第十章 染色体结构与DNA复制

5′
5′ 3′
DNA聚合酶Ⅰ
3′ 5′ 5′ 3′
3′ 5′ 5′ 3′
DNA聚合酶Ⅰ
DNA连 酶 接
3′ 5′ 5′ 3′
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
DNA链的Fra Baidu bibliotek 成与延长
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
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-
-A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-
T
DNA的损伤与修复
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
5' P P P P P P P P P
拓扑异构酶、解链酶、引物酶、聚合酶
（DNA聚合酶I 、II、III）、DNA连接酶 • 3.模板 • 4.引物 单链的DNA母链 寡核苷酸引物（RNA) 单链结合蛋白（SSB——维持模板
• 5.其他蛋白质因子
处于单链状态，保护单链的完整）
DNA拓扑异构酶(解旋酶）
既能水解，又能打断碱基互补配对的氢键 在引发体前引入负超螺旋,以抵消复制过程 产生的正螺旋——打开超螺旋
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
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
• 5′至 3′的聚合活性（ 5′→ 3′ ）
DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读
3′→ 5′外切酶活性 ——校对功能
A：DNA-pol的外切酶活性3′→ 5′切除错配碱基；并用 其聚合酶活性5′→ 3′掺入正确配对的底物
B：碱基配对正确， DNA-pol不表现外切酶活性。
3'
5'
模板链
3,5——磷酸二酯键
3'
DNA的复制过程
（一） 复制的起始 （二） 复制的延伸
（三） 复制的终止
起始的过程
拓扑异构酶
打开DNA超螺链
解链酶
打开双螺旋
引物酶
合成
防止复螺旋
单链结合蛋白
引发体 引物复合体
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
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′
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′
DNA解链酶
解开双螺旋
引物酶
是RNA聚合酶，合成一段RNA引物
解链酶、引物酶形成移动的引发体
大肠杆菌三种DNA聚合酶比较
比较项目
分子量 每个细胞的分子统计数 5´-3 ´聚合酶作用 3´-5 ´核酸外切酶作用 5´-3 ´核酸外切酶作用
DNA DNA DNA聚合酶Ⅲ 聚合酶Ⅰ 聚合酶Ⅱ （复合物）
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′
→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)。
复制
DNA
转录
逆转 录 RNA 复制 翻译
蛋白质
1、DNA的半保留复制
D N A 的 复 制
2、DNA复制的起点与方向 3、DNA的半不连续复制
4、DNA复制的分子基础
5、DNA复制的过程 6、DNA复制的忠实性
7、真核生物复制（端粒酶）
DNA的半保留复制
DNA在复制时，两条链解
开分别作为模板，在DNA 聚合酶的催化下按碱基互 补的原则合成两条与模板 链互补的新链，以组成新
109，000 120，000 400，000
400
+ + + 1
100 + + 0 .05
10-20
+ + 50
转化率
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
需要引物
参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段 具有3′端自由羟基（3′-OH）的RNA作为引 物(primer) ，才能开始聚合子代DNA链。 RNA引物的大小，在原核生物中通常为50~ 100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核 苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板 DNA的碱基顺序相配对。
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
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
改变——基因突变
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
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
G
A A T C T A T A G T T A
引物
G
A A T C T A T A G T T A G
引物
G
A A T C T A T A G T T A G A
引物
G
A A T C T A T A G T T A G A T
引物
G
A A T C T A T A G T T A G A T A
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-
O R N P R O N H N O UV H CH3 N O CH3 P 光修复酶 R N O N H
O R N
H N O CH3 CH3 O
TT
1、形成嘧啶二聚体
2、光解酶结合于损伤 部位
3、酶被可见光激活
4、修复后酶被释放
DNA紫外线损伤的光解酶修复 （高等哺乳动物没有）
DNA的损伤和切除修复
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。
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′
碱基丢失
糖基化酶 碱基缺陷或错配
AP位点 核酸内切酶
识别错误碱基并 切断糖苷键
结构缺陷
切开
切开 核酸内切酶
切除
核酸外切酶
切除 核酸外切酶
碱基 插入酶 取代
修复 DNA聚合酶Ⅰ
连接 DNA连接酶
DNA重组
（一） 重组 （二） 特异位点重组 （三） 转座 （二） 反转录病毒
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。
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）
某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变
剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作用于
DNA，造成DNA结构和功能的破坏，称为DNA的损伤. DNA的修复主要有以下类型:
（1）DNA光解酶修复 （2）切除修复 （3）错配修复 暗修复
（4）诱导修复（SOS修复）
光修复
• 紫外光照射可使相邻的两个T 形成二聚体 • 光复活酶可使二聚体解聚为单体状态，DNA完全恢 复正常。光修复酶的激活需300-600μm波长的光。
引物
G
A A T C T A T A G T T A G A T A T
引物
G
A A T C T A T A G T T A G A T A T C
引物
G
DNA模板链
A A T C T A T A G T T A G A T A T C
引物 DNA新链
G
2.半不连续复制 与冈崎片段
前导链、后随链/滞 后链、半不连续复 制、冈崎片段。