分子生物学讲义（精简稿）

第　一　章　　　　序　　　论

分子生物学的主要研究内容

n 分子生物学的基本含义：

n 　　分子生物学是从分子水平研究生命本质为目的的一门新兴边缘学科，它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，是当前生命科学中发展最快并正与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域。分子生物学的发展为人类认识生命现象带来了前所未有的机会，也为人类利用和改造生物创造了极为广泛的前景。

n 　　所谓在分子水平上研究生命的本质主要是指对遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征的分子机理的阐明，从而利用和改造生物奠定理论基础和提供新的手段。这里的分子水平指的是那些携带遗传信息的核酸和在遗传信息传递及细胞内、细胞间通讯过程中发挥着重要作用的蛋白质等生物大分子。这些生物大分子由简单的小分子核苷酸或氨基酸排列组合以蕴藏各种信息，并且具有复杂的空间结构以形成精确的相互作用系统，由此构成生物的多样化和生物个体精确的生长发育和代谢调节控制系统。简明这些复杂的结构及结构与功能的关系是分子生物学的主要任务。

n 　　一切生物体中的各类有机大分子都是由完全相同的单体，如蛋白质分子中的20种氨基酸、DNA及RNA中的8种碱基所组合而成的，由此产生了分子生物学的3条基本原理：

1、成生物体有机大分子的单体在不同生物中都是相同的；
2． 生物体内一切有机大分子的建成都遵循着各自特定的规则；
3． 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。

分子生物学发展简史　　

n 分子生物学的发展大致可分为三个阶段：

1、准备和酝酿阶段：19世纪后期到20世纪50年代初，是现代分子生物学诞生的准备和酝酿阶段。在这一阶段产生了两点对生命本质的认识上的重大突破。

　　确定了蛋白质是生命的主要物质基础。

　　确定了生物遗传的物质是DNA。

n 　　2、现代分子生物学的建立和发展阶段：这一阶段是从50年代初到70年代初，以1953年Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型作为现代分子生物学诞生的里程碑开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金。在些期间的主要进展包括：
　　遗传信息传递中心法则的建立：DNA复制 、RNA转录 、遗传密码 、蛋白质翻译合成

　　　对蛋白质结构与功能的进一步认识：中国科学家在1965年人工合成了牛胰岛素

3、初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段：70年代后，以基因工程技术的出现作为新的里程碑，标志着人类涂认识生命本质并能主动改造生命的新时期开始。其间的重大成就包括：　　

n 1 重组DNA技术的建立和发展
2 基因组研究的发展

n 3 单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展

n 4 基因表达调控机理

n 5 细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域

现代分子生物学研究内容:
1、DNA重组技术———基因工程

2、基因表达调控———核酸生物学
3、生物大分子结构功能——结构分子生物学

4、基因组、功能基因组与生物信息学研究

第二章 染色体与DNA

一、染色体的结构模型

§ 　　贝克等(Bak, A. L., 1977)：染色体四级结构模型理论能够在一定程度上解释染色质状态转化的过程

– 1. DNA+组蛋白 ó核小体+连接丝

– 2. 核小体 ó螺线体(solenoid)

– 3. 螺线体 ó超螺线体(super-solenoid)

– 4. 超螺线体 ó染色体

§ 核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而H1则在核小体的外面。每个核小体只有一个H1。

二、 DNA的组成与结构

DNA的双螺旋结构模式要点：

§ 　　(1)在DNA分子中，两股DNA链围绕一假想的共同轴心形成一右手螺旋结构，双螺旋的螺距为3.4nm，直径为2.0nm。　

§ 　　(2)链的骨架(backbone)由交替出现的、亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，位于双螺旋的外侧。

§ 　　(3)碱基位于双螺旋的内侧，两股链中的嘌呤和嘧啶碱基以其疏水的、近于平面的环形结构彼此密切相近，平面与双螺旋的长轴相垂直。一股链中的嘌呤碱基与另一股链中位于同一平面的嘧啶碱基之间以氢链相连，称为碱基互补配对或碱基配对(base pairing)，碱基对层间的距离为0.34nm。碱基互补配对总是出现于腺嘌呤与胸腺嘧啶之间(A=T)，形成两个氢键；或者出现于鸟嘌呤与胞嘧啶之间(G=C)，形成三个氢键。

§ 　　(4)DNA双螺旋中的两股链走向是反平行的，一股链是5′→3′走向，另一股链是3′→5′走向。两股链之间在空间上形成一条大沟和一条小沟，这是蛋白质识别DNA的碱基序列，与其发生相互作用的基础。

DNA结构的多态性：

B-DNA：Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺旋，它是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行X－射线衍射图谱为依据进行推测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。

A-DAN：在以钾或绝作反离子，相对湿度为75%时，DNA分子的X－射线衍射图给出的是A构象，A－DNA每螺旋含11个碱基对，而且变成A－DNA后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。

Z－DNA：它是左手双螺旋，与右手螺旋的不同是螺距延长(4.5nm左右)，直径变窄(1.8nm)，每个螺旋含12个碱基对，分子长链中磷原子不是平滑延伸而是锯齿形排列，有如“之”字形一样，因此叫它Z构象，这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷酸；而且Z－DNA只有一个螺旋沟，它相当于B构象中的小沟，它狭而深，大沟则不复存在

§ 染色质和核小体：

真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质的形式存在的。染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位棗核小体成串排列而成的。DNA是染色体的主要化学成分，也是遗传信息的载体，约占染色体全部成分的27%，另外组蛋白和非组蛋白占66%，RNA占6%。

核小体是构成染色质的基本结构单位，使得染色质中DNA、RNA和蛋白质组织成为一种致密的结构形式。核小体由核心颗粒(core particle)和连接区DNA(linker DNA)二部分组成，在电镜下可见其成捻珠状，前者包括组蛋白H2A，H2B，H3和H4各两分子构成的致密八聚体(又称核心组蛋白)，以及缠绕其上一又四分之三圈长度为146bp的DNA链；后者包括两相邻核心颗粒间约60bp的连接DNA和位于连接区DNA上的组蛋白H1，连接区使染色质纤维获得弹性。

三、DNA的复制

1、DNA的半保留复制

§ 　　Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时即推测，DNA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。

2、DNA复制的一般过程：

DNA的复制可被分为三个阶段，即复制起始、延伸和终止。每个DNA复制的独立单元被称为复制子，主要包括复制起始位点和终止位点

在以3′→5′方向的母链为模板时，复制合成出一条5′→3′方向的前导链，前导链的前进方向与复制叉打开方向是一致的，因此前导链的合成是连续进行的，而另一条母链DNA是5′→3′方向，它作为模板时，复制合成许多条5′→3′方向的短链，叫做随从链，随从链的前进方向是与复制叉的打开方向相反的。随从链只能先以片段的形式合成，这些片段就叫做岗崎片段。

3、DNA复制具有以下特点：

§   ⒈）复制是半保留的。

§   ⒉）原核生物一般只有一个复制原点，真核生物有多个复制原点。

§   ⒊）复制可单向进行，也可双向进行，后者更为常见。

§   ⒋）复制是半不连续的，两条链都是以5‵→ 3‵方向合成，其中，前导链是连续合成的，后随链是不连续合成的，即先合成短的冈崎片段，再连接成后随链。

§   ⒌）复制开始时需要一段引物RNA ，在复制进行到一定程度后被切除，并以一段DNA代替。

§   ⒍）复制具有严格的保证复制准确性的机制。在复制过程中，有多种酶和蛋白质参与，可能就是保证复制准确性所必需的，DNA聚合酶的校正作用，也可能是保证复制准确性的数种途径之一。

DNA复制的起始点

§ 　　原核生物的整个染色体上一般只有一个复制起始位点。

§ 　　真核生物中，DNA的复制是从许多起始点同时开始的，所以每个DNA分子上有许多个复制子。

DNA复制的方向：

§ 　　定点开始双向复制：这是原核生物和真核生物DNA复制最主要的形式，从一个特定位点解链，沿着两个相反的方向各生长出两条链，形成一个复制泡。

§ 　　　　　　　　四 、 原核和真核生物DNA的复制特点

1.与原核生物不同，真核生物DNA复制有许多起始点，例如酵母S.cerevisiae的17号染色体约有400个起始点，因此，虽然真核生物DNA复制的速度(60核苷酸/每秒钟)比原核生物DNA复制的速度(E.coli 1700核苷酸/每秒钟)慢得多，但复制完全部基因组DNA也只要几分钟的时间。

2.　SV40病毒DNA主要依靠宿主细胞中的DNA复制体系进行DNA的复制，这是了解真核生物DNA复制的体外模型。在真核生物DNA复制叉处，需要两种不同的酶。DNA聚合酶α(polα)和DNA聚合酶δ(polδ)。polα和引物酶紧密结合，在DNA模板上先合成RNA引物，再由polα延长DNA链，这种活性还要复制因子C参与。同时结合在引物模板上的PCNA(增殖细胞核抗原)此时释放了polα，然后由polδ结合到生长链3′末端，并与PCNA结合，继续合成前导链。而随从链的合成靠polα紧密与引物酶结合并在复制因子C帮助下，合成岗崎片段。

　　3.由于真核生物染色体是线性DNA，它的两端叫做端区，端区是由重复的寡核苷酸序列构成的。例如酵母的端区重复序列是5′G(1?)T(3)3′。前面讲到所有生物DNA聚合酶都只能催化DNA从5′→3′的方向合成，因此当复制叉到达线性染色体末端时，前导链可以连续合成到头，而由于随从链是以一种不连续的形式合成岗崎片段，所以不能完成线性染色体末端的复制，如果这个问题不解决，真核生物在细胞分裂时DNA复制将产生5′末端隐缩，使DNA缩短，近十多年的研究表明，真核生物体内都存在一种特殊的反转录酶叫做端粒酶，它是由蛋白质和RNA两部分组成的，它以自身的RNA为模板，在随从链模板DNA的3′末端延长DNA，再以这种延长的DNA为模板，继续合成随从链。

五、DNA的修复

§ 1、错配修复

当子链中有错配碱基时，修复系统在母链甲基化腺苷酸的上游鸟苷酸5’位置切开子链并在切口处启动修复合成子链。

2、核苷酸切除修复

DNA切割酶能在已损伤的DNA核苷酸的5’和3’位分别切开磷酸糖苷键，产生两个小片段。

3、DNA直接修复

– 如DNA光解酶的作用、甲基转移酶的作用等。

六、DNA的转座　

DNA的转座：又称移位，是由可移位因子介导的遗传物质重排现象。

转座子（Tn)：存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位，最简单的为插入序列。

第三章　生物信息的传递（上）RNA的转录

一、 RNA的转录

以DNA为模板合成RNA的过程称为转录（transcription）。转录是生物界RNA合成的主要方式，是遗传信息朋DNA向RNA传递过程，也是基因表达的开始。转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的酶叫做依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）。转录产生初级转录物为RNA前体，它们必须经过加工过程变为成熟的RNA，才能表现其生物活性。

• DNA分子双链的划分：

　　

编码链：不作复制模板的DNA单链，又称有义链

模板链：作复制模板的DNA单链，又称反义链

1、转录的基本过程

• 转录的主要过程见图，为研究和叙述方便，可将RNA合成分为模板识别、转录起始、通过启动子及转录延长和终止四个阶段。

• 模板识别：RNA聚合酶与启动子DNA作用并与之结合。在DNA形成转录泡。

• 通过启动子：转录起始后直到9个核苷酸短链

• 转录延长： RNA聚合酶离开启动子，沿DNA链移动并产生新RNA链伸长。

• 终止：不再形成磷酸二酯键，RNA－DNA分离，转录泡瓦解，DNA恢复双链。

• RNA酶促合成的特点：

　（1）合成原料为ATP、GTP、CTP、UTP

　（2）的RNA在NDA模板上以RNA聚合酶酶促合成

　（3）只有一条DNA链作为一个基因的RNA模板，这可用人工分子杂交试验证实。

　（4）RNA链按照5’－3’方向（DNA链的3‘－5’）定向合成， RNA5‘端为三磷酸键。

2、转录机器的主要成分

• （1）依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）

• 真核和原核细胞内都存在有DDRP，迄今发现的DDRP的有以下特点：

• ①以DNA为模板；在DNA的两条多苷酸链中只有其中一条链作为模板（模板链），所以这种转录方式又叫做不对称转录。

• ③都遵循DNA与RNA之间的碱基配对原由，A=U，T=A，C=G，合成与模板DNA序列互补的RNA链。

• ④RNA链的延长方向是5’→3’的连续合成。

• ⑤需要Mg2+或Mn2+离子。

⑥并不需要引物。RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性，所以没有校正功能。

• RNA聚合酶的作用：

• 　（1） RNA聚合酶与DNA分子结合并识别DNA分子上的起始信号（全酶专一地与DNA启动子序列结合）

　　　RNA聚合酶的δ因子是识别启动子序列的主要因子，不同的δ因子使RNA聚合酶识别不同的启动子序列

• 　（2） RNA聚合酶使DNA双链由封闭型复合体转变为开放性复合体，使DNA局部解螺旋。

• 　（3）催化磷酸二酯键形成，使RNA链延长

• 　（4）识别DNA上的终止子序列，使RNA合成终止。

（2）转录复合物：

• 启动子选择阶段RNA聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭复合物

• 封闭复合物→DNA解链→开放复合物

• 开放复合物：RNA聚合酶、DNA、新生RNA→三元复合物

二、启动子与转录起始

• （一）识别

• 　　转录是从DNA分子的特定部位开始的，这个部位也是RNA聚合酶全酶结合的部信这就是启动子。为什么RNA聚合酶能够仅在启动子处结合呢？显然启动子处的核苷酸序列具有特殊性，为了方便，人们将在DNA上开始转录的第一个碱基定为+1，沿转录方向顺流而下的核苷酸序列均用正值表示；逆流而上的核苷酸序列均用负值表示。

启动子的结构:

对原核行物的100多个启动子的序列进行了比较后发现；在RNA转录起始点上游大约-10bp和-35bp处有两个保守的序列，在-10bp附近，有一组5’-TATAATpu的序列，这是Pribnow首先发现的称为Pribnow框，RNA聚合酶就结合在互部位上。-35bp附近，有一组5’-TTGACG-的序列；

• 　　启动子:启动基因转录的一段DNA序列。

• 　　不同的启动子序列有所不同，有一些共同的规律，它们一般长40－60bp，含A碱基对较多，某些段落是很相似的，这些相似的保守性段落称为共有性序列。如图所示，启动子一般可分为识别(R)、结合(B)和起始(I)三个区段。转录起始第一个碱基(通常标记位置为＋1)最常见的是A；在－10bp