分子生物学 第4版

A 信息大分子 　　A1 信息加工与分子生物学 　　要点 　　中心法则 中心法则的*初观念是从DNA转录成RNA，再翻译成蛋白质，其中转录与翻译是分别进行的。虽然有很多例子与其有相矛盾的地方，但它基本上是正确的。反转录病毒能将RNA反转录为DNA，很多病毒能直接以RNA为模板复制RNA，而一些RNA在合成后能进一步被编辑，以致它们的*终序列不直接由DNA序列所决定。 　　重组DNA技术 对微生物、动物及植物的基因组进行测序和操作的能力大大提升了我们对细胞生物学的理解。在此基础上，导入外源DNA的转基因技术已广泛地应用在医药、农业和工业等领域。合成新型的基因组的能力必将促进这些领域的进步。 　　相关主题 核酸结构与功能（A2）真核生物的转录（H） 　　蛋白质结构与功能（A3）遗传密码与tRNA（K） 　　原核生物的转录（F） 蛋白质合成（L） 　　A2 核酸结构与功能 　　要点 　　碱基 DNA含有4种杂环碱基：嘌呤类有腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G），嘧啶类有胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）；而在RNA中尿嘧啶（U）替代了结构非常相似的胸腺嘧啶。 　　核苷 核苷由碱基共价结合于戊糖分子的1′位而构成。RNA中的戊糖为核糖（ribose），构成核糖核苷（ribonucleotide，简称核苷）；而在DNA中戊糖为2′-脱氧核糖（2′-deoxyribose），形成2′-脱氧核糖核苷（2′-deoxyribonucleotide，简称脱氧核苷）。碱基+糖分子=核苷。 　　核苷酸 核苷酸由一个或多个磷酸基团共价结合在核苷的3′位、5′位或2′位（在核糖核苷中）而形成，即碱基+糖分子+磷酸分子=核苷酸。RNA和DNA分别由相应的5′-三磷酸核苷，即5′-三磷酸核糖核苷（NTP）或5′-三磷酸脱氧核糖核苷（dNTP）构成。 　　磷酸二酯键 核酸链中，核糖或脱氧核糖的5′位与相邻的另一个戊糖的3′位间由磷酸介导形成3′，5′-磷酸二酯键。因此，核酸由具有方向性的戊糖-磷酸骨架及与戊糖分子1′位相连的碱基构成，其重复单位是单个核苷酸。由于磷酸分子带负电荷，核酸成为具有强负电性的多聚大分子。 　　DNA/RNA序列 核酸序列通常在DNA中是指碱基A、C、G、T的排列顺序，而在RNA链中则是指A、U、C、G的排列顺序。习惯上从分子游离的5′端写至3′端，如5′-ATAAGCTC-3′（DNA）或5′-AUAGCUUGA-3′（RNA）。 　　DNA双螺旋 DNA分子通常以双螺旋形式存在。两条独立的反向平行的单链?DNA分子以右手螺旋方式相互缠绕，戊糖-磷酸骨架在外，碱基在内。碱基靠氢键相互配对并堆积在一起。腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对，而鸟嘌呤（G）则与胞嘧啶（C）配对。两条链是互补的，一条链可特异地决定另一条链的序列。 　　A型、B型及Z型螺旋 虽然沃森与克里克所发现的标准的DNA双螺旋（即B型）被认为是细胞中占优势的DNA结构，但核酸也可以形成右手A型螺旋，体内的RNA链可采用这一形式；而左旋Z型螺旋只在特殊碱基序列处形成，这在细胞中也许并不是一个重要的构象。 　　RNA二级结构 大部分RNA分子以单链形式存在，可折叠成各种复杂构象，包括局部分子内碱基配对，以及由其他氢键相互作用而维系的构象。这样的复杂性正反映出RNA在细胞中要承担多种作用。 　　核酸的修饰 核酸的共价修饰在细胞中具有特定作用。对DNA而言，修饰通常仅局限于腺嘌呤和胞嘧啶的甲基化（methylation），而对RNA而言，其修饰范围要大得多。 　　核酸的功能 DNA只是可以表达出来的遗传信息的载体，而构象多变的RNA在遗传信息的储存、传递及加工的调控和机制方面发挥着各种各样的结构与功能作用。 　　相关主题 核酸的理化特性（B1） DNA超螺旋（B3） 　　核酸的光谱学和热力学特性（B2）原核与真核生物的染色体结构（C） 　　A3 蛋白质结构与功能 　　要点 　　氨基酸结构 蛋白质中已发现的20种常见氨基酸都有一个与质子、氨基、羧基相连的手性α碳原子和具有不同理化特性的侧链。这些侧链可以是碱性的（带正电荷）、酸性的（带负电荷）、疏水性的（带脂肪族或芳香族基团）或是其他特定基团，如羟基、氨基或巯基。氨基酸在溶液中表现为两性离子。除去两种明显特例外，蛋白质中的稀有氨基酸通过翻译后修饰生成。 　　蛋白质的大小与形状 包括许多酶在内的球蛋白，在溶液中以紧凑的、近似球形的颗粒形状发生反应。纤维蛋白有一个高轴比，往往具有结构重要性，如丝蛋白（fibroin）和角蛋白（keratin）。蛋白质大小可以为几千到几百万道尔顿。一些蛋白质常与非蛋白性成分相结合，如脂类、糖或某些较小的辅因子。 　　一级结构 氨基酸在α-羧基与α-氨基间以肽键相连，形成的多肽序列有一个N端和一个C端。以这种方式相连的多肽序列通常有100～1500个氨基酸。 　　非共价相互作用 大量的弱相互作用维持着蛋白质的三维结构。电荷与电荷、电荷与偶极、偶极与偶极之间的相互作用构成了全部或部分带电原子间的吸引力。氢键和疏水作用力也对维持蛋白质的三维结构起重要的作用。 　　二级结构 多肽可以折叠成一系列规则的结构，右手α螺旋每圈有3.6个氨基酸，通过肽链的N—H与相隔3个残基的C==O基团间形成氢键，以稳定其整体结构。在肽链的不同部位，由形成的氢键来稳定平行与反平行的β折叠片层结构。 　　三级结构 二级结构的特定区域及其连接区可组合折叠成一个明晰的三级结构，结果是绝大多数亲水性氨基酸暴露在外表面，而疏水性氨基酸则聚集在内部，通过非共价相互作用，有时是由二硫键来稳定其结构。变性往往导致二级结构和三级结构的丧失。 　　四级结构 许多蛋白质有多于一个的肽链亚基，如血红蛋白有两条α链和两条β链。像微管这样的巨大复合体是由单一肽链的四元复合体组成的。别构效应通常取决于亚基的相互作用。 　　辅基 某些蛋白质可与提供额外化学功能的非蛋白质分子（辅基，prosthetic group）相结合。辅基包括烟酰胺二核苷酸（NAD+）、血红素及如Zn2+等金属离子。 　　结构域、基序、家族与进化 结构域是在一个单一肽链中形成的半独立的结构和功能单元。新的蛋白质可以通过结构域间的重新组合而产生。基序是蛋白质家族相关成员中的一级或二级结构元件的组合。蛋白质家族通过基因复制和随后的新基因趋异进化而产生。 　　蛋白质的功能 蛋白质具有广泛的功能：它们可以以酶、抗体、细胞内外的结构元件、受体、化学配体的转运子、调节子或营养贮存体的形式起作用。 　　相关主题 大分子组装（A4） 蛋白质合成（L） 　　A4 大分子组装 　　要点 　　大型的蛋白质复合体 蛋白质之间可以相互连接形成分子质量巨大的结构。真核生物细胞骨架就是由各种蛋白质复合体构成的，这些蛋白质复合体包括微管（由微管蛋白构成）、微丝、肌肉纤维（肌动蛋白和肌球蛋白）、纤毛和鞭毛。这些蛋白质复合体决定细胞及亚细胞器的形状与运动。 　　结合蛋白 糖蛋白与蛋白多糖（mucoprotein）是以共价键与糖类相连的蛋白质结合体，通常位于细胞外表面及胞外间隙。脂蛋白常被用来在水环境中运送脂类分子。像这样的混合大分子结合体提供了比其组分单独存在时更多的功能。 　　核蛋白 细菌70S核糖体由一个50S大亚基和一个30S小亚基组成。前者含有23S和5S核糖体RNA（rRNA）分子及31种蛋白质，后者包含一个16S rRNA分子与21种蛋白质。真核生物的80S核糖体含有60S（28S rRNA、5.8S rRNA和5S rRNA）和40S（18S rRNA）两个亚基。染色质含有DNA和碱性组蛋白。病毒也是一种核蛋白复合体。 　　膜 膜磷脂和鞘脂形成了极性基团在外部、烃链在内部的双分子层。膜蛋白可能是外周蛋白或整合蛋白，并起着受体、酶、转运蛋白或细胞相互作用介质的作用。 　　相关主题 蛋白质结构与功能（A3） rRNA加工与核糖体（J1） 　　染色质结构（C2） 噬菌体与真核生物病毒（M） 　　A5 蛋白质分析方法 　　要点 　　重组蛋白质的制备 从生物细胞提取物中纯化蛋白质通常效率低下且费力，因此现在通常将编码蛋白质的基因插进表达载体，在合适的宿主细胞中来表达。将序列标签加到重组蛋白质上来简化蛋白质的纯化与检测，从而提高效率。用真核宿主-载体系统来表达可获得正确的翻译后修饰。 　　蛋白质测序 用特异的蛋白酶将多肽切割成较小的肽段后，可通过化学方法或质谱方法对肽段进行氨基酸序列测定。从特异性不同的蛋白酶切片段所产生重叠序列可以再现原蛋白质的全长序列。不过，从蛋白质编码基因或互补DNA（cDNA）序列来预测蛋白质全序列要相对简单得多。 　　生物物理方法 许多蛋白质可以被结晶，进而利用X射线衍射可以确定它们的三级结构。溶液中的低分子质量蛋白质可用多维核磁共振（multi-dimensional nuclear magnetic resonance）来确定其结构，特别是正常的12C和14N若被13C和15N取代后更易进行。还有许多其他技术可被用来研究蛋白质结构和相互作用。 　　分子质量的测定和质谱分析 通过SDS存在下的凝胶电泳能够获得蛋白质的大致分子质量。用电喷雾电离（electrospray ionization，ESI）质谱可以给出精确到0.01%以内的蛋白质分子质量。质谱也能检测蛋白质的翻译后修饰。 　　抗体应用 抗体是脊椎动物的免疫系统为了应对外来物质（抗原，如注射蛋白）入侵而产生的蛋白质。由于抗体对蛋白抗原有很高的结合亲和力和特异性，因此已成为很有用的实验室工具，借助于免疫荧光、免疫印迹及免疫共沉淀来对蛋白质进行检测与分析。 　　功能分析 对于一个蛋白质进行功能分析包括对它进行分离纯化，在体外分析其功能，以及在突变体中由于基因突变或缺失而使蛋白质功能缺失来研究该蛋白质的行为。有时也可以通过与已知蛋白质的序列和结构进行比较，来预测一个新蛋白质的功能。 　　相关主题 核酸结构与功能（A2）蛋白质组学（S3） 　　蛋白质结构与功能（A3） 生物信息学（S6） 　　A1 Information orocessina and molecular biology 　　Key Notes 　　The ‘central dogma’ The central dogma is the original proposal that ‘DNA makes RNA makes protein，’ which happens via the processes of transcription and translation respectivel. This is broadly correct， although a number of examples are known that contradict parts of it. Retroviruses reverse transcribe RNA into DNA， other viruses can replicate RNA directly into an RNA copy， whereas some RNAs can be edited after synthesis so that the resulting sequence is not directly specified bythe DNA sequence. 　　Recombinant DNA technology The ability to sequence and manipulate the genomes of microorganisms， animals， and pl