现代分子生物学笔记朱玉贤

第一章绪论分子生物学分子生物学的基本含义(p8)分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。分子生物学与其它学科的关系分子生物学是由生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞学、以至信息科学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发展起来的，凝聚了不同学科专长的科学家的共同努力。它虽产生于上述各个学科，但已形成它独特的理论体系和研究手段，成为一个独立的学科。生物化学与分子生物学关系最为密切:生物化学是从化学角度研究生命现象的科学，它着重研究生物体内各种生物分子的结构、转变与新陈代谢。传统生物化学的中心内容是代谢，包括糖、脂类、氨基酸、核苷酸、以及能量代谢等与生理功能的联系。分子生物学则着重阐明生命的本质----主要研究生物大分子核酸与蛋白质的结构与功能、生命信息的传递和调控。细胞生物学与分子生物学关系也十分密切:传统的细胞生物学主要研究细胞和亚细胞器的形态、结构与功能。探讨组成细胞的分子结构比单纯观察大体结构能更加深入认识细胞的结构与功能，因此现代细胞生物学的发展越来越多地应用分子生物学的理论和方法。分子生物学则是从研究各个生物大分子的结构入手，但各个分子不能孤立发挥作用，生命绝非组成成分的随意加和或混合，分子生物学还需要进一步研究各生物分子间的高层次组织和相互作用，尤其是细胞整体反应的分子机理，这在某种程度上是向细胞生物学的靠拢。第一章序论1859年发表了《物种起源》，用事实证明“物竞天择，适者生存”的进化论思想。指出：物种的变异是由于大自然的环境和生物群体的生存竞争造成的，彻底否定了“创世说”。达尔文第一个认识到生物世界的不连续性。意义：达尔文关于生物进化的学说及其唯物主义的物种起源理论，是生物科学史上最伟大的创举之一，具有不可磨灭的贡献。细胞学说细胞学说的建立及其意义德国植物学家施莱登和德国动物学家施旺共同提出：一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。经典遗传学两条基本规律:统一律：当两种不同植物杂交时，它们的下一代可能与亲本之一完全相同；分离规律：将不同植物品种杂交后的F1代种子再进行杂交或自交时，下一代就会按照一定的比例分离，因而具有不同的形式。1865年发表《植物杂交试验》，直到1900年才被人们重新发现。孟德尔被公认为经典遗传学的奠基人。现代遗传学Morgan及其助手第一次将代表某一特性的基因同染色体联系起来，使科学界普遍认识了染色体的重要性并接受了孟德尔的遗传学原理。Morgan特别指出：种质必须由某些独立的要素组成，我们把这些要素称为遗传因子或基因。第二节分子生物学发展简史准备和酝酿阶段（19世纪后期到20世纪50年代初）对生命本质的认识上的两点重大突破：1．确定了蛋白质是生命的主要基础物质2．确定了生物遗传的物质基础是DNA现代分子生物学的建立和发展阶段（20世纪50年代初到70年代初）这一阶段以1953年Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型作为现代分子生物学诞生的里程碑开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金时代。在此期间的主要进展包括：遗传信息传递中心法则的建立对蛋白质结构与功能的进一步认识DNA双螺旋发现的意义：确立了核酸作为信息分子的结构基础；提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式；从而最后确定了核酸是遗传的物质基础，为认识核酸与蛋白质的关系及其在生命中的作用打下了最重要的基础。Crick于1954年所提出遗传信息传递的中心法则（CentralDogma）：初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段（20世纪70年代后至今）基因工程技术的出现作为标志。其间的重大成就包括：重组DNA技术的建立和发展基因组研究的发展单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展基因表达调控机理细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域第三节分子生物学的主要研究内容一．DNA重组技术（recombinantDNAtechnology）定义：又称为基因工程，根据分子生物学和遗传学的原理，将一种生物的遗传物质DNA转移到另一生物体中，使后者获得新的遗传性状或表达出所需要的产物。DNA重组技术的应用：利用微生物基因工程生产重组基因工程药物转基因植物和动物体细胞克隆基因表达与调控的基础研究二．生物大分子的结构功能研究三．基因组、功能基因组与生物信息学的研究基因组、蛋白质组与生物信息学基因组(Genome)：细胞或生物体一条完整单体的全部染色体遗传物质的总和。人类基因组计划（HumanGenomeProject,HGP）：测定出人基因组全部DNA3109硷基对的序列、确定人类约5-10万个基因的一级结构。基因组、蛋白质组与生物信息学蛋白组计划（Proteomeproject）:又称为后基因组计划或功能基因组计划，用于揭示并阐明细胞、组织乃至整个生物个体全部蛋白质及其功能。生物信息学（Bioinformatics）:是在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。四．基因表达调控研究第二章染色体与DNA本章内容1.染色体2.DNA的结构3.DNA的复制4.原核生物和真核生物DNA复制特点5.DNA的修复6.DNA的转座第一节染色体(chromosome)概念：染色体(chromosome)：原指真核生物细胞分裂中期具有一定形态特征的染色质。现在这一概念已扩大为包括原核生物及细胞器在内的基因载体的总称。染色质(chromatin)：由DNA和蛋白质构成，在分裂间期染色体结构疏松，称为染色质。其实染色质与染色体只是同一物质在不同细胞周期的表现。常染色质(euchromatin)：是进行活跃转录的部位，呈疏松的环状，电镜下表现为浅染，易被核酸酶在一些敏感的位点(hypersensitivesites)降解。异染色质(heterochromatin)：在间期核中处于凝缩状态，无转录活性，也叫非活动染色质(inactivechromatin)，是遗传惰性区。在细胞周期中表现为晚复制，早凝缩，即异固缩现象(heteropycnosis)。原核细胞与真核细胞特征分析染色体特性：分子结构相对稳定能够自我复制，使亲、子代之间保持连续性能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程能够产生可遗传的变异真核细胞染色体的组成DNA30%--40%组蛋白(histone)30%--40%非组蛋白(NHP)变化很大少量RNA染色体中的蛋白质组蛋白(histone)：一类小的带有丰富正电荷(富含Lys、Arg)的核蛋白，与DNA有高亲和力。组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成核小体。组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3及H4。非组蛋白(non-histoneprotein)：是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，所以又称为序列特异性DNA结合蛋白。组蛋白具有如下特性：1、进化上的极端保守性。2、无组织特异性。3、肽链上氨基酸分布的不对称性。4、组蛋白的修饰作用。5、富含赖氨酸的组蛋白H5。非组蛋白：非组蛋白大约占组蛋白总量的60－70%，种类很多。（1）HMG蛋白(highmobilitygroupprotein)，能与DNA结合(不牢固)，也能与H1作用,可能与DNA的超螺旋结构有关。（2）DNA结合蛋白：可能是一些与DNA的复制或转录有关的酶或调节物质。（3）A24非组蛋白：与H2A差不多，位于核小体内，功能不祥。非组蛋白的一般特性：1.非组蛋白的多样性；非组蛋白的量大约是组蛋白的60%～70%，但它的种类却很多，约在20-100种之间，其中常见的有15-20种。2.非组蛋白的组织专一性和种属专一性。DNAC值：通常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序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开，这就是著名的“C值反常现象”。染色体中的DNA根据DNA的动力学研究，真核细胞DNA可分为：高度重复序列：几百→几万copy。如：卫星DNA和微卫星DNA。中度重复序列：10→几百copy。如：各种rDNA、tDNA及组蛋白基因。低度重复序列：2→10copy。如：血红蛋白。单拷贝序列：大多数编码蛋白质的结构基因和基因间间隔序列。只有一个拷贝。如：蛋清蛋白。染色体折叠DNA核小体螺线管圆筒超螺旋（1）核小体染色质纤维细丝是许多核小体连成的念珠状结构。核小体(nucleosome)：DNA绕在组蛋白八聚体(H2A、H2B、H3、H4各一对)核心外1.8周(146bp)，形成核小体核心颗粒。（2）螺线管10nm的染色质细丝盘绕成螺旋管状的30nm纤维粗丝，通称螺线管（solenoid）。螺线管的每一螺旋包含6个核小体，其压缩比为6。这种螺线管是分裂间期染色质和分裂中期染色体的基本组分。（3）上述螺线管可进一步压缩形成超螺旋。由30nm螺线管缠绕而成一细长、中空的圆筒，直径为4000nm，压缩比是40。（4）超螺旋进一步压缩1/5便成为染色体单体，总压缩比是7×6×40×5，将近一万倍。原核生物基因组特点：1、结构简练2、存在转录单元多顺反子mRNA3、有重叠基因Sanger1977在《Nature》上发表了ΦX174DNA的全部核苷酸序列，正式发现了重叠基因。第二节DNA的结构一、DNA的一级结构所谓DNA的一级结构，就是指4种核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该DNA分子的化学构成。基本特点①DNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。②DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。③两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成有一定的规律。这就是嘌呤与嘧啶配对，而且腺嘌呤（A）只能与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）只能与胞嘧啶（C）配对。2、DNA的二级结构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。通常情况下，DNA的二级结构分两大类：一类是右手螺旋，如A-DNA和B-DNA；另一类是左手螺旋，即Z-DNA。3、DNA的高级结构DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类。DNA分子的超螺旋化可以用一个数学公式来表示：L=T+W其中L为连接数（linkingnumber），是指环形DNA分子两条链间交叉的次数。只要不发生链的断裂，L是个常量。T为双螺旋的盘绕数（twistingnumber），W为超螺旋数（writhingnumber），它们是变量。2．3DNA的复制2.3.1DNA的半保留复制机理2.3.2复制的起点、方向和速度2.3.3复制的几种主要方式一、DNA的复制1、DNA的半保留复制每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，所以这种复制方式被称为DNA的半保留复制（semiconservativereplication）。DNA的这种半保留复制保证了DNA在代谢上的稳定性。2、复制的起点与方向一般把生物体的复制单位称为复制子（replicon）。一个复制子只含一个复制起点。多复制子：DNA复制时，原核生物一般只有一个起始位点，而真核生物则有多个起始位点，因而在复制时呈现多复制泡，也称为多复制子。DNA的复制主要是从固定的起始点以双向等速复制方式进行的（图2-18）。复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。拓扑异构酶I拓扑异构酶I解开负超螺旋，并与解链酶共同作用，在复制起点处解开双链。参与解链的除一组解链酶外，还有Dna蛋白等。DNA解链酶（DNAhelicase）DNA解链酶能通过水解ATP获得能量来解开双链DNA。单链结合蛋白（SSB蛋白）SSB蛋白的作用是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。3、DNA的半不连续复制与冈崎片段DNA复制时