(整理)DNA到蛋白质..doc

精品文档从DNA到蛋白质C值C value：生物单倍体基因组中DNA总量，以基因组的碱基对来表示。每个细胞中以皮克(pg，10-12g)水平表示，C值是每种生物的一个特性。不同物种的C值差别很大。C值矛盾：C值一般随生物进化而增加, 但也存在某些低等生物的C值比高等生物大, 即C值反常现象。原因：C值反常现象产生的原因是真核生物基因红中含大量非编码序列。Tm值就是DNA熔解温度，指把DNA的双螺旋结构降解一半时的温度。不同序列的DNA，Tm值不同。DNA中GC含量越高，Tm值越高，成正比关系。Tm = 4(G + C)+ 2(A + T)简述Chargaff定律的主要内容。 答案：(1）不同物种生物的DNA碱基组成不同，而同一生物不同组织、器官的DNA碱基组成相同。(2）在一个生物个体中，DNA的碱基组成并不随年龄、营养状况和环境变化而改变。(3）几乎所有生物的DNA中，嘌呤碱基的总分子数等于嘧啶碱基的总分子数，腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)的分子数量相等，鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)的分子数量相等，即AG=T C。 这些重要的结论统称为Chargaff定律或碱基当量定律。回文序列palindrome回文结构序列是一种旋转对称结构，在轴的两侧序列相同而反向。发卡结构（hairpin structure）：RNA是单链线形分子，只有局部区域为双链结构。这些结构是由于RNA单链分子通过自身回折使得互补的碱基对相遇，形成氢键结合而成的，称为发卡结构。三链DNA，tsDNA：沿着双链DNA的大沟存在多余的氢键给体和受体，这些暴露于环境的请柬给体和受体，可以同专一性的结合分子发生相互作用，形成专一性的化合物，也可以专一性地与单链DNA分子结合而形成三链DNA。DNA超螺旋，DNA superhelix; DNA supercoil ：由于双螺旋DNA的弯曲、正超螺旋或负超螺旋而造成的DNA分子进一步扭曲所形成的DNA的一种三级结构。DNA的超螺旋有两种：当DNA分子沿轴扭转的方向与通常双螺旋的方向相反时，造成双螺旋的欠旋而形成负超螺旋；而当DNA分子沿轴扭转的方向与通常双螺旋的方向相同时，造成双螺旋的过旋而形成正超螺旋。在生物体内，DNA一般都以负超螺旋构象存在。端终止法测DNA序列即SANGER双脱氧链终止法,其原理是: DNA链中核苷酸以3,5-磷酸二酯键连接，合成DNA所用的底物是 2-脱氧核苷三磷酸。2,3ddNTP与普通dNTP不同，它们在脱氧核糖的3位置缺少一个羟基。在DNA聚合酶作用下通过三磷酸基团掺入到延伸的DNA链中，但由于没有3羟基，不能同后续的dNTP形成磷酸二酯键，因此，正在延伸的DNA链不能继续延伸。在DNA合成反应混合物的4种普通dNTP中加入少量的一种ddNTP，链延伸将与偶然发生但却十分特异的链终止竞争，产物是一系列的核苷酸链，其长度取决于引物末端到出现过早链终止位置间的距离。在4组独立酶反应中分别采用4种不同的ddNTP，结果将产生4组寡核苷酸，它们将分别终止于模板链的A、C、G或T位置。 半保留复制（semiconservative replication）：一种双链脱氧核糖核酸（DNA）的复制模型，其中亲代双链分离后，每条单链均作为新链合成的模板。DNA复制的两个半DNA复制有两个主要的特点：半保留复制和半不连续复制。由于DNA双螺旋的两条链是反向平行的，而生物细胞内所有催化DNA聚合酶都只能催化53延伸，因此导致了矛盾。冈崎片段(Okaxaki fragments)的发现使这个矛盾得以解决。前导链上的DNA连续合成，滞后链则以冈崎片段的形式分段、不连续合成。这些冈崎片段以后由DNA连接酶连成完整的DNA链。这种前导链连续复制和滞后链不连续复制即DNA合成的半不连续复制现象在生物界普遍存在。然而直到现在科学家们对于真核生物的冈崎片段仍然了解甚少，这是因为核小体会快速地沉积在新生DNA上，冈崎片段的加工和核小体组装会相互影响。 在真核生物的染色体复制过程中，基因和表观遗传学信息都必须得到精确复制。染色质的结构和修饰属于表观遗传学的范畴，虽然不会通过基因编码但也是可以遗传的。防止核小体破坏和与复制叉解离是确保精确定位和修饰的组蛋白在新生DNA链上快速沉积的必要条件。组蛋白分子伴侣复合物支配着核小体在复制叉的组装和去组装。 DNA复制从本质上讲是不对称的。滞后链上的冈崎片段合成要求重复生成与复制叉方向相反方向的单链DNA并发生聚合作用。鉴于滞后链合成和组蛋白快速成绩发生在复制叉之后，这两个过程有可能存在相互关联。每合成一段冈崎片段就会有一系列相互协调的事件发生。当前除了知道其在DNA复制中具有的重要作用，对于真核生物冈崎片段的特性仍知之甚少。此外，对于核小体组装与滞后链合成之间可能存在的相互影响也了解不多。Meselson-Stahl实验（l）实验过程：实验分为两组，对照组：将大肠杆菌一直培养在含14N的培养基上生长。这样繁殖出的大肠杆菌DNA分子的碱基中的N都是14N。实验组：先将大肠杆菌培养在含15N同位素的培养基上生长。使大肠杆菌DNA分子中的N都成为15N。把含15N的大肠杆菌收集起来，洗去菌体外面的15N，并把它们转移到14N的培养基上生长，繁殖四次。从实验组的五代大肠杆菌中分别提取DNA，在每分钟四万至五万转的速度下进行密度梯度离心二至三天后，不同重量的DNA分布在离心管中的位置不同（因为14N比15N少一个质子，所以14N比15N的原子量轻）。（2）实验结果：对照组含14N的ONA分布在试管的上层。实验组的DNA分子在离心管中分布的情况如下：大肠杆菌 在离心管中的位置 DNA分子第一代 下层 含15N第二代 中层 含15N14N各一半第三代 1中层：1上层 中层为15N14N、上层为N14第四代 1中层：3上层 中层为15N14N、上层为N14第五代 1中层：7上层 中层为15N14N、上层为N14（3）结果分析：对照组因含14N比较轻，所以DNA分布在离心管的上层。实验组：第一代：因为是在15N培养基上繁殖的，DNA含15N，所以DNA分布在离心管的下层。第二代：从15N培养基移至14N培养基上繁殖的第一代。因吸收14N复制新DNA，而这些新DNA分子只分布在离心管的中层，说明DNA分子是半保留复制，而非全保留复制。第三代：因为这一代是从第二代繁殖而来，它们的DNA分子有两种。一种在离心管的上层（全为14N），另一种在离心管的中层（全为15N14N）。这也说明不是全保留复制，而是半保留复制。SSB （single strand binding protein） 单链结合蛋白 SSB蛋白的作用： 1，保证被解链酶解开的单链在复制完成前能保持单链结构，它以四聚体形式存在于复制叉处，待单链复制后才掉下，重新循环。所以，SSB蛋白只保持单链的存在，并不能起解链的作用。2，可以保护单链DNA不被酶水解。3，它与酶不同，不具催化活性，但能改变复制过程中的平衡状态和反应速度。拓扑异构酶（topoisomerase） 是指通过切断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更正DNA连环数的酶。拓扑异构酶、通过切断DNA中的一条链减少负超螺旋，增加一个连环数。某些拓扑异构酶也称为DNA促旋酶。冈崎片段Okazaki片段，相对比较短的DNA链（大约1000核苷酸残基），是在DNA的滞后链的不连续合成期间生成的片段。复制叉（replication fork）：DNA复制时在DNA链上通过解旋、解链和SSB蛋白的结合等过程形成的Y字型结构称为复制叉。在复制叉处作为模板的双链DNA解旋，同时合成新的DNA链DNA在复制时，双链DNA解旋成两股分别进行。其复制过程的复制起点呈现叉子的形式，故称复制叉。以复制叉向前移动的方向为标准，一条模板链为35走向，在其上DNA能以53方向连续合成，称为前导链(leadingstrand)；另一条模板链为53走向，在其上DNA也是53方向合成，但与复制叉移动的方向正好相反，故随着复制叉的移动形成许多不连续的冈崎片段，最后在连成一条完整的DNA链，该链称为后随链(laggingstrand)。DNA聚合酶DNA polymerase真核细胞有5种DNA聚合酶，分别为DNA聚合酶（定位于胞核，参与复制引发，不具53外切酶活性），（定位于核内，参与修复，不具53外切酶活性），（定位于线粒体，参与线粒体复制，不具53，有35外切活性），（定位核，参与复制，具有35，不具53外切活性），（定位于核，参与损伤修复，具有35，不具53外切活性）。 原核细胞：在大肠杆菌中，到目前为止已发现有5种DNA聚合酶，分别为DNA聚合酶、和，都与DNA链的延长有关。DNA聚合酶I是单链多肽，可催化单链或双链DNA 的延长，于1956年发现；DNA聚合酶II则与低分子脱氧核苷酸链的延长有关；DNA聚合酶III在细胞中存在的数目不多，是促进DNA链延长的主要酶。DNA聚合酶和直到1999年才被发现。端粒酶（Telomerase），在细胞中负责端粒的延长的一种酶，是基本的核蛋白逆转录酶，可将端粒DNA加至真核细胞染色体末端。端粒在不同物种细胞中对于保持染色体稳定性和细胞活性有重要作用，端粒酶能延长缩短的端粒（缩短的端粒其细胞复制能力受限），从而增强体外细胞的增殖能力。Telomeres 端粒是线状染色体末端的DNA重复序列。 端粒是线状染色体末端的一种特殊结构，在正常人体细胞中，可随着细胞分裂而逐渐缩短。把端粒当作一件绒线衫袖口脱落的线段，绒线衫像是结构严密的DNA，排在线上的DNA决定人体性状。它们决定人头发的直与曲，眼睛的蓝与黑，人的高与矮等等，甚至性格的暴躁和温和。逆转录（reverse transcription）是以RNA为模板合成DNA的过程，即RNA指导下的DNA合成。是RNA病毒的复制形式，需逆转录酶的催化。艾滋病病毒(HIV)就是一种典型的逆转录病毒。DNA损伤是复制过程中发生的DNA核苷酸序列永久性改变，并导致遗传特征改变的现象。情况分为：substitutation (替换)deletion (删除)insertion (插入)exon skipping (外显子跳跃) RNA世界RNA world 定义：因发现RNA具有催化和自复制(不同于病毒RNA的自复制)功能而提出的一种假说，认为生物进化过程中，最早出现的生物大分子是RNA，而不是DNA和蛋白质，即在进化某个阶段有一个“RNA世界”。启动子promoter是位于结构基因5端上游的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确的结合并具有转录起始的特异性。转录因子TBP：TATA结合蛋白（TATA-binding protein）加帽酶capping enzyme催化信使核糖核酸(mRNA)的5端帽子形成的酶。将GTP的鸟苷酸转移到(5)pp-pur-mRNA(pur代表嘌呤核苷酸)上，形成G(5)pppPur-mRNA，再经修饰加工形成“帽子”结构5-m7GpppA(N)。甲基转移酶methyltransferase 其他名称：甲基化酶(methylase)；转甲基酶(transmethylase) 一种催化将甲基从一种化合物转移给另一种化合物的酶。DNA、RNA、蛋白质、氨基酸等均可作为甲基的受体。RNA剪接（RNA splicing）：从DNA模板链转录出的最初转录产物中除去内含子，并将外显子连接起来形成一个连续的RNA分子的过程。剪接体splicesome，进行RNA剪接时形成的多组分复合物，其大小为60S，主要是由小分子的核RNA和蛋白质组成。剪接体本身需要一些小核RNA参与。这些小核RNA不会翻译出任何蛋白，但对于调控遗传活动起到重要作用。转录泡transcription bubble ：转录泡是由RNA聚合酶核心酶、DNA模板链以及转录形成的RNA新链三者结合形成的转录复合物。 在转录的延伸阶段，RNA聚合酶使DNA双螺旋解链，暴露出长度约为17bp的局部单链区，因外形酷似泡状结构故称之为转录泡。转录泡能够沿模板链35方向移动，速度约为2050nt每秒，位于RNA聚合酶前端的DNA双链不断解旋，而后端转录过的DNA单链又恢复双螺旋结构。遗传信息 genetic information 指生物为复制与自己相同的东西、由亲代传递给子代、或各细胞每次分裂时由细胞传递给细胞的信息, 即碱基对的排列顺序(或指DNA分子的脱氧核苷酸的排列顺序） 。 阅读框架（Reading frame）是指RNA或DNA中，一组连续且不重复的3核苷酸密码子。每一条mRNA共有3种可能的阅读框架，而双股的DNA则每股各3种，共6种阅读框架。geneticcodon 遗传密码又称密码子，指信使RNA(mRNA）分子上从5端到3端方向，由起始密码子AUG开始，每三个核苷酸组成的三联体。它决定肽链上每一个氨基酸和各氨基酸的合成顺序，以及蛋白质合成的起始、延伸和终止。特点：方向性密码子是对mRNA分子的碱基序列而言的，它的阅读方向是与mRNA的合成方向或mRNA编码方向一致的，即从5端至3端。连续性mRNA的读码方向从5端至3端方向，两个密码子之间无任何核苷酸隔开。mRNA链上碱基的插入、缺失和重叠，均造成移框突变。 遗传密码表简并性指一个氨基酸具有两个或两个以上的密码子。密码子的第三位碱基改变往往不影响氨基酸翻译。摆动性mRNA上的密码子与转移RNA(tRNA)J上的反密码子配对辨认时，大多数情况遵守碱基互补配对原则，但也可出现不严格配对，尤其是密码子的第三位碱基与反密码子的第一位碱基配对时常出现不严格碱基互补，这种现象称为摆动配对。通用性蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。但已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。三叶草结构cloverleaf structure ：转移核糖核酸的通用二级结构模型，呈三叶草形状，由四个茎和四个环构成。四个茎是：氨基酸茎、二氢尿嘧啶茎、反密码子茎和胸腺苷酸-假尿苷酸-胞苷酸(TC)茎；四个环是：二氢尿嘧啶环、反密码子环、可变环和TC环。kozak序列： Kozak consensus sequence, Kozak sequence 人类起始密码子周围的序列，存在于真核生物mRNA的一段序列，其在翻译的起始中有重要作用。 核糖体能够识别mRNA上的这段序列，并把它作为翻译起始位点。注意这段序列并不是ribosomal binding site (RBS)核糖体结合位点，而是帽子结构。 真核生物基因中起始密码子上下游的最佳序列为，-3位为嘌呤碱基；+4位为G，起始密码子AUG中的A处于+1位。A/GCCAUGG被称为kozak序列或扫描序列。SD序列（Shine-Dalgarnosequence）：mRNA中用于结合原核生物核糖体的序列。SD序列在细菌mRNA起始密码子AUG上游10个碱基左右处，有一段富含嘌呤的碱基序列，能与细菌16SrRNA3端识别，帮助从起始AUG处开始翻译。 起始因子Initiation factors是指翻译起始阶段端结合到核糖体小亚基上的一些蛋白质，翻译是蛋白质生物合成中的一部分。延伸因子（elongation factors，EF）是在mRNA翻译时促进多肽链延伸的蛋白质因子。在原核生物和真核生物中，延伸因子并不相同。原核延伸因子原核延伸因子是原核细胞进行翻译时所需要的三种延伸因子，分别命名为EF-Tu、EF-Ts以及EF-G（其中EF-Tu和EF-Ts可以复合为EF-T）。原核延伸因子的化学本质都是蛋白质，它们的作用如下： EF-T由EF-Tu和EF-Ts组成，当EF-T与GTP结合后可使EF-Ts与EF-Tu分离。 EF-Tu（elongation factor thermo unstable，热不稳定延伸因子）介导氨基酰-tRNA进入核糖体空出的A位。“进位”过程需消耗EF-Tu水解其复合的GTP产生的能量来完成。 EF-Ts（elongation factor thermo stable，热稳定延伸因子）是EF-Tu的鸟苷酸交换因子，能催化与EF-Tu复合的GDP转化为GTP并重新形成EF-Tu和EF-Ts的二聚体（EF-T）。 EF-G（elongation factor G，延伸因子G）具有转位酶活性，由水解GTP供能，使核糖体沿mRNA向下移动一个密码子，催化核糖体A位中的肽酰-tRNA进入P位，使A位再次空出。真核延伸因子真核细胞的延伸因子也有3个，分别称为eEF1、eEF1和eEF2。eEF1和eEF1的作用相当于原核生物的EF-Tu和EF-Ts，eEF2相当于EF-G。终止因子（release factor）：蛋白合成时，当核糖体移动到终止密码子时，没有相应的氨酰tRNA 进入A 位，而一种蛋白因子可进入，促使多肽的释放和核糖体的解离，此蛋白称终止因子。也即释放因子。提供转录信号的DNA序列称为终止子，协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子（蛋白质）则称为终止因子。多聚核糖体（polyribosome）是指合成蛋白质时，多个甚至几十个核糖体串联附着在一条mRNA分子上，形成的似念珠状结构。在合成多蛋白质时，核糖体并不是单独工作的，常以多聚核糖体的形式存在。一般来说，mRNA的长度越长，上面可附着的核糖体数量也就越多。讲义:一、核酸的结构（一）DNA的结构1DNA的一级结构动物染色质DNA是双螺旋线型。线粒体、细菌及某些病毒是双螺旋环状。少数几种病毒是单链线型或环状。DNA主要由A、G、C、T和少量稀有碱基如m5C组成。各种生物碱基组成规律：a.腺嘌呤与胸腺嘧啶完全相等。G与C完全相等。嘌呤总数与嘧啶总数完全相等。A+C=G+T A/T=G/C。b.碱基组成具有种的特异性，既不同的物种DNA具有自己独特的碱基组成。c.碱基组成不具有组织器官特异性，同一生物各组织器官具有相同的碱基组成。d.年龄、环境、营养状态不影响DNA碱基组成。DNA的一级结构是4种脱氧核苷酸按一定的方式、数量、排列顺序形成的多核苷酸链。一个脱氧核苷酸的C3-OH与一个C5-P以35磷酸二酯键相连形成糖-磷酸骨架，碱基在内侧，3端为-OH，5端为-P，书写时按53方向。真核生物DNA一级结构中，常有一些重复序列。高重复序列： 重复频率高，从几十万次到几百万次，重复序列较短，5300bp，多数为515bp。重复序列中有些是反向重复序列，即该片段碱基顺序在互补链方向正读反读都相同，称回文结构。有些反向重复序列中间被一些不相关的顺序隔开，形成十字形结构，在十字形两头形成发夹环。高重复序列中还有一种由简单重复单位组成的重复序列，重复单位由210 bp，成串排列。高重复序列碱基组成不同于其它部分，可用等密度梯度离心法将其与主体部分分开，称为卫星DNA。根据重复频率和重复序列长度不同又分为小卫星DNA和微卫星DNA。卫星DNA是一种较好的分子遗传标记。高重复序列可参与DNA复制及基因表达调控。中重复序列：重复频率和序列长度有很大差异，平均长度为6105bp，平均重复350次，在DNA一级结构中可成串的排列在一个大的区域，也有的与单拷贝序列间隔排列，有些序列不编码蛋白质，有些序列编码蛋白质。中重复序列具有种的特异性，可作为探针区分不同种哺乳动物细胞DNA。低重复序列单拷贝序列，序列不重复或只重复几次、十几次，长度大于1000bp，携带大量遗传信息，编码多种蛋白质，有的是基因间隔序列。2、DNA的二级结构 DNA的二级结构是Waston和Crick于1953年提出的双螺旋结构模型。其要点如下： 主链：有两条反向平行的脱氧多核苷酸链组成。双链围绕螺旋轴以右手方向盘绕成双螺旋。磷酸-脱氧核糖位于螺旋的外侧，构成螺旋的主链，碱基位于螺旋的内侧。 碱基对：两条链的碱基通过氢键联系在同一平面上形成碱基对，A-T,G-C。两种碱基对氢键间的距离、碱基两侧与其C-1连接之间距离及C-1与核苷酸构成的角度相同。 螺距：双螺旋螺距为3.4nm，包含10个碱基对。每两个相邻碱基平面的垂直距离为0.34nm，直径为2.0nm 。相邻碱基对之间的螺旋角度为36。 大沟和小沟：两条主链和碱基并不充满双螺旋的空间，表面形成大小两条凹下去的槽，称大沟和小沟。这是由于碱基对上下大小不同及碱基对两侧的脱氧核糖是不对称的而形成的。两种沟内都具有形成氢键的氢供体和受体，但结构不同。大沟比小沟宽而深，易与DNA蛋白质酶等相互作用。 这种模型为B-DNA，随着DNA分析技术的发展，DNA的双螺旋不是均匀的，整个螺旋不是垂直而是弯曲的，许多结构参数是随碱基序列的不同而有一定范围的波动，如旋转角度等。 稳定双螺旋结构稳定的因素有：互补碱基间氢键，碱基堆积力（碱基平面之间的范德华力和疏水作用力），离子键（外侧磷酸基的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键）。DNA双螺旋的多态性： DNA在不同条件下存在有不同的双螺旋结构，具有多态性。如：A、A、B、B、C、C、D、E、Z等。 A-DNA： DNA纤维钠盐在湿度为75%时，B-DNA转变为A-DNA。A-DNA的右手螺旋比B-DNA大且较平，每转一圈的螺距为2.8nm，每一圈的碱基对数为11，碱基距离0.255nm，碱基旋转33。碱基平面与中心轴不垂直，而成20倾斜，大沟窄而深小沟浅。Z-DNA 结构特征：a：以二聚体dGC或dCG为一个单位，由六个这样的单位构成一个左手螺旋。磷酸基团走向成Z型。螺旋直径为1.8nm。每转一圈包括12个碱基对，螺距为4.5nm。b：G-C碱基对不是对称的位于螺旋轴附近移向边缘，G位于DNA分子表面成六面对称排布，表面有窄而深的小沟。影响Z-DNA形成与稳定的因素：单价、二价金属离子有利于Z-DNA的形成与稳定。多胺等促进Z-DNA的形成与稳定。具有嘧啶、嘌呤交替相间的序列有利于Z-DNA的形成。胞嘧啶或鸟嘌呤的甲基化可形成稳定的Z-DNA。组蛋白H2A、H2B、H3、H4稳定Z-DNA而组蛋白H1和H5不利于Z-DNA的形成。在有适当碱基序列的部位解旋时，促进Z-DNA的形成。1.三螺旋DNA的结构分为分子间、分子内、和平行三螺旋DNA三类碱基组成及配对：三螺旋是在双螺旋的结构基础上形成的三链区的三条链均由同型嘌呤或同型嘧啶组成。根据碱基组成及结构的不同分为嘧啶-嘌呤-嘧啶型（Y。RY型）：TAT、CGC，嘌呤-嘌呤-嘧啶型（R。RY型）：AAT、GGC。碱基配对方式，第三个碱基以A-T、G-C配对只形成两对氢键，在R。RY型上还存在G-G、A-A每一型中碱基配对具有高度的序列特异性。分子间三螺旋DNA：合成的脱氧多核苷酸在一定条件下DNA双螺旋的特定区插入双螺旋结构的大沟内，通过氢键的形成局部的分子间三螺旋结构，并与双螺旋一起旋转。分子内三螺旋DNA：DNA双螺旋特定区通过氢键作用发生自身折叠形成局部分子内三股螺旋结构，同时游离出一段DNA单链。如H-DNA，其内的主要序列成为H-回文序列。平行的三螺旋结构：三螺旋结构中的第三条链的序列，方向与第一条链的相同称为R-DNA。近年来的研究表明，在真核细胞染色质中，发现许多基因的调控区和染色质的重组部位含有三螺旋DNA结构，应用单链DNA片段可将切割剂携带到DNA的特定位点，从而达到选择性切断有害基因或病毒基因的转录。对三螺旋DNA的研究有助于认识真核基因结构，复制、转录、调控和重组的机理。3、DNA的三级结构DNA的三级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的构象。包括线型双链中的扭结、超螺旋、多重螺旋、分子内局部单链环、连环等。超螺旋是最常见的一种。超螺旋 环状DNA、线形双螺旋两端连接进一步扭曲可形成负超螺旋。向右手扭曲形成正超螺旋。天然存在的超螺旋多为负超螺旋。如细菌质粒、噬菌体、大肠杆菌染色体DNA、真核细胞染色体DNA的。自然界中大多数DNA分子都以超螺旋结构存在。其意义在于：1、密度大、体积小，在细胞中所有体积较为经济；2、能影响双螺旋的解链程度，因而影响DNA分子与其他分子的相互作用，参与DNA的复制、重组、转录等功能。（2）染色体DNA的三级结构真核细胞染色体DNA的二级结构是线性双螺旋，三级结构是双螺旋盘绕在组蛋白上的负超螺旋结构。这种以组蛋白为核心，盘绕以DNA片段的颗粒称核小体。核小体是染色体的基本结构单位，每一个核小体上的DNA熟练是因生物种类和组织不同而异。完整的核小体由核小体核心与连接蛋白组成，核心是由组蛋白H2A/H2B、H3/H4与DNA结合形成的八聚体，连接蛋白由组蛋白H1和20-80bp的DNA构成。许多核小体形成念珠线形结构的核小体链，然后盘绕形成染色质纤维，再进行盘曲形成染色单体。4、DNA的理化特性。分子大小：分子量104107，碱基对107bp。长度可达数厘米，由于分子很长，有一定脆性，极易受剪切力的作用而折断。紫外吸收特性：由于嘌呤和嘧啶碱基形成共轭双链而具有紫外吸收性质，最大吸收波长260nm，此特性可用于测量核酸的浓度及其纯度。变性与复性：1）变性：能破坏氢键和疏水键的因素都能导致双螺旋的破坏。变性因素：加热、极端pH、有机溶剂、尿素、酰胺等。DNA由双螺旋结构转变成无规则卷曲单链，称DNA变性。特点: (将DNA溶液加热到70100几分钟后，双螺旋结构即发生破坏，氢键断裂，两条链彼此分开，形成无规则线团状，此过程为DNA的热变性。有以下特点：变性温度范围很窄;260nm处的紫外吸收增加;粘度下降;生物活性丧失;比旋度下降;酸碱滴定曲线改变，沉降系数增加、浮力密度上升等)。热变性在较窄的温度范围内发生，引起DNA变性温度称熔点（Tm）。DNA Tm在7085度之间。影响Tm值的因素：溶液离子种类和强度影响DNA的稳定性，离子强度低时，Tm值低，熔点范围较窄；离子强度高时 ，熔点范围较宽。DNA分子碱基组成的均一性和分子中G+C的含量可影响其Tm 值。均一性DNA Tm值较窄，非均一性DNA Tm值较宽。G+C含量高的DNA，Tm值较高。亦较稳定，所以，Tm值可作为测定DNA样品均一性的指标，及推算DNA碱基组成。2）复性：除去变性因素后，变性DNA的两条链重新结合起来，恢复到原来双螺旋结构的过程称为DNA复性。复性后DNA的一系列理化性质得到恢复，真核DNA重复频率高的序列复性速度快，重复频率低的则慢。序列简单、浓度高、片段大的DNA复性快。（4）核酸分子杂交：相同或不同来源的两个DNA或DNA和RNA分子如果含有彼此互补的序列，混合在一起，通过变性和复性处理，DNA-DNA同源序列间及DNA-RNA异源序列间形成DNA-DNA或DNA-RNA杂交体，称为核酸分子杂交。核酸探针（基因探针）：有目的合成从基因组中分离一段已知序列的DNA，使带上标记，竟变性后成为单链，在一定条件下与待测DNA单链杂交，如两序列有同源性即互补，形成带有标记的双链DNA分子，以达到探测位知DNA的目的。（二）RNA结构1RNA的结构特征（1）碱基组成：A、G、C、U及少量稀有碱基，碱基含量没有A-U、G-C的比例关系。（2）一级结构：四种单核苷酸按一定方式、数量和排列顺序形成多核苷酸链称为RNA一级结构。细胞RNA分子一般为线形单链分子。（3）RNA构象：RNA二级结构由双螺旋或碱基对区、内部环、单碱基突起和突环、发夹环或多分支环、单链区、甲结构成。双螺旋区：RNA单链迂回折叠形成，一个或数个长短不一的局部双螺旋结构。内部环：RNA链中不互补的碱基突出形成环状突起。内部环的碱基数目可以是对称的也可以是不对称的。单碱基突起：在一个连续的双螺旋中突起一个碱基。发夹环：对于双螺旋末端两面连接的双链区域，类似发夹结构。多分支环：是连接三个以上螺旋的环区。甲结：是二级结构中环区再加上碱基配对形成。是几个螺旋区交叉的一种形式。单链区：位于RNA分子的端部。（4）RNA的空间结构：单链RNA分子通过折叠形成二级和三级结构。二级结构既有单链区又有双链区。种类和功能不同的RNA有其特征的二级或三级结构，种类和功能相同的RNA二级或三级相同或相似。2mRNA 二级结构没有共同的形态和规律。原核生物和真核生物mRNA结构不同。（1）原核生物mRNA的结构。典型的多顺反子结构即一个操纵子编码的几条多肽链。5端无帽子结构，没有修饰核苷酸，不含稀有碱基，3端没有多聚A序列，二级结构存在丰富的自身回折形成的双链区，有发夹结构。（2）真核生物mRNA结构含有少量稀有碱基，由5的帽子结构、5非编码区、编码区、3非编码区和3多聚A尾组成。5帽子结构：是5存在甲基化核苷，即：m7GpppNm.，对mRNA的翻译活性很重要。3多聚A结构：存在于3端的多聚A结构，是转录后由腺苷酸聚合酶催化加上的，对mRNA的稳定、翻译效率有调控作用。编码区：带有特异性蛋白质遗传信息的翻译区，是肽链氨基酸序列的编码序列。非编码区：存在5和3端，两个非编码区分别包括5帽子结构、起始密码和终止密码、多聚A结构，非编码区参与翻译过程和起调控作用。3tRNA （1）tRNA一级结构特征单链小分子 含有较多的稀有碱基或修饰碱基，其中以甲基化碱基较多； 3端都是CCA-OH结构；5端总是磷酸化的，大多数为小pG； 表现出进化的保守性，有二十多个位点上的核苷酸是不变的；大多数tRNA第54到57位存在TCG序列。（2）tRNA二级结构是三叶草结构，有5个臂组成 ，即：氨基酸臂、二氢尿嘧啶臂、反密码子臂、胸苷假尿苷胞苷臂和可变臂。每个臂由两部分组成，一部分碱基配对形成双螺旋，另一部分以单链形式形成一个小环。氨基酸臂：由7个碱基对组成的局部双螺旋区和3端CCA-OH组成，可接受活化的氨基酸。二氢尿嘧啶臂由三个碱基对组成，短双螺旋区和由7到10个核苷酸形成的二氢尿嘧啶环。反密码子臂：由5个碱基对构成的短双螺旋区和7个核苷酸形成的反密码子环，其中三个核苷酸组成反密码子，与Mrna相应的密码子互补。 胸苷甲尿苷胞苷臂：由5对碱基组成的双螺旋区和7个核苷酸围成的TCG组成。TCG环使Trna与腺粒体的大亚基相互结合。 可变臂：有3到21个核苷酸组成的可变化的含量多者可形成小双螺旋。5hnRNA、snRNA、snoRNA（1）hnRNA 又称不均一核RNA存在于真核生物细胞核中，分子量不均一，是mRNA的前体，在核质中由RNA聚合酶转录而成，初级转录产物不含5帽子和3polyA结构。在核质量经过加工修饰成有帽尾结构的hnRNA，再经剪接和甲基化修饰转变成成熟的mRNA。hnRNA与蛋白体、结合成核内不均一的核糖核蛋白颗粒（hnRNP），参与mRNA剪接加工成熟过程。（2）snRNA 又称作核内小RNA，是一类小分子RNA，分布于细胞核中，与蛋白质结合在一起形成小分子细胞核核蛋白颗粒（snRNA），与Mrna前体组成剪接体，参与Mrna的剪切，加工。（3）snoRNA 又称作小分子核仁RNA，存在于真核生物细胞核内，参与Rrna的加工，影响Rrna，及其前体的形成等。6反义RNA 指能与有义mRNA互补结合的单链RNA。广泛存在于自然界。原核生物由反义基因转录而来。真核生物来自于mRNA同一DNA区。即由反链转录而来。 反义RNA是生物体内重要的调控物质，可在多层次对基因的表达进行调控。二 DNA的复制（一）DNA复制过程基本要点1半保留复制复制过程中，DNA两条链分开，分别以每一条链为模板合成新的互补链，产生两个与原来DNA分子碱基顺序完全一样的子代DNA分子，每个子代DNA分子的一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式称半保留复制。2复制的起始点、方向和方式复制是从DNA分子上特定位置开始的。这一位置称复制原点。方向大多以双向进行，也有一些以单向进行。复制正在发生的位点叫复制叉，双向复制可形成两个复制叉。（1） 复制的起始点 原核生物只有一个起始点，真核生物有几个或多个复制起点。其共同特点是都富含A.T序列。是引发复制的蛋白因子结合的位点。不同生物中A.T序列长度不同。（2） 复制的方向 复制从特定位置开始，大都双向进行，也有一些是单向的。向一侧单方向进行的复制称为单方向复制，向两侧进行的复制叫做双向复制，向两侧复制但移动是不对称的称不对称双向复制。（3）复制方式 眼型：复制区域形如一个眼睛，复制随眼形结构的扩张最终扩张到整个复制子，有单向和双向两种。型：复制眼形成类似结构，发生在环状DNA分子中。有双向和单向复制，多数为双向等速复制。D环型：线粒体DNA的复制呈现D环型。线粒体DNA是环状双链DNA。两条链的复制是不对称的，先以新代分子中的负链为模板，合成一条新链，当合成进行到一定距离时，暴露本身一条链的复制点，从该点开始，以正链为模板，合成一条新链，两者的合成方向相反。由于起始点不在同一位置，所以合成的起始时间不同。复制是不对称进行的。滚环型： 某些病毒、噬菌体DNA复制时形成滚环型。当环型DNA分子复制时，先由一核酸内切酶从正面的一个位置打开一个缺口，使3和5端游离出来，3端做为引物，在DNA聚合酶催化下，以负链为模板，连续合成一条新链，形成环状双链子代DNA，以原有的正链为模板连续或不连续合成一条负链最后形成一线形或环状双链分子。3复制的方向：从53。4复制的半不连续性 DNA复制在有条链上以53的方向连续合成，这条链成为前导链，在另一条链上，先按53方向合成许多与复制叉方向相反的岗崎片段（1968年，岗崎发现），随着复制叉的移动，许多不连续的岗崎片段在DNA连接酶的作用下，连接成一条完整的DNA链。这条链称随从链。5模板和引物模板为DNA。 引物是在DNA的复制过程中，每段岗崎片段复制时都要先合成一小段RNA作为引物，复制才能进行，引物是引发DNA合成的。6引发和引发体DNA分子上一段短的区域发生熔解反应，双链分离成单链区域，由解旋酶使双螺旋解开，单链结合蛋白使双链解开，并覆盖在单链上。 解旋酶沿DNA移动形成复制叉。在引物合成酶的作用下，形成一小段RNA引物，引发复制，引发过程中由若干蛋白和酶形成一个引发体。引发酶在随从链上向复制叉方向前进，在随从链上断断续续地引发生成随从链的RNA引物。在前导链上引发只进行一次。7链的延伸 链的延伸是在DNA聚合酶催化下，按模板的要求，在引物的3-OH加上新的核苷酸。大肠杆菌DNA聚合酶有I、II、III三种。酶III是延伸的主要酶。8链的终止 在单向复制的环状分子中，复制的终点就是复制原点。在双向复制环状分子中没有固定的终点。DNA链延长结束后，DNA聚合酶I的作用下切除RNA引物，该酶具有53外切酶的功能。去除引物后留下的空缺由酶I催化填补，然后在又DNA连接酶将DNA片段连接起来。9复制忠实性的保证 为了保证复制的忠实性，生物体内具有确保复制忠实性的机能。DNA聚合酶具有35外切酶活性，可专门水解不配对的碱基，该酶在聚合开始时具有选择正确碱基的能力，同时有一种校对作用，删去误配的碱基，保证复制的高度忠实性.（二）复制过程所需主要酶类及相关蛋白1DNA聚合酶DNA聚合酶的特点：以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物； 反应需接受模板指导； 反应需有引物3-OH存在；双链的伸展方向为53； 产物DNA性质与模板相同。（1）大肠杆菌DNA聚合酶I：DNA聚合酶活性：通过核酸聚合反应使DNA链沿35方向延长。 35外切酶活性：由3端水解DNA链。53外切酶活性：由5端水解DNA链。35外切酶活性能切除单链DNA的3末端。正常聚合反应中35外切酶活性受抑制，当出现错配碱基对，聚合反应停止，由35外切酶切除错配碱基，聚合反应才能继续进行。53外切酶活性只用于双链DNA，从5端水解下核苷酸或寡核苷酸，如岗崎片段中5引物的切除。酶II： 催化由53方向合成DNA反应，只有35外切酶活性，而无53外切酶活性。其生理功能还不太清楚。酶III： 与酶I一样具有35， 53外切酶活性。酶III在复制过程中起主要作用。其酶由多亚基组成的点不对称两臂的大分子。这样可适于同时复制复制叉的前导链和随从链的合成。随从链的模板在复制叉前进处围绕DNA聚合酶III的一个臂弯曲成环，使随从链片段在53合成时也于复制叉前进方向一致。当随从片段合成接近前导片段5末端时，模板被释放，模板上的环消除，合成的随从链片段其53方向转为与复制叉方向相反。合成下一片段时，模板再成环、环再消除等。（2）真核生物DNA聚合酶。真核生物DNA聚合酶活性与大肠杆菌DNA聚合酶活性相似。有、和5种。酶：同与酶III，由多亚基组成，是真核生物DNA复制的主要酶。常伴有引物合成酶。引物可以是DNA或RNA。酶：能一人工合成的DNA为模板，引物为寡聚脱氧核糖核苷酸。可能在DNA的损伤修复中起作用。酶：模板与引物与酶相同，可能与线粒体DNA复制相关。酶：天然DNA需没Dnase处理活性后才能作为模板和因物。具有35外切酶活性。酶：其性质与相似。 和的生物功能尚不清楚。2DNA连接酶催化DNA切口处形成3，5-磷酸二酯键。目前应用的有大肠杆菌DNA连接酶、T4DNA连接酶。二者的区别：辅助的因子不同（大-NAP；T4-ATP）。底物不同，大肠杆菌DNA连接酶，只连接双链DNA中的单链缺口，只能实现粘接，不能实现DNA双链间的平接。T4DNA连接酶，既能实现DNA双链间的粘接，有能实现平接。3单链结合蛋白（SSB） SSB能刺激同源DNA聚合酶的活性。使天然DNA熔点降低，单链DNA与其结合后，能抵抗核酸酶的水解，可与解开的两条单链结合，稳定单链以利于其发挥模板作用，促进复制进行。4DNA解旋酶 是一类通过水解ATP获得能量来解开双链DNA的酶。复制时DNA解旋酶可以沿着随从链模板的53方向随着复制叉的前进而移动。Rep蛋白前导链模板的35方向移动. Rep蛋白和DNA解旋酶在DNA两条链上协同作用,以解开双链DNA.DNA解旋酶还同时有引发酶的功能.5拓扑异构酶 酶I：双链DNA超螺旋和送松弛态之间的转换。 单链互补DNA的正链与负链形成双环结构。单链结状DNA和无结状DNA之间的转换。 双链环状DNA的环连或解环连作用。酶II：使DNA的正超螺旋转变为负超螺旋状态。使DNA两条链同时切开，同时利用水解ATP的能量，使双链结开，让一条DNA穿过断口，再将切断的末端重新关闭起来，形成负超螺旋。6引物酶 引物是一种特殊的RNA聚合酶，催化RNA引物的合成。引物酶作用需要有其他蛋白质因子存在，即需要有引发前体的存在。 引发前体包含多种蛋白因子PriA、B、C ,dnaA、B、D、T。引物酶与引发前体两者联合，组成引发体。7端粒酶 是一种核糖核蛋白酶，是一种特殊的DNA聚合酶，属于反转录酶。由RNA和蛋白质构成，以其中一段RNA序列为模板，延伸染色体的3端解决DNA复制时引起的末端隐缩。端粒酶RNA亚单位的结构在不同真核生物之间差别很大，其蛋白质组分至少有两个以上多肽亚单位组成。端粒酶能把端粒序列加到染色体末端，以补充染色体末端的自然丢失。在缺乏有效延伸机制时，端粒在历经每次细胞分裂之后即缩短。（三）原核生物DNA复制模型和真核生物DNA复制特点1原核生物DNA复制模型凯恩斯模型（型）： 大肠杆菌和噬菌体DNA以此模型复制。复制机制：复制从双链特定的复制点开始。 分别以正负两链为模板，以双向方式进行。 正链膨大负链变形，逐渐形成型DNA分子。新生子链随母链正负链内外侧延伸。 延伸到一定程度闭环，形成两个子代DNA分子（2）滚换式模型 如174噬菌体与单链环状DNA的复制。复制时先以单链正链为模板合成一条互补链，形成环状双链复制型。复制机制：双链DNA分子的正链被内切酶切开一个缺口，露出3-OH和5磷酸末端正链的一端固定在细胞膜上，以环状闭和的负链为模板，以正链的3-OH为引物，复制新的正链负链随正链的延长而滚动，使模板上尚未复制的核苷酸转到正链的延伸点，使正链的复制持续进行。拉成现状的正链的5端部分逐渐延长，并进行直线伸展的复制新生的子链延长到一定程度后，在连接酶作用下成环，线状伸展部分也卷曲成环，形成两个子代环状DNA分子。这种双链DNA分子可在内切酶作用下在正链切一切口，使正负链分开，形成一个单链DNA分子。2真核生物DNA复制的特点（1）同原核生物一样都是半保留复制。（2）原核生物只有一个复制起始点，一个DNA分子就是一个复制子。真核生物DNA上有许多复制起始点，每个复制起始点，不固定在某一DNA序列处，每个起始点左右各有一个终止点，形成一个复制单位即复制子。不同生物，同一生物不同生长条件下，其复制子大小不同，同一DNA上其复制子大小不均一。（3）从复制起始点开始向左右进行，形成复制叉。许多复制叉碰在一起，最后完成整个DNA复制