第二章DNA的结构复制和修复

课程内容（课时）第一章绪论（2节）第二章DNA的结构、复制和修复（4节）第三章遗传与变异（6节）第四章遗传信息的转录（4节）第五章遗传信息的翻译——从mRNA到蛋白质（4节）第六章原核生物基因表达调控（5节）第七章真核生物表达与调控（4节）第八章分子生物学实验技术（3节）第二章

DNA的结构、复制和修复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DNA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其功能。一、染色体概述由于亲代能够将自己的遗传物质DNA以染色体的形式传给子代，保持了特种的稳定性和连续性。同时细胞内的DNA主要在染色体上，所以，遗传物质的主要载体是染色体。第一节染色体

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。染色质是细胞核内可以被碱性染料着色的一类非定形物质。以双链DNA为骨架，与组蛋白、非组蛋白及少量的各种RNA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。

作为遗传物质，染色体具有以下特征：分子结构相对稳定；能够自我复制，使亲代、子代之间保持连续性；能够指导蛋白质的合成；能够产生可遗传的变异。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，都祼露的染色体。

染色体具有一个显著特点——比较易于接受带有相同或不同物种的基因或DNA片段的插入。1.细菌染色体形态结构

大肠杆菌染色体长1333μm，而要装入长约2μm、宽约1μm的细胞中，细胞如何容纳呢？

图2-1大肠杆菌（E.coli）染色体的基本结构

2.原核DNA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。（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：。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。主要成分是DNA与组蛋白，还有非组蛋白，及少量RNA1.染色体蛋白质

（1）组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正Arg、Lys等碱性氨基酸，属于碱性蛋白，可以与酸性的DNA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）非组蛋白是指染色体上与DNA序列相结合的蛋白（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，带负电荷。2.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）第二节DNA的组成和结构一、DNA的组成RNA

核苷脱氧核糖或核糖（戊糖）DNA核酸→核苷酸

磷酸

碱基（嘌呤或嘧啶）RNA

核苷脱氧核糖或核糖（戊糖）DNA核酸→核苷酸

磷酸

碱基（嘌呤或嘧啶）RNA

DNA核酸→核苷酸

β-D-2-脱氧核糖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线条式缩写文字式缩写二、DNA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、DNA的二级结构

DNA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。双螺旋结构模型特点（1）两条反向平行的多核苷酸链构成双螺旋结构。（2）碱基在内侧，磷酸与脱氧核糖在外侧。双螺旋每转一周有10个bp，螺距3.4nm，直径2nm（4）两条链配对偏向一侧，形成一条大沟和一条小沟。（3）碱基的A与T、G与C配对，分别形成2和3个氢键DNA双螺旋的类型B-DNA：右手螺旋构象，从生理盐水中抽提出的DNA纤维，从92%相对湿度下进行X射线衍射分析所得。A-DNA：右手螺旋构象，从75%

相对湿度下进行X射线衍射分析所得构象。Z-DNA：左手螺旋构象，最初于实验人工合成的，每一螺旋圈含12bp，后来也发现局部有天然存在。2、真核细胞核内线状双链DNA的超螺旋螺线管式超螺旋染色体的结构(1)核小体（nucleosome）由146bpDNA围绕8个组蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4各2个），绕1¾圈，有146个DNA的碱基对处于与组蛋白复合体紧密结合的状态，形成一个核小体核心颗粒。核心颗粒之间的“线”称之连接DNA，大约有54个碱基对长。第5个组蛋白H1既与连接DNA结合，又和核小体核心颗粒结合。

H1结合在连接区，每个核小体大致包含200bpDNA。

2、真核细胞核内线状双链DNA的超螺旋螺线管式超螺旋染色体的结构(1)核小体（nucleosome）由146bpDNA围绕8个组蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4各2个），绕1¾圈，有146个DNA的碱基对处于与组蛋白复合体紧密结合的状态，形成一个核小体核心颗粒。核心颗粒之间的“线”称之连接DNA，大约有54个碱基对长。第5个组蛋白H1既与连接DNA结合，又和核小体核心颗粒结合。

H1结合在连接区，每个核小体大致包含200bpDNA。

四、DNA的高级结构

是指DNA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。双链环状→超螺旋DNA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（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DNA的复制一、DNA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代DNA序列完全相同的子代DNA，其中每个子代分子中一条链来自亲代DNA，另一个链则是新合成。这样的复制方式称为半保留复制。DNA半保留复制的实验AGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATC亲代子代DNA半保留复制

现已证实，无论是原核生物还是真核生物，其DNA都是以半保留复制方式遗传的。这种方式保证了DNA在代谢上的稳定性。二、DNA复制的起点、方向和速度

DNA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。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。

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，但并不是同时起作用。DNA复制的方向和速度复制叉起始点起始点起始点复制叉复制叉未复制DNA单向复制双向复制偶尔存在双向等速，最普遍的三、DNA复制的几种主要方式

1.线性DNA双链的复制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），以及多个起始点的双向。

2.环状DNA双链的复制（1）θ形复制（2）滚动环复制（3）D形复制环状

DNA复制时所形成的θ结构起始点复制叉的推进复制起始点第四节DNA的复制过程DNA复制的过程：起始、延伸和终止等三个阶段。

一、复制的起始

复制只能在DNA分子上特定区域内起始，这一段特定的DNA顺序称为复制起始点。

大肠杆菌的复制起始点由245bp构成，称为ori，其序列和控制元件在细菌复制起点中十分保守。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RNA。二、复制的延伸复制的延伸