中国海洋大学分子生物学复习资料.docx
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中国海洋大学分子生物学复习资料
第0章绪论
1.
分子生物学广义层次：
在分子水平上研究生命活动及其规律的科学。
狭义层次：
生物学分支，研究生物大分子结构、功能、相互作用，从分子水平揭示生物遗传变异机制。
2.分子生物学的新学科：
v功能基因组学：
依附于对DNA序列的了解，应用基因组学的知识和工具去了解影响发育和整个生物体的特征序列表达谱。
v蛋白质组学：
以蛋白质组为研究对象，研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学。
v生物信息学：
对DNA和蛋白质序列资料中各种类型信息进行识别、存储、分析、模拟和传输。
v系统生物学：
是在细胞、组织、器官和生物体整体水平研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用，并通过计算生物学来定量描述和预测生物功能、表型和行为。
v结构分子生物学：
是以分子生物物理学为基础，结合化学和分子生物学方法测定生物大分子复合体的空间结构、精细结构以及结构的运动，阐明其相互作用的规律和发挥生物功能的机制，从而揭示生命现象本质的科学。
第1章遗传的物质基础
主要内容：
第一节遗传物质的本质——核酸
第二节核酸的化学组成、结构特征与性质
1.证明核酸是遗传物质的经典实验：
GriffithandAvery肺炎链球菌转化实验
HersheyandChaseT2噬菌体转导实验————→DNA是遗传物质
通过TKgene进行的真核细胞转染实验
烟草花叶病毒病毒重建实验————————→RNA也是遗传物质
转化（transformation）指将质粒或其他外源DNA导入处于感受态的宿主细胞，并使其获得新的表型的过程。
转导（transduction）由噬菌体和细胞病毒介导的遗传信息转移过程也称转导。
转染（transfection）指真核细胞主动或者被动导入外源DNA片段而获得新表型的过程。
2.核酸——基本单位是核苷酸
Ø每分子核苷酸包含一个碳、氮原子的杂环化合物（碱基）、一个环状五碳糖（戊糖）和一个磷酸分子基团。
Ø碱基分为嘌呤和嘧啶两种。
Ø戊糖分为2-脱氧核糖和核糖。
3.核苷酸的连接
5’-三磷酸核苷酸是核酸合成的前体。
三磷酸的5’末端与多聚核苷酸链末端的
3’-OH基团反应，释放三磷酸的两个末端磷酸基团（γ和β），α磷酸与多聚
核苷酸链末端的糖的3’-OH成键。
4.概念
ØAntiparalle（反向平行）：
DNA双链沿相反的方向构成，一条链的5’端对应另一条链的3’端。
ØBasepairing（碱基配对）：
在DNA双链中碱基存在特异的相互作用，AT互补，CG互补，以氢键结合。
ØComplementary（互补）：
碱基配对是由DNA双链中的配对作用决定的，AT配对，CG配对。
ØSupercoiling（超螺旋）：
空间中闭环双链DNA进一步旋曲形成的三级结构。
5.基因gene：
基因是指存在于细胞内有自体繁殖能力的遗传单位，这种单位在染色体上占有一定位置而作直线排列。
基因是具有特定的核苷酸顺序的核酸分子中一个片段，是携带有特定遗传信息的功能单位。
6.DNA一级结构——DNA分子中核苷酸的排列顺序（即碱基顺序）
7.DNA二级结构——双螺旋doublehelix
v主链（backbone）：
脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成。
二条主链绕一共同轴心以右手方向盘旋、反向平行形成双螺旋构型。
主链处于螺旋外则。
v碱基对（basepair）：
碱基位于螺旋的内则，以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与主链糖基相连。
同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。
配对碱基总是A与T和G与C。
碱基对以氢键维系，A与T间形成两个氢键，G与C间形成两个氢键。
v大沟和小沟：
大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。
小沟位于双螺旋的互补链之间,而大沟位于相毗邻的双股之间。
这是由于连接于两条主链糖基上的配对碱基并非直接相对,从而使得在主链间沿螺旋形成空隙不等的大沟和小沟。
在大沟和小沟内的碱基对中的N和O原子朝向分子表面。
v结构参数：
螺旋直径2nm；螺旋周期包含10对碱基；螺距3.4nm；相邻碱基对平面的间距0.34nm。
8.DNA构象的多样性
ØB-DNA,A-DNA,C-DNA,D-DNA,S-DNA的共同特征：
右手双螺旋。
ØZ-DNA：
嘌呤与嘧啶交替排列（GGCGCG）；左手双螺旋；只有一个螺旋沟，狭而深；细胞DNA分子中确实存在Z-DNA。
9.DNA三级结构包括：
链的扭结和超螺旋、单链形成的环、环状DNA的连环体。
10.检测DNA三级结构的方法
类型
形态
拓扑结构
电泳迁移率
I
闭合环
超螺旋
最快
II
开环
松弛型
最慢
III
线性
松弛型
中等速度
Ø密度梯度离心
Ø凝胶电泳————————————→
Ø电镜观察
11.GC含量：
DNA的碱基组成通常用GC百分含量表示，注意所谓百分含量是指摩尔百分比。
12.变性&复性
Ø变性（denaturation）/解链（melting）：
稳定的双螺旋结构DNA分子由于维持稳定性的氢键和疏水键的断裂，松解为无规则线性结构的现象。
不涉及一级结构的改变，导致一些理化性质的变化。
Ø复性（renaturation）：
指变性DNA在适当条件下，二条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象,它是变性的一种逆转过程。
热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性,此过程称为“退火”（annealing）。
13.增色效应/高色效应（hyperchromiceffect）：
核酸在紫外光260nm具有强烈的吸收峰。
结构越有序，吸收的光越少。
即游离的核苷酸比单链的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。
当DNA变性时，其光吸收值增加，这种现象即为增色效应；反之为减色效应。
14.变性温度/融解温度（Tm）：
变性过程中在非常狭窄的温度范围内，紫外增色效应会出现一个飞跃。
紫外吸收值发生跳跃的温度称为DNA的融点。
Tm值实际上是目标DNA的一半变性时的温度，它受DNA碱基组成和变性条件的影响。
15.Cot1/2：
标准条件下（一般为0.18ml/L阳离子浓度）测得的复性率达1/2时的Cot值。
该值与核苷酸对的复杂性成正比。
Co为单链DNA的起始浓度,t是以秒为单位的时间。
16.核酸分子杂交技术原理：
分子杂交（简称杂交，hybridization）是核酸研究中一项最基本的实验技术。
其基本原理就是应用核酸分子的变性和复性的性质，使来源不同的DNA（或RNA）片段，按碱基互补关系形成杂交双链分子（heteroduplex）。
杂交双链可以在DNA与DNA链之间，也可在RNA与DNA链之间形成。
17.PCR技术原理：
以合成的两条已知序列的寡核苷酸为引物，在DNA聚合酶作用下，利用dNTP为原料，将位于两引物之间的特定DNA片段进行复制。
这样经过变性、退火、延伸一个循环，每一个循环的产物作为下一个循环的模板，如此循环30次。
每完成一个循环需2~4分钟，2~3h就能将带扩目的基因扩增放大几百万倍。
18.有关DNA双链的几个概念：
Ø转录（transcription）：
根据DNA模板合成RNA的过程，通过转录得到几种不同的RNA，其中三中典型的RNA为mRNA、tRNA和rRNA。
ØCodingstrand编码链/sensestrand有义链：
该链的序列与mRNA相同。
Ø
Templatestrand模板链/antisensestrand反义链：
该链的DNA序列通过碱基互补指导mRNA的合成，该链的序列与mRNA互补。
19.tRNA的结构与功能
→tRNA的二级结构——三叶草形
v氨基酸接受臂：
由5’端和3‘端碱基配对形成，在3’端有一个游离的CCA顺序，
此臂负责携带特异的氨基酸。
氨基酸通过共价键与A上的2’-OH或3’-OH相连。
vTψC臂：
ψ是假尿嘧啶。
该臂常由5bp的茎和7Nt环组成,一般均存在TψC的顺序，
负责和核糖体的rRNA识别结合。
v反密码子臂：
常由5bp的茎区和7Nt的环区组成，在反密码子环的中间是三联
的反密码子，负责和密码子的识别。
v二氢尿嘧啶臂（D臂）：
名称由来源于环中含有二氢尿嘧啶，茎区长度为4bp，
负责和氨基酰tRNA聚合酶结合。
v
额外臂：
变化最大的区域，可分为两类，一类仅含3-5个核苷酸，另一类含有一条较大的臂，其功能是在tRNA的L型三维结构中负责连接两个区域（D环－反密码子环和TψC-受体臂）。
→tRNA的三级结构——倒L型（靠氢键维持）
D环和TψC环形成了“L”的转角，氨基酸受体臂位于L型的一侧，
距反密码子环约70A。
这种结构与AA-tRNA合成酶对tRNA的识别有关。
受体臂顶端的碱基
位于“L”的一个端点，而反密码子臂的套索状结构生成了“L”的另一
端点，分子中两个不同的功能基团是最大限度分离的。
这个结构形式满足
肽链合成延伸位点与mRNA分别位于核糖体大、小亚基的空间结构的要求。
→tRNA的功能：
①tRNA作为连接子（adaptor）介导了mRNA中的三联体密码子与氨基酸之间的相互关联。
tRNA具备作为“接头”的双重特性，既能识别氨基酸也能识别密码子。
3’末端的腺苷酸可与一氨基酸共价连接，反密码子则与mRNA中的密码子碱基配对。
②在逆转录中作为合成互补DNA链的引物。
③参与细菌细胞壁、叶绿素、脂多糖和氨酰磷脂酰甘油的合成。
→tRNA的种类：
①起始tRNA（能特异地识别mRNA模板链上起始密码子的tRNA）原核生物中，起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸（fMet）
真核生物中，起始tRNA携带甲硫氨酸（Met）
②延伸tRNA
同工tRNA：
一种氨基酸可能有多个密码子，为了识别也就有多个tRNA，即多个tRNA代表一种氨基酸，这些tRNA称为~。
校正tRNA：
由校正基因突变产生，通过改变反密码子区校正无义突变和错义突变。
无义突变（无义抑制）：
某个核苷酸的改变提前产生了终止密码子，合成无功能的多肽。
错义突变（错义抑制）：
某个核苷酸的改变造成了肽链合成的错误。
20.rRNA
生物种类
大小亚基
各亚基组成
原核生物70s
大亚基50s
23s
5s
小亚基30s
16s
真核生物90s
大亚基60s
28s
5.8s
5s
小亚基40s
18s
真核生物&原核生物mRNA的比较示意图
21.mRNA
→单顺反子（Monocistronic）：
mRNAsrepresentonlyasinglegene。
→多顺反子（Polycistronic）：
sequencescodingforseveralproteins。
比较项目
原核生物
真核生物
稳定性
半衰期短
半衰期长
结构
多为多顺反子（操纵子）：
前导序列+编码区+尾巴
多为单顺反子
起始密码子
AUG，有时是GUG或UUG
——————
特殊性
在AUG上游7-12个核苷酸处有一5’AGGAGG3’序列，称SD顺序。
这段序列与16SrRNA3’末端反向互补，与mRNA和核糖体的结合相关，因此会影响蛋白质的翻译。
mRNA的5‘端都有一个帽子结构；
绝大多数真核生物mRNA具有poly（A）尾。
转录&翻译
原核生物mRNA的转录和翻译发生在同一细胞空间，而且两个过程几乎同时发生。
真核生物是在核内转录，细胞质内翻译。
22.真核生物mRNA的“帽子”结构
真核基因转录常从嘌呤核苷三磷酸（A,G）开始，第一个核苷酸保留5’三磷酸基团，以3’位与下一核苷酸5’位形成磷酸二酯键。
转录起始序列可示为5’PPPAPNPNPNP...；转录后由鸟苷酰转移酶催化在5’加G，G与起始核苷酸是以5’-5’三磷酸键相连；这一结构称为“帽子”，5’GPPPAPNPNPNP...
第一个甲基位点在5’端鸟嘌呤7位上，所有真核生物中均存在。
具有该甲基化基团的帽子称帽子0；甲基加到次末端碱基上，具有两个甲基基团的帽子叫帽子1。
以帽子1为底物，在第三个碱基再加上一个甲基，则称帽子2。
23.mRNA的poly（A）尾
大多数真核mRNA的3’端有多聚腺苷酸序列；poly（A）序列不是DNA编码，是转录后加上的；mRNA初进入细胞质时，其poly（A）尾长度大致与核中长度相同，随后逐渐缩短。
组蛋白mRNA不含poly（A）结构。
可以防止mRNA降解，提高mRNA稳定性；mRNA穿越核膜由细胞核进入细胞质的必需形式。
第2章基因的组织与结构
1.断裂基因（splitgenes）
真核生物的结构基因是断裂基因。
一个断裂基因能够含有若干段编码序列，这些可以编码的序列称为外显子。
在两个外显子之间有一段不变吗的间隔序列称为内含子。
每个断裂基因在第一个和最后一个外显子的外侧各有一段非编码区，称为侧翼序列，在侧翼序列上有一系列的调控序列。
外显子exon：
基因编码区中能够表达肽链的部分。
内含子intron：
基因编码区中的非编码序列，不能表达肽链。
2.外显子捕捉（exontrapping）
ExontrappingisamolecularbiologytechniquetoidentifypotentialexonsinafragmentofeukaryoteDNAofunknownintron-exonstructure.Thisisdonetodetermineifthefragmentispartofanexpressedgene.
Thegenomicfragmentisinsertedintotheintronofa'splicingvector'consistingofaknownexon-intron-exonsequenceofDNA.Ifthefragmentdoesnotcontainexons（i.e.,consistssolelyofintronDNA）,itwillbesplicedouttogetherwiththevector'soriginalintron.Ontheotherhand,ifexonsarecontained,theywillbepartofthematuremRNAaftertranscription（withallintronmaterialremoved）.Thepresenceof'trappedexons'canbedetectedbyanincreaseinsizeofthemRNA.
3.基因家族genefamily
Ø基因家族（genefamily）：
来自于一个共同的祖先基因，通过复制和变异形成的结构、功能相似的基因群体；家族成员其外显子具有相似性。
Ø基因簇（genencluster）：
位于同一染色体上彼此相邻近的一组相同或相关基因称为基因簇。
Ø基因家族中的成员常集串联排列构成基因簇；但也可以不集中在一起，也分布在不同的染色体上。
Ø多基因家族（multigenefamily）：
多基因家族是基因组中功能相似、进化上同源的一组基因。
在这些基因中，拷贝数、顺序保守性、构成、分布状态和功能相关性有很大差异。
Ø超基因家族（supergenefamily）：
DNA序列相似，但功能不一定相关的若干基因家族或单拷贝基因总称。
4.简单的多基因家族典型例子——rRNA基因家族
转录单元
rRNA基因家族转录单元结构相似，中度重复，在基因组中分散成若干个基因簇。
真核生物rRNA基因通过重复单元构成基因簇，重复单元包括转录单元和非转录区，18-5.8-28S为同一转录单元，转录单元包括转录序列和将转录序列分隔开的转录间隔区；简单的基因家族中转录单元保守性很高；转录单元内转录间隔区序列变化大；非转录区在不同生物中，甚至在同种生物中变化也很大。
在非转录区中，长度固定区域与可变区域相间排列；可变区域由短重复序列组成，重复次数变化导致非转录区序列长度差异；最前端的固定区域其序列和长度与其它固定区域不同；后三个固定区域称做BamIsland；每个重复固定区域都含有启动子序列，这有利于rDNA在需要时高效表达。
5.假基因（pseudogene）：
核苷酸序列通相应的正常功能基因基本相同，但不能合成功能蛋白的失活基因。
6.重叠基因（overlappinggene）：
同一DNA序列有两种不同的阅读框架，得到不同肽链，即两个基因共同使用同一DNA序列，却编码两种不同的蛋白质。
基因重叠现象的发生是由于读码框架“偏移”所致。
在真核生物中也存在。
7.转座子（transposon）：
是指不依赖序列的同源性，能够随意将自身转移到基因组上的DNA序列。
8.真核生物——玉米中的转位因子
（一）Ds/Ac组
ØC基因：
位于第9染色体上，是合成紫糊粉层色素所必须的基因，如果它失去正常功能，糊粉层无色。
ØDs因子（dissociator）：
可以从一个座位跳到另一个座位，在基因组内转座；也可使染色体断裂，引起缺失或重组。
但是它的移动必须在另一个基因Ac存在时才能进行，Ds是非自主因子。
ØAc因子（activator）：
与Ds有同源性，当Ac因子存在时，Ds因子才能转移，Ac是自主因子。
ØAC有两个基因，转位酶基因编码转位酶，另一个基因可能是编码定位酶;
ØAc因子和Ds因子序列相似性很高，区别在于Ds因子发生转位酶基因缺失；
ØAC和DS两端有反向重复，是转位酶的识别标志，因此均可发生转位。
（二）Spm因子组
ØA基因：
合成糊粉层所必须的基因，正常表达时糊粉层呈紫色；
Ø正常的Spm因子：
类似于Ac因子，它能起抑制子（suppressor）和诱变子（mutator）的双重作用。
Ø有缺陷的Spm因子：
抑制功能不完全，糊粉层呈淡紫色，正常Spm可帮助其实现完全抑制；不能转位，但在正常的Spm因子存在时能够转位。
Ø转位有缺陷的Spm因子：
无抑制功能，但在Spm因子帮助下能起抑制作用；转位功能缺陷，即便是在Spm因子存在时也不能转位。
Ø周期性的Spm因子：
其抑制功能交替开关。
9.细菌的转位因子
（1）、插入序列（IS）：
一类自主单位，除了含有自身转位作用的基因外不含其它基因，两端有对称的反向重复序列，转位因子转位时，基因组上的靶序列发生倍生，使插入序列的两端各有一段同向重复序列。
（2）、转座子（Tn）：
除含有转为相关的酶基因外，还带有抗性基因。
转座子可分为两个亚类：
I型转座子—两末端由IS构成；II型II末端—由反向重复序列。
10.转位因子的结构特点
Ø在转位因子的两端存在末端反向重复序列（TIR），它们在转位过程中至关重要；
Ø绝大多数转位因子含有开放读框（ORF），可能编码一种酶，其功能促进转位因子的转位；
Ø受体DNA上存在很短的一段靶序列，由于转位因子的插入，在转位因子的两侧形成正向重复序列，靶序列的长短对每类转位因子都是特异的。
11.转位机制：
复制型转座（replicativetransposition）：
转位因子的一个拷贝插入到靶位点，而另一拷贝则仍然保留在给体原来的位置上。
非复制型转座（conservativetransposition）：
在转位酶的作用下，转位因子从原来位点上删除下来，再转移插入到另一个位点。
12.转座子转座的特征：
Ø转座不依赖于靶序列的同源性；转座后靶序列重复；转座子的插入具有专一性；转座具有排他性-转座免疫；转座具有极性效应；活化邻近的沉默基因；区域性优先。
13.反转座子（retroposons）：
基因结构与逆转录病毒的原病毒类似，指通过RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的可动元件，其最大的特点是编码的多肽具有逆转录酶的活性。
14.基因组genome：
是指细胞或生物体的全套（单倍体）遗传物质的总和。
15.C值：
一个单倍体基因组的DNA含量即该物种DNA的C值，某一特定物种其C值是恒定的。
16.C值矛盾（Cvalueparadox）：
一般而言，随着进化，生物体的结构与功能趋于复杂，其C值增大。
但某些生物其基因组的大小与基因组的复杂度缺乏相关性，即C值矛盾。
C值矛盾表现为：
◆C值不随生物的进化程度和复杂性而增加；
◆关系密切的生物C值相差很大；
◆真核生物DNA的量远大于编码蛋白质等物质所需的量。
17.病毒&原核&真核生物基因组特征比较
类别
病毒
原核生物
真核生物
特点
基因组小，但相差较大；基因组可以是DNA组成，也可以是RNA组成，但是只能有一种；可以是环状，也可以是线性，可以是单链，也可以是双链，形式多样；多数RNA病毒基因组由连续的核糖核酸链组成；基因重叠；基因组大部分用于编码蛋白质，小部分不翻译；功能相关的基因常丛集形成一个功能单位或转录单位，一起转录形成多顺反子mRNA；除反转录病毒外，基因组都是单倍体；噬菌体基因是连续的，真核病毒有内含子，基因不连续。
无细胞核，染色体聚集成较为致密的类核；基因组较小，基因数目少，大多只含有一条环状染色体，只有一个复制起点；基因结构紧凑，大多编码蛋白质，不会出现基因重叠现象；具操纵子结构；结构基因大都是单拷贝的，rRNA的基因往往多拷贝；DNA分子中具有各种功能的识别区域；在基因或操纵子的末端有特殊的终止顺序，可以终止转录。
远大于原核生物的基因组，多复制起点，复制子较短；DNA与蛋白质结合形成染色体，一般为多条；基因转录产物为单顺反子；基因组中不编码的区域多于编码的区域；存在重复序列，大部分基因有内含子，基因是不连续的。
18.回文序列（palimdrome）：
由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成，其间没有间隔，称为~。
19.卫星DNA（satelliteDNA）：
有重复单位串联排列组成的一类高度重复序列，由于这类序列的碱基组成不同于其他组分，可以用密度梯度离心将其与主体DNA分开，称为~。
往往集中于异染色质。
20.小卫星DNA：
15bp左右的串联重复序列组成，位于邻近染色体末端的区域（端粒），有些也分散在基因组的多个位置上，一般没有转录活性。
21.微卫星DNA：
重复单位仅有2-5bp，如（CA）n，（GT）n，（GAA）n等，分散存在于基因组中。
22.HGP人类基因组计划
四张图谱
Ø遗传图谱（geneticmap）又称连锁图谱（linkagemap），它是以具有遗传多态性的遗传标记为“路标”，以遗传学距离（cM）为图距的基因组图。
Ø物理图谱（physicalmap）是指特定的DNA片段在大片段DNA或基因组DNA中的位置关系和排列顺序，包括DNA克隆片断重叠群图，大片段内切酶位点图、DNA序列路标图等。
Ø序列图谱（sequencemap）是指基因组DNA中核苷酸的排列顺序。
Ø转录图谱（transcriptionmap）是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。
23.单体型（haplotype）：
对于多基因座复等位基因遗传系统而言，每条染色体上带有分属各个基因座上的某个等位基因。
一条染色体上这些不同的等位基因组合就是不同的单体型。
“国际人类基因组‘单体型图’计划”（HapMap）是继“国际人类基因组计划”之后，人类基因组研究领域的又一重大研究计划。
科学家们将在已完成的人
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