1、基因功能的研究方法 13蛋白质工程 1414细胞代谢调控 14细胞膜结构对代谢的调控作用 14酶的调节 1413蛋白质合成和转运 15蛋白质生物合成体系 15蛋白质生物合成过程 16多肽链合成后的加工修饰 17蛋白质合成抑制因子 1712 DNA、RNA和遗传密码 18遗传学的中心法则和反中心法则 18DNA复制的特点 18DNA复制的条件 19DNA生物合成 19DNA的损伤 20DNA突变的类型 20DNA突变的效应 20DNA损伤的修复 21RNA转录合成的特点 21RNA转录合成的条件 21RNA转录合成的基本过程 22真核生物RNA转录后的加工修饰 2211 核酸代谢 22核苷酸类物
2、质的生理功用 22嘌呤核苷酸的合成代谢 23嘌呤核苷酸的分解代谢 23嘧啶核苷酸的合成代谢 23嘧啶核苷酸的分解代谢 2410 脂类的合成与代谢 24脂类的分类和生理功用 24甘油三酯的分解代谢 24脂肪酸氧化分解时的能量释放 25酮体的生成及利用 25甘油三酯的合成代谢 25甘油磷脂的代谢 26鞘磷脂的代谢 26胆固醇的代谢 26血浆脂蛋白 279 糖类的分解代谢和合成代谢 27糖类的生理功用 27糖的无氧酵解 28糖无氧酵解的调节 28糖无氧酵解的生理意义 28糖的有氧氧化 28糖有氧氧化的生理意义 29有氧氧化的调节和巴斯德效应 29磷酸戊糖途径 29磷酸戊糖途径的生理意义 29糖原的合
3、成与分解 30糖原合成与分解的生理意义 30糖异生 30糖异生的生理意义 30血糖 31光合作用 318 新陈代谢和生物能学 32生物氧化 32线粒体氧化呼吸链 32呼吸链成分的排列顺序 33生物体内能量生成的方式 33氧化磷酸化的偶联部位 33氧化磷酸化的偶联机制 33氧化磷酸化的影响因素 33高能磷酸键的类型 34线粒体外NADH的穿梭 347 激素 34激素按化学结构大体分为四类 34作用机制分类 34第二信使模式 346 维生素和辅酶 35分类 35脂溶性维生素 35一、维生素A 36二、维生素D 36三、维生素E 36四、维生素K 36水溶性维生素 37一、硫胺素（VB1） 37二、
4、核黄素（VB2） 37三、泛酸（VB3） 37四、吡哆素（VB6） 37五、尼克酰胺（VPP） 37六、生物素（biotin） 38七、叶酸（folic acid，FA） 38八、钴胺素（VB12） 38九、抗坏血酸（V-C） 38其他辅酶 38辅酶Q 38硫辛酸 395 酶学 39酶的命名与分类 39酶的分子组成 39辅酶与辅基的来源及其生理功用 39金属离子的作用 39酶的活性中心 40酶促反应的特点 40酶促反应的机制 40酶促反应动力学 404 脂质与生物膜 42脂质 42生物膜 42膜的流动性 423 糖类结构与功能 43糖的分类 43糖的鉴别 43己糖 43双糖 442 核酸化学
5、45一、 核酸的化学组成 45二、 核苷酸的结构与命名 45三、 核酸的一级结构 45四、 DNA的二级结构 45五、 DNA的超螺旋结构 45六、 DNA的功能 45七、 RNA的空间结构与功能 46八、 核酶 46九、 核酸的一般理化性质 46十、DNA的变性 46十一、 DNA的复性与分子杂交 46十二、 核酸酶 461 蛋白质化学 47一、 氨基酸 47二、 肽键与肽链 47三、 肽键平面（肽单位） 47四、 蛋白质的分子结构 47六、 蛋白质的分离与纯化 48七、 氨基酸顺序分析 48 48 49 5020 基因治疗在基因水平上治疗疾病的方法。包括基因置换、基因修正、基因修饰、基因失
6、活、引入新基因等。基因治疗有二种形式：一是体细胞基因治疗，正在广泛使用；二是生殖细胞基因治疗，因能引起遗传改变而受到限制。19 植物基因工程农杆菌质粒是一种能实现DNA转移和整合的天然系统。Ti质粒有两个区域：T-DNA区（是质粒上能够转移整合入植物受体基因组并能在植物细胞中表达从而导致冠瘿瘤的发生，且可通过减数分裂传递给子代的区域，即反向重复序列）和Vir区（编码能够实现T-DNA转移的蛋白，即转座酶基因），Vir区位于T-DNA以外的一个35 kb内，其产物对T-DNA的转移及整合必不可少。农杆菌侵染植物首先是吸附于植物表面伤口，受伤植物分泌的酚类小分子化合物可以诱导Vir基因的表达。Vi
7、r产物能诱导Ti质粒产生一条新的T-DNA单链分子。此单链分子从Ti质粒上脱离后，可以与Vir产物VIRD2蛋白共价结合，并在VIRD4和VIRB等蛋白的帮助下从农杆菌进入植物细胞的染色体中。18 病毒分子生物学SV40病毒的基因组是一种环形双链的DNA，是最小的DNA病毒之一 。同时它也是第一个完成基因组DNA全序列分析的动物病毒。它可长期潜伏于猴肾细胞，对新生仓鼠有致癌性，体外试验还可使多种属细胞恶性转化。SV40病毒基因的表达：（1）启动子位于调控区复制起点上游，其中含有RNA pdII识别位点位于-21-26bp之间的TATA盒可启动RNA转录起始准确位置，一般不相差10个核苷酸。 （
8、2）增强子 在106-250位是2个串联的含有72bp的完全重复顺序，即为增强子，能增强SV40及异源基因的表达。（3）早期基因转录的mRNA前体选择剪接形成不同的mRNA（TmRNA、t-mRNA）T抗原控制病毒的复制，启动晚期基因转录。（1）早期基因T及t的表达受T抗原的反馈阻遇，表现一种自我调节作用。（2）晚期基因表达需要T抗原及SV40 DNA本身的复制。一般过程是，感染早期合成T、t抗原T-方面抑制早期mRNA进一步合成；另一方激活多种与DNA复制有关的酶，引发病毒的复制进而推动晚期RNA的合成，产生Vp蛋白（12h）V-DNA+VP123病毒颗粒。 人免疫缺损病毒HIV引起获得性免
9、疫缺陷综合征和相关疾病的RNA病毒。病毒主要侵犯CD4 T细胞、CD4单核细胞和B淋巴细胞。 病毒基因组是两条相同的正链RNA，每条RNA长约9.2-9.8kb。两端是长末端重复序列（long terminal repeats, LTR），含顺式调控序列，控制前病毒的表达。已证明在LTR有启动子和增强子并含负调控区。LTR之间的序列编码了至少9个蛋白，可分为叁类：结构蛋白、调控蛋白、辅助蛋白。乙型肝炎病素HBV乙型肝炎病毒 （HBV） 属嗜肝DNA 病毒科 （hepadnaviridae），基因组长约3.2kb ，为部分双链环状DNA。完整的乙肝病毒成颗粒状，也会被称为丹娜颗粒（Dane）。1
10、965年由丹娜发现。直径为42纳米。颗粒分为外壳和核心两部分。 HBV DNA在复制时，有一个逆转录过程，故易发生变异 。17 高等动物基因表达表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达了可遗传的变化的一门遗传学分支学科。表观遗传的现象很多，已知的有DNA甲基化（DNA methylation），基因组印记（genomic impriting），母体效应（maternal effects），基因沉默（gene silencing），核仁显性，休眠转座子激活和RNA编辑（RNA editing）等。DNA甲基化在甲基转移酶的催化下，DNA的CG两个核苷酸的胞嘧啶被选择性地添加甲
11、基，形成5甲基胞嘧啶，这常见于基因的5-CG-3序列。大多数脊椎动物基因组DNA都有少量的甲基化胞嘧啶，主要集中在基因5端的非编码区，并成簇存在。甲基化位点可随DNA的复制而遗传，因为DNA复制后，甲基化酶可将新合成的未甲基化的位点进行甲基化。基因组中60% 90% 的CpG 都被甲基化, 未甲基化的CpG 成簇地组成CpG 岛, 位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。DNA甲基化抑制基因表达机理C的甲基化可能加强阻遏蛋白或降低激活蛋白与DNA的结合，或因mCpG的甲基伸入DNA双螺旋结构的大沟，影响DNA与结合蛋白的相互作用；也可能由于C的甲基化使DNA双螺旋大沟中过分拥挤从而改变了DN
12、A不同构象间的平衡，更多地由B-DNA变为其他（如Z-DNA）构象以扩展大沟内的空间，影响了DNA结合蛋白对相应专一序列的结合；由于Z-DNA结构收缩，螺旋加深，使许多蛋白质因子赖以结合的元件收缩入大沟而不利于基因转录的起始。用序列相同但甲基化水平不同的DNA为材料进行实验，发现甲基的引入不利于模板与RNA聚合酶的结合，降低了其体外转录活性。DNA甲基化对转录的抑制主要决定于甲基化CpG的密度和启动子强度两个因素：启动子附近甲基化CpG的密度是阻遏作用的主要决定因素。弱的启动子可被散布的甲基化CpG完全阻遏，若外加增强子使启动子强化，则在同样程度的甲基化影响下转录可以恢复；如果甲基化CpG位点
13、进一步增加，转录就会完全停止。阻遏的严重程度与甲基化CpG区对MeCP1（methylCpG-bindingprotein1）的亲和力成正比。可见在转录的充分激活和完全阻遏之间的调节开关决定于甲基化CpG密度和启动子强度的平衡。总之：甲基化（DNA methylation） DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，大量研究表明，DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。X染色体失活失活的X染色体（Xi）伴随有一系列的表观遗传修饰，包括组蛋白H3的甲基化、组蛋白H3和H4的去乙酰化、macroH2A的积聚和DNA甲基化。其中，组蛋白
14、H3Lys-9和27位点的甲基化修饰是两个独特的抑制型标记，在失活的起始和维持中起着相当重要的作用。DNA甲基化在失活状态的维持中也起到必不可少的作用。组蛋白修饰组蛋白是染色体基本结构-核小体中的重要组成部分,其N-末端氨基酸残基可发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、多聚ADP糖基化等多种共价修饰作用.组蛋白的修饰可通过影响组蛋白与DNA双链的亲和性,从而改变染色质的疏松或凝集状态,或通过影响其它转录因子与结构基因启动子的亲和性来发挥基因调控作用.组蛋白修饰对基因表达的调控有类似DNA遗传密码的调控作用. 蛋白质磷酸化与信号转导蛋白质磷酸化是敏感而可逆地调节蛋白质功能的一种最常见和最重要的机制
15、，是调节细胞增值的基础。很多多肽生长因子（血小板来源的生长因子和表皮生长因子）和细胞因子（白细胞介素-2、集落刺激因子-2和-干扰素）在与其受体结合后均激发磷酸化作用，而这些被诱导的磷酸化反过来激活细胞质内的蛋白激酶如raf、MEK和MAP。此外，在所以有核生物中，细胞周期中G1/S期和G2/M期的转换均受依赖细胞周期蛋白的蛋白激酶（CDK）的调节。磷酸化作用也控制着分化和发育，如果蝇视网膜的R7细胞和秀丽新小杆线虫的阴门发育受控于受体蛋白激酶和胞内蛋白激酶。最后，新陈代谢受磷酸化作用的调节控制，尤其是葡萄糖和糖元的相互转换及葡萄糖的转运的代谢作用。因而，形形色色的生物学家为了弄清楚他们最感兴
16、趣的基因及其编码产物的调控和功能，他们常常不约而同，有时还是不由自主地必须蛋白质地磷酸化。免疫球蛋白具有抗体活性或化学结构上与抗体相似的球蛋白，是一类重要的免疫效应分子。由高等动物免疫系统淋巴细胞产生的蛋白质，经抗原的诱导可以转化为抗体。因结构不同可分为IgG、IgA、IgM、IgD和IgE 5种。Ig 分子的基本结构是由四肽链组成的，即由二条相同的分子量较小的轻链（L 链）和二条相同的分子量较大的重链（H 链）组成的。L链与H链是由二硫键连接形成一个四肽链分子 免疫球蛋白，称为Ig分子的单体，是构成免疫球蛋白分子的基本结构。分子伴侣一组从细菌到人广泛存在的蛋白质，非共价地与新生肽链和解折叠的
17、蛋白质肽链结合，并帮助它们折叠和转运，通常不参与靶蛋白的生理功能。主要有三大类：伴侣蛋白、热激蛋白70家族和热激蛋白90家族。主要功能：参与新生肽链、参与蛋白运送、修复热变性蛋白癌基因及抑癌基因癌基因可以分成两大类：一类是病毒癌基因，指反转录病毒的基因组里带有可使受病毒感染的宿主细胞发生癌变的基因，简写成V-OnC；另一类是细胞癌基因，简写成conc，又称原癌基因（proto-oncogene），这是指正常细胞基因组中，一旦发生突变或被异常激活后可使细胞发生恶性转化的基因。原癌基因编码的蛋白与细胞生长调控的许多因子有关，这些因子参与细胞生长、增殖、分化途径上环节的调控。将癌基因表达产物按其在细
18、胞信号传递系统中的作用分为： 细胞外的生长因子、跨膜的生长因子受体、核内转录因子、包内信号传递体母细瘤基因（Rb基因） 视网膜Rb 基因是最早发现的肿瘤抑制基因，最早发现于儿童的视网膜母细胞瘤，因此称为Rb基因。当Rb基因一旦丧失功能或先天性缺乏，视网膜母细胞则出现异常增殖，形成视网膜母细胞瘤。Rb基因失活还见于多种肿瘤，具有一定的广泛性。 Rb基因比较大，编码蛋白质为P105，定位于核内，有磷酸化和非磷酸化两种形式，非磷酸化形式称活性型，能促进细胞分化，抑制细胞增殖。 Rb基因对肿瘤的抑制作用与转录因子（E2F）有关。E-2F是一类激活转录作用的活性蛋白，在G 0、G 1期，低磷酸化型的Rb
19、蛋白与E2F结合成复合物，使E2F处于非活化状态；在S期，Rb蛋白被磷酸化而与E2F解离，结合状态的E-2F变成游离状态，细胞立即进入增殖阶段。当Rb基因发生缺失或突变，丧失结合、抑制E-2F的能力，于是细胞增殖活跃，导致肿瘤发生。P53 基因野生型 P53蛋白在维持细胞正常生长、抑制恶性增殖中起着重要作用，P53基因时刻监控着基因的完整性，一旦细胞DNA遭到损害，P53蛋白与相应基因的DNA部位结合，起特殊转录因子作用，活化P21基因转录，使细胞停滞于G 1期；抑制解链酶活性；并与复制因子A相互作用参与DNA的复制与修复；如果修复失败，P53蛋白即启动程序性死亡过程诱导细胞自杀，阻止有癌变倾
20、向突变细胞的生成，从而防止细胞恶变。当P53发生突变后，不单失去野生型P53抑制肿瘤增殖的作用，而且突变本身又使该基因具备癌基因功能。ras基因一种原癌基因，因首先发现于大鼠肉瘤病毒而得名。产物为小G蛋白的一种，细胞信号转导中，在鸟苷酸置换因子作用下，无活性的ras-GDP可转变为有活性的ras-GTP，通过启动信号转导中的MAP激酶途径，参与细胞增殖、分化。该基因在人类癌细胞中常发生突变。16 基因调控原理基因表达调控基本概念与原理1基因表达的概念：基因表达（gene expression）就是指在一定调节因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并转录生成特定的RNA，或由此引起特异性蛋白
21、质合成的过程。 2基因表达的时间性及空间性： 时间特异性：基因表达的时间特异性（temporal specificity）是指特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。故又称为阶段特异性。 空间特异性：基因表达的空间特异性（spatial specificity）是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。故又称为细胞特异性或组织特异性。 3基因表达的方式： 组成性表达：组成性基因表达（constitutive gene expression）是指在个体发育的任一
22、阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因（housekeeping gene）。 诱导和阻遏表达：诱导表达（induction）是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。阻遏表达（repression）是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。 4基因表达的生物学意义：适应环境、维持生长和增殖。维持个体发育与分化。 5基因表达调控的基本原理： 基因表达的多级调控：基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物
23、合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为转录水平（基因激活及转录起始），转录后水平（加工及转运），翻译水平及翻译后水平，但以转录水平的基因表达调控最重要。 基因转录激活调节基本要素：顺式作用元件：顺式作用元件（cis-acting element）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。反式作用因子：反式作用因子（trans-acting factor）又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用：大多数调节蛋白在与DNA结合
24、之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。操纵子在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织形式称为操纵子。典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。信息区由一个或数个结构基因串联在一起组成；控制区通常由调节基因（阻抑蛋白编码基因）、启动基因（CRP和RNA聚合酶结合区）和操纵基因（阻抑蛋白结合位点）构成。 1原核生物乳糖操纵子： 原核生物乳糖操纵子（Lac operon）的控制区包括调节基因，启动基因（其CRP结合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵基因
25、；其信息区由-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串联在一起构成。当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时，乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合，促使阻抑蛋白与操纵基因分离；另一方面，细胞中cAMP浓度升高，cAMP与CRP结合并使之激活，CRP与启动基因结合并促使RNA聚合酶与启动基因结合，基因转录激活。 2原核生物色氨酸操纵子： 色氨酸操纵子（trp operon）属于阻遏型操纵子，主要调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。色氨酸操纵子通常处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结
26、合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。色氨酸操纵子的调控还涉及转录衰减（attenuation）机制。即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域，当细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联的翻译过程，形成一个衰减子结构，使RNA聚合酶从DNA上脱落，导致转录终止。 3原核生物转录的整体调控模式： 由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为调节子。通过组成调节子调控网络，对若干操纵子及若干蛋白质的合成进行协同调控，从而达到整体调控的目的。典型的整体调控模式是SOS反应，这是由一组与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因组成。在正常情况下，这些基因均被LexA阻遏蛋白
27、封闭。当有紫外线照射时，细菌体内的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，从而导致与DNA损伤修复有关的基因表达。噬菌体 噬菌体基因组至少可编码 30 个基因，它们的分布和排列与其功能有一定关系。根据执行功能的不同可将基因组分为三个区。左边区域包括从基因 Nu1 到基因 J 之间的基因，其产物用于噬菌体 DNA 的包装和噬菌体颗粒的形成。中间区域（基因 J 右边至 gam）编码基因调节、溶源状态的发生和维持以及遗传重组所需要的基因。其中许多基因对裂解生长是非必须的，在构建载体时可以去掉，用外源 DNA 片段替代。右边区域（基因 gam 右边至基因 Rz） 包含噬菌体复制和裂解宿
28、主菌所必须的基因。噬菌体发育调节一个重要的调节因素是噬菌体的 C 蛋白，它是噬菌体基因转录的激活子，抑制裂解功能基因的表达，催化噬菌体 DNA 整合到细菌的染色体中去。高浓度的 C 蛋白促进溶源化，而低浓度 C 蛋白促进裂解生长。 C 蛋白还可协助调节 PRE 、 PI 和 PaQ 三个启动子向左转录，分别控制基因 c 和基因 int 的表达，以及指导减少基因 Q （抗终止子）表达的反义 RNA 的合成。当 C 蛋白浓度足够时，激活基因 c 和基因 int 的表达，导致噬菌体 DNA 整合到宿主的染色体上。真核生物基因结构1.转录产物为单顺反子：真核基因的转录产物一般是单顺反子（mono-ci
29、stron），即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，并指导翻译一条多肽链。 2大量重复序列：真核基因组中含大量的重复序列，这些重复序列大部分是没有特定生物学功能的DNA片段，可占整个基因组DNA的90%。根据重复频率可将其分为高度重复序列、中度重复序列和单拷贝序列。 3断裂基因：真核生物中的基因具有不连续性，即一个基因的编码序列往往被一些非编码序列分隔开。基因中能够转录并进一步编码多肽链合成的部分称为外显子（exon），而在转录后会被剪除的部分则称为内含子（intron）。 4.基因家族：基因组中存在的许多来源于同一个祖先，结构和功能相似的一组基因。同一家族的这些基因的外显子具有相关性，可在
30、基因组内集中或分散分布。真核基因表达调控的特点 1RNA聚合酶活性受转录因子调控：真核生物中存在RNA pol、三种不同的RNA聚合酶，分别负责转录不同的RNA。这些RNA聚合酶与相应的转录因子形成复合体，从而激活或抑制该酶的催化活性。2染色质结构改变参与基因表达的调控：真核生物DNA与组蛋白结合并形成核小体的结构，再进一步形成染色质。当真核基因被激活时，染色质的结构也随之发生改变。主要的改变有：单链DNA形成：基因被激活后，双链DNA解开成单链以利于转录，从而形成一些对DNAase的超敏位点。 DNA拓朴结构改变：天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在，当基因激活后，则转录区前方的DNA拓朴结构变为正性超螺旋。正性超螺旋可阻碍核小体形成，并促进组蛋白解聚。核小体不稳定性增加：由于组蛋白修饰状态改变，巯
