第二章DNA结构复制与修复

1、第二章第二章DNADNA结构复制与修复结构复制与修复第二章 DNA的结构、复制和修复二零一六年八月二十九日二零一六年八月二十九日学习目标1. 掌握原核生物与真核生物染色体组成、结构的特点；2. 理解真核DNA的组成、结构与其功能的适应性； 3. 掌握DNA复制的机制以及相关酶和蛋白质因子的作用；4. 掌握DNA操作与修复的类型和机制。 证实证实DNA是遗传物质的三大经典实验。是遗传物质的三大经典实验。 遗传信息通过表达产生各种蛋白质来实现遗传信息通过表达产生各种蛋白质来实现其功能。其功能。第一节第一节 染色体染色体一、染色体概述一、染色体概述 由于亲代能够将自己的遗传物质由于亲代能够将自己的遗

2、传物质DNA以染色以染色体的形式传给子代，保持了特种的稳定性和连续体的形式传给子代，保持了特种的稳定性和连续性。同时细胞内的性。同时细胞内的DNA主要在染色体上，所以，主要在染色体上，所以，遗传物质的主要载体是染色体。遗传物质的主要载体是染色体。 染色体在不同的细胞周期有不同的形态表现。染色体在不同的细胞周期有不同的形态表现。 细胞分裂间期表现为染色质。染色质是细胞细胞分裂间期表现为染色质。染色质是细胞核内可以被碱性染料着色的一类非定形物质。以核内可以被碱性染料着色的一类非定形物质。以双链双链DNA为骨架，与组蛋白、非组蛋白及少量的为骨架，与组蛋白、非组蛋白及少量的各种各种RNA等共同组成丝状

3、结构。等共同组成丝状结构。 在细胞分裂期，经多级螺旋化形成一种有固在细胞分裂期，经多级螺旋化形成一种有固定形态的复杂的立体结构的染色体。与染色质主定形态的复杂的立体结构的染色体。与染色质主要在于空间构象不同。要在于空间构象不同。 作为遗传物质，染色体具有以下特征：作为遗传物质，染色体具有以下特征：分子结构相对稳定；分子结构相对稳定；能够自我复制，使亲代、子代之间保持连续能够自我复制，使亲代、子代之间保持连续性；性；能够指导蛋白质的合成；能够指导蛋白质的合成；能够产生可遗传的变异。能够产生可遗传的变异。二、原核生物的染色体二、原核生物的染色体 位于核区，大都是双链组成的封闭的环，位于核区，大都是

4、双链组成的封闭的环，都祼露的染色体。都祼露的染色体。 染色体具有一个显著特点染色体具有一个显著特点 比较易比较易于接受带有相同或不同物种的基因或于接受带有相同或不同物种的基因或DNA片段的插入。片段的插入。1. 细菌染色体形态结构细菌染色体形态结构 大肠杆菌染色体长大肠杆菌染色体长1333m，而要装入长约，而要装入长约2m、宽约、宽约1m的细胞中，细胞如何容纳呢？的细胞中，细胞如何容纳呢？ 图图2-1 大肠杆菌（大肠杆菌（E. coli）染色体的基本结构染色体的基本结构 2. 原核原核DNA基因组的组织结构特点基因组的组织结构特点 （1）结构简练 原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的。

5、（2）基因种类和数量较少 DNA分子大都带有单拷贝基因，多以重叠基因形式存在。 （3）以操纵子为转录单元 以多顺子形成翻译成各种蛋白质。三、真核生物染色体的组成三、真核生物染色体的组成 从单细胞的酵母菌到高等哺乳动物，真核生从单细胞的酵母菌到高等哺乳动物，真核生物细胞都有一个共同特点：物细胞都有一个共同特点： 。 真核生物基因表达调控复杂不仅因为真核生真核生物基因表达调控复杂不仅因为真核生物基因组的复杂性，也与染色体结构有关。物基因组的复杂性，也与染色体结构有关。主要成分是主要成分是DNA与组蛋白，还有与组蛋白，还有非组蛋白，及少非组蛋白，及少量量RNA1. 染色体蛋白质染色体蛋白质 （1）组

6、蛋白）组蛋白 是真核生物染色体的基本结构蛋是真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正白，富含带正Arg、Lys等碱性氨基酸，属于碱性等碱性氨基酸，属于碱性蛋白，可以与酸性的蛋白，可以与酸性的DNA非特异性结合。非特异性结合。 非组蛋白的功能：能帮助DNA分子折叠，以形成不同的结构域，人而有利于DNA的复制和基因的转录；协助DNA复制；特异性地控制基因转录，调节基因表达。 （2）非组蛋白）非组蛋白 是指染色体上与是指染色体上与DNA序列相序列相结合的蛋白（序列特异性结合蛋白）。其所含结合的蛋白（序列特异性结合蛋白）。其所含酸性氨基酸的量超过碱性氨基酸的量，带负电酸性氨基酸的量超过碱性氨基酸的量，带

7、负电荷。荷。2. 染色质和核小体染色质和核小体 1974年，Kornberg等根据染色质的酶切降解和电 镜 观 察 ， 发 现 了 被 称 为 核 小 体 的 或 核 粒（nucleosome）的染色质基本结构单位。 核小体的结构（后图）核小体的结构（后图）第二节第二节 DNA的组成和结构的组成和结构一、一、DNA的组成的组成RNA RNA 核苷核苷 脱氧核糖或核糖脱氧核糖或核糖（戊糖）（戊糖） DNA DNA 核酸核酸核苷酸核苷酸 磷酸磷酸 碱基（嘌呤或嘧啶）碱基（嘌呤或嘧啶） RNA RNA 核苷核苷 脱氧核糖或核糖脱氧核糖或核糖（戊糖）（戊糖） DNA DNA 核酸核酸核苷酸核苷酸 磷酸

8、磷酸 碱基（嘌呤或嘧啶）碱基（嘌呤或嘧啶） RNA RNA DNA DNA 核酸核酸核苷酸核苷酸 OHOH2CHOHHHOHHH-D-2-脱氧核糖脱氧核糖OHOH2COHOHOH12345核核 糖糖NNNNHNH2HH9腺嘌呤腺嘌呤腺苷腺苷OHO-O OCH2 TO=PO-35OHOHO-O OCH2 GO=PO-35OHO OCH2OHOH AO=POO-35351PPPOHATGpGpTpAOHpGTA线条式缩写线条式缩写文字式缩写文字式缩写二、二、DNA的一级结构的一级结构 DNA的一级结构就是这些脱氧核苷酸在分子中的排列顺序（序列），也就是DNA分子内碱基排列顺序。 它以密码子的方式蕴

9、藏着遗传信息，以碱基序列的方式蕴藏着对遗传信息的调控。三、三、DNA的二级结构的二级结构 DNA的二级结构指两条多核苷酸反向平行盘的二级结构指两条多核苷酸反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。绕所生成的双螺旋结构。双螺旋结构模型特点双螺旋结构模型特点（1）两条反向平行的多两条反向平行的多核苷酸链构成双螺旋结构。核苷酸链构成双螺旋结构。（2）碱基在内侧，磷酸）碱基在内侧，磷酸与脱氧核糖在外侧。与脱氧核糖在外侧。双螺双螺旋每转一周有旋每转一周有10个个bp，螺距，螺距，直径直径2nm（4）两条链配对偏向一）两条链配对偏向一侧，形成一条大沟和一侧，形成一条大沟和一条小沟。条小沟。（3）碱基的）碱基的A与与

10、T、G与与C配对，分别形成配对，分别形成2和和 3个氢键个氢键DNA双螺旋的类型双螺旋的类型B-DNA：右手螺旋构象，从生：右手螺旋构象，从生理盐水中抽提出的理盐水中抽提出的DNA纤维，纤维，从从92%相对湿度下进行相对湿度下进行X射线射线衍射分析所得。衍射分析所得。A-DNA：右手螺旋构象，从右手螺旋构象，从75% 相对湿度下进行相对湿度下进行X射线射线衍射分析所得构象衍射分析所得构象。Z-DNA：左手螺旋构象，最：左手螺旋构象，最初于实验人工合成的，初于实验人工合成的，每一每一螺旋圈含螺旋圈含12bp，后来也发现，后来也发现局部有天然存在。局部有天然存在。四、四、 DNA的高级结构的高级结

11、构 是指是指DNA以螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特以螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋结构是其主要形式。定空间结构。超螺旋结构是其主要形式。双链环状双链环状超螺旋超螺旋 DNA DNA在相对分子质量相同，密度不同情况下呈在相对分子质量相同，密度不同情况下呈现三种状态，沉降速度不一样现三种状态，沉降速度不一样 （1）带“缺口”的环状DNA分子 （2）线状DNA分子 （3）超螺旋DNA分子第三节第三节 DNA的复制的复制一、一、DNA的半保留复制机理的半保留复制机理 从亲代的一个双螺旋分子形成两个与亲从亲代的一个双螺旋分子形成两个与亲代代DNADNA序列完全相同的子代序列完全相同的子代D

12、NADNA，其中每个子，其中每个子代分子中一条链来自亲代代分子中一条链来自亲代DNADNA，另一个链则是，另一个链则是新合成。这样的复制方式称为半保留复制。新合成。这样的复制方式称为半保留复制。DNA半保留复制的实验AGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATC亲代亲代子代子代DNA半保留复制半保留复制 现已证实，无论是原核生物还是真核现已证实，无论是原核生物还是真核生物，其生物，其DNA都是以半保留复制方式遗传都是以半保留复制方式遗传的。这种方式保证了的。这种方式保证了DNA在代谢上的稳定在代谢上的稳定性。性。二、二、DNA复制的

13、起点、方向和速度复制的起点、方向和速度 DNADNA在复制时，首先在一定位置解开双链，在复制时，首先在一定位置解开双链，这个复制起点呈现叉子的形式，称为复制叉。这个复制起点呈现叉子的形式，称为复制叉。一般生物体能独立进行复制的单位称为复制子。一般生物体能独立进行复制的单位称为复制子。每个复制子的复制起点只有一个。每个复制子的复制起点只有一个。 在复制时，原核生物中复制起始点只有一在复制时，原核生物中复制起始点只有一个，而在真核生物中则为多个，但并不是同时个，而在真核生物中则为多个，但并不是同时起作用。起作用。DNADNA复制的复制的方向和速度方向和速度复制叉复制叉起始点起始点起始点起始点起始点

14、起始点复制叉复制叉复制叉复制叉未复制未复制DNA单向复制单向复制双向复制双向复制偶尔存在偶尔存在双向等速，最双向等速，最普遍的普遍的三、三、DNA复制的几种主要方式复制的几种主要方式 1. 线性线性DNA双链的复制双链的复制 复制叉生长方向有单一起点的单向（腺复制叉生长方向有单一起点的单向（腺病毒）和双向（如噬菌体），以及多个起始病毒）和双向（如噬菌体），以及多个起始点的双向。点的双向。 2. 环状环状DNA双链的复制双链的复制 （1）形形复制复制 （2）滚动环复制）滚动环复制 （3）D形复制形复制环状环状 DNA复制时复制时所形成的所形成的结构结构起始点起始点复制叉的推进复制叉的推进复制起始

15、点复制起始点第四节第四节 DNA的复制过程的复制过程 DNA复制的过程：起始、延伸和终止等复制的过程：起始、延伸和终止等三个阶段。三个阶段。 一、复制的起始一、复制的起始 复制只能在复制只能在DNADNA分子上特定区域内起始，这分子上特定区域内起始，这一段特定的一段特定的DNADNA顺序称为复制起始点。顺序称为复制起始点。 大肠杆菌的复制起始点由大肠杆菌的复制起始点由245bp构成，构成，称为称为ori，其序列和控制元件在细菌复制起点，其序列和控制元件在细菌复制起点中十分保守。中十分保守。 形成前引发复合物，然后由引物合成酶形成前引发复合物，然后由引物合成酶在起点邻近处合成一段在起点邻近处合成

16、一段RNA。二、复制的延伸二、复制的延伸 复制的延伸阶段同时进行着前导链和滞复制的延伸阶段同时进行着前导链和滞后链的合成。前者持续合成，后者分段合成后链的合成。前者持续合成，后者分段合成（形成冈崎片段）。（形成冈崎片段）。DNA复制示意图复制示意图拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶5 33 5 3 5DNA聚合酶聚合酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶前导链前导链 后随链后随链DNA连接酶连接酶冈崎片段冈崎片段引物酶引物酶三、复制的终止三、复制的终止 细菌环状染色体的两个复制叉向前推细菌环状染色体的两个复制叉向前推移，最后在终止区相遇并停止。复制体解移，最后在终止区相遇并停止。复制体解体

17、，其间仍有体，其间仍有50-100bp50-100bp未被复制，由修复未被复制，由修复方式填补空缺，其两条链解开。方式填补空缺，其两条链解开。四、单链环状噬菌体四、单链环状噬菌体DNA复制复制 以以X174为例来介绍，为例来介绍，X174噬菌体的噬菌体的基因组由单链基因组由单链DNA组成，称病毒型或正链。组成，称病毒型或正链。第五节第五节 原核生物和真核生物原核生物和真核生物DNADNA的复制特点的复制特点 DNA双螺旋的解旋双螺旋的解旋 冈崎片段与半不连续复制冈崎片段与半不连续复制 DNA复制的引发与终止复制的引发与终止 DNA聚合酶聚合酶 DNA连接酶连接酶一、原核生物一、原核生物DNA的

18、复制特点的复制特点DNA复制示意图复制示意图拓扑异构酶（使超螺旋变得松弛）拓扑异构酶（使超螺旋变得松弛）解链酶解链酶5 33 5 3 5DNA聚合酶聚合酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶前导链前导链 后随链后随链DNA连接酶连接酶冈崎片段冈崎片段引物酶引物酶 与原核细胞复制相比，主要有以下不同：与原核细胞复制相比，主要有以下不同： 真核细胞的每条染色体含有多个复制起始真核细胞的每条染色体含有多个复制起始 点；点；1.1.真核生物染色体在全部复制完成之前，各个真核生物染色体在全部复制完成之前，各个复制起始点不能开始新一轮的复制；复制起始点不能开始新一轮的复制；二、真核生物二、真核生物D

19、NA的复制特点的复制特点3. 3. 真核生物真核生物DNADNA的复制起点被称为自主复制的复制起点被称为自主复制序列，含有几个起始必需的保守区；序列，含有几个起始必需的保守区；4. 4. 真核生物有多种真核生物有多种DNADNA聚合酶；聚合酶；5. 5. 端粒的复制。端粒的复制。三、三、DNA复制的调控（自学内容）复制的调控（自学内容） 诺贝尔医学奖颁发给了发现疟疾治疗剂成分青蒿素的中国传统医学研究院教授屠呦呦、对寄生虫治疗药物开发有所贡献的美国教授、以及另一位日本教授。 诺贝尔奖评选委员会说，由寄生虫引发的疾病困扰了人类几千年，构成重大的全球性健康问题。屠呦呦发现的青蒿素应用在治疗中，使疟疾患者的死亡率显著降低；坎贝尔和大村智发明了阿维菌素（化学改进的伊维菌素），从根本上降低了盘尾丝虫病(河盲症)和淋巴丝虫病(象皮肿)的发病率。今年的获奖者们均研究出了治疗“一些最具伤害性的寄生虫病的革命性疗法”，这两项获奖成果为每年数百万感染相关疾病的人们提供了“强有力的治疗新方式”，在改善人类健康和减少患者病痛方面的成果无法估量。 三位科学家在分子水平上描绘了细胞修复受损的DNA并进行遗传信息维护的路径。他们的研究成果提供了活性细胞功能的