分子生物学总结(朱玉贤版)(2020年10月整理).pdf

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绪论

分子生物学的发展简史

Schleiden和Schwann提出“细胞学说”

孟德尔提出了“遗传因子”的概念、分离定律、独立分配规律

Miescher首次从莱茵河鲑鱼精子中分离出DNA

Morgan基因存在于染色体上、连锁遗传规律

Avery证明基因就是DNA分子，提出DNA是遗传信息的载体

McClintock首次提出转座子或跳跃基因概念

Watson和Crick提出DNA双螺旋模型

Crick提出了“中心法则”

Meselson与Stah用N重同位素证明了DNA复制是一种半保留复制

Jacob和Monod提出了著名的乳糖操纵子模型

Arber首次发现DNA限制性内切酶的存在

Temin和Baltimore发现在病毒中存在以RNA为模板，逆转录成DNA的逆转录酶

哪几种经典实验证明了DNA是遗传物质? (Avery等进行的肺炎双球菌转化实验、Hershey 利用放射性同位素35S和32P分别标记T2噬菌体的蛋白质外壳和DNA)

第二章染色体与DNA

第一节染色体

一、真核细胞染色体的组成

DNA：组蛋白：非组蛋白：RNA = 1：1：(1-1.5)：0.05 （一）蛋白质（组蛋白、非组蛋白）

（1）组蛋白：H1、H2A、H2B、H3、H4

功能：①核小体组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）作用是将DNA分子盘绕成核小体

②不参加核小体组建的组蛋白H1，在构成核小体时起连接作用

（2）非组蛋白：包括以DNA为底物的酶、作用于组蛋白的酶、RNA聚合酶等。常见的有（HMG蛋白、DNA结合蛋白）

二、染色质

染色体：分裂期由染色质聚缩形成。

染色质：线性复合结构，间期遗传物质存在形式。

常染色质（着色浅）

具间期染色质形态特征和着色特征染色质

异染色质（着色深）

结构性异染色质兼性异染色质

（在整个细胞周期内都处于凝集状态）（特定时期处于凝集状态）三、核小体

由H2A、H2B、H3、H4各2 分子组成的八聚体和绕在八聚体外的DNA、一分

子H1组成。八聚体在中央，DNA分子盘绕在外，由此形成核心颗粒。,H1结合在核心颗粒外侧DNA双链的进出口端，如搭扣将绕在八聚体外DNA链固定，核心颗粒之间的连接部分为连接DNA。

核小体的定位对转录有促进作用

中期染色体由着丝粒、染色体臂、次缢痕、随体、端粒（由重复的寡核苷酸序列构成）5部分组成。

核型：指染色体组在有丝分裂中期的表型, 是染色体数目、大小、形态特征的总和。

第二节DNA

Chargaff定则：(1) 同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同

(2) 一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变

化而改变

(3) [A]=[T]、[G]=[C]，总的嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同([A

＋G]=[C＋T])

(4)不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在A＋T/G＋C比值的不

同

（一）DAN的结构

一级结构：四种脱氧核糖核苷酸dAMP、dGMP、dCMP、dTMP，通过3',5'-磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。

某DNA分子的一条多核苷酸链由100个不同的碱基组成，其可能的排列方

式有4^100种

右手螺旋：A-DNA 、B-DNA（最常见）

二级结构：双螺旋结构左手螺旋：Z-DNA

B-DNA：（Watson-Crick）92%湿度下的钠盐结构

碱基平面与双螺旋的长轴相垂直，碱基间符合碱基互

补配对原则，相邻碱基对平面间的距离为0.34nm，

双旋旋的螺距为3.4nm，每圈螺旋有10个碱基对，

螺旋直径为2.0nm。A=T（两个氢键），G=C（三个

氢键），具大沟和小沟。

A-DNA:相对湿度75%以下的结构，每圈螺旋有11个碱基对，螺体较宽而短，碱基对与中心轴的倾角也不同，呈19°大沟变窄、变深，小沟变宽、变

浅。若DNA 双链中一条链被相应RNA替换，则变构为A-DNA。（基

因表达）

Z-DNA:左手螺旋，螺距延长(4.5nm左右)，直径变窄(1.8nm)，每个螺旋含12个碱基对。螺旋骨架呈Z字形。（转录调控）

正超螺旋（左旋、双螺旋圈数增加而拧紧）三级结构：双螺旋进一步扭曲形成超螺旋负超螺旋（右旋、减少而拧松，绝大多数）White方程：L=T+W

L（Linking number）：连环数或称拓扑环绕数，指cccDNA中一条链绕另一条链的总次数。其特点是：（1）L是整数；（2）在cccDNA中任何拓扑学状态中其值保持不变；（3）右手螺旋对L取正值。

T（Twisting number）：缠绕数，DNA一条链绕另一条链的扭转数即双螺旋的圈数。其特点：(1) 可以是非整数(2) 是变量；

W（Writhing number）：扭曲数，即超螺旋数，指双螺旋分子在空间上相对于双螺旋轴的扭曲。特点是：（1）可以是非整数（2）是变量；

I型：转变超螺旋为松弛状态

拓扑异构酶（改变DNA拓扑异构体的L值）II 型：引入负超螺旋&同I型

（二）DNA主要序列类型

高度重复序列（卫星DNA、分散高度重复序列）、中度重复序列、低度重复序列、反向重复序列。

（三）DNA的理化性质

溶解度：微溶于水，钠盐在水中的溶解度较大。可溶

于2-甲氧乙醇，但不溶于乙醇等一般有机溶

剂，常用乙醇从溶液中沉淀核酸。

紫外吸收：DNA钠盐的紫外吸收在260nm附近有最

大吸收值

核酸的沉降特性（如右图）

（四）DNA的变性与复性

变性：DNA分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构的现象，不涉及到其一级结构的改变。

伴随变性，会发生增色效应（紫外吸收明显增加）

溶液粘度下降等现象。

熔解——DNA加热变性的过程。

溶解温度（Tm）：核酸加热变性过程中，紫外光吸

收值达到最大值的50%时的温度称为核酸的解链

温度。（G+T含量越高Tm越大：DNA分子序列越

均一，变形过程温度范围越窄：溶液的离子强度较低时，Tm值较低。）

复性:热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性，此过程称之为退火

影响DNA复性的因素:①温度和时间②DNA浓度↑,复性↑③DNA顺序的复杂

性④DNA片段的大小⑤盐的浓度

1/k值越大表明反应越慢

核酸外切酶

酶解: 核酸核酸酶：I型和Ⅲ型限制性内切酶（需要消耗ATP）、Ⅱ型（不需要ATP）

DNA的复制

Meselson与Stah用N重同位素证明了DNA复制是一种半保留复制

（一）基本概念：

半保留复制：每个子代分子的一条链来自亲本DNA，另一条则来是新合成的，这种复制方式称半保留复制。

半不连续复制：DNA复制时，一条链连续复制，另一条不连续复制，这种复制方式称先导链：DNA复制时，连续合成的链后随链：不连续合成的链

冈崎片段：后随链复制中出现的不连续的DNA片段

复制子：从起始点开始至终止点而独立进行复制的单位（细菌只有一个，真核多个）一个复制子只含一个复制起始点，启动单向复制or双向取决于起始点形成一

个复制叉or两个。

复制终止点：复制子中控制复制终点的位点θ型——大肠杆菌质粒DNA

（二）DNA复制的几种方式滚环型——噬菌体

线性DNA（单向、双向），环状DNA D环（D-loop）型——动物线粒体（三）复制的过程（起始、延伸、终止）

不能从头开始，必须有引物

参与复制的酶：解旋酶、DNA单链结合蛋白质、、引物酶、DNA聚合酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）连接酶，拓扑异构酶

单链结合蛋白（SSB）：防止被解链形成的单链重新配对或被核酸酶降解

引物酶（RNA聚合酶）引物是一段RNA分子

DnaB+DnaC+DNA复制起始区域+ 引物酶=引发体

DNA聚合酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）

DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶Ⅲ5′→3′聚合活性+++

3′→5′外切活性+++

5′→3′外切活性+--

功能

修复不详染色体DNA的复

制校对

去除引物、水解

DNA聚合酶有6个结合位点：模板结合位点；引物结合位点；引物3’－OH结合位点；

底物dNTP结合位点；5’→3’外切酶结合位点；3'→5'校正位点。

连接酶：DNA聚合酶只能催化多核苷酸链的延长，不能催化各片段间的连接，复制中的单链缺口由DNA连接酶催化，但是它不能催化两条游离链的连接。

原核生物DNA复制的基本过程

（1）起始：包括DNA复制起点双链解开及RNA引物的合成（整个DNA复制过程中，只有复制起始受细胞周期的严格调控）

（2）延长：DNA链的延长主要由DNA聚合酶Ⅲ催化

（3）终止

真核与原核生物复制的区别：

1.原核生物单一起点；真核生物多起始点

2.真核生物复制速度比原核生物慢

3.原核生物催化先导链、后随链的酶相同；真核不同

4.原核细胞中引物酶与解旋酶相连；真核中引物酶与DNA聚合酶相连

5.真核生物的染色体在全部完成复制之前，各个起始点上的DNA的复制不能再

开始，而原核生物，复制起始点可以连续开始新的DNA复制，表现为虽只有一个复制单元，但可有多个复制叉。

6.真核生物DNA复制的起始需要起始原点识别复合物（ORC）参与

7.在真核生物中主要有5种DNA聚合酶（α、β、γ、δ、ε），一半都不具有

核酸外切酶活性。

端粒的复制：依赖于端粒酶（逆转录酶，由蛋白质和RNA组成）

DNA的损伤和修复与基因突变

（一）DNA的损伤

自发性损伤：脱嘌呤、嘧啶；碱基脱氨基作用；碱基的互变异构（烯醇式与酮式）、细胞正常代谢产物对DNA的损伤

物理因素：高能离子化辐射（X射线、γ射线）；非离子化辐射（紫外线）

化学因素：烷化剂；碱基类似物

（二）DNA损伤的修复

直接修复、切除修复、错配修复、重组修复、SOS修复

直接修复：常见的有光复活修复，作用于紫外线引起的DNA嘧啶二聚体的损伤修复，由DNA光复活酶识别并催化光复活反应。

切除修复：切除修复是指在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部分切除，然后

以另一条完整的互补链为模板，重新合成切除的部分，使DNA恢复正常结

构的过程。——修复DNA损伤的主要方式

基本步骤：识别（核酸内切酶）、切除+ 修补（DNA聚合酶Ⅰ）、连接（DNA

连接酶）

错配修复：区别模板链和新合成的DNA链是通过碱基的甲基化来实现的。刚合成的子代分子中，亲代链甲基化，新合成链的GATC中的A 未被甲基化，故子代

DNA暂时是半甲基化的，细胞发现错配碱基，首先切除未甲基化链上的错

配碱基。

重组修复：

SOS修复：当DNA受到严重损伤，细胞为了生存诱发的一些复杂的反应。其诱发了修复机制相关酶与蛋白质产生。

（三）基因突变

概念：在DNA分子碱基序列水平上所发生的一种永久性、可遗传的变化。

点突变（转换——嘧啶与嘧啶，嘌呤与嘌呤、颠换——嘧啶与嘌呤）、缺失、插入

DNA的转座

转座子：基因组上可自主复制和位移的DNA片段，可以直接从基因组内的一个位点移到另一个位点，发生转座重组，从而改变染色体的结构。转座子的转移过程

叫转座。转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所

以转座子又称跳跃基因。

类型：简单转座子和复合转座子

结构特征：（1）结构中含有一个或多个开放阅读框，其中有一个编码转座酶的

基因，这种酶催化转座子插入新的位置；

（2）两端有20-40bp的反向末端重复序列，末端重复序列是转座所

必需的，因为它们是转座酶所识别的底物。

转座机制：

转座作用的遗传学效应：1. 引起插入突变2. 产生新的基因3. 产生染色体畸变

4. 引起生物进化

反转座子：以RNA为中间体进行转座

第三章RNA的合成

转录的概念与特点

转录：以DNA中一条链为模板，在RNA聚合酶催化下，以四种NTP为原料，合成RNA 的过程。

有两种方式：

DNA指导的RNA合成——生物体内的主要合成方式。

RNA指导的RNA合成——病毒。

合成的RNA中，如只含一个基因的遗传信息，称为单顺反子；如含有几个基因的遗传信息，则称为多顺反子。

转录特点：

?不对称性：指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，该链称为模板链（无意义链、负链），另一条不作为模板的链称为编码链（有意义链、正链）?连续性：RNA转录合成时为连续合成一段RNA链，各条RNA链之间无需再进行

连接。

?单向性：合成方向为5'→3'

?有特定的起始和终止位点：RNA转录合成时，只能以DNA分子中的某一段作为模板

?转录可同时进行

DNA复制与转录的比较

相同点：

?都以DNA为模板

?碱基的加入严格遵循碱基配对原则

?都生成磷酸二酯键

?新链合成方向为5’→3’

不同点：

?复制需要引物，转录不需引物

?转录时，模板DNA的信息全保留，复制时模板信息是半保留

?转录时，RNA聚合酶只有5’→3’聚合作用，无5’→3’及3’→5’外切活性?复制过程是整条染色体复制，而转录是有选择的，在某个时期，只有某个特定的基因或一组基因被转录

?复制--半保留，转录--不对称

转录反应体系：DNA模板，NTP，酶，Mg2+，Mn2+

合成方向：5’→3’

连接方式：3’,5’磷酸二酯键

原核与真核生物RNA聚合酶组成与功能

该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从5'→3'聚合RNA。

（一）原核

核心酶+全酶（α2ββ′ωσ）

核心酶：不能起始RNA的合成

σ：转录起始因子，识别转录起始开始部位

作用：识别DNA分子中转录的起始部位，促进与模板链结合，催化NTP的聚

合，识别转录终止信号。

（二）真核

功能：识别DNA双链上的启动子

使DNA变性在启动子处解旋成单链

通过阅读启动子序列，RNA pol确定它自己的转录方向和模板链

达到终止子时，通过识别停止转录

启动子与终止子

（一）启动子

基因转录起始所必需的一段DNA序列，位于结构基因上游。启动子本身不转录原核生物启动子：包括转录起始点、结合部位（-10区）、识别部位（-35区）、及二者之间的间隔区。

-10区：位于起始点上游-10bp处，5’-TATAAT-3’，AT较丰富，易于解链，为RNA 聚合酶结合部位。

-35区：位于-35bp处，5’-TTGACA-3’，为RNA 聚合酶识别位点

真核生物启动子：（三类）RNA聚合酶Ⅱ识别的启动子包括基础元件、上游元件、应答元件

基础元件：包括TATAbox和起始子，TATAbox与-10区相似，是转录因子与DNA 结合部位

上游元件：作用是提高转录效率，并不是所有的启动子必须的

（二）终止子

在基因编码区下游的可被RNA聚合酶识别和停止合成RNA的一段DNA序列特点：富含GC与AT，形成发卡结构和连续的U区，以终止转录。

蛋白ρ因子辅助识别终止信号，参与终止。

大肠杆菌中的两类终止子：

强终止子：发夹结构，3′端上有6个U

弱终止子－需要ρ因子

原核生物RNA的合成

分为起始，延长、终止三个阶段

转录起始不需要引物

RNA按5’~3’方向延伸

真核生物转录过程与原核生物的不同点

(1)转录在细胞不同位置进行

(2)原核只有一种RNA聚合酶，而真核细胞有三种聚合酶；

(3)启动子的结构特点不同，真核有三种不同的启动子和有关的元件；

(4)真核生物RNA聚合酶自身不能识别和结合到启动子上，需要转录因子先于启

动子结合后才能结合上去。

RNA转录后加工

减少部分片段：切除5′端前导序列，3′端拖尾序列和中部的内含子

增加部分片段：5′加帽，3′加poly(A)，通过编辑加入一些碱基

修饰：对某些碱基进行甲基化

（一）原核生物RNA转录后加工

转录过程中几个结构基因利用共同的启动子和共同的终止信号，转录形成一条mRNA分子，一条mRNA链可编码几种不同的蛋白质。形成的mRNA称为多顺反子Mrna。

（二）真核生物RNA转录后加工

tRNA加工：与原核生物不同的一点是先将内含子切除，再由连接酶将外显子连接

mRNA加工：一个结构基因转录成一个mRNA分子且内含子与外显子一起被转录

包括：5’末端加帽子、3’端多聚A尾、剪接去除内含子将外显子连接

5’末端加帽子：脱磷、加GTP、甲基化（细胞核内完成）

0型帽子：7—甲基鸟苷三磷酸吗m^7GpppN

Ⅰ型、Ⅱ型

3’端多聚A尾：poly（A）不为基因编码，由poly（A）聚合酶合成（细胞核）

剪接：核内不均一RNA （hnRNA）: 为mRNA的前体，转录物中外显子与内含子间隔排列，需经剪接加工后生成mRNA。

外显子: 在真核生物基因中编码蛋白质的序列。

内含子: 非编码蛋白的序列

5’端剪切点为GU；3’端剪切点为AG

核酶：具有酶的催化活性的RNA称为核酶

第四章蛋白质的生物合成和转运

翻译：从mRNA链上一个特定的起始位点开始，按每三个核苷酸代表一个氨基酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。包括起始、延长、终止。

（一）参与蛋白质生物合成的物质

20种氨基酸、mRNA、tRNA、核糖核蛋白体（RNA和核糖体）、辅助因子mRNA：起始密码----AUG

终止密码----UAA/UGA/UAG

(1)通用性与特殊性(人线粒体中，UGA不是终止码，而是色氨酸的密码

子)

(2)简并性(一种以上密码子编码同一个氨基酸)

(3)摆动性(前两个碱基决定其专一性，第三位碱基可有变异)

(4)连续性和方向性

(5)不重叠性

tRNA:（1）具反密码子识别mRNA上密码子，反密码子阅读方向5’~3’，反密码子第一位碱基与密码子第三位碱基配对。

（2）携带氨基酸，氨基酸结合在tRNA 3’端CCA的位置。一种氨基酸可被几种tRNA携带，一种tRNA只携带一种氨基酸。tRNA以所运氨基酸命名，如携带丙氨酸的叫丙氨酸—tRNA，结合氨基酸后，成为丙氨酰—tRNA。

（3）连接多肽链和核糖

核糖核蛋白体：蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。一类附着于粗面内质网，参与分泌蛋白的合成。另一类游离于胞质，参与细胞固有蛋白质的合成。

原核生物与真核生物核糖体组分

核糖体上活性位点

（二）蛋白质合成的过程

氨基酸的活化与转运、多肽链合成的起始、肽链的延长、肽链合成终止、折叠与加工

（1）氨基酸的活化与转运：氨酰-tRNA合成酶催化氨基酸的活化和与特异的tRNA 结合

（2）多肽链合成的起始：辨认起始密码子，核糖体与mRNA、第一个氨酰-tRNA、起始因子结合形成起始复合物。

原核生物中：真核生物中：

起始氨基酸是：甲酰甲硫氨酸甲硫氨酸

起始AA-tRNA是：fMet-tRNAfMet Met-tRNAMet

原核起始tRNA：tRNAf 真核生物起始：tRNAi 延伸：tRNAm

(3)肽链的延长——结合、转肽、移位

(4)肽链合成的终止：当核蛋白体A位出现终止密码后，多肽链合成停止，肽链

从肽酰－tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大小亚基等分离

真核生物与原核生物蛋白质合成的异同

（1）起始

核糖体为80S

用于起始的氨酰-tRNA为Met-tRNAMet（甲硫氨酸没有被甲酰化）

起始因子较多

mRNA的5′端帽子结构和3′端polyA都参与形成翻译起始复合物

（三）蛋白质合成的抑制剂

（1）抗生素类阻断剂

?链霉素、卡那霉素、新霉素

抑制G﹣蛋白质合成的三个阶段：

①阻止起始复合物的形成，使氨基酰tRNA从复合物中脱落；

②在肽链延伸阶段，使氨基酰tRNA与mRNA错配；

③在终止阶段，阻碍终止因子与核蛋白体结合，使已合成的多肽链

无法释放，而且还抑制70S核糖体的解离。

?四环素和土霉素

①作用于细菌内30S小亚基，抑制起始复合物的形成；

②抑制氨基酰tRNA进入核糖体的A位，阻滞肽链的延伸；

③影响终止因子与核糖体的结合，使已合成的多肽链不能脱落离核糖体。?氯霉素—广谱抗生素。

①与核糖体上的A位紧密结合，因此阻碍氨基酰tRNA进入A位。

②抑制转肽酶活性，使肽链延伸受到影响，菌体蛋白质不能合成，因此有较

强的抑菌作用

?嘌呤霉素

代一些氨基酰tRNA进入核糖体的A位，当延长中的肽转入此异常A位时，容易脱落，终止肽链合成。

?白喉霉素

（2）干扰素对病毒蛋白合成的抑制

干扰素是真核细胞感染病毒后能分泌的一类有抗病毒作用的蛋白质，能抑制病毒的繁殖。

扰素诱导的蛋白激酶使真核eIF2磷酸化失活

（三）蛋白质的运转

分泌蛋白—翻译-转运同步机制；细胞器需要-翻译后转录机制

（1）翻译-运转同步机制

信号肽假说

信号肽：常指新合成多肽链中用于指导蛋白质跨膜转移的N-末端氨基酸序列

假说的基础：蛋白质定位的信息存在于该蛋白质自身结构中，并且通过与膜上特殊受体的相互作用得以表达

假说的内容：蛋白质跨膜运转信号也是由mRNA编码的。在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基酸序列的RNA区域，这个氨基酸序列就被称为信号序列。信号序列在结合核糖体上合成后便与膜上特定受体相互作用，产生通道，允许这段多肽在延长的同时穿过膜结构，因此，这种方式是边翻译边跨膜运转。

?当翻译进行到50~0个氨基酸后，信号肽开始从核糖体上露出，被糙面内质网上受体识别并结合，信号肽进入内质网后，被水解，正在合成的新生肽随之通过蛋白孔道穿越磷脂双分子层，当核糖体移至终止子，蛋白质合成结束，膜上的蛋白通道消失，核糖体重新处于自由态。

（2）翻译后转运机制：线粒体蛋白质跨膜运转、叶绿体蛋白质的跨膜运转（四）蛋白质的降解

泛素——蛋白酶体系统，包括两个主要步骤：（1）底物蛋白的泛素化标记（2）蛋白酶体水解底物蛋白

（1）底物蛋白的泛素化标记

A.泛素激活酶（E1)活化泛素形成E1-泛素复合物，消耗1分子A TP；

B.泛素载体蛋白（E2）催化泛素分子从E1转到E2，形成E2-泛素复合物，

释放出E1；

C.在泛素蛋白连接酶（E3）的催化下，泛素分子羟基末端与底物蛋白肽链