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基因的分子生物学读书笔记
分子生物学读书笔记
第1篇化学和遗传学
第1章孟德尔学派的世界观
知识点：
1.孟德尔定律是什么？
答：
显性和隐性基因都是独立传递的，并且在性细胞形成过程中能够独立分离。
这个独立分离规律（principleofindependentsegregation）经常被称为孟德尔第一定律。
基因存在，并且每一对基因在性细胞发育过程中，都可以独立地传递到配子中。
这一独立分配律（principleofindependentassortment）经常被称为孟德尔第二定律。
第2章核酸承载遗传信息
知识点：
1.中心法则：
答：
1956年，Crick提出将遗传信息的传递途径称为中心法则（centraldogma）。
转录翻译
复制DNARNA蛋白质
其中，箭头表示遗传信息的传递方向。
环绕DNA的箭头代表DNA是自我复制的模板。
DNA与RNA之间的箭头表示RNA的合成（转录，transcription）是以DNA为模板的。
相应地，蛋白质的合成（翻译，translation）是以RNA为模板的。
更为重要的是，最后两个箭头表示的过程，只能单方向存在，也就是说，不能由蛋白质模板合成RNA。
也难以想象由RNA模板合成DNA。
蛋白质不能作为RNA的模板已经经受了时间的验证，然而，正如我们将在第11章中要提到的，有时RNA链确实可以作为互补的DNA的模板。
这种与正常信息流的方向相反的事例，与大量的以DNA为模板合成的RNA分子相比，是非常少见的。
所以，大约50年前提出的中心法则在今天看来仍然是基本正确的。
第3章弱化学作用的重要性
知识点：
1.弱化学键主要有4种:
答：
范德华力,疏水键,氢键及离子键。
2.弱化学键的作用：
答：
介导了到分子内/间的相互作用，决定了分子的形状及功能。
第4章高能键的重要性
知识点：
1．蛋白质与核酸的形成：
答：
蛋白质是氨基酸间通过肽键连接,核苷酸间通过磷酸二脂键连接而形成核酸。
以上2种重要生物大分子的形成都是由高能的p~p水解提供能量,对反应前体进行活化。
2．ATP的作用：
答：
ATP被称为生物的能量货币,其上储存的高能磷酸键可以直接为生物反应供能。
第5章弱、强化学键决定大分子的结构
知识点：
1.强化学键的作用：
答：
核酸（DNA/RNA）和蛋白质都是由简单的小分子通过共价键组成的高分子。
这些小分子的排列顺序决定了其遗传学和生物化学的功能。
2.弱化学键的作用：
答：
核酸（DNA/RNA）和蛋白质的三维空间构型及它们间的相互作用是由弱的相互作用来决定和维持。
除少数特例外，对这种弱的相互作用的破坏（如加热或去污剂），即使不破坏共价键，都将会破坏其所有的生物活性。
3.蛋白质的四级结构：
答：
1级结构（primarystructure）：
多肽链中氨基酸的线性顺序。
２级结构（secondarystructure）：
邻近的氨基酸通过弱的相互作用形成二级结构。
最基本的二级结构是α螺旋和β折叠。
二级结构可通过计算机做准确预测。
３级结构（tertiarystructure）：
多肽链在二级结构基础上形成的空间结构。
可用x射线晶体衍射和核磁共振术进行测定。
４级结构（quaternarystructure）：
多亚基蛋白所形成的结构。
第2篇基因组的维持
第6章DNA和RNA的结构
知识点：
1.DNA由多核苷酸链构成：
答：
通常DNA最重要的结构特征是两条多核苷酸链（polynucleotidechain）以双螺旋的形式相互缠绕。
双螺旋两条单链的骨架是由糖和磷酸基团交替构成的；碱基朝向骨架的内侧，通过大沟和小沟可以接近碱基。
DNA通常是右手双螺旋。
大沟中有丰富的化学信息。
多核苷酸链以磷酸二酯键为基础构成了规则的不断重复的糖-磷酸骨架，这是DNA结构的一个特点。
与此相反，多核苷酸链中碱基的排列顺序却是无规律的，碱基排列顺序的不规则性加上其长度是DNA储存大量信息的基础。
习惯上，DNA序列由5’端（在左边）向3’端书写，一般5’端是磷酸基而3’端是羟基。
2.双螺旋的两条链序列互补：
答：
腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）配对的结果是使两条相互缠绕的链上的碱基序列呈互补关系并赋予DNA自我编码的特性。
3.碱基会从双螺旋中翻转出来：
答：
有时单个的碱基会从双螺旋中突出，这种值得注意的现象叫做碱基翻出（baseflipping）。
4.DNA双链可以分开（变性）和复性：
答：
当DNA溶液温度高于生理温度（接近100℃）或者pH较高时，互补的两条链就可分开，这个过程称为变性（denaturation）。
DNA双链完全分开的变性过程是可逆的，当变性DNA的热溶液缓慢降温，DNA的互补链又可重新聚合，形成规则的双螺旋。
由于变性的DNA分子具有复性的能力，因此来源不同的两条DNA分子链通过缓慢降温也可形成人工杂交分子。
在第20章里，两条单链核酸形成杂交分子的能力被称为杂交（hybridiztion）。
这是分子生物学中几项不可缺少的技术的基础。
例如，Southern印迹杂交（第20章）和DNA芯片分析（第18章，框18-1）。
由于双螺旋DNA的光吸收比单链DNA少40%。
当DNA溶液温度升高到接近水的沸点时，光吸收值（absorbance）在260nm处明显增加，这种现象称为增色效应（hyperchromicity）；而减色效应则是因为双螺旋DNA中的碱基堆积降低了对紫外线的吸收能力。
吸光度增加到最大值一半时的温度叫做DNA的熔点（meltingpoint）。
5.连环数由扭转数和缠绕数共同决定：
答：
连环数（linkingnumber）是指要使两条链完全分开时，一条链必须穿过另一条链的次数（用Lk表示）。
连环数是扭转数（twistnumber，用Tw）和缠绕数（writhenumber，用Wr表示）这两个几何数的总和。
扭转数仅仅是一条链旋绕另一条链的螺旋数，即一条链完全缠绕另一条链的次数。
在三维空间里双螺旋的长轴经常重复地自我交叉，这称为缠绕数。
6.细胞中DNA呈负超螺旋的意义：
答：
负超螺旋含有自由能，可以为打开双链提供能量，使DNA复制和转录这样的解离双链的过程得以顺利完成。
因为Lk=Tw+Wr，负超螺旋可以让双螺旋扭转数减少，负超螺旋区域因而有局部解旋倾向。
因此，与松弛态DNA相比负超螺旋DNA更易于解链。
7.拓扑异构酶有2种基本类型：
答：
拓扑异构酶（topoisomerase）可以催化DNA产生瞬时单链或双链的断裂而改变连环数。
拓扑异构酶Ⅱ通过两步改变DNA连环数。
它们在DNA上产生一瞬时的双链缺口，并在缺口闭合以前使一小段未被切割的双螺旋DNA穿过这一缺口。
拓扑异构酶Ⅱ依靠ATP水解提供的能量来催化这一反应。
相反，拓扑异构酶Ⅰ一步就可以改变DNA的连环数，其作用是使DNA暂时产生单链切口，让未被切割的另一单链在切口接合之前穿过这一切口。
与拓扑异构酶Ⅱ相比，拓扑异构酶Ⅰ不需要ATP。
原核生物还拥有一种特殊的拓扑异构酶Ⅱ，通称为促旋酶，它引入而不是去除负超螺旋。
8.RNA的结构与功能：
答：
RNA与DNA的3个不同之处：
第一，RNA骨架含有核糖，而不是2’-脱氧核糖，也就是说在核糖的C2’的位置上带有一个羟基。
第二，RNA中尿嘧啶（uracil）取代了胸腺嘧啶，尿嘧啶有着和胸腺嘧啶相同的单环结构，但是缺乏5’甲基基团。
胸腺嘧啶实际上是5’甲基-尿嘧啶。
第三，RNA通常是单多聚核酸链。
从功能上讲，mRNA是从基因到蛋白质合成的媒介，tRNA作为mRNA上密码子与氨基酸的“适配器”，同时，RNA也是核糖体的组成部分；另外，RNA还是一种调节分子，通过和mRNA互补序列的结合对翻译过程进行调控；最后，还有一些RNA（包括组成核糖体的一种结构RNA）是在细胞中催化一些重要反应的酶。
9.碱基对也可以发生在不相邻的序列中，形成称为“假结”（pseudoknot）的复杂结构。
10.RNA具有额外的非Watson-Crick配对的碱基，如G：
U碱基对，这个特征使RNA更易于形成双螺旋结构。
11.一些RNA可以是酶类：
答：
RNA酶被称为核酶（ribozyme），具有典型酶的许多特性：
催化位点、底物结合位点和辅助因子（如金属离子）结合位点。
最早被发现的核酶是RNaseP，一种核糖核酸酶，参与从大的RNA前体生成tRNA。
mRNA前体、tRNA前体和rRNA前体间插序列即内含子（intron）的切除过程称为RNA的剪接（RNAsplicing）。
12.RNA的功能有哪些?
答：
（1）有些RNA本身就是一种酶,具有调节功能；
（2）RNA是一种遗传物质（主要为病毒的遗传物质）；
（3）RNA可以作为基因和蛋白质合成的中间体；
（4）RNA可作识别子（如:
mRNA）；
（5）RNA可以作为一种调节分子主要通过序列互补结合阻止蛋白质的翻译。
第7章染色体、染色质和核小体
知识点：
1.一些概念：
答：
（1）染色体（chromosome）：
在细胞中DNA是和蛋白质结合存在的，每条DNA及其结合的蛋白质构成一条染色体（chromosome）。
（2）核小体（nucleosome）：
DNA与组蛋白结合所形成的结构称为核小体（nucleosome）。
（3）染色体是环状或线状的。
（4）基因组密度的简单衡量方法是每Mb基因组DNA上基因的平均数目。
（5）突变基因和基因片段是由于简单的随机突变或在DNA重组过程中的错误所造成的。
假基因则是因反转录酶（reversetranscriptase）的作用而形成。
2.每个细胞都有特定的染色体数目：
答：
大多数真核细胞是二倍体（diploid），也就是说，细胞中每条染色体有两个拷贝。
同一个染色体的两个拷贝叫做同源染色体（homolog），分别来自父本和母本。
但是，一个真核生物中的所有细胞并非都是二倍体，某些细胞是单倍体或多倍体。
单倍体（haploid）细胞每条染色体只有一个拷贝，并且参与有性生殖（例如，精子和卵子都是单倍体细胞）。
多倍体（polyploid）细胞中每条染色体都超过两个拷贝。
3.基因组大小与生物体的复杂性相关：
答：
基因组的大小（单倍染色体中DNA的长度）在不同的生物种有相当大的变化。
由于生物的复杂性越高所需的基因也就越多。
因此基因组的大小与生物体的复杂性相关也就不足为奇。
4.导致真核细胞中基因密度降低的因素：
答：
首先，当生物体的复杂性增加时，负责指导和调控转录的DNA区段——调控序列（regulatorysequence）的长度显着增长；其次，在真核生物种编码蛋白质的基因通常是不连续的。
这些分散的非蛋白质编码区段称为内含子（intron）。
内含子转录后通过RNA剪接（RNAsplicing）的过程从RNA中删除。
5.人的基因间隔区序列主要由重复DNA构成：
答：
几乎一半的人类基因组由在基因组中重复多次的DNA序列组成。
重复DNA一般有两种：
微卫星DNA和基因组范围的重复序列。
微卫星DNA（microsatelliteDNA）由非常短的（小于13bp）串联重复序列构成。
基因范围的重复序列（genemo-widerepeat）要比微卫星大得多，尽管这些重复有许多种类，但是它们有着共同的特点，即都是转座元件（transposableelement）。
转座元件是指能从基因组的一个位置移动到另一个位置的序列，这个过程称为转座（transposition）。
6.真核染色体在细胞分裂过程中需要着丝粒、端粒和复制起始位点：
答：
（1）复制起始位点（originsofreplication）是DNA复制机制集合并起始复制的位点。
（2）着丝粒（centromere）是DNA复制后染色体正确分离所必需的。
与复制起始位点相似，着丝粒指导一个精细的蛋白质复合体的形成，此结构也称为动粒（kinetochore）。
（3）端粒（telomere）位于线性染色体的两端。
端粒通过一种特殊的DNA聚合酶——端粒酶（telomerase）来完成线性染色体末端的复制。
7.细胞周期及有丝分裂：
答：
细胞完成一轮分裂所需要的过程称为细胞周期（cellcycle）。
大多数真核细胞的分裂会使子代细胞维持与父本细胞一致的染色体数目。
这种分裂类型称为细胞的有丝分裂（mitoticcelldivision）。
有丝分裂的细胞周期可以分为4期：
G1、S、G2和M。
DNA合成发生在细胞周期的合成期或S期（synthesis或Sphase），导致每条染色体的复制。
复制后配对的每条染色体叫做一条染色单体（chromatid），配对的两条染色单体称为姐妹染色单体（sisterchromatid）。
复制后的姐妹染色单体通过一个叫做黏粒（cohesin）的分子聚在一起，这一过程称为姐妹染色单体的聚集（sisterchromatidcohesion），这种状态一直维持到染色体的相互分离。
染色体分离发生在细胞周期的有丝分裂期或M期（mitosis，Mphase）。
8.有丝分裂及减数分裂的具体过程：
答：
见书P151图7-15和P153图7-16。
9.核小体是染色体的结构单位：
答：
在真核细胞中大多数DNA被包装进核小体。
核小体由8个组蛋白所形成的核组成，DNA缠绕在组蛋白核上。
每个核小体之间的DNA（“念珠”上的“线”）叫做连接DNA（linkerDNA）。
与核小体结合最紧密的DNA叫做核心DNA（coreDNA），它像缠绕线轴一样盘绕组蛋白八聚体约圈。
10.组蛋白是带正电荷的小分子蛋白质：
答：
组蛋白是目前所知的与真核DNA相关的丰度最高的蛋白质。
真核细胞一般包括5种组蛋白：
H1、H2A、H2B、H3和H4。
在每种核心组蛋白中都存在一个保守区域，称为组蛋白折叠域（histone-folddomain），调节这些组蛋白中间体的组装。
一个核小体的组装涉及这些结构单位与DNA有序地结合。
首先，H3·H4四聚体与DNA结合；然后两个H2A·H2B二聚体结合到H3·H4-DNA复合体，形成最后的核小体。
每个核心组蛋白有一个N端延伸，称为“尾巴”，这是因为它没有一个确定的结构，而且是完整的核小体中易接近的部分。
11.许多不依赖于DNA序列的接触介导核心组蛋白与DNA间的相互作用。
12.组蛋白的N端尾可稳定盘绕在八聚体上的DNA。
13.染色质的高级结构：
答：
组蛋白H1与核小体间的连接DNA结合。
核小体束能形成更复杂的结构：
30nm的纤丝。
DNA的进一步压缩涉及到核小体DNA的大环。
组蛋白的变构体影响核小体功能。
14.DNA与组蛋白八聚体的相互作用是一动态的过程。
15.核小体重塑复合体有助于核小体的移动：
答：
组蛋白八聚体与DNA相互作用的稳定性受到大的蛋白复合体——核小体重塑复合体（nucleosomeremodelingcomplex）的影响。
这些多蛋白复合体利用ATP水解释放的能量，便于核小体改变位置或与DNA相互作用。
这些变化有3中方式：
①组蛋白八聚体沿DNA“滑动”（sliding）；②组蛋白八聚体从一个DNA分子到另一DNA分子的完全“转移”（transfer）；③核小体“重塑”（remodeling），增加DNA的易接近性。
16.某些核小体在体内处于特定的位置：
核小体的定位：
答：
由于核小体与DNA的动态相互作用，大多数核小体的位置是不固定的。
但在有些情况，对核小体的位置，或称为核小体的定位（positioning），进行限制是有利的。
17.组蛋白N端尾的修饰可改变染色质的易接近性：
答：
当组蛋白从细胞中分离出来，其N端尾通常被许多种小分子修饰。
在尾部的赖氨酸经常被乙酰基或甲基修饰，而丝氨酸主要受磷酸化修饰。
一般来说，乙酰化的核小体与染色体上转录活跃的区域结合，而脱乙酰化的核小体与染色质上转录受抑制的区域结合。
与乙酰化不同，N端尾不同部位上的甲基化使核小体可以与抑制的和活化的染色质都能结合，这取决于组蛋白尾上被修饰的特定的氨基酸。
18.DNA复制后核小体立即被组装：
答：
当复制叉经过时，核小体解体为亚组装部件。
H3·H4四聚体似乎仍随机地与两个子代双螺旋之一结合，并不从DNA上释放而成为游离的成分。
相反，H2A·H2B二聚体被释放且进入局部的环境，参与新的核小体的组装。
19.核小体的组装需要组蛋白“伴侣”：
答：
在生理盐浓度下对核小体组装的研究鉴定出一些能指导组蛋白在DNA上组装的因子。
这些因子是带负电荷的蛋白质，与H3·H4四聚体或H2A·H2B二聚体形成复合体，并护送它们到核小体组装的位点。
由于这些因子可以避免组蛋白与DNA发生无效的相互作用，因此被称为组蛋白伴侣（histonechaperone）。
PCNA形成一个环绕着DNA双螺旋的环，在DNA合成过程中将DNA聚合酶固定在DNA上。
当聚合酶作用完成后，PCNA由DNA聚合酶上释放，但仍与DNA相连。
在这种情况下，PCNA能与其他蛋白质发生作用。
CAF-1与释放的PCNA结合，优先将H3·H4四聚体组装到与PCNA结合的DNA上。
20.简述染色体的组装过程。
答：
在DNA的复制过程中，核小体暂时解体，组蛋白H3-H4四聚体和H2A-H2B二聚体被随机分配到任一子代分子中，在DNA复制后，核小体立即被组装，这涉及到特定的组蛋白伴侣的功能，这些组蛋白伴侣护送H3-H4四聚体和H2A-H2B二聚体到达复制叉。
随后，在旧蛋白的“种子”作用下，发生相似修饰，一旦DNA包装成核小体，它有能力借助组蛋白的H1来进行进一步压缩DNA，开成染色质形式（30nm纤丝），在细胞分裂间期，染色质进一步浓缩成染色体。
第8章DNA的复制
知识点：
1.DNA合成的化学基础：
答：
DNA合成需要脱氧核苷三磷酸和引物-模板接头。
DNA通过引物3’端的延伸进行合成。
焦磷酸水解是DNA合成的驱动力。
2.DNA聚合酶的作用机制：
答：
（1）DNA聚合酶用一个活性位点催化DNA的合成：
DNA聚合酶催化核苷酸添加需要正确配对的碱基，空间位阻阻止DNA聚合酶催化反应使用rNTP。
（2）DNA聚合酶像手一样握住引物：
模板接头。
聚合酶的3个结构域被称为拇指、手指和手掌。
手掌域由一个β折叠片构成，含有催化位点的基本元件，尤其是DNA聚合酶的这一区域结合2个二价金属离子（镁离子和锌离子），可以改变正确剪辑配对的dNTP和引物3’-OH周围的化学环境。
除了催化作用外，手掌域还负责检查最新加入的核苷酸碱基配对的准确性。
功能：
1）有两个催化位点，一个延长链，别一个是把错误的dNTP排除掉，起校对功能；
2）聚合位点有两个金属离子，它们有利于催化的进行；
3）检测配对的准确性。
手指域中的几个残基可与引入的dNTP结合。
一旦引入的dNTP与模板之间形成正确的碱基配对，手指域即发生移动，包围住dNTP。
功能：
1）结合运进来的dNTP，并带到正确的位子；
2）弯曲模板，让模板碱基与dNTP正确配对；
3）稳定PPi的功能。
拇指域与催化的关联不紧密，而是与最新近合成的DNA相互作用。
还有两个目的：
第一，维持引物以及活性部位的正确位置；第二，帮助维持DNA聚合酶与其底物之间的紧密连接。
功能：
不直接参与催化，但是可保持引物和活性位点处在正确的位置，还可帮助维持DNA聚合酶与其底物紧密连接，有助于添加许多dNTP的能力。
（3）DNA聚合酶是一种延伸酶：
DNA聚合酶的催化是快速的。
DNA聚合酶能在引物链上每秒添加1000个核苷酸。
DNA合成的速度主要取决于DNA聚合酶的延伸能力。
延伸能力（processivity）是酶处理多聚体底物时的一种特性。
对于DNA聚合酶，其延伸能力定义为每次酶与引物-模板接头结合时所添加核苷酸的平均数。
（4）外切核酸酶校正新合成出的DNA：
DNA合成的校正是通过核酸酶去除不正确碱基配对的核苷酸实现的。
最初这种类型的酶被认作是DNA聚合酶的同一类多肽，现在则称为校正外切核酸酶（proofreadingexonuclease）。
这类酶可以从DNA的3’端，即从新DNA链的生长端开始降解DNA。
3.复制叉上DNA的两条链同时合成：
答：
刚分开的模板链与未复制的双链DNA之间的连接区称为复制叉（replicationfork），复制叉向着未复制的DNA双链区域连续运动，其身后留下指导两个子代DNA双链形成的两条单链DNA模板。
在此条模板链上，DNA聚合酶简单地尾随着复制叉。
此模板指导下新合成的DNA链称为前导链（leadingstrand）。
另一条单链DNA模板指导下的新DNA链合成遇到的问题较多，此模板指导DNA聚合酶在与复制叉相反的方向上运动。
此模板指导的新DNA链称为后随链（laggingstrand）。
在后随链上形成的新链DNA短片段称为冈崎片段（Okazakifragment），其在细菌中的长度变化为1000~2000个核苷酸，在真核生物中为100~400个核苷酸。
4.DNA新链的起始需要一条RNA引物：
答：
引物酶（primase）是一种能在单链DNA模板上制造短RNA引物（5~10个核苷酸长度）的特殊的RNA聚合酶。
5.完成DNA复制必须除去RNA引物：
答：
为了用DNA取代RNA引物，RNA酶H（RNaseH）识别并除去各条RNA引物的大部分。
最后一个核糖核苷酸是由从5’端降解RNA或DNA的外切核酸酶除去的。
DNA上的“切口”被称为DNA连接酶（DNAligase）的酶修复。
6.DNA解旋酶在复制叉之前解开双螺旋：
答：
DNA聚合酶解离双链DNA的两条碱基配对链的能力很差。
因此，在复制叉上，由称为DNA解旋酶（DNAhelicase）的另一组酶催化双链DNA两条链的分离。
每个DNA解旋酶在单链DNA上都沿着一定的方向运动。
这是所有DNA解旋酶都具有的特性，称作极性（polarity）。
7.复制前单链结合蛋白使单链DNA稳定：
答：
一个SSB的结合会促进另一个SSB与其紧邻的单链DNA结合。
这称为协同结合（cooperativebinding），其发生是因为与紧邻的单链DNA区域结合SSB分子之间也能够结合。
8.拓扑异构酶除去DNA解螺旋时在复制叉上产生的超螺旋。
9.复制叉酶扩大了DNA聚合酶底物的范围。
10.细胞中DNA聚合酶为行使不同的功能而被特化：
答：
E.coli中至少有5种DNA聚合酶，这些酶依据其酶学特性、亚基组成和丰度而划分。
DNA聚合酶Ⅲ（DNAPolⅢ）是染色体复制中所涉及的最主要的酶。
DNA聚合酶Ⅰ（DNAPolⅠ）专门用于除去起始DNA合成所需的RNA引物。
E.coli中的另外3种DNA聚合酶特别用于DNA的修复，它们无校正活性。
真核细胞中也有多种DNA聚合酶，通常细胞中有15种以上。
其中，对于基因组的复制至关重要的有3种：
DNA聚合酶δ、DNA聚合酶ε以及DNA聚合酶α/引物酶。
引物酶合成RNA引物后，所产生的RNA引物-模板接头立即与DNA聚合酶α结合以启动DNA的合成。
因为DNAPolα/引物酶的延伸能力相对较低，所以很快就被高延伸性的DNA聚合酶δ或聚合酶ε取代。
聚合酶δ或聚合酶ε取代DNAPolα/引物酶的过程称作聚合酶的切换（polymeraseswitching），这导致在真核细胞复制叉上有3种不同的DNA聚合酶在工作。
如同在细菌细胞中那样，真核细胞中其他的DNA聚合酶大多参与DNA的修复。
11.滑动夹极大地增加了DNA聚合酶的延伸能力：
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