第二章 DNA复制

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大肠杆菌DNA的复制需要有20种左右的酶和蛋白质因 子参与，整个DNA复制机器被称之为DNA replicase system或replisome。其中： Helicase：任何DNA在被复制前都必须解开双链，这 个过程是由helicase来完成的，它可在ATP的作用下将 DNA母链不断解开形成单链。 Topoisomerase：主要功能是消除DNA解链过程中所 产生的扭曲力。 DNA结合蛋白：使新解链的DNA保持稳定结构。 Primases：为DNA复制提供RNA引物。 DNA polymerases：合成新生DNA链，切除RNA引物 DNA Ligases：使新生DNA链上的缺口（3'-OH, 5'-p ）生成磷酸二酯键。
DNA不仅具有严格的化学组成，还具有特殊的高级结构，它主 要以有规则的双螺旋形式存在，基本特点是：
1、DNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸 长链盘绕而成的。 2、DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接， 排在外侧，构成基本骨架，碱基排在内侧 3、两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱 基对，它的组成有一定的规律。
1.1.2.2 核小体的组成
• 由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生 成的八聚体和由大约200bpDNA组成 的。
• 八聚体在中间，DNA分子盘绕在外， 而H1则在核小体的外面。每个核小体 只有一个H1。
染色体的结构模型
• 贝克等(Bak, A. L., 1977)：染色体四级结构模型理论 能够在一定程度上解释染色质状态转化的过程
DNA结构的多态性
• B-DNA：Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺
旋，它是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行 X－射线衍射图谱为依据进行推测的，这是DNA分子在水性环境和 生理条件下最稳定的结构。
• A-DAN：在以钾或绝作反离子，相对湿度为75%时，DNA分
超螺线体 染色体
原核生物DNA特征（P22）：
1、原核生物中一般只有一条染色体且大都带 有单拷贝基因，只有很少数基因〔如 rRNA基因〕是以多拷贝形式存在； 2、整个染色体DNA几乎全部由功能基因与 调控序列所组成； 3、几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质 序列呈线性对应状态。
真核生物基因组结构特点：P29 单顺反子？ 原核生物基因组结构特点：P30 多顺反子、重叠基因？
在以3′→5′方向的母链为模板时，复制合成出一 条5′→3′方向的前导链(leading strand)，前导链的前 进方向与复制叉打开方向是一致的，因此前导链的 合成是连续进行的，而另一条母链DNA是5′→3′方向 ，它作为模板时，复制合成许多条3′ → 5′方向的短 链，叫做随从链(lagging strand)，随从链的前进方 向是与复制叉的打开方向相反的。随从链只能先以 片段的形式合成，这些片段就叫做岗崎片段。
三、DNA的复制
• DNA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(selfreplication)，使DNA的量 成 倍 增 加 ， 这 是 细 胞 分 裂 的 物 质 基 础 。 1953 年 Watson和Crick提出DNA双螺 旋 结构模 型指出 ， DNA是由二条互补的脱氧核苷酸链组成，所以一条 DNA链上的核苷酸排列顺序是由双螺旋DNA的另 一条决定的。这就说明DNA的复制是由原来存在的 分子为模板来合成新的链。曾经有过多种关于DNA 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。
DNA的半保留复制第 一代分子含有一条亲代 的链(用黑色素示)，与 另一条新合成的链(用白 色表示)配对。在以后的 连续复制过程中，原来 亲代的两条链仍然保持 完整，因此总有两个分 子各具有一条原来亲代 的链。
2、DNA复制的一般过程：
• DNA双螺旋是由两条方向相反的单链组成 • 形成一个复制叉 • 生物体内DNA聚合酶只能催化DNA从5′→3′的方向合成。
第二章 染色体与DNA
本章主要内容
一、染色体的组成与结构
DNA的组成与结构 三、 DNA的复制 四、原核与真核生物DNA的比较 五、DNA的修复 六、DNA的转座
二、
一、染色体的组成与结构
细胞－染色体－DNA 染色体由DNA和蛋白质组 成，比例约为2：1
1、真核生物细胞染色体的组成与结构
A
T
连 接
T
A
G
C
C
G
3、DNA的二级结构
DNA碱基组成有如下规律：
（1）同一生物不同组织的DNA碱基组成相同； （2）一种生物DNA碱基组成不随生物体年龄 、 营养状态或者环境变化而改变； （3）几乎所有的DNA，(A=T)，(G=C)，因此 (［A＋G ］= ［ C＋T ］ ） ； （4）不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现 在A＋T/G＋C比值的不同 。
3、DNA的三级结构（高级结构）
3.1 DNA超螺旋
• 双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结 构，超螺旋是DNA三级结构的主要形式。 • 超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两 种。真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成 核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现 ，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶 等产生的。
– 1. DNA+组蛋白
– 2. 核小体 – 3. 螺线体 – 4. 超螺线体
核小体+连接丝
螺线体(solenoid) 超螺线体(super-solenoid) 染色体
DNA+组蛋白 核小体+连接丝
核小体+连接丝 螺线体(solenoid) 螺线体 超螺线体 (super-solenoid)
子的X－射线衍射图给出的是A构象，A－DNA每螺旋含11个碱基 对，而且变成A－DNA后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。
• Z－DNA：它是左手双螺旋，与右手螺旋的不同是螺距延长
(4.5nm左右)，直径变窄(1.8nm)，每个螺旋含12个碱基对，分子长 链中磷原子不是平滑延伸而是锯齿形排列，有如“之”字形一样， 因此叫它Z构象，这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷 酸；而且Z－DNA只有一个螺旋沟，它相当于B构象中的小沟，它 狭而深，大沟则不复存在(图15-7)。进一步的分析还证明，Z－ DNA的形成是DNA单链上出现嘌呤与嘧啶交替排列所成的。比如 CGCGCGCG或者CACACACA。
DNA的双螺旋结构模式要点
• (1)在DNA分子中，两股DNA链围绕一假想的共同轴心形成一右手螺旋结 构，双螺旋的螺距为3.4nm，直径为2.0nm。 • (2)链的骨架(backbone)由交替出现的、亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成， 位于双螺旋的外侧。 • (3)碱基位于双螺旋的内侧，两股链中的嘌呤和嘧啶碱基以其疏水的、近于 平面的环形结构彼此密切相近，平面与双螺旋的长轴相垂直。一股链中的 嘌呤碱基与另一股链中位于同一平面的嘧啶碱基之间以氢链相连，称为碱 基互补配对或碱基配对(base pairing)，碱基对层间的距离为0.34nm。碱基 互补配对总是出现于腺嘌呤与胸腺嘧啶之间(A=T)，形成两个氢键；或者 出现于鸟嘌呤与胞嘧啶之间(G=C)，形成三个氢键。 • (4)DNA双螺旋中的两股链走向是反平行的，一股链是5′→3′走向，另一股 链是3′→5′走向。两股链之间在空间上形成一条大沟和一条小沟，这是蛋 白质识别DNA的碱基序列，与其发生相互作用的基础。
1.1.1 蛋白质 1.1.1.1 组蛋白的特性（P24表）
组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3、H4 （1）进化上的极端保守性 （2）无组织特异性 （3）肽链上AA分布的不对称性：碱性氨基酸集中 分布在N端的半条链上。 （4）组蛋白的修饰作用:包括甲基化、乙基化、磷 酸化及ADP核糖基化等 （5）富含赖氨酸的组蛋白H5：其磷酸化在染色质 失活过程起作用
脱氧核苷酸的种类
核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脱氧核 糖(deoxyribose)两种，分别存在于核糖核 苷酸和脱氧核糖核苷酸中。 戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就 称为核苷，通常是戊糖的C1′与嘧啶碱的 N1或嘌呤碱的N9相连接。
2、DNA的一级结构
• 核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸 (polynucleotide)，DNA的一级结构即是指四种核苷 酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的排 列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸，由 于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故又可称 为碱基顺序。核苷酸之间的连接方式是：一个核苷 酸的5′位磷酸与下一位核苷酸的3′-OH形成3′，5′磷 酸二酯键，构成不分支的线性大分子，其中磷酸基 和戊糖基构成DNA链的骨架，可变部分是碱基排列 顺序。
Байду номын сангаас
1、DNA的半保留复制
• Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时 即推测，DNA在复制时首先两条链之间的氢键 断裂两条链分开，然后以每一条链分别做模板 各自合成一条新的DNA链，这样新合成的子代 DNA分子中一条链来自亲代DNA，另一条链是 新合成的，这种复制方式为半保留复制。 • 1958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）

DNA的分布 主要在染色体上——细胞核遗传
所以说，染色体是DNA的主要载体

细胞质内——细胞质遗传
例：紫茉莉叶色的遗传
生物的遗传
1.1.2.1 D NA的类别：
（1）不重复序列： 主要的结构基因； （2）中度重复序列： 各种rRNA和tRNA及结构基因；
（3）高度重复序列： 卫星DNA C值矛盾：C值往往与种系进化的复杂程 度不一致，某些低等生物具有较大的C值。

1.1.1.2 非组蛋白主要种类

非组蛋白的多样性：20-100种之间，常见 的有15-20种。 非组蛋白的组织专一性和种属专一性：