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1、分子生物学的概念分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能，并从分子水平上阐明蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸之间的互作及其基因表达调控机理的学科。分子生物学的基本原理：构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中都是相同的。生物体内一切有机大分子的建成都遵循一定的规则。某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性分子生物学与生物化学之间的关系分子生物学与生物化学之间的关系密不可分。分子生物学从分子水平研究生命现象，生物化学研究从分子水平研究生命现象的本质。分子生物学的研究内容：DNA 重组技术基因表达调控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DNA 重组技术目的是将
2、不同 DNA 片段（如某个基因或基因的一部分）按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质或多糖，在发挥生物学功能时，必须具备两个前提：拥有特定的空间结构（三维结构） ；发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化分子生物学研究已经证实，DNA 控制了生物的性状遗传。无论 DNA 或 RNA，都是由许许多多个核苷酸连接而成的生物大分子，而每个核苷酸又由磷酸、核糖和碱基 3 部分组成由于亲代能够将自己的遗传物质 DNA 以染色体的形式传给子代，保持物种的稳定性和连续性。因此，人们普遍认为染色体在遗传上起着主要作用。染色体包括 DN
3、A 和蛋白质两部分染色体在细胞分裂间期表现为染色质。染色体与染色质是同一种物质的两种形态。伸展的染色质形态有利于在它上面的 DNA 储存的信息的表达，而高度螺旋化了的棒状染色体则有利于细胞分裂中遗传物质的平分作为遗传物质，染色体具有如下特征： 分子结构相对稳定； 能够自我复制，使亲子代之间保持连续性； 能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程； 能够产生可遗传的变异.真核生物染色体中 DNA 相对分子质量一般大大超过原核生物在真核细胞染色体中，DNA 与蛋白质完全融合在一起，其蛋白质与相应 DNA 的质量之比约为 2:1染色体蛋白主要分为组蛋白和非组蛋白两类tRNA 不仅为每个三联密码子翻译
4、成氨基酸提供了接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体，它又被称为第二遗传密码组蛋白是染色体的结构蛋白，其与 DNA 组成核小体。根据其凝胶电泳性质可将其分为 H1、H2A、H2B 、H3 及 H4组蛋白含有大量的赖氨酸和精氨酸，其中 H3、H4 富含精氨酸， H1 富含赖氨酸。H2A、H2B 介于两者之间。组蛋白的特性进化上极端保守性无组织特异性肽链上氨基酸分布的不对称性组蛋白的修饰作用富含赖氨酸的组蛋白 H5非 组 蛋 白染色体上除了存在大约与 DNA 等量的组蛋白以外，还存在大量的非组蛋白。非组蛋白的组织专一性和种属专一性几类常见的非组蛋白高速泳动蛋白（HMG 蛋白D
5、NA 结合蛋白A24 非组蛋白真核细胞基因组最大的特点是有大量的重复序列，而且功能 DNA 序列大多被不编码蛋白质的非功能 DNA 所隔开，这就是著名的“C 值反常现象C 值：一种生物单倍体基因组 DNA 的总量一般情况，真核生物 C 值是随着生物进化而增加，高等生物的 C 值一般大于低等生物。某些两栖类 C 值大于哺乳动物，而且在两栖类中 C 值变化也很大，可相差 100 倍。由此推断，许多 DNA 序列不编码蛋白质，是无生理功能的根据对 DNA 的动力学研究，真核生物 DNA 序列大致可分为 3 类：不重复序列、中度重复序列、高度重复序列不重复序列 在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或
6、几个拷贝，它占 DNA 总量的40%80%。不重复序列长约 7502000bp，相当于一个结构基因的长度单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质 。如蚕丝心蛋白基因。中度重复序列 这类重复序列的重复次数在 10104 之间，占总 DNA 的 10%40%。各种 rRNA、tRNA 及组蛋白基因等都属这一类。高度重复序列-卫星 DNA 是另一类高度重复序列，这类重复顺序的重复单位一般由 2-10bp 组成，成串排列。由于这类序列的碱基组成不同于其他部份，可用等密度梯度离心法将其与主体 DNA 分开，因而称为卫星 DNA 或随体 DNa.这类 DNA 只在真核生物中发现染色质和核小体由 DNA
7、和组蛋白组成的染色质纤维细丝是许多核小体连成的念珠状结构Beads on a string” structure 证据染色质 DNA 的 Tm 值比自由 DNA 高，说明在染色质中 DNA 极可能与蛋白质分子相互作用在染色质状态下，由 DNA 聚合酶和 RNA 聚合酶催化的 DNA 复制和转录活性大大低于在自由 DNA 中的反应DNA 酶 I（DNaseI ）对染色质 DNA 的消化远远慢于对纯 DNA 的作用。用小球菌核酸酶处理染色质以后进行电泳，便可以得到一系列片段，这些被保留的 DNA片段均为 200bp 基本单位的倍数。染色质电镜显示核小体连成的念珠状结构核小体单元的产生核小体由 H2
8、A、H2B、H3、 H4 各两个分子生成的八聚体和由大约 200bpDNA 组成八聚体在中间，DNA 分子盘绕在外，而每个核小体只有一个 H1，分布在核小体的外面。核心颗粒包括组蛋白八聚体及与其结合的 146bpDNA，该序列绕在八聚体外面 1.75 圈，每圈约 80bp许多核小体构成了连续的染色质 DNA 细丝。四级分别为：核小体螺线管超螺旋圆筒染色单体螺线管螺线管是由 10nm 染色质细丝盘绕形成的螺旋管状细丝，表现为 30nm 纤维。螺线管每一螺旋包含 6 个核小体，压缩比为 6。这种螺线管是分裂间期和分裂前期染色体的基本组分染色单体染色单体由超螺旋圆筒再压缩 5 倍而成。超螺旋圆筒真核
9、生物基因组结构特点总结基因组庞大存在大量的重复序列大部分为非编码序列转录产物为单顺反子是断裂基因、有内含子存在大量的顺式作用元件。包括启动子、增强子、沉默子等存在大量的 DNA 多态性具有端粒结构原核细胞染色体一般只有一条大染色体且大都带有单拷贝基因，除少数基因外（如 rRNA 基因） 。整个染色体 DNA 几乎全部由功能基因和调控序列所组成。几乎每个基因序列都与它所编码蛋白质序列呈线性对应关系原核生物基因组原核生物基因组很小，大多只有一条染色体，且 DNA 含量少。从基因组的结构来看，原核细胞 DNA 有如下特点：结构简练。非编码序列极少，这与真核细胞 DNA 冗余现象完全不同存在转录单元。
10、多顺反子 mRNA。有重叠基因。同一段 DNA 含有两种不同蛋白质的信息。DNA 作为遗传物质的主要优点：信息量大，可以缩微表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制机理核糖的 2脱氧，在水溶液中稳定性好可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化对群体是有利的）有 T 无 U，基因组得以增大，而无 C 脱氨基成 U 带来的潜在危险。 （尿嘧啶 DNA 糖苷酶可以灵敏识别 DNA 中的 U 而随时将其剔除） 。DNA 的一级结构即是指四种核苷酸的连接及排列顺序，表示该 DNA 分子的化学构成脱氧核苷酸之间由 35磷酸二酯键连接成 DNA 链，两条链的碱基通过氢键实现AT、GC 配对。DNA
11、一级结构特点DNA 分子由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成。DNA 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。两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，DNA 二级结构是指两条多核苷酸链反相平行盘绕所生成的双螺旋盘绕结构。DNA 的二级结构分两大类：一类是右手螺旋，如 A-DNA 和 B-DNA；另一类是左手螺旋，即 Z-DNAB-DNA 特点螺旋直径 2nm链间有螺旋形凹槽，较小的为小沟（1.2nm ） ，较大的为大沟（2.2nm ）碱基间距 0.34nm每轮碱基数 10碱基平面与纵轴垂直A 型、Z 型A 型、Z 型可能具有不同的生物活性。A-DNA 构象对
12、基因表达有重要意义（P35） 。Z-DNA 调控基因转录（P36）在邻近调控系统中，与调节区相邻的转录区被 Z-DNA 抑制，只有当 Z-DNA 转变为 B-DNA 后，转录才得以活化在远距离调控系统中，Z-DNA 可通过改变负超螺旋水平，决定聚合酶能否与模板链相结合而调节转录起始活性还存在其他构型: B,-DNA、C-DNA、D-DNADNA 的高级结构指 DNA 双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的特定空间结构。超螺旋结构是 DNA 高级结构的主要形式，可分为正超螺旋和负超螺旋两类，它们在不同类型的拓扑异构酶作用下或特殊情况下可相互转变天然状态下该 DNA 以负超螺旋为主DNA 的超螺旋结构形成的
13、意义使 DNA 形成高度致密状态从而得以装入核中；推动 DNA 结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。DNA 双螺旋化 核小体 螺线管 超螺旋圆筒 染色单体生命的遗传实际上是染色体 DNA 自我复制的结果，而染色体 DNA 的自我复制主要是通过半保留复制(Semi-conservative)来实现的，是一个以亲代 DNA 分子为模板合成子代 DNA 链的过程。双链 DNA 的复制 在复制的起始、延伸和终止三个阶段，需要多种酶和蛋白质的协同参与在复制时首先两条链之间的氢键断裂两条链分开，然后以每一条链分别做模板各自合成一条新的 DNA
14、链，这样新合成的子代 DNA 分子中一条链来自亲代 DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式为半保留复制。DNA 半保留复制的生物学意义DNA 的半保留复制表明 DNA 在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。复制的起点、方向和速度复制时，双链 DNA 要解开成两股链进行，使复制起点呈叉状，被称为复制叉DNA 的复制是由固定的起始点开始的。一般把生物体的复制单位称为复制子一个复制子只含一个复制起点。复制子为生物体 DNA 的复制单位复制时，复制叉从复制起点开始沿着 DNA 链连续移动，起始点可以启动单向复制或者双向复制。这取决于复制起点形成一个复制叉还是两个复制叉细菌、病毒和线粒
15、体的 DNA 分子都是作为单个复制子完成复制的；真核生物基因组可以同时在多个复制起点上进行双向复制，也就是说它们的基因组包含有多个复制子无论是原核生物还是真核生物，DNA 的复制主要是从固定的起始点以双向等速复制方式进行的。复制叉以 DNA 分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。DNA 复制时，复制方向: 由 5向 3复制，前导链连续合成，另一条是 35方向，两个模板极性不同。而所有已知 DNA 聚合酶的合成方向都是 53 ，两条链无法同时进行复制后随链合成不连续，形成冈崎片段总 之复制起点是固定的，表现为固定序列，并识别参与复制起始的特殊蛋白质。复制叉移动的方向和速度虽多种多样，
16、但以双向等速为主DNA 复制的共性与个性共性：生物体内 DNA 复制大都是以半保留方式进行。个性：DNA 分子存在形式、功能状态不同反映在复制方式上也有差别。线性 DNA 双链的复制不需 RNA 引物，在正链 3OH 上延伸。只有一个复制叉 单一起点的单向复制。 (如腺病毒) 单一起点的双向复制（如 T7 噬菌体） 多个起始点的双向复制（如真核生物）环状 DNA 双链的复制 型复制（如大肠杆菌）-单一起点的双向等速复制 滚环型滚环型：单向复制的特殊方式复制 (单向 )X174不需 RNA 引物，在正链 3OH 上延伸。只有一个复制叉 D-环型复制( 单向)- 线粒体 单向复制的特殊方式原核生物 DNA 复制的特点DNA 双螺旋的解旋首先在拓扑异构酶 I(DNA topoisomerase)的作用下解开负超螺旋，并由解链酶(DNA helicase)解开双链;接着由 SSB 蛋白来稳定解开的
