山东大学分子生物学期末考试非基地班

1分 子 生 物 学第二章 核酸的结构与功能（4 学时）基本要求：了解核苷酸的结构。熟悉核苷酸的命名。掌握核苷酸的化学组成。二、核酸的一级结构基本要点：1DNA 和 RNA 的一级结构 四种核苷酸或脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以 3，5磷酸二酯键（phosphodiester linkage）相连形成的多聚核苷酸链或脱氧核苷酸（polydeoxynucleotides）, 称为核苷酸序列(也称为碱基序列 )。脱氧核苷酸或核苷酸的连接具有严格的方向性，是前一核苷酸的-OH 与下一位核苷酸的 5-位磷酸间形成 3，5磷酸二酯键，构成一个没有分支的线性大分子。DNA 的书写应从 5到 3。2RNA 与 DNA 的差别 戊糖成分是核糖不是脱氧核糖 ; 嘧啶为胞嘧啶和尿嘧啶而不含有胸腺嘧啶, U 代替了 DNA 的 T。DNA 和 RNA 对遗传信息的携带和传递是依靠核苷酸中的碱基排列顺序变化而实现的。基本概念：核酸的一级结构。基本要求：熟悉 DNA 与 RNA 的区别。掌握核酸的一级结构。三、DNA 的空间结构与功能基本要点：1DNA 的二级结构双螺旋结构模型 的双螺旋结构的研究背景 Chargaff 规则：腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数总是相等（=T），鸟嘌呤的含量总是与胞嘧啶相等（ G=C）； 不同生物种属的 DNA 碱基组成不同，同一个体不同器官、不同组织的 DNA 具有相同的碱基组成。双螺旋结构模型的要点 是一反向平行的互补双链结构 亲水的脱氧核糖基和磷酸基骨架位于双链的外侧、而碱基位于内侧，两条链的碱基互补配对， A-T 形成两个氢键，G-C 形成三个氢键。堆积的疏水性碱基平面与线性分子结构的长轴相垂直。两条链呈反平行走向，一条链，另一条链是。）。2DNA 是右手螺旋结构 DNA 线性长分子在小小的细胞核中折叠形成了一个右手螺旋式结构（图-7 ）。螺旋直径为 nm。螺旋每旋转一周包含了 10 对碱基，每个碱基的旋转角度为36。螺距为 3.4nm；碱基平面之间的距离为 0.34nm。DNA 双螺旋分子存在一个大沟（major groove）和一个小沟（minor groove），目前认为这些沟状结构与蛋白质和 DNA 间的识别有关。DNA 双螺旋结构稳定的维系 横向靠两条链间互补碱基的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持，尤以碱基堆积力更为重要。2结构的多样性 B-DNA(atson-Crick 模型结构) Z-DNA A-DNA3DNA 的超螺旋结构 DNA 在双链螺旋式结构基础上,进一步折叠成为超级螺旋结构,在蛋白质的参与下构成核小体(nucleosome),再进一步折叠将 DNA 紧密压缩于染色体中。DNA 的超螺旋-原核生物 DNA 的高级结构 绝大部分原核生物的 DNA 都是共价封闭的环状双螺旋分子。这种双螺旋分子还需再次螺旋化形成超螺旋结构以保证其可以较致密的形式存在于细胞内(图 3-9)。4DNA 在真核生物细胞核内的组装 染色体的基本单位核小体。核小体由 DNA 和组蛋白共同构成。组蛋白分子共有五种,分别称为 H1,H2A,H2B,H3 和 H4 共同构成了核小体的核心,称为组蛋白八聚体(又称核心组蛋白)。DNA 双螺旋分子缠绕在这一核心上构成了核小体的核心颗粒（core particle）。核小体的核心颗粒之间再由 DNA (约 60 个碱基对,bp)和组蛋白 H1 构成的连接区连接起来形成串珠样的结构(图 3-10)。在此基础上,核小体又进一步旋转折叠,形成纤维状结构及襟状结构、最后形成棒状的染色体,将近 l m 长的 DNA 分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。DNA 双螺旋分子组蛋白八聚体DNA 双螺旋分子缠绕(核心颗粒) 串珠样的结构维状结构及襟状结构棒状的染色体5DNA 的功能 基因(gene) 就是 DNA 分子中的某一区段,经过复制可以遗传给子代,经过转录和翻译四、RNA 的空间结构与功能基本要点：1信使 RNA 的结构与功能 细胞核内合成的 mRNA 初级产物比成熟的 mRNA 大得多,这种初级的 RNA 被称为不均一核 RNA (Hetergeneou nuclear RNA,hnRNA),它们在细胞核内存在时间极短,经过剪接成为成熟的 mRNA 并移位到细胞质(见十二章) 。成熟的 mRNA 由编码区和非编码区构成,它的结构特点(图 3-11)如下:大多数的真核 mRNA 转录后在 5-端加一个 7-甲基鸟苷,同时第一个核苷酸的 C2 也是甲基化的,这种 m7G ppp N m 结构被称为帽子结构(cap sequence)。帽子结构具有促进核蛋白体与 mRNA 的结合、加速翻译起始速度的作用,同时可以增强 mRNA 的稳定性。3在真核 mRNA 的 3末端,有一多聚腺苷酸(poly A)结构,通常称为多聚 A 尾。一般由数十个至一百几十个腺苷酸连接而成。poly A 是 RNA 生成后加上去的。 poly A 与 mRNA 从核内向胞质的转位及 mRNA 的稳定性有关。各种 mRNA 的长短差别很大, mRNA 分子的长短,决定翻译的蛋白质分子量的大小。各种 RNA分子中, mRNA 的半衰期最短,由几分钟到数小时不等,是细胞内蛋白质合成速度的调控点之一。mRNA 的功能是把核内 DNA 的碱基顺序(遗传信息), 按照碱基互补的原则,抄录并转送至胞质,在蛋白质合成中用以翻译成蛋白质中氨基酸的排列顺序。mRNA 分子上每 3 个核苷酸为一组,三联体密码(triplet code)。2转运 RNA 的结构与功能 转运 RNA (transfer RNA,tRNA)是细胞内分子量最小的一类核酸, 100多种 tRNA 都由 70 至 90 个核苷酸构成。tRNA 的功能是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体并将其转呈给 mRNA。 tRNA 的结构特点:分子中含 10%20%的稀有碱基 (rare bases)。稀有碱基是指除 A、G 、C 、U 外的一些碱基,包括双氢尿嘧啶(DHU)、假尿嘧啶( ,pseudouridine)和甲基化的嘌呤( mG,mA)等(图 3-12)。一般的嘧啶核苷以杂环上 N-1 与糖环的 C-1连成糖苷键,假尿嘧啶核苷则用杂环上的 C-5 与糖环的 C-1相连。tRNA 核苷酸中存在局部互补配对的区域,可以形成局部双链,进而形成一种茎-环样(stem-loop)结构或发夹结构。中间不能配对的部分则膨出形成环状或襻状。tRNA 形成三叶草形(cloverleaf pattern)二级结构。分别称为 DHU 环和 T 环,以及反密码环。反密码子(anticoden)与 mRNA 相应的三联体密码子碱基互补。例如负责转运酪氨酸的tRNA(tRNATyr)的反密码子 5-GUA-3与 mRNA 上相应的三联体密码子 5-UAC-3(编码酪氨酸)呈反向互补。不同的 tRNA 依照其转运的氨基酸的差别,有不同的反密码子。X 射线衍射结构分析发现 tRNA 的共同三级结构是倒 L 型( 图 3-13b)。倒 L 形三级结构中 T环与 DHU 环相距很近。3核蛋白体 RNA 的结构与功能 核蛋白体 RNA(ribosomal RNA,rRNA)约占 RNA 总量的 80%以上。rRNA 与核蛋白体蛋白共同构成核蛋白体或称为核糖体 (ribosome),原核生物和真核生物的核蛋白体均由易于解聚的大、小两个亚基组成。真核生物的核蛋白体小亚基由 18S rRNA 及 30 余种蛋白质构成；大亚基则由 5S、5.8S、及28S 三种 rRNA 加上近 50 种蛋白质构成( 表 3-3)。真核生物的 18S rRNA 的二级结构呈花状( 图 3-14),形似 40S 小亚基 ,其中多个茎环结构为核蛋白体蛋白的结合和组装提供了结构基础。DNA 复性 变性 DNA 在适当条件下，分开的两条单链分子按照碱基互补原则重新恢复天然4的双螺旋构象的现象。热变性的 DNA 经缓慢冷却后即可复性，又称为退火（annealing）。第十一章 DNA 的生物合成（复制） （5 学时）基本要求：1. 掌握与 DNA 复制、DNA 损伤与修复、逆转录过程有关的基本概念。包括：半保留复制，半不连续复制，复制叉，复制子，岡崎片段，领头链，随从链，端粒，端粒酶等。2. 掌握复制的过程，以及复制过程中涉及到的各种酶、蛋白因子；并掌握原核生物与真核生物复制的相同点与不同点。3. 掌握逆转录过程，熟悉逆转录酶的应用。4. 了解引起地中海贫血和镰形红细胞贫血的分子机制。重点：DNA 分子在生物体内的合成有三种方式：（1）DNA 指导的 DNA 合成，也称复制，是细胞内 DNA 最主要的合成方式。遗传信息储存在 DNA 分子中，细胞增殖时，DNA 通过复制使遗传信息从亲代传递到子代。 （2）修复合成，即 DNA 受到损伤（突变）后进行修复，需要进行局部的 DNA 的合成，用以保证遗传信息的稳定遗传。 （3）RNA 指导的 DNA 合成，即反转录合成，是 RNA 病毒的复制形式，以 RNA 为模板，由逆转录酶催化合成 DNA。真核生物的 DNA 合成过程与原核生物基本相似，但机理尚不十分清楚，以原核生物为例介绍其复制过程。难点：DNA 的双螺旋结构是复制的结构基础。DNA 复制的实质为酶催化的脱氧核糖核苷酸的聚合反应。复制开始时，亲代双链 DNA 分子解开，分别作为模板，在 DNA 依赖的 DNA 聚合酶催化下，按照碱基配对的原则，将四种脱氧核苷酸连接成 DNA 大分子，合成产物的碱基序列与模板 DNA 的碱基序列是互补的，子代 DNA 双链分子中，一条来自亲代的模板链，另一条为新合成的链，故称半保留复制，是生物体最主要的 DNA 合成方式；合成过程中，自 53连续合成一条领头链，不连续地合成一些片断，而后连成一条随从链，所以 DNA 合成是半不连续合成。反应过程复杂，首先螺旋松弛，双链打开，形成复制叉，然后复制的引发，包括合成引物，形成引发体，最后是 DNA 链的延长与终止。每一阶段需要有许多酶和蛋白因子参与，包括拓扑异构酶，用于理顺解链过程中造成的链的盘绕、打结等现象；解螺旋酶在蛋白因子的辅助下结合于复制起始点，并打开双链，由单链结合蛋白稳定解开的两股单链；引物酶及其它辅助蛋白因子在打开的双链上催化合成引物，由引物提供 3-OH，与原料 dNTP 的 5-P 形成磷酸二酯键，然后 DNA 聚合酶催化这一聚合反应的进行，而 DNA 连接酶将复制中的不连续片段连接成完整的链。真核生物的复制与原核生物相比，为多个起始点、5 种 DNA 聚合酶以及有端粒复制等特点。5一、DNA 的复制基本要求：1. 掌握复制叉、半不连续复制、岡崎片段、领头链、随从链等基本概念。2. 掌握拓扑异构酶、解螺旋酶、单链结合蛋白、引物酶、DNA 聚合酶、DNA 连接酶的特点及生物学作用。3. 熟悉 DNA 的合成过程。4. 了解半保留复制的实验依据。基本概念：1. 中心法则：遗传信息从 DNA 通过转录流向 RNA，RNA 通过翻译指导合成蛋白质，这种遗传信息的传递规律称之。少数 RNA 也是遗传信息的贮存者，RNA 能逆转录为 DNA，是对中心法则的补充。2. 复制（replication）：即 DNA 的生物合成，以 DNA 为模板指导合成相同的 DNA 分子，使遗传信息从亲代传递到子代的过程。RNA 病毒的遗传信息储存于 RNA 分子中，可进行 RNA 复制并反转录合成 DNA。3. 半保留复制（semiconservative replication）：DNA 复制时，亲代 DNA 双螺旋结构解开，分别以解开的两股单链为模板，以 dNTP(dATP、 dGTP 、dTTP 、dCTP)为原料，按照碱基互补的原则，合成与模板链互补的新链，从而形成两个子代 DNA 双链，其结构与亲代 DNA 双链完全一致。因子代 DNA 双链中的一股单链源自亲代，另一股单链为合成的新链，形成的双链与亲代双链的碱基序列完全一致，故称为半保留复制。4. 复制叉（replication fork）：原核生物 DNA 的复制从单一起点开始，双螺旋结构被打开，分开的两股单链分别作为新 DNA 合成的模板，DNA 合成从起点开始向两个方向进行，与单一起点相连的局部结构形状呈“Y ”型，称复制叉结构。5. 半不连续复制：复制过程中，催化 DNA 合成的 DNA 聚合酶只能催化核苷酸从 53 方向合成，以 3 5链为模板时，新生的 DNA 以 53方向连续合成；而以 53 为模板只能合成若干反向互补的岡崎片段，这些片段再相连成完整的新链，故称半不连续复制。6. 岡崎片段（Okazaki fragments）：DNA 双链是反向平行的，复制时，亲代双链 DNA 在复制叉处打开，由于新链的合成具有方向性，即从 53 ，以 53DNA 链为模板合成反向互补的新链时，只能合成小片段 DNA，这些片段根据发现者命名为岡崎片断。7. 领头链、随从链：DNA 双链是反向的，复制时，两股链均作为模板，但新链的合成只能是 53。因此，顺着解链方向合成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链，另一股新6链的复制方向与解链方向相反，复制是不连续进行的，这条不连续合成的链称为随从链。8. 引发体：是由 DnaA 蛋白、 DnaB 蛋白（解螺旋酶） 、DnaC 蛋白、引物酶和 DNA 的起始复制区域共同形成的一个复合结构。DnaA 蛋白辨认复制起始点，DnaB 蛋白有解螺旋作用，DnaC蛋白使 DnaB 蛋白组装到复制起始点，引物酶合成引物。（一） 、原核生物 DNA 的复制1与复制有关的酶及蛋白质：（1）拓扑异构酶：通过切断并连接 DNA 双链中的一股或双股，改变 DNA 分子拓扑构象，避免DNA 分子打结、缠绕、连环，在复制的全程中都起作用。其种类有：拓扑异构酶 I 和拓扑异构酶 II，拓扑异构酶 I 能切断 DNA 双链中一股并再连接断端，反应不需 ATP 供能；拓扑异构酶 II 能使 DNA 双链同时发生断裂和再连接，需 ATP 供能，并使 DNA 分子进入负超螺旋。（2） 解螺旋酶： DNA 进行复制时，需亲代 DNA 的双链分别作模板来指导子代 DNA 分子的合成，解螺旋酶可以将 DNA 双链解开成为单链。大肠杆菌中发现的解螺旋酶为DnaB。（3） 单链结合蛋白（SSB）：在复制中模板需处于单链状态， SSB 可以模板的单链状态并保护模板不受核酸酶的降解。随着 DNA 双链的不断解开，SSB 能不断的与之结合、解离。（4） 引物酶： 是一种 RNA 聚合酶，在复制的起始点处以 DNA 为模板，催化合成一小段互补的 RNA。DNA 聚合酶不能催化两个游离的 dNTP 聚合反应，若没有引物就不能起始 DNA 合成。引物酶能直接在单链 DNA 模板上催化游离的 NTP 合成一小段 RNA，并由这一小段 RNA 引物提供 3-OH， 经 DNA 聚合酶催化链的延伸。（5） DNA 聚合酶：是依赖 DNA 的 DNA 聚合酶，简称为 DNA pol，以 DNA 为模板，dNTP 为原料，催化脱氧核苷酸加到引物或 DNA 链的 3-OH 末端，合成互补的 DNA 新链，即 53聚合活性。原核生物的 DNA 聚合酶有 DNA polI、DNA pol II 和DNA pol III，DNA pol III 是复制延长中真正起催化作用的，除具有 53聚合活性，还有 3 5 核酸外切酶活性和碱基选择功能，能够识别错配的碱基并切除，起即时校读的作用；DNA pol I 具有 53聚合活性、3 5和 53核酸外切酶活性，5 3核酸外切酶活性可用于切除引物以及突变片段，起切除、修复作用。另外，klenow 片断是 DNA pol I 体外经蛋白酶水解后产生的大7片段，具有 DNA 聚合酶和 3 5外切酶活性，是分子生物学的常用工具酶。DNA pol II 在无 DNA pol I 和 DNA pol III 时起作用，也具有 53和 3 5 核酸外切酶活性。（6） DNA 连接酶：DNA 连接酶用于连接双链中的单链缺口，使相邻两个 DNA 片段的 3-OH 末端和 5-P 末端形成 3,5磷酸二酯键。DNA 连接酶在 DNA 复制、修复、重组、剪接中用于缝合缺口，是基因工程的重要工具酶。2DNA 的合成过程：可将复制过程分为起始、延长和终止三个阶段。复制起始：（1） 辨认起始点，合成引发体：在 E.coli，复制起始点称为 oriC，具有特定结构能够被 DnaA蛋白辨认结合，DnaB 蛋白具有解螺旋作用， DnaC 蛋白使 DnaB 蛋白结合于起始点，DNA双链局部被打开，引物酶及其他蛋白加入，形成引发体。（2） 形成单链：DNA 进行复制时，首先在拓扑异构酶作用下，使分子的超螺旋构象变化，然后在解链酶的作用下，解开双链，才能开始进行 DNA 的合成。解螺旋酶在蛋白因子的辅助下打开 DNA 双链，单链结合蛋白 SSB 结合于处于单链状态模板链上；拓扑异构酶使DNA 分子避免打结、缠绕等，在复制全过程中起作用。（3） 合成引物：引发体中的引物酶催化合成 RNA 引物，由引物提供 3-OH 基，使复制开始进行。领头连和随从链均由引物酶合成引物，随从链在复制中需多次合成引物。复制延长：（1） 复制方向：原核生物如 E.coli，只有一个起始点 oriC，两个复制叉同时向两个方向进行复制，称为双向复制。（2） 链的延长：按照与模板链碱基配对的原则，在 DNA 聚合酶 III 的作用下，逐个加入脱氧核糖核酸，使链延长。由于 DNA 双链走向相反，DNA 聚合酶只能催化核苷酸从 53 方向合成，领头链的复制方向与解链方向一致，可以连续复制，而另一股模板链沿 53 方向解开，随从链的复制方向与解链方向相反，复制只能在模板链解开一定长度后进行，因此随从链的合成是不连续的，形成的是若干个岡崎片段。DNA 聚合酶 I 的即时校读，DNA聚合酶 III 的碱基选择功能，使复制具有保真性。复制终止：原核生物如 E.coli，他的两个复制叉的汇合点就是复制的终点。由 RNA 酶切去领头链和随从链中的引物，引物留下的空隙由 DNA 聚合酶 I 催化，四种脱氧核糖三磷酸为原料自 53方向延长填补。最后，DNA 连接酶由 ATP 供能，将两个不连续片段相邻的 5-P 和 38-OH 连接起来，成为连续的子链，复制完成。（二） 、真核生物的复制：真核细胞的一生可以定义为一个细胞周期，细胞增殖时， DNA 通过复制使其含量成倍增加，随后细胞分裂，成为两个子代细胞，DNA 将亲代的特征传递到子代。细胞周期包括 G1 期、S 期、G 2 期和 M 期， DNA 的复制只发生在 S 期。与原核生物相比，真核生物的复制具有以下特点：1. 多复制子：真核生物的 DNA 复制也是半保留复制。染色体线性分子的复制有多个起始点，每个起始点由两个反向运动的复制叉组成，进行双向复制。由一个起始点控制的 DNA 复制称为一个复制子。2. 5 种 DNA 聚合酶：与原核生物不同，真核细胞含有 5 种 DNA 聚合酶：、 和。除了 外，所有 DNA 聚合酶存在于核内。DNA 聚合酶 和 在复制延长中起催化作用，DNA 聚合酶 延长随从链，DNA 聚合酶 延长领头链。DNA 聚合酶 和 在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。DNA 聚合酶 在线粒体中，用于线粒体 DNA 的复制。3. 端粒复制：真核生物染色体线性分子的复制，领头链可连续完整复制，而随从链 3端引物除去后的空隙无法填补，会造成缩短了的子代的双链，解决的途径是用端粒酶来复制染色体的末端（端粒） 。端粒是染色体末端具有特定重复序列和蛋白质的结构，端粒酶是一种逆转录酶，由酶和含重复序列的 RNA 分子组成，它以自身的 RNA 分子为模板从随从链的 3端合成端粒的重复序列，使随从链延长，以防止随从链在每次复制时被缩短。二、DNA 的修复合成受环境理化因素或生物学因素的影响，DNA 序列会发生改变，包括碱基的变化、链的断裂、交联等，通过一定的修复机制对损伤 DNA 进行校正，保证遗传信息的稳定。基本要求：1掌握 DNA 突变的概念及突变类型。2掌握损伤 DNA 的修复机制。3了解突变的意义及引起突变的因素。4了解引起地中海贫血和镰形红细胞贫血的分子机制。基本概念：1突变：是指 DNA 分子中碱基序列的改变，从而影响其表达产物的结构与功能。2框移突变：基因编码区域插入或缺失碱基，DNA 分子三联体密码的阅读方式改变，使转录翻9译出的氨基酸排列顺序发生改变，称为框移突变。3 个或 3n 个碱基插入或缺失，不一定引起框移突变。3切除修复：是最重要的修复方式，由 UvrA、UvrB、UvrC、DNA-pol I、dNTP、连接酶参与。首先 UvrA、UvrB 辨认损伤部位并与之结合，UvrC 切除损伤的 DNA，DNA-pol I 以 dNTP 为原料，填补切除空隙，最后由连接酶连接缺口，完成修复。（一） 突变类型：1点突变：又称错配。DNA 分子中一个碱基的变异，包括转换和颠换。2缺失：DNA 分子中一个核苷酸或一段核苷酸的消失。3插入：一个核苷酸或一段核苷酸插入到 DNA 分子中。4重排：DNA 链内部重组，使其中一段方向反置或大片段的链在 DNA 分子内迁移。（二）修复方式：1直接修复：又称光修复，由光修复酶修复因紫外照射引起的嘧啶二聚体，使其还原。2切除修复：见上。3重组修复：当损伤的 DNA 尚未进行修复就已经进行复制，复制出的子代 DNA 会出现缺口，此时所产生的子代 DNA 就需进行重组修复。重组蛋白 RecA 具有核酸酶活性，将健康母链中与缺口对应的一股 DNA 片段重组到子链缺口处，而健康母链出现的缺口，可按健康的模板由DNA 聚合酶催化填补，然后由连接酶连接，最后将健康链完全复原。4SOS 修复：是 DNA 损伤到难以继续复制时，细胞采取的一种应急性修复方式。DNA 损伤严重，诱导出一系列的复杂反应，产生 SOS 修复酶系，包括重组蛋白、调控蛋白以及复制、修复的酶系统等。三、DNA 的反转录合成反转录又称逆转录，指遗传信息从 RNA 流向 DNA。是 RNA 指导下的 DNA 合成过程，即以 RNA 为模板，四种 dNTP 为原料，合成与 RNA 互补的 DNA 单链，催化这一过程的酶称反转录酶，RNA 病毒中都含有此酶。1反转录酶：属 RNA 指导的 DNA 聚合酶，具有三种酶活性，即 RNA 指导的 DNA 聚合酶，RNA 酶，DNA 指导的 DNA 聚合酶。在分子生物学技术中，作为重要的工具酶被广泛用于建立基因文库、获得目的基因等工作。2合成过程；RNA 为模板，在反转录酶的催化下，合成与 RNA 互补的 DNA 单链，