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下一节:Lecture 4 螺旋之螺旋——超螺旋的奥秘Supercoiled DNA

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视频课程教案、知识点、字幕

知之为知之

不知为不知

螺旋之螺旋

谓之超螺旋

我们已经了解了

DNA的双螺旋结构

以及其他各种二级结构

这堂课我们来看一下

DNA的三级结构

DNA的三级结构是指

在一 二级结构的基础上

多聚核苷酸链的卷曲

它包括了链的扭结 超螺旋等等

而本节我们来看一下最为常见

以及最为重要的DNA的超螺旋

DNA的超螺旋

英文名称为supercoiling

是指在细胞内特定的离子浓度

pH条件

以及拓扑异构酶的作用下

闭合 环状 双链DNA分子

紧密卷曲而形成的三级结构

细胞内的DNA的超螺旋结构

可以通过电镜观察

以及凝胶电泳的方法来进行检测

左图上方是我们的

松弛型环状DNA电镜的结构

而左图下方就是我们的

超螺旋DNA在电镜下的图片

通过凝胶电泳的方法

我们可以看到环形超螺旋结构

它具有最快的电泳迁移率

而环形松弛型DNA

它的电泳迁移率是最慢的

线性松弛型DNA

它的电泳迁移率居中

用这种方法

我们就可以实现

对DNA超螺旋的分离和检测

按照超螺旋的方向

我们可以把DNA超螺旋分为

正超螺旋和负超螺旋

正超螺旋是指超螺旋的方向

与双螺旋的方向相反

而负超螺旋是指超螺旋的方向

与双螺旋的方向相同

对于B型双螺旋

它本身是一个右手螺旋

当我们在B型双螺旋上

施加右旋的力量使旋转变紧

我们的环状DNA

为了平衡额外的力量会形成

与双螺旋方向相反的超螺旋

这种超螺旋就被称为正超螺旋

同理

当我们给B型双螺旋上

施加左旋的力量使它的旋转变松

我们的环状DNA

同样为了平衡压力

就会形成与我们的B形双螺旋

相同方向的超螺旋

这种超螺旋方向与双螺旋方向

相同的情形

这种方向的超螺旋

我们就称之为负超螺旋

相同相反 相反相同

天哪 我都分不清楚了

那我们就来一起

看一看搓麻绳的视频

你们也可以一起来做一做哦

需要注意的是

几乎所有生物中

天然的DNA都是负超螺旋的哦

DNA的超螺旋

可以用两个公式来表达

第一个公式就是1968年由

Vinagrad提出来的Vinagrad公式

γ=β-α

这里的α指的是初级螺旋圈数

它是由

我们DNA链的长度来决定的

而β指的是

连接数linking number

它是指我们的双链DNA之间

所交叉的个数

而γ就是指我们的超螺旋数了

在描述Vinagrad

研究工作的这篇论文中

我们可以看到Vinagrad首先对

闭合环状DNA的特性进行研究

从电镜结果中他发现

对于DNA分子而言

由DNA链长度

所决定的螺旋圈数

是DNA分子

最稳定化学状态下的螺旋圈数

即我们所说到的初级螺旋圈数

一旦DNA分子被旋紧或旋松

也就是说分子间双链间的

交叉数增加或者减少

整个环状闭合DNA分子

就会产生扭曲的结构

来保证总的螺旋数不变

即总是等于我们的初级螺旋圈数

由此他提出了

我们上面提到的公式

γ=β-α

另一个用来描述超螺旋的

是超螺旋密度Sigma

Sigma用公式表示为σ=γ/α

它的含义就是每一个初级螺旋圈数中所能包含的超螺旋的个数

这里我们要注意

大多数的DNA分子

都有5%的负超螺旋哦

DNA的超螺旋还有一些特性

首先

超螺旋是闭合环状 DNA的特点

一旦环状DNA的

单链或者双链被断开

它的超螺旋就会被释放

其次

拓扑异构酶参与了

DNA超螺旋的调控

而由拓扑异构酶调控的DNA超螺旋

参与到了细胞复制等

各各重要的生命过程

因此具有非常重要的

生物学意义

最后希望大家记住

大多数的DNA通常都是

以负超螺旋的状态存在的

可以看到

DNA的超螺旋程度

是由拓扑异构酶来调控的

拓扑异构酶的概念是指能够调控

DNA拓扑异构体之间转换的酶

也就是说拓扑异构酶能够

改变DNA的螺旋性

细胞内有两类拓扑异构酶

分别是

拓扑异构酶1

和拓扑异构酶 2

拓扑异构酶1的功能是

消除负超螺旋

它会作用于单链DNA分子上

每作用一次消除一个负超螺旋

因此不需要能量的提供

拓扑异构酶2呢

是作用于双链DNA分子的

任何部位

每作用一次它会产生

两个负超螺旋

因此它需要 ATP来 提供能量

拓扑异构酶1的

作用原理如图所示

我们可以看到

拓扑异构酶1利用

其络氨酸残基上的羟基

攻击并切断DNA单链上的

磷酸二酯键

并连接在DNA链的5’端

随后它带领着DNA的5’端

绕过另一条未被切断的单链

利用贮藏水解磷酸二酯键的能量

将断头连接起来

这样我们的一个负超螺旋

就被释放了

在大肠杆菌中

拓扑异构酶2又称为

DNA gyrase即促旋酶

它往往是在解旋酶解开

DNA双链形成DNA链上的

正旋压力后

破坏正超螺旋形成

负超螺旋来平衡扭力的

从这幅图我们可以看到

促旋酶的作用原理

促旋酶有两个α亚基

和两个β亚基

具有一个正超螺旋的DNA链

会首先缠绕在我们的促旋酶上

利用ATP提供的能量

切开我们的DNA双链

而DNA双链两端的5’端会

分别与我们的亚基相结合

在我们亚基的带领下

绕过切口并重新连接

重新连接之后的DNA它释放了

正超螺旋而形成了一个负超螺旋

在我们的促旋酶中

我们的α亚基具有

磷酸二酯酶的活性

而我们的β亚基具有

ATP酶的活性

而这幅图给出了质粒DNA

在促旋酶的作用下形成了

负超螺旋的凝胶电泳结果

可以看到

随着促旋酶的增加

我们的DNA形成了具有较高的

电泳迁移率的负超螺旋结构

真核生物中拓扑异构酶2

不仅可以用来释放正超螺旋

形成负超螺旋

还可以用来解开耦合的

两个环状DNA

这幅图给出了一种

strand passage即断裂双链

绕过另一条DNA双链的机制

可以看到我们的拓扑异构酶2

在Mg离子存在的情况下

切割了DNA双链

并在DNA双链两端

形成了磷酸络氨酸

随后ATP的结合使得

酶上端的开口闭合

而闭合的夹子结构俘获了

另外一条双链DNA T

并促进T通过G的切口

在通过G的切口之后

我们的双链DNA T通过

酶下端的羧基端

离开了我们的拓扑异构酶

从而实现了G绕过T的全过程

在这一过程中

第一次ATP的水解促进了

T通过G的切口

而第二次ATP的水解帮助

酶上端的开口重新打开

用来释放我们的双链DNA G

这节课我们介绍了超螺旋的概念

表达方式以及拓扑异构酶的调控

下堂课让我们一起来看一看

DNA的变性

复性

和核酸杂交技术

分子生物学——原理与技术课程列表:

第一讲 生命之源,遗传信息的物质基础

-Lecture 1 分子生物学的前世今生 The past and present journey of molecular biology

--学习说明-第一讲 lecture 1 分子生物学的前世今生-大纲重点

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--Lecture 1 分子生物学的前世今生 The past and present journey of molecular biology

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-第一讲 生命之源,遗传信息的物质基础--Lecture 1

-Lecture 2 揭秘遗传物质的化学本质The nature of genetic material

--学习说明-第一讲 lecture 2 揭秘遗传物质的化学本质-大纲重点.

--Lecture 2 揭秘遗传物质的化学本质

--Lecture 2 揭秘遗传物质的化学本质The nature of genetic material

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--讲义

-Lecture 2 揭秘遗传物质的化学本质The nature of genetic material--作业

-Lecture 3 迷人的双螺旋Structure of DNA double strain helix

--学习说明-第一讲 lecture 3 迷人的双螺旋-大纲重点

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--Lecture 3 迷人的双螺旋Structure of DNA double strain helix

--讲义-第一讲 lecture 3 迷人的双螺旋

-Lecture 3 迷人的双螺旋Structure of DNA double strain helix--作业

-Lecture 4 螺旋之螺旋——超螺旋的奥秘Supercoiled DNA

--学习说明-第一讲 lecture 4 螺旋之螺旋-超螺旋的奥秘-大纲重点

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--Lecture 4 螺旋之螺旋——超螺旋的奥秘Supercoiled DNA

--Lecture 4 螺旋之螺旋——超螺旋的奥秘Supercoiled DNA

--讲义-第一讲 lecture 4 螺旋之螺旋-超螺旋的奥秘

-Lecture 4 螺旋之螺旋——超螺旋的奥秘Supercoiled DNA--作业

-Lecture 5 DNA的变性与复性与核酸杂交技术DNA Denaturation, renaturation and hybridization

--学习说明-第一讲 lecture 5 DNA的变性、复性与核酸杂交技术-大纲重点

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--Lecture 5 DNA的变性与复性与核酸杂交技术DNA Denaturation, renaturation and hybridization

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--Lecture 5 DNA的变性与复性与核酸杂交技术DNA Denaturation, renaturation and hybridization

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--讲义-第一讲 lecture 5 DNA的变性、复性与核酸杂交技术

-Lecture 5 DNA的变性与复性与核酸杂交技术DNA Denaturation, renaturation and hybridization--作业

-Lecture 6 核酸的提取及凝胶电泳 Nucleic acids extraction and gel electrophoresis

--学习说明-第一讲 Lecture 6 核酸的提取及凝胶电泳-大纲重点

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--Lecture 6 核酸的提取及凝胶电泳 Nucleic acids extraction and gel electrophoresis

--Lecture 6 核酸的提取及凝胶电泳 Nucleic acids extraction and gel electrophoresis

--讲义-第一讲 Lecture 6 核酸的提取及凝胶电泳

-Lecture 6 核酸的提取及凝胶电泳 Nucleic acids extraction and gel electrophoresis--作业

-测试题 Tests--作业

-拓展学习资源 Learning resources

--第一讲 拓展学习网络资源

-- 第一讲 部分拓展文献

第二讲 浓缩的就是精华? 从核苷酸到染色体

-Lecture 1 基因组不等于染色体 Genome not equals to chromosome

--学习说明-第二讲 Lecture 1 基因不等于染色体 学习说明

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--Lecture 1 基因组不等于染色体 Genome not equals to chromosome

--Lecture 1 基因组不等于染色体 Genome not equals to chromosome

--讲义-第二讲 Lecture 1 讲义

-第二讲 Lecture 1 习题

-Lecture 2 核小体及其组装Nucleosomes and their Assembly

--学习说明-第二讲 Lecture 2 核小体及其组装 学习说明

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--讨论题1

--讨论题2

--讲义-第二讲_Lecture_2_核小体及其组装_讲义

-Lecture 2 核小体及其组装Nucleosomes and their Assembly--作业

-Lecture 3 更高级别的染色质结构Higher order chromatin structure

--学习说明-第二讲Lecture3 更高级的染色质结构 学习说明

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--讨论题

--讲义-第二讲 Lecture 3 更高级的染色质结构-讲义

-Lecture 3 更高级别的染色质结构Higher order chromatin structure--作业

-Lecture 4 染色质修饰与重建Chromatin modification and remodeling

--学习说明-第二讲 lecture 4 染色质的修饰与重塑 学习说明

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--Lecture 4 染色质修饰与重建Chromatin modification and remodeling

--讲义-第二讲 lecture 4 染色质的修饰与重建-讲义

-Lecture 4 染色质修饰与重建Chromatin modification and remodeling--作业

-测试题 Tests

-拓展学习资源 Learning resources

--拓展学习网络资源

--拓展文献

第三讲 谁与成双——DNA的复制

-Lecture 1 谁与成双——DNA的半保留复制 Semiconservative DNA replication

--学习说明-第三讲_Lecture_1_DNA半保留复制-大纲重点

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--思考讨论题

--讲义-第三讲 Lecture 1 DNA半保留复制-讲义

-Lecture 1 谁与成双——DNA的半保留复制 Semiconservative DNA replication--作业

-Lecture 2 摊开你的掌心,让我看看你——DNA聚合酶The mechanism of DNA polymerase

--学习说明-第三讲_Lecture_2_DNA聚合酶-大纲重点

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--思考讨论题

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--讲义-第三讲 Lecture 2 DNA聚合酶-讲义

-Lecture 2 摊开你的掌心,让我看看你——DNA聚合酶The mechanism of DNA polymerase--作业

-Lecture 3 团队协作的力量——DNA 复制的过程Process of DNA replication

--学习说明-第三讲_Lecture_3_DNA复制过程-大纲重点

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--讲义-第三讲 Lecture 3 DNA复制过程-讲义

-Lecture 3 团队协作的力量——DNA 复制的过程Process of DNA replication--作业

-Lecture 4 DNA复制的起点及其调控Regulation of DNA replication initiation

--学习说明-第三讲_Lecture_4_DNA复制起始调控-大纲重点

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--思考讨论题

--讲义-第三讲 Lecture 4 DNA复制起始调控-讲义

-Lecture 4 DNA复制的起点及其调控Regulation of DNA replication initiation--作业

-Lecture 5 真核细胞的DNA末端复制问题End replication problem of DNA in eukaryotic cell

--学习说明-第三讲_Lecture_5_DNA末端复制问题-大纲重点

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--思考讨论题

--思考讨论题

--讲义-第三讲 Lecture 5 DNA末端复制问题-讲义

-Lecture 5 真核细胞的DNA末端复制问题End replication problem of DNA in eukaryotic cell--作业

-Lecture 6 我也来合成DNA Let’s “cook” DNA

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--思考讨论题

--思考讨论题

--讲义-第三讲 Lecture 6 我也来合成DNA-讲义

-测试题

-测试题 Tests--作业

-拓展学习资源 Learning resources

--第三讲 拓展学习网络资源

--第三讲 部分拓展文献

第四讲 看我七十二变——DNA的损伤及修复

-Lecture 1 复制错了怎么办?Replication errors and the mismatch repair system

--学习说明-第四讲_Lecture1_复制错了怎么办_-学习说明

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--思考题

--思考题

--讲义-第四讲 Lecture1 复制错了怎么办?-讲义

-Lecture 1 复制错了怎么办?Replication errors and the mismatch repair system--作业

-Lecture 2 谁伤害了你的DNA?DNA damage

--学习说明-第四讲_Lecture_2_谁伤害了你的DNA-学习说明

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--思考题

--思考题

--讲义-第四讲 Lecture2 谁伤害了你的DNA?-讲义

-Lecture 2 谁伤害了你的DNA?DNA damage--作业

-Lecture 3 修复受损的DNA Repair of DNA damage

--学习说明-第四讲_Lecture_3_修复受损的DNA-学习说明

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--思考题

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--讲义-第四讲 Lecture3 修复受损的DNA-讲义

-Lecture 3 修复受损的DNA Repair of DNA damage--作业

-Lecture 4 同源重组——不仅仅是拯救断裂的双链DNA Homologous Recombination

--学习说明-第四讲_Lecture_4_同源重组-学习说明

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--讲义-第四讲 lecture 4 同源重组-不仅仅是拯救断裂的双链DNA-讲义

-Lecture 4 同源重组——不仅仅是拯救断裂的双链DNA Homologous Recombination--作业

-Lecture 5 改变天然的基因序列 Changing the natural gene sequences

--学习说明-第四讲_Lecture5_改变天然的基因序列-学习说明

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--思考题

--思考题

--讲义-第四讲 Lecture5 改变天然的DNA序列-讲义

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- 拓展学习资源 Learning resources

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--文献资源

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第五讲 读你千遍也不厌倦——原核细胞转录

-Lecture 1 谁能读懂基因的秘密:RNA聚合酶与转录概述RNA polymerase

--学习说明-第五讲_lecture1-学习说明

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--Lecture 1 谁能读懂基因的秘密:RNA聚合酶与转录概述RNA polymerase

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--讲义-第五讲 Lecture 1 RNA聚合酶与转录概述-讲义

-Lecture 1 谁能读懂基因的秘密:RNA聚合酶与转录概述RNA polymerase--作业

-Lecture 2 原核细胞中的转录过程Transcription process in prokaryotes

--学习说明-第五讲_lecture2-原核转录过程-学习说明

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--讲义-第五讲 lecture 2 原核转录过程-讲义

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-Lecture 3 原核细胞的转录调控I:乳糖操纵子 Lac operon

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-Lecture 3 原核细胞的转录调控I:乳糖操纵子 Lac operon--作业

-Lecture 4 原核细胞的转录调控II:色氨酸操纵子Tryptophan operon

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--Lecture 4 原核细胞的转录调控II:色氨酸操纵子Tryptophan operon

--讲义-第五讲 lecture 4 原核细胞的转录调控Ⅱ-色氨酸操纵子-讲义

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-测试题 Tests--作业

-拓展学习资源

--文献资源

第六讲 我的世界只有你最懂——真核细胞的转录

-Lecture 1 真核细胞的RNA聚合酶及启动子Eukaryotic RNA polymerase and promoter

--学习说明-第六讲 lecture 1 真核细胞启动子及调控元件-学习说明

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--讨论题1

--讨论题2

--讲义-第六讲 lecture 1 真核细胞启动子及调控元件-讲义

-Lecture 1 真核细胞的RNA聚合酶及启动子Eukaryotic RNA polymerase and promoter--作业

-Lecture 2 一个好汉三个帮:真核细胞基本转录过程Transcription process in eukaryotic cell

--学习说明-第六讲 Lecture 2 真核细胞的转录过程-学习说明

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--讨论题1

--讨论题2

--讲义-第六讲 Lecture 2 真核细胞的转录过程-讲义

-Lecture 2 一个好汉三个帮:真核细胞基本转录过程Transcription process in eukaryotic cell--作业

-Lecture 3 真核细胞转录激活因子Transcription factors of eukaryotic cell

--学习说明-第六讲 lecture 3 真核细胞的转录调节因子-学习说明

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--讨论题1

--讨论题2

--讲义-第六讲 lecture 3 真核细胞的转录调节因子-讲义

-Lecture 3 真核细胞转录激活因子Transcription factors of eukaryotic cell--作业

-Lecture 4 基因表达的表观遗传调控Epigenetic Regulation of gene expression

--学习说明-第六讲 lecture 4 基因表达的表观遗传调控-学习说明

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--讨论题1

--讨论题2

--讲义-第六讲 lecture 4 基因表达的表观遗传调控-讲义

-Lecture 4 基因表达的表观遗传调控Epigenetic Regulation of gene expression--作业

-测试题 Tests--作业

-拓展学习资源

--拓展学习网络资源

--拓展学习文献资源

第七讲 “我”不是原来的“我”—— RNA加工及转录后基因表达调控

-Lecture 1 不经历风雨,怎么见彩虹:RNA剪切RNA splicing

--学习说明-第七讲第一节学习说明

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--Lecture 1 不经历风雨,怎么见彩虹:RNA剪切RNA splicing

--Lecture 1 不经历风雨,怎么见彩虹:RNA剪切RNA splicing

--讲义-第一节

-Lecture 1 不经历风雨,怎么见彩虹:RNA剪切RNA splicing--作业

-Lecture 2 头上有犄角,身后有尾巴:前体mRNA的共转录加工 Cotranscriptional processing of nuclear pre-mRNA

--学习说明-第七讲第二节学习说明

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--Lecture 2 头上有犄角,身后有尾巴:前体mRNA的共转录加工 Cotranscriptional processing of nuclear pre-mRNA

--Lecture 2 头上有犄角,身后有尾巴:前体mRNA的共转录加工 Cotranscriptional processing of nuclear pre-mRNA

--讲义-第七讲第二节前体mRNA的共转录加工讲义

-Lecture 2 头上有犄角,身后有尾巴:前体mRNA的共转录加工 Cotranscriptional processing of nuclear pre-mRNA--作业

-Lecture 3 一个基因一个蛋白?One gene one protein?

--学习说明-第七讲第三节学习说明

--视频

--Lecture 3 一个基因一个蛋白?One gene one protein?

--讲义-第七讲第三节讲义

-Lecture 3 一个基因一个蛋白?One gene one protein?--作业

-Lecture 4 “看见”RNA “Seeing” RNA

--学习说明-第七讲第四节学习说明

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--Lecture 4 “看见”RNA “Seeing” RNA

--Lecture 4 “看见”RNA “Seeing” RNA

--讲义-第七讲第四节讲义

-Lecture 4 “看见”RNA “Seeing” RNA--作业

-测试题 Tests--作业

-拓展学习资源 Learning Resources

--部分拓展文献

第八讲 我最爱读三字经

-Lecture 1 我最爱读三字经——遗传密码和解码器Genetic codons and ribosome

--学习说明-第八讲 Lecture 1 遗传密码和解码器-学习说明

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--讨论题

--讲义-第八讲 Lecture 1 遗传密码和解码器-讲义

-Lecture 1 我最爱读三字经——遗传密码和解码器Genetic codons and ribosome--作业

-Lecture 2 翻译过程Process of translation

--学习说明-第八讲 Lecture 2 环环相扣的翻译过程-学习说明

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--讨论题

--讲义-第八讲 Lecture 2 环环相扣的翻译过程-讲义

-Lecture 2 翻译过程Process of translation--作业

-Lecture 3 精细永无止境:翻译水平的基因表达调控 Regulation of gene expression at Translational level

--学习说明-第八讲 Lecture 3 翻译水平的基因表达调控-学习说明

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--讨论题1

--讨论题2

--讲义-第八讲 Lecture 3 翻译及翻译后水平的基因表达调控-讲义

-Lecture 3 精细永无止境:翻译水平的基因表达调控 Regulation of gene expression at Translational level--作业

-Lecture 4 众里寻她千百度——找到你的目标蛋白Detect the location of certain protein

--学习说明-第八讲 Lecture 4找到你的目标蛋白-学习说明

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--讲义-第八讲 Lecture 4找到你的目标蛋白-讲义

-测试题 Tests--作业

-拓展学习资源 Learning resources

--拓展资源文献学习

--Life Cycle of an mRNA

--mRNA procesiing

--蛋白质的合成

--聚丙烯酰胺凝胶电泳

视频笔记与讨论

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