分子生物学英文版思维导图

根据分子生物学英文版教材进行总结，包含6-9章内容：ch6 the structure of DNA and RNA；ch7 chromosomes,chromatins and the nucleosome；ch8 the replication of DNA；ch9 the mutability and repair of DN。

分子生物学

• ch8 the replication of DNA
  • DNA合成的化学 DNA聚合酶机理 DNA聚合酶的专一性 复制叉 在复制过程中的DNA合成 DNA复制起始点 绑定和解除 复制终止
  • 第一部分描述了DNA合成的基本化学和DNA聚合酶的功能
    • DNA合成需要脱氧核糖核苷酸和引物模板结合处
    • DNA是通过延伸引物的3端合成的
    • 焦磷酸（ppi）的水解是DNA合成的动力
      • 需要引物，复制不能从头开始，因为没有3'-OH尾端
      • DNA复制只能从5'到3'
  • DNA pol使用单个活性位点去促进DNA合成
    • 催化四种dNTPs中任意一种的加入单一位点
    • 识别不同的dNTP监视A-T配对，G-C配对的核苷酸形成能力，错误的碱基对显著降低催化速度（动能选择性）
    • 空间位阻排除：从活性位点区别rNTP和dNTP，通过rNTP的空间位阻
  • DNA pol作用机制
    • DNApol蛋白像一只抓住引物-模板连接的手
    • DNApol最重要的结构域
      • 包含两个催化位点，一个用于添加dNTPs，一个用于去除错误配对的dNTP
      • 聚合位点：①与两种金属结合，围绕催化位点，改变周围化学环境并导致催化作用；②通过与新合成的DNA的小凹槽形成广泛的氢键接触，监测最近添加的核苷酸的碱基配对的准确性；③核酸外切酶/矫对位点
    • DNApol手指结构域
      • 与传入的dNTP绑定，将正确配对的dNTP封装到催化位置
      • 将模板弯曲暴露，模板上准备与输入的核苷酸形成碱基对的唯一核苷酸
    • DNApol大拇指结构域
      • 不直接参与催化
      • 与新合成的DNA相互作用去保持引物与活性位置的正确位置，并保持DNA pol和底物之间的强关联
    • DNApol是过程酶
      • 过程性酶作用于聚合底物的特性
      • DNApol酶的加工能力是每次酶结合引物模板连接时所增强的核苷酸的平均数量（从几个到50000个核苷酸不等）
      • DNA合成的速率与聚合酶的加工能力密切相关，因为速率限制步骤是聚合酶与引物模板连接的初始结合
  • 外切酶校对新合成的DNA
    • 偶尔的碱基突变会导致错误的（互变异构体）形成和dNTP的错误插入
    • 不匹配的dNMP对矫正外切酶移出，DNA聚合酶的一部分
  • DNA pols在细胞中各有些不同的作用
    • 每个生物体都有一组不同的DNA pols
    • 不同的生物体有不同的DNA pols
    • DNA pol 3全酶：一种负责大肠杆菌基因复制的蛋白质复合物
    • DNA pol1：移除RNA引物
    • 真核细胞有多种DNA聚合酶，其中三种是复制基因组所必须的
    • 在真核细胞中的细胞转换
  • 滑动钳明显增强DNA pol的活性
    • 环绕新合成的DNA双链使聚合酶连上引物模板交接处
    • 确保DNA pol的快速再合成去相同的引物模板交接处，因此增强DNApol的连续合成能力
    • 真核生物DNA滑动钳是PCNA
  • 滑动钳通过夹钳装载器被启动和安装
    • 夹钳装载机是一种特殊的蛋白质复合物，催化滑动钳在DNA上的打开和放置，这种过程在任何时候出现引物模板连接时都会发生
    • 滑动钳只有在所有相关酶完成其功能后才从DNA移除
  • 第二部分描述了DNA的合成是如何发生在复制叉处，一系列的蛋白质需要在这些位点准备DNA复制
  • 复制叉
    • 半不连续复制边解旋边复制
    • 新分离的模板链和未复制的双链DNA之间的连接
  • 复制叉酶扩展DNA pol底物的范围
    • DNApol在没有其他酶帮助下不能完成复制
    • RNA引物的产生和消除：引物酶和RNA酶H/核酸外切酶/DNA pol/连接酶
    • 外切核酸酶（解旋酶，拓扑异构酶单链结合蛋白）
  • 新DNA链的起始，需要RNA引物
    • 引物酶是一种特殊的RNA酶，用在ssDNA模板上制造短RNA引物不需要特定的DNA测序
    • DNA pol可以将RNA引物延伸到DNA模板上
  • RNA引物必须被移除才能完成DNA复制
    • DNA复制叉解旋会产生超螺旋
    • DNA解旋酶在复制叉之前解开双螺旋
    • 单链结合蛋白稳定单链DNA
      • 合作性的结合
      • 序列非依赖式
  • DNA在复制叉上的合成
    • 前导链和后随链同时合成
    • 为了协调两条链，复制多个DNA pols在复制叉起作用DNA pol3全酶就是这样的例子
  • 复制叉蛋白之间的相互作用，形成了大肠杆菌复制体
    • 复制体是通过蛋白质-蛋白质相互作用建立的
    • DNA解旋酶和DNA pol 3全酶这样相互作用，是由夹子装载器介导的，并刺激解旋酶的活性（十倍）
    • DNA解旋酶和引物酶相对较弱，强烈刺激引物酶功能（1000倍），这种相互作用对于调节冈崎片段的长度很重要
    • DNA pol 3全酶解旋酶和引物酶相互作用，形成了复制体，复制体是一个精细调节的DNA合成工厂，每个蛋白质的活性是高度协调的
  • 第三部分主要研究DNA复制的起始和终止
    • DNA复制在所有细胞中都受严格调控，启动是调控的步骤
  • 解旋起始并不是由解旋酶单一解旋完成，而是许多蛋白质结合在一起助其解旋
    • 复制子序列包含启动子结合位点和容易结合的DNA
  • 启动蛋白有三个不同的功能
    • 与复制因子结合
    • 扭曲或解开DNA的一个区域
    • 与其它复制因子相互作用并招募其他复制因子
  • 在细菌中的启动复制
    • DnaA吸收DNA解旋酶DnaB和解旋酶加载器DnaC
    • 在真核生物中，起始复制染色体在每个细胞周期中精准复制一次
  • 前复制复合物形成和激活指导真核生物复制的开始
    • 复制起点的选择
    • 起始点激活
    • 前复制复合物形成和激活被严格控制
  • 在真核生物中完成复制
    • 滞后链的合成是不能复制线型染色体的末端
      • 延伸的3'端允许DNA聚合酶进行合成，一个新的冈崎片段
    • 端粒酶是一种不需要外源性模板的新型DNA h和镁
      • 端粒酶以其RNA成分为模板，延伸染色体突出的3'端
• ch9 the mutability and repair of DNA
  • 高突变结果
    • 会摧毁物种的突变（生殖细胞）
    • 会摧毁个体的突变（体细胞）
  • 对生物体来说，保持DNA序列的正确性绝对是至关重要的
  • 突变是自发不可避免的错误和损伤
    • DNA复制错误
    • 对于遗传物质的化学损伤
      • 自发损伤
      • 受损
    • 突变本质
      • 点突变
        • 转变
        • 颠换
      • 插入
      • 删除
      • 染色体重排
  • 重组是好的、自发的提升，负责物种内部的多样性
  • 转座不同于突变和重组
    • 产生机制不同
    • 没有纠正机制
    • 可以被控制
  • Muts扫描DNA从DNA扭曲中识别出不匹配
    • 包裹住不匹配的DNA形成构象变化
      • 招募蛋白质进行切割
  • 区别子链和母链
    • 新合成的链未甲基化，甲基化酶在合成后几分钟才被合成
    • 回文序列中的A会被甲基化
  • 自发水解和脱氨基作用
    • 水解产生的U和无嘌呤脱氧核糖的存在，容易被识别
  • 胸腺嘧啶二聚体
    • 紫外线照射
  • 电离辐射引起双链断裂
  • 突变也可以是由碱基类似物和嵌入剂造成
    • 碱基类似物以假乱真
    • 嵌入剂插入双螺旋中使复制停止
  • DNA损伤后果
    • 对复制或转入造成障碍
    • 配对错误转化为突变
  • 修复机制
    • 光激活
      • DNA光解作用下，T-T二聚体单体化
    • 甲基转移酶
      • 从甲基化的甲基鸟嘌呤上，除去甲基转移到蛋白质本身，蛋白质失活
    • 碱基切除修复酶
      • 移出损伤碱基通过底部反转结构
    • 重组修复
      • 从未受损DNA双链断裂修复途径获取序列信息修复DNA断裂
    • 移损DNA合成
      • 使复制继续，跨过DNA损伤
      • 移损合成一类专门的DNA聚合酶，可直接在损伤部位合成DNA
      • 移损聚合酶在DNA损伤时被响应合成
      • 移损聚合酶SOS途径的一部分
• ch7 chromosomes,chromatins and the nucleosome
  • 基因组的维护：致力于研究DNA的结构和从一个细胞到下一个细胞的繁殖、维护和改变过程
  • 染色体
    • 常染色体
    • 异染色体（沉睡）
    • DNA与细胞中的蛋白质相关，包括原核生物和真核生物甚至病毒，每个DNA和它相关的蛋白质被称为染色体
    • 染色体内DNA排列的重要性
      • 染色体是DNA的一种紧凑形式，很容易溶入细胞内
      • 保护DNA免受损伤
      • 在细胞分裂过程中，染色体中的DNA可以有效地传递给两个子细胞
      • 染色体赋予每个DNA分子一个整体的组织，这有助于基因表达以及重组
  • 染色质和核小体
    • 染色体中的蛋白质
      • 真核生物染色体分子质量的一半是蛋白质
        • 在真核细胞中，DNA的特定序列及其相关蛋白质称为染色质，大多数相关的蛋白质是小的，碱性的蛋白质称为组蛋白，与染色体相关的其他蛋白质被称为非组蛋白，包括许多DNA结合蛋白，调节DNA的转录，复制，修复和重组。
    • 核小体
      • DNA与组蛋白有规则的结合，以形成一个结构有效的压缩DNA
  • 染色体序列与多样性
    • 染色体形状：圆形或线形 数量：是有机体的特征 拷贝数：单倍体、二倍体、多倍体
    • 区别真核细胞和原核细胞
      • 结构差异
      • 基因组维护和表达的分子过程差异
    • 基因组大小：DNA长度与一单倍体染色体组成相关联 基因数量：在基因组中包含的基因数目 人：30亿碱基对 基因密度：基因组中每MB的平均基因数
      • 植物：基因大，但体积并不一定大（例外）
      • 一般基因数目越大，体积越大
      • 基因大小增加
        • 调节序列增加
        • 内含子的存在（拼接）
      • 基因间DNA增加（基因间序列）
        • 独特
        • 重复
  • 染色体复制和分离
    • 关键DNA元素：起源的复制、着丝粒、端粒（不参与基因表达）
    • 起源的复制
      • DNA复制机制组装开始复制的位点，需要在每个真核细胞上复制，每个真核生物的染色体的距离为30到40 KB
      • 原核染色体只有一个起源
      • 着丝粒：复制后染色体正确分离所必须的
        • 指导着丝点（一种复杂的蛋白质复合物）形成和分离
        • 一条染色体，一个着丝粒
        • 大小不等（200bp到40kb）
        • 主要由重复的DNA序列组成
    • 真核细胞的染色体复制和分离发生在细胞周期的不同阶段
      • S期：DNA复制起始点
      • M期：纺锤丝使染色体分离到两端
    • 真核细胞分裂时，染色体结构发生变化
      • M相：凝聚态彼此完全解缠
      • G1、S、G2相：散开的明显不紧凑，染色体结构改变
      • DNA复制需要与每条染色体相关的蛋白质几乎完全的拆卸和重组
      • 染色体是一个不断变化的过程
    • 细胞周期的间隙阶段允许时间为下一个细胞周期阶段做准备，同时也检查前一个阶段是否正确完成
    • 显微镜下可观察到不同水平的染色体结构
  • 核小体和组蛋白结构
    • 核小体是染色体的组成成分
      • 核小体由八个组蛋白组成的核心和包裹在周围的DNA（核心DNA 147BP）组成。 每个核小体之间的DNA称为连接DNA。 每个真核生物都有一个典型的平均连接DNA长度（20到60 BP）
    • 组蛋白是小、带正电荷的碱性蛋白质
      • 五个丰富的组蛋白是H1（连接组蛋白20 kb）、H2A、H2B、H3和H4（核心组蛋白，11到15 KB）
      • 核心组蛋白具有共同的结构褶皱，称为主蛋白折叠域
      • 每个核心组蛋白都有一个N尾端及广泛的修饰位点
    • 许多DNA序列独立接触介导核心组蛋白和DNA之间的相互作用
    • 组蛋白的N尾端稳定与DNA缠绕形成八聚物
      • 组蛋白在核小体核心的特定位置出现，作为螺丝钉的凹槽来引导DNA包裹
  • 高阶染色质结构
    • 组蛋白H1与核小体之间的连接DNA结合，诱导更紧密的DNA包裹核小体结构形成
    • 核阵列可以形成更复杂的结构：30nmfiber
    • DNA的进一步压实涉及核小体的大环DNA
    • 组蛋白变异改变核小体功能
      • 在真核生物中发现了几种组蛋白变异
      • 这种变异可以取代四个标准组蛋白中的一个形成交替的核小体
  • 染色质结构调控
    • DNA与组蛋白八聚体的相互作用是动态的
      • 有一些因素作用和小体增加或减少动态性质
      • DNA和组蛋白核心结合的动态性对其他蛋白质获取DNA基因组表达等至关重要
    • 核小体重塑复合物促进核小体运动
      • 大的蛋白质复合物利用ATP水解能量促进核小体位置改变或与DNA的相互作用
    • 组蛋白N尾端的修饰改变了染色质的可接近性，特定的酶负责组蛋白修饰
  • 核小体组装
    • 核小体在DNA复制后立即组装，组装需要组蛋白伴侣
• ch6 the structure of DNA and RNA
  • 1.DNA sturcture 2.DNA topology 3.RNA structure
    • DNA结构：两个多核苷酸链是以双螺旋的形式互相缠绕 核糖和核苷酸是DNA的基本组成成分
      • 小沟：12A 窄浅 大沟：22A 宽深
        • 大沟富含化学信息
      • 右手双螺旋：B式DNA（10bp）常见 A式DNA（11bp）更紧，窄，不易与蛋白质结合 左手双螺旋：Z式DNA（12bp）宽度变窄，大钩变平不适合与DNA结合，染色体端部热抗性增高
      • TM 单链DNA比双链DNA在260nm的吸光度更强
    • 磷酸二酯键：多核苷酸上重复的糖-磷酸主链
    • DNA极性：由核苷酸的不对称性和他们连接方式决定
      • DNA带负电（因为磷酸带负电）
        • 蛋白质呈碱性带正电
    • 每个碱基都有其首选的互变异构体形式
      • 所有碱基必须在同一平面上才能配对
  • 沃生克里克规则
    • 源于腺嘌呤和胸腺嘧啶以及鸟嘌呤和胞嘧啶在形状和氢键性质上的互补性
    • 互补碱基之间的氢键，决定了碱基配对的特异性
    • 氢键也导致热力学稳定螺旋（碱基之间的堆叠相互作用），显著促进了DNA双螺旋的稳定性
    • 排列在碱基上的水分子被碱基相互作用取代，产生疏水性
  • 一级结构决定高级结构 两结构
    • 连接数是共价封闭环状（cccDNA）的不变拓扑性质
    • 连接数由扭动（twist）和翻转（writhe）组成
      • twist：一般完全缠绕另一股的次数
      • writhe：双链DNA的长轴在三维空间中交叉次数
  • 两功能
    • 细胞中的DNA成负超螺旋，核小体在真核生物中引入负超螺旋
    • 拓扑异构酶
  • RNA
    • 含核酸和尿嘧啶，通常是单链
    • 生物学作用
      • RNA某些物质的遗传物质，基因和蛋白质合成机制之间的中间体（mRNA）
      • tRNA：mRNA密码子和氨基酸之间
      • 调节因子：通过序列的互补性结合并干扰某些基因翻译
      • 酶：RNaseP核酶，大rRNA，自剪内含子
    • 结构
      • RNA链自身折叠形成局部的双螺旋区域，类似于A型DNA
        • 发夹式
        • 凸环
        • 对称凸环
        • 小沟宽而浅，而且还提供序列特异性信息少 大沟窄而深，不易与蛋白质氨基酸侧链相结合
      • stem-loop 茎环
        • 某些四环序列可以增强RNA螺旋结构的稳定性
      • 伪结点
    • 锤头核酶通过形成一个二三环磷酸根来切割RNA
  • 三级结构中的相互作用
    • 非常规的碱基配对，如碱基三元组、碱基-骨干相互作用，蛋白质可以帮助大分子RNA形成三级结构