分子生物学 考点 重点 总结 研究生或本科生考试 考前必备.docx
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分子生物学考点重点总结研究生或本科生考试考前必备
第一章绪论
1、医学分子生物学(medicalmolecularbiology):
是分子生物学的一个重要分支,一门新兴交叉学科,从分子水平研究人体和疾病相关生物在正常和疾病状态下生命活动及其规律、从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗研究的科学。
2、现代分生研究主要涉及三个领域:
几乎围绕核酸和蛋白质进行的
⑴从核酸和蛋白质的结构与功能、基因组的结构与功能到基因的复制、表达、调控及其生物学效应
⑵从生物大分子之间的相互作用到这些相互作用构成的细胞间通讯和细胞内信号转导
⑶从对基因的结构、功能、表达调控的分析到基因的制备、改造、调控、应用所需的各种技术体系
第二章基因
一、基因是遗传的基本单位
1、基因(gene):
是负责编码RNA或一条多肽链的DNA片段,包括编码序列、编码序列外的侧翼序列及插入序列。
2、结构基因(structuregenes):
基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列。
原核生物的结构基因是连续的,其RNA合成后不需要经过剪接加工。
大多数真核生物基因的显著特征是在编码区(codingregion)含有非编码的插入序列,被称为不连续基因(discontinuousgene)或断裂基因(interruptedgene)。
编码序列又被称为外显子(exon)
非编码序列被称为内含子(intron),又称插入序列(interveningsequence,IVS)
3、一致性序列(consensussequence):
真核生物基因的外显子与内含子接头处都有一段高度保守的一致序列,即:
内含子5’端大多数是以GT开始,3’端大多是以AG结束,称为GT-AG法则,可用它作为真核基因中RNA剪接的识别信号。
4、基因含有与转录调控相关的序列
●原核生物基因的调控序列中,最基本的是启动子(promoter)和终止子(terminator),有些基因中
还有不同的调节蛋白结合位点或操纵元件(operator)。
●真核生物基因中的调控序列一般被称为顺式作用元件(cis-actingelement),包括:
启动子和上游
启动子元件、增强子、反应元件(responseelement)和poly(A)加尾信号。
●启动子:
位于基因转录起始点上游-100~-200碱基对范围,是能够被RNA聚合酶识别并与其结合
起始转录的核苷酸序列,包括一组转录调控序列:
①TATA盒,是转录因子TFIID的结合位点
②CAAT盒,与转录因子CTF结合,决定启动子转录的效率
③GC盒,与转录因子Sp1结合,促进转录的过程
●典型的启动子通常含有TATA盒、上游启动子元件CAAT盒、GC盒。
●增强子(enhancer):
是一段短的DNA序列,其中含有多个作用元件,可以特异性的与转录因子结
合,增强基因的转录活性。
二、遗传信息按照中心法则有序传递
1、遗传信息储存在DNA序列中
2、RNA序列也可提供遗传信息
3、信使RNA将DNA序列中的遗传信息传递给蛋白质
4、遗传密码指导蛋白质的氨基酸序列合成
5、原核生物的结构基因多转录为多顺反子mRNA
PolycistronicmRNA,即每一个mRNA分子带有几种蛋白质的遗传信息(来自几个结构基因),利用共同的启动子及终止信号,组成“操纵子”的基因表达调控单元。
6、真核生物结构基因转录为单顺反子mRNA并需要转录后加工
MonocistronicmRNA,即一个编码基因转录生成一个mRNA分子、经翻译生成一条多肽链,基本上没有操纵子的结构。
7、同一段DNA序列能够编码两种甚至三种蛋白质分子
8、基因突变可改变遗传信息
第三章基因组
一、基因组是一套完整单倍体的遗传物质的总和
1、基因组(genome):
泛指一个细胞或病毒的全部遗传信息。
在真核生物体中,基因组是指一套完整单倍体DNA(染色体DNA)和线粒体DNA的全部序列,既包括编码序列,亦包括大量存在的非编码序列。
2、不同生物基因组蕴含的遗传信息量有着巨大的差别
●C值(C-value):
基因组的大小通常以其DNA含量来表示,单倍体基因组中的全部DNA量称之。
●基因组的大小与基因的数目没有直接的线性关系。
●人类基因组包含3.3×109个碱基对。
3、不同生物基因组的结构与组织形式也明显不同
二、不同病毒基因组的核酸具有不同特点
1、病毒基因组特点:
①种类单一,DNA分子或RNA分子;
②单倍体基因组:
每个基因组在病毒中只出现一次;
③形式多样,双链结构、单链结构、环状分子或线性分子等;
④大小不一;
⑤基因重叠:
同一段DNA/RNA序列可以编码≥2种的蛋白质;
⑥动物/细菌病毒与真核/原核基因相似:
内含子;
⑦具有不规则的结构基因;
⑧基因编码区无间隔:
通过宿主及病毒本身酶切;
⑨无帽状结构;
⑩结构基因没有翻译起始序列。
三、原核生物基因组比较简单
1、原核生物基因组特点:
①多数由一条环状双链DNA分子组成
②具有类核结构:
类核(nucleoid):
染色体经高度折叠、盘绕聚集在一起,形成致密的类核。
其中心为RNA和支架蛋白质组成,外周是双链闭合DNA结构。
③操纵子结构
操纵子结构(operon):
原核生物的绝大多数结构基因按功能相关性成簇地串联排列于染色体上,连同上游共同的调控区以及下游转录终止信号共同组成一个基因表达单位。
转录时,几个基因转录在一条mRNA链上,再分别翻译成各自不同的蛋白质。
操纵元件(operator):
是一段能够被不同基因表达调控蛋白识别和结合的DNA序列,是决定基因表达效率的关键元件。
④结构基因中无内含子,与真核细胞的主要区别。
编码区基因占基因组比例约50%左右,存在间隔区。
⑤DNA绝大部分用于编码蛋白质,结构基因多为单拷贝,
⑥结构基因中无重叠现象(一段DNA序列编码几种蛋白质多肽链)
⑦基因组较小,结构比较简单,其中重复序列很少
⑧基因组中存在可移动的DNA序列,如转座子和质粒等
2、转座基因☆类别:
插入序列(insertionsequence,IS)、转座子(transposon,Tn)、Mu噬菌体(Mu)
☆意义:
基因重排、引入突变、产生新的基因
3、质粒(plasmid):
是存在于细菌染色体外的,具有自主复制能力的环状双链DNA分子。
质粒在细菌内的存在会赋予宿主细胞一些新的遗传性状,如对某些抗生素或重金属产生抗性等。
根据宿主菌的表型可识别质粒的存在,这一性质被用于筛选和鉴定重组细菌。
四、真核生物基因组更加复杂
1、真核生物基因组特点
①基因组比较庞大,远大于原核生物的基因组,具有许多复制起点,而每个复制子的长度较小
②基因组由染色体DNA和染色体外DNA(即线粒体DNA)组成
③基因组中非编码序列多于编码序列
④存在重复序列,可高达总DNA量的50%,重复次数可达百万次以上
⑤真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体,储存于细胞核内,除配子细胞外,体细胞内
的基因的基因组是双份的(即双倍体,diploid),即有两份同源的基因组。
⑥真核细胞基因转录产物为单顺反子。
一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一
条多肽链。
⑦大部分基因含有内含子,因此,基因是不连续的。
⑧多基因家族和假基因的存在
☆多基因家族(multigenefamily):
指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的基因,其编码产物常常具有相似的功能。
☆假基因(pseudogene,ψ):
指与某些有功能的基因结构相似,但不能表达基因产物的基因。
五、基因组变异具有重要的生理和病理意义
1、基因组在进化过程中发生了各种形式的变异
2、染色体DNA变异可导致疾病的发生
3、线粒体(mt)DNA病受到越来越多的重视:
为母系遗传
4、易感基因与环境的相互作用
六、人类基因组的四张图谱
1、遗传图(geneticmap)
2、物理图(physicalmap)
3、DNA序列图(DNAsequencing)
4、转录图(transcriptionalmap)
第五章DNA损伤和修复
一、多种因素可以引起DNA损伤
1、紫外线引起DNA损伤:
●260nm波长的紫外线使相邻胸腺嘧啶通过5,6-双键的饱和作用形成共价结合的四元环状结构,称
为环丁烷型二嘧啶,或称为胸腺嘧啶二聚体。
●引起DNA之间的交联,DNA与蛋白质的交联,甚至DNA链的断裂
2、电离辐射引起DNA损伤
●电离辐射可导致碱基变化:
主要是·OH自由基引起,使胸腺嘧啶转变成5-羟基-甲基尿嘧啶,也
可使腺嘌呤的咪唑环开环。
●导致DNA链断裂(strandbroken):
使脱氧核糖破坏、磷酸二酯键断开
●导致脱氧核糖变化:
脱氧核糖上的C原子和羟基上的H都能和·OH等自由基反应
●引起DNA链交联:
DNA-DNA交联、DNA-蛋白质交联
3、烷化剂引起DNA损伤:
如芥子气、硫酸二乙酯、甲基-亚硝基胍等,是亲电子化合物,可导致碱基烷基化、碱基脱落、DNA断链、DNA链交联
4、碱基类似物、修饰剂引起碱基对的改变
碱基类似物:
结构与正常碱基相似,进入细胞能替代正常的碱基掺入到DNA链中而干扰DNA复制合成,用作促突变剂、抗癌药物,如5-溴尿嘧啶(5-BU)、5-FU、2-氨基腺嘌呤(2-AP)等。
5、其他一些因素也可引起DNA损伤
●吖啶类化合物(如原黄素、吖黄素、吖黄)是很强诱变剂,使相邻bp对分开,使DNA双链歪斜。
●细胞内生物氧化时不段产生氧自由基,使DNA分子发生加成反应、小自由基反应
6、DNA也会产生自发性损伤
●DNA复制时产生碱基错配(mismatch)
●DNA修复时产生碱基错配
●碱基自发改变导致DNA错配:
互变异构移位、脱氨基作用、碱基丢失导致DNA突变
二、DNA损伤可以不同形式在链内或链间形成
1、链内共价交联
2、链间共价交联
3、DNA链断裂
4、碱基突变:
单点突变和多点突变,点突变又可分为转换和颠换。
5、插入或缺失
6、DNA重排(DNArearrangement):
又称DNA重组(DNArecombination),是指DNA分子内发生较大片段的交换,可以在同一染色体的两条链间发生,亦可在不同染色体之间发生,且DNA重排可以是原来的方向或者颠倒的方向。
三、DNA损伤修复机制是遗传保守性的重要机制
1、某些DNA损伤可以直接修复
⑴DNA断裂口可以直接修复
⑵二聚体可被光复活酶直接修复
⑶烷基化碱基可以直接修复:
Ada酶
2、切除修复(excisionrepairing)是常见的修复方式
⑴切除修复过程复杂,多酶参与,受多基因调节,其大致过程:
①识别:
DNA特异内切酶或糖苷酶识别DNA损伤位点
②切除:
在损伤位点的5’上游切断DNA链,并沿5’→3’方向逐步切除DNA损伤部分
③合成:
DNA聚合酶在缺口处催化DNA合成并沿5’→3’方向延伸,以新合成的DNA片段取代整个损伤的DNA片段
④连接:
在DNA连接酶的作用下,新合成的DNA片段与原来的DNA链连接,从而完全修复DNA原有的结构。
⑵根据切除部位的大小,可分为两类:
1单个核苷酸切除修复;具体步骤:
Ⅰ、特定DNA糖苷酶识别并切除受损的碱基;
Ⅱ、AP核酸内切酶识别裸露脱氧核糖上的AP位点,并在该位点的5’端切开,后在外切核
酸酶作用下从5’→3’方向切除脱氧核糖残基;
Ⅲ、DNA聚合酶和连接酶修复缺口。
②核苷酸片段切除修复——更普遍
3、重组修复(recombinationrepairing)是DNA损伤较多时的修复方式,先复制再进行切除修复
4、SOS修复是DNA损伤严重时的应急性修复方式
5、细胞周期检查点控制(checkpointcontrol),又称关卡控制是真核生物诱导修复的主要机制
第六章基因的表达
基因表达(geneexpression):
指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录、翻译等一系列过程,合成特定的蛋白质,进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。
但对于rRNA、tRNA编码基因来说,基因表达就是转录生成RNA的过程。
转录(transcription):
DNA可以作为模板直接指导RNA分子的生物合成的过程。
翻译(translation):
将RNA分子上的核苷酸序列信息转变为蛋白质分子中的氨基酸序列。
一、原核生物基因的转录和翻译是偶联进行的基因表达过程
1、RNA聚合酶全酶结合启动子并起始转录
①RNA聚合酶全酶中的σ因子识别基因或操纵子的启动子而形成闭合复合物,σ因子只有与核心酶
组成全酶后,暴露出DNA结合域,才能结合启动子。
2闭合复合物转变成开放复合物,RNA聚合酶与DNA牢固地结合
③RNA聚合酶催化大约有10个核苷酸聚合
④RNA聚合酶的核心酶离开启动子区
2、RNA聚合酶的核心酶在RNA链延伸过程中催化RNA合成
3、ρ因子依赖性和非依赖性两种机制介导转录的终止
●不依赖ρ因子的终止子(terminator)有两个重要特诊
※一个反向重复序列,使RNA末端形成一个发卡结构
※在信息链上有一连串的T,因而RNA末端发卡结构之后紧接着出现一串U,RNA/DNA杂交
分子中的rU-dA碱基对结合力较弱,当发卡结构形成时,RNA聚合酶停止移动,RNA链从DNA上脱落。
●依赖ρ因子的终止子
※发挥ATP酶和解链酶活性
※也含有一个反向重复序列,使RNA末端形成一个发夹结构,但是没有随后的一串U
4、原核生物的tRNA和rRNA需要进行转录后加工
⑴tRNA前体的加工包括剪切、添加和修饰过程:
①剪切作用将多顺反子初级转录产物分离并切除多余序列,RnaseP切除各个5’端的多余核苷酸
②有些tRNA分子在3’端需要修复或添加CCA序列,由tRNA核苷酸转移酶催化完成的
③通过某些碱基的化学修饰在tRNA分子中形成稀有碱基:
eg假尿嘧啶(ψ)
⑵成熟rRNA分子是由多顺反子前体经过剪切而成,原核生物的rRNA也存在于操纵子中。
在内切和外切核酸酶的共同作用下,将各种前体的多余核苷酸(原间隔序列)切除,得到成熟的rRNA。
5、翻译起始是核糖体与mRNA结合及定位的过程
●mRNA的功能:
携带蛋白质的序列信息,在翻译过程中作为模板指导蛋白质的合成。
●开放阅读框(openreadingframe,ORF):
在mRNA的核苷酸序列中,有一段序列是一个特定蛋
白质多肽链的序列信息,这一段核苷酸序列从起始密码子开始、到终止密码子结束,又称为蛋白质编码区,此段核苷酸序列决定蛋白质分子的一级结构。
●非翻译区(untranslatedregion,UTR):
在开放阅读框的5’端上游和3’端下游的核苷酸序列没
有编码功能,称之。
主要是参与翻译起始调控,是将开放阅读框中的多肽链序列信息转变成为多肽链所必需的序列。
●核糖体是蛋白质合成的场所,mRNA是翻译的模板。
●起始因子(initiationfactor,IF)参与翻译起始复合物的形成。
●原核生物翻译起始阶段包括以下几个步骤:
1核糖体的两个亚基必须处于游离状态
2SD序列是小亚基与mRNA定位结合的关键,mRNA与30S小亚基结合
SD序列(Shine-Dalgarnosequence):
AUG密码子上游8~13个碱基处存在的一段特定的核苷
酸序列,该序列称为SD序列,与小亚基中16SrRNA3’端的互补序列配对结合,是起始密码子定位于翻译起始部位。
3翻译起始复合物的形成还需要fMet-tRNAfMet.IF-2.GTP三元复合物,IF-2能够确保只有起始
tRNA参与起始反应,fMet-tRNAfMet能识别起始密码子AUG,并与之结合
4IF-2水解GTP供能并促进核糖体两个亚基结合
6、氨基酸活化转运和核糖体循环贯穿肽链合成的基本过程
⑴氨基酸以氨基酰-tRNA的形式被活化与搬运:
①在氨基酰t-RNA合成酶催化下,氨基酸与ATP反应,生成氨基酰-AMP,AA获能而被活化;
②在同一个氨基酰t-RNA合成酶催化下,活化的AA被转移到tRNA分子上;
③活化的AA与tRNA3’末端的腺苷酸(A)的2’或3’的—OH以酯键相结合,形成相应的
氨基酰t-RNA,被转运到核糖体。
⑵延长因子(elongationfactor,EF)是辅助核糖体合成肽链的必要条件
⑶核糖体循环是肽链延长一个氨基酸的基本过程
核糖体循环(ribosomalcycle):
在70S起始复合物中,fMet-tRNAfMet占据P位,A位则空着,有待于mRNA中第二个密码子所对应的氨基酰t-RNA进入,从而进入延长阶段,肽链延长过程是一个循环过程,称为核糖体循环,每个循环包括进位、转肽、移位三个步骤。
每个循环使肽链增加一个氨基酸残基。
①氨基酰t-RNA在EF-Tu协助下进入核糖体A位——进位
②肽酰转移酶催化肽酰基移位和新肽链形成——转肽
③EF-G促进肽酰-tRNA由A位移入P位——移位
7、终止密码子和终止因子决定翻译的终止
终止因子(terminationfactor),又称为释放因子(releasefactor,RF),其功能是识别mRNA上的终止
密码子,终止肽链的合成并释放出肽链。
8、多聚核糖体保证蛋白质合成的快速进行
多聚核糖体(polyribosome):
在一条mRNA链上常结合有多个核糖体,呈串珠状排列,同时进行多肽链的合成。
这种聚合体称之。
可提高mRNA的利用率和蛋白质生物合成的速度。
9、原核生物基因转录与翻译具有原核生物自身的特点:
⑴mRNA的转录、翻译和降解偶联进行,同一部位
⑵mRNA所携带的信息量差别很大
a)单顺反子mRNA:
只带有一个结构基因的信息,编码一个蛋白质
b)多顺反子mRNA:
大部分mRNA都带有编码几个甚至十几个蛋白质的序列信息,这种mRNA
是从几个首尾相连的结构基因(存在于一个操纵子中)一次转录而成。
⑶某些密码子是原核生物优先利用的密码子
二、真核生物基因的表达
1、三种RNA聚合酶及相关启动子以不同方式起始转录
⑴转录因子有两类及其作用:
●通用转录因子(generaltranscriptionfactors):
将RNA聚合酶与启动子结合到一起,形成转录起始
复合物(preinitiationcomplex)
●基因特异性转录因子(genespecifictranscriptionfactors):
亦称反式作用因子,对特异基因的表达
进行精细调控
⑵RNA聚合酶I启动含有I类启动子的基因序列
⑶RNA聚合酶Ⅱ启动含有Ⅱ类启动子的基因序列
含有II类启动子的基因主要是编码蛋白质的基因和编码snRNA的基因。
II类启动子通常是由TATA盒与上游启动子元件组成。
TATA盒的一致性序列(consensussequence)一般位于转录起始点上游-25~-30核苷酸处,它对启动子活性和决定RNA链的起始点都是很关键的。
Ⅱ类前起始复合物中含有RNA聚合酶Ⅱ和7种通用转录起始因子(TFⅡA、B、D、E、F、H、J);
Ⅱ类通用TF与RNA聚合酶II以特定顺序依次结合,逐渐形成前起始复合物:
TFⅡD首先与TATA盒结合,然后TFⅡA以及TFⅡB识别并结合TFⅡD,然后RNA聚合酶在TFⅡF的辅助下与TFⅡB结合。
RNA聚合酶就位后,转录因子TFⅡE、H、J加入,形成起始复合物(DABPolFEHJ),并开始转录。
⑷RNA聚合酶Ⅲ启动含有Ⅲ类启动子的基因序列
2、转录延伸过程中需要克服核小体障碍
3、三种RNA聚合酶以不同的方式终止转录
4、初级转录产物进过加工后转变为成熟RNA
⑴mRNA前体通常以5’端加帽、3’端加poly(A)尾、剪接等
①甲基化鸟苷酸以5’磷酸基团连接mRNA5’端形成帽子结构(m7GpppNp-)
②多聚腺苷酸的加入形成mRNA的3’尾
③mRNA前体经剪接过程除去内含子序列,内含子通常以GU开始,以AG结束,至少有5种细胞
核小RNA(snRNA)参与
④mRNA分子中的少数碱基可被甲基化
⑤RNA编辑是RNA加工的一种特殊方式
RNA编辑(RNAediting):
是通过对mRNA的加工使遗传信息在mRNA水平上发生改变。
⑵tRNA前体加工主要是除去多余序列和进行结构修饰
①酶促剪接和剪切除去前体中的多余序列
②tRNA3’端需要加上CCA序列
③化学修饰产生稀有碱基
⑶rRNA前体也需要剪切和化学修饰
5、真核生物RNA需要从细胞核内转运到细胞质
rRNA前体在核仁中合成并加工为成熟rRNA,这些成熟rRNA与核糖体蛋白形成核糖体,再运到胞质。
tRNA在核内加工成熟后,折叠成特定的空间结构,通过核膜的主动运输过程输送到细胞浆中。
6、真核生物与原核生物的翻译起始阶段差异很大
7、延长阶段和终止阶段与原核生物的翻译过程相同
8、肽链在翻译结束后需要进行加工
9、真核生物基因转录和翻译的特点
10、真核基因表达具有组织特异性表达和时相性
时间特异性(temporalspecificity):
在多细胞生物从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段,相应基因严格按照一定时间顺序开启或关闭,这就是基因表达的时间特异性。
同时对于多细胞生物而言,这种特异性与分化、发育阶段相一致,故又称阶段特异性(stagespecificity)。
空间特异性(spatialspecificity):
在个体生长全过程,某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现,这就是基因表达的空间特异性。
基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异,实际上是由细胞在器官的分布决定的,因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性(cellspecificity)或组织特异性(tissuespecificity)。
原核生物、真核生物蛋白质合成过程(翻译)的比较
原核生物蛋白质合成
真核生物蛋白质合成
核蛋白体
S值:
70S
80S
小亚基:
30S、16S-rRNA,rpS21S
40S、18S-rRNA,rpS33S
大亚基:
50S、5S、23S-rRNA,rpL21S
60S、5S、5.8S、28S-rRNA,rpL49S
氨基酸
的活化
氨基酸+tRNA+ATP氨基酰-tRNA合成酶、Mg2+氨基酰-tRNA+AMP+PPi
氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性;
此外,此酶还有校正活性
起始氨基酰-tRNA
fMet-tRNAifMet:
甲酰蛋氨酸
Met-tRNAiMet:
蛋氨酸
合成原料
氨基酸
氨基酸
运载体
各种tRNA
各种tRNA
模板
未加工的mRNA
经加工的成熟真核mRNA
肽
链
合
成
起
始
起始因子:
3种IF(IF-1、IF-2、IF-3)
起始因子:
至少9种eIF
①核蛋白体大小亚基分离:
IF-3、IF-1与小亚基结合促进大小亚基分离
①核蛋白体大小亚基分离:
eIF-3、eIF-2B与小亚基结合,在eIF-6参与下,促进80S解离成大小亚基
②SD序列是小亚基与mRNA定位结合的关键,mR
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