分子生物学(化工1版)教案：第二章 染色体与DNA01

第二章染色体与 DNA
本单元或章节的教学目的与要求：
掌握 DNA 的组成及结构结构，了解核小体的装配，了解原核生物基因组的特点和真核生物基因组的结构特点。

掌握 DNA 分子复制的一般特点。

掌握真核生物 DNA 复制必需的成份。

掌握 DNA 复制的调控。

了解 DNA 的修复，掌握 DNA 的转座的机理。

辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示教等）
授课主要内容及学时分配 5 学时
2.1 染色体
2.1.1 染色体概述
染色体（ chromosome ）在遗传上起着主要的作用。

染色体包括 DNA 和蛋白质两大部分。

染色体位于真核细胞核的核仁内，是极细微的线性结构，因为它控制着生命遗传，所以又称之为“生命之线”。

真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都以染色质的形式存在。

染色质是一种纤维状结构，称为染色质丝。

它是由最基本的单位 -- 核小体串联而成的。

这里有一系列的结构等级： DNA 和组蛋白构成核小体，核小体再绕成一个中空的螺线管成为染色质丝，染色质丝再与许多非组蛋白结合进一步螺旋化形成染色体。

一般说来，染色体只有在细胞有丝分裂过程中，才可在光学显微镜下观察到。

真核与原核细胞染色体区别
真核细胞染色体原核细胞染色体
蛋白质： DNA 与蛋白质完全融合在一起，细菌染色体外裹着
蛋白质与 DNA 的质量比约为 2 ： 1 稀疏的蛋白质
DNA 存在位置：细胞核类核体
染色体数量：多条染色体一般只有一条染色体，
多拷贝基因且大都带有单拷贝基因
2.1.2 真核细胞染色体的组成染色体特征：
1) 体细胞是二倍体，性细胞是单倍体。

2 ）分子结构相对稳定；
3 ）能够自我复制，使亲代、子代之间保持连续性；
4 ）能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程；
5 ）能够产生可遗传的变异。

真核细胞 DNA 的分子质量一般大大超过原核生物，其染色体也常常为大量蛋白质及核膜所包围， DNA 的转录和翻译是在不同的空间和时间上进行的，所以其基因表达的调控不仅与 DNA 的序列有关，而且也与染色体的结构有关。

下面我们介绍一下真核细胞染色体的组成
2.1.2 .1 蛋白质
染色体上的蛋白质主要包括组蛋白和非组蛋白。

组蛋白是染色体的结构蛋白，它与 DNA 组成核小体。

真核生物的染色体一般有 5 种主要的组蛋白，分别命名为： H1 、 H2A 、 H2B、 H3 和 H4 。

在 5 种组蛋白中， H1 富含赖氨酸， H3 、 H4 富含精氨酸。

鸟类、鱼类和两栖类的红细胞染色体不含 H1 而代之以 H5 。

在某些物种的精子中，染色体的结构蛋白是鱼精蛋白。

非组蛋白主要包括与复制和转录有关的酶类、与细胞分裂有关的蛋白等。

组蛋白具有如下特性：
1 ）进化上的极端保守性。

不同种生物组蛋白的氨基酸组成是十分保守的，特别是 H3 和 H4 。

2 ）无组织特异性。

仅发现鸟类、鱼类、两栖类红细胞不含 H1 而含有 H5 。

3 ）肽链上氨基酸分布不对称性。

碱性氨基酸分布在 N 端的半条链上，大部分疏水基团都分布在 C 端。

这种不对称分布可能与它们的功能和相互作用有关。

碱性的半条链易与 DNA 的负电荷区结合，而另外半条链与其它组蛋白、非组蛋白结合。

4 ）组蛋白的修饰作用。

包括甲基化、乙酰化、磷酸化及 ADP 核糖基化。

H3 和 H4 的修饰作用比较普遍。

5 ）富含赖氨酸的组蛋白 H5 。

很可能 H5 的磷酸化在染色质的失活过程中起重要作用。

染色体上的非组蛋白：
染色体上除了存在大约与 DNA 等量的组蛋白外，还存在大量的非组蛋白，占组蛋白总量的 60 ％～ 70 ％，它的种类很多，常见的有15 ～ 20 种。

1 ） HMG 蛋白（ highmobilitygroupprotein ）。

现在一般认为这类蛋白可能与 DNA 的超螺旋结构有关。

2 ） DNA 结合蛋白。

与 DNA 结合比较紧密，可能是一些与 DNA 的复制或转录有关的酶或调节物质。

3 ） A2
4 非组蛋白。

功能不详。

2.1.2 .2 DNA
真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列，而且功能 DNA 序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA 所隔开，这就是著名的“ C 值反常现象（ C-valueparadox ）”所谓 C 值，通常是指一种生物单倍体基因组 DNA 的总量。

人们发现在真核生物中 C 值一般是随生物进化而增加的，高等生物的 C 值一般大于低等生物，但某些两栖类的 C 值甚至比哺乳类还大。

C 值：单倍体基因组中的 DNA 含量。

C 值矛盾：①在结构和功能相似的物种中，甚至在亲缘关系相近的物种中， C 值差异大。

②某些低等生物的 C 值比高等生物的 C 值还大。

真核细胞 DNA 序列大致上可分为 4 类：
①单一拷贝的非重复序列在基因组中只存在一个拷贝。

②轻度重复序列在基因组中只有 2~10 个拷贝，主要是组蛋白和 tRNA 等基因。

③中度重复序列这类序列的重复次数在数十到数百次之间。

④高度重复序列——卫星 DNA 这类 DNA 只在真核生物中发现，占基因组的 10 ％～ 60 ％，由 6 ～ 100 个碱基组成，在 DNA 链上有几百到几百万个拷贝。

卫星 DNA 是不转录的，其功能不详。

它们是染色质的成分，可能与染色体的稳定性有关。

2.1.2 .3 染色质和核小体
染色质纤维细丝是由 DNA 和组蛋白构成， DNA 和组蛋白形成核小体，核小体连成念珠状构成染色质。

核小体的装配核小体：指的是 168bp 长度的 DNA 与一组组蛋白构成的致密结构，是构成真核生物染色质的基本单位。

装配过程：两分子的 H3 和两分子的 H4 先形成四聚体，然后由 H2A 和 H2B 形成的异二聚体在该四聚体的两侧分别结合而形成八聚体。

长 146bp的 DNA 按左手螺旋盘绕在八聚体上 1.8 圈，形成核小体的核心颗粒，每圈约 80bp 。

核心颗粒两端的 DNA 各有 11bp 与 H1 结合，形成完整的核小体。

染色体的压缩
核小体的形成是染色体压缩的第一个阶段。

在核小体中 DNA 盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子伸缩成 1/7 ， 200bpDNA 完全舒展时长约 68nm ，确被压缩在 10nm 的核小体中DNA 双链以左手螺旋缠绕在组蛋白形成的八聚体核心上即核小体→念珠状结构→核小体链进一步盘绕、折叠形成染色质丝→组成突环→玫瑰花结→螺线圈→由螺线圈组装成染色单体。

DNA →染色体压缩比例：
DNA 双螺旋→核小体（压缩 1/7 ）→螺线圈（螺旋化， H1 ，压缩 1/6 ）→超螺线圈（折叠和螺旋化，压缩 1/40 ）→染色单体（折叠和螺旋化，压缩 1/5 ）。

合计压缩 1/8400 。

2.1.3 真核生物基因组的结构特点①基因组分子量较大。

②真核生物 DNA 常和组蛋白结合形成染色体。

③ DNA 集中在细胞核区，转录在核内，翻译在细胞质中。

④真核生物基因组多形成断裂基因。

⑤真核生物 DNA 序列中有很多重复序列和不编码序列。

⑥真核生物的编码基因常以单拷贝存在，无操纵子形式。

2.1.4 原核生物基因组的特点
① DNA 是裸露的，不形成染色体。

②能够最经济地利用 DNA 序列，除控制区域外，很少有不编码的 DNA 序列。

③原核生物把功能相关的一系列基因高度集中在一起，形成一个操纵子（转录功能单位）。

④基因组中几乎没有重复序列。

⑤原核生物由于没有细胞核，转录和翻译是同步进行的。

原核生物 DNA 序列中功能相关的蛋白质的基因或 rRNA 的基因往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成功能单位或转录单元，它们可被一起转录为含有多个 mRNA 的分子，称为多顺反子。

2.2DNA 的分子结构一、 DNA 的分子结构
（一） DNA 的一级结构
1. 定义：指 DNA 分子中多个脱氧核苷酸的排列顺序。

即数目庞大的四种碱基的排列顺序。

DNA 的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。

生物界物种的多样性即寓于 DNA 分子中四种脱氧核苷酸千变万化的不同排列组合之中。

2.DNA 的碱基组成（ Chargaff 定则）：
（ 1 ）在所有的 DNA 中， A=T ， G=C 即 A+G=T+C
（ 2 ） DNA 的碱基组成具有种的特异性，即不同生物物种的 DNA 具有自己独特的碱基组成，但没有组织和器官的特异性。

3.DNA 一级结构的表示方法：
4.DNA 一级结构的研究方法： DNA 测序的生物学意义
DNA 是遗传信息的储存者和发布者，遗传信息是由碱基序列体现的，碱基序列略有改变，即可引起遗传信息的显著改变。

所以 DNA 测序是研究 DNA 功能的基础，非常重要。

DNA 测序的实验方法（ 20 世纪 70 年代三大进展促进了 DNA 的测序工作——限制性核酸内切酶的发现；改进多核苷酸片段的电泳分离法； DNA 的克隆技术）
（二） DNA 的二级结构
1. 定义： DNA 的二级结构指 DNA 的双螺旋结构。

1953 年， J.Watson 和 F.Crick 在前人研究工作的基础上，根据 DNA 纤维和 DNA 结晶的 X- 衍射图谱分析及 DNA 碱基组成的定量分析以及 DNA 中碱基的物化数据测定，提出了著名的 DNA 双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。

2 ． DNA 双螺旋结构的特点
（ 1 ） DNA 分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链 ( 简称 DNA 单链 ) 组成。

两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。

螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为 5 ′→ 3 ′，而另一条链的方向为 3 ′→ 5 ′，螺旋结构上有大沟和小沟。

（ 2 ）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧，彼此以 3 ′ -5 ′磷酸二酯键连接，形成 DNA 分子的骨架。

碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90 °角。

（ 3 ）螺旋横截面的直径约为 2nm ，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为 0.34nm ，每 10 个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为 3.4nm 。

（ 4 ）双螺旋内部的碱基按规则配对，碱基的相互结合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（ A ）与胸腺嘧啶（ T ）结合，鸟嘌呤（ G ）与胞嘧啶（ C ）结合，这种配对关系，称为碱基互补。

A 和 T 之间形成两个氢键， G 与 C 之间形成三个氢键。

双螺旋的两条链是互补关系。

3.DNA 双螺旋结构提出的生物学意义第一次阐述了遗传信息的储存方式及 DNA 复制的机理，以准确的语言回答了 DNA 是如何成为遗传物质的。

大大推动了分子生物学和分子遗传学的发展，被誉为 20 世纪最伟大的发现之一
4 ． DNA 双螺旋的稳定因素 DNA 双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。

维持这种稳定性的主要因素包括：两条 DNA 链之间碱基配对形成的氢键和碱基堆积力；
另外，存在于 DNA 分子中的一些弱键在维持双螺旋结构的稳定性上也起一定的作用。

即磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子间形成的离子键及范德华力。

改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。

5 ． DNA 二级结构的几种构象 B-DNA ：在相对湿度为 92% 时的 DNA 钠盐。

接近 DNA 在细胞中的构象。

A-DNA ：在相对湿度为 75% 以下时的 DNA 纤维。

Z-DNA ：左手螺旋（ A.Rich 的工作） .ts-DNA ：三股螺旋 ( 在分子内或分子间形成 , 分子内形成时需要低 pH 下胞嘧啶质子化 ,故称 H-DNA)
（三） DNA 的三级结构
一、定义： DNA 的三级结构指 DNA 分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。

包括不同二级结构单元间、单链与二级结构单元间的相互作用以及 DNA 的拓扑特征。

超螺旋是 DNA 三级结构的一种类型。

超螺旋即 DNA 双螺旋的螺旋。

二、环状 DNA 的拓扑学特征： 1. 连接数（ linkingnumber ）
指环形 DNA 分子中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数，以 L 表示。

只要不发生链的断裂， L 是个常量。

2. 盘绕数（缠绕数： twistingnumber ）
扭转数是指 DNA 分子中 Watson-Crick 的螺旋数，以 T 表示。

3. 超螺旋数（ writhingnumber ）以 W 表示。

所以： L=T+W
DNA 分子具有相同的结构，但 L 值不同，所以称它们为拓扑异构体。

拓扑异构酶能够催化它们之间的转换。

DNA 负超螺旋易于解链，在 DNA 复制、重组和转录等过程中都需要两条链解开，所以负超螺旋利于这些功能的实施。

研究细菌质粒 DNA （环状双链 DNA ）时发现，天然状态下，该 DNA 以负超螺旋为主，稍被破坏即出现开环结构，两条链均断裂则呈线性结构。

在电场作用下，相同分子质量的 DNA 结构不同，迁移率也不同：
双链环状 DNA ＞线状 DNA ＞开环 DNA
2.3DNA 的复制
生命的遗传实际上是染色体 DNA 自我复制的结果。

细胞分裂时，每个子代细胞必须含有同样的遗传信息，即 DNA 分子必须变成两个同样的分子，这个过程就是 DNA 的复制。

DNA 分子复制的一般特点：
1 ） DNA 分子复制的是从特定的位点开始并按特定的方向进行
2 ） DNA 分子的半保留复制
3 ） DNA 分子的半不连续复制
4 ） DNA 分子的复制是通过 DNA 聚合酶及各种相关酶蛋白、蛋白质因子的协同有序工作完成的
5 ） DNA 分子复制具有高度的精确性和准确性
DNA 分子复制具有高度的精确性和准确性原因
DNA 分子在细胞内的复制速度相当快，在细菌中为 104 ～ 105 核苷酸 /min ，而在真核细胞中（如哺乳动物细胞）为 500 ～ 5000 核苷酸 /min 。

表面看 DNA 在哺乳动物细胞中的复制速度比细菌慢，但在真核细胞中 DNA 分子有多个复制起点，从而保证了 DNA 分子的快速复制。

DNA 分子复制具有高度的精确性和准确性原因有四种可能的机制：
1 ） DNA 聚合酶具有选择正确地脱氧核苷三磷酸的能力。

2 ）可能存在一种核对机制，通过这种机制拒绝不正确的核苷三磷酸进入。

这种对核苷酸识别能力的提高可能是由于模板诱发使 DNA 聚合酶构象发生变化，只允许选择正确的脱氧核苷三磷酸底物，或者在存在互补的核苷酸时，增加了酶的模板的结合。

3 ）动力学校对模型
这个模型认为，当脱氧核苷三磷酸作为底物进行 DNA 链合成时，随着焦磷酸的释放，形成了酶 - 模板
-dNMP 高能复合物。

DNA 聚合酶具有对此复合物核对的能力，看掺入的核苷酸是否正确。

这个核苷酸
（ dNMP ）这时可能被释放的机会远远高于正确核苷酸。

这就是动力学校对模型。

4 ） DNA 聚合酶具有聚合酶活性，还具有
5 ' → 3 ' 和3 ' → 5 ' 的外切酶活性。

DNA 聚合酶的 3 ' → 5 ' 外切酶活性可以随时将已经掺入的错配的脱氧核糖核苷酸从生长的多核苷酸链上去除，保证了 DNA 复制的忠实性和准确性。

1.DNA 的半保留复制机理
DNA 的复制是分别以亲代 DNA 链为模板合成两条子代 DNA 链；在子代 DNA 双链中，一条是新合成的，一条是亲代的，称为 DNA 的半保留复制。

2.3.2 复制的起点、方向和速度
复制时，双链 DNA 要解开两股链分别进行，所以这个复制起点呈现叉子的形式 , 称为复制叉。

复制子（ replicon ）定义： DNA 分子上一个独立的复制单位。

一个复制子只含有一个复制起点
（ origin,ori ）。

通常，细菌、病毒和线粒体的 DNA 分子都是作为单个复制子完成复制的，而真核生物基因组可以同时在多个复制起点上进行双向复制。

复制叉以 DNA 分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。

一个复制原点连接到任一 DNA 分子上都支持其复制的能力。

复制原点一般由 A-T 丰富区组成。

在真核细胞中， DNA 的复制属于细胞周期的一部分。

细菌中， DNA 复制与细胞生长相协调。

首先是复制周期的起始频率被调整到与细胞生长的速率相适应，其次是复制周期的完成与细胞分裂相联系。

2.3.3 复制的几种主要方式
2.3.3.1 线性 DNA 双链的复制线性 DNA 先在 ori 处形成复制眼，从复制眼开始可以单向或双向复制，真核生物都是多复制眼起始的双向复制。

2.3.3.2 环状 DNA 双链的复制
1 ）θ型复制
环形 DNA 大多采用θ型复制，如 E.coli 。

特点：从原点 ori 开始，通常采用双向等速复制，不断扩大复制泡，形成θ环。

2 ）滚环型复制（ rollingcircle ）
某些环形的病毒 DNA ，如φ x174 、λ噬菌体都是以这种方式复制。

这是一种单向复制类型。

3 ） D 环复制双链环在固定点解开进行复制。

但两条链的合成是高度不对称的，一条链上迅速合成出互补链，另一条链则成为游离的单链环（ D- 环）。

2.4 原核生物和真核生物 DNA 的复制特点
2.4.1 原核生物 DNA 的复制特点
2.4.1 .1DNA 双螺旋的解旋
DNA 复制时，双链首先解开，形成复制叉复制叉的形成过程有多种酶和蛋白质参与。

将主要的酶和蛋白质介绍如下。

1 ）单链结合蛋白（ SSB 蛋白） SSB 蛋白可牢固地结合在单链 DNA 上，在原核生物中表现出协同效应，如第一个 SSB 蛋白结合到DNA 上去的能力为 1 ，第二个 SSB 蛋白结合能力则高达 103 。

SSB 蛋白的作用是保证被解链酶解开的单链在复制完成前能保持单链结构，它以四聚体形式存在于复制叉处，待单链复制后才掉下，重新循环。

所以， SSB 蛋白只保持单链的存在，并不起解链的作用。

SSB 没有催化功能，它可以特异性地结合在单链区，使之免被核酸酶水解，起到保护和维持单链的作用。

2 ） DNA 解链酶（ DNAhelicase ）
用于把 DNA 双链解开形成单链。

具有 ATPase 活性，利用水解 ATP 释放的能量，催化双链 DNA 解链。

大部分 DNA 解链酶（包括大肠杆菌解链酶 II 、 III 、 T4 噬菌体 dda 基因、 T4 基因 41 和人解链酶等）可沿滞后链模板的 5 '→ 3 '方向并随着复制叉的前进而移动，只有另一种解链（ Rep 蛋白）是沿前导链模板的 3 '→ 5 '方向移动。

因此推测 Rep 蛋白和特定 DNA 解链酶分别在 DNA 的两条母链上协同作用，以解开双链 DNA 。

DNA 的解链过程，首先是在拓扑异构酶 I 的作用下解开负超螺旋，并与解链酶共同作用，在复制起点处解开双链。

参与解链的除一组解链酶外，还有 DNA 蛋白等。

一旦局部解开双链，就必须有 SSB 蛋白来稳定解开的单链，以保证局部结构不会恢复成双链。

接着，由引发酶组成的引发体迅速作用于两条单链 DNA 上。

不论是前导链还是滞后链，都需要一段 RNA 引物以开始子链 DNA 的合成
2.4.1 .2 冈崎片段与半不连续复制在 DNA 的复制过程中，前导链是连续复制的，而滞后链是通过冈崎片段的连接来合成的，是不连续的，称之为 DNA 的半不连续复制。

所有DNA 聚合酶的方向都是 5 '→ 3 '，而不是 3 '→ 5 '。

为了解释3 '→ 5 '是如何合成滞后链的，冈崎提出了 DNA 的半不连续复制。

现在已知，一般原核生物的冈崎片段要长些，真核生物中的要短些。

这种前导链的连续复制和滞后链的不连续复制在生物界是有普遍性的，因而称之为 DNA 的半不连续复制。

2.4.1 .3 复制的引发和终止
复制起始时发生的事件：①双链 DNA 在一个很小的区域内打开，这是 oriC 区域特有的；②由解旋酶催化，开始解螺旋，并持续进行下去；③形成引物，第一个核苷酸装配到引物上；这些事件对前导链只发生一次，而后滞链上每次开始合成冈崎片段时都要发生。

目前已知的 DNA 聚合酶都只能延长已存在的 DNA 链，而不能从头合成 DNA 链。

研究发现， DNA 复制时，往往先由 RNA 聚合酶在 DNA 模板上合成一段 RNA 引物，再由 DNA 聚合酶从 RNA 引物 3 '端开始合成新的DNA 链。

对于前导链来说，这一引发过程比较简单，只要有一段 RNA 引物， DNA 聚合酶就能以此为起点一直合成下去。

但对于滞后链来说，引发过程就十分复杂，需要多种蛋白质和酶的协同作用，还牵涉到冈崎片段的形成和连接。

滞后链的引发过程：
引发体：后滞链的引发过程往往由引发体（ primosome ）来完成。

先是由 6 种蛋白： n,n ' ,n '' ,dnaB,C 和 I 构成引发前体，而后与引发酶（ primase ）结合进一步组装成引发体。

引发体像火车头一样在滞后链分叉的方向上前进，并在模板上断断续续地引发生成滞后链的引物 RNA 短链，再由 DNA 聚合酶 III 作用合成 DNA ，直到遇到下一个引物或冈崎片段为止。

由 RNaseH 降解 RNA 引物，并由 DNA 聚合酶 I 将缺口补齐，再由 DNA 连接酶将两个冈崎片段连在一起形成大分子 DNA 。

总结
前导链的连续合成和后滞链的不连续合成
a. 旋转酶（ topoII ）改变双螺旋的构象，解螺旋酶解开双链。

b.SSB 结合到解开的单链上。

c. 引发体合成 RNA 引物。

d.DNA 聚合酶Ⅲ作用下合成先导链。

e. 滞后链开始合成，形成第一个冈崎片段。

f. 复制叉继续前进，前导链连续合成，滞后链上合成新的 RNA 引物。

g. 第二个冈崎片段形成， DNA 聚合酶Ⅰ切去引物，并加上脱氧核苷三磷酸。

h. 间隙被 DNA 连接酶封闭。

链的终止
除 Tus 蛋白以外，链的终止看起来不需要太多的蛋白质参与。

当复制叉前移，遇到 20bp 重复性终止子序列（ Ter ）时， Ter-Tus 复合物能阻挡复制叉的继续前移，等到相反方向的复制叉到达后在 DNA 拓扑异构酶 IV 的作用下使复制叉解体，释放子链（图 2-23 ）。