第十章 染色体结构与DNA复制

5′
DNA聚合酶Ⅰ DNA聚合酶Ⅰ
5′
3′
3′ 5′ 5′ 3′
3′ 5′ 5′ 3′
DNA连 接 酶
3′ 5′ 5′ 3′
DNA连 接 酶
3′5′ 3′′ 5
原核细胞DNA的 半不连续、半保 留复制过程
复制的起始、 方向
复制叉的 5´ 移动方向
3´
拓扑异 构酶 解链酶 引物体 SSB RNA引物
插入
-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-
颠换
-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G-
A
缺失
-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-
二、DNA聚合酶
三、DNA突变、损伤与修复
四、重组
所有细菌的主要基因都位于单一的 环状双链染色体DNA上，染色体DNA编 码着1000～5000个蛋白质 大肠杆菌染色体结构 染色体环中蛋白质与DNA结合，对 DNA起着保护、固定和压缩的作用 细菌还可能含有质粒
组蛋白与DNA的结合
组蛋白与DNA的结合
b、DNA聚合酶的校对功能（错配碱基被3′-5′
外切酶切除） c、起始时以RNA作为引物 d、DNA的损伤修复系统
端粒酶（telomerase）
DNA复制需要引物，但在线形DNA分子末端不可能通过 正常的机制在引物被降解后合成相应的片段.如果没有特殊 的机制合成末端序列，染色体就会在细胞传代中变得越来越 短。这一难题是通过端粒酶的发现才得到了澄清，端粒酶是 一种含RNA的蛋白复合物，实质上是一种逆转录酶，它能 催化互补于RNA模板的DNA片段的合成，使复制以后的线 形DNA分子的末端保持不变。
DNA的半不连续复制
3
前导链 (leading strand)
5 3
解链方向
后随/滞后链 (lagging strand)
冈崎片段 (okazaki fragment
5
DNA复制的分子基础
• 1.底物 dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP) (dNMP)n+1 +PPi (dNMP)n + dNTP • 2.有关的酶
DNA突变的类型
野生型基因
-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-
碱基对的置换 (substitution)
移码突变 (framesshift mutation)
转换
-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-
DNA链的合 成与延长
DNA 聚 DNA聚合 合酶Ⅲ 酶III DNA聚 合酶I 3´
DNA链合 成的终止
3´ 5´
前导 DNA连 接酶 链 滞后 链
3´
RNA引物
3´
5´
复制的忠实性
DNA复制过程是一个高度精确的过程， 据估计，大肠杆菌DNA复制109-1010碱基对仅 出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要 有以下四点: a、DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循 碱基配对原则）
以5′→3′方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则
是不连续的，其链的聚合方向也是5′ →3′ ，这条链被称 为后随/滞后链(lagging strand)。 前导链连续复制而后随链不连续复制，就是复制的半不 连续性。
DNA的半不连续复制
由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因 此，后随链的合成也是一段一段的。DNA在复 制时，由后随链所形成的一些子代DNA短片段 称为冈崎片段(Okazaki fragment)。 冈崎片段的大小，在原核生物中约为 1000 ～ 2000 个核苷酸，而在真核生物中约为 100 个核 苷酸。
→3 ′)
起 点
起 点
起 点
起 点
起 点
起 点
复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）
DNA的半不连续复制
两条子链的合成方向都是5′→3′
以3′→5′方向的亲代 DNA链作模板的子代链在复制时基 本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为5′ →3′，这 一条链被称为前导链(leading strand)。
冈崎片段
5 ′
前导链 3 ′
滞后链
3′ 5′
(三)复制的终止
• 遇到终止子停止复 制 • DNA聚合酶Ⅰ利 用 5′→ 3′外切酶 活性水解引物 • DNA聚合酶Ⅰ聚 合活性填补缺口 • DNA连接酶连接 缺口。
3′
5′ 3′ 5 ′ 5′ 3′ 3′ 5 ′ 5′ 3′ 3′ 5 ′ 5′ 3′ 3′ 5 ′ 5′ 3′
5′
3′
DNA双链
3′ 5′
DNA复制起始的过程
拓扑异构酶 单链结合蛋白 解链酶 引物酶及引发体 DNA聚合酶 DNA连接酶 引物
5′
3′
拓扑异构酶 与DNA双链 结合，松弛 超螺旋。
3′ 5′
DNA复制起始过程
拓扑异构酶 单链结合蛋白 解链酶 引物酶及引发体 DNA聚合酶 DNA连接酶 引物
3′
3´ 5´ 3´ 5´
DNA聚合酶的校对功能
3'
5'
模板链
A G A A C C T T G T C T T G G A A C
连 接 酶 连 接 缺 口
5'
P
P
P
P
P OH
P
P
P
P
3'
缺口
连接酶
Mg2+
ATP或NAD＋
PPi或NMN
5'
3'
模板链
A G A A C C T T G T C T T G G A A C
1、本章简介
2、掌握内容讲述 3、要点回顾 4、本章习题
本章介绍了原核/真核 生物染色体的结构、 生物体内DNA的复制过 程、DNA的突变、损伤 与修复、重组。重点 掌握DNA复制的过程与 机制。
10.1
10.2 10.3 10.4
原核生物染色体结构
染色质结构 真核生物染色体结构 DNA复制
一、半保留半不连续复制机制
端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以 其RNA为模板，通过逆转录过程对末端DNA 链进行延长。
端粒酶的作用机制
DNA的突变、损伤与修复
（一） DNA的突变
（二） DNA的损伤 与修复
DNA碱基在物理或化学因素影响下发生
结构变化，绝大部分可被DNA修复纠正，
如果没有被纠正而变成可遗传的永久的
3′
引物酶合成引物
5′
(二)DNA复制的延伸——DNA聚合酶Ⅲ
1. DNA聚合酶Ⅲ把新生链的第一个脱氧核苷酸 加到引物的3′—OH上，开始新生链的合成过程
A A T C T A T A G
引物
DNA
聚合酶Ⅲ
组成 DNA 的脱氧核糖核苷酸一个个连接起来
A A T C T A T A G T T
引物 3′,5′-磷酸二酯键
的DNA分子。由于子代
DNA分子中一条链来自亲 代，另一条链是新合成的， 这种复制方式称为半保留 复制。
DNA复制的起始、方向（5′ →3′)
起始点 未复制DNA 起始点
复制叉的推进
起始点 单向复制
复制叉
起始点 双向复制
环状 DNA复制时 所形成的θ结构
复制叉 复制叉
真核细胞DNA多个起点复制（5′
5′
3′
解链酶解开 DNA双螺旋
5′
DNA复制起始的过程
拓扑异构酶 单链结合蛋白 解链酶 引物酶及引发体 DNA聚合酶 DNA连接酶 引物
3′
5′
3′
单链结合蛋白 防止复螺旋
5′
DNA复制起始过程
拓扑异构酶 单链结合蛋白 解链酶 引物酶及引发体 DNA聚合酶 DNA连接酶 引物(RNA)
3′
5′
DNA
真核生物染
核小体链 纤丝 突环
色体DNA组 装的不同层 次的结构
玫瑰花结
螺旋圈 染色体
遗传信息传递的中心法则
遗 传 信 息 流 即 由 DNA 复 制把亲代的遗传信息忠实 地传递给子代。在子代这 些遗传信息通过转录传递 给 RNA ，再由 RNA 通过翻译 转变成相应的蛋白质。基 因 表 达是 指 DNA 经 过转录 产生 RNA ， RNA 经过翻译产 生蛋白质。
109，000 120，000 400，000
400
+ + + 1
100 + + 0 .05
10-20
+ + 50
转化率
原核生物中的三种DNA聚合酶
DNA聚合酶的活性
• 5′至3′的聚合活性
5′→ 3′方向——链的延伸
• 核酸外切酶活性
5′→ 3′外切酶活性——切除引物 3′→ 5′外切酶活性——校对功能
改变——基因突变
最简单的突变是点突变（单独一个碱基
的突变），可分为转换和颠换
点突变如果发生在DNA的非编码区或密
码子的第3个碱基，一般不会改变其编码 的蛋白质——沉默突变
点突变改变了Pr的AA——错义突变，对Pr功能 的影响可小可大甚至致死，这取决于Pr的重要性
点突变如使一个密码子变成了终止子，结果基 因产物是变短的Pr——无义突变 插入或缺失一个或多个碱基引起移码突变，所 翻译的Pr从突变点到C末端序列发生改变 与调节、生长、分裂、死亡相关基因的突变可 能诱发癌症；沉默突变、非致死突变的积累产生 遗传多态性，即“正常”DNA-Pr序列可接受的突 变
G
A A T C T A T A G T T A