分子生物学核心概念笔记详解汇编

分子生物学核心概念笔记详解汇编分子生物学以核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功能及相互作用为核心，揭示生命活动的分子机制。掌握其核心概念是理解基因表达、遗传调控、疾病发生的关键。本文系统梳理领域核心概念，结合机制解析与实例应用，为科研与学习提供实用参考。一、核酸的结构与功能：遗传信息的载体（一）DNA的双螺旋结构与拓扑学DNA的双螺旋模型（Watson-Crick模型）中，两条反向平行的脱氧核苷酸链通过碱基互补配对（A-T、G-C）形成右手螺旋，磷酸-脱氧核糖骨架位于外侧，碱基对堆叠于内部维持结构稳定。双螺旋稳定性由氢键（碱基对）和疏水作用（碱基堆叠）共同维持，螺距约3.4nm，含10个碱基对。DNA的拓扑学涉及超螺旋、环化等构象变化。拓扑异构酶（如TopoI、TopoII）通过切断-旋转-连接DNA链调控超螺旋密度：TopoI催化单链断裂，TopoII（如DNA旋转酶）催化双链断裂，可松弛超螺旋或引入负超螺旋（利于复制转录）。例如，原核生物通过负超螺旋压缩基因组，真核染色质则通过核小体（组蛋白八聚体+DNA）进一步折叠。（二）RNA的多样性与功能分类RNA以单链为主，局部可形成茎环等二级结构，功能高度多样化：mRNA：携带基因编码信息，作为翻译模板，5’端帽子（m⁷GpppN）和3’端poly(A)尾参与稳定性调控与核糖体识别。tRNA：通过反密码子识别mRNA密码子，携带对应氨基酸参与翻译，三级结构呈“L”形，3’端-CCA序列为氨基酸结合位点。rRNA：与核糖体蛋白组成核糖体（原核70S：30S+50S；真核80S：40S+60S），催化肽键形成（23S/28SrRNA为核酶）。非编码RNA（ncRNA）：如miRNA（长度~22nt）通过碱基互补结合靶mRNA，抑制翻译或促进降解；lncRNA（长链非编码RNA）参与染色质重塑、转录调控等（如XistRNA介导X染色体失活）。二、中心法则：遗传信息的传递规律（一）复制、转录、翻译的核心机制DNA复制：以亲代DNA为模板合成子代DNA，具有半保留（Meselson-Stahl实验证实）、半不连续（前导链连续，后随链产生冈崎片段）特点。复制起始于oriC（原核）或多个复制起点（真核），DnaA（原核）或ORC（真核）识别起始位点，解旋酶（DnaB/MCM）解开双链，引物酶合成RNA引物，DNA聚合酶（PolIII/Polδ）沿5’→3’延伸，连接酶缝合冈崎片段。转录：RNA聚合酶以DNA一条链为模板，按A-U、G-C配对合成RNA。原核中σ因子（如σ⁷⁰）识别启动子（-10/-35区），真核中RNAPolII需通用转录因子（如TFIIB、TBP）组装起始复合物，增强子（远距离调控元件）通过染色质环化影响转录效率。翻译：核糖体读取mRNA密码子，tRNA转运氨基酸合成多肽链。分为起始（核糖体小亚基结合mRNA5’端，起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸/甲硫氨酸）、延伸（EF-Tu介导tRNA进入A位，肽酰转移酶催化肽键形成）、终止（释放因子识别终止密码子，肽链释放）三个阶段。（二）逆转录与RNA编辑的特殊性逆转录：逆转录酶（如HIV的RT）以RNA为模板合成cDNA，存在于逆转录病毒和真核端粒酶中。该过程打破中心法则的“DNA→RNA”单向性，是病毒致癌（如HTLV）和基因工程（cDNA文库构建）的关键机制。RNA编辑：转录后RNA序列的修饰，如腺苷脱氨酶（ADAR）将RNA中的A脱氨为I（次黄嘌呤，配对C），改变密码子（如谷氨酸→精氨酸）；载脂蛋白BmRNA编辑（C→U）产生截短蛋白，适应不同组织需求。三、基因表达调控：时空特异性的分子基础（一）原核生物的操纵子模型操纵子是原核基因表达的功能单位，包含结构基因、启动子、操纵序列（operator）和调节基因。乳糖操纵子（lacoperon）：调节基因lacI编码阻遏蛋白，无乳糖时阻遏蛋白结合操纵序列，抑制转录；乳糖（或IPTG）作为诱导物结合阻遏蛋白，使其构象改变，转录开启，表达β-半乳糖苷酶等分解乳糖的酶。色氨酸操纵子（trpoperon）：调节基因trpR编码阻遏蛋白，色氨酸（辅阻遏物）结合后激活阻遏蛋白，抑制转录；同时存在衰减子（attenuator）机制：色氨酸充足时，前导肽翻译完成，RNA聚合酶提前终止转录。（二）真核生物的多层次调控真核基因表达调控贯穿染色质重塑、转录、RNA加工、翻译、蛋白质修饰等阶段：染色质重塑：组蛋白修饰（乙酰化、甲基化、磷酸化）改变染色质状态。例如，组蛋白H3K9乙酰化（HAT催化）使染色质松散，利于转录因子结合；H3K27甲基化（PRC2催化）则抑制转录（如X染色体失活）。转录因子调控：转录因子（如p53、NF-κB）通过DNA结合域（如锌指、亮氨酸拉链）结合顺式作用元件（启动子、增强子），招募共激活因子/共抑制因子调控转录。RNA干扰（RNAi）：双链RNA（dsRNA）被Dicer切割为siRNA/miRNA，与RISC结合后降解靶mRNA或抑制翻译，是基因沉默的重要机制（如siRNA敲低）。四、分子克隆与重组DNA技术：基因操作的工具（一）工具酶的特性与应用限制性内切酶：识别并切割特定DNA序列（回文结构，如EcoRI识别GAATTC），产生粘性末端或平末端，用于DNA片段的体外拼接。DNA连接酶：催化DNA片段的5’-磷酸与3’-羟基形成磷酸二酯键，T4连接酶可连接粘性/平末端，是载体与插入片段连接的关键工具。DNA聚合酶：Taq酶（热稳定，用于PCR）、高保真酶（如Pfu，错配率低）、逆转录酶（合成cDNA）等，满足不同扩增需求。（二）载体系统与克隆流程载体：需具备复制原点、多克隆位点（MCS）、筛选标记（如氨苄抗性、lacZα互补）。质粒（如pUC19）用于原核表达，λ噬菌体载体容量大（~23kb），腺病毒/慢病毒载体可感染真核细胞（用于基因治疗）。克隆流程：①目的基因与载体的酶切（同一种/同尾酶）；②连接（T4连接酶）；③转化（感受态细胞，如DH5α）；④筛选（抗性平板+蓝白斑筛选）；⑤鉴定（PCR、酶切、测序）。五、蛋白质的结构与功能：生命活动的执行者（一）蛋白质的层次结构一级结构：氨基酸的线性序列，由肽键连接，决定高级结构（如胰岛素的A、B链）。二级结构：局部肽段的空间构象，如α-螺旋（氢键沿螺旋轴形成）、β-折叠（氢键连接相邻肽段）、无规卷曲。三级结构：整条肽链的三维折叠，由疏水作用、氢键、二硫键等维持（如肌红蛋白的球状结构）。四级结构：多亚基蛋白的组装（如血红蛋白的α₂β₂四聚体），亚基间通过非共价键结合。（二）构象与功能的关联别构效应：小分子（效应物）结合蛋白的别构位点，引起构象变化，调节活性（如血红蛋白结合O₂后，亚基间协同作用增强氧亲和力）。酶的催化机制：酶通过邻近效应（底物集中）、定向排列（底物正确取向）、酸碱催化（氨基酸残基提供质子）、共价催化（形成过渡态共价键）降低反应活化能。例如，胰凝乳蛋白酶通过丝氨酸羟基亲核攻击肽键，天冬氨酸和组氨酸辅助催化。六、表观遗传学：环境与基因的对话（一）表观遗传调控的核心机制DNA甲基化：DNA甲基转移酶（DNMT）将甲基（-CH₃）添加到CpG岛的胞嘧啶上，抑制基因转录（如肿瘤抑制基因启动子甲基化导致沉默）。组蛋白修饰：除乙酰化、甲基化外，泛素化（如H2B单泛素化促进转录）、SUMO化（抑制转录）等修饰通过“组蛋白密码”调控染色质状态。非编码RNA调控：lncRNA（如HOTAIR）招募PRC2甲基化组蛋白，miRNA通过降解靶mRNA调控发育（如let-7调控细胞分化）。（二）表观遗传与疾病、发育的关联发育调控：胚胎发育中，表观遗传标记（如XistRNA介导的X染色体失活、印记基因的甲基化）确保基因的时空特异性表达。疾病机制：肿瘤中常出现表观遗传紊乱，如DNMT过表达导致全局低甲基化和局部高甲基化；自闭症、精神分裂症等神经疾病与lncRNA、miRNA的异常表达相关。七、细胞信号转导：生命活动的分子通讯（一）信号通路的基本组成信号通路通常包含受体（如G蛋白偶联受体GPCR、酪氨酸激酶受体RTK）、第二信使（如cAMP、IP₃、Ca²⁺）、效应器（如激酶、转录因子）。信号传递具有级联放大（如MAPK通路的三级激酶级联）、反馈调节（如负反馈抑制）特点。（二）经典通路的机制与功能MAPK通路：生长因子激活RTK，通过Ras（小G蛋白）激活Raf（MAPKKK）→MEK（MAPKK）→ERK（MAPK），最终磷酸化转录因子（如Elk-1），调控细胞增殖、分化。PI3K-AKT通路：PI3K催化PIP₂生成PIP₃，招募AKT（蛋白激酶B），AKT磷酸化后激活mTOR等靶蛋白，促进细胞存活、代谢（如胰岛素调节葡萄糖摄取）。Wnt通路：Wnt配体结合Frizzled受体，抑制β-连环蛋白（β-catenin）的降解，β-catenin入核与TCF/LEF结合，激活靶基因（如c-Myc），调控胚胎发育与肿瘤发生（如结直肠癌中β-catenin突变导致通路持续激活）。八、基因组学与系统生物学：从单个基因到网络调控（一）基因组测序技术的演进一代测序（Sanger法）：基于双脱氧链终止，读长~1kb，准确率高，用于小片段测序（如质粒、PCR产物）。二代测序（NGS）：如Illumina的边合成边测序，读长~150bp，高通量（一次测亿级reads），用于全基因组、转录组（RNA-seq）、表观组（ChIP-seq）分析。三代测序（单分子测序）：如PacBio的SMRT和OxfordNanopore的纳米孔测序，读长可达几十kb，无需PCR扩增，可直接检测甲基化、结构变异（如端粒、重复序列）。（二）组学整合与生物网络分析系统生物学通过整合基因组、转录组、蛋白质组、代谢组数据，构建基因调控网络（如转录因子-靶基因网络）、蛋白质相互作用网络（如STRING数据库）、代谢网络（如KEGG数据库），揭示生物系统的涌现性（如细胞周期的时空调控）。例如，癌症