现代分子生物学 复习笔记

现代分子生物学 Modern molecular biology 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Molecular Biology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

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现代分子生物学 Modern molecular biology ? 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。

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 (C Value)：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mRNA

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现代分子生物学 Modern molecular biology 4）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 ? 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：

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现代分子生物学 Modern molecular biology 第三节 DNA的复制概述

1 DNA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 2 DNA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。 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(DNA topoisomerase)：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

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现代分子生物学 Modern molecular biology 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） 3 DNA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 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

4 DNA直接修复

5 SOS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 （TnA family） ? 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。

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现代分子生物学 Modern molecular biology ? 原核生物基因调控总论

操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。 操纵子的基本组成：

结构基因: Z Y A 调控基因：I 操纵基因：O 启动子: P 终止子： T

调控基 结构基因（structural gene）：编码蛋白质或RNA的任何基因。 调控基因（regulator gene）：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。 操纵基因（operator gene，O）：调控蛋白特异性结合的一段DNA序列；

? 启动子 (promoter, P) ：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA

序列。

? 终止子(terminator, T) ：给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。 负转录调控:

在没有调控蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调控蛋白质后基因表达活性便被关闭。 相应的调控蛋白称为阻遏蛋白； 正转录调控:

如果在没有调控蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调控蛋白质后基因活性就被开启。 相应的调控蛋白称为激活蛋白。

? 可诱导调控：在某些物质的诱导下使基因活化。

? 可阻遏调控：基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特

殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。

? 辅阻遏物(corepressor)：作用于调控蛋白，引起基因表达阻抑的小分子物质。 ? 诱导物（inducer）：作用于调控蛋白，引起诱导发生的小分子物质。 ? 效应物（effector）：在操纵子系统中某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白

的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录的影响的特定物质。 ? 安慰诱导物：

如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。 ? 乳糖操纵子(lac)与负控诱导系统

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代谢激活蛋白 （catabolite activator protein , CAP）由Cap基因编码，能与cAMP形成复合物。结合cAMP后成为有活性的CAP，称为CRP ATP 腺苷酸环化酶 camp

CAP只有与cAMP结合才有活性，而cAMP 受葡萄糖水平的控制。 葡萄糖含量高------ cAMP水平低 葡萄糖含量低------ cAMP水平高

葡萄糖效应:酵解途径中某些代谢产物是cAMP活性的抑制剂。因此，葡萄糖效应又叫降解物的遏阻效应。

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现代分子生物学 Modern molecular biology ? 色氨酸操纵子与负控阻遏系统 色氨酸trp操纵子的结构

E D C B A

P启动子 O操纵子 L前导序列 trpA~E为结构基因 t终止子 trpR调控基因

前导序列 trp L :在trp mRNA 5’端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。起着随色氨酸浓度升高降低转录的作用；

弱化子(attenuator, a ) ：也称内部终止子， DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列。 弱化作用要具备三个重要的条件：

1) 前导序列中要有相应氨基酸的密码子 2) 具备四组配对区 3) 转录和翻译必须耦联

色氨酸trp操纵子的结构特点?

(1)调控基因trpR和trpABCDE不连锁； (2)操纵基因在启动子内

(3)启动子和结构基因不直接相连，二者被前导序列 (Leader) 所隔开 (4)有弱化子

trp操纵子的调控系统

1）无Trp时：阻遏物 → 不结合操纵基因 当缺乏色氨酸时,该操纵子开放表达

2）有Trp时：阻遏物+Trp → 结合操纵基因 当存在色氨酸时，该操纵子关闭

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转录水平上其它调控:

? σ因子的调节作用

? 组蛋白类似蛋白的调节作用 ? 转录调控因子的作用 ? 抗终止因子的调节作用

? 转录后调控

1. mRNA自身结构元件对翻译起始的调节

1) 起始密码子的调节:AUG 最常用的起始密码子 2) SD序列的调控:SD序列与核糖体和mRNA的结合有关。 2. mRNA稳定性对转录水平的影响 3. 调节蛋白的调控作用 4. 反义RNA的调节作用

反义RNA 通过互补的碱基与特定的mRNA结合，并改变所配对mRNA分子的构象，导致翻译过程被开启或者关闭，也可能导致目标mRNA分子的快速降解。 5. 稀有密码子对翻译的影响: 影响蛋白质合成的总量 6. 重叠基因对翻译的影响

7. 翻译的阻遏:QB噬菌体复制酶可作为翻译阻遏物对 基因表达进行调控。 8. 魔斑核苷酸水平对翻译的影响 当大肠杆菌处于氨基酸饥饿时，在体内出现两种异常的核苷酸，人们称之为魔斑I和魔斑II。后来才知道，魔斑I就是 ppGpp，魔斑II就是 pppGpp。

ppGpp：鸟苷四磷酸 pppGpp：鸟苷五磷酸 有时候合写为(p)ppGpp

第八章 基因的表达与调控(下) —真核基因表达调控的一般规律

真核生物基因调控可分为两大类：

瞬时调控或称可逆性调控;发育调控或称不可逆调控 ? 真核生物的基因结构和转录活性

1.真核与原核生物基因结构和转录翻译的差异？

① 单顺反子 ② 核小体 ③ 不转录区域和内含子 ④ 基因重排和基因扩增

④ 转录调节区 ⑥ 转录和翻译的时空间隔 ⑦ 成熟和剪接

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现代分子生物学 Modern molecular biology 2.基因家族:真核生物的基因组中有很多来源相同、结构相似、功能相关的基因，将这些基因称为基因家族。

3.内含子: 指存在于原始转录物或基因组DNA中，但不存在于成熟mRNA、rRNA或tRNA中的那部分核苷酸序列。 4.真核生物DNA水平上的基因调控:

a) 染色质结构的影响:转录前，染色质在特定区域解旋松弛，核小体结构的消除或改变，

形成自由DNA。

b) 基因扩增:是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它使细胞在短期内产生的

基因产物以满足生长发育的需要，是基因活跃的一种方式。

c) 基因重排和移位:基因重排是将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点

从而启动转录。

d) 基因丢失: 在细胞分化过程中，丢掉某些基因而去除其活性。 5.DNA甲基化抑制基因转录的机理

DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。

? 真核生物基因转录机器的主要组成 1） 启动子：

核心启动子：指保证RNA聚合酶II转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，如转录起始点和上游的TATA框；

功能：确定转录起始位点并产生基础水平的转录 上游启动子成分UPE：如CAAT框，GC框等； 功能：调节转录起始的频率，提高转录效率。

增强子 ：指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。 增强子的特性？

A、增强效应十分明显。

B、增强效应与其位置和取向无关。 C、大多为重复序列（50bp）。

D、其增强效应有严密的组织和细胞特异性,与特定蛋白因子相互作用才能发挥功能。 E、没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应； F、许多增强子还受外部信号的调控。 增强子的作用原理？

（1）影响模板附近的DNA结构 （2）将模板固定在细胞核内特定位置

（3）可能作为反式作用因子或RNA聚合酶II进入染色质结构的―入口‖。

顺式作用元件：影响自身基因表达活性的非编码DNA序列。如：真核生物启动子和增强子 反式作用因子：由其它基因表达产生的，直接或间接结合在各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。如：阻遏蛋白是反式作用因子，RNA聚合酶也是。 2）转录模板

3）RNA聚合酶II： 4）转录蛋白质因子 思 考：

1.什么是转录因子？

转录因子是转录起始过程中RNA聚合酶所需的辅助因子。 2.转录因子和反式作用因子的关系?

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现代分子生物学 Modern molecular biology 转录因子是起正调控作用的反式作用因子。

DNA结合域包括DNA结合结构域和转录活化结构域 DNA结合域的结构花式/基元

? 螺旋-转角-螺旋结构（helix-turn-helix，HTH） ? 锌指结构（Zinc finger ）

? 同源异形结构域（Homeodomains，HD） ? 螺旋-环-螺旋结构（helix-loop-helix，HLH） ? 亮氨酸―拉链‖ （leucine zipper ） ? 转录水平上的基因表达调控

1. 蛋白质的磷酸化对基因转录的调控

蛋白质的磷酸化与去磷酸化过程是生物体内普遍存在的信息传导调节方式

存在于细胞质膜上的受体，根据其结构和转换信号的方式又分为三大类：离子通道受体，G蛋白偶联受体和跨膜蛋白激酶受体。 2. 蛋白质乙酰化对基因表达的影响：组蛋白的高乙酰化是活跃转录染色质的一个标志，而低乙酰化则与转录抑制有关。 3. 激素对基因表达的影响 4. 热激蛋白对基因表达的影响 ? 其他水平上的表达调控 1. RNA的加工成熟

rRNA和tRNA的加工成熟

rRNA加工有两个内容：一个是分子内的切割，另一个是化学修饰。原核生物rRNA主要是碱基甲基化，而真核生物rRNA则主要是核糖甲基化。 mRNA的加工成熟

? 5′末端加―帽子‖ ? 3′末端加上poly(A) ? RNA的剪接

? 核苷酸的甲基化修饰等 2. 翻译水平的调控

第九章 疾病与人类健康

一、 致癌基因与原癌基因，基因治疗与基因工程的区别

原癌基因（proto-oncogene）是细胞内与细胞增殖相关的基因，是维持机体正常生命活动所必须的，在进化上高等保守。

致癌基因（oncogene ）最初是定义为病毒携带的、能够引起靶细胞的转化基因。大部分病毒性癌基因具有细胞副本，参与正常细胞功能，这些细胞基因称为原癌基因(Proto-Oncogenes)，并在特定情况下它们在细胞中的变异或异常活性与肿瘤形成息息相关。

基因治疗在基因水平上治疗疾病的方法。包括基因置换、基因修正、基因修饰、基因失活、

引入新基因等。

基因工程按人们意愿设计，通过改造基因或基因组而改变生物的遗传特性 二、 人类基因组测序的科学意义

1、HGP（人类进行基因组计划）对人类疾病基因研究的贡献

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现代分子生物学 Modern molecular biology 2、HGP对医学的贡献

3、HGP对生物技术的贡献

4、HGP对制药工业的贡献 5、HGP对社会经济的重要影响 6、HGP对生物进化研究的影响

Ps：7、HGP带来的负面作用

侏罗纪公园不只是科幻故事；种族选择性灭绝性生物武器；基因专利战；基因资源的掠夺战；基因与个人隐私。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vn37.html