遗传的基本规律

学习笔记
作者: MingXiao 2024/07/02


3.1 DNA复制

3.1.1 DNA的空间结构与功能

DNA的二级结构：双螺旋

发现背景（Chargaff法则）：

  1. A=T，C=G
  2. 不同生物的DNA碱基组成不同
  3. 同一生物不同细胞的碱基组成相同

发现意义：

  1. 揭开遗传信息存储和表达的分子机制
  2. 开创分子生物学

DNA双螺旋结构：
DNA分子由两条相互平行但反向的脱氧核苷酸链组成，以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方向绕
碱基垂直螺旋轴居于内侧，与对侧碱基形成氢键配对（A=T，C≡G）
氢键维持双链横向稳定，碱基堆积力维持纵向稳定

DNA的超螺旋结构：
由DNA双螺旋链再盘绕形成，分为正超螺旋（盘绕方向与DNA双螺旋方向一致）和负超螺旋
意义：DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程有关键作用

DNA在真核生物细胞核内的组装： 染色体由DNA和蛋白质构成，基本单位是核小体 核小体由约200bp的DNA，组蛋白H1,H2A,H2B,H3,H4组成

核小体

DNA—（压缩7倍）—>核小体—（压缩6倍）—>螺线管—（压缩40倍）—>超螺线管—（压缩5倍）—>染色单体 总共压缩8400倍

DNA功能：
以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板
基因在结构上的定义是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸序列决定基因的功能

3.1.2 RNA的结构与功能

信使RNA（mRNA）：
成熟过程（真核）

其中内含子会被剪去，余下的外显子片段会被拼接，二者都只在DNA的编码区上存在
hnRNA是mRNA的前体物

结构特点

  1. 多数在5'端在转录后加上7-甲基鸟苷，第一个核苷酸的C'2也甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-
  2. 多数在3'端有一个多聚腺苷酸（polyA），称多聚A尾

帽子结构和多聚A尾的作用

  1. mRNA核内向胞质转移
  2. mRNA的稳定性维系
  3. 翻译起始的调控

原核细胞和真核细胞mRNA的比较

原核细胞:

  1. 转录和翻译在一个细胞空间
  2. 转录和翻译几乎同步进行
  3. 5'端没有cap，3'端没有A尾

真核细胞:

  1. 转录和翻译在不同的细胞空间
  2. 不同步
  3. hnRNA在核内，成熟的mRNA才进入细胞质
  4. Cap、5'UTR(非编码区)、编码区、3'UTR、polyA尾等构成，其中中间三个部分均是外显子来的

3.1.3 DNA复制

半保留复制
见图，注意两边的复制方向不同

意义：

  1. 遗传的保守性
  2. 存在变异现象

DNA复制时，在一个单链的双向同时复制，上图的结构也称为复制叉
对于真核细胞，将两个复制起点之间的片段称为复制子，注意下图中箭头的断点，是不连续复制的体现，称半不连续性，即一条链连续合成，另一条链不连续合成，原因是合成方向必须是5'->3'

顺着解旋方向复制的链称为领头链，对面的称为随从链，随从链不连续，每个片段叫冈崎片段

DNA复制过程

  1. 在解螺旋酶作用下，双链解开，单链与单链结合蛋白结合以稳定DNA链
  2. 在引物酶指导下合成引物（几个到几十个核苷酸的RNA链）
  3. 在DNA聚合酶Ⅲ作用下，从引物3'端合成新的DNA链
  4. 冈崎片段RNA引物切除核缺口填补由DNA聚合酶Ⅰ完成，再由连接酶将他们连成长链

3.1.4 端粒和端粒酶

端粒：真核生物染色体线性DNA分子末端的结构

功能：

  1. 维持染色体稳定，为染色体末端提供可消耗的缓冲序列（每次在最末端的冈崎片段没有填补缺口的过程）
  2. 维持DNA复制的完整性
  3. 对有丝分裂进行调控（限制复制次数）

端粒酶：RNA-蛋白质复合体，依赖于RNA的DNA聚合酶



3.2 转录和翻译

3.2.1 中心法则

3.2.2 RNA转录

启动子
是基因转录起始点附近的序列，为RNA聚合酶提供转录起始位点的信号，属于非转录区
启动子包括一个TATA盒
在RNA聚合酶Ⅱ结合到DNA前，一部分转录因子（蛋白质）识别TATA盒，与之结合
酶结合启动子后，另一些转录因子再与之结合，形成转录起始复合物
酶沿着DNA链3'->5'运动，合成顺序的RNA分子，再加工（见上文）

基因的结构如下图，下面的单链是RNA的模板链，上面的单链是编码链

3.2.3 遗传密码和RNA的翻译

遗传密码
mRNA中每三个核苷酸序列编码一个氨基酸或者终止信号，共64个编码
起始密码子：开始合成蛋白质的密码子，编码（甲酰）甲硫氨酸

特点

  1. 方向性：5'->3'
  2. 连续性：密码子之间连续排列
  3. 简并性：多个密码子对应一个氨基酸或终止信号
  4. 摆动性：密码子与反密码子（tRNA上）配对有时不遵从碱基互补配对法则
  5. 通用性：所有生物几乎共用一套密码子表

翻译
tRNA将氨基酸带到核糖体上，装配成蛋白质的过程
翻译结束后，mRNA水解成单个核苷酸



3.3 核酸的理化性质

3.3.1 DNA的变性

定义：在某些理化因素下，DNA双链解开成单链
方法：过量酸、碱，加热，化学变性试剂
本质：双链间氢键的断裂，是可逆的

3.3.2 聚合酶链式反应（PCR）

原理

  1. 变性：95℃高温变性成单链
  2. 退火：低温（60℃）引物与单链配对
  3. 延伸：调整温度为DNA聚合酶最适温度（72℃），开始合成

CT值（cycle threshold）
检测DNA时，表示用了几轮PCR扩增到阈值，越大表示体内含量越少

3.3.3 核酸分子杂交

DNA复性：变性的两条单链在适当条件下回复双螺旋。DNA复性时，OD260降低

核酸分子杂交
在DNA复性过程中，将不同的DNA单链或者RNA放在同一溶液中，不同分子间可以形成杂化双链

应用

  1. 研究某一基因位置
  2. 确定两种核酸分子间的序列相似性
  3. 检测某些序列在样品中是否存在
  4. 基因芯片技术


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