朱玉贤第三版分子生物学考研要点.docx

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朱玉贤第三版分子生物学考研要点

分子生物学复习要点笔记

朱玉贤（第三版）

一、分子生物学、染色体和DNA的基本概念

1.Molecularbiology（分子生物学）：

指研究核酸、蛋白质等所有生物大分子形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学。

2.DNA重组技术（recombinantDNAtechnology）：

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。

3.DNA作为遗传物质的载体的两个经典实验：

⑴、美国著名微生物学家Avery：

肺炎双球菌的转染实验

⑵、美国冷泉港卡耐基遗传学实验室科学家Hershey和他的学生Chase在1952年做的噬菌体侵染细菌的实验。

4.Chromosome（染色体）：

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。

具有的特征：

①分子结构相对稳定；②能够自我复制，使亲代之间保持连续性；③能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程；④能够产生可遗传的变异。

5.真核细胞染色体的组成：

DNA（30%--40%），组蛋白（histone）（30%--40%），非组蛋白（NHP）（变化很大），少量RNA。

6.Cvalue（C值）：

通常指一种生物单倍体基因组DNA的总量。

7.真核生物细胞DNA序列大致可被分为3类：

不重复序列、中度重复序列和高度重复序列（卫星DNA）。

8.真核生物染色体的组成及组装过程：

核小体→螺线管（6个核小体）→超螺旋

9.核小体（nucleosome）：

染色质纤维细丝是许多核小体连成的念珠状结构。

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。

10.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。

11.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。

12.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。

13.DNAsemiconservativereplication（DNA的半保留复制）：

Watson和Crick推测，DNA在复制的过程中碱基间的氢键首先断裂，双螺旋解旋并被分开，每条链分别作为模板合成新链，产生互补的两条链。

这样新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。

因此，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。

14.DNA复制的主要方式：

①线性DNA双链的复制：

线性DNA复制中RNA引物被切除后，留下5'端部分单链DNA，不能为DNA聚合酶所作用，使子链短于母链。

T4和T7噬菌体DNA通过其末端的简并性使不同链的3'端因互补而结合，其缺口被聚合酶作用填满，再经DNA连接酶作用生成二联体。

这个过程可重复进行直到生成原长20多倍的多联体，并由噬菌体DNA编码的核酸酶特异切割形成单位长度的DNA分子。

②环状DNA双链的复制：

可分为θ型、滚环型和D-环型几种类型。

15.Klenowfragment（Klenow片段）：

用枯草杆菌蛋白酶处理大肠杆菌DNA聚合酶，获得两个片段，大片段分子量76000U，称为Klenow片段。

它保留着聚合酶和3’→5’外切酶的活性，广泛使用于DNA序列分析中。

16.DNA复制的主要酶类及功能：

原核生物——拓扑异构酶I：

解开副超螺旋SSB蛋白：

保持单链的存在DNA拓扑异构酶：

解正超螺旋DNA解链酶：

通过水解ATP获得能量来解开双链DNA

DNA聚合酶

原核

主要功能

真核

主要功能

DNA聚合酶Ⅰ

3’→5’和5’→3’外切活性和5’→3’聚合活性，连接冈崎片段，切除紫外照射形成的嘧啶二聚体。

DNA聚合酶α

引发前导链和后随链的引物合成

DNA聚合酶Ⅱ

修复DNA作用，5’→3’聚合活性低和3’→5’外切活性为主

DNA聚合酶β

DNA损伤修复

DNA聚合酶Ⅲ

大肠杆菌DNA复制链延长反应主导聚合酶，5’→3’聚合和3’→5’外切活性

DNA聚合酶γ

线粒体DNA复制

DNA聚合酶Ⅳ

SOS修复中发挥作用

DNA聚合酶δ

主要DNA复制酶

DNA聚合酶Ⅴ

DNA聚合酶ε

与后随链合成有关，在核苷切除与碱基切除修复中起重要作用

17.真核生物DNA复制调控：

细胞生活周期水平调控，染色体水平调控，复制子水平调控

18.原核细胞DNA的复制调控：

复制叉的多少决定了复制频率的高低。

19.真核和原核生物DNA复制的比较

相同：

⑴.半保留复制

⑵.都有引发、延长、终止三个阶段

⑶.都必须有相应功能的蛋白质和DNA聚合酶参与

区别：

⑴.真：

多个复制起始点；原：

一个复制起始点

⑵.真：

所有复制受一种调控；原：

一个复制子上有多个复制叉

20.DNA的修复

DNA修复系统

功能

错配修复

恢复错配

碱基（核苷酸）切除修复

切除突变的碱基和核苷酸片段

DNA直接修复

修复嘧啶二体或甲基化DNA

重组修复

复制后的修复，重新启动停滞的复制叉

SOS系统

DNA的修复导致变异

21.转座子的定义，类型及，结构特征及遗传学意义

Transposon（Tn,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，转座子分为两大类插入序列（insertionalsequence,IS）和复合型转座子。

移动基因（Movablegene）：

又称为转位因子（Transposableelements），是存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。

由于它可以从染色体基因组上的一个位置转移到另一位置，甚至在不同染色体之间跃迁，因此有时也称为跳跃基因（Jumpinggene）。

插入序列（insertionsequence，IS）：

最简单的不含有任何宿主基因的转位因子。

片段长度700—2500bp。

复合转座子（transposon，Tn）：

是一类携带某些与转座无关的抗性基因（或其它宿主基因）的转座子。

分子量＞2000bp。

插入序列的结构特点：

⑴在IS两端含有长度为10—40bp反向重叠序列

⑵含有一个编码转座酶的长编码区。

⑶插入时在DNA位点产生一个短的（3—9bp）正向重复序列。

复合转座子的结构特点：

⑴两翼为两个相同或相似的IS序列。

⑵中部为某种抗性基因。

⑶IS序列一般不能单独移动。

转位作用的遗传学效应：

引起插入突变；产生新基因；产生染色体畸变；引起生物进化。

二、从DNA到RNA以及从mRNA到蛋白质的生物信息流

（一）转录

1.RNA转录（transcription）：

以DNA单链为模板，NTP为原料，在依赖DNA的RNA聚合酶催化下合成RNA链的过程。

2.模板链（templatestrans）或无意义链（antisensestrand）：

作为模板，按碱基互补配对原则转录成RNA的DNA链。

3.编码链（codingstrand）或有意义链（sensestrand）：

与模板链互补的非模板链，其编码区的碱基序列与转录产物mRNA的序列相同（仅T、U互换）。

4.RNA转录的基本过程：

模板的识别，转录的启始，通过启动子及转录的延伸和终止。

5.转录和复制的异同点：

相同或相似

差异

转录

复制

模板

DNA

模板链转录

两股链均可复制

原料

核苷三磷酸

NTP

dNTP

碱基配对

遵从碱基配对原则

A-U;T-A;G-C

A-T;G-C

聚合酶

依赖DNA的聚合酶

RNA聚合酶

DNA聚合酶

产物

多核苷酸链

mRNA,tRNA,rRNA等

子代双链DNA

特点

不对称转录

半保留、半不连续复制

6.大肠杆菌的RNA聚合酶有哪些组成成分？

各个亚基的作用如何？

σ因子的作用：

起始必须有σ因子；σ因子能够提高酶和启动子识别的特异性，同时也降低酶和非特异位点的亲和力。

在某些细菌细胞内含有能识别不同启动子的σ因子，以适应不同生长发育阶段的要求，调控不同基因转录的起始。

7.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-鹅膏蕈碱的敏感程度

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

8.封闭复合物，开放复合物和三元复合物

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closedcomplex（封闭复合物）。

此时，DNA链仍处于双链状态。

伴随着DNA构象上的重大变化，封闭复合物转变成opencomplex（开放复合物），聚合酶全酶所结合的DNA序列中有小段双链被解开。

对于强启动子来说，从封闭复合物到开放复合物是不可逆的，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转变成包括RNA聚合酶、DNA和新生RNA的ternarycomplex（三元复合物）。

9.transcriptionunit（转录单元）：

从启动子开始到终止子（terminaitor）结束的DNA序列，RNA聚合酶从转录起始位点开始沿着模板前进，直到终止子为止，转录出一条RNA链。

10.promoter（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准确地结合并具有转录起始的特异性。

11.启动子的特征：

（原核）在启动子区内有一个由5个核苷酸组成的共同序列，是RNA聚合酶的紧密结合点，现在称为Pribnow区（Pribnowbox），这个区的中央大约位于起点上游10bp处，所以又称为-10区。

大部分绝大部分启动子都存在位于-10bp处的TATA区和-35bp处的TTGACA区。

这两段共同序列是RNA聚合酶与启动子的结合位点，能与σ因子相互识别而具有很高的亲和力。

（真核）Hogness等先在珠蛋白基因中发现了类似Pribnow区的Hogness区（Hognessbox），这是位于转录起始点上游–25～–30bp处的共同序列TATAAA，也称为TATA区。

另外，在起始位点上游–70～–78bp处还有另一段共同序列CCAAT，这是与原核生物中–35bp区相对应的序列，称为CAAT区（CAATbox），在-110～-80含有GCCACACCC或GGGCGGG序列（GCbox）。

12.启动子突变

下降突变（downmutation）：

降低其结构基因转录水平的启动子突变，称为下降突变。

上升突变（upmutation）：

提高其结构基因转录水平的启动子突变，称为上升突变。

13.增强子（enhancer）及其功能

指能强化转录起始频率的DNA序列。

增强子的特点：

（1）远距离作用；

（2）无方向性；（3）顺式调节；（4）无物种和基因的特异性；（5）具有组织特异性；（6）有相位性；（7）有的增强子可对外部产生信号。

14.启动子对转录的影响

TATA（Pribnowbox）：

使转录精确地起始

Upstreampromoterelement,UPEorUpstreamactivatingsequence,UAS上游启动子元件（CAATbox和GCbox）：

控制转录起始频率

15.转录的抑制

抑制剂

靶酶

抑制作用

类别

利福霉素

细菌的全酶

与β亚基结合，阻止起始

RNA聚合酶抑制剂

链霉溶菌素

细菌的核心酶

与β亚基结合，阻止延长

α-鹅膏蕈碱

真核RNA聚合酶Ⅱ

与RNA聚合酶Ⅱ结合

放线菌素D

真核RNA聚合酶Ⅰ

与DNA结合（模板），并阻止延长

DNA模板抑制剂

16.terminator（终止子）：

位于基因的末端，在转录终止点之前有一段回文序列（反向重复序列）约6-20bp。

真核生物终止:

由一段特定序列5′－AATAAA－3′和回文序列（反向重复序列）组成。

分为两类：

①强终止子——（内在终止子，intrinsicterminator）不依赖Rho（ρ）因子的终止：

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链都被从模板上释放出来，这就是转录的终止。

终止位点上游一般存在一个富含GC碱基的二重对称区，RNA形成发夹结构；在终止位点前面有一段由4-8个A组成的序列，RNA的3’端为寡聚U。

发夹式结构和寡聚U的共同作用使RNA从三元复合物中解离出来。

②弱终止子－需要ρ因子（rhofactor），又称为ρ依赖性终止子。

ρ因子：

六聚体蛋白、水解各种核甘三磷酸促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。

结合在正在合成的RNA链的5’端，利用水解ATP释放的能量，从5’端向3’端移动，当RNA聚合酶移动到终止子而暂停时，ρ因子达到RNA的3’-OH端追上并取代了停在终止位点的RNA聚合酶，ρ因子的解螺旋活性使转录产物RNA链从模板DNA上释放，使转录终止。

17.transcriptionfactor（转录因子）：

真核生物有三种RNA聚合酶，分别催化不同RNA的合成，每种酶的作用均需一些蛋白辅助因子的参与，将这些因子称为转录因子。

转录因子的命名冠以聚合酶的名称，如RNA聚合酶II所需的转录因子称为转录因子II（transcriptionfactorII,TFII）。

TFs帮助RNA聚合酶识别启动子。

TFs（转录因子）必须先与DNA形成复合物，帮助RNA聚合酶定位到转录起始的位点。

RNA聚合酶和转录因子在DNA上的定位形成前起始复合物，由于转录因子的作用复合物由封闭型转换成开放型。

18.顺式作用因子（cis-actingelement）和反式作用因子（trans-actingelement）

•Cis-actingelement——影响自身基因表达活性的非编码DNA序列。

例：

启动子、增强子、弱化子等；

Trans-actingelement——能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子。

反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子（transcriptionalfactors,TF）。

参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ--TFⅡD、TFⅡA、TFⅡB、TFⅡF、TFⅡE、TFⅡH。

19.许多原核生物mRNA以多顺反子的形式存在：

操纵子（operon）:

一组相邻或相互重叠的基因,在基因转录时协同作用，这样一组基因称为操纵子（operon）。

多顺反子（polycistronicmRNA）：

编码多个蛋白质的mRNA称为多顺反子mRNA。

单顺反子（monocistronicmRNA）：

只编码一个蛋白质的mRNA称为单顺反子mRNA。

20.原核生物和真核生物mRNA的比较

•原核生物mRNA：

•●半衰期短

•●多以多顺反子的形式存在

•单顺反子mRNA：

只编码一个蛋白质的mRNA。

•多顺反子mRNA：

编码多个蛋白质的mRNA。

•Z：

β-半乳糖苷酶Y：

透过酶A：

乙酰基转移酶ZYA：

为结构基因

•●5’端无“帽子”结构，3’端没有或只有较短的poly（A）结构。

•●SD序列（Shine-Dalgarnosequence）：

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序列的保守区。

由于该序列与16SrRNAmRNA3’端方向互补，其作用为用于结合核糖体。

•真核生物mRNA：

•“基因”的分子生物学定义：

产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核甘酸序列。

•●5’端存在“帽子”结构

•●多数mRNA3’端具有poly（A）尾巴（组蛋白除外）

•●以单顺反子的形式存在

21.抗转录终止有两种方式：

①破坏终止位点的茎环结构；②依赖于蛋白因子的转录抗终止。

22.Capandpoly（A）tail

帽子：

mRNA几乎一诞生就戴上了帽子，Cap0（m7GpppXpYp，只有单细胞真核生物），Cap1（m7GpppXmpYp，其余真核生物的主要形式），Cap2（m7GpppXmpYm，某些真核生物中）

甲基供体都为S—腺苷甲硫氨酸（SAM）；RNA鸟苷酸转移酶-----戴帽酶（cappingenzyme）

【功能】

（1）对翻译起识别作用——为核糖体识别RNA提供信号，Cap0的全部都是识别的重要信号，Cap1,2的甲基化能增进识别；

（2）增加mRNA的稳定性，使5’端免遭外切核酸酶的攻击；（3）与某些RNA病毒的正链合成有关（Cap1、Cap2）。

Poly（A）尾巴：

转录后加上去的。

准确切割加尾巴依赖于3’端终止位点上游15~30bpAAUAA序列。

【功能】

（1）可能与核质转运有关；

（2）与mRNA的寿命有关；（3）与翻译有关；（4）poly（A）在分子生物学实验中有很大应用价值。

23.openreadingframe（ORF，可译读码框）：

核不均一RNA（hnRNA），即mRNA的前体，经过5′加帽和3′酶切加Poly（A），在经过RNA剪接，编码蛋白质的外显子部分就连接成为一个连续的ORF，通过核孔进入细胞质，就能作为蛋白质合成的模板了。

24.GU-AG法则（Chambon法则）：

多数细胞核mRNA前体中内含子的5′边界序列为GU，3′边界序列为AG。

因此，GU表示供体衔接点的5′端，AG代表接纳体衔接点的3′端。

25.不连续基因（interrupted/discontinuousgene，splitgene，断裂基因）：

真核生物基因除了与mRNA相对应的编码序列外，还含有一些不编码序列插在编码序列之间，这些不编码序列在加工为成熟的mRNA时被去除。

这样的基因称为不连续基因或断裂基因。

26.外显子（exon）：

基因中与mRNA一致的序列。

一个基因总是以外显子为起点和终点。

27.内含子（intron）：

基因中编码序列之间的介入序列，在原初转录物加工为mRNA时被去除。

28.RNA剪接（RNAsplicing）：

一个基因的外显子和内含子共同转录在一条转录产物中，将内含子去除而把外显子连接起来形成成熟RNA分子的过程

29.Ⅰ类内含子和Ⅱ类内含子的剪接特点：

Ⅰ类内含子：

主要是转酯反应，即剪接反应实际上是发生了两次磷酸二酯键的转移。

在Ⅰ类内含子切除体系中，第一个转酯反应由一个游离的鸟苷或鸟苷酸（GMP，GDP或GTP）介导，鸟苷或鸟苷酸的3’—OH作为亲核基团攻击内含子5’端磷酸二酯键，从上游切开RNA链。

在第二个转酯反应中，上游外显子的自由3’—OH作为亲核基团攻击内含子3’核甘酸上的磷酸二酯键，使内含子被完全切开，上下游两个外显子通过新的磷酸二酯键相连。

Ⅱ类内含子：

主要存在真核生物的线粒体和叶绿体rRNA基因中。

在Ⅱ类内含子切除体系中，转酯反应无需游离的鸟苷或鸟苷酸，而是由内含子本身的靠近3’端的腺苷酸2’—OH作为亲核基团攻击内含子5’端磷酸二酯键，从上游切开RNA链后形成套索结构。

再由上游外显子的自由3’—OH作为亲核基团攻击内含子3’核甘酸上的磷酸二酯键，使内含子被完全切开，上下游两个外显子通过新的磷酸二酯键相连。

30.RNAediting（RNA编辑）：

是某些RNA，特别是mRNA前体的一种加工方式，如插入、删除或取代一些核苷酸残基，导致DNA所编码的遗传信息的改变，因为经过编辑的mRNA序列发生了不同于模板DNA的变化。

介导RNA编辑的机制有两种：

位点特异性脱氨基作用和引导RNA指导的尿嘌呤插入或删除。

31.核酶（ribozyme）:

是指一类具有催化功能的RNA分子，通过催化靶位点RNA链中磷酸二酯键的断裂，特异性地剪切底物RNA分子，从而阻断基因的表达。

可分为剪切型核酶和剪接性核酶。

【生物学意义】核酶的发现使我们对RNA的重要功能又有了新的认识。

因此，核酶是继反转录现象之后对中心法则的又一个重要修正，说明RNA既是遗传物质又是酶。

核酶的发现为生命起源的研究提供了新的思路——也许曾经存在以RNA为基础的原始生命。

照这么说，蛋白质也可能（仅仅是可能）起源于RNA世界！

（二）翻译

1.翻译（proteintranslation）：

即蛋白质的生物合成。

指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始，按照每三个核苷酸代表一个氨基酸的原则，一次合成一条多肽链的过程。

2.遗传密码，三联子密码（codon）：

mRNA上相邻的三个核苷酸在蛋白质合成时代表一种氨基酸，成为密码子。

共64组密码，其中61个是编码氨基酸的，AUG为起始密码，也是Met的密码子，UAG（琥珀型）、UGA（蛋白石）、UAA（赭石型）是终止密码子。

3.反密码子（anticodon）：

tRNA反密码子上的三联体核苷酸残基序列。

在翻译期间，反密码子和mRNA上的密码子反向互补。

4.遗传密码的性质：

（1）密码的连续性（密码间无间断也没有重叠）

（2）密码的简并性（degenerarcy）：

在编码氨基酸的61组密码子中，除Met和Trp只有一组密码子外，其余氨基酸均有2组或2组以上。

由一种以上密码子编码同一种氨基酸的现象称为简并，对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子（synonymouscodon）。

（3）密码的通用性和特殊性（高等和低等生物公用一套密码字典）

（4）密码的摇摆性（wobble）：

1966年Crick根据立体化学原理提出wobblehypothesis。

根据假说，在密码子和反密码子的配对中，前两个严格遵守碱基配对原则，第三个碱基有一定的自由度，可以“摆动”，因而使某些tRNA可以识别1个以上的密码子。

5.tRNA：

tRNA的二级机构为“三叶草”形，有氨基酸臂、D环、反密码子环、可变环、TψC环等5个主