生物奥赛-分子生物学课件.ppt
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1、 分子生物学分子生物学Molecular Biology 主要内容1.基因的概念2.基因表达及调控3.组学的基本知识广义:在分子水平理解生命现象的学科。广义:在分子水平理解生命现象的学科。1.1.生物化学:从化学角度解释生物分子(糖类、脂类、:从化学角度解释生物分子(糖类、脂类、蛋白质、核酸及其他生物学分子)化学结构及其代谢蛋白质、核酸及其他生物学分子)化学结构及其代谢途径的一门学科。从化学角度揭示生命现象的古老学途径的一门学科。从化学角度揭示生命现象的古老学科。科。2.2.分子生物学:是在生物化学和经典遗传学基础上发是在生物化学和经典遗传学基础上发展起来的一门新兴学科。以核酸(展起来的一门新
2、兴学科。以核酸(DNADNA和和RNARNA)为)为研究对象,揭示基因的结构(染色体结构)、维持(研究对象,揭示基因的结构(染色体结构)、维持(DNADNA复制、修复)和信息传递(转录和翻译)。复制、修复)和信息传递(转录和翻译)。1.基因的概念l1857-1864年:孟德尔经典遗传学规律:独立分配和自由组合规律。“遗传颗粒”性状。l1900年:摩尔根“遗传颗粒”定位在染色体上。l1909年:丹麦科学家Johannsen“遗传颗粒”命名为基因。l1944年:遗传物质为DNA。l1953年:DNA双螺旋结构的发现,分子生物学诞生。l1966年:遗传密码子破译。l1972年:基因工程的诞生及其后续
3、的快速发展不但是分子生物学的结果而且大大促进了分子生物学的发展。l2000年:DNA测序技术的发展获得模式生物和重要生物全基因组学列,分子生物学进入了后基因组和蛋白组时代,重点解决蛋白-RNA-DNA互作的遗传语言问题。孟德尔摩尔根AveryWatsonandCrick多利羊HGP 基因的概念基因的概念l基因是一段编码功能性是一段编码功能性RNA分子的分子的DNA片段片段,包括传统意义上的编码蛋白质的基因编码蛋白质的基因,还包含一些非编码蛋白的基因非编码蛋白的基因,其终产物为RNA分子,如tRNA、rRNA、snRNA和miRNA。非编码蛋白的基因在编码蛋白质基因表达过程中具有重要作用的作用。
4、l在基因的上下游会有调控DNA序列,如启动子和终止子序列,控制着基因表达。l基因的结构模式图为:启动子启动子-编码区编码区-终止子终止子分子生物学研究的内容围绕着分子生物学研究的内容围绕着中心法则中心法则进行,进行,特别注意特别注意 RNA的重要作用和核心地位。的重要作用和核心地位。当前的中心法则当前的中心法则 基因载体基因载体-染色质结构染色质结构 DNA长度远远超过细胞核的直径,必需压缩折叠才能放入核中。压缩的层面有核小核小体体-螺线管螺线管-突环突环,最终形成染色质。大肠杆菌(大肠杆菌(E.coliE.coli)结构)结构E.coliE.coli染色体只含一个环状超螺旋分子,含量为染色体
5、只含一个环状超螺旋分子,含量为4.64.6 Mb Mb,完全展开后总长度,完全展开后总长度大约大约1.31.3 mm.mm.细菌染色体细菌染色体DNA双螺旋(双螺旋(2nm)核小体(核小体(11nm)螺线管(螺线管(30nm)突环突环(300nm)染色体(染色体(1400nm)核小体及核小体核心颗粒核小体及核小体核心颗粒核小体:染色质在电子显微镜核小体:染色质在电子显微镜下观察时呈现为由下观察时呈现为由10nm的球的球状状颗粒和颗粒和DNA纤维组成的念纤维组成的念珠状外观。这些球状颗粒称为珠状外观。这些球状颗粒称为核小体(核小体(nucleosome)。)。核小体核心由组蛋白核小体核心由组蛋白
6、H2A,H2B,H3和和H4各两个亚基组成各两个亚基组成的八聚体,带正电荷,与带负的八聚体,带正电荷,与带负电荷的电荷的DNA通过离子键结合。通过离子键结合。核小体间的核小体间的DNA称为接头称为接头DNA(linkerDNA)。核小体所)。核小体所缔合的缔合的DNA约为约为166bp(146+20),由于连接),由于连接DNA(约(约55bp)易于为核酸酶)易于为核酸酶所作用。所作用。因此,当染色质以微球菌核因此,当染色质以微球菌核酸酶(酸酶(micrococcalnudease)等)等轻微处理后,染色质就产生一系轻微处理后,染色质就产生一系列依次相差列依次相差200bp左右的长度不左右的长
7、度不等的等的DNA片段。片段。30nm30nm纤丝纤丝30nm30nm纤丝:纤丝:核小体链呈螺旋形缠核小体链呈螺旋形缠绕,并形成超微螺旋,称为绕,并形成超微螺旋,称为“螺线螺线管管”(solenoidsolenoid),即),即30 nm30 nm纤丝。纤丝。这种超微螺旋的直径约为这种超微螺旋的直径约为3Onm3Onm,内,内径径10nm10nm,螺距为,螺距为llnmllnm,为中空呈管,为中空呈管状结构。这种螺旋管的每一转由状结构。这种螺旋管的每一转由6 6个核小体组成,螺线管是染色体的个核小体组成,螺线管是染色体的二级结构。二级结构。突环结构突环结构螺线管的纤丝沿着它中央的蛋白质轴发射出
8、大小不等的环,像灯刷染螺线管的纤丝沿着它中央的蛋白质轴发射出大小不等的环,像灯刷染色体那样,这些观察证明,染色体是由一系列的环状的域(色体那样,这些观察证明,染色体是由一系列的环状的域(domaindomain)组成的。这种结构可以说是染色体的三级结构。组成的。这种结构可以说是染色体的三级结构。2.基因表达及其调控原核和真核细胞基因表达的区别原核生物真核生物无细胞核 有细胞核 多顺反子(编码多种蛋白)单顺反子(一般编码一种蛋白)环状染色体 线性染色体 边转录边翻译 转录发生在细胞核,而翻译发生在细胞质 一般无内含子 一般有内含子l转录前水平:调控基因所在染色质的压缩程度,暴露出转录因子等结合位
9、点,为基因转录创造条件。l转录水平:组成型表达,诱导型表达,细胞依赖性表达。l输出核孔:mRNA分子结合蛋白质介导加工成熟的mRNA出核,错误加工的mRNA分子则留在核中,被降解实现再循环利用。l细胞质中mRNA的存量调控:取决于转录产出量和降解量。细胞质中mRNA的命运:有机会翻译蛋白质(细胞质核糖体,定位在内质网上的核糖体)、被降解(尤其错误加工的mRNA的分子),转移到其它细胞中翻译。l蛋白质翻译后水平:经过不同的折叠、化学修饰和剪接形成多种功能的蛋白质。是基因功能放大的一种有效措施。现代观念:边转录边加工(加帽、去内含子、加尾),一步形成成熟的现代观念:边转录边加工(加帽、去内含子、加
10、尾),一步形成成熟的mRNA。DNA复制 -遗传物质保持和传代 DNA复制是多种酶(拓扑异构酶、解旋酶、DNA聚合酶、引发酶、RNA酶、DNA连接酶)和辅助因子(增殖细胞核抗原PCNA,单链结合蛋白)协同作用以半保留半不连续的方式进行的。DNADNA的半不连续复制的半不连续复制3535OK!How?5353真真核核生生物物的的复复制制子子 真核生物的线形染色体是真核生物的线形染色体是由多复制子构成,每个复制子由多复制子构成,每个复制子都有自己的起点。一个典型的都有自己的起点。一个典型的哺乳动物细胞有哺乳动物细胞有50 00050 000100 100 000000个复制子,每个复制子长个复制子
11、,每个复制子长约约4040200kbp200kbp。在相邻复制叉。在相邻复制叉的复制泡相遇处,新生的复制泡相遇处,新生DNADNA融融合并形成复制完整的合并形成复制完整的DNADNA。郭爱娟郭爱娟 BCU参与参与DNADNA复制的有关物质复制的有关物质一、参与DNA复制的模板、底物和引物二、参与DNA复制的有关酶和蛋白 1.DNA1.DNA拓扑异构酶拓扑异构酶(DNA Topisomerase)(DNA Topisomerase)2.2.解旋酶解旋酶(Helicase)(Helicase)3.3.单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白(SSBP)(SSBP)4.4.引发酶引发酶(Primase)
12、(Primase)5.DNA 5.DNA聚合酶聚合酶(DNA Polymerase)(DNA Polymerase)6.DNA 6.DNA连接酶连接酶(DNA ligase)(DNA ligase)酵母酵母DNADNA复制所需要的酶复制所需要的酶Enzymes(Proteins)Enzymes(Proteins)Functions FunctionsTopoisomerase Topoisomerase (拓扑异构酶拓扑异构酶)去除超螺旋结构去除超螺旋结构Helicase Helicase (解螺旋酶)解螺旋酶)变性双螺旋变性双螺旋DNADNAReplication protein A(RP-
13、A)Replication protein A(RP-A)单链结合单链结合Polymerase Polymerase /聚合酶:聚合酶:子链合成子链合成PCNA PCNA (增殖细胞核抗原)(增殖细胞核抗原)DNADNA聚合酶辅助蛋白聚合酶辅助蛋白PolPol/Primase Primase (引发酶复合体(引发酶复合体 )合成引物合成引物RNaseH/FEN-1RNaseH/FEN-1(MF-1MF-1)去除引物和寡聚脱氧核去除引物和寡聚脱氧核苷酸(苷酸(20-30nts20-30nts)Ligase Ligase (连接酶)连接酶)连接冈崎片段连接冈崎片段 Schematic repres
14、entation of the organization of eukaryotic DNA replication fork.(yeast)DNA复制过程中,随着复制叉的移动,核小体解聚,随后在新形成的子链中重新形成。DNA转录 -遗传信息流向RNA 转录单位包括启动子-转录区-终止子。转录因子识别启动子,招募RNA聚合酶以负链DNA为模板,按照A-U,G-C配对原则将游离的核苷酸按照5-3方向合成RNA分子的过程。原核生物转录原核生物转录l原核生物转录和翻译是偶联的,其mRNA为编码多种蛋白的多顺反子。原核生物 因子协助RNA聚合酶识别启动子基本元件并由此起始转录,并在具有发卡结构的终止子
15、处(或在因子协助下)结束转录l操纵子是原核生物转录调控的主要模式,其中最典型的代表为乳糖操纵子。调控蛋白(或阻遏蛋白)与操纵区结合阻止RNA聚合酶前进达到降低转录效率。转录单位转录单位Figure8.2编码链/+链模板链/-链转录起始不需要引物。RNA聚合酶不具备识别启动子的能力,需要基本转录因子的协助。转录过程如下:起始-延伸-终止。启动子(启动子(promoterpromoter)是能启动转录的一段)是能启动转录的一段DNADNA片段。片段。常含有转录因子识别和结合的保守的和特异顺式元常含有转录因子识别和结合的保守的和特异顺式元件(件(cis-elementscis-elements),用
16、以控制基因的转录起始。),用以控制基因的转录起始。上游特异元件-TTGACA-TATAAT-CA/GT-35序列-10序列+1特异转录因子结合元件基本转录因子结合元件转录起始位点控制基因特异表达招募RNA聚合酶组装转录起始复合物(何时何地多少)原核生物转录调控模型原核生物转录调控模型3.3.在转录期间在转录期间RNARNA聚合酶的结构和功能位点聚合酶的结构和功能位点(+)链()(-)链 Enzyme Movement解旋()复旋()覆盖约40bp,其中约17 bp解链区 延伸延伸l起始成功后,聚合起始成功后,聚合酶释放出酶释放出因子,因子,形成核心酶形成核心酶-DNA-新生新生RNA链三元链三
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