《分子生物学》复习资料（一）

第一章  蛋白质的分子结构
1、蛋白质的三维结构称为构象，指的是蛋白质分子中所有原子在三维空间中的排布，并不涉及共价键的断裂和生成所发生的变化。
2、维持和稳定蛋白质高级结构的因素有共价键(二硫键)和次级键，次级键有4种类型，即离子键、氢键、疏水性相互作用和范德瓦力。
3、蛋白质的二级结构是指肽链中局部肽段的构象，它们是完整肽链构象(三级结构)的结构单元，是蛋白质复杂的立体结构的基础，因此二级结构也可以称为构象单元。α螺旋、β折叠是常见的二级结构。
4、一些肽段有形成α螺旋和β折叠两种构象的可能性(或形成势)，这类肽段被称为两可肽。
5、两个或几个二级结构单元被连接肽段连接起来，进一步组合成有特殊几何排列的局域立体结构，称为超二级结构。超二级结构的基本组织形式有αα，βαβ和ββ等3类。
6、蛋白质家族：一类蛋白质的一级结构有30％以上同源性，或一级结构同源性很低，但它们的结构和功能相似，它们也属于同一家族。例如球蛋白的氨基酸序列相差很大，但属于同一家族。
超家族：有些蛋白质家族之间，一级结构序列的同源性较低，但在许多情况下，它们的结构和功能存在一定的相似性。这表明它们可能存在共同的进化起源。这些蛋白质家族属于同一超家族。
7、结构域是一个连贯的三维结构，是可互换并且半独立的功能单位，在真核细胞中由一个外显子编码，由至少40个以上多至200个残基构成最小、最紧密也最稳定的结构，作为结构和功能单位，会重复出现在同一蛋白质或不同蛋白质中。
8、蛋白质一级结构所提供的信息有哪些？
①同源蛋白质的物种差异与生物进化。不同物种之间可变残基差异的数目可提供物种之间亲源关系远近的信息。
②可以从一级结构推测出蛋白质的高级结构。
③在蛋白质数据库中，可根据某种蛋白质或其肽段的一级结构对数据库进行同源性搜索，与已知蛋白质进行序列比较。
④在搜索功能上可能无关的蛋白质中发现有相关的同源性序列，揭示了一些蛋白质还可能具有未被认识的新功能。
9、α-螺旋、β-折叠各自的特点？
①α-螺旋的特点：◆蛋白质多肽链像螺旋状盘曲，每隔3.6个氨基酸残基沿中心轴螺旋上升一圈，每上升一圈沿螺旋轴方向上升0.54nm，即每个氨基酸残基向上升高0.15nm，每个氨基酸残基沿中心轴旋转100°。◆α-螺旋的稳定性是靠链内氢键维持的，相邻的螺圈之间形成链内氢键，氢键的取向几乎与中心轴平行。氢键是由每个氨基酸残基的N-H与前面隔3个氨基酸的C=O形成的，肽链上所有的肽键都参与了氢键的形成，因此α-螺旋相当稳定。◆α-螺旋中氨基酸残基的侧链伸向外侧。α-螺旋有左手螺旋和右手螺旋两种，但天然蛋白质的α-螺旋，绝大多数为右手螺旋。
②β-折叠的特点：◆由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间氢键交联而形成。肽链的主链呈锯齿状折叠现象，α-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团交替分布在片层的两侧。◆β-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。◆β-折叠有两种类型：一为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边，另一为反平行式。
第二章  核酸的结构
1、DNA是由脱氧核糖核苷酸组成的长链多聚物，是遗传物质。具有下列基本特性：
①具有稳定的结构，能进行复制，特定的结构能传递给子代；
②携带生命的遗传信息，以决定生命的产生、生长和发育；
③能产生遗传的变异，使进化永不枯竭。
2、DNA链的方向总是理解为从5’—P端到3’—OH端。DNA的一级结构实际上就是DNA分子内碱基的排列顺序。
3、DNA是双螺旋结构：主链由脱氧核糖和磷酸基团以3’，5’—磷酸二酯键交互连接构成的，在双螺旋的外侧，碱基在内侧，碱基必须配对。一条链绕着另一条链旋转、盘绕，一条链上的嘌呤与另一条链上的嘧啶相互配对，嘌呤与嘧啶以氢键保持在一起。
4、双螺旋DNA熔解成单链的现象称为DNA变性。已经变性的DNA在一定条件下重新恢复双链的过程称为复性。
5、染色质是以双链DNA为骨架，与组蛋白、非组蛋白以及少量的各种RNA等共同组成丝状结构。在染色质中，DNA和组蛋白的组成非常稳定，非组蛋白和RNA随细胞生理状态不同而有变化。
6、常染色质是在细胞间期核内染色体折叠压缩程度较低，处于伸展状态，碱性染性着色较浅而均匀的那些染色质。主要是单一拷贝和中度重复序列。
异染色质是在细胞间期核内染色质压缩程度较高，处于凝集状态，碱性染料着色较深的部分。
7、核小体是构成真核生物染色质的基本结构单位，是DNA和蛋白质构成的紧密结构形式。
8、RNA的种类及其各自的特点？
①RNA分为rRNA，tRNA，mRNA。
②rRNA二级结构为茎状；tRNA二级结构呈三叶草形，三级结构形状像一个倒写L字母；真核细胞mRNA3′端有一段长约200核苷酸的PloyA，5′端有一个帽子结构。
③在蛋白质合成中的作用：mRNA作为蛋白质多肽链合成的直接模板，其5′端帽子结构可能与蛋白质合成的正确起始有关，可协助核糖体与mRNA相结合，使翻译作用在AUG处开始。rRNA与蛋白质结合形成核糖体，是蛋白质合成场所。tRNA的主要作用是转运氨基酸，在蛋白质合成起接头作用。
第三章 基因和基因组
1、基因被定义为转录功能单位，是编码一种可扩散产物的一段DNA序列，其产物可以是蛋白质或RNA。一个完整的基因应该由两部分组成，即编码区和调控区。
2、基因组是一种生物染色体内全部遗传物质的总和，包括构成基因和基因之间区域的所有DNA。所谓总和，还应该指该物种的不同DNA功能区域在DNA分子上结构分布和排列的情况。基因组以及基因一般以DNA的长度和序列表示。
3、病毒基因组的结构特点：
①与细菌相比较，病毒的基因组很小，所含遗传信息量较小，只能编码少数的蛋白质。
②病毒基因组由DNA或RNA组成。核酸的结构可以是单链或双链、闭合环状或线状分子。
③常有基因重叠现象，即同一DNA分子序列可以编码2种或3种蛋白质分子。
4、细菌基因组的一般特点:
①基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成。但现发现有越来越多的线形基因组。
②只有一个复制起始点。
③有操纵子的结构。数个相关（参与一个生化过程）的结构基因串联在一起，受同一调控区调节，合成多顺反子mRNA。
④编码蛋白质的结构基因是单拷贝的，但rRNA基因往往是多拷贝的。
⑤非编码的DNA所占比例少，类似病毒基因组。
⑥基因组DNA具有多种调控区，如复制起始区、复制终止区、转录启动子、转录终止区等特殊序列。
⑦与真核生物类似，具有可移动的DNA序列。
5、真核生物基因组特点:
①基因组的分子量大。低等真核生物大约107-108 bp,而高等真核生物为5×108-1010 bp
②真核生物细胞往往有很多染色体，一般呈线状。每个染色体DNA有很多复制起始点。
③细胞核DNA与蛋白质稳定地结合成染色质的复杂结构。染色质内除了含有DNA和组蛋白外，还有大量非组蛋白。
④由于存在核膜，细胞被分隔成细胞核和细胞质，因此，在基因表达中，转录和翻译在时间和空间上是分隔的，不偶联的。
⑤基因组的大量序列是非编码序列，有大量重复序列。
⑥真核生物的蛋白质基因往往是单拷贝存在，转录产物是单顺反子mRNA。
⑦存在一些可移动的DNA序列。
⑧绝大多数真核生物基因含有内含子，因而基因编码区是不连续的。
⑨真核生物基因内部也可能含有大量的重复序列。
6、基因家族：一组功能类似、结构具有同源性的基因称为基因家族。基因家族的分类有多种方式。基因家族各成员在结构上非常类似，具有保守性，如rRNA基因家族，但基因之间的间隔区可以有很大的长度差异和序列差异。重要的基因家族：rRNA基因家族、5S rRNA基因、组蛋白基因家族、珠蛋白基因家族、生长激素基因家族、超基因。
7、超基因:是指一组由多基因和单基因组成的更大的基因家族。在高等真核细胞中，一个基因簇内含有数百个功能相关的基因，它们可能是由基因扩增后结构上轻微变化而产生的，这些基因的结构有程度不等的同源性，功能上仍保持原始基因的基本功能，或者进化成具有相关而不同的新功能，这样的一簇基因称为超基因家族。有免疫球蛋白超基因家族、核受体超基因家族、细胞因子超基因家族等。
8、在初始转录产物hnRNA加工产生成熟的mRNA时，被切除的非编码序列称为内含子。在成熟的mRNA或蛋白质中存在的序列称为外显子。基因的不连续性是真核生物基因所特有的，但不是所有真核生物基因都一定具有这种不连续性。
9、内含子的功能：
①含有可阅读框架(ORF)，内含子的ORF可能编码酶或蛋白质，其中包括逆转录酶、成熟酶。
②含有各种剪接信号码，内含子编码的成熟酶直接参与内含子本身的剪接功能。
③对基因表达有影响，内含子对基因表达在多个水平上施加影响。内含子中的增强子序列增加了基因转录的起始反应。
10、人类基因组计划(HGP)的总体目标是要完成人类全部24条染色体3×109bp序列的分析。具体包括：
①人类基因组作图(遗传学图谱、物理图谱) 。
②对基因组DNA进行切割和克隆。
③测定基因组的全部DNA序列。
④基因的鉴定。
⑤信息系统的建立、信息的储存和处理以及相应软件的开发。
11、结构基因组学:以全基因组测序为目标的基因结构研究，阐述基因组中基因的位置和结构，为基因功能的研究奠定基础。
12、功能基因组学:是利用结构基因组学提供的信息，以大规模实验方法及统计与计算机分析，全面系统地分析全部基因的功能。
13、蛋白质组:是一个基因组在特定细胞内所表达的蛋白质。对于一种生物来说，它的基组DNA基本上是恒定的，但蛋白质组是动态的。也就是不同组织的细胞中蛋白质组是不同的，在同一细胞的不同生长状态、病理状态下也是不一样的。蛋白质组只指某一特定时间内的蛋白质集合体。
14、生物信息学：是用数理和信息科学的观点、理论和方法去研究生命现象，组织和分析呈指数增长的生物学数据的一门学科。生物信息学位于生物、计算机、数学等多个领域的交叉点上，其研究目标是揭示“基因组信息结构的复杂性及遗传语言的根本规律”。生物信息学包含了基因组信息学、蛋白质结构模拟和药物设计等3个组成部分。目前的研究包括下面几个方面：
①相关信息的收集、储存、管理与提供。
②新基因的发现和鉴定。
③非编码区的信息结构分析。
④大规模基因功能表达谱的分析。
⑤蛋白质分子空间结构预测、模拟和分子设计。
⑥药物开发。
第五章　基因工程原理
一、基本概念
1.基因工程：是对携带遗传信息的分子进行设计和施工的分子工程，包括基因重组、克隆和表达。核心是构建重组体DNA的技术。
2.基因组DNA文库：是某一生物体的染色体全部DNA序列被随机切割成适当大小的片段后，插入到载体内构成的DNA文库。理论上，全部重组克隆含有该生物全部遗传信息的总和。
3.cDNA基因文库：是从某类真核细胞分离总的polyA+-mRNA，经逆转录合成互补的 DNA，从单链的cDNA用DNA聚合酶合成双链cDNA。全部双链cDNA插入到载体那，构成重组DNA。重组载体转化 E.coli后得到的克隆总和。
4.扣除文库：将两种不同组织来源的mRNA进行比较，用扣除杂交排除相同部分，即共同表达的那部分mRNA，选出剩余有差异的，特异表达的mRNA构建成cDNA文库。
5.分子杂交：是指具有一定同源性的两条核酸单链在一定条件下可按碱基配对的原则退火成双链的过程。是分子生物学最常用的方法之一。
6.PCR：即聚合酶链式反应，扩增样品中的DNA量和富集众多DNA分子中的一个特定的DNA序列的一种技术。在该反应中，使用与目的DNA序列互补的寡核苷酸作为引物，进行多轮DNA合成。其中包括DNA变性、引物退火和在TaqDNA聚合酶催化下的DNA合成。
7.物理图谱：是DNA片段上限制性内切酶酶切位点的图谱，表示各种限制性内切酶识别位点在DNA序列上的线性排列。指的是DNA序列上两点间的实际距离。
8.Southern杂交：用于检测DNA片段混合物中存在特定序列的技术。又称Southern印迹。检验的目的DNA通常用一种或一种以上的限制性内切酶酶切，得到各种特定长度的片段，在凝胶电泳中依长度分成条带，DNA片段原位地转移到NC膜或尼龙膜上。然后，膜上的DNA片段与标记的探针DNA进行杂交，已杂交的DNA片段可通过标记的探针进行放射性或显色反应定位。
9.Northern杂交：从真核生物的特定组织或发育阶段的细胞分离出全部RNA或mRNA，用变性凝胶电泳分离后转移到NC膜上。用变性的探针DNA对NC膜上的RNA进行杂交。从显影或显色反应判断阳性杂交的存在。
10.亚克隆：当载体中插入的外源DNA片段太大，难以作摹写分析或操作时，需要对该克隆片段作些再切割，将大的DNA片段切称较小的片段，然后再与另外的新载体重组，并进行转化程序，这个过程称为亚克隆。
二、思考题
1.PCR技术原理的是什么？
PCR技术是利用两种寡核苷酸引物，分别与双链DNA片段的两端互补，形成DNA聚合酶反应中的模板和引物的关系，这是PCR技术的核心。PCR聚合酶反应体系的一些重要条件包括：模板、一对寡核苷酸引物、4种底物dNTP和Tap DNA聚合酶。反应分为3步：双链模板DNA变性、退火和链的延伸。
2.基因工程中工具酶的种类？
①限制性内切酶，②DNA连接酶，③DNA聚合酶，④逆转录酶，⑤RNA聚合酶。
3.DNA聚合酶的特点？
①需要提供合成模板；
②不能起始新的DNA链，必须要有引物提供3'－OH；
③合成的方向都是5'→3';
④除聚合DNA外还有其它功能;
⑤以脱氧核苷酸三磷酸(dNTP)为前体催化合成DNA。
4.熟悉基因工程载体的种类和特点？
①种类：质粒载体，λ噬菌体载体，M13噬菌体载体，柯斯质粒载体，细菌人工染色体，酵母人工染色体，动物病毒载体
②特点：◆载体DNA是单个复制单元，在宿主细胞内应具有独立复制能力；◆分子量尽可能的小，便于细胞中分离纯化，离体条件下操作；◆含有多种限制行内切酶的单一切点；◆载体内有不影响其复制，生长的非必要区域；◆具有多种选择行标记。
5.基因工程载体的基本要求，基因工程的基本步骤？
①基本要求：
◆载体能够独立复制,具有复制起点。
◆应具有灵活的克隆位点和方便的筛选标记。
◆应具有很强的启动子，能为大肠杆菌RNA聚合酶所识别。
◆应具有阻遏子，使启动子受到控制，只有当诱导时才能进行转录。
◆应具有很强的终止子，只转录克隆的基因，所产生的mRNA较为稳定。
◆所产生的mRNA必须具有翻译的起始信号AUG和SD序列，以便转录后顺利翻译。
②基本步骤：
◆目的DNA的获得；◆载体的选择与构建；
◆目的DNA与载体的重组；◆重组DNA的转化或转染；
◆筛选含有重组DNA分子的宿主细胞，获得克隆。
6.DNA文库构建的基本步骤？
①细胞核DNA的分离；
②适当的限制性内切酶酶切DNA；
③DNA片段与载体的连接，导入E.coli等工程菌株；
④基因文库特性的检测，筛选。
第六章  DNA的复制
一、名词解释
1.DNA半保留复制：DNA复制时，亲代DNA双螺旋结构解开，分别以解开的两股单链为模板，以dNTP为原料，按照碱基互补的原则，合成与模板链互补的新链，从而形成两个子代DNA双链，其结构与亲代DNA双链完全一致。因子代DNA双链中的一股单链源自亲代，另一股单链为合成的新链，形成的双链与亲代双链的碱基序列完全一致，故称为半保留复制。
2.复制叉：原核生物DNA的复制从单一起点开始，双螺旋结构被打开，分开的两股单链分别作为新DNA合成的模板，DNA合成从起点开始向两个方向进行，与单一起点相连的局部结构形状呈“Y”型，称复制叉结构。
3.复制子：基因组中能独立进行复制的DNA单位称为复制子或复制单位。它含有控制复制起始或终止的特定位点，从复制起始点到终止点的区域为一个复制子。
4.半不连续复制：复制过程中，催化DNA 合成的DNA聚合酶只能催化核苷酸从5’→3’方向合成，以3’→ 5’链为模板时，新生的DNA以5’→3’方向连续合成；而以5’→3’为模板只能合成若干反向互补的岡崎片段，这些片段再相连成完整的新链，故称半不连续复制。
5.前导链：与复制叉移动的方向一致，通过连续的5ˊ-3ˊ聚合合成的新的DNA链。
6.滞后链：与复制叉移动的方向相反，通过不连续的5ˊ-3ˊ聚合合成的新的DNA链。
7.冈崎片段：DNA双链是反向平行的，复制时，亲代双链DNA在复制叉处打开，由于新链的合成具有方向性，即从5’→3’，以5’→3’DNA链为模板合成反向互补的新链时，只能合成小片段DNA，这些片段根据发现者命名为岡崎片断。
二、思考题
1.DNA复制的特征？
①绝大多数DNA和RNA的生物合成，均按照碱基配对原则，以预先存在的DNA链为模板，逐个复制，生成新的拷贝。
②DNA或RNA链的生物合成只能以5´→3´方向进行。
③特异的聚合酶类催化核酸的生物合成。
④在核酸生物合成中，聚合酶的底物核苷酸要求总是5´核糖核苷酸，即5´-NTP或5´-dNTP。
⑤RNA聚合酶进行聚合反应时，能够直接以NTP为底物，逐个聚合，即从头合成RNA。
2.复制过程的几个阶段？
以E.coli为例，DNA复制过程分为三个阶段：
①起始：从DNA上控制复制起始的序列即起始点开始复制，形成复制叉。复制方向多为双向，也可以是单向，若以双向进行复制，两个方向的复制速度不一定相同。由于DNA聚合酶不能从无到有合成新链，所以DNA复制需要有含3′-OH的引物，引物由含有引物酶的引发体合成一段含3～10个核苷酸的RNA片段。
②延长：DNA复制时，分别以两条亲代DNA链为模板，当复制叉沿DNA移动时，以亲代3′→5′链为模板时，子链的合成方向是5′→3′，可连续进行；以亲代5′→3′链为模板时，子链不能以3′→5′方向合成，而是先合成出许多5′→3′方向的冈崎片段，然后连接起来形成一条子链。
③终止：当一个冈崎片段的3′-OH与前一个冈崎片段的5′-P接近时，复制停止，由DNA聚合酶Ⅰ切除引物，填补空隙，连接酶连接相邻的DNA片段。
3.线粒体DNA的复制模式？
4.DNA链延伸的几个阶段？
5.真核与原核生物的复制相同点与差异之处？
①相同点：◆复制起始点都含有若干短的重复序列的独特DNA片段；◆这些短的重复序列北多种结合蛋白所识别，这些蛋白质在ori位点上的复合物对复制机构的装配起着关键的作用。◆复制起始点是富含A-T的DNA序列。有利于双螺旋DNA的解链。
②差异：◆真核生物的DNA比原核DNA分子大得多且不裸露，与组蛋白结合成核小体，以染色质结构形式存在；◆真核的每条染色体有多个复制起始位点，而原核只有一个起始位点；◆真核染色体在全部复制完成之前各个起始点上不能开始新一轮的复制，受到一种复制的调控。而原核DNA的起始点可以连续地开始新的复制事件，表现为一个复制子上有多个复制叉存在。
6.DNA损伤修复的种类？
DNA的修复方式可分为直接修复和取代修复两大类。
直接修复包括光复活、转甲基作用和直接连接作用，均属于无差错修复。
取代修复包括切除修复、重组修复和SOS修复，后两者属于有差错倾向修复。
7.原核DNA聚合酶的一般特性？
原核细胞有三种DNA聚合酶，都与DNA链的延长有关。
DNA聚合酶Ⅰ是单链多肽，可催化单链或双链DNA的延长；
DNA聚合酶Ⅱ则与低分子脱氧核苷酸链的延长有关；
DNA聚合酶Ⅲ在细胞中存在的数目不多，是促进DNA链延长的主要酶。