有很多功能，目前被认为能与

蛋白质形成复合体，调节蛋白的功能。

思考题：北师大2000年硕士研究生生物化学试题

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什么是遗传学中心法则?为什么说阮病毒的发现是对此法则提出了挑战? (5分)

中国科院2007年考研试题(1分)

下列各项中，尚未获得诺贝尔奖的是： 每年10月揭晓

A. DNA双螺旋模型 B.PCR仪的发明 C.RNA干扰技术 D.抑癌基因的发现

RNA干扰技术和2006年诺贝尔医学奖

1962年Watson、 Crick与Wilkins共享诺贝尔生理医学奖

1995 年，美国科学家 Mulis 因 PCR 技术获得了诺贝尔化学奖

2004年泛素介导的蛋白质降解 2008年发现和改造 GFP 2009年核糖体结构和功能 端

粒酶的发现 2010年 体外受精技术 2011年免疫系统的活性

（四）、分子生物学研究内容

分子生物学3条基本原理：（20中氨基酸、8种核苷酸、糖类、脂类）

①构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中都是相同的。

②生物体内一切有机大分子的构成都遵循共同的规则。

③某一特定生物体所拥有的核酸及蛋自质分子决定了它的属性。

DNA重组技术（基因工程）

基因表达调控研究

生物大分子的结构和功能研究(结构分子生物学)

基因组、功能基因组与生物信息学研究

1、DNA重组技术（基因工程）

a、可被用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽;

举例：激素（人表皮生长因子、人骨形成蛋白、蛇毒纤溶酶）抗生素 β-内酰胺抗生素

抗体（人源抗体-鼠源抗体）

1972年, Boyer获得第一个重组DNA分子

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b、可用于定向改造某些生物的基因组结构;

蓝色玫瑰、抗病作物、 抗冻番茄、肝炎病毒蛋白香蕉

c、可被用来进行基础研究.

基因功能的研究 功能基因组学 (过表达和干扰或敲除)

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2、基因表达调控研究

因为蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，便决定蛋白质结构和合成时序的

信息都由核酸(主要是脱氧核糖核酸)分子编码，表现为特定的核昔酸序列，所以基因表达

实质上就是遗传信息的转录和翻译。在个体生长发育过程中，生物遗传信息的表达按一定

的时序发生变化(时序调节)，并随着内外环境的变化而不断加以修正(环境调控)。基因表

达的调控主要发生在转录水平或翻译水平上。原核生物的基因组和染色体结构都比真核生

物简单，转录和翻译在同一时间和空问内发生，基因表达的调控主要发生在转录水平。真

核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔开，且在转录和翻译后都

有复杂的信息加工过程x其基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上。基因表达调控

主要表现在信号传导研究、转录因子研究及RNA剪辑3个方面。

信号转导研究

信号传导是指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传到细胞内部，并激发诸如离子通透

性、细胞形状或其他细胞功能的应答过程。当信号分子(配体)与相应的受体作用后，可以

激活受体分子的构型变化，使之形成专一性的离子通道，也叮以激活受体分子的蛋白激酶

或磷酸酯酶，还可以通过受体分子指导合成cGMP,cAMP ,肌醇三磷酸等第二信使分子。研

究认为，信号传导之所以能引起细胞功能的改变，主要是由于信号最后活化了某些蛋自质

分子，使之发生构型变化，从而直接作用于靶位点，打开或关闭某些基因。

转录因子研究

转录因子是一群能与基因5f端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强

度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。在对植物的某些性状进行遗传分析时发现，某

些基囚的突变会影响其他基因的表达。例如，有2O多个基因参与玉米花青素的生物合成，

但其中的Cl}} x或占基因发生突变后，该代谢途径中的结构酶基因全部被关闭弓如果An

切x或}}F}二等基因发生突变，果蝇的体节发育就会受影响。身体中的一部分就可能变成

相似于另一部分的结构，因此，它们是控制果蝇胚胎早期体竹分化与发育的主要调节基因，

16

它们所编码的蛋白质是调节与发育有关的结构基因表达的总开关。

RAN剪接

真核基因在结构上的不连续性是近10年来生物学上的重大发现之一。当基因转录成

pre-mRNA后，除了在5’端加帽及3’端加多聚A( poly A)之外，还要切去隔开各个相邻编

码区的内含子，使外显子(编码区)相连后成为成熟mRNA,研究发现，许多基因中的内含子

并不是一次全部切去，而是在不同的细胞或不同的发育阶段选择性剪切其中部分内含了，

生成不同的mRNA及蛋白质子.如降钙素基因、肌原蛋自基因和参与果蝇体细胞分化的dsx

基因等，都采用选择性剪切方式从而生成不同功能的蛋白质。由于RNA的选择性剪切不牵

涉遗传信息的永久性改变，所以是真核基因表达调控中一种比较灵活的方式。

3、生物大分子的结构和功能研究(结构分子生物学）

4、基因组、功能基因组与生物信息学研究

1986年美国科学家Thomas Roderick提出了基因组学（Genomics），指对所有基因进行

基因组作图（包括遗传图谱、物理图谱、转录本图谱），核苷酸序列分析，基因定位和基

因功能分析的一门科学。因此，基因组研究应该包括两方面的内容：以全基因组测序为目

标的结构基因组学（structural genomics）和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学

（functional genomics)，又被称为后基因组（postgenome）研究，成为系统生物学的重

要方法。

（五）、分子生物学展望

生物世界的多样性和和生命本质的一致性辩证统一。

21世纪是生命科学世纪，生物经济时代——结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组

学、生物信息学、信号跨膜转导成为新的热门领域。

17

六、作业：

1. P17,42. 什么是遗传学中心法则? 为什么说阮病毒的发现是对此法则提出了挑战? (5分)

3. 如何基于该法则来解释生物形状的遗传和变异？（10分）

七、课后记

一、课程总体介绍1、分子生物学的重要性

2、分子生物学的学习方法

3、有用的生物科学网站

4、分子生物学参考书介绍

5、课程内容及安排

二、回顾所学知识点1、创世说与进化论

2、细胞学说

3、经典生物化学和遗传学

4、DNA 的发现

第一章 绪 论

三、分子生物学定义

四、分子生物学发展简史1、孕育阶段（1820-1950年代）

2、创立阶段（1950-1970年代）

3、发展阶段（1970年代以后）

五、分子生物学研究内容1、DNA重组技术（基因工程）

2、基因表达调控研究

3、生物大分子的结构和功能

研究(结构分子生物学)4、基因组、功能基因组与生

物信息学研究

六、分子生物学展望

七、作业P17,4