第2章染色体与DNA.ppt

第二章染色体与DNA主要内容主要内容一、染色体一、染色体二、二、DNA的组成与结构的组成与结构三、三、DNA的复制的复制 四、原核与真核生物四、原核与真核生物DNA的复制特点的复制特点五、五、DNA的修复的修复六、六、DNA的转座的转座一、染色体一、染色体(chromosome)的组成与结构的组成与结构1 1、染色体概述、染色体概述n染色体（染色体（chromosomechromosome）:遗传信息的载体，由遗传信息的载体，由DNADNA、RNARNA和蛋白质和蛋白质构成的构成的 ,其形态和数目具有种系的特性。在细胞间期核中，以其形态和数目具有种系的特性。在细胞间期核中，以染色质丝形式存在。在细胞分裂时，染色质丝经过螺旋化、折染色质丝形式存在。在细胞分裂时，染色质丝经过螺旋化、折叠、包装成为染色体，为显微镜下可见的具不同形状的小体。叠、包装成为染色体，为显微镜下可见的具不同形状的小体。n染色体在遗传上起主要作用，因为亲代能够将自己的遗传物质染色体在遗传上起主要作用，因为亲代能够将自己的遗传物质DNADNA以染色体的形式传给子代，保持物种的稳定性和连续性。以染色体的形式传给子代，保持物种的稳定性和连续性。染色体的形态示意图染色体的形态示意图真核细胞与原核细胞结构的比较真核细胞与原核细胞结构的比较2 2、真核生物染色体的组成与结构真核生物染色体的组成与结构染色体作为遗传物质的特征：染色体作为遗传物质的特征：w分子相对稳定；分子相对稳定；w能自我复制，保持遗传连续性；能自我复制，保持遗传连续性；w能指导蛋白质合成，控制生命过程；能指导蛋白质合成，控制生命过程；w能产生可遗传的变异能产生可遗传的变异w真核细胞具有明显的细胞结构，除了性真核细胞具有明显的细胞结构，除了性细胞外，真核细胞的染色体都是二倍体。细胞外，真核细胞的染色体都是二倍体。而性细胞的染色体为单倍体。而性细胞的染色体为单倍体。DNA的分布的分布主要在染色体上主要在染色体上细胞质内细胞质内细胞核遗传细胞核遗传细胞质遗传细胞质遗传生物的遗传生物的遗传（所以说，染（所以说，染色体是色体是DNA的的主要载体）主要载体）例：紫茉莉例：紫茉莉叶色的遗传叶色的遗传染色体的组成与结构染色体的组成与结构 组成组成:(1)(1)蛋白质蛋白质n组蛋白组蛋白(histone)(histone)：呈碱性，结构稳定；与：呈碱性，结构稳定；与DNADNA结合形成核小结合形成核小体，能维持染色质结构，与体，能维持染色质结构，与DNADNA含量呈一定的比例（真核细含量呈一定的比例（真核细胞中，胞中，DNADNA与组蛋白的质量比约为与组蛋白的质量比约为1 1：1 1）。）。n非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清楚，非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清楚，可能与染色质结构调节有关，在可能与染色质结构调节有关，在DNADNA遗传信息的表达中起调遗传信息的表达中起调控作用。控作用。(2)DNA(2)DNA：约占：约占30%30%，每条染色体有一个双链，每条染色体有一个双链DNADNA分子。分子。n是遗传信息的载体，也就是所称的遗传物质。是遗传信息的载体，也就是所称的遗传物质。(3)(3)另外，可能存在少量的另外，可能存在少量的RNARNA（尚未完成转录而仍与模板尚未完成转录而仍与模板DNADNA相连相连接的那些接的那些RNARNA，其含量不到其含量不到DNADNA的的10%10%）。）。组蛋白的特性组蛋白的特性组蛋白分为组蛋白分为组蛋白分为组蛋白分为H1H1H1H1、H2AH2AH2AH2A、H2BH2BH2BH2B、H3H3H3H3、H4H4H4H4，主要特性：，主要特性：，主要特性：，主要特性：（1 1）进化上的极端保守性（）进化上的极端保守性（不同生物组蛋白的氨基酸不同生物组蛋白的氨基酸组成非常相似）组成非常相似）（2 2）无组织特异性）无组织特异性:到目前为止，仅发现鸟类、鱼到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含类及两栖类红细胞染色体不含H1H1而带有而带有H5H5，精，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白(例外例外)。（3 3）肽链上）肽链上AAAA分布的不对称性分布的不对称性:碱性氨基酸集中分碱性氨基酸集中分布在布在N N端的半条链上。而大部分疏水基团都分布端的半条链上。而大部分疏水基团都分布在在C C端。端。（4 4）存在较普遍的修饰作用）存在较普遍的修饰作用:包括甲基化、乙包括甲基化、乙酰酰化、化、磷酸化及磷酸化及ADPADP核糖基化等核糖基化等 在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和和ADPADP核糖基化等。核糖基化等。H3H3、H4H4修饰作用较普遍，修饰作用较普遍，H2BH2B有乙有乙酰化作用、酰化作用、H1H1有磷酸化作用。所有这些修饰作用都有有磷酸化作用。所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。一个共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。这些组蛋白修饰的意义：一是改变染色体的结构，直这些组蛋白修饰的意义：一是改变染色体的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。组蛋白的可修饰性组蛋白的可修饰性真核细胞真核细胞DNADNA种类种类（1 1）不重复序列：在单倍体基因组里，这些序）不重复序列：在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝，它占列一般只有一个或几个拷贝，它占DNADNA总量的总量的40%40%80%80%。不重复序列长约。不重复序列长约75075020002000bpbp，相相当于一个结构基因的长度。当于一个结构基因的长度。结构基因基本属于不重复序列，如蛋清蛋白、结构基因基本属于不重复序列，如蛋清蛋白、血红蛋白和珠蛋白等都是单拷贝基因。血红蛋白和珠蛋白等都是单拷贝基因。真核生物基因组真核生物基因组DNADNAn含有大量重复序列，功能含有大量重复序列，功能DNADNA序列大多被不编码蛋序列大多被不编码蛋白质的非功能白质的非功能DNADNA所分割。所分割。2 2、中度重复序列中度重复序列 这这类类序序列列的的重重复复次次数数在在10101 110104 4之之间间，占占总总DNADNA的的10%10%40%40%，如如小小鼠鼠中中占占20%20%，果果蝇蝇中中占占15%15%，各各种种rRNArRNA、tRNAtRNA以以及及某某些些结结构构基基因因如如组组蛋蛋白白基基因因等等都都属属于于这这一一类类。中中度度重复序列往往分散在不重复序列之间重复序列往往分散在不重复序列之间。非洲爪蟾的非洲爪蟾的rRNA基因结构示意图基因结构示意图3 3、高度重复序列、高度重复序列卫星卫星DNA DNA 只存在于真核生物中，占基因组的只存在于真核生物中，占基因组的10%10%-60%-60%，由，由6 6-100100个碱基组成，在个碱基组成，在DNADNA链上串联重复高达数百万次。链上串联重复高达数百万次。它们是异染色质的成份，卫星它们是异染色质的成份，卫星DNADNA不转录，其功能不转录，其功能不详，可能与染色体的稳定性有关。不详，可能与染色体的稳定性有关。组蛋白组蛋白：H1 H2A H2B H3 H4非组蛋白非组蛋白核小体核小体DNA蛋白质蛋白质染色体染色体真核生物染色体的组成真核生物染色体的组成真真核核生生物物DNA以以非非常常有有序序的的形形式式存存在在于于细细胞胞核核内。内。在在细细胞胞周周期期的的大大部部分分时时间间里里，DNA以以松松散散的的染染色色质质(chromatin)形形式式存存在在，在在细细胞胞分分裂裂期期，则则形成高度致密的染色体形成高度致密的染色体(chromosome)。DNA染染色色质质呈呈现现出出的的串串珠珠样样结结构。构。染染色色质质的的基基本本单单位位是是核核小小体体(nucleosome)。DNA：约：约200bp 组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H4n核小体的组成核小体的组成核小体是由核小体是由H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4各两各两个分子生成的八聚体和由大约个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA200bpDNA组成的。八聚体在中间，组成的。八聚体在中间，DNADNA分子盘绕在外，而分子盘绕在外，而H1H1则在核小则在核小体的外面。每个核小体只有一个体的外面。每个核小体只有一个H1H1。在核小体中在核小体中DNADNA盘绕组蛋白八聚体盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子收缩成核心，从而使分子收缩成1/71/7，200bpDNA200bpDNA的长度约为的长度约为68nm68nm，却被压，却被压缩在缩在10nm10nm的核小体中。的核小体中。n核小体串珠样的结构核小体串珠样的结构核小体结构示意图核小体结构示意图核心颗粒包括组蛋白八聚体及与其结合的核心颗粒包括组蛋白八聚体及与其结合的146146bp bp DNADNA，该序列绕在八聚体外面该序列绕在八聚体外面1.751.75圈，每圈约圈，每圈约8080bpbp。染色体的染色体的结构模型结构模型DNA+组蛋白组蛋白核小体核小体+连接丝连接丝核小体核小体+连接丝连接丝螺线管螺线管（solenoid）螺线管螺线管超螺线管（超螺线管（super-solenoid）超螺线管超螺线管染色体染色体n双链双链DNA的折叠和组装的折叠和组装DNA经过多次折叠，被压缩了经过多次折叠，被压缩了800080001000010000倍，组倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内。装在直径只有为数微米的细胞核内。宽度增加宽度增加长度压缩长度压缩第一级第一级DNA+组蛋白组蛋白核小体核小体5倍倍7倍倍第二级第二级核小体核小体螺线体螺线体3倍倍6倍倍第三级第三级螺线体螺线体超螺线体超螺线体13倍倍40倍倍第四级第四级超螺线体超螺线体染色体染色体2.5-5倍倍5倍倍500-1000倍倍8400倍倍(8000-10000)染色体形成过程中长度与宽度的变化染色体形成过程中长度与宽度的变化真核生物基因组结构特点|真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大 3 310109 9bpbp|含有大量重复序列含有大量重复序列|非编码区较多非编码区较多 多于编码序列多于编码序列(9:1)(9:1)|基因的转录产物为单顺反子基因的转录产物为单顺反子|基因不连续性基因不连续性 （断裂基因）（断裂基因）:内含子内含子(intron)(intron)、外显子外显子(exon)(exon)|真核基因组有端粒结构真核基因组有端粒结构|真核基因组中存在大量的真核基因组中存在大量的DNADNA多态性多态性真核基因组具有独特的结构特点真核基因组具有独特的结构特点（一）真核基因组结构庞大（一）真核基因组结构庞大 哺乳类动物基因组哺乳类动物基因组DNA 约约 3109碱基对。碱基对。人编码基因约人编码基因约4万个万个，编码序列仅占总长的编码序列仅占总长的1%。rDNA等重复基因约占等重复基因约占5%10%。（二）真核基因转录产物为单顺反子（二）真核基因转录产物为单顺反子单顺反子单顺反子(monocistron)即即一一个个编编码码基基因因转转录录生生成成一一个个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。分子，经翻译生成一条多肽链。（三）真核基因组含有大量的重复序列（三）真核基因组含有大量的重复序列单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（106 次）次）中度重复序列（中度重复序列（103 104次）次）多拷贝序列多拷贝序列 真核结构基因两侧存在有不被转录的非真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。在编编码序列，往往是基因表达的调控区。在编码基因内部尚有内含子（码基因内部尚有内含子（intron）、外显子）、外显子（exon）之分，因此真核基因是不连续的。）之分，因此真核基因是不连续的。（四）真核基因中存在非编码序列和间隔区，（四）真核基因中存在非编码序列和间隔区，故：具有不连续性故：具有不连续性真核生物结构基因，由若干个编码区和非真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。断裂基因断裂基因(splite gene)CABD编码区编码区 A、B、C、D非编码区非编码区外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron)外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟现，并表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过程内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。中被除去的核酸序列。鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA鸡鸡卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其转转录录、转转录录后后修修饰饰（五）真核基因组存在大量的顺式作用元件（五）真核基因组存在大量的顺式作用元件不不同同物物种种、不不同同细细胞胞或或不不同同的的基基因因，转转录录起起始始点点上上游游可可以以有有不不同同的的DNA序序列列，但但这这些些序序列列都都可可统统称称为为顺顺式式作作用用元元件件(cis-acting element)。n一个典型的真核生物基因上游序列一个典型的真核生物基因上游序列:53调控序列调控序列TATA盒盒InrYYAN YYTA-30+1TATAAAn顺顺式式作作用用元元件件包包括括启启动动子子、启启动动子子上上游游元元件件(upstream promoter elements)或或 promoter-proximal elements)等等近近端端调调控控元元件件和和增增强强子子(enhancer)等远隔序列。等远隔序列。n起起始始点点上上游游多多数数有有共共同同的的TATA序序列列，称称为为Hognest盒盒或或TATA盒盒(TATA box)。通通常常认认为为这就是启动子的核心序列。这就是启动子的核心序列。端粒端粒(telomere)指真核生物染色体线性指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。分子末端的结构。n端粒的功能：端粒的功能：维持染色体的稳定性维持染色体的稳定性维持维持DNA复制的完整性复制的完整性n端粒的结构特点：端粒的结构特点：由末端单链由末端单链DNA序列和蛋白质构成。序列和蛋白质构成。末端末端DNA序列是多次重复的富含序列是多次重复的富含G、C碱基碱基的短序列。的短序列。TTTTGGGGTTTTGGGG（六）真核基因组有端粒结构（六）真核基因组有端粒结构n线性线性DNA复复制的末端制的末端 端粒酶端粒酶(telomerase)端粒酶端粒酶RNA(human telomerase RNA,hTR)端粒酶协同蛋白端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1,hTP1)端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase,hTRT)n组成：组成：n端粒酶催化作用的爬行模型端粒酶催化作用的爬行模型 3 3、原核生物基因组特点、原核生物基因组特点原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，且且DNADNA含量少。含量少。如大肠杆菌如大肠杆菌DNADNA的相对分子质量仅为的相对分子质量仅为4.64.610106 6bpbp，其完全伸展总长约为其完全伸展总长约为1.31.3mmmm，含含40004000多个基因。多个基因。基因组很小，大多只有一条染色体基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼结构简炼 存在转录单元存在转录单元(trnascriptional operon)(trnascriptional operon)多顺反子多顺反子(polycistron)(polycistron)有重叠基因（有重叠基因（SangerSanger发现）发现）原核生物基因组结构特点原核生物基因组结构特点基因内基因基因内基因 部分重叠基因部分重叠基因 一个碱基重叠一个碱基重叠核酸核酸(DNA和和RNA)核苷酸核苷酸核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖n核酸组成核酸组成 二、二、DNADNA的组成与结构的组成与结构1 1、化学组成与基本单位、化学组成与基本单位n分子组成分子组成碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖磷酸磷酸(phosphate)核苷酸是构成核酸的基本组成单位核苷酸是构成核酸的基本组成单位碱基碱基(base)(base)是含氮的杂环化合物。是含氮的杂环化合物。碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶存在于存在于DNA和和RNA中中仅存在于仅存在于RNA中中仅存在于仅存在于DNA中中n碱基碱基两种核酸的主要区别如下两种核酸的主要区别如下：（1 1）DNADNA含的糖分子是脱氧核糖，含的糖分子是脱氧核糖，RNARNA含的是核糖；含的是核糖；（2 2）DNADNA含有的碱基含有的碱基 A A、C C、G G、T TRNARNA含有的碱基含有的碱基 A A、C C、G G、U U（3 3）DNADNA通常是双链，而通常是双链，而RNARNA主要主要为单链；为单链；（4 4）DNADNA的分子链一般较长，而的分子链一般较长，而RNARNA分子链较短。分子链较短。嘌呤嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)有些核酸中还含有修饰碱基有些核酸中还含有修饰碱基(或稀有碱基或稀有碱基)，一般这些碱基在核酸中的含量稀少。一般这些碱基在核酸中的含量稀少。n戊糖戊糖（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)n脱氧核苷脱氧核苷嘌呤嘌呤N-9 或嘧啶或嘧啶N-1与脱氧核糖与脱氧核糖C-1 通过通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。嘌呤嘌呤N-9-9或嘧啶或嘧啶N-1-1与核糖与核糖C-1C-1 通过通过-N-糖糖苷键相连形成核苷苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO-HOO糖苷键糖苷键酯键酯键5-末端末端3-末端末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键交交替替的的磷磷酸酸基基团团和和戊戊糖糖 构构 成成 了了 DNA的的 骨骨 架架 (backbone)。DNA链的方向是链的方向是5 5 3 3 2 2、DNADNA的结构的结构1 1）概念概念 指指4 4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序,DNADNA序列是这一概念的简称。序列是这一概念的简称。DNA的一级结构n定义定义核核酸酸中中核核苷苷酸酸的的排排列列顺序。顺序。由由于于核核苷苷酸酸间间的的差差异异主主要要是是碱碱基基不不同同，所所以以也也称为碱基序列。称为碱基序列。55端端3端端CGA 核酸的一级结构是核苷核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序酸的排列顺序 3、DNA的二级结构的二级结构DNA的二级结构的二级结构是指两条多核苷酸链反向平是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构行盘绕所生成的双螺旋结构分两大分两大类右手螺旋：右手螺旋：A-DNA，B-DNA左手螺旋：左手螺旋：Z-DNA 5050年代初，年代初，ChargaffChargaff应用紫外分光光度法结合纸层应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物析等简单技术，对多种生物DNADNA做碱基定量分析，发现做碱基定量分析，发现DNADNA碱基组成有如下规律碱基组成有如下规律:3 3、DNADNA的二级结构的二级结构(1)(1)(1)(1)同一生物的不同组织的同一生物的不同组织的同一生物的不同组织的同一生物的不同组织的DNADNADNADNA碱基组成相同；碱基组成相同；碱基组成相同；碱基组成相同；(2)(2)(2)(2)一种生物一种生物一种生物一种生物DNADNADNADNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变；环境变化而改变；环境变化而改变；环境变化而改变；(3)(3)(3)(3)几乎所有的几乎所有的几乎所有的几乎所有的DNADNADNADNA，(A=T)(A=T)(A=T)(A=T)，(G=C)(G=C)(G=C)(G=C)，(A A A AG G G G=C C C CT);T);T);T);(4)(4)(4)(4)不同生物来源的不同生物来源的不同生物来源的不同生物来源的DNADNADNADNA碱基组成不同，表现在碱基组成不同，表现在碱基组成不同，表现在碱基组成不同，表现在A A A AT/GT/GT/GT/GC C C C比比比比值的不同。值的不同。值的不同。值的不同。DNA double helix(DNA双螺旋结构双螺旋结构)1.X-线衍射实验数据表明线衍射实验数据表明DNA是一种规则螺旋结构。是一种规则螺旋结构。1953，Watson 和和 Crick 基于三个方面的发现基于三个方面的发现,提出了提出了DNA双螺旋模型：双螺旋模型：2.DNA密度测量说明这种密度测量说明这种螺旋结构应有两条链。螺旋结构应有两条链。3.不论碱基数目多少，不论碱基数目多少，G的的含量总是与含量总是与C一样，而一样，而A与与T也是一样的。也是一样的。两两条条多多聚聚核核苷苷酸酸链链在在空空间间的的走走向向呈呈反反向向平平行行(anti-parallel)。两两条条链链围围绕绕着着同同一一个个螺螺旋旋轴轴形形成成右右手手螺螺旋旋(right-handed)的的结结构构。双双螺螺旋旋结结构构的的直直径径为为2.0nm，相邻碱基对平面的距离为，相邻碱基对平面的距离为0.34 nm。脱脱氧氧核核糖糖和和磷磷酸酸基基团团组组成成的的亲亲水水性性骨骨架架位位于于双双螺螺旋旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双双螺螺旋旋结结构构的的表表面面形形成成了了一一个个大大沟沟(major groove)和一个小沟和一个小沟(minor groove)。DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点1.1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构是反向平行、右手螺旋的双链结构绕绕DNADNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称为大沟，窄沟称为小沟。大沟，小沟都是由于碱称为大沟，窄沟称为小沟。大沟，小沟都是由于碱基对堆积和糖基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。磷酸骨架扭转造成的。亲亲水水性性的的骨骨架架位位于于双双链的外侧。链的外侧。疏疏水水性性的的碱碱基基位位于于双双链的内侧。链的内侧。n骨架与碱基骨架与碱基2.DNA双链之间形成了互补碱基对双链之间形成了互补碱基对碱基配对关系称为碱基互补配对原则。碱基配对关系称为碱基互补配对原则。DNA的的 两两 条条 链链 则则 互互 为为 互互 补补 链链(complementary strand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。碱基对平面与螺旋轴垂直。n碱基互补配对碱基互补配对:鸟嘌呤鸟嘌呤(G)/(G)/胞嘧啶胞嘧啶(C)(C)n碱基互补配对碱基互补配对:腺嘌呤腺嘌呤(A)/胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T)相相邻邻两两个个碱碱基基对对会会有有重重叠叠，产产生生了了疏疏水水性性的的碱碱基基堆堆积积力力(base stacking interaction)。碱碱基基堆堆积积力力和和互互补补碱碱基基对对的的氢氢键键共共同同维维系系着着DNA结构的稳定。结构的稳定。3.疏水作用力和氢键共同维系着疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋双螺旋结构的稳定。结构的稳定。n碱基堆积作用力碱基堆积作用力DNADNA二级结构的多态性二级结构的多态性B-DNAB-DNA：WatsonWatson和和CrickCrick提出的提出的DNADNA双螺旋结构属于双螺旋结构属于B B型双螺旋，它是以在生理盐水溶液中抽出的型双螺旋，它是以在生理盐水溶液中抽出的DNADNA纤维在纤维在92%92%相对湿度下进行相对湿度下进行X-X-射线衍射图谱为依射线衍射图谱为依据进行推测的，这是据进行推测的，这是DNADNA分子在水性环境和生理分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。条件下最稳定的结构。A-DNAA-DNA：在钾或铯离子存在条件下，相对湿度为：在钾或铯离子存在条件下，相对湿度为75%75%时的时的X-X-射线衍射图，射线衍射图，A-DNAA-DNA每螺旋含每螺旋含1111个碱基个碱基对。而且变成对。而且变成A-DNAA-DNA后，大沟变窄、变深，小沟后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。变宽、变浅。(一条链为一条链为RNARNA链链),),对基因表达有重对基因表达有重要意义。要意义。ABZ左手螺旋左手螺旋Z-DNAZ-DNA只是右手螺旋结构模型的一个补充和发展。只是右手螺旋结构模型的一个补充和发展。旋向旋向螺距螺距(nm)碱基数碱基数（每圈）（每圈）螺旋直径螺旋直径（nm）骨架骨架走行走行存在条件存在条件A型型右手右手2.6112.6平滑平滑体外脱水体外脱水B型型右手右手3.4102.0平滑平滑DNA生理条件生理条件Z型型左手左手3.7121.8锯齿型锯齿型CG序列序列n三种三种DNA构型的比较构型的比较 B-DNAB-DNA是活性最高的是活性最高的DNADNA构象，构象，B-B-DNADNA变构成为变构成为A-DNAA-DNA后，仍有活性，但若后，仍有活性，但若局部变构为局部变构为Z-DNAZ-DNA后则活性明显降低后则活性明显降低。三种不同构象的三种不同构象的DNA活性活性4、DNA的高级结构的高级结构DNA的高级结构是指的高级结构是指DNADNA双螺旋进一步扭双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋结构是超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式。高级结构的主要形式。4、DNA的高级结构是超螺旋结构的高级结构是超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。双螺旋方同相同。负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。双螺旋方向相反。在特殊情况下可以相互转变。在特殊情况下可以相互转变。原核生物原核生物DNA的环状超螺旋结构的环状超螺旋结构原核生物原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每式存在，平均每200200碱基就有一个超螺旋形成。碱基就有一个超螺旋形成。天然的天然的DNADNA都呈负超螺旋，但在体外可得正超螺都呈负超螺旋，但在体外可得正超螺旋。旋。超螺旋的生物学意义超螺旋的生物学意义 nB-DNAB-DNA是一种热力学上稳定的结构，超螺旋的是一种热力学上稳定的结构，超螺旋的引入就提高了它的能量水平。引入就提高了它的能量水平。nDNADNA特定区域中超螺旋的增加有助于特定区域中超螺旋的增加有助于DNADNA的结构的结构转化。转化。n超螺旋推动着结构的转化以满足功能上的需要。超螺旋推动着结构的转化以满足功能上的需要。三、三、DNADNA的复制的复制 (DNA replication)(DNA replication)nDNADNA做为遗传物质的基本特点就是在细胞分裂做为遗传物质的基本特点就是在细胞分裂前进行准确地自我复制前进行准确地自我复制 (self-replication)(self-replication)，使，使DNADNA的量成倍增加，这是细胞分裂的物质的量成倍增加，这是细胞分裂的物质基础。基础。n曾经有过多种关于曾经有过多种关于DNADNA复制方式的学说，包括复制方式的学说，包括半保留复制，全保留复制以及分散复制等半保留复制，全保留复制以及分散复制等。n全保留复制全保留复制 :复制后，两条母链彼此结合，恢复制后，两条母链彼此结合，恢复原状，新合成的两条子链彼此互补结合形成新复原状，新合成的两条子链彼此互补结合形成新的双链。的双链。n分散复制分散复制:亲代双链被切成双链片段，而这些亲代双链被切成双链片段，而这些片段又可作为新合成双链片段的模板，新、老双片段又可作为新合成双链片段的模板，新、老双链片段又以某种方式聚集成链片段又以某种方式聚集成“杂种链杂种链”Semi-conservative Conservative Dispersive1 1、定义：由亲代、定义：由亲代DNADNA生成子代生成子代DNADNA时，每个新形成的时，每个新形成的子代子代DNADNA中，一条链来自亲代中，一条链来自亲代DNADNA，而另一条链则，而另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。是新合成的，这种复制方式称半保留复制。（一）DNA的半保留复制（semi-conservative semi-conservative replicationreplication）2、实验证据（1958 Meselson 和Stahl）：Matthew Messelson Franklin Stahl1958年Meselson和Stahl利用氮标记技术在大肠杆菌中首次证实了DNA的半保留复制（实验验证）“Heavy”DNA“Hybrid”DNA“light”DNA “Hybrid”DNA1.1.大肠杆菌长期在含大肠杆菌长期在含1515NHNH4 4CLCL培养液中培养，使所有细培养液中培养，使所有细菌菌DNADNA都被都被N N1515标记。标记。2.2.用普通培养液（用普通培养液（1414NHNH4 4CLCL）培养）培养1515N N标记的大肠杆菌。标记的大肠杆菌。3 3、DNADNA半保留复制的生物学意义：半保留复制的生物学意义：DNADNA的半保留复制表明的半保留复制表明DNADNA在代谢上的稳定性，在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。（二）与（二）与DNADNA复制有关的物质复制有关的物质1 1、原料：四种脱氧核苷三磷酸（、原料：四种脱氧核苷三磷酸（dATPdATP、dGTPdGTP、dCTP dCTP、dTTP)dTTP)2 2、模板：以、模板：以DNADNA的两条链为模板链，合成子代的两条链为模板链，合成子代DNADNA3 3、引物：、引物：DNADNA的合成需要一段的合成需要一段RNARNA链作为引物链作为引物4 4、DNADNA复制复制复制复制酶酶和相关蛋白和相关蛋白和相关蛋白和相关蛋白质质4 4、DNADNA复制酶和相关蛋白质复制酶和相关蛋白质 与超螺旋松驰有关的酶与超螺旋松驰有关的酶-拓扑异构酶拓扑异构酶 DNA DNA解螺旋酶解螺旋酶/解链酶（解链酶（DNA helicase)DNA helicase)引物合成酶（引发酶）引物合成酶（引发酶）引发体引发体(primosome)(primosome)单链结合蛋白单链结合蛋白(SSB)(SSB)DNA DNA聚合酶聚合酶 DNA DNA连接酶连接酶10108 8局部解链后局部解链后局部解链后局部解链后DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶 改变改变DNADNA超螺旋状态超螺旋状态n n复制过程正超螺旋的形成：拓扑在物理学上是指物复制过程正超螺旋的形成：拓扑在物理学上是指物体或图像做弹性位移而保持物体原有的性质体或图像做弹性位移而保持物体原有的性质解链过程中正超螺旋的形成：复制解链沿同一方向解链过程中正超螺旋的形成：复制解链沿同一方向旋转，复制速度快，会造成复制叉前方的旋转，复制速度快，会造成复制叉前方的DNADNA分子分子打结，缠绕，连环现象。打结，缠绕，连环现象。既能水解既能水解既能水解既能水解 、又能连接磷酸二酯键。、又能连接磷酸二酯键。、又能连接磷酸二酯键。、又能连接磷酸二酯键。可将可将打结或已打结处的切口，下游的打结或已打结处的切口，下游的DNADNA穿穿越切口并作一定程度旋转，把结打开或越切口并作一定程度旋转，把结打开或者解松，然后旋转复位连接者解松，然后旋转复位连接 拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶 拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶n n拓扑异构酶分类：拓扑异构酶分类：拓扑异构酶分类：拓扑异构酶分类：n n拓扑异构酶作用特点：拓扑异构酶作用特点：拓扑异构酶作用特点：拓扑异构酶作用特点：拓扑异拓扑异拓扑异拓扑异构酶构酶构酶构酶 切断切断切断切断DNADNA双链中一股链，使双链中一股链，使双链中一股链，使双链中一股链，使DNADNA解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，闭切口，闭切口，闭切口，DNADNA变为松弛状态变为松弛状态变为松弛状态变为松弛状态。反应不需反应不需反应不需反应不需ATPATP。拓扑异拓扑异拓扑异拓扑异构酶构酶构酶构酶切断切断切断切断DNADNA分子两股链，断端通过分子两股链，断端通过分子两股链，断端通过分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。利用利用利用利用ATPATP供能，松弛状态供能，松弛状态供能，松弛状态供能，松弛状态DNADNA的的的的断端在同一酶的催化下连接恢复，断端在同一酶的催化下连接恢复，断端在同一酶的催化下连接恢复，断端在同一酶的催化下连接恢复，DNADNA分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。n n作用机制：作用机制：作用机制：作用机制：DNADNADNADNA分子一边接连一边复制，全程都需分子一边接连一边复制，全程都需分子一边接连一边复制，全程都需分子一边接连一边复制，全程都需要拓扑酶参与。要拓扑酶参与。要拓扑酶参与。要拓扑酶参与。DNA DNA 解螺旋酶解螺旋酶 /解链酶（解链酶（DNA helicase)DNA helicase)通过水解通过水解ATPATP获得能量来打开获得能量来打开DNADNA双链之间的氢双链之间的氢键，解开键，解开DNADNA双链。双链。大肠杆菌中有大肠杆菌中有DnaBDnaB、PriAPriA和和RepRep蛋白，还有蛋白，还有解螺旋酶解螺旋酶I I、IIII、IIIIII。引物合成酶（引发酶）：此酶以引物合成酶（引发酶）：此酶以DNADNA为模板合成为模板合成一段一段RNA,RNA,这种短这种短RNARNA片段一般是十几个至数十个核片段一般是十几个至数十个核苷酸不等，它们在苷酸不等，它们在DNADNA复制起始处做为合成复制起始处做为合成DNADNA的引物的引物（Primer)Primer)。引发酶实质是以引发酶实质是以DNADNA为模板的为模板的RNARNA聚合酶。聚合酶。引发体引发体(primosome)(primosome)高度解链的模板高度解链的模板DNADNA与多种蛋白质因子形成的