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现代分子生物学资料

第一章 绪论

编辑：杜华伟

一、三大发现：列文·虎克的细胞学说、焦耳用实验确立的能量守恒定律、达尔文的进化论。

二、分子生物学定义：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 ，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。

三、分子生物学研究内容：1、DNA重组技术（基因工程） 2、基因的表达调控 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

四、DNA发现的几个实验：美国科学家AVERY用S型和R型致病菌侵染小鼠的实验、美国科学家HERSHEY在1952年从事的同位素分子标记法噬菌体侵染细菌的试验。

第二章 染色体与DNA

一、染色体的结构和组成 原核生物：DNA形成一系列的环状附着在非组蛋白上形成类核。 真核生物染色体有蛋白质和DNA组成，蛋白质包括组蛋白（H1，H2A、H2B、H3、H4）和非组蛋白。

2、C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。 C值往往与种系的进化的复杂程度不一致，某些低等生物却有较大的C值，这就是著名的―C值反常现象‖。

3、DNA的一级结构：指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序， DNA序列是这一概念的简称。

4、双螺旋的基本特点：双链反向平行配对而成；脱氧核糖和磷酸交替连接，构成DNA骨架，碱基排在内侧；内侧碱基通过氢键互补形成碱基对（A：T，C：G）。

5、DNA 的二级结构指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。是有Watson和Crick在1953年共同发现的。分类：右手螺旋（是其通常存在形式）：A-DNA，B-DNA。左手螺旋：Z-DNA。

6、超螺旋：DNA双螺旋结构中，一般每转一圈有十个核苷酸对，双螺旋总处于能量最低状态。正常DNA双螺旋额外的多转或少转几圈，就会出现双螺旋空间结构改变，在DNA分子中形成额外张力，若此时DNA分子的末端是固定的或是环状分子，双联不能自由转动，额外的张力就不能释放而导致DNA分子内部院子空间位置的重排，造成扭曲，即出现 超螺旋结构。

从DNA到染色体过程的压缩过程：①核小体的形成是染色体中DNA压缩的第一个阶段，在核小体中DNA盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子收缩至原尺寸的1/7。 ②染色质细丝盘绕成螺旋管状的粗丝，每个螺旋管包含6个核小体，其压缩比为6。 ③螺旋管进一步压缩形成超螺旋，压缩比是40. ④超螺旋圆筒进一步压缩5倍便成为染色体单体。 总压缩比是7×6×40×5。

7、DNA的半保留复制：由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。

8半不连续复制：DNA复制过程中，前导链的合成以5’——3‘方向，随着亲本双链体的解开而连续进行复制；后随链在合成过程中，一段亲本DNA单链首先暴露出来，然后以与复制叉移动相反的方向，按照5’——3’方向合成一系列的冈崎片段，然后再把它们连接成完整的后随链。这种前导链的连续复制和后随链的不连续复制在生物界是有普遍性的，因而称为双螺旋的半不连续复制。

9、从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫复制子。复制时，解链酶等先将DNA的一段双链解开，形成复制点，这个复制点的形状象一个叉子，故称为复制叉。

10、线性DNA双链的复制方式:⑴、将线性复制子转变为环状或多聚分子。⑵、在DNA末端相处发夹式结构。⑶、在某种蛋白质的介入下，在真正的末端上启动复制。 环状双链DNA的复制分为θ型、滚环型和D-环型几种类型。

11、后随链的复制由引发体来引发，引发体像火车头一样在后随链分叉的方向上前进，并在模板上断断续续的引发生成后随链的引物RNA短链，再由DNA聚合酶III作用合成DNA，直至遇到下一个引物或冈崎片段为止。由RNaseH降解RNA引物并由DNA聚合酶I将缺口补齐，再由DNA连接酶将两个冈崎片段连在一起形成大分子DNA。

12、冈崎片段：DNA复制过程中，两条新生链都只能从5'端向3'端延伸，前导链连续合成，滞后链分段合成。这 - 1 -

些分段合成的新生DNA片段称冈崎片段。

13、DNA的修复包括错配修复（恢复错配）、碱基切除修复（切除突变的碱基）、核甘酸切除修复（修复被破坏的DNA）、DNA直接修复（修复嘧啶二体或甲基化DNA）、SOS系统（DNA的修复，导致变异）

14、DNA的转座或叫移位（transposition)：由可移位因子(transposable element) 介导的遗传物质重排现象。 转座子（transposon Tn）：存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。 原核生物转座子的类型：1、插入序列 2、复合转座子 3、TnA家族

15、DNA的复制酶：①引物合成酶（此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA的引物） ②DNA聚合酶{原核生物中的DNA聚合酶（聚合酶Ⅰ主要是对DNA损伤的修复；以及在DNA复制时切除RNA引物并填补其留下的空隙。聚合酶Ⅱ修复紫外光引起的DNA损伤。聚合酶Ⅲ是 DNA 复制的主要聚合酶，还具有3’-5’外切酶的校对功能，提高DNA复制的保真性。）（真核生物中的DNA聚合酶：聚合酶ɑ：引物合成。聚合酶β：损伤修复。聚合酶γ：线粒体DNA的复制。 聚合酶δ：核DNA的复制。 聚合酶ε：与后随链合成有关） ③DNA连接酶：DNA连接酶在DNA复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用 ④DNA 拓扑异构酶：拓扑异构酶?：使DNA一条链发生断裂和再连接，作用是松解负超螺旋。主要集中在活性转录区，同转录有关。拓扑异构酶Π：该酶能暂时性地切断和重新连接双链DNA，作用是将负超螺旋引入DNA分子。同复制有关。DNA 解螺旋酶 /解链酶：通过水解ATP获得能量来解开双链DNA。

第三章

编辑：纪明昌

中心法则：

复制RNA复制

DNA转录逆转录RNA翻译蛋白质转录：是指拷贝出一条与DNA链序列完全相同（除了T→U之外）的RNA单链的过程，是基因表达的核心步骤。包括：模板识别，转录起始，转录延伸，转录终止。

转录单元（transcription unit）一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列。

有意义链和反义链：我们把与mRNA序列相同的那条DNA链成为编码链coding strand或称有意义链sense strand，并把另一条根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链成为模板链template strand或称反义链antisense strand。 原核RNA聚合酶：全酶: α2ββ′ζ 核心酶：α2ββ′ α2ββ′ζ（全酶 holoenzyme）=α2ββ′+ζ

真核RNA聚合酶：根据它们对α-鹅膏蕈碱（α- amanitin）的敏感性不同分为RNA聚合酶I、II、III。 RNA聚合酶I 对α-鹅膏蕈碱不敏感 ，RNA聚合酶II 对低浓度α-鹅膏蕈碱敏感 ，RNA聚合酶III 对高浓度α-鹅膏蕈碱敏感 酶 RNA聚合酶Ⅰ RNA聚合酶Ⅱ RNA聚合酶Ⅲ

RNA聚合酶全酶与启动子区闭合双链DNA结合形成二元闭合复合物（全酶、模板DNA）

再解链为二元开链复合物，转录起始，形成三元复合物（全酶、模板DNA、新生RNA），?因子释放，RNA合成开始 启动子定义：指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。 原核生物启动子结构

-10 signal (TATA box,Pribnow box) 酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开） -35 signal（ TTGACA ）提供了RNA聚合酶全酶识别的信号 transcription start site –10区和-35区的最佳距离

-10区与-35区的最佳间距大约是16～19bp. Pribnow区下降突变（TATAAT→AATAAT）

位置 核仁 核质 核质 转录产物 rRNA hnRNA tRNA 相对活性 50-70% 20-40% 约10% 对α-鹅膏蕈碱的敏感性 不敏感 敏感 存在物种特异性 - 2 -

Pribnow区上升突变（TATGTT→TATATT） 真核生物启动子结构

1、核心启动子（core promoter）指保证RNA聚合酶Ⅱ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

-25bp~-30bp TATA box DNA解链开始转录位置 2、上游启动子元件（upstream promoter element，UPE ） （1）CAAT box -75左右，RNA聚合酶结合有关 （2）更上游 GC box 转录因子结合其上 3、增强子

顺式作用元件(cis-acting element)定义：影响自身基因表达活性的非编码DNA序列。

能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子(trans-acting factors)。 反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(transcriptional factors, TF)。 原核与真核生物mRNA的特征比较 原核生物mRNA的特征:

原核mRNA的半衰期短，细菌内mRNA的转录、翻译与降解几乎是同时进行 许多原核mRNA以多顺反子的形式存在

原核mRNA的5‘端无帽子结构或只有短的Poly（A）尾巴

在起始密码子AUG上游7-12个核苷酸处，有一段可与核糖体16S rRNA配对结合的、富含嘌呤的3-9个核苷酸的共同序列，一般为AGGA，此序列称SD序列. 使得结合于30S亚基上的起始tRNA能正确地定位于mRNA的起始密码子AUG 真核生物mRNA的特征

真核mRNA的5’端存在帽子结构

有利于核糖体对mRNA的识别，Cap0必需帽子结构具有增强翻译效率的作用：增加mRNA的稳定性，避免核酸酶的作用 绝大多数真核mRNA具有Poly（A）尾巴

mRNA穿越核膜的能力有关,影响到mRNA的稳定性和翻译效率。polyA+与polyA- 终止分为两类：

●强终止子－内部终止子：不依赖Rho (ρ)因子的终止。

●弱终止子 －需要ρ因子（rho factor），又称为ρ依赖性终止子（ Rho-dependent terminator

不依赖于ρ因子的终止 模板DNA上存在终止转录的特殊信号终止子又称为内在终止子，内在终止子1、终止位点上游一般存在一个富含GC碱基的二重对称区，由这段DNA转录产生的RNA容易形成发卡结构2、在终止位点签名有一段4··8个A组成的序列，所以转录产物的3‘端为寡聚U这种结构的存在决定了转录的终止

依赖于ρ因子的终止 ?因子结合于新合成的RNA链，借助水解ATP的能量沿RNA 链运动，当RNA 聚合酶遇终止子停止时， ?因子追上酶，促使转录终止。 转录后加工

5’端加帽 3’端加尾 RNA的剪接 RNA的编辑 5’端加帽

5‘端的一个核苷酸总是7-甲基鸟核苷三磷酸（m7Gppp）。mRNA5‘端的这种结构称为帽子（cap）。

①能被核糖体小亚基识别，促使mRNA和核糖体的结合； ②m7Gppp结构能有效地封闭mRNA 5‘末端，以保护mRNA免受5‘核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定。 3’端加尾 提高了mRNA在细胞质中的稳定性

RNA的剪接（Splicing）生物体内内含子的主要类型：P98

将转录形成的mRNA前体（pre-mRNA）中的内含子剪除，将外显子连接起来的加工过程． 参与RNA剪接的物质：snRNA（核内小分子RNA）snRNP（与snRNA结合的核蛋白） RNA的编辑 是指转录后的RNA在编码区发生碱基的突变、加入或丢失等现象。

内含子（intron）：真核细胞基因DNA中的不编码序列，这部分序列并不编码蛋白质，又称间隔序列。

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外显子（exon or extron）：真核细胞基因DNA中的编码序列，这部分序列可转录为RNA，并翻译成蛋白质，也称表达序列。． 可译框架（ORF，open reading frame）

真核生物断裂（不连续）基因在表达过程中时必须经历的步骤． mRNA前体内含子的剪接

hnRNA：(heterogenous nuclear RNA) mRNA原始转录产物或前体

snRNA：(small nuclear RNA) 100-300 核苷酸，以U分类：U1-6

snRNP：(small nuclear ribonucleoprotein)

核酶（ribozyme）指一类具有催化功能的RNA分子，通过催化靶位点RNA链中的磷酸二酯键的断裂，特异性的剪切底物RNA分子，从而阻断基因的表达。

第四章 生物信息的传递（下）

从mRNA到蛋白质

编辑：王应卓

? 遗传密码 (genetic code): DNA（或mRNA）中核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系。 （二）遗传密码的性质（特点）

1.密码的连续性：读码无标点、无重叠，阅读方向为5’→3’ 2.密码的简并性 ? ? ? ? ?

大多数氨基酸都存在几个密码，由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为密码子的简并性（degeneracy）。密码子碱基数确定和对应性（64个密码子对20种氨基酸） 确定同一个氨基酸的不同密码称为同义密码（synonymous codons）。 密码的简并性可以减少碱基突变造成的有害效应。

在标准遗传密码表中，只有一个密码子的氨基酸是Trp和Met。 指阅读mRNA模板上的三联体密码时，只能沿5‘→3‘方向进行。

3.密码的方向性 4.密码的摆动性

1966年，Crick提出摆动假说（Wobble hypothesis） ? ? ? ? ? ? ?

tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子配对时，密码子的第一位、第二位碱基配对是严格的，第三位碱基可以有一定变动，这种现象称为密码的摆动性或变偶性（wobble）。 I（肌苷，次黄嘌呤核苷）?A、U、C配对。

遗传密码无论在体内还是体外，无论是对病毒、细菌、动物还是植物而言都通用。 在真核细胞线粒体中，

UGA不是终止密码子，是Trp的密码子； AUA不是Ile的密码子，而是Met的密码子； AGA和AGG不是Arg密码子，而是终止密码子。 5.密码的普遍性与特殊性

第二节 tRNA

tRNA：运送特定氨基酸到核糖体上合成蛋白质。 一、tRNA的二级结构

? ? ?

二级结构：三叶草型 三级结构：倒L型 稀有核苷含量多

tRNA的功能

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在蛋白质合成中，起着运载氨基酸的作用，按照mRNA链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。

? ? ? ?

3‘端CCA－OH上的氨基酸接受臂 识别氨酰tRNA合成酶的位点 核糖体识别位点 反密码子位点

（一）起始tRNA和延伸tRNA

一类特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA，其他tRNA为延伸tRNA.

? ?

1、无义突变

?

在蛋白质的结构基因中,一个核苷酸的改变可能使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子(UAG、UGA、UAA),使蛋白质合成提前终止,合成无功能的或无意义的多肽,这种突变就称为无义突变.

2、错义突变

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(一)原核生物翻译起始复合物形成

1) 1、翻译起始需要的几种成分：30S小亚基、模板mRNA、fMet-tRNAfMet、三个翻译起始因子（IF-1、IF-2 、 IF-3）、

GTP、50S大亚基、Mg 2＋

错义突变是由于结构基因中某个核苷酸的变化使一种氨基酸的密码变成另外一种氨基酸的密码.

3、原核生物翻译过程中核糖体结构模式：P位：肽酰位(peptidyl site)、A位：氨基酰位(aminoacyl site)、E位：排出位(exit site)

原核起始tRNA携带fMet 真核起始tRNA携带Met

氨基酰-tRNA的表示方法：真核生物： Met-tRNAiMet；原核生物： fMet-tRNAifMet。

四 、肽链合成的终止和释放 I. II.

识别：RF（释放因子）识别终止密码，进入核糖体的A位

水解：RF使转肽酶变为酯酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放

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