分子生物学介绍.doc

第一章 DNA的生物合成和修复 第一节 DNA 复 制 核酸链的合成方向只有一个：53。在DNA复制过程中，DNA双螺旋的两条链可以同时作为模板；但是在转录时，DNA双链中往往只有1条链能够作为模板链，也有个别例外。RNA聚合酶能够从头合成1条新的RNA链，而DNA聚合酶则需要RNA引物，它不能从头合成1条DNA链。 染色体DNA复制的共同特征有：半保留复制。形成复制叉结构。双向复制。半不连续复制。复制起点具有特殊序列。需要RNA引物。复制的高度忠实性。-DNA复制时，1条链的合成方向和复制叉的前进方向相同，可以连续复制，这条链叫作前导链(1eading strand)；-而另一条链的合成方向和复制叉的前进方向正好相反，不能连续复制，只能分成几个片段合成，故称之为滞后链(1agging strand)。-滞后链片段叫作冈崎片段，它们合成后再连接起来。 -DNA链不能从头合成。在DNA复制开始时必须先合成一小段RNA作为引物(primer)，从它的3羟基开始合成DNA链，这一过程叫作引发(priming)。- 三、E.coli的DNA复制 (一)复制的起始 oriC的9bp区富含A和T，DnaA蛋白的结合使这一区域容易解链(melted)，并形成复制起始的开放型复合物(open complex)，这个过程消耗ATP。dnaC蛋白将dnaB蛋白运送到指定位置解旋酶 DnaB蛋白介导E.coli的染色体DNA必须进一步解旋。复制开放复合物中的每1条单链上各有1个解旋酶分子结合。而形成预引发复合物(prepriming complex)。 *Ecoli的SSB蛋白结合于DNA单链区，以防止DNA再退火(reannealing)，此外，SSB蛋白可以防止形成局部发夹式螺旋阻碍DNA聚合酶前进。 (二)引发 DNA复制都需要引发酶合成RNA引物。这些RNA引物5，端第1个核苷酸通常是pppA，个别为pppG，其长度从几个核苷酸(45个)到十几个不等，它们的前12个核苷酸往往是固定的，后面的可以是任意的核苷酸，也可能从DNA模板链上拷贝。 -引发酶、DnaB和几种蛋白因子形成的复合物叫作引发体(primosome)，它能沿着结合了SSB蛋白的DNA单链定向运动，并在不同位点合成RNA引物。 (三)半不连续复制在E.coli复制叉，前导链的连续合成比较简单。滞后链合成分段进行，需要合成若干RNA引物，DNA聚合酶可以在RNA引物的3端开始合成罔崎片段(Okazaki fragments)，在细菌和噬菌体中它的长度一般为1 0002 000个核苷酸，但在真核细胞中只有100200个核苷酸。当每个新合成的罔崎片断3端到达相邻的另1个罔崎片段的5端时，DNA聚合酶I利用其53，外切酶活性切除后者5端的RNA引物，同时利用它的DNA聚合酶活性填补两个罔崎片段之间的缺口。然后，另1个关键酶DNA连接酶(1igase)将相邻的这两个罔崎片段的3羟基和5磷酸基团连接起来。 DNA聚合酶I，从N端到C端有3个酶促活性结构域依次排列： 53外切酶和35外切酶和DNA聚合酶。在DNA损伤修复时，DNA聚合酶I对于填补缺口(gapfilling)可能是最重要的酶。 DNA聚合酶兼有35外切酶和DNA聚合酶活性。DNA聚合酶能够在DNA的两条链在同一部位都发生损伤时进行DNA修复。 只有DNA聚合酶符合E.coli体内DNA复制的要求,DNA聚合酶在E.coli的DNA复制中是主要的DNA合成酶。 DNA聚合酶亚基具有DNA聚合酶活性，而亚基具有35为外切酶活性，它对于校正功能十分重要。亚基可能起组装作用。其他7种亚基的主要功能是，将核心聚合酶从分配型酶(distributive enzyme)转变成持续型酶(processiye enzyme)。 DNA聚合酶之所以具备持续合成能力，亚基二聚体起了关键作用，它的主要功能是防止核心聚合酶在DNA复制过程中从模板链上掉下来。 (四)复制的终止位点和Tus蛋白E.coli的两个复制叉的汇合点就是复制的终点，在复制叉汇合点两侧约lOOkb处各有1个终止区(terD，A和terC，B)，它们是向1个方向运动的复制叉特异的终止位点(TER sites)， 4个ter序列中都含有1个23bp的共有序列， Tus蛋白(36Kd)识别和结合于终止位点的23bp共有序列，它具有反解旋酶(contrahelicase)的活性，以阻止DnaB蛋白的解旋作用，从而抑制了复制叉的前进。 -复制体(replisome)是在复制叉形成的1种多蛋白复合物，其中包括DNA聚合酶等酶和蛋白因子，它的功能是促使DNA复制。 四、真核细胞的DNA复制 在哺乳动物细胞中发现了5种DNA聚合酶()。哺乳动物的DNA聚合酶和分别负责合成滞后链和前导链，和可能和DNA损伤修复有关，而负责合成线粒体DNA (二)端粒和端粒酶 真核生物线性染色体的末端具有特殊结构端粒(telomeres)。端粒由特异的寡聚核苷酸重复序列组成, 端粒不仅对于染色体的稳定性十分重要，而且为染色体DNA复制所必需。-端粒酶(telomerase)，它是1种核糖核蛋白(RNP)，可以利用自己的RNA分子作为模板，从3端合成并延长滞后链模板DNA。一旦滞后链模板的3端延伸到足够长，就可以完整地合成滞后链的最后1个岡崎片段，产生完整的子染色单体。 某些基因组的DNA复制特征和原核或真核生物的染色体DNA复制明显不同，例如线粒体DNA的D环(D-Loop)复制和噬菌体的滚环(rolling circle)复制。 DNA复制的高度忠实性有赖于多种因素，包括RNA引物的作用，DNA聚合酶的自我校正功能，几种校正和修复系统，以及DNA本身的结构特征(T取代U)等， (二)错配校正系统 E.coli的错配校正系统利用dam基因编码的甲基化酶(methylase)，将DNA所有的 GATC序列中的A在N6位甲基化，新合成的DNA链中的A要晚一些时候才被甲基化。这就为区别新DNA链和模板链提供了基础。 E.coli的错配校正过程始于三种蛋白发挥作用，它们是Mut S，Mut L和Mut H。Mut S可以识别和结合于DNA的错配碱基处,Mut H在新DNA链(尚未甲基化)的GATC的5侧造成缺口(nick)，而MutL将MutS和MutH连结在一起，从而使新合成的DNA链和模板链形成环状结构(looping)。然后，在DNA解旋酶和SSB蛋白等因子参与下，核酸外切酶I切除新DNA链上包括错配碱基在内的片段。最后，由DNA聚合酶和连接酶完成修复。 真核生物新合成的DNA链上往往带有缺口，这种单链DNA缺口本身就是1个信号，可以指导在真核细胞中进行正确的错配校正。 七、拓扑异构酶topo I可以在双螺旋DNA中的1条链上造成缺口，于是缺口两侧的DNA就能够以缺口对面的磷酸基团为中心自由旋转，旋转方向取决于DNA双螺旋中的张力，使张力得以释放。E.coli的topo 只作用于负超螺旋DNA，消除负超螺旋，它对正超螺旋DNA不起作用。而真核细胞的topo I能够使正或负超螺旋都消除。topo可以同时共价结合于DNA的两条链，并将两条链暂时切断，再重新连接。在复制叉前进时，E.coli的topo可以将前方产生的正超螺旋转变为负超螺旋。此外，它还能在DNA双螺旋中引入负超螺旋， 在E.coli中还有1种第二类DNA拓扑异构酶topo，它的功能是将复制产生的两个子染色体从连环体(catenanes)中分离出来。所有的第二类DNA拓扑异构酶都催化连环 (catenation)和去连环(decatenation)过程第二节 DNA的损伤修复 环境的物理或化学因素给细胞中的DNA带来的损伤有以下几种类型： (一)碱基丢失 (二)碱基改变 (三)核苷酸插入或缺失 (四)DNA链断裂 (五)DNA链间共价交联。 二、DNA损伤的几种修复机制 (一)直接修复(directrepair) (二)切除修复(excisionrepair) (三)重组修复(recombinational repair) (四)DNA的倾向差错合成和SOS反应 切除修复可以分为以下3种方式：碱基切除修复。核苷酸切除修复。碱基错配修复(校正)，第三节 逆 转 录 - 所谓逆转录，是指在逆转录酶的作用下以RNA为模板合成DNA的过程。 逆转录酶兼有三种酶的活性：RNA指导的DNA聚合酶，DNA指导的RNA聚合酶和RNaseH活性。 -转化(transformation)是指真核细胞被转变为无限增生状态(类似于癌变细胞)，或者原核细胞获得新的遗传标记的过程。-逆转录病毒获得和转移真核细胞DNA序列的过程叫作转导(transduction)，转导这一概念也适用于通过噬菌体将细菌基因从1个细菌细胞转移给另1个细胞。 第十三章 RNA的生物合成 以DNA为模板合成RNA的过程叫作转录(transcription)。-在DNA双链中，起转录模板作用的链叫作模板链(template strand)或负链。而另l条非转录模板链通常称为编码链(coding strand)或正链，因为其序列和转录产物相同(仅T替代U)。RNA聚合酶结合于DNA特异的启动子(promoter)。DNA中转录合成RNA的第一个碱基对，这个位点的核苷酸残基编号为+1。某些启动子的转录起点不是固定的，而是选择性出现于相邻的两个或三个碱基对中。RNA聚合酶合成RNA的方向为53，所以从转录起点沿RNA聚合酶运动的方向称为下游(downstream)，核苷酸残基编号依次为+2，+3，而反方向为上游(up stream)，核苷酸残基编号为-1，-2。-从启动子到终止序列(terminatorsequence)之间的DNA序列叫作转录单位(transcription unit)。第一节 原核基因的转录起始 -操纵子(operon)，即1个启动子控制连在一起的多个结构基因的转录。- 一、RNA聚合酶和启动子 细菌细胞中只有1种RNA聚合酶，它兼有合成mRNA、tRNA和rRNA的功能。E.coli细胞中的RNA聚合酶有几种形式，其主要形式由5个亚基组成 亚基是细菌基因的转录起始因子，它识别并结合于启动子，一旦转录开始就离开RNA聚合酶，代之以延伸因子结合于RNA聚合酶的核心酶(coreenzyme)。E.coli的RNA聚合酶全酶中最常见的因子是70，亚基二聚体的结合位点处于启动子靠近上游的调节序列，它和转录频率(即启动子的强弱)直接相关。亚基主要结合于DNA的转录模板链，而亚基则结合底物NTP，并催化形成磷酸二酯键。RNA聚合酶催化的RNA合成主要分为3个阶段：起始、延伸和终止。*RNA聚合酶的功能包括：寻找转录起点，即E.coli墓因组中的大约2 000个启动子。解开一小段DNA双螺旋，以便产生单链DNA转录模板。选择正确的底物NTP，并催化合成磷酸二酯键。识别转录终止信号。和转录激活蛋白或阻遏蛋白相互作用，以调节转录速度，这是基因表达调控的主要步骤。和DNA聚合酶的活性相比，RNA聚合酶没有核酸外切酶活性，也就不具备校正和修复功能。所以，RNA能够从头合成，不需要引物，转录的忠实性自然比复制低得多，其误差率为10-4一10-5，比DNA复制的误差要高105倍。 -启动子是一段DNA序列，它是RNA聚合酶结合并起始转录的位点。E.coli操纵子的启动子序列，以-35和-10为中心存在共有序列a启动子有强弱之分，即不同的启动子转录合成RNA的频率有高有低。启动子的强弱很大程度上取决于启动子的序列和RNA聚合酶之间的亲和力。a强启动子除了必须具备-10和-35区共有序列以外，RNA聚合酶的亚基和-40-60区的启动子调节序列相互作用也十分重要。 *转录的起始 (一)转录始于DNA模板的一定区域。首先，RNA聚合酶和DNA形成封闭式复合物 (closecomplex)，70因子紧紧结合于启动子序列，DNA双链仍保持碱基配对。 (二)RNA聚合酶一旦结合于启动子，就催化双链DNA解旋，并打开约17bp的区域 (约合B型DNA l.6圈)，形成开放式复合物(open complex)。这样，在DNA转录区产生了局部单链的转录“泡”(bubble)，暴露出复制模板链，使NTP(底物)能够与其相应的碱基(模板)配对。 (三)接着，RNA聚合酶沿转录模板链运动(DNA 35)，转录泡随之移动，同时以 NTP为底物按53方向合成RNA链，使之互补于模板DNA链。转录不需要引物，RNA可以从头合成,新合成的RNA链的5端核苷酸是高度特异的，为pppG或pppA。 (四)当大约10个核苷酸已经聚合以后，RNA聚合酶释放因子，代之以延伸因子结合于核心酶并继续转录。 (五)操纵子的转录调节主要通过阻遏蛋白和激活蛋白。阻遏蛋白结合于操纵基因 (operator)，抑制了RNA聚合酶的转录起始。而激活蛋白和RNA聚合酶接触并促进转录起始。 (六)细菌经常利用不同的可互换的亚基，以识别特殊的启动子，并调节基因的开关。 在迄今所研究的所有真核细胞核中都含有三种RNA聚合酶。其中，RNA聚合酶I主要合成rRNA，RNA聚合酶主要合成mRNA，而RNA聚合酶的转录产物主要是tRNA和5SrRNA. 在真核基因转录起始阶段，识别真核基因的启动子序列，起主要作用的通常是蛋白因子，而不是RNA聚合酶本身。绝大多数RNA聚合酶I和的启动子位于转录起点的上游，而某些RNA聚合酶的启动子位于转录起点下游。 和RNA聚合酶转录有关的蛋白因子数目众多，可大致分为以下三种类型：(一)通用(或基本)转录因子(general or basal factors) (二)上游因子(upstream factors) (三)可诱导因子(inducible factors) -可诱导因子(如热休克转录因子HSTF)结合的DNA序列叫作效应元件或应答元件(response elements). -如果1个基因的转录调节区的元件仅仅被基本因子和上游因子所识别和结合，它就应当在任何类型的细胞中转录。这种基因可能是组成性表达基因(即管家基因，housekeeping genes)， - 增强子(enhancer)序列可以远距离(50Kb)增强转录起始，其位点在转录起点上游或下游均可，且与本身序列的方向无关。增强子通常和组织特异表达或时间调节表达的基因转录有关。 -转录因子的定义是，转录起始所需要的非RNA聚合酶本身组分的任何蛋白。很多转录因子通过识别顺式作用位点启动子和增强子而起作用，但并非所有的转录因子都结合于DNA，某些转录因子还可能识别并结合于其他因子或RNA聚合酶，也可能在其他几种蛋白因子存在时参与组成转录起始复合物。真核基因转录调节的共同模式是以正调节为主对启动子进行特异的抑制性调节(负调节)的例子不多。 第三节 调节真核基因转录的顺式作用元件 一、基因调控区 基因调控区主要由两种序列组成：一是启动子，即转录因子和RNA聚合酶结合区，它们组装成转录复合物；二是调节序列(regulatory sequences)，即基因调节蛋白结合区，它们调节转录复合物的组装及转录速度。RNA聚合酶的启动子由以下两个区域组成：核心启动子(core promoter)包括TATA盒和起始子(initiator，Inr)，结合基本转录因子，形成起始复合物。启动子近侧序列元件(PSE) ,GC盒、CAAT盒和OCT(1L聚体)等短序列元件，结合上游因子和可诱导因子，决定启动子的转录效率和特异性。 -TATA盒，位于转录起始位点上游大约2535bp,由6个非常保守的碱基TATA(AT)A组成，TATA盒对转录起点定位起关键作用。 -Inr位于转录起点附近。绝大多数Inr在一1和十1两个位点的核苷酸序列为CA。Inr对于转录始于固定位点也起关键作用。 TBP是TATA盒和Inr的通用转录因子，而TFII-I结合于Inr。 - 真核基因转录起点核心启动子上游100200bp范围内有1个转录调控区，叫作启动子近侧元件 (promoter proximal sequence elements，PSE)，这些元件常常表现出细胞类型特异性。转录起点上游 100bp的启动子区域中，对转录有影响的三个短序列元件中心分别位于-30、-75、-90。这三个元件分别是TATA盒(-30)，CAAT盒(-75)和GC盒(-90)。-CAAT盒一般位于-80附近。CAAT盒的1个特点是它的功能和方向无关。CAAT盒加强转录效率。 GC盒也是比较常见的PSE元件，经常以多拷贝出现，其共有序列为GGGCGG，它的功能也和序列方向无关。 常见的PSE元件还有核苷酸八聚体(Octamer，OCT)。这个8bp长的序列元件以不同的拷贝数、不同的位置和不同的方向出现于许多真核基因启动子中。 TATA盒和Inr主要决定转录起点的位置，它们只能引起相当低水平的转录。而PSE元件则影响转录起始的频率。真核基因几个PSE元件之间的序列并不重要，改变1030bp距离通常不会影响其功能，但不能超过一定限度。 RNA聚合酶I的启动子包括两个组成部分：一是核心启动子(-45+20)，它决定转录起始。二是上游调控元件(upstreamcontrol element， UCE)，位于-180-107，它决定转录效率。 RNA聚合酶的启动子分为两大类，第一类是内部启动子(internal promoter)，负责转录5SrRNA和tRNA的基因，它们位于转录起点的下游。第二类启动子位于转录起点的上游，其转录产物是参与RNA前体剪接的snRNA (U6)等，它的转录方式在真核基因中较为常见。 TBP(TATA盒结合蛋白)是所有三种真核RNA聚合酶通用的转录起始因子。 第四节 RNA聚合酶转录起始复合物 一、通用转录因子和转录起始复合物的组装 RNA聚合酶的转录起始因子属于通用转录因子(或基本转录因子)，其中，TFIID由1个TATA盒结合蛋白(TBP)和 8个以上TBP结合因子(TAF2)组成。 TBP和其他DNA结合蛋白的主要区别在于，它和DNA双螺旋的接触部位主要在小沟(minorgroove)，并且使DNA分子发生明显弯曲(约900)。首先，TFIID结合于启动子中的TATA盒,随后，TFIIB、RNA聚合酶-TFIIF、TFIIE、TFIIH和TFIIJ按顺序先后加入并最终形成转录起始复合物，转录才可能开始。RNA聚合酶转录起始需要水解ATP以产生能量，这一点和RNA聚合酶 I和的转录起始不同。 二、转录因子的功能性结构域 真核转录激活蛋白的结构模型是，1个或多个激活结构域通过有一定柔性的结构域，连结于特异的DNA结合结构域。由于连接两个功能结构域之间的肽段具有一定的柔性，所以改变这些肽段长度，或者改变真核基因调控区的序列元件之间的距离，不一定影响转录因子的作用。 三、DNA结合结构域 真核转录因子的DNA结合结构域具有多种结构motif(或结构域亚单位)，有五种类型最常见的转录因子的DNA结合结构域，它们是同源盒结构域蛋白，即HD蛋白(homeodomain proteins)，锌指蛋白(zinc-finger proteins)、翼状螺旋蛋白(Winged-helix proteins)、亮氨酸拉链蛋白(1eucine-zipper proteins)和螺旋环螺旋蛋白(helix-loop-helix proteins，即HLH)。 第七节 转录终止 一、原核基因的转录终止 E.coli有两种基本的转录终止机制。1种机制不需要其他蛋白因子参与，而另1种则依赖于1种蛋白因子转录终止因子Rho。 二、真核基因的转录终止 真核基因转录终止的机理尚知之甚少。RNA聚合酶转录终止于合成了一系列U之后，但并不需要上游出现茎环结构。在绝大多数哺乳动物转录单位中， RNA聚合酶转录终止于poly A加成位点(addition site)下游0.52Kb范围内的多个可能位点。 第一章蛋白质的结构与功能 一级结构：指多肽链中氨基酸的排列顺序，即它的化学结构。 二级结构：指借助主链(不包括侧链)的氢键形成的具有周期性的构象。 三级结构：指1条肽链(包括主链和侧链)完整折叠而形成的构象。 四级结构：指含有多条肽链的寡聚蛋白质分子中各亚基间相互作用，形成的构象。 超二级结构和结构域是在蛋白质二级和三级结构之间的两个层次。 超二级结构：指相邻的二级结构单元，在侧链基团次级键的作用下彼此靠近而形成的规则的聚集结构。 结构域：指在1条肽链内折叠成的局部结构紧密的区域。 组成 四级结构的多肽链称为蛋白质的亚基，多个亚基组成的蛋白质为寡聚蛋白质 1 维持蛋白质分子构象的作用力，主要包括氢键、疏水性相互作用、范德华引力、离子键和 二硫键。 2 二级结构主要包括下面几种基本类型 (一) 螺旋 (二)折叠(三)转角 (四) 突起 (五)卷曲 (六)无序结构 3 折叠有两种类型，1种是平行式，1种是反平行式。反平行折叠在能量上更稳定。 4 转角主要分两类：转角和转角。转角结构通常负责各种二级结构单元之间的连接作用。 5 常见的3种超二级结构单元为： ，。 6 结构域不仅仅是折叠单位和有一定功能的结构单位，还是一个遗传单位 7结构域可以分为4种类型：反平行，平行/，反平行，不规则的小结构 1、多肽链的折叠过程 天然蛋白质是多肽链合成后经折叠而形成的热力学上稳定的构象。多肽链的折叠是一自发过程.人们现已提出了一些多肽链的折叠模型,大致可以分为二类。一种模型认为多肽链的折叠是逐步进行的，先形成一种稳定的二级结构作为核心，然后二级结构的氨基酸侧链进一步发生交互作用，扩大成天然三维结构；另一种模型提出，多肽链可能由于其疏水侧链的疏水交互作用而突然自发折叠，形成一种含二级结构的紧密状态，最后调整成天然结构。这两种模型看来不是排斥的，有些多肽链的折叠可能以其中之一为主，有些多肽链的折叠兼而有之。在这两种情况下，超二级结构的形成都可能起着导引作用，弱键则做最后的热力学上的调整。活体内至少有两类蛋白质因子参与了多肽链的折叠，一类蛋白质称为分子伴侣(molecular chaperone)。这些蛋白质中，有些能结合于多肽链以防上侧链间的非专一性缔合，它们导引一些多肽链的折叠和使多个多肽链聚集成更大的结构；另一类蛋白质是酶，它们能通过解除限制折叠的因素来促进多肽链的折叠。 蛋白质分子结构与功能的关系 一、蛋白质的一级结构决定高级结构 (一)蛋白酶原的激活 生物体中有许多蛋白质是以无活性的蛋白质原的形式在体内合成分泌的。这些肽链只有以特定的方式断裂后，才呈现出它的生物学活性。这类蛋白质主要包括消化系统中的一些蛋白水解酶、蛋白激素和参与血液凝固作用的一些蛋白质分子等， (二)镰刀型血红蛋白贫血病 分子病是由于编码蛋白质的结构基因的突变或缺失，导致合成了失去正常功能的异常蛋白质或丧失了合成蛋白质的能力，从而造成的先天性遗传性疾病。镰刀型血红蛋白贫血病是最早被认识的一种分子病。 镰刀型血红蛋白贫血症病人的血红蛋白(HbS)经胰蛋白酶处理后，进行指纹图谱分析，与正常血红蛋白(HbA)的指纹图谱比较，仅发现一个肽斑位置异常。 (三)核糖核酸酶 变性的核糖核酸酶的复性是蛋白质的一级结构决定高级结构的最好例证之一。 二、分子的构象与功能的关系 (一)肌红蛋白和血红蛋白 肌红蛋白和血红蛋白亚基的氨基酸顺序区别很大，但在三维结构上却有着难以想象的相似，特别是血红素周围的构象高度相似，这是它们在功能上相似的结构基础，以保证对氧的结合能力。 (二)细胞色素C 分析组成细胞色素C的104114位氨基酸残基单链分子的一级结构，发现种属间的差异较大，仅有35个氨基酸的残基是保守的。这些保守残基虽仅占分子组成的13以上，但对于维持细胞色素C分子的构象及发挥其生物学功能是必不可少的。 (三)四级结构与功能的关系 有一些寡聚蛋白质具有别构效应，它们的1个亚基和配体结合后改变了构象，这种构象的变化传递可影响其他的亚基构象，进而改变了分子的生物学活性。 总之，蛋白质的结构与功能之间的关系主要表现在两方面：一方面，蛋白质的高级结构 (即三维构象)是由一级结构氨基酸顺序决定的。另一方面，蛋白质的结构(主要是高级结构)是蛋白质分子发挥其生物功能的重要保证。生物活性是结构的天然属性，它们之间是高度统一的。第十章 DNA和RNA的化学结构 核苷是由碱基与戊糖通过N糖苷键连接而形成的。作为核苷酸的基本合成原料，它通常是以游离形式存在于细胞中。 碱基可分为嘌呤和嘧啶两大类。 嘌呤包括腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)； 嘧啶包括胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶 (T)、尿嘧啶(U) 3种,一般情况下，DNA使用T，RNA使用U，C为二者共用。 核酸分子中至少还存在有数十种稀有碱基，它们均可被看作上述5种碱基的衍生物 参与组成核酸分子骨架的有两种戊糖，D核糖与D2脱氧核糖。核酸正是按照分子中所含戊糖的不同，分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。 由核苷的戊糖上C5位的羟基与1个磷酸基团以酯键连接后即得到核苷酸。 核苷酸作为核酸分子的结构单元，可通过3，5磷酸二酯键连接成无分支的线性核酸大分子。在表示核酸序列时，习惯上按照5一3的方向书写。 DNA的一级结构是指它的组成单位核苷酸在核酸分子中的线性排列顺序。 像蛋白质分子一样，DNA也有其高级的空间结构。所不同的是，DNA分子折叠不是为了形成有功能活性的结构，其主要目的是规律地压缩分子体积，极大减少了DNA在细胞中所占的空间。 DNA二级结构模型主要有以下特征： 1DNA分子是由两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕形成的右手螺旋，直径20A(2nm)，每环绕一周升高34 A (3.4nm)，两个相邻碱基对之间相距0.34nm，因此每周都由10个碱基对形成。 2磷酸与核糖组成的骨架位于双螺旋的外侧，碱基位于内侧。上下相邻的碱基平面相互平行，且与中心轴垂直。核糖平面与中心轴平行。两条反向平行链的稳定性由疏水相互作用和众多氢键来维持。 3位于同一平面上的两个碱基间的配对是有规律的，其中A与T通过两对氢键配对，G与C通过三对氢键配对。这一碱基对互补原则(basepair complementarity)是碱基的大小，形状和化学组成共同限定的结果。这一原则是DNA分子复制，转录以及反转录等过程的基础，也使我们能够依据已知的多核苷酸链的序列来推知其互补序列。 4DNA分子的双螺旋结构形成大小不等的两条螺形凹沟。较大的1条称大沟(major groove)，较小的一条称小沟(minor groove)。每个碱基都会有一部分在此区域“暴露”出来，以便与其他的DNA结合分子相接触。 维持DNA二级结构的力主要有：1氢键(hydrogenbond) 2碱基堆积力 碱基堆积力的实质是疏水相互作用和范德华引力，它对于维持DNA的二级结构起重要作用。 DNA变性后暴露出藏于双螺旋内部的碱基共轭键，因而分子在260nm处的紫外光吸收将增强，这就是所谓的“增色效应”。 Watson和Crick所阐述的含钠离子的DNA纤维结构现在被称作B构象。这种构象是随机序列的DNA分子稳定的结构，因此在研究DNA性质时常用来作为标准结构。到70年代后期又发现DNA还存在A、C、D、EZ等多种构象，它们都有各自的特征性构象参数 ZDNA的生物学意义：BDNA-ZDNA的变化，影响了DNA的超蜺旋状态，影响 DNA与其他分子的结合状态，影咍基因活性。发现所有基因的增强子均含有ZDNA的形成序列。有迹象表明，胚嘧啶欋基的甲基化是BDNAZDNA的因素之一，可能与基因表达的调控有关。ZDNA有ZDNA结合蛋白的特别识别信号，参加真核生物染色质结构的形成。ZDNA的构象特点之一是碱基外露，易受致癌物质的攻击，如N乙酰氨基芴与鸟嘌呤C8共价结合，甲基化致癌物质使鸟嘌呤的N7甲基化，均与zDNA的构象有关。 DNA分子局部的构象变化与自身特定的碱基序列和周围环境条件，都有关系。构象的多变可能有利于调节蛋白识别并结合于特定的核酸序列。 (三) DNA的三级结构： DNA的三级结构是指双螺旋结构基础上的卷曲。三级结构包括线状双链中可能有的扭结和超螺旋、多重螺旋和分子内单链形成的环以及环状DNA中的扭结、超螺旋和连环体等拓扑学状态。 三级结构的普遍形式是环形DNA双螺旋链进一步盘绕形成的超螺旋。 超螺旋有方向性，天然DNA都呈负超螺旋. 超螺旋的生物学意义主要有两点： (1)超螺旋DNA较之松弛型分子有更为紧密的结构，因而对DNA分子在细胞内的包装过程更为有利。 (2)超螺旋会影响双螺旋分子的解旋能力，从而影响到DNA与其他分子之间的相互作用，体内的DNA超螺旋均为负超螺旋。在DNA的复制和转录中，超螺旋结构的存在具有重要意义。 真核细胞染色体上的线性DNA双链，盘绕组蛋白核心形成核小体，前后连接为串珠状，再经进一步盘旋折叠，最终形成染色单体这一独特的超螺旋形式。 (四) DNA的特殊结构 回文序列 具有在核酸单链内形成发夹结构(hairpin)或在双链中形成十字架结构(cruciform structure)的倾向。 回文序列在DNA的调控区较常见，它所形成的对称空间结构，为DNA结合蛋白提供了特定的识别与结合位点。 HDNA 这种特殊结构存在于高嘌呤(Pu)或高嘧啶(Py)的双链DNA区域，且该区域包含有链内的对映重复序列。HDNA的特殊之处在于它是由3条DNA单链通过配对和缠绕形成的“三股螺旋”。可见这一结构对于基因的表达可以起到一定的调控作用。 四螺旋DNA结构可能起到稳定染色体并在复制过程中保持DNA完整性的作用。 第三节 RNA RNA与DNA相比有3点主要区别： (一)RNA组分中包含的是核糖 (二)RNA使用尿嘧啶(U)替代胸腺嘧啶(T)与A进行互补配对。 (三)RNA分子通常以单链形式存在。(四)含的稀有碱基多。 tRNA分子一级结构的特征主要是： 1tRNA分子长度约7090个核苷酸，是3种主要的RNA类型中最小的。 2tRNA分子中约20多个位置上的核苷酸是保守的。其中的10几个核苷酸是恒定不变的，另外一些则是半恒定的，即限定在嘌呤或嘧啶的范围。 3成熟的tRNA 5末端是1个被磷酸化的残基，通常为pG；3末端序列为CCA，活化的氨基酸就连接于其中腺苷酸的3羟基上。 4tRNA分子含多种稀有或修饰碱基，平均每分子为715个，在所有RNA分子中修饰程度最高。 在tRNA二级结构中，主要的功能域有：氨基酸接受茎 TC环 可变环 核苷酸残基数目不确定。D环 反密码子环 (anticodonloop) 。 同工tRNA-大多数氨基酸都有多个特异的tRNA(称作isoacceptor tRNA，即)来转运，这几个tRNA都受同一氨酰tRNA合成酶(aminoacyltRNA synthetase)的特异催化，以便与某个共同的靶氨基酸结合。 有人把这种氨酰tRNA合成酶与tRNA分子间的相互作用称为第二套遗传密码(second genetic code)，以表明它对确保蛋白质翻译的准确性所起的关键作用。 校正tRNA(suppressor tRNA)- 以编码tRNA基因的突变来补偿密码子上的突变，从而恢复或部分恢复密码子“原意”的tRNA就叫校正tRNA。 原核核糖体和真核核糖，它们都是由RNA和蛋白质组成。原核核糖体沉降系数是70S。它由30S的小亚基(含16SrRNA和21个蛋白质分子)和 50S的大亚基(含23SrRNA，5SrRNA和31个蛋白质分子)组成。真核生物核糖体沉降系数80S，它的大亚基为60S(含28S、5.(S、 5S 3种rRNA以及49个蛋白质分子)，小亚基为40S(含18SrRNA和33个蛋白分子)。 rRNA在蛋白质合成严的用16S rRNA3朋端的一段6碱基寈含嘧啶的保守序列，它可与mRNA起始密码AUG之前的RD序列直接互补；16SrRNA中的另一特定区域，在核糖体的A位点和 P位点上都可与tRNA分子上的反密码子区域发生直接作用。核糖体大亚基rRNA具昁肽酰转移酶活性，而蛋白质组分瘄作用只是墜强rRNA的活性并维持核糖体的结构。 真核与原核mRNA在分子结构不同： (一)细菌的1个mRNA为多顺反子 (polycistron)；而1个真核mRNA单顺反子(monocistron)。 (二)多数成熟的真核细胞mRNA在3 末端一段长约200个核苷酸的“多聚A尾巴” (polyA tail)。 (三)在真核细胞中，细胞核和细胞质中的mRNA 5端有帽子结构,5端的帽子结构和3端的夒聚腺苷酸尾巴对与真核mRNA瘄稳定性和从核内到胞质的运送都很重要。 (四)原核与真核mRNA的翻译起始机制不同 (五)细菌mRNA不够稳定，寿命一般只有几分钟。 (免)真核基因是断裂基团。在真核的成熟iRNA分子中，5端和3末端往往有非翻译区(UTR)，可能对翻译起调节作用。 hnRNA是mRNA的前体，由于基因的长度和性质的差异，原始转录产物很不均一，故统称为不均一核RNA(heterogeneous Nuclear RNA，hnRNA)。 细胞核中的小RNA分子称为核内小RNA(small nuclear RNA，即snRNA)，在胞质中发现的就叫做胞质小RNA(small cytoplasmic RNA，即scRNA)。在自然状态下，这些RNA以结合着蛋白质的核蛋白颗粒(ribonucleoprotein particles，snRNPandscRNP)的形式存在。 高等真核生物中， snRNP参与mRNA前体的剪接。剪接体(spliceosome)是由几种snRNP和数量众多的蛋白成分所组成。 反义RNA-是指能与特定mRNA互补结合的RNA片段。 反义RNA没有别构性，即它不会受到其它小分子的影响而改变其自身对靶序列的识别能力，只能通过控制其转录的开启和酶的降解来改变其活性。原核生物基因的表达调控第一节 基因表达概述 -基因表达就是储存遗传信息的基因，通过转录及翻译等步骤，产生具有一定生物功能的蛋白质的整个过程。 -一些基因产物总被需要，并且它们的基因在1种生物或有机体的全部细胞中，基本上以恒定的水平表达，这些基因称为管家基因(housekeeping genes)。恒定的、似乎不被调节的基因表达被称作基本的基因表达(constitutive gene expression)。实际上，基本的基因表达也是在一定的机制控制下进行的。-在特定条件下表达产物增加的基因称为可诱导(inducible)基因。可诱导基因在特定条件下增强表达的过程叫诱导(induction)。在应答分子信号时表达产物减少的基因称为可阻遏(repressible)基因。可阻遏基因在特定条件下表达水平降低的过程叫阻遏(repression)。无论在原核及真核生物中，都至少有6个环节可能调节细胞中某种蛋白质的终浓度；初始转录物的合成、转录后加工， RNA的降解、多肽链合成、多肽链的修饰及加工、蛋白质降解。 * 原核生物基因表达调控的总体特点可概括为如下几点： 一、表达调节相对比较简单。 二、细菌中仅存在1种RNA聚合酶识别基因启动子的特殊顺序(主要是以一10和一35为中心的两个通用顺序)，并不必须其它因子的协助。三、许多基因是以操纵子为基础进行调节的。 四、包括正性和负性两种类型的调节。五、目的主要是使单一的细胞适应营养环境变化以便细胞的生长和分裂尽可能最佳化。-由若干结构基因及共同的启动子以及行使控制功能的附加DNA顺序(如操纵基因)一起构成的基因表达的协同单位称为操纵子(operon)。许多基因的表达调节是以操纵子为单位进行调节的。 - 转录就是在RNA聚合酶的催化下，以DNA双链中的1条链为模板合成RNA的过程。这一过程包括RNA聚合酶的模板识别、转录起始、RNA链延伸、转录终止4个阶段。- 能够与RNA聚合酶全酶结合并准确有效地起始转录的特异DNA序列称为启动子。原核基因启动子一般包括转录起始点立即下游的少数碱基顺序及起始点上游-50bp范围内的 DNA顺序。在细菌基因的启动子特性：转录起始点；以-10为中心的一段短序列；以-35为中心的一段短序列；-10与-35顺序之间的间隔距离。起始点常见的是CAT顺序的中心碱基。但是这个三核苷酸顺序并不足以构成转录起始的专一信号。在起始点上游六核苷酸顺序常被称作-10顺序，其通用顺序为 TATAAT。因为其首先被Pribnow所认识，故又被称作Pribnow盒。-10顺序的一个重要特征是A、T碱基丰富，这可能对于DNA解链是重要的。另一个保守的六核苷酸顺序以转录起始点上游-35bp为中心，被称作-35顺序，其通用顺序是TTGACA。 -启动子强度的概念被用来描述RNA聚合酶在启动子处起始转录的频率。它与-10顺序及-35顺序是否与通用顺序相同以及两个顺序之间的距离相关，但也受到转录起始点立即下游区碱基顺序的影响。 转录调节蛋白可分为阻遏蛋白和活化蛋白两种类型： -阻遏蛋白(或称阻遏子)是负性作用调节蛋白(negative acting regulatory proteins )，它在启动子位点或接近启动子位点与DNA结合，抑制了转录的发生。-阻遏蛋白结合的DNA位点被叫做操纵基因(operator)。操纵基因位于启动子上游或下游，通常接近启动子且常常和启动子有部分顺序交迭。-阻遏蛋白能够与一些极大影响其与操纵基因亲和力的小分子相结合。这些小分子称为效应物(effectors)。效应物有两种类型，一类为诱导物(inducers)，当其与阻遏蛋白相结合时，减小阻遏蛋白与操纵基因的亲和力。另一类效应物为共阻遏物(corepressors)，有着与诱导物相反的作用。 -活化蛋白又称激活子，是正性作用调节蛋白(positiveacting proteins)，它在启动子或接近启动子的位置与DNA结合，进而增加RNA聚合酶结合到启动子上的频率。活化蛋白结合的DNA顺序叫活化位点。 大多数原核生物的转录调节蛋白都具有螺旋转折螺旋基序结构，并且以二聚体形式与 DNA结合。二聚体每个单体的识别螺旋进入DNA双螺旋结构的两个相邻的大沟(major groove *乳糖操纵子的转录调节一正性和负性复合调控 乳糖操纵子包括依次排列着的启动子、操纵基因和3个结构基因，一个编码阻遏蛋白的调节基因位于乳糖操纵子的上游。因此乳糖操纵子是受到正性和负性双重调节，Lac阻遏蛋白起负性调节作用，而CAP起正性调节作用。 当E.coli在无乳糖的普通培养基中生长时，乳糖操纵子的调节基因编码的阻遏蛋白与操纵基因结合，抑制转录起