第二章DNA结构与复制
第二章DNA的复制
DNA Polymerase-palm domain
1. Contains two catalytic sites, one for addition of dNTPs and one for removal of the mispaired dNTP. 2. The polymerization site: (1) binds to two metal ions that alter the chemical environment around the catalytic site and lead to the catalysis. (2) Monitors the accuracy of base-pairing for the most recently added nucleotides by forming extensive hydrogen bond contacts with minor groove of the newly synthesized DNA. 3. Exonuclease site/proof reading site
原核生物中的三种DNA聚合酶
pol Ⅰ 5'→3'聚合酶活性 5'→3'外切酶活性 3'→5'外切酶活性 生理功能 + + +
去除引物,填补缺口 修复损伤 校正错误
pol Ⅱ + +
未知
pol Ⅲ + +
DNA 复制 校正错误
• 在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶 有五种，分别命名为DNA聚合酶α（pol α），DNA聚合酶β（polβ），DNA聚合 酶γ（polγ），DNA聚合酶δ（pol δ）， DNA聚合酶ε（polε）。 • 参与染色体DNA复制的是polα（延长滞 后链）和polδ（延长前导链），参与线 粒体DNA复制的是polγ，polε与DNA损 伤修复、校读和填补缺口有关，polβ只 在其他聚合酶无活性时才发挥作用。
DNA的结构与复制
DNA的结构与复制DNA（脱氧核糖核酸）是一种重要的生物分子，它负责存储和传递生物遗传信息。
在本文中，我们将探讨DNA的结构及其在细胞中的复制过程。
一、DNA的结构DNA由两条互补的链组成，每条链都由一系列核苷酸单元连接而成。
每个核苷酸单元由一个含有糖分子（脱氧核糖）的核苷酸碱基、一个磷酸基团和一个含有氮碱基的碱基组成。
DNA分子的两条链通过碱基间的氢键互相结合，形成一个双螺旋结构。
DNA的碱基组成包括腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。
这些碱基按照一定的规则组合，形成了遗传信息的密码。
二、DNA的复制DNA复制是指在细胞中生成与原有DNA完全相同的新DNA分子的过程。
它是细胞分裂和生物遗传的基础。
1. 需要的材料和酶DNA复制需要一些材料和酶来完成。
首先，需要一个DNA模板，它提供了复制过程中所需的遗传信息。
其次，需要四种核苷酸单元，即腺苷酸（A）、胸苷酸（T）、鸟苷酸（G）和胞苷酸（C），它们将与模板DNA上的互补碱基配对。
最后，还需要DNA聚合酶等酶类来催化反应。
2. 复制的步骤DNA复制可以分为三个步骤：解旋、复制和连接。
（1）解旋：复制开始时，DNA双螺旋结构被酶解开，形成两条单链。
（2）复制：在每条单链上，核苷酸单元与模板DNA上的互补碱基配对。
例如，A与T配对，G与C配对。
DNA聚合酶能够催化这些核苷酸单元的连接，形成新的DNA链。
（3）连接：新合成的DNA链与原有的DNA链连接在一起，形成完整的双螺旋结构。
这一过程由DNA连接酶完成。
三、DNA复制的意义DNA复制是细胞生命周期中一个重要的过程，它具有以下几个重要的意义：1. 遗传信息的传递：通过复制，细胞能够将遗传信息传递给下一代细胞。
这样，生物的遗传特征得以传承和保持。
2. 细胞分裂的基础：DNA复制是细胞分裂过程中的关键步骤。
在细胞分裂时，新生成的细胞需要获得与母细胞完全相同的DNA。
3. 突变和进化的基础：在DNA复制过程中，有时会发生错误。
分子生物学：第二章DNA复制复习题与答案
第二章DNA复制复习题与答案一、名词解释1．中心法则2．半保留复制3．DNA聚合酶4．解旋酶5．拓扑异构酶6. 单链DNA结合蛋白7. DNA连接酶8. 引物酶及引发体9．复制叉10. 复制眼11. 前导链12. 冈崎片段13．半不连续复制14．切除修复15．重组修复16. 诱导修复和应急反应二、问答题1．试述Meselson和Stahl关于DNA半保留复制的证明实验。
2．描述大肠杆菌DNA聚合酶I在DNA生物合成过程中的作用。
3．试述DNA复制过程，总结DNA复制的基本规律。
4．DNA的损伤原因是什么?三、填空题1．Meselson-Stahl的DNA半保留复制证实试验中，区别不同DNA用_______方法。
分离不同DNA用_______方法，测定DNA含量用_______方法，2．DNA聚合酶I(E．coli)的生物功能有_______、_______和_______作用。
用蛋白水解酶作用DNA聚合酶I，可将其分为大、小两个片段，其中_______片段叫Klenow 片段，具有_______和_______作用，另外一个片段具有_______活性。
3．在E．coli中，使DNA链延长的主要聚合酶是_______，它由_______亚基组成。
DNA 聚合酶Ⅱ主要负责DNA的_______作用。
4．真核生物DNA聚合酶有_______，_______，_______，_______。
其中在DNA复制中起主要作用的是_______和_______。
5．解旋酶的作用是_______，反应需要提供能量，结合在后随链模板上的解旋酶，移动方向_______，结合在前导链的rep蛋白，移动方向_______。
6．在DNA复制过程中，改变DNA螺旋程度的酶叫_______。
7．SSB的中文名称_______，功能特点是_______。
8．DNA连接酶只能催化_______链DNA中的缺口形成3’,5’- 磷酸二酯键，不能催化两条链间形成3’,5’- 磷酸二酯键，真核生物DNA连接酶以_______作为能源，大肠杆菌则以作为能源，DNA连接酶在DNA______、________、_______中起作用。
第二章 DNA结构、复制、 修复
4）DNA序列的异质性及主要序列类型（真核DNA）
■
高度重复序列：重复频率高达几十万到几百万次。
1）卫星DNA：重复单位多由2-10bp组成，成串排列，其碱基 可以用等密度梯度离心法将其与主体DNA分开。根据重复频 率和重复序列长短不同分为小卫星DNA和微卫星DNA（常作 为一种分子遗传标记）
2）分散高度重复序列：短、长散置序列
■影响复性速度：
DNA的大小（小的较大的容易）；离子浓度（高浓度）； DNA浓度（越大越快）
2) C值反常现象（C-value paradox)
C值矛盾
C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。
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”。
第二章 染色体与DNA
染色体
DNA的结构 DNA的复制 DNA的修复 DNA的转座
三、DNA的复制
RNA 复制 复制
DNA
转录 逆转录
RNA
翻译
蛋白质
内容提要： ● DNA的半保留复制 ●与DNA复制有关的物质 ● DNA的复制过程（大肠杆菌为例） ● DNA复制的其它方式 ●真核生物中DNA的复制特点
染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由 最基本的单位—核小体(nucleosome)成串排列而成 的。
真核生物染色体的组成
染色体
{蛋白质
DNA
{
组蛋白： H1 H2A H2B H3 H4 非组蛋白
}核小体
（三）染色体的结构和组成
1、组蛋白的一般特性：
■ 进化上的保守性 保守程度：H1 ■无组织特异性 ■肽链氨基酸分布的不对称性 ■H5组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%） ■组蛋白的可修饰性 H2A、H2B H3 、H4
第2章 DNA的复制
- 第四节 DNA的复制 真核生物复制的特点
1、复制叉移动速度大约只有50bp/s，不到大肠杆菌得1/20。 2、真核生物每条染色质上可以有多处复制起始点：人类DNA中 每间隔3万－30万个碱基就有一个复制起始点，而原核生物只有 一个起始点； 3、真核生物的染色体在全部完成复制之前，各个起始点上DNA 的复制不能再开始，而在快速生长的原核生物中，复制起始点上 可以连续开始新的DNA复制，表现为虽只有一个复制单元，但 可有多个复制叉。 4、真核生物DNA聚合酶的特性：5种DNA聚合酶 5、端粒酶保证染色体复制的完整性。
“多莉”的衰老 研究端粒丢失的速率，预测人类的寿命 研究推测端粒酶与肿瘤的关系
第五节 DNA复制的调控
原核细胞的生长和增殖速度取决于培养条件，在不同
生长和增殖速度的细胞中DNA链延伸的速度几乎是恒定的， 但复制叉的数量不同。迅速分裂的细胞具较多复制叉，而分 裂缓慢的细胞复制叉较少并出现复制的间隙。
第五节 DNA复制的调控
真核细胞的生活周期可分为4个时期：
（1）G1：复制预备期;
（2）S：复制期;
（3）G2：有丝分裂准备期； （4）M：有丝分裂期。
DNA复制只发生在S期。
第五节 DNA复制的调控
真核细胞中DNA复制有3个水平的调控：
1.细胞生活周期水平调控，也称为限制点调控，即决定细
胞停留在G1期， 还是进入S期。——复制起点点火
5’
5’ 3’
+
3’ 复制叉到达末 3’ 端后，一条单
5’ 链被置换出来
末端碱基配对
5’
形成双链体起
3’
始点
5’
以单链为模板
3’
5’ 的DNA合成
3: 腺病毒DNA的复制
DNA的结构与复制
DNA的结构与复制DNA（脱氧核糖核酸）是生物体中保存遗传信息的重要分子。
它的结构和复制过程对于维持生命的稳定和传递遗传信息至关重要。
一、DNA的结构DNA的结构是一个双螺旋形状，由两条互相缠绕的链组成。
每条链都是由一系列的核苷酸单元组成。
核苷酸由糖分子、磷酸分子和一个氮碱基组成。
核酸的糖分子是脱氧核糖，它们通过磷酸分子连接在一起形成糖磷酸链。
氮碱基则连接在糖的五碳原子上。
有四种不同的氮碱基：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。
两条链相互螺旋缠绕，形成一个稳定的双螺旋结构。
两条链通过氮碱基之间的氢键相互连接。
腺嘌呤和胸腺嘧啶之间形成两个氢键，鸟嘌呤和胞嘧啶之间形成三个氢键，这种键合方式保证了DNA的稳定性。
二、DNA的复制DNA复制是指在细胞分裂过程中，DNA分子通过一系列的步骤复制自身，确保每个新细胞都能获得完整的遗传信息。
DNA复制是一个半保留复制过程。
在复制开始之前，DNA的两条链会分开，形成两个模板。
DNA聚合酶是一个重要的酶，在复制过程中起到关键作用。
复制过程中，DNA聚合酶会读取原始DNA链上的核苷酸序列，并在新合成的链上添加互补的核苷酸。
根据碱基配对规则，腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤与胞嘧啶配对。
DNA聚合酶沿着模板链进行连续的合成，产生一个新的DNA链。
由于每个模板链只提供了一半的遗传信息，新合成的链与模板链一起构成了双链的DNA分子。
复制过程中还涉及其他辅助酶的参与，如DNA解旋酶负责解开DNA的双螺旋结构，DNA合成酶负责修补新合成链上的错误。
三、DNA的重要性DNA的结构和复制过程对生物体非常重要。
首先，DNA保存了生物体的遗传信息，包括个体特征、生理功能等。
DNA的复制过程确保了这些遗传信息能够传递给后代，保持物种的延续。
其次，DNA的结构和复制也与一些重要的生物学过程密切相关。
例如，DNA的转录过程将DNA的信息转化为RNA，进而控制蛋白质的合成。
分子生物学基础第二章DNA的结构、复制和修复第五节 DNA的损伤与修复
第五节 DNA的损伤与修复
图2-13 DNA分子上的胸腺嘧啶二聚体结构
第五节 DNA的损伤与修复
图2-11 甲基介导的错配修复模 型
第五节 DNA的损伤与修复
3．核苷酸切除修复 核苷酸切除修复系统几乎能够修复紫外线照射引起的 各种损伤。包括环丁烷二聚体、6–4损伤、碱基-糖基交联 等引起DNA双螺旋大扭曲(major distortion)，而不能修 复由于碱基错配、O6–甲基鸟嘌呤、O4–甲基胸腺嘧啶、8– oxoG或碱基类似物引力是非常重要的。
第五节 DNA的损伤与修复
二、DNA的修复 1．错配修复 E.coli避免突变的主要途径之一就是甲基指导的错配修复系统。 这个系统是非特异性的，它能修复引起DNA双螺旋轻微扭曲的任何扭 伤，包括错配、移码、碱基类似物的掺人和某些类型微小扭曲的烷基 化损伤。 2．碱基切除修复 是一种在细胞中存在较普遍的修复过程。在细胞中都有不同类型、 能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能特意性切除受损核苷酸上的 N—β-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点（AP位点）。DNA 分子中一旦产生了AP位点，核酸内切酶就会把受损核酸的糖苷-磷酸 键切开，并移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA，由DNA聚合酶I 合成新的片段，最终由DNA连接酶把两者连成新的被修复的DNA链。
DNA结构与复制
DNA结构与复制DNA（脱氧核糖核酸）是构成生物体基因的核酸分子，它负责储存和传递遗传信息。
DNA的结构和复制是解析基因组的关键过程，深入了解DNA的结构和复制机制对于理解生物遗传学和进化研究至关重要。
一、DNA结构DNA由两条互补的单链螺旋构成，形成了著名的双螺旋结构。
DNA结构的发现对于生命科学领域产生了革命性的影响。
1. DNA的碱基组成：DNA由四种碱基组成，包括腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。
这些碱基是遗传密码的基础单元，通过特定的配对规则进行组合。
2. DNA的链状结构：DNA包含两条相互配对的单链，这些链沿着螺旋结构以反平行方式排列。
每个碱基通过氢键与另一条链上的碱基相配对，A与T配对，G与C配对。
3. DNA的螺旋结构：DNA以螺旋的形式存在，呈现出右旋的双螺旋结构。
两条链以氢键连接，螺旋梯度是由磷酸基团和脱氧核糖组成的骨架支撑的。
二、DNA复制DNA复制是细胞分裂和生殖传递遗传信息的基础。
它是一个精确而复杂的过程，需要多个酶和蛋白质的协同作用。
1. 半保留复制：DNA复制采用半保留复制机制，其中原有的DNA链作为模板，生成两个全新的DNA分子，每个分子包含一条旧链和一条新合成的链。
2. 复制酶：DNA复制过程中涉及多个酶，包括DNA聚合酶、DNA连接酶等。
DNA聚合酶是负责复制新链的主要酶，它能够将合适的碱基与模板链上的碱基进行配对，并形成新的链。
3. 复制起点与双螺旋解旋：DNA复制起点是一个特殊的序列，复制过程从这个起点开始。
在复制起点处，DNA双链被酶解旋，形成复制叉。
复制酶沿着DNA链进行模板引导的合成。
4. 连接DNA片段：DNA复制是一个不连续的过程，新合成的DNA链是由离散的DNA片段组成的。
这些片段称为Okazaki片段，通过DNA连接酶连接形成连续的链。
5. 纠错机制：DNA复制过程中存在一定的错误率，为了保证遗传信息的准确传递，细胞配备了DNA修复系统来纠正错误。
DNA的结构与复制
DNA的结构与复制DNA（脱氧核糖核酸）是一种存在于细胞核和线粒体等细胞器内的遗传物质。
它以其独特的双螺旋结构和复制机制而闻名于世。
本文将详细介绍DNA的结构和复制过程。
一、DNA的结构DNA的基本结构单元是核苷酸，每个核苷酸由一个含氮碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶）和一个脱氧核糖和一个磷酸组成。
核苷酸通过磷酸二酯键相连形成长链，进而构成DNA分子。
在DNA双螺旋结构中，两条链通过碱基间的氢键连接在一起。
腺嘌呤和胸腺嘧啶之间形成两个氢键，而鸟嘌呤和胞嘧啶之间形成三个氢键。
这种氢键的配对规则保证了DNA的稳定性和遗传信息的传递准确性。
二、DNA的复制DNA的复制是细胞分裂的基础，也是生物遗传信息传递的关键过程。
DNA的复制是半保留复制，即每条旧链作为模板合成一条新链。
复制过程包括解旋、合成和连接三个主要步骤。
1. 解旋DNA复制在起始点开始，酶类将DNA双链解开，形成一个复制起始点。
然后，酶类解旋酶将DNA双链解开，形成两条单链。
2. 合成在每条单链上，酶类称为DNA聚合酶依据已有的DNA序列合成新的DNA链。
DNA聚合酶以碱基互补原则合成新的链，将游离的核苷酸依次连接到正在合成的链上。
3. 连接DNA合成的新链称为前导链（leading strand），它的合成方向与解旋方向相同；另一条合成的新链称为滞后链（lagging strand），它的合成方向与解旋方向相反。
滞后链上的DNA合成是通过DNA聚合酶离开复制起始点，合成一段短的DNA片段，称为片段。
每个片段以RNA为模板合成，形成RNA- DNA杂交片段。
然后，在每个杂交片段上，酶类称为DNA剪接酶依次移除RNA模板，并用DNA填充碱基连接杂交片段，最终形成滞后链。
通过以上步骤，DNA的复制过程完成。
在细胞分裂后，每一对子代细胞都能够继承完整的遗传信息。
结论DNA的结构和复制是生物遗传学中的重要内容。
了解DNA的结构和复制过程可以帮助我们更好地理解生物进化和疾病的发生机制。
DNA的结构与复制2
三、DNA的复制
2、复制的起点、方向与速度
三、DNA的复制-复制的起点、方向与速度
2、复制的起点、方向与速度 以单一单位复制的任一段DNA都称为复制 子（一个复制单位）。 大多数生物体内DNA的复制都是从固定的 起始点以双向等速复制方式进行的，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 。
有9个蛋白和酶参与复制的起始
DnaA蛋白 识别原点顺序在特定位点上打开DNA 双链 DnaB蛋白 DNA解螺旋 DnaC蛋白 帮助DnaB蛋白 与原点结合 HU 刺激复制起始 引物酶DnaG蛋白 合成RNA引物 SSB 结合单链DNA RNA聚合酶 促进DnaA蛋白激活 DNA旋转酶 释放解螺旋时产生的张力 Dam甲基化酶 甲基化原点的5GATC序列
四、原核生物和真核生物DNA的复制特点 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。
四、原核生物和真核生物DNA的复制特点 （3）复制的引发和终止： 大肠杆菌复制起点处引发的DNA复制如下 图，对于滞后链的引发需要引发体来完成 （6种蛋白质参与，并与引发酶进一步形成 引发体来完成）。 一般说来，链的终止不需要特定的信号， 也不需要特殊的蛋白质参与 。
在大肠杆菌DNA的复制中，每聚合109~1010个碱基 的才出现一个错误。 1）碱基配对原则 2）引物RNA的作用 3）DNA聚合酶的校正阅读作用
四、原核生物和真核生物 DNA的复制特点
2、真核生物DNA的复制特点
四、原核生物和真核生物DNA的复制特点 2、真核生物DNA的复制特点
分子生物学基础第二章DNA的结构、复制和修复 第四节原核生物和真核生物DNA的复制特点
第四节 原核生物和真核生物DNA的复制特点
第四节 原核生物和真核生物DNA的复制特点
二、真核生物DNA的复制特点 1．真核细胞的每条染色体含有多个复制起始点。复制子的大小 变化很大，约5-300kbp。复制可以在几个复制起始点上同时进行，复 制起始点不是一成不变的。在发育过程中，活化的细胞有更多的复制 起始点。例如，果蝇在胚胎发育早期，其最大染色体上有6000个复制 叉，大约每10 kbp就有一个。 2．真核生物染色体在全部复制完成之前，各个复制起始点不能 开始新一轮的复制。而原核生物中，复制起始点上可以连续开始新的 复制事件，表现为一个复制子内套叠有多个复制叉。 3 ． 真 核 生 物 DNA 的 复 制 子 被 称 为 自 主 复 制 序 列 （ ARS）， 长 约 150bp左右，含有几个复制起始必须的保守区。并且其复制起始需起 点识别复合物（ORC）参与，并需ATP。真核生物复制叉的移动速度大 约 只 有 5 0 bp/s， 还 不 到 大 肠 杆 菌 的 1 / 2 0 。 因 此 ， 人 类 DNA 中 每隔 3x104~3x105就有一个复制起始位点。
第四节 原核生物和真核生物DNA的复制特点
4．真核生物有多种DNA聚合酶，分别为在真核细胞中主要有5种 DNA聚合酶，分别称为DNA聚合酶α、β、γ、δ和ε，真核细胞的 DNA聚合酶和细菌DNA聚合酶基本性质相同，均以dNTP为底物，需Mg2+ 激活，聚合时必须有模板链和具有3´–OH末端的引物链，链的延伸方 向为5´→3´。但真核细胞的DNA聚合酶一般都不具有核酸外切酶活性， 推测一定有另外的酶在DNA复制中起校对作用。DNA聚合酶α的功能主 要是引物合成。DNA聚合酶β活性水平稳定，可能主要在DNA损伤的修 复中起作用。DNA聚合酶δ是主要负责DNA复制的酶，参与先导链和滞 后链的合成。而DNA聚合酶ε的主要功能可能是在去掉RNA引物后把缺 口补全。
第二章 DNA的复制-分子生物学
25
错配碱基
切除错配 核苷酸
正确 核苷酸
复制方向
3´ 5´ 3´ 3´ 5´
DNA聚合酶Ⅰ的校对功能(3’-5’ 外切酶活性)
26
5’－3‘外切酶活性： ♦ 从5’-P端依次切除，可 连续切除多个核苷酸； ♦ 只切配对的5’-P末端核 苷酸； ♦ 既可切除脱氧核苷酸 也可切除核苷酸； ♦ 对只有5’末端的切口也 有活性。
Pol C: polymerase
Dimerizing Units
Sliding Clamp the clamp loader
32
33
34
35
B 真核生物聚合酶
五种 • DNA聚合酶α • DNA聚合酶δ • DNA聚合酶γ
• DNA聚合酶β、ε
功能： • 参与随从链的合成 • 参与前导链的合成 • 参与线粒体DNA的合成 • 参与DNA的修复
21
4）DNA聚合酶（DNA Polymerase）： • 以dNTP为前体催化合成DNA • 需要模板和引物的存在 • 不能起始合成新的DNA链
• 催化dNTP加到生长中的DNA链的3’-OH末端
• 催化DNA合成的方向是5'→3'
22
A 原核生物聚合酶 • DNA聚合酶有5种
• 具有多种酶活性的多功能酶 • 参与DNA复制的主要是polⅢ和polⅠ。 DNA聚合酶Ⅰ（DNA PolymeraseⅠ， PolⅠ） • Kornberg酶（1956年）
连续的小片段的链称为随从链。
（复制方向与解链方向相反)
61
♦ 冈崎片段（Okazaki）： DNA复制时，一股以5’ 3’方向的母链作为模板， 指导新合成的链沿5’ 3’合成1000—2000个核苷酸不连
高中生物第二章DNA的生物合成(复制)
第二章 DNA的生物合成（复制）教学大纲要求1. 描述遗传学中心法则，扩大的中心法则及生物学意义。
2. 记住DNA合成的概念，包括以DNA作为模板指导的DNA合成(复制)，以RNA作为模板指导的DNA合成(反转录)及DNA的修复合成，分别描述其概念。
3. 复述DNA复制特点，过程，参与的酶和因子(包括它们的功能)。
简要叙述复制过程及真核DNA复制特点。
4. 结合反转录酶的功能，简要叙述反转录过程及其生物学意义。
记住端粒酶的概念与功能。
5. 列举DNA损伤的几种类型，写出修复合成的几种方式名称。
叙述切除修复过程。
教材内容精要（一）遗传信息传递概述基本概念：1. 遗传：生殖过程中表现出来的子代与亲代的相似性。
2. 变异：生殖过程中表现出来的子代与亲代的差异性。
3. 基因: 能为生物大分子蛋白质，也包括RNA编码的核酸片段。
高等生物的基因是DNA，少数低等生物的遗传物质是RNA。
4. 复制: 即DNA的生物合成，DNA母链为模板，由核苷酸聚合成子代DNA的过程。
5. 转录即RNA的生物合成，DNA贮存的遗传信息作模板，转抄成RNA的碱基序列。
6. 翻译: 把mRNA的遗传信息用遗传密码的方式破读为蛋白质分子上的氨基酸排列次序，即蛋白质的生物合成。
7. 中心法则: 遗传信息从DNA流向RNA，再流向蛋白质的信息传递规律。
DNA有贮存、表达遗传信息功能，因此认为DNA处于生命活动中心。
8. 基因表达贮存在DNA上的遗传信息，通过转录和翻译，指导合成主要执行生命活动功能的蛋白质的过程。
9. 半保留复制亲代的DNA双链解开，各自作为模板，按照碱基配对规律(AT配对，GC配对)，指引子链的合成。
因此，子代DNA双链和亲代DNA双链有一致的碱基序列。
DNA是遗传的物质基础。
DNA分子中由4种不同碱基组成的核苷酸的排列顺序(以下简称碱基顺序)即是储藏的遗传信息。
所谓基因，即指DNA分子中碱基组成的功能片段。
DNA分子很大(如人类基因组DNA约含3 109个碱基对)，但全部由A、G、C和T四种碱基以不同的排列方式组成。
DNA分子的结构(课件)高一生物(苏教版2019必修2)
资料：
人的遗传信息主要分布于染色体的DNA中。两个随机个体具有相同 DNA序列的可能性微乎其微，因此，DNA可以像指纹一样用来识别身 份，这种方法就是DNA指纹技术。 你能从下图判断出怀疑对象中谁是罪犯吗？
DNA指纹图
1951年
美国加州理工学院的鲍林及其同事用X射线衍射技术 和分子模型的构建，率先解出了蛋白质的二级结构。
威尔金斯
富兰克林
吸水后易转变
A型衍射图谱
B型衍射图谱
1951年10月
生物学家沃森与物理学家克里克首次 在卡文迪许实验室相遇，两人合力推出了 三股螺旋的DNA结构，他们把磷酸排在内 侧，含氮碱基排在外侧。当他们邀请威尔 金斯和富兰克林前来观看时，被两人评价 为“一无是处” ，并告知他们含氮碱基应 该排列在内侧。沃森和克里克默默地记录 下了这个关键信息。
沃森和克里克
含氮碱基
脱氧
核糖
含氮碱基
脱氧
核糖
含氮碱基
脱氧
核糖
含氮碱基
脱氧
核糖
P
P
脱氧
含氮碱基
核糖
P
P
错误！
脱氧 核糖
含氮碱基
P
P
脱氧
含氮碱基
核糖
P
P
脱氧
含氮碱基
核糖
观察碱基结构，你能发现什么问题？
P O
A
A
P O
T
T
嘌呤有2个环
如果是相同碱基 P O
配对，那么DNA
G
G
直径不固定
嘧啶有1个环
P O
内侧，并让A和T配对，C和G配对。
这才终于找到一种规则的DNA结
第二章DNA结构复制与修复
第一章 绪论 （2节） 第二章 DNA的结构、复制和修复（4节）
第三章 遗传与变异（6节） 第四章 遗传信息的转录（4节） 第五章 遗传信息的翻译——从mRNA到蛋白质（4节） 第六章 原核生物基因表达调控（5节） 第七章 真核生物表达与调控（4节） 第八章 分子生物学实验技术（3节）
核小体的结构（后图）
第二节 DNA的组成和结构
一、DNA的组成
DNA
磷酸
核酸→核苷酸
碱基（嘌呤或嘧啶）
核苷
RNA
脱氧核糖或核糖
（戊糖）
HOH 2C O H
H OH
OH H
H H
β-D-2-脱氧核糖
NH2
N
N
H
H N
9
N
H
腺嘌呤
HOH2C 5′ O OH
4′
1′
3′ 2′
OH OH 核腺苷糖
损伤来源：
1. DNA分子的自发性损伤 2. 物理因素引起的DNA损伤
UV照射引起DNA损伤主要是嘧啶二聚体；电离辐 射对DNA损伤有直接疚和间接效应。
3. 化学因素引起的DNA损伤
烷化剂，碱基类似物对DNA的损伤。
二、DNA的修复
1. 错配修复 2. 碱基切除修复 3. 核苷酸切除修复 4. DNA的直接修复
（2）基因种类和数量较少 DNA分子大都 带有单拷贝基因，多以重叠基因形式存在。
（3）以操纵子为转录单元 以多顺子形成 翻译成各种蛋白质。
三、真核生物染色体的组成
从单细胞的酵母菌到高等哺乳动物，真核生 物细胞都有一个共同特点： 。
真核生物基因表达调控复杂不仅因为真核生 物基因组的复杂性，也与染色体结构有关。
第二章染色体与DNA结构与复制
2.3染色体中的DNA
2.3.1基因组大小与C值矛盾
基因组（genome）：
生物有机体的单倍体细胞中的所有DNA，称为该物种的基因组。
C值（C value）：
概念： C值特点： 1.不同物种之间C值差异较大，一般来讲物种越进化C值就越大。 2.在结构、功能很相似的同一类生物中，甚至在亲缘关系十分 接近的物种之间，它们的C值可以相差数十倍乃至上百倍。
10%—60%，由6—100个碱基组成，在DNA链上串联重复几 百万次。常含有一些A· T，A· T浮力密度小； 将DNA切断成数百 个碱基对的片段进 行超离心时，常会 在主要的DNA带的 上面有一个次要的 DNA带相伴随，这 就是所谓的卫星 DNA（satellite DNA）。
2.3.3 原核生物和真核生物基因组结构特点比较
O
OH OH 三磷酸腺苷 (AT P )
AMP ADP ATP
ATP
分子的最显著特点是 含有两个高能磷酸键。ATP 水解时, 可以释放出大量 自由能。 ATP 也是一种很好的磷酰 化剂，是许多生物化学反 应的激活步骤。
ATP的性质
2、GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)
GTP是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍 生物。它具有ATP 类似的结构, 也是一种高能化合
中科院硕士学位研究生入学分子遗传学试题
中国科学院上海生化与细胞所招收硕士研究生分子 遗传学入学考试： 简述真核细胞内核小体与核小体核心颗粒的结构。
染色体的二级结构：螺线管
DNA double helix
Nucleosome (10 nm fiber)
30 nm Fiber
Loops I
Loops II
DNA结构与复制
DNA结构与复制DNA（脱氧核糖核酸）是构成生物遗传信息的基本单位。
在了解DNA结构和复制过程之前，我们首先需要了解DNA的组成和结构。
一、DNA的组成和结构DNA由四种碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和鳞状嘧啶）、糖（脱氧核糖）和磷酸组成。
碱基连接在一起形成DNA的链，两条链以碱基间的氢键相互连接，形成双螺旋结构。
二、DNA复制的过程DNA复制是指通过复制一个DNA分子来生成两个完全相同的分子的过程。
它是细胞有丝分裂和无丝分裂过程中最关键的一步，确保遗传信息的传递和维持。
1. 解旋：在DNA复制开始前，DNA双螺旋结构必须被解开。
酶将双链断开，形成两条单链，这个过程称为解旋。
2. 模板配对：在解旋后，DNA聚合酶酶将自由的核苷酸与每个模板链上的碱基配对。
腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T），鸟嘌呤（G）与鳞状嘧啶（C）配对。
3. 合成：DNA聚合酶沿着模板链的方向移动，并在新合成的链上逐渐连接氮碱基，形成新的DNA链。
4. 连接：两条新合成的DNA链与原有的模板链重新配对，形成两个完全一样的DNA分子。
三、DNA复制的重要意义DNA复制的意义在于保证生物遗传信息的传递和维持。
通过复制过程，细胞可以准确地复制和传递遗传信息，确保后代继承父母的基因，并保持物种的遗传稳定性。
同时，DNA复制也是生物生长、发育、修复和再生的基础。
总结：DNA结构的解析和复制是生命运行的基础。
了解DNA 结构和复制的过程对于我们理解生物遗传、疾病发生和生命起源等方面有着重要的意义。
DNA复制的准确性和稳定性保证了每个个体的遗传信息的传递和维持。
随着科技的不断发展，我们将进一步深入研究DNA结构和复制过程，并将其应用于医疗、科研和基因工程等领域，推动科学的进步和人类的福祉。
分子生物学基础第二章DNA的结构、复制和修复 第三节DNA的复制
第三节 DNA的复制
表2-2 部分生物复制子的比较
第三节 DNA的复制
图2-5 放射性实验证明DNA的复制是从固定的起始 点双向等速进行的
第三节 DNA的复制
三、DNA复制的几种主要方式
1．线性DNA双链的复制
复制叉生长方向有单一起点的单向(如腺病毒)及双向(如噬菌体)， 和多个起始点的双向几种，DNA双向复制时复制叉处呈“眼”型。线 性DNA复制中RNA引物被切除后，留下5′端部分单链DNA，不能为DNA 聚合酶所作用，使子链短于母链。T4和T7噬菌体DNA通过其末端的简 并性, 使不同链的3′端因互补而结合，其缺口被聚合酶作用填满， 再经DNA连接酶作用生成二联体。这个过程可重复进行直到生成原长 20多倍的多联体，并由噬菌体DNA编码的核酸酶特异切割形成单位长
度的DNA分子。制时，5′端首先与末端蛋白共价结合，开始互补链的合成。当另 一条链完全被置换后，两端通过发卡结构相连，形成一个大部分序列 互补的单链环形DNA分子，复制从其内部的起始位点开始按前导链方 式双向进行，经过环形结构到达分子的另一部分，经双链结构交错切 割后生成完整的子链病毒。除了环形部分发生重排之外，所生成的新 DNA分子带有母链的全部遗传信息。
分子生物学基础
第二章 DNA的结构、复制和修复
第三节 DNA的复制
一、DNA的半保留复制机理 二、DNA复制的起点、方向和速度 DNA在复制时，首先在一定位置解开双链，这个复制起点呈现叉 子的形式，称为复制叉。一般把生物体能独立进行复制的单位称为复 制子。实验证明，复制在起始阶段进行控制，一旦复制开始，就连续 进行下去，直到整个复制子完成复制。每个复制子由一个复制起点控 制。 原核生物的复制起始点通常在它染色体的一个特定位点，并且只 有一个起始点，因此，原核生物的染色体只有一个复制子。真核生物 染色体的多个位点可以起始复制，有多个复制起始点，因此是多复制 子（表2-2）。且多个复制子不是同时起作用，而是在特定时间，只 有一部分复制子（不超过15%）在进行复制过程。 关于DNA复制的方向和速度，最为普遍的就是双向等速进行（图 2-5）。某些环状DNA偶尔从一个复制起始点形成一个复制叉，单向复 制。而腺病毒则从两个起始点相向进行复制。
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参与DNA复制的蛋白质： 后随链的引发由引发体来完成。引发体由n，nˊ，n〞，DnaB、 C和I等6种蛋白质共同组成，与引发酶结合形成引发体。 DnaA：结合Ori区，具ATP酶活性，促进DnaB形成起始复合物 DnaB：DNA解链酶，有解旋和解链作用 DnaC：形成起始复合物，运输DnaB DnaG：DNA引发酶由dnaG基因编码，在特定环境下发挥作用 的RNA聚合酶 Hu： 促进起始复合物形成 回旋酶：松驰正超螺旋，促进单链DAN产生 SSB： 促进DNA解链，稳定单链DNA
复制将亲代细胞所含有遗传信息传递到子代细胞。
双链 DNA 的复制包括 复制的起始、延伸和终止三个阶段， 并需要拓扑异构酶、解链酶、单链结合蛋白、引物合成酶、 DNA聚合酶及DNA连接酶等酶和蛋白质的参与。
2.3.1 DNA的半保留复制 Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型的同时对其复制过 程进行了探讨。 DNA在复制过程中碱基间的氢键首先断开，每条链分别作 为模板合成新链，产生互补的两条链。 新合成2条DNA链的核苷酸序列和亲代DNA链完全相同。因 此，每子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成 的，DNA这种复制方式叫做DNA的半保留复制。
activity,
but not 5′→3′exonuclease activity.
68 kD
35 kD
DNA聚合酶Ⅱ 其有5′→3′聚合酶活性，但活性低，其酶活性是DNA聚合酶 Ⅰ的5%。 通过其3 ′ →5 ′核酸外切酶活性可起校正作用。 DNA聚合酶Ⅲ 其有5′→3′聚合酶活性，3 ′ →5 ′核酸外切酶活性。该酶活性 为DNA聚合酶Ⅰ的15倍， DNA聚合酶Ⅱ的300倍。 即5万个核苷酸/min速度合成新DNA链。 其他DNA聚合酶 DNA聚合酶Ⅳ和Ⅴ分别由dinB和umuD’ 2C基因编码，主要 在SOS修复过程中发挥作用。
Z-DNA调控基因转录的两个模式
DNA的双螺旋结构的意义
该模型揭示了 DNA 作为遗传物质的稳定性特征， 最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、 转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表 达的分子基础。
2.3 DNA的复制
生命的遗传实际上是 DNA 自我复制的结果。而 DNA 自我复 制主要是通过半保留复制来实现的，是一个以亲代 DNA 分子 为模板合成子代DNA链的过程。即细胞分裂时，通过DNA自我
（3）某种蛋白启动复制 腺病毒DNA分别在分子两 端启动复制，并通过链取代法使 之延伸。
末端蛋白的作用下，在真正的 末端上启动复制。
2.环状DNA的复制
（1）θ-复制
（2）滚环复制
（3）D-环复制
（1）θ-复制
E. coli基因组的复制原点位于天冬酰胺合酶和 ATP合酶操 纵子之间，全长为 245 bp，称为 oriC ，其富含 AT ，并含有多 个短的重复序列，能够被复制起始点结合蛋白所识别。复制 的起始： 涉及DNA双链的解旋和松开，形成两个方向相反的 复制叉。前导链DNA开始复制前，复制原点的核酸序列被转 录生成短的RNA链，作为起始DNA复制的引物。
端移动；体内DNA复制时，由一段RNA引物起始DNA合成， 起始后RNA引物被切除，使子链短于母链。切除后的子链5`端 缺口如何合成？这就提出了线性DNA末端复制的问题。
5′ 3′
寿命缩短？
3′ 5′
线性DNA末端复制的特殊机制
（1）线性复制子转变为环状或多聚分子：T4噬菌体DNA通过
其末端的简并性使不同链的3′端因互补而结合。DNA聚合酶作 用填满其缺口，再经DNA连接酶作用生成二联体。 （2）DNA末端形成发夹式结构，是该分子没有游离的末端。 如草履虫线粒体DNA。
（2）单链结合蛋白(SSB蛋白） 发现T4的基因32蛋白可以在远低于解链温度时使双链 DNA分开，并牢牢地结合在单链DNA上，后来发现许多生物 中都有这类蛋白。 原核生物：SSB蛋白与DNA结合时还表现协同效应，如第 1个SSB蛋白结合DNA的能力为1，第2个SSB蛋白的结合力可 达103。真核生物SSB蛋白与单链DNA结合时，不表现协同效 应。 SSB蛋白: 保证被解链酶解开的ssDNA在复制完成之前能 保持单链结构，SSB蛋白以四聚体形式存在于复制叉处，他 没有解链作用。
氯化铯密度梯度离心法： 由于15N-DNA分子的密度比普通DNA的密度大，在氯化铯密 度梯度离心时，这两种DNA分子形成位置不同的区带。
结果证实：无论原核还是真核生物DNA都是以半保留复制方式遗传的
2.3.2 复制的起点、方向和速度 DNA复制时，双链DNA要解开成两股链分别进行，所以， 这个复制起始点呈现叉子的形式，被称为复制叉。DNA的复 制是由固定的起始位点开始的。 复 制 子是生物体DNA复制的基本单位，一个复制子只含 一个复制起始位点。 复制叉从复制起点开始沿着DNA链连续移动，起始点可以 启动单向复制或者双向复制，这主要取决于在复制起点形成一 个还是两个复制叉。
DNA链复制过程示意图
2.2.3 DNA复制的几种主要方式
DNA 双链的复制大都是以半保留方式进行的；但是不同
生物 DNA 分子存在形式各不相同，如大小，线性分子和环 状分子，功能差异，因而反映在复制方式上的差异。绝大多 数DNA复制是以复制叉的形式进行的。
线性DNA双链的复制
研究表明，DNA聚合酶和RNA聚合聚合酶都只从5`端向3`
2.4.2 真核生物DNA复制的特点
（1）DNA分子上出现多复制起始位点；
（2）真核生物染色体在全部完成复制前，各个起始点上 DNA复制不能再开始； （3）真核生物DNA复制只在其细胞周期S期进行； （4）真核生物复制子大小约为40~1酵母复制起始区长度约为 150bp ，包括数个复制起始必须 的保守区， 将克隆该DNA片段构建环状DNA分子，它在酵母 中自主复制的。 酵 母 复 制 起 始 位 点 成 为 自 主 复 制 序 列 (autonomously replicating sequences, ARS）。不同ARS共同特征是具有一个 11个A-T碱基对的保守序列。 ORC（origin recognition complex）识别并结合ARS序列， ORC有6种蛋白组成的起动复合物。 人类基因组DNA上每隔30000~300 000bp序列有一个复制 起始位点。真核生物 DNA 复制叉的移动速度为 50 bp/sec ， E.coli的1/20。
真核生物DNA聚合酶 哺乳动物主要有5种DNA聚合酶，其特性见表2-12.
复制起始点的特点 1. 富含 AT：测定细菌、酵母、线粒体和叶绿体 DNA 中的复 制起始点核苷酸序列，发现复制起始点富含AT序列，它可能 有利于DNA复制启动时双链的解开。 2. 细菌、病毒和线粒体DNA分子只有一个复制起始点，即 只有一个复制子。 3. 真生物基因组DNA有多个复制起点，可以同时在多个复 制起点上进行双向复制，其大小为40-100kb/个。
（3）DNA拓扑异构酶（DNA topoisomerase） DNA复制过程中，随着DNA解旋，双螺旋的盘绕数T减 少，而超螺旋数W增加，使正超螺旋增加，未解链部分的缠 绕更加紧密，形成的压力使解链不能继续进行。 DNA拓扑异构酶作用 它能够消除解链造成的正超螺旋堆积，消除阻碍解链继 续进行的此种压力，使DNA复制得以延伸。
（1）DNA一级结构的表示法
（2）DNA碱基组成的Chargaff规则（1949）
（3）DNA和RNA一级结构
2.2.2 DNA的二级结构
DNA的二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所形成的 双螺旋结构。Watson和Crick用X线衍射结构分析DNA结构。
在DNA二级结构与 高级结构间或高级结 构的各种构象间存在 一个动力学平衡。
DNA复制中间产物呈一个θ。
1. DNA双螺旋的解旋 研究证实多种蛋白质及酶参与DNA双链的解开过程。如拓
扑异构酶I、DNA解链酶及SSB蛋白等。
（1）DNA解链酶 DNA helicase是经水解ATP获得能量来解开双链DNA， 大 部分DNA helicase沿着随后链模板5′→ 3′方向及沿着复制叉的 前进而移动。 研究证明：Rep蛋白和特定的DNA解链酶分别在DNA两条链 上协调作用，以解开双链DNA。
2. DNA复制的引发
研究发现：
①所有DNA复制是由一个固定的起始位点开始； ②DNA聚合酶都只能延长已存在的DNA链，而不能从头 合成DNA链。 问题：一个新链DNA的复制怎样开始的呢？
发现：所有DNA聚合酶都从脱氧核苷酸3′-OH端起始DNA合成，
所以，DNA复制时，由引发酶(RNA聚合酶)在DNA模板上合成一 段 RNA 链，它提供引发末端（引物），接着由 DNA 聚合酶从 RNA引物的3’-OH端开始合成新的DNA链。无论前导链还是后随 链开始DNA合成时，都需要RNA引物。
2.2 DNA的结构
核酸的结构与功能
DNA-遗传的物质基础，基因是具有特定生
物学功能的核苷酸序列，基因通过转录和翻
译能够使亲代的性状准确地在子代表现出来。 DNA结构与功能密切相关的。
2.2.1 DNA的一级结构
1.DNA的化学成分
2.DNA和RNA化学组分的比较
3. 核苷酸的结构
4. DNA的一级结构
性
3.冈崎片段与半不连续复制 dsDNA两条链是反向平行的，因此在复制叉附近的DNA 链一条是5′→3′，另一条是3′ →5′，即两条模板极性不同。 而DNA聚合酶：DNA合成方向是5′→3′，而不是3′ →5′。
无法解释DNA两条链是如何能够同时进行复制？
日本科学家Okazaki通过含3H-dTTP 培养基培养大肠菌标 记其DNA，提出DNA的半不连续复制模型。 原核生物冈崎片段 〉真核生物冈崎片段 Okazaki fragment：1000~2000b。
（2）滚环复制（rolling cirle）
这是单向复制的一种特殊形式。φX174噬菌体由一个单链环 状DNA组成，这条链称为正（+）链，而以其模板合成的互补链 称为负（-）链。双链体的复制以滚环复制方式进行。