现代分子生物学笔记(基础理论部分)

第二章染色体与DNA第一节染色体1、真核细胞的染色体具有如下性质：分子结构相对稳定；能够自我复制，使亲子代保持连续性；能指导蛋白质的合成，从而控制生命过程；能产生可遗传的变异。2、染色体上的蛋白质包括组蛋白和非组蛋白。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、H4。组蛋白：histones真和生物体细胞染色质中的碱性蛋白质含精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸特别多，二者加起来约为所有氨基酸残基的四分之一。3、组蛋白的一般特性：○1进化上的极端保守：不同种生物组蛋白的氨基酸组成是十分相似的，特别是H3、H4可能对稳定真核生物的染色体结构起重要作用。○2无组织特异性○3肽链上氨基酸分布的不对称性○4存在较普遍的修饰作用○5富含赖氨酸的组蛋白H54、非组蛋白：主要包括与复制和转录有关的酶类、与细胞分裂有关的蛋白等。5、真核生物基因组DNA：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。人们把一种生物单倍体基因组DNA的总值称为C值。在真核生物中C值一般是随生物进化而增加的，高等生物的C值一般大于低等生物，但某些两栖类的C值甚至比哺乳类还大，这就是著名的“C值反常现象”。6、真核细胞DNA序列可分为三类：○1不重复序列：在单倍体基因组里，一般只有一个或几个拷贝，占DNA总量的40%~80%。结构基因基本上属于不重复序列。○2中度重复序列：重复次数在10~104之间，占DNA总量的10%~40%，各种rRNA、tRNA以及某些结构基因（如组蛋白基因）都属于此类。○3高度重复序列：如卫星DNA。只在真核生物中出现占基因组的10%~60%，由10~60个碱基组成，在DNA链上串联重复高达数百万次，这类DNA高度浓缩，是异染色质的组成部分，可能与染色体的稳定性有关。7、染色质与核小体：染色质纤维细丝是由DNA和组蛋白构成，DNA和组蛋白构成核小体，核小体连成念珠状构成染色质。○1核小体的装配过程：两分子的H3和两分子的H4先形成四聚体，然后由H2A和H2B构成的异二聚体在该四聚体的两侧分别结合而形成八聚体。长146bp的DNA按左手螺旋盘绕在八聚体上1.8圈，形成核小体的核心颗粒，每圈约80bp。核心颗粒两端的DNA各有11bp与H1结合，形成完整的核小体。核小体的形成是染色体压缩的第一个阶段。○2染色体的压缩：DNA双链以左手螺旋盘绕在组蛋白形成的八聚体核心上即核小体------念珠状结构-----核小体结构进一步盘绕折叠形成染色质丝----组成突环----玫瑰花结------螺线圈-----由螺线圈组成染色单体。8、真核生物基因组的特点:○1真核基因组庞大，一般都远大于原核生物的基因组○2真核基因组存在大量的重复序列○3真核基因组的大部分为非编码序列，占整个基因组序列的90%以上，该特点是真核生物与细菌和病毒之间最主要的区别○4真核基因组的转录产物为单顺反子。○5真核基因是断裂基因，有内含子结构。○6真核基因组存在大量的顺式作用元件。包括启动子、增强子、沉默子等○7真核基因组中存在大量的DNA多态性。单核苷酸多态性和串联重复序列多态性。○8真核基因组具有端粒结构。单顺反子：真核基因转录产物为单顺反子，即一条mRNA模板只含有一个翻译起始点和终止点，因而一个基因编码一条多肽链或RNA。多顺反子：在原核生物中，通常是几种不同的mRNA连在一起，相互之间由一条短的不编码蛋白质的间隔序列所隔开，这种mRNA叫做多顺反子mRNA。这样的一条mRNA链含有指导合成几种蛋白质的遗传信息。9、原核生物基因组：原核生物基因组很小，大多只有一条染色体，只有很少基因是以拷贝形式存在，且DNA含量很少。10、原核生物基因组特点：○1结构简练：原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的只有很少的一部分不转录○2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，形成功能单元或转录单元，它们可被一起转录为含多个mRNA的分子，称为多顺反子mRNA。○3有重叠基因：同一段DNA携带两种或两种以上不同蛋白质的编码基因。第二节DNA的结构1、DNA的一级结构：指DNA分子中核苷酸的排列顺序。DNA一级结构特征：DNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸链盘绕而成；DNA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，碱基排在内侧；两条链上的碱基互补配对2、DNA的二级结构：指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。通常情况下分为两大类：右手螺旋A-DNA、B-DNA和左手螺旋Z-DNADNA双螺旋结构：两条DNA链之间形成氢键；双螺旋内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；介质中的阳离子中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力、范德华力。Z-DNA指左手螺旋DNA。3、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。负超螺旋（拓扑异构酶或溴乙啶）松弛DNA（拓扑异构酶或溴乙啶）正超螺旋第三节DNA的复制1、半保留复制：DNA在复制过程中，碱基间的氢键首先断裂，双螺旋被分开，每条分子分别做模版合成新链，产生互补的两条链。每个子代DNA分子的一条链来自亲代DNA，另一条是新合成的。2、半不连续复制：DNA在复制时，在一个复制叉上同时进行两个方向的DNA复制，一条链的合成是连续的，另一条是不连续的先合成一系列的5’~3’的短片段，然后在DNA连接酶作用下连接成完整的DNA链3、复制的起点、方向和速度复制时，双链DNA要解开成两股链分别进行；所以这个复制起点成叉子形式，被称为复制叉。DNA复制是从固定起点开始的。一般把生物的复制单位称为复制子。一个复制子只含有一个复制起点。通常细菌、病毒和线粒体DNA分子都是作为单个复制子完成复制的。而真核生物的基因组可以同时在多个复制起点上进行双向复制，即基因组中包含多个复制子。原核生物和真核生物的DNA复制主要是从固定起点双向等速复制方式进行。4、几种主要的复制方式：(1)线性DNA双链的复制(2)环状DNA双链的复制：θ型、滚环型、D型第四节原核生物和真核生物DNA复制的特点1、原核生物DNA复制的特点：所有的DNA复制都是从一个固定的起点开始的，而目前所知的DNA聚合酶都只能延长DNA链而不能从头合成DNA链。DNA复制时，往往先由RNA聚合酶在DNA模版上合成一段RNA引物，再由DNA聚合酶从RNA引物3’末端开始合成新的DNA链。对于前导链，这个引发过程比较简单只要有一段RNA引物，DNA聚合酶就能以此为起点一直合成下去，但对于滞后链，这个引发过程就非常复杂，需要多种蛋白质和酶的协同作用还涉及到岗崎片段的形成和连接。滞后链的引发由引发体来完成。DNA解链酶：DNA解链酶能水解ATP获得能量来解开双链DNA。单链结合蛋白SSB：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，待单链复制完成后才离开。2、真核生物DNA复制的特点真核生物每条染色体上可以有多个复制起点，而原核生物只有一个复制起点；真核生物的染色体在全部完成复制前，各个起点上的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，表现为虽有一个复制单元，但却可有多个复制叉。第五节DNA的修复1、错配修复：一旦复制叉通过复制起点，母链就会在开始DNA合成前的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“保存母链，修复子链”的原则，找出错误碱基所在的DNA链，并在对应于母链甲基化腺苷酸上游鸟苷酸的5’位置切开自恋，再根据错配碱基相对于DNA切口的方位启动修复途径，合成子链。2、切除修复：包括碱基切除修复和核苷酸切除修复。步骤：○1首先由核酸内切酶识别DNA的损伤位点，在损伤部位的5’侧切开磷酸二酯键○2由DNA解链酶将有损伤的DNA片段解离○3在DNA聚合酶的催化下，以完整的互补链为模板，按5’~3’方向合成DNA链，填补已切除的空隙○4由DNA链连接酶新合成的DNA片段与原来的DNA断链连接起来。3、重组修复（复制后修复）：○1受损伤的DNA链复制时，产生的子代DNA在损伤的对应部位出现缺口○2另一条母链DNA与有缺口的子链DNA进行重组交换，将母链DNA上相应片段填补母链DNA的缺口，而母链DNA出现缺口○3以另一条子链DNA为模板经DNA聚合酶催化合成一新的DNA片段填补母链DNA的缺口，最后DNA连接酶连接，完成修补。4、DNA的直接修复5、SOS反应：包括诱导DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制以及溶原性细菌释放噬菌体等。包括两个方面DNA的修复和产生变异。第六节DNA的转座1、转座子：是存在于染色体DNA上可自主复制和移位的基本单位。插入序列是最简单的转座子，它不含任何宿主基因，它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成成分。第三章生物信息的传递---从DNA到RNA第一节RNA转录的基本过程1、RNA链的合成都包括以下几个特点：RNA是按照5-3方向进行的；以DNA中的反义链为模版；在RNA聚合酶催化下；以四种三磷酸核苷为原料，根据碱基配对原则，各个核苷酸之间通过形成磷酸二酯键相连，不需要引物的参与，合成的RNA带有与DNA有意义链相同的序列。转录的基本过程包括：模版识别、转录起始、通过启动子及转录的延伸和终止。2、模版的识别：主要是RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。真核生物的RNA聚合酶不能直接识别基因的启动子区，所以，需要一些被称为转录调控因子的辅助蛋白质按特定的顺序结合在启动子上，RNA聚合酶才能与之结合并形成复杂的转录起始前复合物PIC，以保证有效的起始转录。3、起始转录：不需要引物。转录的起始就是RNA链上第一个核苷酸键的产生。转录起始后直到形成9个核苷酸短链的过程是通过启动子阶段，此时RNA聚合酶一直处于启动子区，新生的RN链与DNA模版链的结合不够牢固，很容易从dna链上掉下来并导致转录重新开始。一旦RNA聚合酶成功的合成了9个以上核苷酸并离开启动子区，转录就进入正常的延伸阶段。一般来说，通过启动子的时间越短，该基因转录起始的频率也越高。4、转录的延伸：RNA聚合酶释放σ因子离开启动子后，核心酶沿模版DNA链移动并使新生RNA链不断延长的过程就是转录的延伸。5、转录的终止：当RNA链延伸到转录终止位点时，RNA聚合酶不在形成新的磷酸二酯键，RNA-DNA杂合物分离，转录泡瓦解，DNA恢复成双链状态，而RNA聚合酶和RNA链都被从模版上释放出来，这就是转录的终止。第二节转录机器主要成分1、RNA聚合酶：○1原核生物RNA聚合酶：在细菌中，一种RNA聚合酶几乎负责所有的mRNA、rRNA、tRNA的合成。大多数原核生物的RNA聚合酶的组成是相同的，大肠杆菌RNA聚合酶首先由2个α亚基、一个β亚基、一个β′亚基和一个ω亚基组成的核心酶，加上一个σ亚基后则成为聚合酶全酶。转录的起始过程需要全酶，由σ因子辨认起始点，延长过程仅需要核心酶的催化。大肠杆菌RNA聚合酶的组成分析亚基相对分子质量亚基数组分功能α3.65x1042核心酶核心酶组装，启动子识别β1.51x1051核心酶β和β′共同组成RNA合成的活性中心β′1.55x1051核心酶ω11x1041核心酶σ7.0x1041σ因子存在多种σ因子，用于识别不同的启动子○2真核生物的RNA聚合酶：酶细胞内定位转录产物相对活性对α-鹅膏碱的敏感程度RNA聚合酶Ⅰ核仁rRNA50%—70%不敏感RNA聚合酶Ⅱ核质hnRNA20%—40%敏感RNA聚合酶Ⅲ核质tRNA约10%存在物种特异性2、转录复合物：模版的识别阶段包括RNA聚合酶全酶对启动子的识别，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭复合物，聚合酶全酶所结合的DNA序列中有一小段双链被解开。对强启动子来说，从封闭复合物到开放复合物的转变是不可逆的，是快反应。开放复合物与最初的两个NTP相结合并在两个核苷酸之间形成磷酸二酯键后即