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生物化学总结

生化小结

第十章DNA的生物合成

一．DNA复制（replication）：

是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。

分子基础：

碱基互补配对和DNA的二级结构。

化学本质：

酶促反应。

参与物质：

酶和蛋白质因子。

二．半保留复制是DNA复制的基本特征。

1.半保留复制（semi-conservativereplication）：

DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板（template）按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。

子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全从新合成。

两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。

2.意义：

按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。

三．DNA复制从起始点向两个方向延伸形成双向复制。

1.双向复制：

原核生物复制时，DNA从起始点（origin）向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉。

2.复制子（replicon）：

真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。

习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子（replicon）。

复制子是独立完成复制的功能单位。

四．DNA一股子链复制的方向与解链方向相反导致半不连续复制。

1.DNA复制是有方向性：

总是沿着子链的5’--3’方向合成，这种方向的形成取决于DNA聚合酶的聚合活性，在同一个复制叉上只有一个解链方向。

2.顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链（leadingstrand）。

3.另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链（laggingstrand）。

复制中的不连续片段称为岡崎片段（okazakifragment）。

4.领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。

五．参与DNA复制的物质：

底物（dATP,dGTP,dCTP,dTTP）、聚合酶（依赖DNA的DNA聚合酶，简写为DNA-pol）、模板（解开成单链的DNA母链）、引物（提供3’-OH末端使dNTP可以依次聚合）、其他的酶和蛋白质因子

六．核苷酸和核苷酸之间生成磷酸二酯键是复制的基本化学反应，（dNMP）n+dNTP→（dNMP）n+1+PPi。

1.DNA聚合酶（DNA-pol）催化核苷酸之间聚合。

活性：

3’--5’的聚合活性，核酸外切酶活性（3’--5’外切酶能辨认错配的碱基对，并将其水解；5’--3’外切酶能切除突变的DNA片段）。

2.原核生物的DNA聚合酶分为DNA-polⅠ、DNA-polⅡ、DNA-polⅢ三型，都具有5`——3`聚合的活性和3`——5`核酸外切酶的活性。

DNA-polⅠ：

只能催化延长约20核苷酸左右；对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。

DNA-polⅡ：

DNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活；在I和III缺失情况下暂时起作用；对模板的要求不高，它参与DNA损伤的应急状态修复。

DNA-polⅢ：

活性远高于I，是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。

3.常见的真核细胞DNA聚合酶有DNA-pol（起始引发，有引物酶活性）、DNA-pol（参与低保真度的复制）、DNA-pol（在线粒体DNA复制中起催化作用）、DNA-pol（延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性）、DNA-pol（在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用）五种。

4.核酸外切酶的校读活性和碱基选择功能是复制保真性的酶学依据。

核酸外切酶（exonuclease）：

能从核酸链的末端把核苷酸依次水解出来的酶，外切酶是有方向性的。

5.DNA复制的保真性至少要依赖三种机制。

（遵守严格的碱基配对规律；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；复制出错时DNA-pol的及时校读功能）

七．复制中的分子解链伴有DNA分子拓扑学变化。

1.解螺旋酶（helicase）：

利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链。

2.引物酶：

依赖DNA的RNA聚合酶在模板的复制起始部位催化NTP的聚合,形成短片段的RNA。

这一小段RNA作为复制的引物，提供3’-OH末端，使DNA-pol能够催化dNTP聚合。

3.单链DNA结合蛋白（SSB）：

在复制中维持模板处于单链状态，保护单链的完整。

八．DNA拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态、理顺DNA链。

包括拓扑异构酶Ⅰ、拓扑异构酶Ⅱ，既能水解、又能连接磷酸二酯键。

1.拓扑异构酶Ⅰ作用机制：

切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态；反应不需ATP。

2.拓扑异构酶Ⅱ作用机制：

切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛；利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。

九．DNA连接酶连接DNA双链中的单链缺口。

1.作用方式：

连接DNA链3’-OH末端和相邻DNA链5’-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。

2.功能:

DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用,在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用,也是基因工程的重要工具酶之一。

十．原核生物DNA复制起始：

DNA解链形成引发体。

1.DNA解开成单链，提供模板：

E.coli复制起始点oriC。

2.形成引发体，合成引物，提供3’-OH末端：

含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。

引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。

十一.原核生物DNA复制延长：

复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。

1.领头链的合成：

领头链的子链沿着5→3方向可以连续地延长。

2.随从链的合成：

3.同一复制叉上领头链和随从链由相同的DNA-pol催化延长。

十二.原核生物DNA复制终止：

切除引物、填补空缺、连接切口。

十三.真核生物的DNA生物合成中，细胞能否分裂，决定于进入S期及M期这两个关键点。

G1→S及G2→M的调节，与蛋白激酶活性有关；蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。

十四.真核生物复制的起始与原核基本相似。

1.真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。

复制有时序性，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。

复制的起始需要DNA-polα（引物酶活性）和polδ（解螺旋酶活性）参与。

还需拓扑酶和复制因子（RF）。

2.增殖细胞核抗原（PCNA）在复制起始和延长中起关键作用。

PCNA为同源三聚体，具有与E.coliDNA聚合酶Ⅲ的β亚基相同的功能和相似的构象，即形成闭合环形的可滑动DNA夹子，在RFC的作用下PCNA结合于引物－模板链；并且PCNA使polδ获得持续合成能力。

PCNA水平也是检验细胞增殖的重要指标。

3.细胞能否分裂，决定于进入S期及M期这两个关键点。

G1→S及G2→M的调节，与蛋白激酶活性有关。

蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。

相关的激酶都有调节亚基即细胞周期蛋白（cyclin），和催化亚基即细胞周期蛋白依赖激酶（CDK）。

哺乳类动物细胞内还发现天然抑制CDK的蛋白质，例如锚蛋白（ankynin）是CDK4的特异性抑制物，P21蛋白能抑制多种CDK。

锚蛋白和P21蛋白的抑制/活化可使细胞周期开放/关闭，因此被形容为细胞周期的检查点（checkpoint）蛋白。

十五.真核生物复制的延长发生DNA聚合酶α/δ转换。

DNA-polδ和polα分别兼有解螺旋酶和引物酶活性。

在复制叉及引物生成后，DNA-polδ通过PCNA的协同作用，逐步取代polα，在RNA引物的3’-OH基础上连续合成领头链。

随从链引物也由polα催化合成。

然后由PCNA协同，polδ置换polα，继续合成DNA子链。

十六.端粒酶参与解决染色体末端复制问题。

1.染色体DNA呈线状，复制在末端停止；复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接；染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙。

2.端粒（telomere）：

指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。

其结构特点为：

由末端单链DNA序列和蛋白质构成；末端DNA序列是多次重复的富含G、C碱基的短序列。

功能为：

维持染色体的稳定性，维持DNA复制的完整性。

3.端粒酶（telomerase）由端粒酶RNA（hTR）、端粒酶协同蛋白（hTP1）、端粒酶逆转录酶（hTRT）组成。

4.端粒酶的催化延长作用：

爬行模型。

十七.逆转录病毒细胞内的逆转录现象:

RNA模板经逆转录酶生成DNA-RNA杂化双链，接着在RNA酶作用下生成单链DNA，最后在逆转录酶作用下生成双链DNA。

十八.cDNA：

为试管内合成，以mRNA为模板，经逆转录合成的与mRNA碱基序列互补的DNA链。

十九.滚环复制（rollingcirclereplication）：

某些低等生物的复制形式，如X174和M13噬菌体等。

二十.D环复制（D-loopreplication）:

是线粒体DNA的复制形式。

二十一.遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。

在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤（DNAdamage）。

1.错配：

DNA分子上的碱基错配称点突变（pointmutation），包括转换（同型碱基间）和颠换（异型碱基间）。

2.缺失：

一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。

3.插入：

原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。

4.重排：

DNA分子内较大片段的交换。

5.框移突变三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变，缺失或插入都可导致框移突变。

二十二.DNA损伤的修复:

1.光修复。

2.切除修复：

是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。

3.重组修复：

作用于单链

4.SOS修复：

当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。

在E.coli，各种与修复有关的基因，组成一个称为调节子（regulon）的网络式调控系统。

这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。

通过SOS修复，复制如能继续，细胞是可存活的；然而DNA保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。

第十一章RNA的生物合成

一．中心法则（TheCentralDogma）：

是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。

也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA的复制过程。

这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。

在某些病毒中的RNA自我复制和在某些病毒中能以RNA为模板逆转录成DNA的过程是对中心法则的补充。

二．转录（transcription）：

生物体以DNA为模板合成RNA的过程。

1.RNA合成有转录与RNA复制两种形式。

2.与复制相同处：

酶促的核苷酸聚合过程，以DNA为模板，依赖DNA的RNA聚合酶，产物是磷酸二酯键连接的核苷酸链，都从5`-3`方向合成新链，遵从碱基配对规律。

3.与复制不同处：

模板（不对称转录）、产物、配对、原料（NTP）、酶（RNA-pol）。

三．原核生物的转录模板。

1.结构基因（structuralgene）：

DNA分子上转录出RNA的区段。

2.不对称转录（asymmetrictranscription）：

在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录；模板链并非永远在同一条单链上。

3.转录是有方向性的，按照产物链的5`向3`方向延长。

4．DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链（templatestrand），也称作有意义链或Watson链。

相对的另一股单链是编码链（codingstrand），也称为反义链或Crick链。

四．RNA聚合酶能直接启动RNA链的合成。

1.DNA依赖的RNA聚合酶催化合成RNA，RNA合成的化学机制与DNA依赖的DNA聚合酶催化DNA合成相似，（NMP）n+NTP→（NMP）n+1+PPi。

2.RNA聚合酶通过在RNA的3’-羟基端加入核苷酸延长RNA链，以5’到3’方向合成RNA。

3.DNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。

RNA聚合酶和DNA的特殊序列--启动子（promoter）结合后，就能启动RNA合成。

五．RNA聚合酶由多个亚基组成。

1.亚基：

α（决定哪些基因被转录）、β（催化功能）、β’（结合DNA模板）、σ（辨认起始点）。

2.全酶（holoenzyme）：

作用于转录起始阶段，由以上四种亚基组成。

3.核心酶（coreenzyme）：

作用于整个转录过程由αββ’三种亚基组成。

4.热休克蛋白、热休克反应与σ因子的转变（70→32）。

5.利福平（抗结核）对RNA聚合酶β亚基有专一性抑制，用以判断β亚基在转录中的作用。

六．RNA聚合酶结合到DNA的启动子上启动转录。

1.转录是不连续、分区段进行的。

每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子（operon）。

操纵子包括若干个结构基因及其上游的调控序列。

2.RNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子（promoter）。

启动子是控制转录关键部位。

原核生物以RNA聚合酶全酶结合到DNA启动子上而起动转录，其中由σ亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。

3.RNA-pol与1－10区（PribnowBox，富含TATAAT）的结合比与－35区的结合牢固。

－35区是RNA－pol对转录起始的辨认位点，辨认结合后，酶向下游移动，达到－10区，就跨入转录起始点，形成相对稳定的转录复合物，开始进行转录。

七．转录起始需要RNA聚合酶全酶。

从RNA-pol结合到启动子，到第一个NTP加入形成转录起始复合物（RNApol

（2）-DNA-pppGpN-OH3）。

八．原核生物转录起始过程：

1.RNA聚合酶识别启动子并与模板结合，形成闭合转录复合体。

2.DNA双链局部解开，形成开放转录复合体。

3.σ因子识别转录起始点。

先识别-35区，移向-10区，跨入转录起始位点。

（转录起始或延长中，DNA双链的解开范围比复制叉小得多；转录不需要引物，RNA-pol可以把两个与模板配对相邻核苷酸形成磷酸二酯键。

）

4.第一个核苷酸常为GTP或ATP，与第二个核苷酸形成四磷酸二核苷酸，这种结构在转录过程中一直保留。

在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物。

（5-pppG-OH+NTP5-pppGpN-OH3+ppi）

5.第一个磷酸二酯键形成后，亚基即从起始复合物上脱落。

核心酶进入延长阶段。

亚基脱落可以促进转录，也是其循环利用的基础。

九．原核生物的转录延长时蛋白质的翻译也同时进行。

1.亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。

2.转录空泡（transcriptionbubble）：

由RNA-pol、DNA、RNA组成。

3.转录产物形成与转录产物向外延伸。

（DNA/DNA双链的结构比DNA/RNA杂化双链稳定；GC比AT稳定，AT比AU稳定；转录完成后的局部DNA单链会自动回复成双链）

4.原核生物转录过程中的羽毛状现象。

（在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行；转录尚未完成，翻译已在进行；真核生物没有这种现象）

十.原核生物依赖Rho因子的转录终止。

1.试管内的转录产物长于细胞内的转录产物，促进了ρ因子的发现。

2.ρ因子对polyC的结合力最强，而产物RNA的3`端有丰富的C。

3.转录终止信号是存在于产物RNA中而不是模板DNA中。

4.ρ因子的结构与三个活性。

十一.原核生物不依赖Rho因子的转录终止。

1.DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。

2.茎环结构使转录终止的机理：

使RNA聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，RNA产物释放；3`端的寡聚U是RNA从模板脱落的促进因素。

十二.真核生物有DNA依赖性RNA聚合酶。

1.Ⅰ型转录产物为45s-rRNA，Ⅱ型转录产物为hnRNA，Ⅲ转录产物为5s-rRNA、tRNA、snRNA。

2.所有真核生物的RNA聚合酶都有几个不同的大亚基和十几个小亚基。

3.羧基末端结构域（CTD）：

RNA聚合酶Ⅱ最大亚基的羧基末端有一段共有序列为Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser重复序列片段。

这一序列在RNA聚合酶Ⅱ中是独一无二的；所有真核生物的RNA聚合酶Ⅱ都具有CTD，只是共有序列的重复程度不同；去磷酸化的CTD在转录起始中发挥作用。

十三.转录起始需要启动子、RNA聚合酶和转录因子的参与。

十四.转录起始前的上游区段具有启动子核心序列。

1.不同物种、不同细胞或不同的基因，转录起始点上游可以有不同的DNA序列，但这些序列都可统称为顺式作用元件（cis-actingelement）。

2.顺式作用元件包括启动子、启动子上游元件等近端调控元件和增强子等远隔序列。

3.起始点上游多数有共同的TATA序列，称为Hognest盒或TATA盒（TATAbox）。

通常认为这就是启动子的核心序列。

4.许多RNA聚合酶II识别的启动子具有保守的共有序列：

位于转录起始点附近的起始子（Inr）。

5.启动子上游元件是位于TATA盒上游的DNA序列，多在转录起始点约-40～-100nt的位置，比较常见的是GC盒和CAAT盒,与上游元件结合的蛋白质称为上游因子，如SP1与GC盒结合，CEBP与CAAT盒的结合。

6.增强子是能够结合特异基因调节蛋白，促进邻近或远隔特定基因表达的DNA序列。

可诱导因子与增强子结合，如HIF-1等。

十五.转录因子：

1.

能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子（trans-actingfactors）。

2.反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子（TF）。

3.RNA聚合酶II与启动子的结合、启动转录需要多种蛋白质因子的协同作用。

通常包括：

可诱导因子或上游因子与增强子或启动子上游元件的结合；转录因子在启动子处的组装；辅激活因子/或中介子在通用转录因子/RNA聚合酶II复合物与可诱导因子、上游因子之间的辅助和中介作用。

十六.真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子，形成转录起始复合物（PIC），由RNA-PolⅡ催化。

十七.少数几个反式作用因子的搭配启动特定基因的转录。

1.为了保证转录的准确性，不同基因需不同转录因子。

2.一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。

3.拼板理论（piecingtheory）：

少数几个反式作用因子（主要是可诱导因子和上游因子）之间互相作用，再与基本转录因子、RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。

可诱导因子和上游因子常常通过辅激活因子或中介子与基本转录因子、RNA聚合酶结合，但有时也可直接与基本转录因子、RNA聚合酶结合。

十八.真核生物转录延长过程中没有转录与翻译同步的现象。

1.真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。

2.RNA-pol前移处处都遇上核小体。

3.转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。

十九.真核生物的转录终止和加尾修饰同时进行。

1.真核生物的转录终止，是和转录后修饰密切相关的。

2.真核生物mRNA有聚腺苷酸（polyA）尾巴结构，是转录后才加进去的。

3.转录不是在polyA的位置上终止，而是超出数百个乃至上千个核苷酸后才停顿。

已发现，在读码框架的下游，常有一组共同序列AATAAA，再下游还有相当多的GT序列。

这些序列称为转录终止的修饰点。

二十.真核生物RNA的加工。

1.真核生物转录生成的RNA分子是初级RNA转录物（primaryRNAtranscript），几乎所有的初级RNA转录物都要经过加工，才能成为具有功能的成熟的RNA。

加工主要在细胞核中进行。

2.包括剪接、剪切、修饰、添加。

二十一.前体mRNA在5’-末端加入“帽”结构（5’m7GpppGp…）。

1.大多数真核mRNA的5’-末端有7-甲基鸟嘌呤的帽结构。

这个真核mRNA加工过程的起始步骤由两种酶，加帽酶和甲基转移酶催化完成。

2.意义：

可以使mRNA免遭核酸酶的攻击；也能与帽结合蛋白质复合体结合，并参与mRNA和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。

二十二.前体mRNA在3’端特异位点断裂并加上多聚腺苷酸尾（…AAAAAAA3’）。

1.模板上没有polyA相应结构；尾部修饰与转录终止同时进行。

在加入polyA之前，mRNA先切去一段。

2.在核内完成；polyA的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。

3.一般真核生物在胞浆内出现的mRNA，其polyA长度为100至200个核苷酸之间，也有少数例外；前体mRNA分子的断裂和加多聚腺苷酸尾是多步骤过程。

二十三.前体mRNA的剪接主要是去除内含子。

1.hnRNA：

核内的初级mRNA。

2.断裂基因：

真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。

3.外显子（exon）：

在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。

4.内含子（intron）：

隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。

代表了结构基因的非编码区。

它有利于物种的进化选择，在基因表达调控中的作用。

5.mRNA的剪接：

除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。

剪接接口或边界序列：

内含子都以GU为5`端起始，末端为AG-OH-3`。

剪接体:

mRNA剪接场所，由小分子核糖体核蛋白（snRNP）组成,每种snRNP包含snRNA（有U1、U2、U4、U5、U6五种类型）与一组蛋白质。

过程：

snRNP与hnRNA结合成为并接体，二次转酯反应。

6.真核生物前体mRNA分子经剪切和剪接两种模式可加工成不同的mRNA。

剪接：

剪去内含子后，相邻外显子之间的连接，然后3`末端多聚腺苷酸化。

剪切：

剪去内含子，3`末端多聚腺苷酸化，不进行相邻外显子之间的连接反应。

二十四.mRNA编辑是对基因的编码序列进行转录后加工。

1.估计人体蛋白有5万~10万种，但人类基因组计划完成后证实人类只有25000~35000个结构基因。

2.RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工。

二十五.真核前体rRNA的加工：

45S-rRNA经剪接后形成18S-rRNA、5.8和28S-rRNA。

二十六.真核前体tRNA加工包括稀有碱基修饰。

包括甲基化、还原反应、核苷内的转位反应、脱氨反应。

二十七.RNA催化一些真核和原核基因内含子的自剪接。

1.核酶（ribozyme）：

具有酶促活性的RNA称为核酶，最早在四膜虫的内含