分子生物学课后小结

第二章小结在自然界各种生物中，DNA和RNA的一级序列贮存着遗传信息，大多数生物以DNA作为遗传信息的主要载体。

RNA也可以作为遗传物质，但目前这种现象只存在于病毒中。

除DNA，RNA序列贮存遗传信息以外，DNA的甲基化修饰造成与调节蛋白结合特性的改变、染色质组蛋白的乙酰化、甲基化修饰造成DNA与核小体结合特性的变化，以及蛋白质本身也具有DNA序列变化以外的、可遗传的表观遗传信息。

朊病毒是不含有核酸的蛋白质颗粒，但是可以复制并具有传染性。

核酸包括DNA和RNA，DNA和RNA分别由A、T、C、G和A、U、C、G等核苷酸组成。

A、T、C、G和A、U、C、G等碱基与核糖构成核苷，核苷与磷酸残基形成核苷酸，不同核苷酸的排列组合构成了核酸的一级结构。

体内的DNA由两条DNA单链形成双链，是DNA的主要存在形式。

DNA双链之间通过碱基配对方式形成，即A-T, C-G，因此，只要知道其中的一条链的序列，即可推导出另一条链的碱基组成。

双链DNA具有规则的右手双螺旋结构，在螺旋结构中，脱氧核糖和磷酸间隔排列组成主链，而碱基局限于螺旋内部，并在A-T和C-G间以氢键相连配对。

氢键结合力和相邻碱基的堆集力有利于DNA维持双螺旋构型，而磷酸基的静电斥力和碱基分子的内能则不利于DNA维持双螺旋构型。

这四种因素竞争的结果形成稳定的DNA分子结构。

Watson–Crick DNA双螺旋结构在一定环境条件下，或在不同功能状态下可以发生扭曲、旋转、伸展等结构变化，特别是细胞核内的DNA常常与蛋白质紧密结合，因此可以形成不同形态的DNA结构，如A-、B-、Z等不同的构象。

不同构象DNA的存在，对DNA的基本功能如复制和转录以及基因表达调控都是十分重要的。

复制和转录时DNA双链的解螺旋，转录因子与基因调控区特定结合序列的结合等都涉及蛋白质对DNA特定构型上的特定信息的解读。

DNA除了存在特定的二级结构以外，还形成不同的三级结构。

原核细胞和真核细胞的DNA 在生理状态下均存在超螺旋结构形式。

根据DNA每个螺旋的碱基对数目不同，超螺旋具有正超螺旋和负超螺旋两种方向。

所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生。

同时，在DNA发生同源重组过程中还成Holliday联合体，在真核细胞中DNA双螺旋还进一步与组蛋白包装成核小体的结构。

在化学和/或物理因素的影响下，核酸分子可发生变性，由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构甚至解旋成单链。

凡能破坏有利于维持DNA双螺旋构型的因素，以及增强不利于维持DNA双螺旋构型的因素的各种理化条件都可以成为变性的原因。

常用的DNA变性方法主要是热变性和碱变性。

核酸分子变性的过程可以逆转，在适当条件下，变性DNA可以复性，两条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构。

复性受到温度、时间、DNA浓度以及DNA复杂性的影响。

根据DNA变、复性的特点，可以针对特定序列的DNA设计探针，进行检测特定DNA和RNA的定性、定量和定位的分子杂交研究。

第三章小结从抽象符号到具体的化学本质，人们对基因的理解随着研究手段的发展而不断深入。

目前，人们不仅能从表型上去研究基因，而且能够先克隆基因，再深入研究其结构和功能，并且发现了诸如断裂基因、重复片段、重叠基因、转位基因和假基因等以各种形式存在的基因。

真核生物基因是以单顺反子的形式存在，编码的是单基因产物；而原核生物基因却是以多顺反子的形式存在，由它转录产生的是一种大分子量的mRNA，可同时编码两种甚至数种基因产物。

原核生物的基因和真核生物的基因都可以分为编码区和非编码区。

绝大多数真核生物其编码区被非编码区所打断，称为断裂基因；但是绝大多数的原核生物，其编码区则是连续的。

当然，某些真核生物的基因也可能是连续，而某些原核生物中也有断裂基因存在。

基因的大小与外显子没有关系，而是决定于内含子的大小和数目。

内含子越多，片段越长，则其基因越大。

真核生物中，从酵母到人类，，基因的平均大小略有增加。

根据基因密度可推知基因组中基因的数目。

生物从低等到高等，基因数目逐渐增加。

真核生物基因组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基因，称为基因家族。

根据家族成员在染色体上的分布形式，基因家族又分为在染色体上串联重复存在的基因簇和在染色体上散在分布的散在基因家族。

除了能编码蛋白的基因家族外，染色体上还存在大量无转录活性的重复DNA序列。

根据重复单位的大小，一些高度重复序列又分为了卫星DNA、小卫星和微卫星DNA。

基因组可分为原核生物基因组、真核生物基因组和细胞器基因组。

原核生物基因组简单，只有一个染色体组成，其类核外可能有质粒DNA存在；细胞器基因组主要指真核生物的线粒体和叶绿体基因组，能够合成部分所需的蛋白质。

真核生物的基因组比较复杂，可分为非重复序列、中度重复序列和高重复序列。

非重复序列是独特的，中度重复序列是分散但并非已知的拷贝，高重复序列是短的前后串联重复序列。

每个基因组中各成分所占比率不同，但较大的基因组非重复序列部分较少。

复杂度描述了其中独特序列的长度，重复频率描述了每个序列重复的次数。

C值矛盾描述了真核基因组中编码潜力和DNA含量并非一致。

大多数结构基因位于非重复DNA内。

非重复DNA的复杂度比总基因组能更好地反映生物的复杂程度，非重复DNA 最大复杂度达2×109 bp。

人类基因组计划自1990年启动到现在，其基本任务已经完成，成功绘制了人类的遗传学和物理学图谱，并完成人类基因组的全部测序工作。

在绘制遗传学图谱时，主要用到的遗传标记有RFLP、STR和SNP等。

物理图谱的绘制实际上是对DNA序列两点间的实际距离的测定，用到的遗传标记主要为STS。

利用全基因组的“鸟枪法”测序策略，除了人类基因组序列外，还得到了数十几种模式生物的基因组序列。

研究基因组的科学即为基因组学，包括结构基因组学和功能基因组学。

结构基因组学的主要任务已经完成，即人类基因组的作图、测序和基因定位。

目前，对基因组的研究进入了功能基因组学时代。

功能基因组学以高通量、大规模实验方法以及统计与计算机分析为特征。

基因芯片、基因表达系列分析、定位克隆等都是功能基因组学的主流研究方法。

蛋白质组学是功能基因组学的一个分支，包括结构蛋白质组学和功能蛋白质组学，采用的主要研究方法有蛋白质分离中的2D电泳，蛋白质分析中的质谱分析和蛋白质相互作用研究中用到的酵母双杂交、蛋白质芯片等等。

功能基因组学的发展，尤其是蛋白质组学的研究，都少不了生物信息学的支持，同时海量的数据也带给了生物信息学巨大的挑战。

第四章小结DNA的生物合成有DNA复制和逆转录两种手段。

DNA复制是以DNA为模板合成相同DNA 分子的过程，其主要特征有：需要模板、四种dNTP和Mg2＋；被复制的区域必须进行解链；半保留复制；需要引物，作为引物的主要是短的RNA，少数是蛋白质；复制的方向始终是5′→3′；具有固定的起点；多为双向复制；半不连续性；高度有序、高度进行和高度忠实。

参与DNA复制的主要酶和蛋白质有DNA聚合酶、解链酶、SSB、引发酶、拓扑异构酶、连接酶和端聚酶等。

DNA聚合酶是参与DNA复制的主要酶。

E. coli细胞中有DNA聚合酶I、II、III、IV和V。

E. coli的DNA聚合酶I也称为Kornberg酶，是一种多功能酶，具有5′→3′的聚合酶活性、5′→3′和3′→5′的核酸外切酶活性。

使用特殊的蛋白酶处理聚合酶I得到的大片段称为Klenow酶，具有3′→5′外切酶和5′→3′聚合酶活性，Klenow酶的手指-拇指-掌心三维结构模式出现在许多具聚合酶上。

聚合酶II也具有3′→5′外切酶活性，但无5′→3′外切酶活性，参与DNA的修复。

聚合酶III由多个亚基组成，虽然也具有5′→3′聚合酶活性和3′→5′外切酶活性，但却分属不同的亚基。

该酶是参与E. coli染色体DNA复制的主要酶。

完整的聚合酶III由核心酶、滑动钳和钳载复合物组成。

在DNA复制过程中，滑动钳松散地夹住DNA 模板，并能自由地向前滑动，大大提高了酶的进行性。

DNA聚合酶IV和V属于易错的DNA 聚合酶，参与DNA的修复合成。

真核细胞中至少有15种以上的DNA聚合酶，除了5种发现较早的聚合酶α、β、γ、δ和ε以外，还发现了聚合酶ζ、δ、ε、θ、η、κ、ι、ψ和ξ等。

这些新发现的聚合酶主要参与DNA的跨越合成。

γ、δ、ε和ζ具有3′-外切酶活性。

DNA解链酶是一类催化DNA双螺旋解链的酶，它除了能够结合DNA以外，还能够结合NTP 并同时具有依赖于DNA的NTP酶活性。

SSB是一种专门与DNA单链区域结合的蛋白质，无任何酶的活性。

DNA拓扑异构酶是一类通过催化DNA链的断裂、旋转和重新连接而直接改变DNA拓扑学性质的酶。

拓扑异构酶被分I型和II型。

I型在作用过程中，只能切开DNA的一条链，而II型在作用过程中同时交错切开DNA的两条链。

参与DNA复制的是II型。

所有拓扑异构酶的作用都是通过两次转酯反应来完成的。

DNA引发酶是一种特殊的RNA聚合酶，用来合成RNA引物。

原核细胞内切除RNA的酶是DNA聚合酶I或核糖核酸酶H。

真核细胞内负责切除RNA引物的酶核糖核酸酶HⅠ/FEN1或FEN1/Dna2。

DNA连接酶是一类催化一个双螺旋DNA内相邻核苷酸3′-羟基和5′-磷酸甚至两个双螺旋DNA两端的3′-羟基和5′-磷酸发生连接反应形成3′,5′-磷酸二酯键的酶。

DNA连接酶在催化连接反应时需消耗能量。

有的连接酶使用NAD+，有的使用ATP。

尿嘧啶-DNA糖苷酶是一种专门用来切除出现在DNA链上非正常U的水解酶。

端聚酶由蛋白质和RNA组成，其中RNA部分序列充当模板，蛋白质具有逆转录酶的活性，它所起的作用是复制端粒DNA，维持染色体端粒结构的完整。

所有的DNA复制都可以分为起始、延伸、终止和分离三个阶段。

复制是以复制子为单位进行的。

任何一个复制子都含有一个复制起始区。

不同基因组DNA具有不同的复制子结构，像细菌染色体、质粒、噬菌体、病毒和线粒体基因组DNA都只有一个复制子，而真核细胞内的每一个染色体DNA则含有多个复制子。

E. coli染色体DNA的复制为ζ复制，起始阶段最重要的事件是对其复制起始区OriC的识别，直到形成引发体。

在此阶段涉及DnaA、DnaC、DnaT、DnaB、PriA、PriB、PriC和DnaG蛋白，它们按照一定的次序在OriC结合或解离，相互间具有招募作用。

复制的延伸首先是复制体的形成，这需要聚合酶III全酶加入到引发体。

一个双向复制的复制子有两个复制体。

在每一个复制体上，同时进行前导链和后随链的合成。

在一个复制叉内的聚合酶III全酶同时催化前导链和后随链的合成，这是因为后随链的模板在复制中形成突环结构。

复制结束于终止区，需要Tus蛋白的帮助。