分子生物学华东理工版.docx

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分子生物学华东理工版

华东理工大学

华东理工大学《分子生物学》上课讲义

第一章中心法则导论 

科学预见→分子生物学诞生

一、中心法则的提出和修正

遗传物质：

⑴能独立的自我复制，⑵对细胞的特异性有高度影响。

1958年Crick提出：

要点：

⑴遗传信息；

⑵信息的流动是单程

的；⑶序列假说。

1970Temin：

Nature《CentralDogmaReverse》

二、挑战

㈠蛋白质的遗传信息不一定来自核酸

⑴以蛋白质为模板的肽链合成

⑵遗传信息的翻译后加工

①切割，糖基化；②两段C端均切去一段小肽；③原来的N端和C端连接。

非DNA信息的加工过程

⑶朊病毒（Prion） 

Kuru.CJDScrapiemadcowdisease引起动物神经系统软化，共济失调

蛋白质性质

PrP两种形式：

PrPc正常PrPsc异常

被蛋白酶降解抗蛋白酶

可溶不溶

α螺旋40%α螺旋20%，β螺旋50% 

相互关系：

PrPc↓→PrPsc↑（转化）

种间障碍：

正常内源性PrPc是病毒作用的靶位点，体外PrPsc不能将PrPc完全转化为PrPsc 

同一宿主能被多种菌株感染

㈡RNA的信息不完全来自DNA――模糊基因

Eg：

锥虫的coxⅢ中167个位点上398个U插入,9个删除. 

探针．60%RNA编辑．gRNA． 

三、中心法则在生命系统中的地位

细胞模板：

细胞膜

DNA参与一切，但不是决定一切

Eg：

朊病毒：

成核依赖的蛋白质多聚化模型

开放式中心法则：

如下页图所示。

华东理工大学《分子生物学》上课讲义

第二章遗传的物质基础 

第一节什么是遗传物质 

一、DNA是遗传信息的携带者

转化实验：

捣碎实验：

基因：

编码一条有功能的多肽链或RNA所需的DNA序列

DNA作为遗传信息的原因：

⑴信息量大,分子量大；

⑵双螺旋结构,能自我复制；⑶2’脱氧,稳定性好；

⑷易突变；⑸有T,无U。

（如右图所示）

第二节DNA结构 

一、.DNA的一级结构

定义：

核苷酸排列顺序，或称碱基排列顺序。

5’-ATCGGCTAAGGCTCCGACGA--3’ 

3’-TAGCCGATTCCGAGGCTGCT--5’ 

人类基因组计划――20世纪生物学最宏伟计划：

人类基因组的作图与测序。

人类基因组计划（1990-2005）；计划耗资30亿美元。

人类基因组有30亿碱基对的测序。

二、DNA的二级结构

DNA的二级结构就是双螺旋结构。

受环境因素,如平衡离子类型、离子强度、特异结合蛋白、水合状态等的影响,以及DNA 

分子碱基的组成都可促使DNA分子取不同的构象。

DNA分子存在多种构象――二级结构的动态结构

㈠B型结构（右手双螺旋）

B-型结构也称右手双螺旋结构。

1953年由Watson和Crick首先提出。

这是水溶液（或相对湿度92%以上）中的主要构象。

提出双螺旋构象的根据：

B-型DNA构象的主要内容：

⑴右手双螺旋；⑵两条链反平行；⑶磷酸,核糖在外侧,碱基在

内侧；⑷一周螺旋,10个碱基,螺距3.4nm；⑸遵守AT,CG配对规律；⑹双螺旋分子存在大沟, 

小沟。

㈡A型结构

相对湿度<75%，矮胖型，直

径大。

㈢Z型结构

Wang等人在研究人工合成

的d（CGCGCG）单晶的X-射

线衍射

图谱发现主链呈锯齿排列。

Z型结构实验依据：

Z-型构象的主要特征：

⑴糖

-磷酸主链的走向呈之字形, 

分子呈左手螺旋构象每一

螺圈含12对碱基,距离为

4.46nm。

⑵糖环折叠不同于A或B型DNA,鸟嘌呤碱基绕糖苷键旋转呈顺式构型,而嘧啶碱

基仍是反式构型,前者的糖环折叠是C3-endo，后者是C2-endo。

Z-DNA仅有一条小沟,且

较深,含有较高的负电荷密

度。

Z-DNA较B-DNA细而“舒

展”,螺旋直径为1.8nm。

翻板假说：

影响因素：

DNA构象家族：

三种构象特征的比较：

㈣沟信息的识别

大沟和小沟的信息区别：

氢键O,N,受体a,NH2供体d 

大沟（a-d-a）A-T小沟（a-a） 

小沟（a-a-d,d-a-a）G-C小沟（a-d-a） 

㈤DNA二级结构的其他构象

⑴十字型――反向重复序列

生物学功能：

⑵DNA的四链结构

特征：

①鸟嘌呤四联体；②G-G首

尾相接，异常氢键；③片层堆积，

所有的方向一致。

生物体中可能存在G四联体的依

据：

⑶三螺旋DNA 

存在条件：

一条全嘌呤,另一条全嘧啶。

特征：

①两条全嘧啶链和一条全嘌呤链组成三螺旋结构；②氢键为Hoogsten氢键；③第三

条链位于正常双螺旋的大沟中。

三、DNA的三级结构—超螺旋结构

形成条件：

类型：

性质的变化：

生物学意义：

拓扑性质：

通常以链环数（Linkingnumber）表示

超螺旋的的拓扑性质。

是指一个环状封闭双螺旋DNA分子

两条链彼此交叉的次数。

L=W+T（T：

代表双螺旋中的罗圈数，

数量=总碱基数/每一罗圈的碱基数。

W：

超螺旋的程度，双螺旋中心轴盘

绕的圈数。

松弛分子的W值等于零。

） 

举例：

一个200bp的环状闭合双链

DNA 

松弛型，没有超螺旋W=0 

L=W+T=0+200bp/10bp=20 

负超螺旋，形成1个超螺旋W=-1 

L=W+T=-1+200bp/10bp=19 

正超螺旋，形成1个超螺旋W=+1 

L=W+T=1+200bp/10bp=21 

具有完全相同顺序，而L值不同的DNA称拓扑异构体（Topologicalisomers）。

拓扑异构体的互变由拓扑异构酶催化。

发生一条链或两条链的断开和连接。

拓扑异构体：

具有完全相同的碱基顺序,但L值不同的超螺旋。

分为I,II型

两种拓扑异构酶：

TopoisomeraseI,II 

第三节DNA双螺旋的呼吸作用 

甲醛的变性实验

呼吸作用的定义

碱基对的稳定性

生物学作用

第四节DNA的变性复性和分子杂交 

一、变性（溶解） 

在某些物理化学因子的作用下，DNA双链间的氢键断裂，双链解离形成单链。

㈠性质变化

增色效应；黏度降低；沉

降速度增加。

㈡因素

⑴温度：

温度升高引起的

DNA变性称热变性。

加热

使氢键断裂。

可用热变性曲线描述热变

性过程。

见下图

融点Tm：

50%DNA分子解链时的温度。

融点与DNA分子中的GC有关，随（G+C）% 

的含量呈线性增加

⑵化学：

甲酰胺破坏氢键

二、复性

去除变性条件后，单链DNA在适当条件下重新形成双链，回复到原有的物理和生物学特性。

㈠复性动力学

复性过程是两条单链DNA碰撞形成双链DNA的过程，是双分子反应。

服从二级反应动力

学规律。

控制复性反应的两个参数是C0和t 

Rateofreaction 

Thereactionfollowsthesecondorderequation 

CistheconcerntrationofDNAthatissingle-strandedattimet 

kisareassociationrateconstant. 

Progressofreaction 

Integratetherateequationbetweenthelimits; 

InitialconcerntrationofDNA=C0attimet=0; 

Concentrationremainingsinglestranded=Caftertimet 

CriticalparameterisC0t1/2 

Whenthereactionishalfcompleteatthetimet=1/2 

ThereforeC0t1/2=1/k. 

复性反应进行到50%时的C0.t为C0t1/2 

C0t曲线：

用已经复性的DNA浓度，即1－C/C0 

对C0t的对数作图。

如右图所示. 

C0t值的意义：

C0t1/2值可以用来表示反应体系

中DNA的总长度（单拷贝）。

这种总长度称为

DNA的复杂性。

通过测定复性动力学可以预测

基因组的大小。

真核基因组DNA的复性动力学：

第1是快复性动力学组分，高度重复序列。

第2是中复性动力学组分，中度重复序列。

第3是慢复性动力学组分，单拷贝序列。

X：

DNA的复杂性

C0t曲线特征：

⑴原核生物每种图形的现状

大致相同；⑵重复序列多,复性快。

曲线意义：

求DNA的复杂度。

三、分子杂交

原理：

基于DNA的变性与复性的特性。

双链DNA加热以后，变成单链，在去除变性条件

后，在一定的条件下，具有互补顺序的DNA 

能再形成双链。

探针：

一种标记的一段DNA或RNA，与待

测基因序列的DNA或RNA互补

分子杂交技术的种类：

⑴固相杂交（待测核

酸固相化）；⑵Southernblot，待测核酸为DNA；⑶Northernblot，待测核酸为RNA。

液相原位杂交示意图：

⑴Dotshybridization，点状杂交，待测核酸为DNA或RNA；⑵Colony 

orplaquehybridization，菌落或噬菌班杂交，待测核酸为DNA。

⑶Tissuehybridization，组织

原位杂交，检测mRNA表达和定位。

研究基因的定位，拷贝数，测序。

菌落原位杂交：

基因文库：

染色体DNA文库，cDNA文库。

第三章基因和基因组 

一、原核生物基因组

⒈特征

⑵通常含有质粒；

⑶操纵子结构；

⑷顺反子；

⑴只有一个染色体；

⑸有SD序列；

⑹基因重叠；

⑺一般没有内含子；

⑻只有一个复制起始位点；

⑼以RNA为产物的基因往

往是多拷贝的，蛋白质基因

单拷贝。

⒉⑴фX174；⑵λ噬菌体

1．染色体、核小体结构

二、真核生物基因组

⑴染色体功能实现三要素：

①着丝点；②端粒；③复制起始点。

⑵基因组大小和C值矛盾

C值：

单倍体基因的全部DNA含量。

C值矛盾：

①与预期相比，C值明显过大；②同一物种，C值相差很大。

⑶基因组的基因数目（下表：

不同生物的基因数目）。

种类基因组大小（bp）基因数目

支原体1.0×106750 

噬菌体T41.6×105200 

大肠杆菌4.2×1062350 

酵母1.3×1076100 

果蝇1.4×1088750 

人3.3×10965000-80000 

⑷真核生物基因组序列特征：

具有多个复制起始位点；编码序列仅占一小部

分（3%），大部分为非编码序列。

单拷贝序列；轻度重复序列；

中度重复序列；高度重复序列。

不同物种中,重复序列/非重复序列的比例相差很大，原核基本不重复。

⑸真核生物的重复序列

①基因家族：

Ⅰ.珠蛋白；Ⅱ.rDNA；Ⅲ.tDNA；Ⅳ.组蛋白基因。

rRNA基因:

酵母：

140次；果蝇：

130～250次；人类：

300次。

10组蛋白基因家族：

左图1为组蛋白

基因家族，箭头

←→表示转录

方向，右侧数字

表示基因组重

复次数。

左图2为真核生

物基因组中不同

的多基因家族。

②Alu的重复序列：

Ⅰ.AG↓CT；Ⅱ.散布；Ⅲ.Alu序列；Ⅳ.约90%相同。

③卫星DNA 

Ⅰ.隐蔽卫星DNA 

Ⅱ.小卫星DNA 

Ⅲ.微卫星DNA 

A.单拷贝序列特征

a.含有内含子

内含子（intron） 

外显子（exon） 

内含子检测:

限制性内切酶图谱

DNA的杂交内含子GT/AG规则:

内含子与外显子连接处的序列特异:

内含子5’端为GT,3’端为AG,GT/AG规则. 

--------GT--------AG--------

外显子内含子外显子

B.存在不同的转录单位

a.简单转录单位

转录单位的基本组成:

b.复杂转录单位

转录方式不同,拼接方式不同. 

三、基因定位

遗传图：

基因在染色体上的位

置。

经典方法:

⒈遗传交换定位

⒉接合定位

⒊染色体爬行法

基因鉴定的方法：

外显子特征

⒈与RNA后cDNA杂交；

⒉Zoo-blot不同物种杂交；

⒊外显子捕捉；

⒋CG岛鉴定； 

⒌扣除杂交。

内含子GT/AG规则:

内含子与外显子连接处的序列特异:

内含子5’端为GT,3’端为AG,GT/AG规则. 

--------GT--------AG--------

外显子内含子外显子

B.存在不同的转录单位

a.简单转录单位

转录单位的基本组成:

b.复杂转录单位

转录方式不同,拼接方式不同. 

三、基因定位

遗传图：

基因在染色体上的位

置。

经典方法:

⒈遗传交换定位

⒉接合定位

⒊染色体爬行法

基因鉴定的方法：

外显子特征

⒈与RNA后cDNA杂交；

⒉Zoo-blot不同物种杂交；

⒊外显子捕捉；

⒋CG岛鉴定； 

⒌扣除杂交。

第四章DNA复制

第一节复制概论 

⒈半保留复制

⒉复制的方向5’→3’ 

实验证据：

在反应物中加入dNTP。

⒊具有固定的起始位

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⒋DNA聚合酶

⒌半不连续复制

一条链连续合成，称主导链LeadingStrand； 

另一条链分段合成，称随从链（随后链）LaggingStrand。

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第二节DNA复制的酶学 

复制体系的鉴定

DNA基因：

与DNA复制有

关的基因

条件型突变体、温度突变

体研究DNA基因

快停突变体、慢停突变体

1．DNA聚合酶

3种klenow片段

聚合酶I活性

①5’－3’聚合活性

②3’－5’外切活性

③5’－3’外切活性

聚合酶Ⅲ：

主要的复制酶

聚合酶活性

第三节复制的基本模式 

1.θ型

2.滚环式

3.D型

第四节复制过程 

一、复制的起始

复制起始示意图

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二、延伸过程

M13、G4phage 

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φx174 

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三、回环模型

在oriC和oriλ上起始涉及相同的反应

阶段oriCoriλ 

Ori的识别和解链DnaAO 

解旋酶的结合和解链DnaBDnaB 

DnaCP 

RNAPolRNAPol 

释放复合体DnaJ？

DnaJ？

四、线形末端的复制

解决方法：

1.成环

2.末端冗余

3.腺病毒

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五、真核DNA复制

1．DNA聚合酶

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DNA聚合酶αδεβγ 

位置核核核核线粒体

功能引发延伸修复，合成修复复制

酶活性PolI3‘-5’外切核酸酶3‘-5’外切核酸酶3‘-5’外切核酸酶

2.SV40DNA复制

（1）RNA引发，起始DNA合成

（2）DNAδ延伸

功能E.coliSV40 

起始蛋白DNAAT 

螺旋酶DNABT 

引发DNAGPolα 

聚合PolIIIαPolδ 

外切酶活性PolIIIεPolIδ 

滑动钳PolIIIβPCNA 

单链结合蛋白SSBRPA 

3.端粒酶

端粒TTGGGG 

富含TG结构，

不同生物重复次数不同

端粒酶性质

真核生物复制过程中的核小

体结构

亲本八聚体

全保留装配

图示详见武汉大学出版社

《分子生物学》第91页。

图7－23新产生的组蛋白

八聚体装配的三种模式

图7－24亲代组蛋白八聚

体和新合成的组蛋白八聚体

与DNA结合的可能方式，Ⅱ

是正确的。

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第五章转录

第一节原核生物的转录 

一、转录的一般概念

1．转录是不对称的

模板链/非模板链；有义链/无义链；

正链/负链；编码链。

病毒的分类：

（1）RNA病毒:

RNA→mRNA（＋链病毒）； 

RNA→互补RNA→翻译（－链病毒）。

（2）DNA病毒

2．DDRP 

3．5’；3’ 

4．pppA；pppG 

5．RNApol忠实性

6．转录泡

二、RNA聚合酶

holoenzyme:

σ起始因子，核心酶

真核生物三种RNA聚合酶的特点

RNAPol位置产物相对活性对α-鹅膏蕈的敏感性

PolⅠ核仁28S，18S，5.8SrRNAs50％～70％不敏感

PolⅡ核质hnRNA，mRNA，某些snRNAs20％～40％高度敏感

PolⅢ核质tRNA，5SrRNA，某些snRNAs～10％片段特异,中度敏感

转录的抑制剂

抑制剂靶酶抑制作用

利福霉素细菌全酶和β亚基结合,抑制起始

链霉溶菌素细菌核心酶和β亚基结合,抑制起始

放射线素D真核PolⅠ和DNA结合,阻止延伸

α-鹅膏蕈真核PolⅡ和RNAPolⅡ结合

三、转录过程

原核生物基因的转录：

启动子高度保守

足迹法突变法硫酸二甲酯法

（足迹法图见下页起始过程左边图） 

CAP位点正调节位点

G敏感性操纵子

25 

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起始过程

1.模板结合,扫描式SCAN 

2.起始识别

3.活化

4.进入起始位点

26 

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延伸

终止

P因子依赖型终止子

P因子非依赖型终止子

通读效应

第二节RNA反转录 

64年：

抑制DNA复制的放

线菌素能抑制RNA病毒。

逆转录酶RDDP 

RDDPRNA病毒编码

活性:

cDNA制备

乙肝病毒

☆由逆转录病毒基因组中pol基因

编码。

是一种多功能酶。

☆有以RNA为模板和以DNA为模板合

成DNA的DNA聚合酶活性。

☆需要RNA或DNA做引物；

☆有核糖核酸酶H的活性（在逆转

录酶的C端），能从3’→5’和从5’ 

→3’水解RNA，使RNA与DNA的杂

交体分离。

逆向转录酶的生物学意义：

1.用于合成cDNA。

建立cDNA文库（cDNALibrary），获得基因或探针。

2.与PCR连用RT-PCR。

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第三节真核生物基因的转录 

真核与原核基因转录的区别：

课件讲义第25页两张表和下表所示：

一、真核生物的启动子

RNApolⅡ 

二、启动子特征和转录因子

1.RNA聚合酶Ⅰ效率最高

华东理工大学《分子生物学》上课讲义

2.RNA聚合酶Ⅱ

3.RNA聚合酶Ⅲ

基因内启动子/基因外启动子

1.RNApolⅡ 

核心元件上游调控元件远端调控区

华东理工大学《分子生物学》上课讲义

2.RNApolⅠ 

华东理工大学《分子生物学》上课讲义

3.RNApolⅢ 

第四节转录后产物加工 

一、真核的mRNA 

帽子结构

polyA 

剪接

编辑

华东理工大学《分子生物学》上课讲义

二、基因间隔序列的去除

mRNA；tRNA；rRNA。

实验证据：

三、tRNA 

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