分子生物学大纲

1分子生物学目录第一章绪论2第二章核酸的结构及性质4第三章DNA复制4第四章DNA损伤与修复2第五章可转移的遗传因子2第六章RNA的转录与加工5第七章蛋白质的生物合成5第八章分子生物学技术8第九章原核基因表达调控4第十章真核基因表达调控4第第一一章章绪绪论论DNADoubleHelixmodel:1953Watson&Crick基因的基本属性:1.基因的自我复制2.基因控制性状的表达3.基因的突变以DNA,protein为核心以生物化学为基础Crick：….我本人的思想是基于两个基本原理，我称之为序列假说和中心法则序列假说：核酸片段的特异性完全由其碱基序列所决定，而且这种序列是某一蛋白质的氨基酸序列的密码。中心法则：信息一旦进入蛋白质，它就不可能再输出分分子子生生物物学学的的三三大大原原则则1.构成生物大分子的单体是相同的(共同的核酸语言、共同的蛋白质语言)2.生物遗传信息的表达的中心法则相同3..生物遗传信息的表达的中心法则相同→个性↓↑高级结构→生物大分子之间的互作农业是现代生物学研究与应用最为广阔，重要的领域第二章核酸与染色体的结构和性质2.1DNA是遗传物质•2.1.1转化实验•2.1.1.1Griffith的发现22.1.1.2Avery等人的实验•2.1.2化学实验2.2DNA的结构2.2.1DNA的一级结构•定义：DNA的一级结构指的是DNA分子内碱基的排列顺序。2.2.2DNA一级结构的方向性•DNA链的方向总是理解为从5'－P端到3'-OH端。•DNA分子总是由脱氧核糖核苷酸组成，核糖的2'位总是H。•RNA分子的核糖的2'位总是－OH基。DNA一级结构的多样性•⑴编码蛋白质的遗传信息的多样性•⑵用于调控的序列具有多样性•⑶两种不同遗传信息的比较①相同点：都不是简单地以其一级结构发挥作用，而依赖于与Pro的相互作用。②不同点：编码蛋白质氨基酸组成的信息强烈依赖酶系或蛋白质结构来进行基因表达，而调控序列不仅依靠蛋白质作用而且利用自身的双螺旋空间结构的改变来负责基因活性的选择性表达。2.2.3DNA的二级结构3.2.3.1定义：DNA的二级结构指的是由两条DNA链反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。1每一单链具有5‘3’极性2两条单链间以氢键连接3两条单链，极性相反，反向平行4以中心为轴，向右盘旋(B-form)5双螺旋中存在大沟(2.2nm)，小沟(1.2nm2.2.3.2理化特性及维持二级结构稳定的力⑴主链⑵碱基对⑶大沟和小沟⑷螺距2.2.3.3DNA二级结构的基本特点•⑴DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。•⑵DNA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。•⑶两条链上的碱基通过氢键结合，形成碱基对。A总是与T配对，G总是与C配对。2.2.3.4DNA二级结构的不均一性•⑴DNA上的回文序列（invertedrepeats）•⑵DNA上的富含A－T序列•⑶嘌呤、嘧啶的排列顺序对双螺旋稳定性影响2.2.3.5DNA二级结构的多样性•通常情况下，DNA的二级结构分为两大类：一类是右手螺旋的，如B－DNA、A－DNA、C-DNA等；另一类是局部的左手螺旋，如Z－DNA。3•天然状态下的DNA大多为B-DNA。•1953年，Watson和Crick首次提出了DNA的反向平行双螺旋模型，该模型所描述的就是B－DNA。其他DNA螺旋结构三螺旋DNA四螺旋DNA2.2.4DNA的变性和复性•2.2.4.1呼吸作用双链DNA中配对碱基的氢键总是处于不停的断裂和再生状态之中，特别是稳定性较低的富含A-T的区段，氢键的断裂和再生更为明显。在微观上常常表现为瞬间的泡状结构，这种现象称为DNA的呼吸作用。•2.2.4.2甲醛试验把标准DNA放到含有甲醛的溶液当中，发现随时间推移，吸光性出现变化（增加），表示DNA由双链变成了单链。这是因为DNA上的－NH2在甲醛作用下发生了缩醛反应，使DNA双链不可逆地解开，这个过程又称为甲醛的变性作用。•定义：双螺旋DNA溶解成单链的现象称为DNA变性。DNA分子变性(DNAdenaturation)●D.S.DNAS.S.DNA加温,极端pH,尿素,酰胺变性过程的表现☆DNA粘度降低☆DNA沉降速度加快☆DNA分子的A260nmUV值上升核酸在260nm具有强烈的吸收峰，结构越有序，吸收的光越少。游离核苷酸比单链的RNA或DNA吸收更多的光，而单链RNA或DNA的吸收又比双链DNA分子强。2.2.4.3增色效应、减色效应和Tm值单链和双链DNA的A260吸收值不同。以50μg/mlDNA溶液测量，分别为：双链DNAA260=1.00单链DNAA260=1.37双链DNA缓慢加热，其溶液对紫外光的吸收值增加，叫增色效应，而单链DNA缓慢降温，其对紫外光的吸收值减少，叫减色效应。根据DNA的变性作用，以260nm紫外光吸收值与温度变化作图，可得到一条S形曲线，在相当狭的一个范围内，增色效应出现一个跳跃。通常以紫外吸收值达到最大值的一半时的温度也就是DNA的碱基有50%发生变性时的温度称为融点Tm(meltingtemperature,Tm)2.2.4.5复性变性后的DNA用某种方法处理后，使之重新形成天然DNA的过程叫做复性或退火。复性是一个比较慢的过程。•1A1B1C1D'•....ATGA...ATGA...CCCC...ATGA....•....TACT...TACT...GGGG...TACT....•1A'1B'1C'1D'42.2.5DNA的高级结构超螺旋与拓扑异构现象负超螺旋--拓扑异构酶/溴乙锭--松弛DNA--拓扑异构酶/溴乙锭--正超螺旋DNA超螺旋结构•超螺旋超螺旋，简单地说就是螺旋的螺旋，或者我们假定双螺旋存在一个中心轴，这条中心轴再形成螺旋。超螺旋的形成不是一个随机过程，而是在DNA双螺旋存在一种结构张力时才会形成。由于DNA双螺旋的盘绕过度或不足，使DNA分子处于一种张力状态。在封闭环状DNA分子中这种张力不能释放出来，就会形成超螺旋。正、负超螺旋•正超螺旋中心轴的盘绕同双螺旋两条链盘绕的方向相同，也就是同解链方向相反。正超螺旋使螺旋更加紧密，所以把正超螺旋叫过分盘绕DNA。•负超螺旋负超螺旋能让DNA分子通过调整双螺旋本身的结构来减少这种张力，一般是以减少每个碱基对旋转，即放松两股链彼此的盘绕，所以把具有负超螺旋的DNA叫盘绕不足DNA。超螺旋的生物学意义•超螺旋可能有两方面的生物学意义：1超螺旋DNA比松弛型DNA更紧密，使DNA分子体积变得更小，得以包装在细胞内；2超螺旋能影响双螺旋的解链程度，因而影响DNA分子与其他分子，如酶、蛋白质分子的相互作用。DNA拓扑异构体具有完全相同顺序，而链环数值不同的DNA，称为拓扑异构体。在封闭环状DNA分子中链环数值的改变，即拓扑异构体之间的互变，只有在一条链或两条链有了缺口时才能发生，通常要有酶来催化，此种酶叫拓扑异构酶。I型异构酶能在一股链上产生一个缺口，而II型异构酶能在两股链上产生缺口。2.3染色体2.3.1染色体概述染色体的结构要素1着丝粒（centromere）：细胞分裂时染色体与纺锤丝相连结的部位，为染色体的正常分离所必需。在着丝粒附近有高度重复的卫星DNA（长约5－10bp、方向相同的高度重复序列），它们不能与组蛋白结合，形成常染色质区域。2端粒(telomere)：真核生物线状染色体分子末端的DNA区域。端粒DNA的特点与功能：•有许多短的正向重复序列。•端粒的末端都有一条12-16碱基的单链3’端突出。•端粒DNA末端不能被外切核酸酶和单链特异性的内切核酸酶识别。•端粒的功能：防止DNA末端降解，保证染色体的稳定性和功能原核：简单，没有核膜包围形成真正的细胞核，核酸分子常裸露存在整个细胞中，与少量蛋白质结合，这些蛋白质有些与DNA的折叠有关，另外的参与DNA复制、重组和转录过程。真核：染色体位于细胞核的核仁内，DNA与Pro（组与非组蛋白）完全融合，Pro/DNA的质量比2/1。原核与真核染色体DNA比较•原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因〔如rRNA基因〕是以多拷贝形式存在；•整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；•几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。2.3.2真核生物的染色体5•真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都以染色质的形式存在。染色质是一种纤维状结构，称为染色质丝。它是由最基本的单位--核小体串联而成的。这里有一系列的结构等级：DNA和组蛋白构成核小体，核小体再绕成一个中空的螺线管成为染色质丝，染色质丝再与许多非组蛋白结合进一步螺旋化形成染色体。•组成：DNA和蛋白质。•特征：①体细胞是二倍体，性细胞是单倍体。②结构相对稳定。③能够自我复制。④能够指导蛋白质的合成。⑤能够产生可遗传的变异。2.3.2.1蛋白质•染色体上的蛋白质主要包括组蛋白和非组蛋白。•组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成核小体。•真核生物的染色体一般有5种主要的组蛋白，分别命名为：H1、H2A、H2B、H3和H4。•在5种组蛋白中，H1富含赖氨酸，H3、H4富含精氨酸。•鸟类、鱼类和两栖类的红细胞染色体不含H1而代之以H5。•在某些物种的精子中，染色体的结构蛋白是鱼精蛋白。•非组蛋白主要包括与复制和转录有关的酶类、与细胞分裂有关的蛋白等。2.3.2.2核小体的装配•核小体：指的是168bp长度的DNA与一组组蛋白构成的致密结构，是构成真核生物染色质的基本单位。•装配过程：两分子的H3和两分子的H4先形成四聚体，然后由H2A和H2B形成的异二聚体在该四聚体的两侧分别结合而形成八聚体。长146bp的DNA按左手螺旋盘绕在八聚体上1.8周，形成核小体的核心颗粒。核心颗粒两端的DNA各有11bp与H1结合，形成完整的核小体。2.3.3真核生物的基因组•基因：是指表达一种蛋白质或功能RNA的遗传物质的基本单位。•基因组genome原核：就是它的整个染色体。真核：一个物种单倍体染色体数目。2.3.3.1C值矛盾•C值：单倍体基因组中的DNA含量。•不同物种的C值有很大差异：C值矛盾c-valueparadox（定义）：•①在结构和功能相似的物种中，甚至在亲缘关系相近的物种中，C值差异大。•②在不同进化阶元中，某些低等生物的C值比高等生物的C值还大。2.3.3.2真核生物基因组不同拷贝的序列组分①单一拷贝的非重复序列在基因组中只存在一个拷贝。②轻度重复序列在基因组中只有2-10个拷贝，主要是组蛋白和tRNA等基因。③中度重复序列这类序列的重复次数在数十到数百次之间。④高度重复序列有几百到几百万个拷贝。卫星DNA把基因组DNA切成数千个bp的片段，进行氯化铯密度梯度离心。对一个物种来说，其浮力密度曲线是一条覆盖一定浮力密度范围的一条宽带，但是有些DNA片段却含有异常高或低的G+C含量，常会在主DNA带的附近出现几条次带，其浮力密度曲线出现在主带的前面或后面。G+C含量的变化，使它们与大多数DNA具有不同的浮力密度，浮力密度略重或略轻的DNA即是所谓的卫星DNA。卫星DNA是一种高度重复序列。2.3.3.3真核生物基因组的结构特点①基因组分子量较大。②真核生物DNA常和组蛋白结合形成染色体。③DNA集中在细胞核区，转录在核内，翻译在细胞质中。④真核生物基因组多形成断裂基因。⑤真核生物DNA序列中有很多重复序列和不编码序列。⑥真核生物的编码基因常以单拷贝存在，无操纵子形式。2.3.4原核生物的基因组63.3.4.1原核生物基因组的特点①DNA是裸露的，不形成染色体。②能够最经济地利用DNA序列，除控制区域外，很少有不编码的DNA序列。③原核生物把功能相关的一系列基因高度集中在一起，形成一个操纵子。④基因组中几乎没有重复序列。⑤原核生物由于没有细胞核，转录和翻译是同步进行的。2.3.4.2几种原核生物的基因组①φx1745386bp11个基因3个操纵子•5'...GAAGGAGUGAUGUA