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分子生物学笔记 基础分子生物学笔记 主讲：姜寒玉 教材：基础分子生物学教程作者:赵亚华 出版社: 科学出版社 目录 第一章绪论 (1) 第二章细胞内生物分子相互作用概述 (2) 第三章核酸的结构与功能 (3) 第四章基因与基因组的结构与功能 (6) 第五章DNA复制 (8) 第六章DNA的损伤、修复和基因突变 (11) 第七章DNA重组与转座 (13) 第八章RNA的转录合成 (16) 第九章RNA转录后的剪切与加工 (20) 第十章遗传密码 (24) 第十一章蛋白质的生物合成——翻译 (26) 第十二章原核生物的基因调控 (31) 第十三章真核生物基因表达调控 (35) 第一章绪论 一、分子生物学发展简述 1、细胞学说的确立 细胞学说的建立（The cell theory） 德国植物学家施莱登（Schleiden ）和德国动物学家施旺（Schwann）共同提出著名的“细胞学说”遗传因子在生物性状世代间传递遵循分离和独立分配两个基本规律。

2、1702 Leeuwenhoek（荷兰） 3、自制显微镜观察到雨水中的“微生物” 4、同时代的Hooke 用“细胞”来形容软木的最基本单元 5、分子生物学发展过程大致分为三个阶段： （1）准备和酝酿阶段：人类对DNA和遗传信息传递的认识阶段 确定DNA是遗传物质是分子生物学发展的重大里程碑，DNA双螺旋结构模型的建立是分子生物学发展的又一重大里程碑（分子生物学诞生的标志） 广义的分子生物学：蛋白质及核酸等生物大分子结构和功能的研究都属于分子生物学的范畴，即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，当然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 基因的分子生物学（核酸生物学）Molecular Biology （2）现代分子生物学的建立和发展阶段：重组DNA技术的建立和发展 （3）初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段：重组DNA技术的应用和分子生物学的迅猛发展阶段 综合分子生物学发展历程：20世纪以核酸为研究核心，带动分子生物学向纵深发展。

20世纪50年代的双螺旋结构，60年代的操纵子学说，70年代的DNA重组，80年代的PCR技术，90年代的DNA测序都是分子生物学发展的里程碑，将生命科学带向一个由宏观到微观，再到宏观的过程 6、分子生物学概念： Molecular biology is the study of genes and their activities at the molecular level, including transcription, translation, DNA replication, recombination and translocation. 《Molecular Biology》--Robert F. Weaver (Version 2) 分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭示生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科 第二章细胞内生物分子相互作用概述 1、生物大分子 蛋白质——氨基酸 核酸——核苷酸 多糖——单糖 脂类——单脂 无论是原核生物还是真核生物，对一个生命个体来讲，均由蛋白质、核酸、糖类、脂类等生物大分子和一些小分子化合物及无机盐等这些化学成分共同组成。

2、生物大分子的功能： 生物体是由生物大分子等有机物构成的；/生物体能与环境不断地交换物质与能量；所有生物大分子共同存在于细胞环境中；生物体能进行自我更新 第一节生物大分子概述 1、核酸：是核苷酸的多聚体 （1）DNA（脱氧核糖核酸）：由脱氧核糖、碱基（A、G、C、T）、磷酸形成的5’-脱氧核苷酸构成. /（2）RNA（核糖核酸）：由核糖、碱基（A、G、C、U）、磷酸形成的5’-核苷酸构成 在DNA和RNA分子中，核苷酸之间以3’，5’-磷酸二酯键连接形成长链大分子核酸分子都有游离的5’端和游离3’端 （3）磷酸二酯键：一个核苷酸的5’-磷酸和另一个核苷酸的3’-OH形成磷酸酯键而共价连接 （4）基本结构——双螺旋结构（基本要点）： A：大沟，小沟；B：碱基配对：A=T，G= C；C：反向平行：暗示DNA复制和转录的分子机制（5）高级结构： 单核苷酸形成的二级结构：发夹结构；反向重复序列（回文序列） 2、蛋白质：是氨基酸以肽键连接而成的聚合体 一级结构氨基酸的a-羧基与下一个氨基酸a-氨基缩合形成肽键，从N-端到C-端的氨基酸顺序即为多肽的一级结构。

二级结构C—N键具有部分双键性质，使得C=O与N=H四原子形成刚性的肽键单元平面，肽键单元间以氢键相连，多肽链在空间折叠形成二级结构，常见的有a-螺旋和β-折叠 三级结构二级结构进一步折叠形成多肽的三级结构亲水基团位于蛋白质外侧，疏水基团埋在内侧，氢键、盐键、范德华力和疏水力维持结构的稳定分子伴侣帮助蛋白质正确折叠 四级结构由多条多肽链（亚基）构成的寡聚蛋白，稳定三级结构的力量可将亚基维系在一起构成蛋白质的四级结构 3、多糖：（是由多个单糖分子缩合而成的）是糖或糖的衍生物的多聚体，许多碳原子之间产生共价键所形成的糖单位与两个以上的其他糖单位连接在一起形成大分子 4、脂类：是一大类化学结构上不同的物质，如脂肪、脂肪酸、磷脂、鞘磷脂和胆固醇等，但他们都具有不溶于水，易溶于乙醚、氯仿等脂溶性的共同特征 5、生物大分子间相互作用的化学力 生物大分子的基本结构通过共价键聚合而成，而其生物学功能是通过相互作用、协调进行而实现的1）生物大分子的相互作用主要表现在：DNA与蛋白质之间；RNA与蛋白质之间；蛋白质与蛋白质之间2）作用力有：氢键疏水相互作用离子键范德化引力二硫键配位键 6、生物大分子的自我组装 生物大分子的自我组装指线性多肽链和核酸链伸长的线性结构，依照一定的方式折叠或盘绕成有序的形 态结构，并通过次级键维持该结构的稳定，或进一步折叠并盘绕形成更高级结构，即超二级和三级空间结构，从而表现出自身的功能，同时这种分子还可以作为亚单位和亚分子和其他类生物分子通过次级键形成更高级结构即四级结构，如血红蛋白，多酶复合物，核酸与蛋白质形成的复合物等。

（1）功能类似的分子的组装——cAMP-CAP与DNA序列识别并结合；（2）同类生物分子的组装——微管与微丝（3）异类生物分子组装——蛋白质与核酸（核糖体） 烟草花叶病毒粒子（TMV）的自我装配 在正常生理条件下，34个蛋白质亚基聚集形成20S双盘结构，RNA嵌入双盘结构，形成装配起始复合物，后蛋白质亚基才逐个加入，完成RNA的包装，最后形成病毒颗粒 7、生物大分子的相互作用 （1）核酸与蛋白质的相互作用 染色质：是DNA与小分子的碱性蛋白质组成的，组蛋白使DNA在染色体中紧密堆积在一起，并中和DNA磷酸-戊糖骨架负电荷的排斥力 A、阻遏蛋白Cro对λ噬菌体DNA的结合： Cro蛋白是大肠杆菌噬菌体产生的阻遏蛋白，它可以识别并结合DNA上一段专一序列，是一个重要的调节蛋白，并且二者的结合是由于它们的结构特征，同时Cro蛋白的结合保护了其他蛋白质与DNA作用的特定位点 B、ε.coli的CAP蛋白与ε.coliDNA的某一调控位点相结合： 大部分被特异性蛋白识别结合的序列都具有一定的对称性，而且许多顺序特异性的DNA结合蛋白是多亚基蛋白，它们形成对称性的排列，这种排列有助于识别对称序列；另外蛋白质的α螺旋通常位于DNA螺旋的大沟中，是DNA-蛋白质相互作用的一个普遍特征。

（2）蛋白质与蛋白质的相互作用—多亚基形式的组合 A、多亚基体系具有的特点： 可减少蛋白质合成过程中随机错误对蛋白质活性的影响；对DNA的利用来说，多亚基较为经济；多亚基蛋白质的活性能够很有效和很迅速的被开启和关闭—酶的活性调节 （3）糖与蛋白质的相互作用 A、糖蛋白：是蛋白质与寡糖链通过糖苷键连接成的产物，寡糖链由多种单糖构成，每一个单糖具有半缩醛羟基和一个以上的醇羟基，单糖间可通过不同苷键连接 B、糖蛋白中的糖肽连接类型： 在糖蛋白中仅有一种糖残基与天冬酰胺相连，即N-乙酰--D-葡糖胺，生成的键是4-N-(2-乙酰氨基-2-脱氧--D-吡喃葡糖基)-L-天冬酰胺，这种连接方式有时称为N（或Asn）连接型糖链或N-聚糖 C、糖基或糖链的还原端与蛋白质肽链中的Ser、Thr或羟赖氨酸羟基中的氧原子相连称为O-连接糖链 D、蛋白聚糖：主要存在于人或者动物的皮肤、软骨、角膜等部位的结缔组织中 E、软骨蛋白聚糖是由硫酸角质素和硫酸软骨素与核心蛋白共价结合在一起形成蛋白聚糖单体，由蛋白聚糖单体、连接蛋白和透明质酸形成蛋白聚糖聚集体。

（4）脂与蛋白质的相互作用 脂蛋白是由脂质和蛋白质相互作用的复合物，脂与蛋白质的结合可以通过蛋白质Ser、Thr上的羟基与脂质上羧基形成酯键，或蛋白质上的-SH与脂质上的羧基形成硫酯键 8、研究生物大分子的方法 （1）离心技术分离生物大分子：密度梯度离心、等密度离心、差速离心、凝胶电泳技术（DNA分离及大小测定） （2）蛋白质分子质量测定：SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳 本章习题 1、简述生物分子自我组装的定义和种类，并举例说明生物分子的自我组装过程？ 2、简述生物分子间的相互作用？ 第三章核酸的结构与功能 1、核酸 DNA 是活细胞中最重要的分子，含有特定细 胞的全部遗传信息，RNA 是某些病毒和噬菌体的遗传物 质 2、DNA 主要特征：储存遗传信息，将遗传信息传递给 子代，物理和化学性质稳定，有遗传变异的能力 作为信息分子的DNA 携带有两种不同的遗传信息： 一类负责编码组成型蛋白质氨基酸序列的信息以及编码 RNA 的信息；一类负责编码一大类重要的调控蛋白以及 决定基因表达的开启或关闭的序列元件，即负责基因表达的调节控制。

3、DNA 的基本结构——双螺旋结构 （1） DNA 的一级结构：DNA 分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3′-5′磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA 的一级结构，简称为碱基序列一级结构的走向的规定为5′→3′不同的DNA 分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息 一级结构的表示法 ： 结构式，线条式，字母式 Chargaff 首先注意到DNA 碱基组成的某些规律。