医学分子生物学_第二章 基因
带负电荷的核酸在电场中向正极泳动，泳动速 率与其分子量的对数近似负线性关系
2000 bp 1500 bp 1000 bp 700 bp
500 bp 400 bp 300 bp 200 bp
100 bp
50 bp
Size of DNA fragment
M
1
2
3
4
5 Cathode(-)
900bp 800bp 700bp 600bp 500bp
– Example: methylation （甲基化）of the N-6 position of adenine and the 4-amino group, and the 5-position of cytocine, phage DNAs; modifications of RNA.
核酸的物理化学性质
Effect of acid(酸效应 酸效应) 酸效应 • Highly acidic conditions may hydrolyze nucleic acids to their components: bases, sugar and phosphate. Moderate acid causes the hydrolysis of the purine base glycosylic bonds （糖苷键） to yield 糖苷键） apurinic acid（脱嘌啉核苷酸）. （脱嘌啉核苷酸） • More complex chemistry has been developed to remove particular bases, and is the basis of chemical DNA sequencing.
基因的概念及其含义的演变
参见“医学分子生物学---第一章 绪论” 相关学习网站： (NHGRI官方网站)
Eukaryotic Central Dogma
启动子
外显子
内含子 转录 RNA剪接 剪接 下游
上游
RNA初始转录本 初始转录本
非翻译序列 翻译 蛋白
Viscosity(黏滞性 黏滞性) 黏滞性
• DNA solutions have high viscosity（粘滞 性）. Long DNA molecules are susceptible to cleavage by shearing（剪 切）(or by sonication（超声）in solution – this process can be used to generate DNA of a specific average length.
Table 1.1 Forms of DNA
Form Pitch(nm) Residues per turn Inclination of base pair from horizontal
A B C D Z
RNA-DNA hybrid
0. 26 0.34 0.33 0.30 0.45 0.28
Effect of alkali(碱效应 碱效应) 碱效应 • High pH denatures DNA and RNA by altering the tautomeric （互变异构） 互变异构） state of the bases and disrupting specific hydrogen bonding. • RNA is also susceptible to hydrolysis at high ramolecular cleavage of the phosphodiester backbone.
11 10 9.33 8.5 12 11
20º 0º
7º 20º
RNA secondary structure
• Most RNA molecules occur as a single strand （单链）, which may be folded into a complex conformation, involving local regions of intramolecular base pairing（分子内碱基配 对） and other hydrogen bonding interactions.
医学分子生物学
第二章 基因
结构与功能
易光辉 南华大学医学院分子生物学研究中心 2009-11
Genes:
Structure and Function
by Prof. Guanghui Yi
ghyi6108@ 13974778329 Institute of Cardiovascular Disease Research Center for Molecular Biology Medical College, University of South China 2009-11
Stability of nucleic acids(核酸的稳定性 ) 核酸的稳定性
• Although it might seem obvious that DNA double strands and RNA structures are stabilized by hydrogen bonding, this is not the case. • H-bonds determine the specificity of the base pairing, but the stability of a nucleic acid helix is the result of hydrophobic（疏水） （疏水） and dipole-dipole interactions（双极 双极相 （双极-双极相 堆叠） 互作用） 互作用） between the stacked （堆叠）base pairs.
Examples: 5’-ATAAGCTC-3’ (DNA ), 5’-AUAGCUUGA-3’ (RNA).
DNA double helix • Two separate and antiparallel chains （反向平行）of DNA are wound around each other in a right-handed helical (coiled) path, with the sugar-phosphate backbones on the outside and the bases, paired by hydrogen bonding and stacked on each other, on the inside. Adenine pairs with thymine; guanine pairs with cytosine. The two chains are complemently（互 补）; one specifies the sequence of the other.
成熟RNA 成熟
• Gene: A DNA segment containing biological information and hence coding for an RNA and/or polypeptide molecule. • 基因是含有生物信息的 基因是含有生物信息的DNA片段，根据 片段， 片段 这些生物信息可以编码具有生物功能的 产物，包括RNA和多肽链。 和多肽链。 产物，包括 和多肽链
Chemical and Physical Properties of Nucleic Acids
核酸的物理化学性质
• • • • • Stability of nucleic acids（核酸稳定性） Effect of acid（酸效应） acid Effect of alkali（碱效应） Chemical denaturation（化学变性） Viscosity（粘滞性）
Nucleotides In ribonucleotides(核苷酸）(CMP, CTP, ATP, GTP, UTP), the 2’-position is hydroxyl group. If the sugar is deoxyribose, then compounds are deoxynucleotides（脱氧核苷酸）(dATP, dGTP, dCTP, dTTP; dNTP). Base+sugar+phosphate=nucleotide.
基因的分子本质 Genes: Molecular Nature
碱基配对
T A
A:T
G:C
C G
双链 DNA的结构
• • • • 右手方向双股螺旋 反向平行 共同轴心 大沟和小沟
Bases In DNA, there are four heterocyclic bases: adenine(A)（腺嘌啉） and quinine(G)（鸟嘌啉） are purines; cytosine(C)（胞嘧啶） and thymine(T) （胸腺嘧啶） are pyrimidines. In RNA, thymine is replaced by the structurally very similar pyrimidine, uracil(U)（尿嘧啶）.
Phosphodiester bonds Between the 5’-position of one sugar and the 3’-position of the next, forming a 3’, 5’phosphodiester bond. Nucleic acids are highly charged polymers with a negative charge（负 电荷） on each phosphate.
Chemical denaturation(化学变性 化学变性) 化学变性
• Some chemicals, such as urea（尿素） （尿素） and formamide（甲酰胺）, can （甲酰胺） denature DNA and RNA at neutral pH by disrupting the hydrophobic forces between the stacked（堆叠）bases. （堆叠）
医学分子生物学习题集
医学分子生物学习题集第二章基因与基因组一、名词解释4.基因（gene）5.断裂基因（split gene）6.结构基因（structural gene）7.非结构基因（non-structural gene）8.内含子（intron）9.外显子（exon）10.基因间 DNA （intergenic DNA）11.GT-AG 法则（GT-AG law）12.启动子（promoter）13.上游启动子元件（upstream promoter element）14.反应元件（response element）15.poly(A)加尾信号（poly(A) signal）16.基因组（genome）17.操纵子（operon）18.单顺反子（monocistron）19.多顺反子（polycistron）20.转座因子（transposable element）21.转座子（transposon）22.基因家族（gene family）23.基因超家族（gene superfamily）24.假基因（pseudogene）25.自私 DNA （selfish DNA）26.反向重复（inverted repeat）27.串联重复（tandem repeat）28.卫星 DNA （satellite DNA）8.大卫星 DNA （macro-satellite DNA）9.小卫星 DNA （mini-satellite DNA）10.微卫星 DNA （micro-satellite DNA）11.可变数目串联重复（variable number of tandem repeat）12.短串联重复（short tandem repeat）13.基因组学（genomics）14.物理图谱（physical map）15.遗传图谱（genetic map）16.转录图谱（transcriptional map）17.序列图谱（sequence map）18.结构基因组学（structural genomics）19.功能基因组学（functional genomics）20.比较基因组学（comparative genomics）21.基因型（genotype）22.表型（phenotype）23.重叠基因（overlapping gene）24.分段基因组（segmented genome）25.逆转录病毒（retrovirus）26.等基因（isogene）27.同源多聚体（homomultimer）28.异源多聚体（heteromultimer）二、判断题1. 所有生物的遗传物质都是 DNA。
分子生物学：第二章 基因、染色体与DNA-1
Recombination analysis （重组分析）
rII47 0
rII102 0
rII47 0
rII104 0
infect E. coli B infect E. coli K12
两种噬菌斑
一种WT噬菌斑
可以根据重组值计算两两之间的距离
RII 47 104 101 103 105
2.1.1 遗传因子假说
(Hypothesis of the inherited factor G. J. Mendel 1866. )
• 生物性状由遗传因子控制
• 亲代传给子代的是遗传因子(A,a….) • 遗传因子在体细胞内成双(AA, aa)
在生殖细胞内为单（A,a） • 杂合子体细胞内具有成双的遗传因子(Aa) • 等位的遗传因子分离 • 非等位遗传因子间自由组合地独立分配到配子中
➢科学（基因--酶）为技术（互补测验）的发明提供了理论依据 ➢（互补测验）技术为科学（顺反子）的发现提供了方法手段 ➢构建大量（核苷酸及表型）突变体 ➢开展大量（功能互补）实验
顺反子学说（Theory of cistron）
• Cistron 是基因的同义词
• 在一个顺反子内，有若干个突变单位, 突变子(muton) • 在一个顺反子内，有若干个交换单位, 交换子（recon） • 基因是一个具有特定功能的，完整的，不可分割的
最小的遗传功能单位 three in one one in one
• 基因内可以较低频率发生基因内的重组，交换
• pseudo alleles 是基因内的不同突变体
• mut1 X mut2
WT 是基因内发生交换的结果
• cistron 概念的提出是对经典的基因概念的动摇
医学分子生物学-基因组
基因和基因组
基因是遗传的基本单位
基因：能够表达和产生蛋白质或RNA的DNA序列，是决定 遗传性状的功能单位。
Gene: The basic unit of heredity. Contains the information for making one RNA and, in most cases, one polypeptide
多顺反子，即数个结构基因联在一起，受同一调节区调节，即具 有操纵子结构（包括功能上相关的几个蛋白质基因和一个共同的 基因调控区组成的一段DNA）
4.基因组中非编码区远多于编码区。 5.真核基因多是不连续的（断裂基因），由外显子和内含子镶嵌排
列而成。1977, Broker&Sharp RNA剪接：1993年Noble Prize 外显子(exon)不仅包括基因中编码蛋白质氨基酸的DNA顺序，而
5’
3’
结构基因没有翻译起始序列
Splicing
DNA病毒 RNA过程
HBV 基因结构
原核生物基因组
模式生物: 大肠杆菌 (E.coli)
细菌的遗传物质
Genome DNA
plasmid
Transposable element
原核生物基因组结构与功能特点*
1、为一条环状双链DNA(无典型染色体结构,拟核) 2、只有一个复制起点（Ori） 3、具有操纵子结构 4、重复序列少:绝大部分基因为单拷贝（99.7%） 5、可表达基因约50%，真核生物，病毒 6、基因一般是连续的，无内含子（古细菌除外） 7 、编码顺序一般不重叠
真核生物基因组
模式生物：酵母、线虫、果蝇、小鼠、大 鼠
真核生物基因组结构与功能特点*
1.真核生物基因组远大于原核生物基因组，结构复杂， 基因数庞大，具有多个复制起点。
医学分子生物学
第二章基因组的结构和功能一、名词解释基因组（genome）：细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和。
如真核细胞基因组包含细胞核染色质DNA及线粒体DNA，原核细胞基因组包含染色体DNA和质粒DNA。
质粒(plasmid)：细菌细胞内的、染色体外的DNA分子，是共价闭合的环状DNA分子，能够独立于细胞的染色质DNA进行复制。
假基因(pesudogene)：与有功能的基因同源，但不能产生有功能的基因产物的基因。
卫星DNA(satellite DNA)：是基因组中的一种高度重复序列，其重复单位一般由2~10bp 组成，成串排列，具有调节基因的复制和转录等功能。
单拷贝序列(singe copy sequence)：在整个基因组只出现一次或很少的几次，绝大多数真核生物蛋白质的编码及因的单拷贝序列。
二、简答题1 原核生物染色体中结构基因的特点是什么？（1）编码的连续性（2）编码序列的不重叠性（3）重复序列很少（4）多为单拷贝基因在基因组中所占比例较大2 简述质粒的基本特征。
（1）原核细胞中染色体外的共价闭合的环状DNA分子（2）能够独立于细胞的染色体而进行复制，并依赖于宿主细胞（3）其所带的遗传信息能赋予宿主细胞特定的遗传性状（4）在宿主菌中具有不相容性是DNA重组技术中所使用的主要载体3 真核生物染色体中结构基因的特点是什么？（1）通常为断裂基因（2）转录产物多为单顺反子RNA（3）在基因组中所占比例较小4 真核生物染色质中含有几种蛋白质？各自功能是什么？（1）真核细胞染色质中含有组蛋白和非组蛋白两类蛋白质，参与DNA的折叠和组装。
（2）组蛋白包括核心组蛋白和连接组蛋白两种。
组蛋白借助静电作用使DNA分子缠绕在其周围，形成核小体。
并具有调控基因的复制和转录的功能。
（3）非组蛋白是染色体上结合特异DNA序列的蛋白质，其功能包括：①帮助DNA分子折叠。
②协助启动DNA复制。
③控制基因转录，调节基因表达。
分子生物学 第二章 有机体、基因和染色体
②蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在。多拷贝 基因或多拷贝序列存在于染色体上常引起非均 等交换 , 结果导致了相同序列之间的基因的缺 失或倒位。 基因序列的倍增虽是经常发生的 (10-4), 可是绝大 多数的倍增并没有给细菌带来选择上的优势 , 因而很快又被淘汰。这样 , 使绝大多数的蛋白 质基因保持单拷贝形式。
类核的结构
E.coli: 4.2×106bp （ 1300 微米）， 闭合环状，约 编 码 3000~4000 个 基因。
生物在进化中选择了经济而又有效的结构形式：
①功能上相关的几个结构基因前后相连，再加上一 个共同的调节基因和一组共同的控制位点，即启 动子和操作子在基因转录时协同动作。细菌基因 表达调控的这样一个完整的单元，称为操纵元。 例：大肠杆菌中半乳糖代谢的 β- 半乳糖苷酶，半乳 糖苷透性酶，半乳糖苷乙酰化酶三个酶的基因z、 y 、 a 与控制位点 o 、 p 以及它们的调不需要转录后加工；而真 核生物基因转录后的绝大部分前提RNA必须经过剪接 过程才能形成成熟的RNA。 原核生物细胞内缺少分隔的功能区域，所有生理生化 反应都在同一细胞质中进行，因而原核生物的基因转 录和翻译是偶联的，边转录边翻译；真核生物细胞的 转录和翻译在时间和空间上都是分离的。
推理过程：
φ×174的DNA数量有限,其基因在排列上更加 体现了经济原则：
(1) φ×174 有11蛋白质基因,但是只转录成3个 mRNA,其中一个从A基因开始,一个从B基因开始, 另一个从D基因开始. (2) φ×174的DNA分子绝大部分用来编码蛋白质, 不翻译出来的部分只占4%(217/5386),其中包括 基因之间的间隔区和一些控制基因表达的序列. (3) φ×174 的基因排列上最显著的特点是有重叠 基因和基因内基因.
分子生物学第二章
增强子
TATA 盒 CAAT 盒 GC 盒
3’
内含子 外显子 转录终止子
• 真核生物启动子与基本转录因子及 RNA 聚合酶结合，起 始 hnRNA 的转录。
TATA 盒： 又称 Goldberg-Hogness 盒，转录因子 TFIID 的 结合位点，启动基因转录。
CAAT 盒：转录因子 CTF 的结合位点，决定启动子的转录 效率。
不同物种的基因组
人 (Homo sapiens) 小鼠 (M. musculus) 线虫 (C. elegans) 果蝇 (D. melanogaster) 酵母 (S. cerevisiae) 拟南芥(A. thaliana) 大肠杆菌 (E. coli) 艾滋病毒 (HIV)
基因组 (bp) 3 X 109 2.6 X 109 9.7 X 107
基因组 (Genome)
生物体或细胞中一套染色体的遗传物质的总和， 以全长 DNA 的碱基对 (bp) 数目表示。
病毒基因组的一般特点
包括 DNA 或 RNA 病毒或者动物、植物及细菌病毒。 1. 大小相差很大：如乙肝病毒 3.2 kb 编码 4 种蛋白，痘 状病毒可达 300 kb，编码几百种蛋白。
2. 基因组可以是 DNA，也可由 RNA 组成，但每种病毒 只含 1 种核酸分子，呈线形或环形，双链或单链。
3. DNA 病毒基因组由连续的 DNA 分子组成，有的RNA 病毒是不连续的：如流感病毒基因组由 8 条 RNA 单 链分 子构成。
4. 常见基因重叠现象。
基因 B
基因 C
基因 A
A 和 B 完全重叠，A 和 C 部分重叠 病毒基因组大多序列用来编码蛋白。
珠蛋白、免疫球蛋白基因
组蛋白基因家族 rRNA 基因家族
分子生物学第二章-染色体,染色质和核小体-chromosomes, chromatin, and t
• 许多复杂性相近的生物体其基因组大小却 显著不同：小麦基因组是水稻基因组的40 倍
• 基因的数目而不是基因组的大小与生物体 的复杂性更密切相关
– Gene number（基因数目）: the number of genes included in a genome
➢Gene density（基因密度）: the average number of genes per Mb of genomic DNA
Each DNA and its associated proteins is called a chromosome（染色体）
The importance of packing of DNA into chromosomes
(DNA包装为染色体的重要功能）
➢ Chromosome is a compact form of the DNA that readily fits inside the cell （染色体是DNA的紧密结构，更适合存在于细胞中）
Proteins in chromosome (1)
Half of the molecular mass of eukaryotic chromosome is protein
➢In eukaryotic cells a given region of DNA with its associated proteins is called chromatin（染色质）
• 每个细胞中可以有多个完整拷贝的质粒存在
• 大多数真核生物细胞是二倍体（diploid), 一个染色体有两个拷贝
• 多倍体真核细胞（polyploid): 细胞中每 条染色体都超过两个拷贝
• 巨核细胞：特化的多倍体细胞，每条染 色体有128个拷贝，通过多倍体形式维持 高水平新陈代谢，以生产大量的血小板
医学分子生物学-2.基因与基因组-coco
非编码序列 ＞95％
59
5. 功能相关基因构成各种基因家族
核苷酸序列或编码产物的结构上具有一定程
度同源性的一组基因。家族内成员由同一个祖先 基因进化而来。
人生长激素（hGH）与绒毛膜生长催乳素（hCS）序列
真核生物基因组的结构特点
• 每一种真核生物都有一定的染色体数目 • 基因组庞大，结构复杂，多个复制起点 • 转录产物为单顺反子 • 存在大量重复序列 • 非编码序列多于编码序列 • 功能相关基因构成各种基因家族
二、原核生物基因组
以大肠杆菌（Escherichia coli）为例
染色体DNA
质粒DNA
36
（一）原核生物基因组特点
1.由一条环状双链DNA分子组成，
2.通常只有一个DNA复制起点。
OriC
4.6×106 bp
TerC 大肠杆菌染色体DNA
37
3.结构基因大多组成操纵子
掌握概念
操纵子(operon):多个功能相关的结构基因成簇 串联排列，与上游共同的调控区和下游转录终止 信号组成的基因表达单位。
单链线性RNA
双链线性DNA
双链线性RNA 单链环状DNA
2.不同病毒基因组大小相差较大
例如：痘病毒：130-375kb；HBV：3.2kb
26
3. 除逆转录病毒外，通常为单倍体基因组。
二倍体基因组
逆转录病毒基因组的复制与基因表达
逆转录病毒的复制与表达
单链线性RNA，二倍体；
有三个基本的结构基因：gag、pol、env；
2. 顺式作用元件有哪些？ 主要有启动子和上游启动子元件、增强子、 沉默子、反应元件、Poly(A)加尾信号。
第二节 基因组(genome)
分子生物学2第二章-DNA结构
第四节 DNA的物理、化学性质
DNA双股链的互补 是其结构和功能上的一个基本特征 也是DNA研究中一些实验技术的基础
一、DNA分子的变性
变性（denaturation 或融解 melting）：DNA双螺旋区 的
氢键断裂，使双螺旋的两条链完全分开变成单链，这 一双链分离的过程叫做变性 1、条件：加热, 极端pH,有机溶剂（ 尿素、 酰胺 )，低盐浓度等
PolyT/A TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA
TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA
b、 分子组成
☆ PY/PU + PU (偏碱性介质中稳定) G＊G 、 A＊A 、
G＊A＋
☆ PY/PU + PY (偏酸性介质中稳定) 常见类型
点的A260值绘制成DNA 1.185
的熔解曲线
1.0
℃
Tm = OD增加值的中点温度(一般为8595℃) 或DNA双螺旋结构失去一半时的温度
这也是一般PCR实验技术中把变性温度定为94 ℃的原因
1、 影响 Tm值的因素 （1） 在 A, T, C, G 随机分布的情况下 ，决定于GC含量 GC%愈高 → Tm值愈大 GC%愈低 → Tm 值愈小 （2）GC%含量相同的情况下 AT形成变性核心，变性加快，Tm 值小 碱基排列对Tm值具有明显影响
* 类病毒（viroid）: 使高等植物产生疾病的传染性因子 分子结构：含246~375 个核苷酸的单链环状RNA 分 子，没有蛋白质外壳。专性活细胞内寄生。
三、 是否存在核酸以外的遗传物质 Prion (proteinaccous infections particle) 朊病毒－－－蛋白质样的感染因子
分子生物学期中题库参考答案
第二章基因概念的演变与发展1、名词解释C值矛盾：C值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象。
DNA变性：在某些理化因素作用下，DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，DNA双螺旋结构松散，变成单链的过程。
DNA的Tm：DNA的Tm——熔链温度等于 OD增加值的中点温度(一般为85-95℃) 或DNA双螺旋结构失去一半时的温度⏹Tm值计算公式：Tm＝69.3+0.41 (G+C)%⏹GC%=（Tm-69.3）×2.44DNA复性：DNA水溶液加热变性时，双螺旋两条链分开；如果缓慢冷却至低于Tm 值25度条件下并维持较长一段时间，两条链可以完全重新结合成各原来一样的双股螺旋过程。
断裂（间隔）基因：真核生物的结构基因是由若干外显子和内含子序列相间隔排列组成。
2、简答题1)DNA是否是唯一的遗传物质？答：否。
1.RNA也可以作为遗传物质，如烟草花叶病毒。
2.还有非核酸的其他遗传物质，如朊病毒：又称蛋白质侵染因子。
朊病毒是一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子的无免疫性疏水蛋白质。
2)请问哪些条件可促使DNA变性和复性(退火)?变性1,加热变性 2，极端酸碱变性 3，变型剂处理复性：1、温度和时间。
DNA复性时，温度不宜过低，Tm－25℃是比较合适的复性温度，而且时间也不能过短，时间太短DNA复性效果不明显。
2、DNA単链片段浓度。
単链片段浓度越高，随机碰撞的频率就越高，复性速度越快。
3、DNA単链片段大小。
较大的単链片段扩散困难，链间错配频率高，复性较慢。
因此，较小的DNA単链片段有利于复性。
4、DNA序列的复杂性。
片段内的重复序列多，则容易形成互补区，因而复性较快。
5、反应溶液中的离子强度。
维持溶液中一定的离子强度，消除磷酸基负电荷造成的斥力，可加快复性速度。
3)原核生物和真核生物基因和基因组结构特点比较。
原核生物基因结构：多顺反子，转录区序列区(5，-UTR; cDNA序列区-编码区; 3，-UTR);真核生物基因结构：基因编码区中往往含有非编码序列的内含子；真核基因是单顺反子，编码单基因产物;成熟mRNA分子的5-，端有一个帽的结构,3，-端有一段poly(A)尾巴。