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现代分子生物学Modernmolecularbiology1现代分子生物学复习提纲第一章绪论第一节分子生物学的基本含义及主要研究内容1分子生物学MolecularBiology的基本含义广义的分子生物学：以核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信息和细胞信息传递中的作用为研究对象，从分子水平阐明生命现象和生物学规律。狭义的分子生物学：偏重于核酸（基因）的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调控等过程，也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。1.1分子生物学的三大原则1)构成生物大分子的单体是相同的2)生物遗传信息表达的中心法则相同3)生物大分子单体的排列（核苷酸、氨基酸）的不同1.3分子生物学的研究内容●DNA重组技术（基因工程）●基因的表达调控●生物大分子的结构和功能研究(结构分子生物学）●基因组、功能基因组与生物信息学研究第二节分子生物学发展简史1准备和酝酿阶段时间：19世纪后期到20世纪50年代初。确定了生物遗传的物质基础是DNA。DNA是遗传物质的证明实验一：肺炎双球菌转化实验DNA是遗传物质的证明实验二：噬菌体感染大肠杆菌实验RNA也是重要的遗传物质-----烟草花叶病毒的感染和繁殖过程2建立和发展阶段1953年Watson和Crick的DNA双螺旋结构模型作为现代分子生物学诞生的里程碑。主要进展包括：遗传信息传递中心法则的建立3发展阶段基因工程技术作为新的里程碑，标志着人类深入认识生命本质并能动改造生命的新时期开始。第三节分子生物学与其他学科的关系思考证明DNA是遗传物质的实验有哪些？分子生物学的主要研究内容。列举5～10位获诺贝尔奖的科学家，简要说明其贡献。现代分子生物学Modernmolecularbiology2第二章染色体与DNA第一节染色体1.作为遗传物质的染色体特征:分子结构相对稳定能够自我复制能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程;能够产生遗传的变异。2真核细胞染色体组成(1)DNA(2)蛋白质（包括组蛋白和非组蛋白）(3)少量的RNA组蛋白：呈碱性，结构稳定；与DNA结合形成、维持染色质结构，与DNA含量呈一定的比例非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清楚3.染色质和核小体染色质是一种纤维状结构，由最基本的单位—核小体(nucleosome)成串排列而成的。4.真核生物基因组DNA的C值和重复序列C值(CValue)：指一种生物单倍体基因组的DNA总量。注意：生物体进化程度高低与C值不成明显线性相关；亲缘关系相近的生物C值却相差大。高等生物的C值不一定比低等生物的C值高。C值变化范围宽意味着生物基因组中含有大量的无编码功能的重复序列。DNA序列可分为3类:(1)不重复序列：是主要的结构基因(2)中度重复序列各种rRNA、tRNA、组蛋白基因以及某些结构基因属于这一类。中度重复序列往往分散在不重复序列之间。(3)高度重复序列――卫星DNA：不转录序列。思考：DNA的C值和重复序列.？5.原核生物基因组特点1）原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少，没有重复序列。注意：染色体外遗传基因的概念：即细菌的质粒、真核生物的线粒体、高等植物的叶绿体等所含有的DNA和功能基因。2）结构简练3）存在转录单元：原核DNA序列中功能相关的基因丛集在基因组的特定部位，形成转录单元，它们可被一起转录为可翻译多个蛋白质的mRNA分子，这种mRNA叫多顺反子mRNA。注意：原核生物的mRNA是多顺反子mRNA；真核生物mRNA是单顺反子mRNA4）有重叠基因：在一些细菌和动物病毒中同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息。6.真核生物基因组的结构特点真核基因组庞大存在大量的重复序列90%以上为非编码序列转录产物为单顺反子现代分子生物学Modernmolecularbiology3断裂基因，含有内含子有大量顺式作用元件（见第八章）存在大量的DNA多态性具有端粒结构第二节DNA的结构1.DNA的一级结构：指四种核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的排列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸，也称为碱基顺序2.DNA的二级结构定义：指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。3.DNA双螺旋结构模型的要点：①脱氧核糖和磷酸通过3’,5’磷酸二酯键交互连接，成为螺旋链的骨架。②碱基互补配对③螺旋参数：螺旋直径２nm。螺旋每旋转一周10对碱基，每个碱基的旋转角度为36°；螺距3.4nm；碱基平面之间的距离为0.34nm。④大沟小沟：大沟(2.2nm)小沟(1.2nm)4.维持DNA双螺旋的力：氢键、碱基堆集力（包括疏水作用力和范德华力。）、磷酸基团间的静电斥力、碱基分子内能总之:氢键和碱基堆集力有利于DNA维持双螺旋结构，而静电斥力和碱基分子内能则不利于DNA维持双螺旋结构。5.双螺旋结构的基本形式：A，B，Z型双螺旋Z-DNA有什么生物学意义呢?Z-DNA在热力学上是不利的。带负电荷的磷酸根距离太近，产生静电排斥。DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。DNA解链是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此Z-DNA的结构与基因表达调控有关。6.DNA的超螺旋结构(三级结构)超螺旋的类型：负超螺旋、松弛DNA、正超螺旋（转化相关物质：拓扑异构酶、溴化乙锭）超螺旋的意义：①超螺旋形式是DNA分子复制和转录的需要；②超螺旋可使DNA分子形成高度致密的状态从而得以容纳于有限的空间。7.DNA的理化性质---变性和复性常用的变性方法：热变性、碱变性核酸变性程度的鉴定－紫外测定法：第三节DNA的复制概述1DNA复制的基本机理－半保留复制DNA半保留复制的意义：保证DNA代谢的稳定性。稳定性是相对的，变异是绝对的2DNA复制的起点、方向和速度1)起点：复制子:从复制原点（ori）到终点，组成一个复制单位。原核生物：只有一个复制子真核生物:多个复制子2)方向：双向等速复制：大多数生物体内DNA。现代分子生物学Modernmolecularbiology4单向进行：有些病毒（如腺病毒等）、质粒DNA及线粒体DNA。不对称复制：在一定时期内DNA只复制一条链的情况。如线粒体的D-环复制和噬菌体的滚环复制方式。3复制的几种方式1)线状DNA双链的复制2)环状DNA双链的复制：θ型、滚环复制、D环思考：原核生物基因组特点。DNA双螺旋结构模型的要点？DNA的变性和复性？DNA复制的几种方式。第四节原核生物和真核生物DNA复制特点1原核生物复制的特点1)DNA双螺旋的解旋解旋酶(helicase)：解开氢键，形成单链。利用ATP水解获得的能量来打断氢键；二聚体或六聚体形式存在；作用方向：大部分为5'→3',单链结合蛋白（SSBP）：功能：稳定单链DNA。特点：SSBP与螺旋酶不一样，不具备酶的活性，不和ATP结合。SSBP可以重复使用DNA拓扑异构酶(DNAtopoisomerase)：既能水解、又能连接磷酸二酯键DNA拓扑异构酶功能：在DNA复制时，拓扑酶可松驰超螺旋，有利于复制叉的前进。DNA复制完成后，拓扑酶可将DNA分子引入超螺旋，使DNA形成染色质。2)DNA复制的引发引发：DNA复制需要合成RNA引物，这段RNA引物的合成称为引发。DNA复制为什么需要引物(Primer)？答案：DNA聚合酶只能催化dNTP到已有核酸链的游离3’-OH上，而不能从游离核苷酸起始DNA链的合成。3)冈崎片段与半不连续复制4)复制的终止：5)DNA聚合酶2真核生物复制的特点1）多个复制子，双向复制2）复制子相对较小3）复制终止通过复制叉的相遇而终止4）复制起点为自主复制序列（ARS）3DNA复制的调控原核生物和真核生物DNA复制的比较相同点：1）半保留复制方式2）半不连续复制3）DNA螺旋酶,SSBP4）RNA引物不同点：1）复制起点（单、多）2）复制子（大小、多少）3）复制叉移动的速度4）冈崎片段的大小5）端粒和端粒酶6）DNA聚合酶7）引物酶思考题名词解释复制子半保留复制岗崎片段现代分子生物学Modernmolecularbiology5简答题1.DNA复制为何选择RNA作为引物？2.大肠杆菌DNA复制起始过程如何，有哪些因子参与？3.原核生物DNA复制的形式有哪几类？4.真核与原核复制的比较第五节DNA的修复1错配修复2切除修复（碱基、核甘酸）3重组修复4DNA直接修复5SOS系统:SOS修复是指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复，细胞有较高的突变率。SOS反应是生物在不利环境中求得生存的一种基本功能。对原核生物将会产生高变异，对高等动物则是致癌的。第六节DNA的转座1.转座子（transponson,简称Tn）,又称易位子，是指存在于染色体DNA上可以自主复制和位移的一段DNA序列。2.转座子类型：细菌转座子1）IS（插入序列2)Tn（复合转座子）3）TnA（TnAfamily）真核生物转座子特点：（1）两端有IR（2）内部有转座酶等基因；3.转座的遗传学效应：引起插入突变、产生新基因、引起染色体畸变、引起生物进化4.玉米中控制因子家族1)自主性元件：Ac有自主剪接和转座的能力。2)非自主性元件：Ds单独存在是稳定的；不能自发地转座，当基因组中存在与非自主性元件同家族的自主性元件时，它才具备转座功能，成为与自主性因子相同的转座子，不论这自主元件位于何处。问答题①什么是转座子？转座子有哪几种类型？②什么叫做Ds-Ac因子？③错配修复和切除修复的机制。第三章生物信息的传递（上）——从DNA到RNA1.基本概况编码链与模板链:与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链（有意义链、正(+)链）；将另一条根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链称为模板链（无意义链、负(-)链）。结构基因：DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因。转录单元:一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列。RNA合成的基本特征：1)5’→3’方向；2)底物三磷酸核苷酸（NTP）3)不对称转录，以单链DNA为模板。现代分子生物学Modernmolecularbiology64)不需要引物，合成是连续的。5)对一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，且每个基因的转录都受到相对独立的控制。2.转录的基本过程1）模板识别:与原核生物的不同，真核生物的RNA聚合酶不能直接识别基因的启动子区，需要一些被称为转录调控因子的辅助蛋白质按特定顺序结合于启动子上，RNA聚合酶才能与之相结合并形成复杂的前起始复合物，以保证有效地起始转录。2)转录起始3)转录延伸：即是RNA聚合酶释放σ因子离开启动子后，核心酶沿着模板DNA移动并使新生RNA链不断伸长的过程。4)转录终止3.转录机器的主要成分转录酶:原核生物的RNA聚合酶、真核生物的RNA聚合酶(RNApolⅠ、RNApolⅡ、RNApolⅢ)转录复合物思考：RNA聚合酶如何找到DNA上需要转录的那个基因的特异性启动子？因子功能特点（1）σ因子负责模板链的选择和转录的起始（2）提高RNA聚合酶对启动子区的亲和力（3）σ因子不参与转录延伸过程，在转录起始后RNA聚合酶上释放出来只有全酶才能在正确位置起始转录。核心酶能在DNA模板上合成RNA，但不能在正确位置起始转录。核心酶和全酶的区别：核心酶没有σ因子4.启动子与转录过程1）原核生物的启动子结构特点：转录起始点:常见序列为CAT，A为起始点-10区:结构特点：保守序列：TATAATA.T较丰富，易于解链。功能：(1)RNApol结合位点；(2)形成开放启动复合体；(3)使RNApol定向转录。-35区：结构特点：其保守序列TTGACA与-10序列，相隔16-19bp功能：(1)RNApol的识别位点。(2)不同σ亚基识别不同启动子，调控不同基因的转录起始。增强子：具有增加启动子的作用。增强子的特点：远距