2023.7.10華中農(nóng)業(yè)大學(xué)全英文選修課程生物技術(shù)中的微生物學(xué)課程第一節(jié)課程要點
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教師會盡量放慢語速,以便學(xué)生跟上;學(xué)生需要訪問課程網(wǎng)站和在線課堂,以獲取課程資料和更新;課程持續(xù)時間為兩周,每天有三節(jié)課,測試包括一次期中考試和一次期末考試;期中考試是選擇題,考試題目將在課堂上進行預(yù)習(xí);學(xué)生需要在規(guī)定時間內(nèi)完成期中考試,并在截止日期前提交;細胞的基本概念,包括細胞膜、質(zhì)膜、細胞質(zhì)、細胞核以及細胞器等。細胞的基本功能和結(jié)構(gòu),包括線粒體、核糖體、高爾基體等的功能。對話還涉及了了解細胞地圖對于生物技術(shù)工程的重要性,特別是在改變細胞過程方面。所舉的例子是在真核細胞中使用CAST9并需要添加核定位信號(NLS)才能使其進入細胞核并切割DNA。在對話結(jié)束時,還提到了教師筆跡的清晰度問題。如何構(gòu)建生物體,包括構(gòu)成生物體的物質(zhì)成分和原子結(jié)構(gòu)。生物體主要由水、碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和核酸等組成。在討論原子結(jié)構(gòu)時,碳、氫、氧、氮、磷等元素是構(gòu)成生物體的主要原子。碳原子的價電子數(shù)為4,氫原子的價電子數(shù)為1,氧原子的價電子數(shù)為2,氮原子的價電子數(shù)為3。磷原子的價電子數(shù)為5。這些元素的不同組合形成了生物體中的各種分子和化合物。DNA的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)。DNA是由兩個互補的鏈組成的雙螺旋結(jié)構(gòu),中間由堿基組成,堿基之間通過氫鍵相互配對。DNA的骨架由磷酸和脫氧核糖組成,是負電荷的。其中,鳥嘌呤和胞嘧啶之間有三個氫鍵,而腺嘌呤和胸腺嘧啶之間只有兩個氫鍵。這些結(jié)構(gòu)特征對PCR引物設(shè)計和DNA分離純化等實驗有重要影響。DNA和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。DNA是由核苷酸組成的,其中包括DNTP、Ditty Oxy triphosphate等重要試劑,而缺少氧原子的ditioxi triphosphate無法在DNA鏈中延長,因此不能形成磷酸骨架。另外,對于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),由氨基酸組成的多肽鏈形成蛋白質(zhì),氨基酸的基本結(jié)構(gòu)包括羧基、氨基和R基團。蛋白質(zhì)有四個層級的結(jié)構(gòu),第一層級為序列,第二層級為次級結(jié)構(gòu),包括alpha helix和beta sheet,第三層級為三級結(jié)構(gòu),包括卷曲和折疊,第四層級為四級結(jié)構(gòu),即蛋白質(zhì)復(fù)合物。蛋白質(zhì)和磷脂的結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)由一級結(jié)構(gòu)(氨基酸序列)、二級結(jié)構(gòu)(α螺旋和β片層)、三級結(jié)構(gòu)(大量的β片層和α螺旋)和四級結(jié)構(gòu)(蛋白質(zhì)復(fù)合物)構(gòu)成。磷脂則由親水頭和疏水尾構(gòu)成,因此在水中形成雙層膜。磷酸基團帶負電荷,導(dǎo)致雙層膜形成的原因是磷酸基團朝向外部水相,而疏水尾朝向內(nèi)部。關(guān)于中心法則的講座,中心法則是指DNA轉(zhuǎn)錄成RNA,再被翻譯成蛋白質(zhì)的過程。
在生物技術(shù)中,如果我們想要改變細胞的行為,我們需要改變DNA。DNA復(fù)制的過程中,首先需要打開DNA,通過一個叫做螺旋酶的酶來完成。接下來是引物和延長,最后是合成第二條鏈。在分子生物學(xué)中,學(xué)習(xí)這些酶的名稱非常重要,因為在實驗室中會使用它們作為試劑。DNA復(fù)制的過程和如何在試管中制造DNA,其中DNA復(fù)制過程分為四個步驟:解旋、引物、延長和連接。DNA復(fù)制的兩個鏈是領(lǐng)先鏈和滯后鏈,滯后鏈會被分成小片段,這些小片段被稱為Okazaki片段。DNA聚合酶是復(fù)制過程中的關(guān)鍵酶,而在試管中制造DNA需要加入模板DNA、dNTPs、引物、水和DNA聚合酶等物質(zhì)。PCR過程,主要分為兩個部分,一是講解PCR反應(yīng)的成分和條件,二是具體講解PCR反應(yīng)的步驟和原理。第一部分中,講解了PCR反應(yīng)中所需的成分和條件,包括酶、緩沖液、離子、元素等,其中每個酶在反應(yīng)中都需要緩沖液來發(fā)揮作用。第二部分具體講解了PCR反應(yīng)的步驟和原理,包括解旋、退火、延伸三個步驟。其中,解旋需要加熱將DNA分離,退火需要引物(primer)與單鏈DNA結(jié)合形成雙鏈DNA,延伸需要DNA聚合酶(DNA polymerase)沿引物在DNA上進行擴增。在PCR反應(yīng)中,需要循環(huán)進行以上三個步驟,使DNA的數(shù)量呈指數(shù)倍增長。對PCR進行了詳細的講解,主要包括PCR的步驟、溫度設(shè)置、DNA聚合酶的選擇等。PCR有三個主要步驟:變性、退火和延伸。溫度設(shè)置取決于引物的堿基組成,延伸溫度一般為72攝氏度,延伸時間的長短取決于待擴增DNA的長度和DNA聚合酶的速度。此外,DNA聚合酶的選擇也很重要,有高保真和低保真兩種類型。高保真的成本更高,但準確性更高,適用于需要高精度的實驗。而低保真的成本更低,適用于一些不需要高精度的實驗,如檢測病原體。選擇DNA聚合酶的類型取決于實驗的需求和目的。中心法則(Central Dogma)的相關(guān)內(nèi)容。中心法則指的是DNA轉(zhuǎn)錄成RNA,再由RNA翻譯成蛋白質(zhì)的過程。在克隆基因、制造蛋白質(zhì)等實驗中,需要使用高精度的聚合酶。轉(zhuǎn)錄過程由RNA聚合酶控制,而翻譯過程由核糖體控制。DNA聚合酶在PCR技術(shù)中使用,RNA聚合酶則用于研究轉(zhuǎn)錄過程。總的來說,中心法則對生物技術(shù)的研究具有重要意義。
基因的結(jié)構(gòu)和功能。一個基因編碼著特定的RNA,RNA再編碼著特定的蛋白質(zhì)。基因可以被開或關(guān),由轉(zhuǎn)錄因子來控制基因的開關(guān)。轉(zhuǎn)錄因子與啟動子結(jié)合,招募RNA聚合酶來啟動轉(zhuǎn)錄。終止子位于基因的三端,告訴RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄。講述了遺傳信息的中心法則。RNA聚合酶在遇到終止子時,轉(zhuǎn)錄停止。轉(zhuǎn)錄時,有時會出現(xiàn)長的mRNA,其中包括5' UTR和3' UTR,其中5' UTR是未翻譯區(qū)域,3' UTR是翻譯區(qū)域。在翻譯時,核糖體通過查看開放閱讀框架的密碼子來開始翻譯,其中ATG是起始密碼子,TAA,TAG和TGA是終止密碼子。堿基突變有兩種類型:SNP和移碼突變。SNP通常只會改變一個氨基酸,而移碼突變則會改變整個基因的翻譯框架,從而破壞蛋白質(zhì)。講述了基因突變的類型、外顯子和內(nèi)含子的作用、剪接過程、轉(zhuǎn)錄和翻譯發(fā)生的位置、以及一些基因調(diào)控元件如啟動子和增強子的作用。基因突變可能會有不同的影響,而外顯子和內(nèi)含子的存在可以增加基因的變化和多樣性。剪接過程可以去除內(nèi)含子,使編碼mRNA只包含外顯子。轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細胞核內(nèi),而翻譯發(fā)生在細胞質(zhì)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。啟動子中的TATA盒可以招募RNA聚合酶,而增強子可以進一步調(diào)節(jié)基因的表達。這些元件和過程在生物學(xué)中具有重要作用,可以調(diào)控基因的表達和產(chǎn)生多樣的蛋白質(zhì)。
主要在討論氨基酸,包括氨基酸的種類、結(jié)構(gòu)和功能。氨基酸就像樂高積木一樣,可以組合成不同的結(jié)構(gòu),每種氨基酸都有其獨特的功能和特點。討論了一些特殊的氨基酸,如甘氨酸、脯氨酸、賴氨酸和精氨酸等,以及它們在蛋白質(zhì)中的作用和功能。還討論了氨基酸的電荷和硫含量,以及如何利用氨基酸的特性進行生物技術(shù)研究,如利用組氨酸序列進行蛋白質(zhì)純化。總之,討論了氨基酸的重要性和多樣性。討論了氨基酸的種類及其在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能中的作用。其中,Alanine是一種小的氨基酸,可以在維持蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)的同時抑制催化活性。各種氨基酸都具有不同的特性和功能,可以通過突變來改變蛋白質(zhì)的功能。討論還舉了一個例子,說明了如何通過工程學(xué)的方法來改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能,以及如何利用氨基酸的相互作用來實現(xiàn)這個目標。