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分子生物学笔记第一二章 染色体与DNA一1、分子生物学：研究核酸等生物大分子的功能、形态结构等特征及其重要性和规律性的科学，是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动的适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科2、基因：是合成一种功能蛋白或RNA分子所必需的全部DNA序列。一个典型的真核基因包括：编码序列-外显子；内含子；5端和3端非翻译区UTR；调控序列3、基因组：某一特定生物体的整套遗传物质的综合。基因组的大小用全部的DNA的碱基对总数表示5、分子生物学发展史1869年Miesher首次从莱茵河鲑鱼精子中提取了DNA。1910年，德国科学家Kossel第一个分离了腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸。1953年，Watson和Crick提出DNA反向平行双螺旋结构模型，为充分解释遗传信息的传递规律铺平了道路。1961年，法国科学家Jacob和Monod提出并证实了操纵子作为调节细菌细胞代谢的分子机制。此外，他们还首次提出存在一种与染色体DNA序列相互补、能将编码在染色体DNA上的遗传信息带到蛋白质合成场所并翻译产生蛋白质的信使核糖核酸。这一学说对分子生物学的发展起到了十分重要的作用。1968年，美国科学家Nirenberg由于在破译DNA遗传密码方面的贡献，与Holley和Khorana等人分享了诺贝尔生理医学奖。Holley的功绩在于阐明了酵母丙氨酸tRNA的核苷酸序列，并证实所有tRNA具有相似结构，而Khorana第一个合成了核苷酸分子，并且人工复制了酵母基因6、中心法则内容DNA是自身复制的模板DNA通过转录作用将遗传信息传递给中间物质RNARNA通过翻译作用将遗传信息表达成蛋白质在某些病毒中，RNA也可以自我复制，并且还发现在一些病毒蛋白质的合成过程中，RNA可以在逆转录酶的作用下合成DNA.7、 分子生物学的3条基本原理：构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中都是相同的；生物体内一切有机大分子的构成都遵循共同的规则；某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。8、分子生物学研究内容DNA重组技术（基因工程）：将不同的DNA片段按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状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9、DNA重组技术的应用可被用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽；可用于定向改造某些生物的基因组结构；可被用来进行基础研究10、基因表达调控在个体生长发育过程中基因表达的调控主要发生在转录水平或翻译水平上原核生物基因表达调控主要发生在转录水平上真核生物发生在各种不同水平上表现在：信号转导研究，转录因子研究，RNA剪接11、信号转导：指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传到细胞内部，并激发诸如离子通透性、细胞形状或其他细胞功能方面的应答过程作用原理：信号转导之所以能引起细胞功能的改变，主要是由于信号最后活化了某些蛋白质分子，是之发生结构变化，从而直接作用于靶位点，打开或关闭某些基因12、转录因子：是一群能与基因5端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子二1、 外显子、内含子：真核生物基因组中，蛋白质表达序列常被一些不表达的间隔序列隔开，表达的部分称为外显子，不表达的部分称内含子2、 DNA作为遗传物质所具备的特点：分子结构相对稳定，能自我复制，在前后代保持连续性和稳定性；能指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程；有储存巨大数量遗传信息的潜在能力；能引起可遗传变异3、 甲基化甲基化的位点：甲基化修饰广泛存在于真核生物基因中，发生在CpG岛上，导致基因失活甲基化在复制中的调控：复制起始的调控与DNA被修饰的情况相关，完全甲基化的复制原点可起始复制，半甲基化的子代复制原点只有恢复完全甲基化状态之后才可以被继续利用甲基化在错配修复过程中的调控：在DNA错配修复当中，一旦复制叉通过复制起始位点，母链就会在开始DNA合成前几秒至几分钟内被甲基化，此后只要两条DNA链上碱基配对出现错误，错配修复系统就会根据“保留母链，修复子链”的原则，找出错误碱基所在的DNA链，并在对应的母链甲基化腺苷酸上游鸟甘酸5位置切开子链，再根据错配碱基相对于DNA切口的方位启动修复途径，合成新的子链片段5、染色体上的蛋白包括组蛋白和非组蛋白组蛋白：染色体的结构蛋白，与DNA组成核小体，分为H1、H2A、H2B、H3、H4，富含大量的赖氨酸和精氨酸，H3、H4富含精氨酸，H1富含赖氨酸，H2A、H2B介于两者之间组蛋白的特性：进化上极端保守，不同生物体组蛋白的氨基酸组成是十分相似的，特别是H3、H4；无组织特异性；肽链上氨基酸分布的不对称性，碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上，大部分疏水基团分布在C端；组蛋白的修饰作用，甲基化、乙基化、磷酸化、ADP核糖基化；富含赖氨酸的组蛋白H5，H5具有种特异性非组蛋白：染色体上存在大量非组蛋白，具多样性，包括酶类，细胞分裂有关的收缩蛋白、骨架蛋白、以及肌动蛋白、肌球蛋白，可能是染色体的组成部分非组蛋白的类型：HMG蛋白，能与DNA结合也能与H1作用，但与DNA的结合并不牢固，可能与DNA的超螺旋有关；DNA结合蛋白，与DNA 牢固的结合在一起，分子量较低，是与DNA的复制或转录有关的酶或调节物质；A24非组蛋白，溶解性与组蛋白相似，C端与H2A相同，有两个N端1、 原核生物基因组结构特点：基因组很小，大多只有一条染色体结构简炼存在转录单元多顺反子有重叠基因（Sanger发现2、 真核生物基因组结构特点：真核基因组结构庞大，一般远大于原核的含有大量重复序列非编码序列多，多于编码序列(9:1)转录产物为单顺反子基因不连续性，断裂基因、内含子、外显子存在大量的顺式作用元件， 启动子、增强子、沉默子等存在大量的DNA多态性（DNA序列中发生变异面导致的个体间核苷酸序列的差异端粒结构3、 原核生物DNA的特点：原核生物中一般只有一条染色体，且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因是以多拷贝形式存在；DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列成线性对应状态；存在转录单元，原核生物DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因往往丛集在基因组的一个或几个特定部位形成转录单元或功能单位，可以被一起转录为含多个mRNA的分子（多顺反子mRNA）；功能上相关的几个结构基因前后相连，形成操纵子；各种基因的启动子和操作子部分的DNA序列多种多样，以便与RNA聚合酶及阻遏蛋白发生不同程度的结合，对基因的表达进行精细的调节；有重叠基因，同一段DNA携带两种以上不同蛋白质信息4、 真核生物DNA的特点在体细胞中含量稳定；在生殖细胞中含量减半；能携带遗传信息；能精确的自我复制；能产生可遗传变异5、 C值：指一种生物单倍体基因组DNA的总量C值反常现象：真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复且功能DNA序列，序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开；C值不随生物的进化程度和复杂性而增加；亲缘关系密切的生物C值相差甚大；高等真核生物具有比用于遗传高得多的C值6、 真核细胞DNA序列的分类：不重复序列：一般只有一个或几个拷贝，占DNA总量的40%-80%，结构基因基本属于不重复序列中度重复序列：重复次数在10-10000次之间，占DNA总量的10%-40%，各种rRNA、tRNA以及某些结构基因高度重复序列-卫星DNA：只在真核生物中出现，不转录，是异染色质的成分，可能与染色体的稳定性有关7、 核小体结构特点：是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA和一个组蛋白H1组成的，是DNA压缩的第一个阶段；盘状八聚体是核小体的核心颗粒，包括由H2A、H2B、H3、H4分别组成的二聚体，H3、H4二聚体位于核心；146bp的DNA序列围绕核心八聚体1.75圈，组蛋白H1与剩余的DNA序列结合起连接作用；相邻核小体间由连接DNA序列组成；组蛋白与DNA序列的结合是非特异性的10、DNA链压缩7倍核小体压缩6倍螺线管压缩40倍超螺线管压缩5倍染色体总压缩840011、DNA的一级结构：是指4种核苷酸的连接及其排列顺序表示了该DNA得化学构成特点：脱氧核糖核苷酸以3，5磷酸二酯键聚合成为脱氧核糖核酸（DNA）链。链的一端的核苷酸有自由的5磷酸基团，称5端；另一端核苷酸具有自由的3羟基，称3端。交替的磷酸和2-脱氧核糖构成分子的骨架，碱基为侧链，碱基类似于蛋白质氨基酸的侧链，影响着所形成的核酸的结构和功能。意义：携带遗传信息；决定DNA的二级结构；决定DNA的空间结构12、DNA的二级结构：是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构双螺旋结构模型的要点：1. 主链：主链是由两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴构成的右手螺旋结构2.嘌呤和嘧啶碱基对层叠于双螺旋的内侧，脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架3.碱基对：两条链上的碱基以氢键相连，G与C配对，A与T配对4. 螺距：3.4nm 5 .大沟和小沟：链中螺旋型的凹槽，大沟对于在遗传上有重要功能的蛋白质识别DNA双螺旋结构上的特定信息是非常重要的，只有在沟内，蛋白质才能“感觉”到不同碱基顺序13、DNA二级结构的类型：右手螺旋： A-DNA构象：当相对湿度改变（75%以下）或由钠盐变为钾盐、铯盐，DNA的结构可成为A构象。它是B-DNA螺旋拧得更紧的状态。DNA-RNA杂交分子、RNA-RNA双链分子均采取A构象。B-DNA构象：相对湿度为92%时，DNA钠盐纤维为B-DNA构象。在天然情况下，绝大多数DNA以B构象存在。左手螺旋： Z-DNA构象：在一定的条件下（如高盐浓度），DNA可能出现Z构象。Z-DNA是左手双螺旋，磷酸核糖骨架呈Z字形走向。不存在大沟，小沟窄而深，并具有更多的负电荷密度。 Z-DNA的存在与基因的表达调控有关。14、DNA二级结构的决定因素：氢键，强特异性，高度方向性 碱基堆积力，同一条链中的相邻碱基之间的非特异性作用力，来源于疏水作用和累积的范德华力静电力，磷酸集团的负电对DNA双链的稳定性起负作用，阳离子可对之产生屏蔽，DNA溶液的离子浓度越低，DNA越不稳定碱基分子内能，碱基内能越高，氢键和碱基堆积力越容易被破坏，DNA双链越不稳定核苷酸排列顺序，碱基组成相同，但嘌呤和嘧啶的排列顺序不同双螺旋的稳定性会有很大差异DNA的修饰：甲基化的不表现基因活性，未甲基化的表现基因活性15、引起双链构象转变的因素：核苷酸序列；碱基组成；盐的种类；相对湿度16、DNA链的呼吸作用：双螺旋DNA结构中，配对碱基之间的氢键处于连续不断的断裂和再生的动态平衡之中，这种氢键的迅速断裂和再生过程17、DNA的变性：DNA双链的氢键断裂，逐步变为近似于无规则线团的过程称为变性。增色效应：在变性过程中，260nm紫外线吸收值先缓慢上升，当达到某一温度时骤然上升融解温度（Tm )：变性过程紫外线吸收值增加的中点的温度18、DNA的复性（Renaturation)：热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。减色效应：随着DNA的复性，260nm紫外线吸收值降低的现象。 复性的条件：消除磷酸基的静电斥力；破坏链内氢键复性的机制：随机碰撞，取决于DNA浓度、溶液温度、离子强度等；成核作用；拉链作用19、DNA的高级结构：指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构，超螺旋是其主要形式，可分为正超螺旋和负超螺旋松弛DNA正超螺旋拓扑异构酶：通过切断DNA的一条或两条链中的磷酸二酯键，然后重新缠绕和封口来改变DNA连环数的酶，酶I通过切断DNA中的一条链减少负超螺旋，增加一个连环数；酶II也称DNA促旋酶20、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复制方式意义：DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。24、DNA复制的原则：半保留复制；复制起始出现在称为原点的特定序列上；复制的控制一般是在复制的起始点处；复制叉的移动一般是单向的或双向的；链的延伸方向是5-3方向；大多数情况下是半不连续的；在模板存在的条件下DNA聚合酶以短的RNA片段作为引物开始合成DNA的短片段；存在各种DNA链的合成起始机制，除了RNA引物外，另外的一些装置如DNA链与一个末端蛋白共价结合，以及缺口的共价延伸，或者亲本链已被环出的末端；终止也是在复制过程的某个固定点；复制的机制取决于基因组结构和构象来保护产生完整的染色体；即使在一个单细胞中也可进行多种复制机制的操作21、原核生物（大肠杆菌）DNA的复制过程：双链的解开：大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4个9bp保守序列相结合；在HU蛋白和ATP的共同作用下,DNA复制起始复合物使3个13bp直接重复序列变性,形成开链；解链酶六体分别与单链DNA相结合(需DnaC帮助),进一步解开DNA双链复制原点：DNA的复制有特定的起始位点，ori(或o）、富含A、T的区段，复制起点是固定的，表现为固定的序列，并识别参与复制起始的特殊蛋白质复制子：从复制原点到终点，组成一个复制单位，复制叉：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复制方向和速度：单起点、双向等速，多起点、双向等速RNA引物的合成：DnaB蛋白活化引物合成酶，引发RNA引物的合成，先由RNA聚合酶在DNA模板上合成一段RNA引物；滞后链的引发过程由引发体开完成DNA链的延伸：在DNA复制时由DNA聚合酶从引物3端开始合成新的DNA链，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链为前导链；引发体在滞后链分叉的方向上前进，在模板上断断续续的引发生成滞后链的引物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，合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链为滞后链半不连续复制：DNA复制时其中一条子链的合成是连续的，而另一条子链的合成是不连续的冈崎片段：在DNA复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续的合成5-3 的多个短片段，这些不连续的小片段切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段（复制终止）：在DNA聚合酶催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链复制的终止a、终止序列E.coli 有两个终止区域，分别结合专一性的终止蛋白序列一：terE terD terA序列二：terF terB terC每个区域只对一个方向的复制叉起作用 b、专一性终止蛋白E.coli 中由 tus gene 编码通过抑制DNA螺旋酶而发挥终止作用4、前导链：DNA复制时，以复制叉向前移动的方向为标准，一条模板链是3-5走向，DNA能以5-3方向连续合成，称为前导链滞后链：另一条模板是5-3走向，DNA也是以5-3方向合成，但复制叉移动方向正好相反，所有，随着复制叉的移动，形成许多不连续的片段，最后连成一条完整的DNA链，为滞后链22、真核生物中DNA的复制特点：真核生物每条染色体上有多个复制起点，多复制子；真核生物染色体在全部复制完之前,各个起始点不再重新开始DNA复制；真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点复制元相对较小(40-100kb), 复制速度较慢,大 约5005000bp/min.真核生物有多种DNA聚合酶组蛋白八聚体是以全保守的方式传给子代分子的24、原核生物与真核生物DNA复制的比较：真核生物每条染色体上可以又多个复制起点；原核生物只有一个；真核生物的染色体在全部完成复制前各个起点上DNA不能再开始；而在快速生长的原核生物中复制起点可以连续开始新的DNA复制，可以有多个复制叉；真核生物有多种DNA聚合酶；原核生物只有三种真核生物有端粒复制原核细胞的生长和增值速度取决于培养条件，迅速分裂的细胞有较多复制叉，复制叉的多少决定了复制起始频率的高低；真核细胞DNA复制的调控发生在三个水平上：细胞生活周期水平调控：即限制点调控，决定细胞停留在G1期还是进入S期染色体水平调控：决定不同染色体或同一染色体不同部位的复制子按一定顺序在S期起始复制复制子水平调控：决定复制的起始与否，这种调控方式高度保守23、DNA的损伤：碱基的脱落；碱基（或核苷）的改变；错误碱基；碱基的缺失或插入；嘧碇碱基的二聚化；链的断裂；DNA链的交联；氧自由基对DNA的损伤24、DNA的修复：DNA修复系统：错配修复，恢复错配；碱基切除修复，切除突变的碱基；核苷酸切除修复，修复被破坏的DNA；DNA直接修复，修复嘧啶二聚体或甲基化DNA；易错修复，应急措施；SOS修复的概念：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，提高细胞的生存率，但留下的错误较多25、转座子或转座元件：基因组上不必借助于同源序列就可移动的DNA片段转座：转座子的转移过程26、转座作用机制：转座作用涉及到转座子的复制，当一个拷贝插入基因组的新位置，原来位置上仍可保留一个拷贝，因此转座作用并不是转座子由基因组一处转移到另一处的简单过程27、转座的主要过程：在靶DNA上制造一个交错的切口，转座子与突出的单链末端相连接，填充缺口28、两种不同类型的转座：复制型转座，转座子被复制，靶点插入一个新的拷贝，原来位置上的拷贝仍保留，涉及的酶：转座酶，作用于原来转座子的末端；解离酶，作用于复制拷贝如TnA非复制型转座，转座子作为一个物理实体直接从一个部位转移到另一个部位，供体分子留下一个断裂，可能被修复或降解，涉及的酶：只需要转座酶29、转座作用的遗传学效应：转座引起插入突变，转座插入位置上出现新的基因，转座产生的染色体畸变，转座引起的生物进化30、原核生物转座子的类型：插入序列，复合转座子，TnA转座子家族和可转移噬菌体转座子的结构特征：转座子具有反向末端重复序列以及具有编码转座酶的基因插入序列：IS是最简单的转座子，不含有任何宿主基因，它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分，因其插入使靶点处基因失活而被发现复合转座子：复合转座子是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列。TnA家族：TnA的转座作用的两个过程被转座酶和解离酶完成，其编码基因为tnpA和tnpR。解离酶需要一个确切的内部位点，是TnA家族的的特色，转座酶的含量是转座作用的限制因子31、真核生物中的转座子：分为转座子和反转录转座子转座子：玉米中的控制因子，分为自主性因子和非自主性因子；果蝇中的转座子，如P转座子导致杂种不育反转录转座子：指通过RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的可动元件，有：反转录病毒、RNA，整合宿主靶DNA；病毒超家族，有LTR，编码反转录或整合酶，可含内含子；非病毒超家族，无重复序列，不编码转座产物、无内含子 32、与DNA复制有关的物质原料：四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)模板：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA引物：DNA的合成需要一段RNA链作为引物引物合成酶（引发酶）：此酶以DNA为模板合成一段RNA ，这段RNA作为合成DNA的引物，实质是以DNA为模板的RNA