分子生物学重点.docx
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分子生物学重点
第二章染色体与DNA
一、染色体
1、染色体是指在细胞分裂期出现的一种能被碱性染料强烈染色,并具有一定形态、结构特征的物体。
它由核酸和蛋白质组成,是生物遗传物质的主要载体。
(DNA、组蛋白和非组蛋白及部分RNA)
2、染色体蛋白主要分为组蛋白和非组蛋白两类。
组蛋白是染色体的结构蛋白,分为H1、H2A、H2B、H3及H4五种。
组蛋白含有大量的赖氨酸和精氨酸,其中H3、H4富含精氨酸,H1富含赖氨酸。
H2A、H2B介于两者之间。
3、真核生物基因组结构特点
①真核基因组庞大,一般远大于原核生物的基因组。
②真核基因组存在大量重复序列。
③真核基因组中大部分为非编码区。
④真核细胞基因转录产物为单顺反子,即一个结构基因转录、翻译成一个mRNA分子,一条多肽链。
⑤真核基因是断裂基因,在真核生物结构基因的内部存在许多不编码蛋白质的间隔序列,称为内含子,编码区则称为外显子。
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。
DNA多态性指DNA序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异,主要包括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。
端粒是真核生物线性基因组DNA末端的一种特殊结构,是一段DNA序列和蛋白质形成的复合体。
4、原核细胞DNA特点:
结构简炼:
原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的,只有很小一部分控制基因表达的序列不转录;
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,形成转录单元并转录产生含多个mRNA的分子,称为多顺反子mRNA;
有重叠基因:
一些细菌和动物病毒存在重叠基因,同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息。
二、DNA结构
1、高级结构的连接数的计算
①计算一个240bps的环状DNA在松弛态和w=-2的L和超螺旋密度。
松弛态:
L=T=240/10=24
超螺旋:
T=24;L=T+W=24+(-2)=22;
=-2/24=-0.08
②已知自然界存在大多数DNA分子的superhelicaldensity(超螺旋密度)
是-0.06,一个10000bpDNA分子,假定是B型构像,将形成多少圈超螺旋?
W/T=-0.06W=T*(-0.06)T=10000/10W=60
2、一级结构:
是指四种核苷酸的链接及排列顺序,表示该DNA分子的化学构成。
3、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。
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。
B-DNA是最常见的DNA构象,也是活性最强的DNA构象。
三、DNA的复制
1、复制的方式:
半保留复制:
DNA在复制过程中,每条链分别作为模板合成新链,产生互补的两条链。
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,这种复制方式被称为DNA的半保留复制。
DNA的半不连续复制:
由于DNA双螺旋的两条链是反向平行的,因此在复制叉附近解开的DNA链一条是5’→3’方向,另一条是3’→5’方向,两个模板极性不同。
而所有已知DNA聚合酶的合成方向都是5’→3’,两条链无法同时进行复制。
2、复制叉:
复制时,双链DNA要解开成两股链分别进行,所以,复制起点呈叉子形式。
复制的起点的特点:
复制时呈现复制叉的形式,一个复制子只含有一个复制起始点。
复制起始点是固定的。
复制方向:
移动的方向和速度虽是多种多样但以双向等速方式为主。
3、原核与真核复制叉的区别:
4、复制的几种主要方式:
线性DNA双链的复制和环状DNA双链的复制
5、原核生物和真核生物DNA的复制特点
原核生物DNA的复制特点:
真核生物DNA的复制特点:
6、DNA聚合酶:
共同:
都以dNTP为底物;都需要Mg2+激活;聚合时必须有模板链和具有3'—OH末端的引物链;链的延伸都方向为5'→3'。
大肠杆菌DNA聚合酶I、II和III的性质比较
种类
特点
DNA聚合酶I
不是复制大肠杆菌染色体的主要聚合酶,它有5'→3'核酸外切酶活性,保证了DNA复制的准确性。
它也可用来除去冈崎片段5'端RNA引物,使冈崎片段间缺口消失,保证连接酶将片段连接起来
DNA聚合酶II
活性很低,若以每分钟酶促核苷酸掺入DNA的转化率计算,只有DNA聚合酶I的5%,所以也不是复制中主要的酶。
目前认为DNA聚合酶II的生理功能主要是起修复DNA的作用。
DNA聚合酶III
包含有7种不同的亚单位和9个亚基,其生物活性形式为二聚体。
它的聚合活性较强,为DNA聚合酶I的15倍,聚合酶II的300倍。
它能在引物的3’—OH上以每分钟约5万个核苷酸的速率延长新生的DNA链,是大肠杆菌DNA复制中链延长反应的主导聚合酶。
DNA聚合酶IV和V
分别由dinB和umuD’2C基因编码,主要在SOS修复过程中发挥功能。
7、DNA复制的调控:
ColEl质粒DNA的复制调控;大肠杆菌染色体DNA的复制调控;真核细胞DNA的复制调控
四、DNA修复
1、修复有以下几种:
错配修复恢复错配
在含有错配碱基的DNA分子中,使正常核苷酸序列恢复的修复方式。
)
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体或甲基化DNA
2、AP位点:
所有细胞中都带有能识别受损核酸位点的不同的糖苷水解酶,能特异性切除受损核苷酸上的N-β糖苷键,形成去嘌呤或去嘧啶位点。
3、甲基化酶的作用:
甲基化酶使位于5’-GATC序列腺苷酸的N6位甲基化,一旦在DNA复制过程中发生错配,错配修复系统就会依据Dam甲基化酶识别新合成链中的错配并加以校正,DNA子链中的错配几乎完全被修正。
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,修正子链”的原则,找出错误碱基所在的DNA链,并加以修正。
五、DNA转座
1、DNA转座:
或称移位,是由可移位因子介导的遗传物质重排现象。
2、插入序列(IS因子):
是最简单的转座子,不含有任何宿主基因而常被称为插入序列(IS),它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。
3、自主性因子:
是细胞内的控制因子,具有自主剪接和转座的功能。
4、非自主性因子:
是细胞内的控制因子,具有单独存在时是稳定的,不能转座,当基因组中存在与非自主性因子同家族的自主性因子时,它才具备转座功能。
5、Ac-Ds系统:
是激活-解离系统,它通过复制型机制进行转座。
Ac,是属于自主转座子,能够自主转座,并形成不稳定的基因突变,但不使染色体断裂;它能使Ds因子活化、转座,并通过控制结构基因的表达。
同时可以推迟Ds因子的解离和转座。
Ds元件属于非自主因子,又称解离因子,与Ac属于同一家族的控制因子。
已知所有Ds都是Ac转座子的突变体,其两端有完整的转座特征序列。
6、复合型转座子:
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。
第三章生物信息的传递(上)——从DNA到RNA
一、RNA转录的基本过程:
无论是原核还是真核细胞,转录的基本过程都包括:
模板识别:
主要指RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。
转录起始:
是RNA链上第一个核苷酸键的产生,不需要引物。
通过启动子:
转录的延伸和终止:
RNA聚合酶离开启动子,沿DNA链移动并使新生RNA
链不断伸长的过程就是转录的延伸。
当RNA链延伸到转录终止位点时,RNA聚合酶不再形成新的磷酸二酯键,RNA-DNA杂和物分离,转录泡瓦解,DNA恢复成双链状态,而RNA聚合酶和RNA链都被从模板上释放出来,这就是转录的终止(termination)。
二、转录机器的主要成分:
RNA聚合酶转录复合物
1、RNA聚合酶的功能:
是转录过程中最关键的酶,主要以双链DNA为模板,以4种核苷三磷酸作为活性前体,并以Mg2+/Mn2+为辅助因子,催化RNA链的起始、延伸和终止,它不需要任何引物,催化生成的产物是与DNA模板链相互补的RNA。
原生物RNA聚合酶的主要特征:
几乎负责所有mRNA、rRNA和tRNA的合成。
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。
真核生物RNA聚合酶的主要特征:
聚合酶中有两个相对分子质量超过1×105的大亚基;同种生物3类聚合酶有“共享”小亚基的倾向,即有几个小亚基是其中3类或2类聚合酶所共有的。
表-真核细胞中三类RNA聚合酶特性比较
酶
细胞内定位
转录产物
相对活性对
α-鹅膏覃碱的敏感程度
RNA聚合酶I
核仁
rRNA
50%-70%
不敏感
RNA聚合酶II
核质
hnRNA
20%-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:
模板的识别阶段包括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(closedcomplex,此时,DNA仍处于双链状态)。
三、启动子与转录起始
1、启动子:
是一段位于结构基因5’端上游区的DNA序列,能活化RNA聚合酶,使之与模板DNA准确地相结合并具有转录起始的特异性
即位于–10bp处的TATA区和–35bp处的TTGACA区,它们是RNA聚合酶与启动子的结合位点。
上升突变:
TATAAT变成AATAAT就会大大降低其结构基因的转录水平
下降突变:
如果增加Pribnow区的共同序列,将乳糖操纵子的启动子中的TATGTT变成TATATT,就会提高启动子的效率,称为上升突变。
2、增强子:
在SV40的转录单元上发现其转录起始位点上游约200bp处有两段72bp长的重复序列,它们不是启动子的一部分,但能增强或促进转录的起始,因此,称这种能强化转录起始的序列为增强子或强化子(enhancer)。
3.增强子具有下列特点:
远距离效应一般位于上游-200bp处,即使相距>10kb也能发挥作用
无方向性位于上游、下游或内部
顺式调节只调节位于同一染色体上的靶基因无物种和基因特异性
具有组织特异性增强子的效应需特点的蛋白质因子参与
具有相位性作用与DNA构象有关
有的增强子可以对外部信号产生反应
4、原核与真核生物mRNA的特征比较
(1)、原核生物mRNA的特征
1.半衰期短。
2.原核细胞的mRNA(包括病毒)有时可以编码几个多肽,而真核细胞的mRNA最多只能编码一个多肽
3.原核生物mRNA的5’端无帽子结构,3’端没有或只有较短的多聚(A)结构。
4.原核生物常以AUG(有时GUG,甚至UUG)作为起始密码子,而真核生物几乎永远以AUG作为起始密码子
把只编码一个蛋白质的mRNA称为单顺反子mRNA(monocistronicmRNA),把编码多个蛋白质的mRNA称为多顺反子mRNA(polycistronicmRNA)。
多聚(A)是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式,它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性。
刚从细胞核进入细胞质时,其多聚(A)尾巴一般比较长,随着mRNA在细胞质内逗留时间延长,多聚(A)逐渐变短消失,mRNA进入降解过程。
(2)、真核生物mRNA的特征
1.真核生物mRNA的5’端存在“帽子”结构。
2.绝大多数真核生物mRNA具有多聚(A)尾巴。
除组蛋白基因外,真核生物mRNA的3’末端都有多聚(A)序列.
5.模板识别阶段主要指RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。
6、原核生物起始密码子AUG上游7-12个核苷酸处有一被称为SD序列
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