1、现代分子生物学 Modern molecular biology 1 现代分子生物学 复习提纲 第一章 绪论 第一节 分子生物学的基本含义及主要研究内容 1 分子生物学 Molecular Biology 的基本含义 广义的分子生物学：以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为研究对象，从分子水平阐明生命现象和生物学规律。 狭义的分子生物学：偏重于核酸（基因）的分子生物学，主要研究基因或 DNA 的复制、转录、表达和调控等过程，也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。 1.1 分子生物学的三大原则 1) 构成生物大分子的单体是相同的 2) 生物遗传信息表
2、达的中心法则相同 3) 生物大分子单体的排列（核苷酸、氨基酸）的不同 1.3 分子生物学的研究内容 DNA 重组技术（基因工程） 基因的表达调控 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 第二节 分子生物学发展简史 1 准备和酝酿阶段 时间： 19 世纪后期到 20 世纪 50 年代初。 确定了生物遗传的物质基础是 DNA。 DNA 是遗传物质的证明实验一：肺炎双球菌转化实验 DNA 是遗传物质的证明实验二：噬菌体感染大肠 杆菌 实验 RNA 也是重要的遗传物质 -烟草花叶病毒的感染和繁殖过程 2 建立和发展阶段 1953 年 Watson 和 Cri
3、ck 的 DNA 双螺旋结构模型作为现代分子生物学诞生的里程碑。 主要进展包括： 遗传信息传递中心法则的建立 3 发展阶段 基因工程技术作为新的里程碑，标志着人类深入认识生命本质并能动改造生命的新时期开始 。 第三节 分子生物学与其他学科的关系 思考 证明 DNA 是遗传物质的实验有哪些？ 分子生物学的主要研究内容。 列举 5 10 位获诺贝尔奖的科学家，简要说明其贡献。 现代分子生物学 Modern molecular biology 2 第二章 染色体 与 DNA 第一节 染色体 1.作为遗传物质的染色体特征 : 分子结构相对稳定 能够自我复制 能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程
4、; 能够产生遗传的变异。 2 真核细胞染色体组成 (1) DNA(2) 蛋白质（包括组蛋白和非组蛋白） (3) 少量的 RNA 组蛋白：呈碱性，结构稳定；与 DNA 结合形成、维持染色质结构，与 DNA 含量呈一定的比例 非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清楚 3.染色质和核小体 染色质是一种纤维状结构，由最基本的单位 核小体 (nucleosome)成串排列而成的。 4. 真核生物基因组 DNA 的 C 值和重复序列 C 值 (C Value)：指一种生物单倍体基因组的 DNA 总量。 注意： 生物体进化程度高低与 C 值不成明显线性相关； 亲缘关系相近的生物 C 值却相差大。
5、 高等生物的 C 值不一定比低等生物的 C 值高。 C 值变化范围宽意味着生物基因组中含有大量的无编码功能的重复序列。 DNA 序列可分为 3 类 : (1)不重复序列 ：是主要的结构基因 (2)中度重复序列 各种 rRNA、 tRNA、组蛋白基因以及某些结构基因属于这一类。 中度重复序列往往分散在不重复序列之间。 (3)高度重复序列 卫星 DNA ：不转录序列。 思考： DNA 的 C 值和重复序列 .？ 5.原核生物基因组特点 1）原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，且 DNA 含量少，没有重复序列。 注意 ：染色体外遗传基因的概念：即细菌的质粒、真核生物的线粒体、高等植物的叶绿体等
6、所含有的 DNA 和功能基因。 2）结构简练 3）存在转录单元： 原核 DNA 序列中功能相关的基因丛集在基因组的特定部位，形成转录单元，它们可被一起转录为可翻译多个蛋白质的 mRNA 分子，这种 mRNA 叫多顺反子 mRNA。 注意：原核生物的 mRNA 是多顺反子 mRNA；真 核生物 mRNA 是单顺反子 mRNA 4）有重叠基因：在一些细菌和动物病毒中同一段 DNA 能携带两种不同蛋白质的信息。 6.真核生物基因组的结构特点 真核基因组庞大 存在大量的重复序列 90%以上为非编码序列 转录产物为单顺反子 现代分子生物学 Modern molecular biology 3 断裂基因，
7、含有内含子 有大量顺式作用元件（见第八章） 存在大量的 DNA 多态性 具有端粒结构 第二节 DNA 的结构 1.DNA 的一级结构： 指四种核苷酸 (dAMP、 dCMP、 dGMP、 dTMP)按照一定的排列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸，也称为碱基顺序 2. DNA 的二级结构 定义：指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。 3.DNA 双螺旋结构模型的要点： 脱氧核糖和磷酸通过 3,5磷酸二酯键交互连接，成为螺旋链的骨架。 碱基互补配对 螺旋参数：螺旋直径 nm。螺旋每旋转一周 10 对碱基，每个碱基的旋转角度为 36；螺距 3.4nm；碱基平面之间的距离为 0.34n
8、m。 大沟小沟 ：大沟 (2. 2nm)小沟 (1. 2nm) 4.维持 DNA 双螺旋的力：氢键、碱基堆集力（包括疏水作用力和范德华力。）、磷酸基团间的静电斥力、碱基分子内能 总之 : 氢键和碱基堆集力有利于 DNA 维持双螺旋结构，而静电斥力和碱基分子内能则不利于 DNA 维持双螺旋结构。 5.双螺旋结构的基本形式 ： A， B， Z 型双螺旋 Z-DNA 有什么生物学意义呢 ? Z-DNA 在热力学上是不利的。带负电荷的磷酸根距离太近，产生静电排斥。 DNA 链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。 DNA 解链是 DNA 复制和转录等过程中必要的环节，因此 Z-DNA 的结构与基因
9、表达调控有关。 6. DNA 的超螺旋结构 (三级结构 ) 超螺旋的类型：负超螺旋、松弛 DNA、正超螺旋（转化相关物质：拓扑异构酶 、溴化乙锭） 超螺旋的意义： 超螺旋形式是 DNA 分子复制和转录的需要； 超螺旋可使 DNA 分子形成高度致密的状态从而 得以容纳于有限的空间。 7. DNA 的理化性质 -变性和复性 常用的变性方法：热变性、碱变性 核酸变性程度的鉴定紫外测定法： 第三节 DNA 的复制概述 1 DNA 复制的基本机理半保留复制 DNA 半保留复制的意义： 保证 DNA 代谢的稳定性。稳定性是相对的，变异是绝对的 2 DNA 复制的起点、方向和速度 1)起点： 复制子 : 从
10、复制原点（ ori ）到终点，组成一个复制单位。 原核生物：只有一个复制子 真核生物 : 多个复制子 2)方向： 双向等速复制：大多数生物体内 DNA。 现代分子生物学 Modern molecular biology 4 单向进行：有些病毒（如腺病毒等）、质粒 DNA 及线粒体 DNA。 不对称复制：在一定时期内 DNA 只复制一条链的情况。 如线粒体的 D-环复制和噬菌体的滚环复制方式。 3 复制的几种方式 1) 线状 DNA 双链的复制 2) 环状 DNA 双链的复制： 型、滚环复制、 D 环 思考： 原核生物基因组特点。 DNA 双螺旋结构模型的要点？ DNA 的变性和复性？ DNA
11、复制的几种方式。 第四节 原核生物和真核生物 DNA 复制特点 1 原核生物 复制的特点 1) DNA 双螺旋的解旋 解旋酶 (helicase)： 解开氢键，形成单链。利用 ATP 水解获得的能量来打断氢键；二聚体或六聚体形式存在；作用方向：大部分为 5 3, 单链结合蛋白（ SSBP）： 功能：稳定单链 DNA。特点： SSBP 与螺旋酶不一样，不具备酶的活性，不和 ATP 结合。 SSBP 可以重复使用 DNA 拓扑异构酶 (DNA topoisomerase)：既能水解 、又能连接磷酸二酯键 DNA 拓扑异构酶功能： 在 DNA 复制时，拓扑酶可松驰超螺旋，有利于复制叉的前进。 DNA
12、 复制完成后，拓扑酶可将 DNA 分子引入超螺旋，使 DNA 形成染色质。 2) DNA 复制的引发 引发： DNA 复制需要合成 RNA 引物，这段 RNA 引物的合成称为引发。 DNA 复制为什么需要引物 (Primer)？ 答案： DNA 聚合酶只能催化 dNTP 到已有核酸链的游离 3 -OH 上，而不能从游离核苷酸起始 DNA 链的合成。 3) 冈崎片段与半不连续复制 4) 复制的终止： 5) DNA 聚合酶 2 真核生物复制的特点 1）多个复制子，双向复制 2）复制子相对较小 3）复制终止通过复制叉的相遇而终止 4）复制起点为自主复制序列（ ARS） 3 DNA 复制的调控 原核
13、生物和真核生物 DNA 复制的比较 相同点： 1）半保留复制方式 2）半不连续复制 3） DNA 螺旋酶 , SSBP4） RNA 引物 不同点： 1） 复制起点（单、多） 2）复制子（大小、多少） 3）复制叉移动的速度 4）冈崎片段的大小 5）端粒和端粒酶 6） DNA 聚合酶 7）引物酶 思考题 名词解释 复制子 半保留复制 岗崎片段 现代分子生物学 Modern molecular biology 5 简答题 1. DNA 复制为何选择 RNA 作为引物？ 2. 大肠杆菌 DNA 复制起始过程如何，有哪些因子参与？ 3. 原核生物 DNA 复制的形式有哪几类？ 4. 真核与原核复制的比较
14、 第五节 DNA 的修 复 1 错配修复 2 切除修复（碱基、核甘酸） 3 重组修复 4 DNA 直接修复 5 SOS 系统 : SOS 修复是指 DNA 受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种 DNA 修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复，细胞有较高的突变率。 SOS 反应是生物在不利环境中求得生存的一种基本功能。对原核生物将会产生高变异，对高等动物则是致癌的。 第六节 DNA 的转座 1.转座子（ transponson,简称 Tn） , 又称易位子，是指存在于染色体 DNA 上 可以自主复制和位移的一段 DNA 序列。
15、 2.转座子类型： 细菌转座子 1） IS （插入序列 2) Tn （复合转座子） 3） TnA （ TnA family） 真核生物转座子特点：（ 1）两端有 IR（ 2）内部有转座酶等基因； 3.转座的遗传学效应：引起插入突变、产生新基因、引起染色体畸变、引起生物进化 4.玉米中控制因子家族 1)自主性元件： Ac 有自主剪接和转座的能力。 2) 非自主性元件： Ds 单独存在是稳定的；不能自发地转座，当基因组中存在与非自主性元件同家族的自主性元件时，它才具备转座功能，成为与自主性因 子相同的转座子，不论这自主元件位于何处。 问答题 什么是转座子？转座子有哪几种类型？ 什么叫做 Ds-Ac
16、 因子？ 错配修复和切除修复的机制。 第三章 生物信息的传递（上） 从 DNA 到 RNA 1. 基本概况 编码链与模板链 : 与 mRNA 序列相同的那条 DNA 链称为编码链（有意义链、正 (+)链 ） ； 将另一条根据碱基互补原则指导 mRNA合成的 DNA 链称为模板链（无意义链、负 (-)链）。 结构基因： DNA 分子上转录出 RNA 的区段，称为结构基因。 转录单元 : 一段从启动子开始至终止子结束的 DNA 序 列。 RNA 合成的基本特征： 1) 5 3 方向； 2) 底物三磷酸核苷酸（ NTP） 3) 不对称转录，以单链 DNA 为模板。 现代分子生物学 Modern mo
17、lecular biology 6 4) 不需要引物，合成是连续的。 5) 对一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，且每个基因的转录都受到相对独立的控制。 2. 转录的基本过程 1）模板识别 : 与原核生物的不同，真核生物的 RNA 聚合酶不能直接识别基因的启动子区，需要一些被称为转录调控因子的辅助蛋白质按特定顺序结合于启动子上， RNA 聚合酶才能与之相结合并形成复杂的前起始复合物，以保证有效地起始转录。 2)转录起始 3)转录延伸：即是 RNA 聚合酶释放 因子离开启动子后，核心酶沿着模板 DNA 移动并使新生 RNA 链不断伸长的过程。 4)转录终止 3. 转录机器的主要成分 转录酶
18、:原核生物的 RNA 聚合酶、真核生物的 RNA 聚合酶 (RNA pol、 RNA pol、 RNA pol ) 转录复合物 思考： RNA 聚合酶如何找到 DNA 上需要转录的那个基因的特异性启动子？ 因子功能特点 （ 1） 因子负责模板链的选择和转录的起始 （ 2）提高 RNA 聚合酶对启动子区的亲和力 （ 3） 因子不参与转录延伸过程，在转录起始后 RNA 聚合酶上释放出来 只有全酶才能在正 确位置起始转录。核心酶能在 DNA 模板上合成 RNA，但不能在正确位置起始转录。 核心酶和全酶的区别：核心酶没有 因子 4. 启动子与转录过程 1）原核生物的启动子结构特点： 转录起始点 : 常
19、见序列为 CAT， A 为起始点 -10 区 : 结构特点： 保守序列： TATAAT A.T 较丰富，易于解链。 功能： (1) RNA pol 结合位点 ； (2) 形成开放启动复合体； (3) 使 RNA pol 定向转录。 -35 区： 结构特点： 其保守序列 TTGACA 与 -10 序列，相隔 16-19bp 功能： (1) RNA pol 的识别 位点。 (2) 不同亚基识别不同启动子，调控不同基因的转录起始。 增强子 ：具有增加启动子的作用。 增强子的特点： 远距离效应。 无方向性。可位于靶基因的上游、下游或内部。 顺式调节。只调节位于同一染色体上的靶基因。 无物种和基因特异性
20、。可连接到异源基因上发挥作用 有组织特异性。需要特定的蛋白因子参与。 有相位性。其作用与 DNA 的构象有关。 2)真核生物的启动子 核心启动子：保证 RNA 聚合酶转录正常起始所必需的、最少的 DNA 序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游 TATA 区。作用：选择正确的转录起始位点， 保证精确起始 上游启动子元件：控制转录效率、频率 其他元件：八碱基区域、 KB 元件 、 ATF 元件 现代分子生物学 Modern molecular biology 7 思考： RNA 聚合酶如何找到 DNA 上的一个特异性的启动子？ 原核生物启动子的结构特点？ 真核生物启动子的结构特点？ 转录因子：凡
21、是转录起始过程必需的蛋白质，只要它不是聚合酶的组成成分，就可将其定义为转录因子（ transcription factor, TF). 抗终止作用：因子的作用被抵消，使得 RNA 聚合酶通过终止子继续转录后面的基因 5. 原核生物与真核生物 mRNA 的特征比较 原核生物 mRNA 的特征 mRNA 转录产物是成熟的，不需修饰即可 直接进行翻译； 半衰期短 多以多顺反子的形式存在 5 端无“帽子”结构， 3 端没有或只有较短的 poly（ A）结构。无内含子， mRNA 是连续的 S D 序列： 使 rRNA 正确定位于起始密码子 真核生物 mRNA 的特征 5 端存在 帽子 结构 多数 mR
22、NA 3 端具有 poly（ A）尾巴（组蛋白除外） 以单顺反子的形式存在 前体 mRNA 有内含子，是断裂基因。 注意： 单顺反子 mRNA：只编码一个蛋白质的 mRNA。多顺反子 mRNA： 编码多个蛋白质的 mRNA。 5端帽子结构的功能： a. 翻译起始的必要结构， b. 增加 mRNA 的稳定性 c. 有助于 mRNA 越过核膜 polyA 尾巴的功能 : 与 mRNA 从细胞核转送到细胞质有关。稳定 mRNA 结构，保持生物半衰期。与真核 mRNA 的翻译效率有关： 6. 内含子的剪接、编辑、再编码及化学修饰 核酶 (ribozyme) (核糖核酸酯酶 )：具有催化功能的 RNA
23、分子。 作用特点：核酶既是催化剂又是底物，随着反应最终消失。 思考题 名词解释： 转录单位、转录起点、启动子、终止子 简答题： 1、简述 因子在转录 起始中的作用 2、简述原核生物基因启动子的结构 3、简述原核生物转录终止的两种机制 4. RNA 聚合酶 II 的启动子有哪些基本元件，各元件的作用是什么？ 5.碱基替换编辑、插入编辑与点突变（碱基替换、碱基增加）有何不同？ 6.真核生物转录和原核生物转录的差异？ 7.转录和复制都是合成的过程，二者有何不同？ 8.内含子的“功能”及其在生物进化中的地位。 9.核酶的意义和应用有哪些？ 10.RNA 在生物进化中的地位？ 第四章 生物信息的传递 -
24、从 mRNA 到蛋白质 现代分子生物学 Modern molecular biology 8 遗传密码 三联子 1 遗传密码 遗 传密码（ genetic code）： mRNA 中蕴藏遗传信息的碱基顺序。 2 遗传密码的性质 ? （ 1）密码的连续性 （ 2）密码的简并性 （ 3）密码的通用性和特殊性 （ 4）密码子的摆动性 密码子和 tRNA 数量 如果有几个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不同的密码子都对应于各自独立的 tRNA。 第一、二位碱基相同的密码子，则共用一种 tRNA。 tRNA 的结构、功能与种类 1.tRNA 的空间结构 （ 1） 三叶草的二级结构 a、氨基酸
25、接受臂 : 功能：负责携带氨基酸。 b、 T C 臂 : 功能 ：负责和核糖体上的 rRNA 识别结合； c、 反密码子臂 : 功能：负责对 mRNA 上的密码子的识别与配对。 d、 D 环 : 功能：起连接作用 e、额外环 : 功能：在 tRNA 三维结构中连接两个区域（ D 环 -反密码子环和 T C-受体臂）。 f、 含丰富的稀有碱基 : 每个 tRNA 分子至少含有 2 个稀有碱基，最多有 19 个 （ 2） “ L”形三级结构 2 tRNA 的功能 1) 解读 mRNA 的遗传信息 2) 运输的工具，运载氨基酸 3 tRNA 的种类 :起始 tRNA 和延伸 tRNA; 同工 tRN
26、A; 校正 tRNA AA-tRNA 合成酶的功能： 1) 能识别 tRNA。 2) 能识别氨基酸，它对两者都具有高度的专一性。 核糖体的结构与功能 核糖体发挥生物学功能的 5 个活性位点 mRNA 结合位点； 结合 AA-tRNA 位点（ A 位）； 结合肽基 tRNA 位点（ P 位）； 空载 tRNA 移出位点（ E 位）； 形成肽键的位点 (转肽酶中心 ) 。 核糖体的功能 小亚基 : 负责对模板 mRNA 进行序列特异性识别 大亚基 : 负责携带 AA-tRNA、肽键的形成等 蛋白质合成的过程 1) 氨基酸的活化 氨基酸 ATP 氨基酰 -AMP PPi 氨基酰 -AMP tRNA
27、氨基酰 -tRNA AMP 2) 翻译的起始 a) 核糖体大小亚基分离 现代分子生物学 Modern molecular biology 9 b) 30S 小亚基通过 SD 序列与 mRNA 模板相结合。 c) 起始 tRNA 的结合 d) 70S 起始复合物形成 起始因子 生物学活性 IF-1 防止 tRNA 过早与核糖体 A 位点结合。 IF-2 帮助 fMet-tRNAfmet 与 30S 小亚基结合 IF-3 与 30S 小亚基结合，防止过早与 50S 亚基结合 促进 fMet-tRNAfmet 向 P 位点迁移 3) 肽链的延伸 AA-tRNA 与核糖体结合 (进位 ): 主要是密码
28、子 -反 密码子的识别；需要消耗 GTP，并需 EF-Tu、 EF-Ts两种延伸因子 肽键的生成 : 移位。核糖体向 mRNA3端方向移动一个密码子。需要消耗 GTP，并需 EF-G 延伸因子。 4) 肽链的终止：肽链释放， tRNA 逐出，核糖体与 mRNA 解聚。 mRNA 的信息阅读： 5端向 3端，肽链延伸：从 N 端到 C 端。 真核与原核蛋白质合成的异同 真核 原核 核糖体 80S 70S 含蛋白数量 多于 80 少于 60 起始 tRNA tRNA met tRNAfmet 启动 eIF 十多种 IF 三种 小亚基先与 tRNA 结合 先与 mRNA 结合 延长 EF1,EF2
29、EF-Tu EF-Ts EF-G 终止 RF RF1， RF2， RF3 5) 蛋白质前体的加工 N-端 f-Met 或 Met 的切除 二硫键的形成 特定氨基酸的化学修饰 切除新生肽链中的非功能片段 蛋白质的空间折叠 分子伴侣：能在细胞内辅助 新生肽链正确折叠的一类蛋白质。分为两类：热休克蛋白家族、伴侣素家族 蛋白质的运转机制 翻译运转同步机制：分泌蛋白质大多是以同步机制运输的。 翻译后运转机制：由细胞质进入细胞器的蛋白质大多是以翻译后运转机制运输的。 第五、六章 分子生物学研究法 (略 ) 第七章 基因表达与调控（上） 原核基因表达调控模式 绪论 1 基因表达的方式 永久性表达： 指不大受
30、环境变动而变化的一类基因表达。维持细胞最低限度功能所不可少的基因。 现代分子生物学 Modern molecular biology 10 适应性表达： 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 应环境条件变化基因表 达水平增高的现象，这类基因被称为 可诱导的基因； 随环境条件变化而基因表达水平降低的现象相应的基因被称为 可阻遏的基因。 2 基因表达调控的生物学意义 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核） 维持个体发育与分化（真核 ） 原核生物基因调控总论 操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。 操纵子
31、的基本组成： 结构基因 : Z Y A 调控基因： I 操纵基因： O 启动子 : P 终止子： T 结构基因（ structural gene）：编码蛋白质或 RNA 的任何基因。 调控基因（ regulator gene）：参与其他基因表达调控的 RNA 或蛋白质的编码基因。 操纵基因（ operator gene， O）：调控蛋白特异性结合的一段 DNA 序列； 启动子 (promoter, P) ：能被 RNA 聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段 DNA 序列。 终止子 (terminator, T) ：给予 RNA 聚合酶转录终止信号的 DNA 序列。 负转录调控 : 在没有调控蛋
32、白质存在时基因是表达的 ，加入这种调控蛋白质后基因表达活性便被关闭。 相应的调控蛋白称为阻遏蛋白； 正转录调控 : 如果在没有调控蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调控蛋白质后基因活性就被开启。 相应的调控蛋白称为激活蛋白。 可诱导调控：在某些物质的诱导下使基因活化。 可阻遏调控：基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 辅阻遏物 (corepressor)：作用于调控蛋白，引起基因表达阻抑的小分子物质。 诱导物（ inducer）：作用于调控蛋白，引起诱 导发生的小分子物质。 效应物（ effector）：在操纵子系统中某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录的影响的特定物质。 安慰诱导物： 如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如 IPTG（异丙基 - D-硫代半乳糖苷）。 乳糖操纵子 (lac)与负控诱导系统 调控基因
