分子生物学第二章染色体与DNA.ppt

第第二二章章染染色色体体与与D DN NA A本章主要内容：n第一节第一节 染色体染色体n第二节第二节 核酸是遗传物质的载体核酸是遗传物质的载体n第三节第三节 核酸的基本化学组成核酸的基本化学组成n第四节第四节 DNA的结构的结构n第五节第五节 DNA的生物合成的生物合成n第六节第六节 DNA的损伤与修复的损伤与修复n第七节第七节 DNA的转座的转座染色体的重要性染色体的重要性1 1、染染色色体体是是遗遗传传信信息息的的主主要要载载体体，担担负负着着生生命命信信息的储存与传递。息的储存与传递。2 2、染染色色体体结结构构的的特特征征又又决决定定着着基基因因的的表表达达与与调调控控，而而其其上上的的核核酸酸也也是是现现代代生生物物化化学学、分分子子生生物物学学的的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。第一节第一节 染色体染色体 任何一条染色体上都带有许多基因，一条高等生物的染色任何一条染色体上都带有许多基因，一条高等生物的染色体上可能带有成千上万个基因，一个细胞中的全部基因序体上可能带有成千上万个基因，一个细胞中的全部基因序列及其间隔序列统称为列及其间隔序列统称为genomesgenomes（基因组）。（基因组）。Genotype(Genotype(基因型基因型)：The genetic constitution of a The genetic constitution of a given organism(given organism(指某个特定生物体细胞内的全部遗传物指某个特定生物体细胞内的全部遗传物质质)。Phenotype(Phenotype(表现型表现型)：Visible property of any given Visible property of any given organism(organism(某个特定生物体中可观察到的物理或生理现象某个特定生物体中可观察到的物理或生理现象)。MutationsMutations（突变）：染色体（突变）：染色体DNADNA中可遗传的核苷酸序列变中可遗传的核苷酸序列变化。化。端粒端粒着丝粒二、二、染色体的组成染色体的组成 1染色质和核小体染色质和核小体染色质染色质DNADNA的的TmTm值比自由值比自由DNADNA高，说明在染高，说明在染色质中色质中DNADNA极可能与蛋白质分子相互作用；在极可能与蛋白质分子相互作用；在染色质状态下，由染色质状态下，由DNADNA聚合酶和聚合酶和RNARNA聚合酶催化聚合酶催化的的DNADNA复制和转录活性大大低于在自由复制和转录活性大大低于在自由DNADNA中的中的反应；反应；DNADNA酶酶I I（DNaseIDNaseI）对染色质）对染色质DNADNA的消化的消化远远慢于对纯远远慢于对纯DNADNA的作用。染色质的电子显微的作用。染色质的电子显微镜图显示出由核小体组成的念珠状结构，可以镜图显示出由核小体组成的念珠状结构，可以看到由一条细丝连接着的一连串直径为看到由一条细丝连接着的一连串直径为10nm10nm的的球状体。球状体。n 核小体是由核小体是由H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4各两个分子各两个分子生成的八聚体和由大约生成的八聚体和由大约200bpDNA200bpDNA组成的。八聚组成的。八聚体在中间，体在中间，DNADNA分子盘绕在外，而分子盘绕在外，而H1H1则在核小体则在核小体的外面。每个核小体只有一个的外面。每个核小体只有一个H1H1。n 在核小体中在核小体中DNADNA盘绕组蛋白八聚体核心，从盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子收缩成而使分子收缩成1/71/7，200bpDNA200bpDNA的长度约为的长度约为68nm68nm，却被压缩在，却被压缩在10nm10nm的核小体中。但是，人中期的核小体中。但是，人中期染色体中含染色体中含3.3103.3109 9碱基对，其理论长度应是碱基对，其理论长度应是180cm180cm，这么长的，这么长的DNADNA被包含在被包含在4646个个51m51m长的圆长的圆柱体（染色体）中，其压缩比约为柱体（染色体）中，其压缩比约为10104 4。2 2染色体中的核酸组成染色体中的核酸组成 n不重复序列不重复序列 在单倍体基因组里，这些序列一般只在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝，它占有一个或几个拷贝，它占DNADNA总量的总量的40%40%80%80%。不重。不重复序列长约复序列长约7507502000dp2000dp，相当于一个结构基因的长，相当于一个结构基因的长度。单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质，度。单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质，如一个蚕丝心蛋白基因可作为模板合成如一个蚕丝心蛋白基因可作为模板合成10104 4个丝心蛋白个丝心蛋白mRNAmRNA，每个，每个mRNAmRNA可存活可存活4d4d，共合成，共合成10105 5个丝心蛋白，这个丝心蛋白，这样，在几天之内，一个单拷贝丝心蛋白基因就可以合样，在几天之内，一个单拷贝丝心蛋白基因就可以合成成10109 9个丝心蛋白分子个丝心蛋白分子 。n中度重复序列中度重复序列 这类重复序列的重复次数在这类重复序列的重复次数在101010104 4之间，占总之间，占总DNADNA的的10%10%40%40%。各种。各种rRNArRNA、tRNA tRNA 及组蛋及组蛋白基因等都属这一类。白基因等都属这一类。非洲爪蟾的非洲爪蟾的18S18S、及、及28SrRNA28SrRNA基因是连在一起的，中基因是连在一起的，中间隔着不转录的间隔区，这些单位在间隔着不转录的间隔区，这些单位在DNADNA链上串联重复约链上串联重复约50005000次。在卵细胞形成过程中这些基因可进行几千次不次。在卵细胞形成过程中这些基因可进行几千次不同比例的复制，产生同比例的复制，产生2102106 6个拷贝，使个拷贝，使rDNArDNA占卵细胞占卵细胞DNADNA的的75%75%，从而使该细胞能积累，从而使该细胞能积累10101212个核糖体。个核糖体。n高度重复序列高度重复序列卫星卫星DNADNA 这类这类DNADNA只在真核生物中发现，占基因组的只在真核生物中发现，占基因组的10%10%60%60%，由，由61006100个碱基组成，在个碱基组成，在DNADNA链上串链上串联重复几百万次。由于碱基的组成不同，联重复几百万次。由于碱基的组成不同，在密度梯度离心中易与其他在密度梯度离心中易与其他DNADNA分开，形分开，形成含量较大的主峰及高度重复序列小峰，成含量较大的主峰及高度重复序列小峰，后者又称卫星区带（峰）。后者又称卫星区带（峰）。高等真核生物高等真核生物DNADNA无论从结构还是功能看都无论从结构还是功能看都极为复杂，以小鼠为例：极为复杂，以小鼠为例：1.1.小鼠总小鼠总DNADNA的的1010是小于是小于10bp10bp的高度重复序列，的高度重复序列，重复数十万到上百万次重复数十万到上百万次/genome/genome。2.2.总总DNADNA的的2020是重复数千次、长约数百是重复数千次、长约数百bpbp的中的中等重复序列。等重复序列。3.3.总总DNADNA的的7070是不重复或低重复序列是不重复或低重复序列,绝大部绝大部分功能基因都位于这类序列中。分功能基因都位于这类序列中。着丝粒（着丝粒（CentromereCentromere）：是细胞有丝分裂期间：是细胞有丝分裂期间纺锤体蛋白质与染色体的结合位点纺锤体蛋白质与染色体的结合位点（attachment pointattachment point），这种结合对于染色），这种结合对于染色体对在子细胞中的有序和平均分配至关重要。体对在子细胞中的有序和平均分配至关重要。在酵母中，在酵母中，centromerecentromere的功能单位长约的功能单位长约130 130 bpbp，富含，富含AT AT 碱基对。在高等真核细胞中，碱基对。在高等真核细胞中，centromerecentromere都是由长约都是由长约5 510 bp10 bp、方向相同、方向相同的高度重复序列所组成。的高度重复序列所组成。3 3染色体中的蛋白质染色体中的蛋白质 n 染色体上的蛋白质包括组蛋白和非组蛋白。染色体上的蛋白质包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白是染色体的结构蛋白，它与组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成核组成核小体。通常可以用小体。通常可以用2mol/L NaCl或的或的HCl/H2SO4处理使组蛋白与处理使组蛋白与DNA分开。组蛋白分为分开。组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3及及H4。这些组蛋白都含有大量。这些组蛋白都含有大量的赖氨酸和精氨酸，其中的赖氨酸和精氨酸，其中H3、H4富含精氨酸，富含精氨酸，H1富含赖氨酸；富含赖氨酸；H2A、H2B介于两者之间。介于两者之间。组蛋白的一般特性组蛋白的一般特性1.1.进化上的极端保守性。牛、猪、大鼠的进化上的极端保守性。牛、猪、大鼠的H4H4氨基氨基酸序列完全相同。牛的酸序列完全相同。牛的H4H4序列与豌豆序列相比只序列与豌豆序列相比只有两个氨基酸的差异（豌豆有两个氨基酸的差异（豌豆H4H4中的异亮氨基酸中的异亮氨基酸6060缬氨酸缬氨酸6060，精氨酸，精氨酸7777赖氨酸赖氨酸7777）。）。H3H3的保守的保守性也很大，鲤鱼与小牛胸腺的性也很大，鲤鱼与小牛胸腺的H3H3只差一个氨基酸，只差一个氨基酸，小牛胸腺与豌豆小牛胸腺与豌豆H3H3只差只差4 4个氨基酸。个氨基酸。2.2.无组织特异性。到目前为止，仅发现鸟类、鱼无组织特异性。到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含类及两栖类红细胞染色体不含H1H1而带有而带有H5H5，精细，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。3.3.肽链上氨基酸分布的不对称性。碱性氨基肽链上氨基酸分布的不对称性。碱性氨基酸集中分布在酸集中分布在N N端的半条链上。例如，端的半条链上。例如，N N端的半端的半条链上净电荷为条链上净电荷为+16+16，C C端只有端只有+3+3，大部分疏水，大部分疏水基团都分布在基团都分布在C C端。端。4.4.组蛋白的修饰作用。包括甲基化、乙基化、组蛋白的修饰作用。包括甲基化、乙基化、磷酸化及磷酸化及ADPADP核糖基化等。核糖基化等。5.5.富含赖氨酸的组蛋白富含赖氨酸的组蛋白H5H5。赖氨酸。赖氨酸24%24%、丙氨、丙氨酸、酸、16%16%丝氨酸丝氨酸13%13%、精氨酸、精氨酸11%11%。鸟类、两栖鸟类、两栖类、鱼类红细胞分离的类、鱼类红细胞分离的H5H5均有种的特异性。均有种的特异性。非组蛋白的一般特性非组蛋白的一般特性 染色体上除了存在大约与染色体上除了存在大约与DNADNA等量的组蛋等量的组蛋白以外，还存在大量的非组蛋白。白以外，还存在大量的非组蛋白。1.1.非组蛋白的多样性。非组蛋白的量大约是组蛋非组蛋白的多样性。非组蛋白的量大约是组蛋白的白的60%60%70%70%，但它的种类却很多，约在，但它的种类却很多，约在20-20-100100种之间，其中常见的有种之间，其中常见的有15-2015-20种。种。2.2.非组蛋白的组织专一性和种属专一性。非组蛋白的组织专一性和种属专一性。4.4.原核与真核染色体原核与真核染色体DNADNA比较比较 n原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因如基因，只有很少数基因如rRNArRNA基因是以多拷贝基因是以多拷贝形式存在；形式存在；n整个染色体整个染色体DNADNA几乎全部由功能基因与调控序列所组几乎全部由功能基因与调控序列所组成；成；n原核生物中原核生物中DNADNA存在转录单元，一般为多顺反子，即存在转录单元，一般为多顺反子，即几个基因一起转录。几个基因一起转录。n基因组中有重叠基因，基因密度大。基因组中有重叠基因，基因密度大。第二节第二节 核酸是遗传物质的载体核酸是遗传物质的载体一、核酸的研究发现史一、核酸的研究发现史 1868 1868年，年，F.MiescherF.Miescher从细胞核中分离从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。物质。19441944年，年，AveryAvery的转换转化实验的转换转化实验orand可分离可分离n19521952年，年，Hexshey Hexshey、Chase TChase T2 2噬菌体噬菌体（捣碎器实验）（捣碎器实验）n19531953年，年，WatsonWatson、Crick DNACrick DNA双螺旋双螺旋模型模型n核酶（核酶（RibozymeRibozyme）98 98核中（染色体中）核中（染色体中）真核真核 线粒体（线粒体（mDNAmDNA）核外核外 叶绿体（叶绿体（ctDNActDNA）DNA DNA 拟核拟核 原核原核 核外：质粒（核外：质粒（plasmidplasmid）病毒：病毒：DNADNA病毒病毒二、核酸的种类和分布二、核酸的种类和分布 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid Deoxyribonucleic Acid（DNADNA）核糖核酸核糖核酸 Ribonucleic Acid Ribonucleic Acid（RNARNA）RNARNA主要存在于细胞质中主要存在于细胞质中l tRNAl rRNAl mRNAl 其它其它l RNA病毒：病毒：SARS三、分子生物学的中心法则三、分子生物学的中心法则第三节第三节 核酸的基本化学组成核酸的基本化学组成核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸碱基碱基戊糖戊糖元素组成：元素组成：C H O N P C H O N P 核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNADNA所含的糖为所含的糖为 -D-2-D-2-脱氧核糖；脱氧核糖；RNARNA所含的糖则为所含的糖则为-D-D-核糖。核糖。一、戊糖一、戊糖RiboseRiboseDeoxyriboseDeoxyribose二、碱基二、碱基1.嘌呤（嘌呤（Purine）腺嘌呤腺嘌呤AdenineA A鸟嘌呤鸟嘌呤guanineGG2.2.嘧啶（嘧啶（PyrimidinePyrimidine）尿嘧啶尿嘧啶uraciluracilU胞嘧啶胞嘧啶cytosinecytosineC胸腺嘧啶胸腺嘧啶thyminethymineT 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。三、核苷（三、核苷（nucleosidenucleoside）1 1、核苷：戊糖、核苷：戊糖+碱基碱基 2 2、糖与碱基之间的、糖与碱基之间的C-NC-N键，称为键，称为C-NC-N糖苷键糖苷键1122334455(OH)1122334455(OH)Adenosine Guanosine Cytidine UridineNNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2五、核苷酸衍生物五、核苷酸衍生物1.1.继续磷酸化继续磷酸化AMPADPATP5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5-P5-P表示）；表示）；3-3-羟基端（常用羟基端（常用3-OH3-OH表示）表示）多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是明它的方向是5353或是或是3535。多聚核苷酸的表示方式多聚核苷酸的表示方式DNA RNA5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5ACGTGCGT 3 5ACGUAUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGUT53OHU53OHOHOHOHOH第四节第四节 DNA DNA的结构的结构一、一、DNADNA的一级结构的一级结构1 1、脱氧核糖核酸的排列顺序、脱氧核糖核酸的排列顺序可以用碱基排列顺序表示可以用碱基排列顺序表示2 2、连接键：、连接键：33，5-5-磷酸二酯键磷酸二酯键 磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架碱基形成侧链碱基形成侧链3 3、多核苷酸链均有、多核苷酸链均有5-5-末端和末端和3-3-末端末端 DNADNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子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形式。生物界物种的多样性即寓于DNADNA分子中四种分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。核苷酸千变万化的不同排列组合之中。二、二、DNADNA的二级结构的二级结构 DNA DNA的双螺旋模型的双螺旋模型1 1、19531953年年，J.J.WatsonWatson和和F.F.Crick Crick 在在前前人人研研究究工工作作的的基基础础上上，根根据据DNADNA结结晶晶的的X-X-衍衍射射图图谱谱和和分分子子模模型型，提提出出了了著著名名的的DNADNA双双螺螺旋旋结结构构模模型型，并并对对模模型型的的生生物物学学意意义义作作出出了了科科学学的的解解释释和和预测。预测。2 2、在在DNADNA分分子子中中，嘌嘌呤呤碱碱基基的的总总数数与与嘧嘧啶啶碱碱基基的的总总数数相等。相等。（1）DNA双螺旋双螺旋模型要点（模型要点（B型）型）2.0 nm小小沟沟大大沟沟 DNADNA双螺旋中的两股链走向是反双螺旋中的两股链走向是反平行的，一股链是平行的，一股链是5353走向，走向，另一股链是另一股链是3535走向。两股走向。两股DNADNA链围绕一假想的共同轴心形成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，一右手螺旋结构，双螺旋的螺距为，直径为。表面形成一条大沟，一条直径为。表面形成一条大沟，一条小沟。小沟。大沟与小沟是蛋白质识别大沟与小沟是蛋白质识别DNADNA的碱基序列，与其发生作用的的碱基序列，与其发生作用的基础。基础。链的骨架链的骨架(backbone)(backbone)由交替出现的亲水的脱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。氧核糖基和磷酸基构成，位于双螺旋的外侧。碱基位于双螺旋的内侧，两股链中的嘌呤和嘧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。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补配对或碱基配对(base pairing)(base pairing)，碱基对层，碱基对层间的距离为。碱基互补配对总是出现于间的距离为。碱基互补配对总是出现于A A与与T T之之间间(A=T)(A=T)，形成两个氢键；或者出现于，形成两个氢键；或者出现于G G与与C C之间之间(G=C)(G=C)，形成三个氢键。，形成三个氢键。（2）DNADNA二级结构的稳定因素：二级结构的稳定因素：A A、氢、氢键（横向作用力）键（横向作用力）B B、碱基堆积力（纵向作用：疏水相互作用及范德华力、碱基堆积力（纵向作用：疏水相互作用及范德华力)C C、离子键、离子键（3 3）DNADNA双螺旋的不同构型：双螺旋的不同构型：B-DNA B-DNA螺旋：标准的螺旋：标准的Watson,CrickWatson,Crick双螺旋，细胞双螺旋，细胞 正常状态下正常状态下DNADNA存在的构型。存在的构型。A-DNA A-DNA螺旋：螺旋：DNADNA在在75%75%相对湿度的钠盐中的构型。相对湿度的钠盐中的构型。C-DNA C-DNA螺旋：螺旋：DNADNA在在66%66%相对湿度的锂盐中的构型。相对湿度的锂盐中的构型。Z-DNA Z-DNA螺旋：左手的螺旋：左手的DNADNA螺旋，这种螺旋可能在基因表达螺旋，这种螺旋可能在基因表达或遗传重组中起作用。或遗传重组中起作用。三、三、DNADNA的三级结构的三级结构 DNA DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，负超螺旋或正超螺旋负超螺旋或正超螺旋L=T+WL=T+W（L L为缠绕数，为缠绕数，T T为螺旋数，为螺旋数，W W超螺旋数）超螺旋数）原核原核 双链环状双链环状DNADNA（dcDNAdcDNA）病毒病毒 单链环状单链环状DNADNA（scDNAscDNA）单链线性单链线性DNADNA（ssDNAssDNA）上节回顾n1DNA双螺旋模型要点（双螺旋模型要点（B型）型）DNADNA双螺旋中的两股链走向是反平双螺旋中的两股链走向是反平行的，一股链是行的，一股链是5353走向，另走向，另一股链是一股链是3535走向。走向。链的骨架链的骨架(backbone)(backbone)由交替出现的由交替出现的亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，位于双螺旋的外侧。碱基位于双螺位于双螺旋的外侧。碱基位于双螺旋的内侧。旋的内侧。2.0 nm小小沟沟大大沟沟上节回顾一股链中的嘌呤碱基与另一股链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。以氢链相连，称为碱基互补配对。A A与与T T之间之间(A=T)(A=T)，形成两个氢键；，形成两个氢键；G G与与C C之间之间(G=C)(G=C)，形成三个氢键。，形成三个氢键。nDNADNA双螺旋的不同构型：双螺旋的不同构型：B-DNA螺旋，A-DNA螺旋，C-DNA螺旋，Z-DNA螺旋。2.0 nm小小沟沟大大沟沟上节回顾DNADNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，负双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，负超螺旋或正超螺旋超螺旋或正超螺旋L=T+WL=T+W（L L为缠绕数，为缠绕数，T T为螺旋数，为螺旋数，W W超螺旋数）超螺旋数）书书3838页页第五节第五节 DNA DNA的生物合成的生物合成（一）（一）DNADNA的半保留复制复制时期的半保留复制复制时期（二）（二）DNADNA生物合成的基本条件生物合成的基本条件1、模板（模板（?）2 2、引物（、引物（?）3 3、dNTPdNTP（?）4 4、DNADNA聚合酶（聚合酶（?）5 5、Mg2Mg2的参与的参与6 6、在、在5-35-3方向延伸（前导链和后滞链）方向延伸（前导链和后滞链）（三）（三）DNADNA生物合成的起点、方向和生物合成的起点、方向和速度速度起点起点(复制叉）：复制叉）：1.1.细菌、病毒和线粒体等细菌、病毒和线粒体等DNADNA分子一般以单个分子一般以单个起起始点始点开始复制开始复制2.2.真核生物以多个真核生物以多个起始点起始点同时开始复制。同时开始复制。方向：方向：向两个方向，原核特殊时有单向。向两个方向，原核特殊时有单向。速度：速度：原核的合成速度比真核的快得多啊。原核的合成速度比真核的快得多啊。（四）复制的几种主要方式（四）复制的几种主要方式1 1、线性、线性DNADNA双链复制双链复制（1 1）单一起始点单向和双向）单一起始点单向和双向（2 2）多个起点双向）多个起点双向2 2、环状、环状DNADNA双链的复制双链的复制（1 1）型型（2 2）滚环型）滚环型（3 3）D-D-环型（环型（D-loopD-loop）真核生物真核生物DNADNA复制的特点：复制的特点：区别于原核生物的特点：区别于原核生物的特点：有多个复制起始点有多个复制起始点多个复制进程同时进行多个复制进程同时进行复制起始点需要起始原点识别复合物的参与复制起始点需要起始原点识别复合物的参与复制叉移动的速度比原核慢，但数量多复制叉移动的速度比原核慢，但数量多DNADNA聚合酶种类不同，五种聚合酶聚合酶种类不同，五种聚合酶端粒的复制依赖于端粒酶端粒的复制依赖于端粒酶（五）（五）DNADNA生物合成的过程生物合成的过程1 1、与、与DNADNA复制有关的酶复制有关的酶（1 1）DNADNA聚合酶（书聚合酶（书4747）：）：19561956年年KornbergKornberg等在大肠杆菌中等在大肠杆菌中 首先发现首先发现DNADNA聚合酶，其聚合酶，其后发现该酶在许多生物中广泛存在。后发现该酶在许多生物中广泛存在。（2 2）DNADNA连接酶：连接连接酶：连接DNADNA双链中的单链切口双链中的单链切口（3 3）旋转酶和）旋转酶和解旋酶解旋酶:旋转酶即旋转酶即拓扑异构酶：催化拓扑异构酶：催化DNADNA的拓扑连环数发生的拓扑连环数发生变化的酶，在变化的酶，在DNADNA重组修复和其它转变方面起重要作用。重组修复和其它转变方面起重要作用。解旋酶（解旋酶（helicasehelicase）：通过水解）：通过水解ATPATP将将DNADNA两条链打两条链打开。中的开。中的reprep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶I I、IIII、IIIIII。每解开一对碱基需要水解。每解开一对碱基需要水解2 2个个ATPATP分子。分子。（4 4）引发酶和单链结合蛋白）引发酶和单链结合蛋白 引发酶与复制起始点双链的解开有关，同引发酶与复制起始点双链的解开有关，同时在滞后链的合成中起重要作用。时在滞后链的合成中起重要作用。单链结合蛋白（单链结合蛋白（SSBPSSBP）：）：稳定稳定DNADNA解开的解开的单链，防止复性和保护单链部分不被核酸酶水单链，防止复性和保护单链部分不被核酸酶水解。解。DNADNA半半保保留留复复制制图图 示：示：2 2、DNADNA复制复制 2 2、DNADNA复制复制原核生物复制过程：原核生物复制过程：1.1.原核生物原核生物DNADNA聚合酶种类聚合酶种类 酶酶作用作用DNADNA聚合酶聚合酶5533聚合酶及外切酶作用，聚合酶及外切酶作用，3355外切酶酶外切酶酶作用，可校正作用，可校正/修复修复DNADNA链，还可切除引物链，还可切除引物DNADNA聚合酶聚合酶5533聚合酶及聚合酶及3355外切酶酶作用，可校正外切酶酶作用，可校正/修复修复DNADNA链链DNADNA聚合酶聚合酶与酶与酶作用类似，酶活高，是主要的链延伸酶（聚作用类似，酶活高，是主要的链延伸酶（聚合酶合酶 replicase replicase）聚合聚合机制机制DNADNA聚合酶具有聚合酶具有 5 5至至33的聚合活性（的聚合活性（5 3 5 3）需要引物链的存在需要引物链的存在其次其次 ，DNADNA聚合酶具有核酸外切酶活性聚合酶具有核酸外切酶活性 35 35外切酶活性外切酶活性 53 53外切酶活性外切酶活性1.1.复制的起始；复制的起始；（1 1）起始复合物的形成：称为引发）起始复合物的形成：称为引发 （2 2）RNARNA引物的合成引物的合成2.2.链的延伸；链的延伸；3.3.复制的终止。复制的终止。2 2、DNADNA复制复制1.1.复制起始复制起始.拓扑异构酶解开超螺旋。拓扑异构酶解开超螺旋。.DnaA.DnaA蛋白识别并在蛋白识别并在ATPATP存在下存在下结合于四个结合于四个9bp9bp的重复序列。的重复序列。.在在类组蛋白类组蛋白（HUHU、ATPATP参与下参与下,DanADanA蛋白变性蛋白变性3 31313个个bpbp的重复序的重复序列列,形成开链复合物。形成开链复合物。.DnaB.DnaB借助于水解借助于水解ATPATP产生的能产生的能量在量在DnaCDnaC的帮助下沿的帮助下沿5 3 5 3 方向移动，解开方向移动，解开DNADNA双链，形成前双链，形成前引发复合物。引发复合物。.单链结合蛋白结合于单链。单链结合蛋白结合于单链。.引物合成酶（引物合成酶（DnaGDnaG蛋白）开始合成蛋白）开始合成RNARNA引物。引物。（前导链）（前导链）.滞后链的引发：由引发体（滞后链的引发：由引发体（primosomeprimosome）完成。）完成。引发体由六种蛋白质组成引发体由六种蛋白质组成，蛋白质，蛋白质n n、n n、n n、DnaBDnaB、C C和和I I合成一起。并与引发酶组装成合成一起。并与引发酶组装成引发体，才发挥功效。引发体，才发挥功效。引发体能够前进，不断合成引发体能够前进，不断合成RNARNA引物。引物。2.2.链的延长链的延长（冈崎片段的（冈崎片段的合成）合成）真核生物的冈真核生物的冈崎片段为：崎片段为：100-200bp100-200bp原核生物的冈原核生物的冈崎片段为：崎片段为：1000-2000bp1000-2000bp DNA DNA链的延伸链的延伸 在在DNADNA聚合酶聚合酶的催化下，的催化下，以四种以四种5-5-脱氧核苷三磷脱氧核苷三磷酸为底物，在酸为底物，在RNARNA引物的引物的33端以磷酸二酯键连接上端以磷酸二酯键连接上脱氧核糖核苷酸并释放出脱氧核糖核苷酸并释放出焦磷酸。焦磷酸。DNADNA链的延伸同时链的延伸同时进行前导链和滞后链的合进行前导链和滞后链的合成。两条链方向相反。成。两条链方向相反。前导链前导链滞后链滞后链冈崎片段冈崎片段半不连续复制半不连续复制冈崎模型冈崎模型冈崎片段引物的切除、缺口的填补和切口的连接冈崎片段引物的切除、缺口的填补和切口的连接:引物的切除：引物的切除：RNaseH RNaseH 降解降解缺口的填补：缺口的填补：DNADNA聚合酶聚合酶I（DNA DNA polymerasepolymeraseI）切口的连接：切口的连接：DNADNA连接酶（连接酶（DNA DNA ligaseligase）3.3.复制的终止复制的终止终止：终止：TusTus蛋白，遇到蛋白，遇到20bp20bp重复性重复性终止子序列终止子序列（TerTer）,Tus TerTus Ter复合物能阻复合物能阻挡复制叉继挡复制叉继续前进。续前进。真核生物真核生物DNADNA复制的特点：复制的特点：区别于原核生物的特点：区别于原核生物的特点：有多个复制起始点有多个复制起始点多个复制进程同时进行多个复制进程同时进行复制起始点需要起始原点识别复合物的参与复制起始点需要起始原点识别复合物的参与复制叉移动的速度比原核慢，但数量多复制叉移动的速度比原核慢，但数量多DNADNA聚合酶种类不同，五种聚合酶聚合酶种类不同，五种聚合酶端粒的复制依赖于端粒酶端粒的复制依赖于端粒酶种类种类亚基数亚基数4 44 44 42 25 5分子量（分子量（KD)KD)25025036-3836-38160-300160-300170170256256细胞内定位细胞内定位核核核核线粒体线粒体核核核核5353聚合聚合活性活性3535外切外切活性活性功能功能复制、引复制、引发发修复修复线粒体复线粒体复制制复制复制去除引物，去除引物，缺口补全缺口补全（六）（六）DNADNA复制的调控复制的调控大肠杆菌染色体复制调控：大肠杆菌染色体复制调控：复制的调控主要是复制子发挥作用的。复制的调控主要是复制子发挥作用的。复制子包括起始位点和复制起点，前者编复制子包括起始位点和复制起点，前者编码调节蛋白，后者与调节蛋白结合。如果码调节蛋白，后者与调节蛋白结合。如果有突变体，那么复制出现问题。有突变体，那么复制出现问题。还有一种主要是通过反义还有一种主要是通过反义RNARNA调节复制调节复制的速度。的速度。真核生物真核生物DNADNA复制的调控复制的调控真核生物复制共有三个水平的调控：真核生物复制共有三个水平的调控：1.1.细胞生活周期水平调控，也称为限制点调控：如细胞生活周期水平调控，也称为限制点调控：如促细胞分裂剂，致癌剂等一些因素能使其混乱促细胞分裂剂，致癌剂等一些因素能使其混乱2.2.染色体水平调控：不同复制子在染色体水平调控：不同复制子在S S期起始复制，期起始复制，但这种机制还不清楚。但这种机制还不清楚。3.3.复制子水平的调控复制子水平的调控 该种调控决定复制起始与否，是高度保守的，只该种调控决定复制起始与否，是高度保守的，只要其中有一步出错，那么就无法起始复制要其中有一步出错，那么就无法起始复制.第六节第六节 DNA DNA的损伤与修复的损伤与修复的损伤与突变的损伤与突变 损伤可造成突变或致死损伤可造成突变或致死 突变（突变（mutationmutation）：指一种遗传状态，可以通过复制而）：指一种遗传状态，可以通过复制而遗传的遗传的DNADNA结构的任何永久性改变。携带突变基因的生物结构的任何永久性改变。携带突变基因的生物称为突变体，未突变的称为野生型。称为突变体，未突变的称为野生型。损伤原因损伤原因物理（紫外射线、高能射线、电离辐射）物理（紫外射线、高能射线、电离辐射）化学（烷基化试剂、亚硝酸盐、碱基类似物）化学（烷基化试剂、亚硝酸盐、碱基类似物）生物因素（碱基对置换、碱基的插入生物因素（碱基对置换、碱基的插入/缺失造成移码）缺失造成移码）当当DNADNA受到大剂量紫外线（波长受到大剂量紫外线（波长260nm260nm附近）照射附近）照射时，可引起时，可引起DNADNA链上相邻的两个嘧啶碱基共价聚合，形链上相邻的两个嘧啶碱基共价聚合，形成二聚体，例如成二聚体，例如TTTT二聚体。二聚体。2.DNA2.DNA损伤修复损伤修复n光复活光复活（直接修复）（直接修复）n切除修复切除修复（三种）（三种）n重组修复重组修复（复制后）（复制后）nSOSSOS修复修复（危急时）（危急时）光复活（光复活（photoreactivationphotoreactivation）n可见光（最有效波长可见光（最有效波长400nm400nm）激活生物界）激活生物界广泛分布（高等哺乳广泛分布（高等哺乳动物除外）的光复活动物除外）的光复活酶，该酶分解嘧啶二酶，该酶分解嘧啶二聚体。聚体。n是一种高度专一的修是一种高度专一的修复形式，只分解由于复形式，只分解由于UVUV照射而形成的嘧啶照射而形成的嘧啶二聚体。二聚体。切除修复（切除修复（excision repairexcision repair）n即在一系列酶的作用下，将即在一系列酶的作用下，将DNADNA分子中受损伤的部分切分子中受损伤的部分切除掉，并以完整的那一段为除掉，并以完整的那一段为模板，合成出切去的部分，模板，合成出切去的部分，从而使从而使DNADNA恢复正常。这是恢复正常。这是一种比较普遍的修复机制。一种比较普遍的修复机制。n细胞的修复功能对于保护遗细胞的修复功能对于保护遗传物质传物质DNADNA不受破坏有重要不受破坏有重要意义。意义。切除复制的种类如下：切除复制的种类如下：1.1.错配修复（错配修复（dismatch repairdismatch repair）作用主要由作用主要由DamDam甲基化酶决定甲基化酶决定2.2.碱基切除修复（碱基切除修复（base-excision repairbase-excision repair）起作用的为糖苷水解酶，产生起作用的为糖苷水解酶，产生APAP位点，又由位点，又由APAP核核酸内切酶酸内切酶3.3.核苷酸切除修复（核苷酸切除修复（nucleotide-excision repairnucleotide-excision repair）受损，无法形成氢键，由核苷酸切除修复系统负受损，无法形成氢键，由核苷酸切除修复系统负责修复。从两边切除责修复。从两边切除DNADNA移去小片段，