第二章DNA的結(jié)構(gòu)復(fù)制和修復(fù)

課程內(nèi)容（課時(shí)）第一章緒論（2節(jié)）第二章DNA的結(jié)構(gòu)、復(fù)制和修復(fù)（4節(jié)）第三章遺傳與變異（6節(jié)）第四章遺傳信息的轉(zhuǎn)錄（4節(jié)）第五章遺傳信息的翻譯——從mRNA到蛋白質(zhì)（4節(jié)）第六章原核生物基因表達(dá)調(diào)控（5節(jié)）第七章真核生物表達(dá)與調(diào)控（4節(jié)）第八章分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)（3節(jié)）第二章

DNA的結(jié)構(gòu)、復(fù)制和修復(fù)二零一六年八月二十九日學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握原核生物與真核生物染色體組成、結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；2.理解真核DNA的組成、結(jié)構(gòu)與其功能的適應(yīng)性；3.掌握DNA復(fù)制的機(jī)制以及相關(guān)酶和蛋白質(zhì)因子的作用；4.掌握DNA操作與修復(fù)的類(lèi)型和機(jī)制。

證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)的三大經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。遺傳信息通過(guò)表達(dá)產(chǎn)生各種蛋白質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。一、染色體概述由于親代能夠?qū)⒆约旱倪z傳物質(zhì)DNA以染色體的形式傳給子代，保持了特種的穩(wěn)定性和連續(xù)性。同時(shí)細(xì)胞內(nèi)的DNA主要在染色體上，所以，遺傳物質(zhì)的主要載體是染色體。第一節(jié)染色體

染色體在不同的細(xì)胞周期有不同的形態(tài)表現(xiàn)。

細(xì)胞分裂間期表現(xiàn)為染色質(zhì)。染色質(zhì)是細(xì)胞核內(nèi)可以被堿性染料著色的一類(lèi)非定形物質(zhì)。以雙鏈DNA為骨架，與組蛋白、非組蛋白及少量的各種RNA等共同組成絲狀結(jié)構(gòu)。在細(xì)胞分裂期，經(jīng)多級(jí)螺旋化形成一種有固定形態(tài)的復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)的染色體。與染色質(zhì)主要在于空間構(gòu)象不同。

作為遺傳物質(zhì)，染色體具有以下特征：分子結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定；能夠自我復(fù)制，使親代、子代之間保持連續(xù)性；能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成；能夠產(chǎn)生可遺傳的變異。二、原核生物的染色體

位于核區(qū)，大都是雙鏈組成的封閉的環(huán)，都祼露的染色體。

染色體具有一個(gè)顯著特點(diǎn)——比較易于接受帶有相同或不同物種的基因或DNA片段的插入。1.細(xì)菌染色體形態(tài)結(jié)構(gòu)

大腸桿菌染色體長(zhǎng)1333μm，而要裝入長(zhǎng)約2μm、寬約1μm的細(xì)胞中，細(xì)胞如何容納呢？

圖2-1大腸桿菌（E.coli）染色體的基本結(jié)構(gòu)

2.原核DNA基因組的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練原核DNA分子的絕大部分是用來(lái)編碼蛋白質(zhì)的。（2）基因種類(lèi)和數(shù)量較少

DNA分子大都帶有單拷貝基因，多以重疊基因形式存在。（3）以操縱子為轉(zhuǎn)錄單元以多順子形成翻譯成各種蛋白質(zhì)。三、真核生物染色體的組成從單細(xì)胞的酵母菌到高等哺乳動(dòng)物，真核生物細(xì)胞都有一個(gè)共同特點(diǎn)：。真核生物基因表達(dá)調(diào)控復(fù)雜不僅因?yàn)檎婧松锘蚪M的復(fù)雜性，也與染色體結(jié)構(gòu)有關(guān)。主要成分是DNA與組蛋白，還有非組蛋白，及少量RNA1.染色體蛋白質(zhì)

（1）組蛋白是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶正Arg、Lys等堿性氨基酸，屬于堿性蛋白，可以與酸性的DNA非特異性結(jié)合。

非組蛋白的功能：能幫助DNA分子折疊，以形成不同的結(jié)構(gòu)域，人而有利于DNA的復(fù)制和基因的轉(zhuǎn)錄；協(xié)助DNA復(fù)制；特異性地控制基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。

（2）非組蛋白是指染色體上與DNA序列相結(jié)合的蛋白（序列特異性結(jié)合蛋白）。其所含酸性氨基酸的量超過(guò)堿性氨基酸的量，帶負(fù)電荷。2.染色質(zhì)和核小體

1974年，Kornberg等根據(jù)染色質(zhì)的酶切降解和電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)了被稱(chēng)為核小體的或核粒（nucleosome）的染色質(zhì)基本結(jié)構(gòu)單位。

核小體的結(jié)構(gòu)（后圖）第二節(jié)DNA的組成和結(jié)構(gòu)一、DNA的組成RNA

核苷脫氧核糖或核糖（戊糖）DNA核酸→核苷酸

磷酸

堿基（嘌呤或嘧啶）RNA

核苷脫氧核糖或核糖（戊糖）DNA核酸→核苷酸

磷酸

堿基（嘌呤或嘧啶）RNA

DNA核酸→核苷酸

β-D-2-脫氧核糖OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHNH2HH9腺嘌呤腺苷OHO-OO—CH2TO=P—O-3′5′OHOHO-OO—CH2GO=P—O-3′5′OHOO—CH2OHOHAO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpGTA線條式縮寫(xiě)文字式縮寫(xiě)二、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)就是這些脫氧核苷酸在分子中的排列順序（序列），也就是DNA分子內(nèi)堿基排列順序。它以密碼子的方式蘊(yùn)藏著遺傳信息，以堿基序列的方式蘊(yùn)藏著對(duì)遺傳信息的調(diào)控。三、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)指兩條多核苷酸反向平行盤(pán)繞所生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)模型特點(diǎn)（1）兩條反向平行的多核苷酸鏈構(gòu)成雙螺旋結(jié)構(gòu)。（2）堿基在內(nèi)側(cè)，磷酸與脫氧核糖在外側(cè)。雙螺旋每轉(zhuǎn)一周有10個(gè)bp，螺距3.4nm，直徑2nm（4）兩條鏈配對(duì)偏向一側(cè)，形成一條大溝和一條小溝。（3）堿基的A與T、G與C配對(duì)，分別形成2和3個(gè)氫鍵DNA雙螺旋的類(lèi)型B-DNA：右手螺旋構(gòu)象，從生理鹽水中抽提出的DNA纖維，從92%相對(duì)濕度下進(jìn)行X射線衍射分析所得。A-DNA：右手螺旋構(gòu)象，從75%

相對(duì)濕度下進(jìn)行X射線衍射分析所得構(gòu)象。Z-DNA：左手螺旋構(gòu)象，最初于實(shí)驗(yàn)人工合成的，每一螺旋圈含12bp，后來(lái)也發(fā)現(xiàn)局部有天然存在。2、真核細(xì)胞核內(nèi)線狀雙鏈DNA的超螺旋螺線管式超螺旋染色體的結(jié)構(gòu)(1)核小體（nucleosome）由146bpDNA圍繞8個(gè)組蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4各2個(gè)），繞1?圈，有146個(gè)DNA的堿基對(duì)處于與組蛋白復(fù)合體緊密結(jié)合的狀態(tài)，形成一個(gè)核小體核心顆粒。核心顆粒之間的“線”稱(chēng)之連接DNA，大約有54個(gè)堿基對(duì)長(zhǎng)。第5個(gè)組蛋白H1既與連接DNA結(jié)合，又和核小體核心顆粒結(jié)合。

H1結(jié)合在連接區(qū)，每個(gè)核小體大致包含200bpDNA。

2、真核細(xì)胞核內(nèi)線狀雙鏈DNA的超螺旋螺線管式超螺旋染色體的結(jié)構(gòu)(1)核小體（nucleosome）由146bpDNA圍繞8個(gè)組蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4各2個(gè)），繞1?圈，有146個(gè)DNA的堿基對(duì)處于與組蛋白復(fù)合體緊密結(jié)合的狀態(tài)，形成一個(gè)核小體核心顆粒。核心顆粒之間的“線”稱(chēng)之連接DNA，大約有54個(gè)堿基對(duì)長(zhǎng)。第5個(gè)組蛋白H1既與連接DNA結(jié)合，又和核小體核心顆粒結(jié)合。

H1結(jié)合在連接區(qū)，每個(gè)核小體大致包含200bpDNA。

四、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)

是指DNA以螺旋進(jìn)一步扭曲盤(pán)繞所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。超螺旋結(jié)構(gòu)是其主要形式。雙鏈環(huán)狀→超螺旋DNA在相對(duì)分子質(zhì)量相同，密度不同情況下呈現(xiàn)三種狀態(tài)，沉降速度不一樣（1）帶“缺口”的環(huán)狀DNA分子（2）線狀DNA分子（3）超螺旋DNA分子第三節(jié)DNA的復(fù)制一、DNA的半保留復(fù)制機(jī)理從親代的一個(gè)雙螺旋分子形成兩個(gè)與親代DNA序列完全相同的子代DNA，其中每個(gè)子代分子中一條鏈來(lái)自親代DNA，另一個(gè)鏈則是新合成。這樣的復(fù)制方式稱(chēng)為半保留復(fù)制。DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)AGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATC親代子代DNA半保留復(fù)制

現(xiàn)已證實(shí)，無(wú)論是原核生物還是真核生物，其DNA都是以半保留復(fù)制方式遺傳的。這種方式保證了DNA在代謝上的穩(wěn)定性。二、DNA復(fù)制的起點(diǎn)、方向和速度

DNA在復(fù)制時(shí)，首先在一定位置解開(kāi)雙鏈，這個(gè)復(fù)制起點(diǎn)呈現(xiàn)叉子的形式，稱(chēng)為復(fù)制叉。一般生物體能獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制的單位稱(chēng)為復(fù)制子。每個(gè)復(fù)制子的復(fù)制起點(diǎn)只有一個(gè)。

在復(fù)制時(shí)，原核生物中復(fù)制起始點(diǎn)只有一個(gè)，而在真核生物中則為多個(gè)，但并不是同時(shí)起作用。DNA復(fù)制的方向和速度復(fù)制叉起始點(diǎn)起始點(diǎn)起始點(diǎn)復(fù)制叉復(fù)制叉未復(fù)制DNA單向復(fù)制雙向復(fù)制偶爾存在雙向等速，最普遍的三、DNA復(fù)制的幾種主要方式

1.線性DNA雙鏈的復(fù)制復(fù)制叉生長(zhǎng)方向有單一起點(diǎn)的單向（腺病毒）和雙向（如噬菌體），以及多個(gè)起始點(diǎn)的雙向。

2.環(huán)狀DNA雙鏈的復(fù)制（1）θ形復(fù)制（2）滾動(dòng)環(huán)復(fù)制（3）D形復(fù)制環(huán)狀

DNA復(fù)制時(shí)所形成的θ結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)復(fù)制叉的推進(jìn)復(fù)制起始點(diǎn)第四節(jié)DNA的復(fù)制過(guò)程DNA復(fù)制的過(guò)程：起始、延伸和終止等三個(gè)階段。

一、復(fù)制的起始

復(fù)制只能在DNA分子上特定區(qū)域內(nèi)起始，這一段特定的DNA順序稱(chēng)為復(fù)制起始點(diǎn)。

大腸桿菌的復(fù)制起始點(diǎn)由245bp構(gòu)成，稱(chēng)為ori，其序列和控制元件在細(xì)菌復(fù)制起點(diǎn)中十分保守。形成前引發(fā)復(fù)合物，然后由引物合成酶在起點(diǎn)鄰近處合成一段RNA。二、復(fù)制的延伸復(fù)制的延伸