第2章DNA结构及其复制

1、第五章第五章 DNADNA复制复制(DNA Replication) 细长的双螺旋DNA经过逐级压缩(核小体，螺线管，突环) 形成染色体，最终定位细胞核或拟核（细胞器 ），DNA复制是多种酶和辅助因子协同作用以半保留半不连续的方式进行的。第一节第一节 染色质结构染色质结构wMolecular Biology Course 大肠杆菌结构大肠杆菌结构大肠杆菌染色体的大小大肠杆菌染色体的大小1. 大小：大肠杆菌（大小：大肠杆菌（E.coli）染色体和大多数细菌的基因组只含一）染色体和大多数细菌的基因组只含一个环状超螺旋分子，个环状超螺旋分子，4.6 Mb，其总长度大约，其总长度大约1300m.2.

2、拟核区：拟核区：DNA浓度高达浓度高达3050mg/ml，并包含着所有与，并包含着所有与DNA结合结合的蛋白质如聚合酶（的蛋白质如聚合酶（polymerase）、阻抑物（）、阻抑物（repressor）和其）和其他成分。他成分。 细菌染色体细菌染色体DNA双螺旋（双螺旋（2nm)核小体（核小体（11nm）螺线管（螺线管（30nm)突环突环(300nm)染色体（染色体（1400 nm）核小体及核小体核心颗粒核小体及核小体核心颗粒核小体：染色质在电子显微镜核小体：染色质在电子显微镜下观察时呈现为由下观察时呈现为由10nm的球的球状状 颗粒和颗粒和DNA纤维组成的念纤维组成的念珠状外观。这些球状颗粒

3、称为珠状外观。这些球状颗粒称为核小体（核小体（nucleosome）。）。 核小体间的核小体间的DNA称为接头称为接头DNA（linker DNA）。核小体所缔合）。核小体所缔合的的DNA约为约为166bp（146+20），），由于连接由于连接DNA（约（约55 bp ）易于）易于为核酸酶所作用。为核酸酶所作用。 因此，当染色质以微球菌核因此，当染色质以微球菌核酸酶（酸酶（micrococcal nudease）等）等轻微处理后，染色质就产生一系轻微处理后，染色质就产生一系列依次相差列依次相差200bp左右的长度不左右的长度不等的等的DNA片段。片段。 30nm30nm纤丝纤丝 30nm纤丝：

4、纤丝：核小体链呈螺旋形核小体链呈螺旋形缠绕，并形成超微螺旋，称为缠绕，并形成超微螺旋，称为“螺线管螺线管”（solenoidsolenoid），即），即30nm30nm纤丝。这种超微螺旋的直径纤丝。这种超微螺旋的直径约为约为3Onm3Onm，内径，内径10nm10nm，螺距为，螺距为llnmllnm，为中空呈管状结构。这种，为中空呈管状结构。这种螺旋管的每一转由螺旋管的每一转由6 6个核小体组个核小体组成，螺线管是染色体的二级结构。成，螺线管是染色体的二级结构。Molecular Biology Course 突环结构突环结构螺线管的纤丝沿着它中央的蛋白质轴发射出大小不等的环，像灯刷染螺线管的

5、纤丝沿着它中央的蛋白质轴发射出大小不等的环，像灯刷染色体那样，这些观察证明，染色体是由一系列的环状的域（色体那样，这些观察证明，染色体是由一系列的环状的域（domain）组成的。这种结构可以说是染色体的三级结构。组成的。这种结构可以说是染色体的三级结构。第二节第二节 原核生物原核生物DNADNA复制复制DNADNA复制理论的研究进展复制理论的研究进展o在发现在发现DNADNA双螺旋结构同时，双螺旋结构同时，WatsonWatson和和CrickCrick就提出就提出DNADNA复制的可能复制的可能模型模型。其后在。其后在19561956年年A.KornberyA.Kornbery首先发现首先发

6、现DNADNA聚合酶聚合酶；19581958年年MeselsonMeselson及及StahlStahl用同位素标记和超速离心分离实验为用同位素标记和超速离心分离实验为DNADNA半保留模半保留模型提出了证明型提出了证明；19681968年年OkazakiOkazaki（冈畸）提出（冈畸）提出DNADNA不连续复制模型不连续复制模型；19721972年证实了年证实了DNADNA复制复制开始开始需要需要RNARNA作为引物；作为引物；7070年代初获得年代初获得DNADNA拓拓扑异构酶扑异构酶，并对真核，并对真核DNADNA聚合酶特性做了分析研究；这些都逐渐完聚合酶特性做了分析研究；这些都逐渐完

7、善了对善了对DNADNA复制机理的认识。复制机理的认识。一、一、DNADNA复制复制：亲代双链：亲代双链DNADNA分子在分子在DNADNA聚合聚合酶的作用下，分别以每条单链酶的作用下，分别以每条单链 DNADNA分子为模分子为模板，聚合与自身碱基可以互补配对的游离的板，聚合与自身碱基可以互补配对的游离的dNTPdNTP, , 合成出两条与亲代合成出两条与亲代DNADNA分子完全相同分子完全相同的子代的子代DNADNA分子的过程。分子的过程。 以亲代以亲代DNADNA分子为模板合成一个新的子分子为模板合成一个新的子代代DNADNA分子的过程。分子的过程。复复制子制子o含有一个复制原点并在细胞中

8、能被自主复制的任何含有一个复制原点并在细胞中能被自主复制的任何DNADNA分分子。子。 一、原核生物的复制子一、原核生物的复制子 二、二、 真核生物的复制子真核生物的复制子原核生物的复制子原核生物的复制子o 所有的所有的原核生物原核生物染色体、许多噬菌体以及病毒染色体、许多噬菌体以及病毒的的DNADNA分子都呈环形，并由一个复制子构成。分子都呈环形，并由一个复制子构成。真真核核生生物物的的复复制制子子 真核生物的线形染色体是由多真核生物的线形染色体是由多复制子构成，每个复制子都有自复制子构成，每个复制子都有自己的起点。一个典型的哺乳动物己的起点。一个典型的哺乳动物细胞有细胞有50 00050

9、000100 000100 000个复制子，个复制子，每个复制子长约每个复制子长约4040200kbp200kbp。在。在相邻复制叉的复制泡相遇处，新相邻复制叉的复制泡相遇处，新生生DNADNA融合并形成复制完整的融合并形成复制完整的DNADNA。郭爱娟郭爱娟 BCU3535OK !How ?5353DNADNA的半不连续复制的半不连续复制参与参与DNADNA复制的有关物质复制的有关物质一、参与一、参与DNADNA复制的模板、底物和复制的模板、底物和引物引物二、参与二、参与DNADNA复制的有关酶和蛋白复制的有关酶和蛋白参与参与DNADNA复制的有关物质复制的有关物质1.1.模板和底物：模板和

10、底物：DNADNA复制实际上就是复制实际上就是DNADNA指导的指导的DNADNA合合成代谢。因此，必须有成代谢。因此，必须有DNADNA作为复制的模板和三作为复制的模板和三磷酸核苷酸磷酸核苷酸(dATP,dGTP(dATP,dGTP，dCTPdCTP，dTTPdTTP) ) 。2.RNA2.RNA引物引物大肠杆菌的大肠杆菌的DNADNA聚合酶聚合酶（p773 Tablep773 Table 20.320.3） 解旋酶解旋酶(Helicase(Helicase) ) （DnaB）单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白(SSBP)(SSBP)SSBPSSBP与螺旋酶不一样，它不具备酶的活性，不和与

11、螺旋酶不一样，它不具备酶的活性，不和ATPATP结合。结合。在肠杆菌细胞中主要在肠杆菌细胞中主要SSBPSSBP是是177177肽所组成的四聚体，可以和单链肽所组成的四聚体，可以和单链DNADNA上相邻的上相邻的3232个核苷酸结合。个核苷酸结合。 一个一个SSBPSSBP四聚体结合于单链四聚体结合于单链DNADNA上可以促进其他上可以促进其他SSBPSSBP四聚体上四聚体上相邻的单链相邻的单链DNADNA结合，这个过程称为协同结合结合，这个过程称为协同结合(cooperative (cooperative binding)binding)，SSBPSSBP结合到单链结合到单链DNADNA上后

12、，使其呈伸展状态，没有弯上后，使其呈伸展状态，没有弯曲和结节，有利于单链曲和结节，有利于单链DNADNA作为模板。作为模板。引物酶引物酶(Primase(Primase) )1 引物酶既可以利用核糖核苷酸，又可利用脱氧核糖核苷酸引物酶既可以利用核糖核苷酸，又可利用脱氧核糖核苷酸;而而RNA聚合酶只能利用核糖核苷酸聚合酶只能利用核糖核苷酸;2 引物酶只在复制起点处合成引物酶只在复制起点处合成RNA引物而引发引物而引发DNA的复制，而的复制，而RNA聚合酶则是启动聚合酶则是启动DNA转录合成转录合成RNA,从而将遗传信息由从而将遗传信息由DNA传递到传递到RNA。 酵母酵母DNA复制所需要的酶复制所需要的酶 Enzymes (Proteins)FunctionsTopoisomerase （拓扑异构酶拓扑异构酶）去除超螺旋结构去除超螺旋结构Helicase （解螺旋酶）解螺旋酶）变性双螺旋变性双螺旋DNAReplication protein A (RP-A )单链结合单链结合Polymerase / 聚合酶：聚合酶：子链合成子链合成PCNA （增殖细胞核抗原）（增殖细胞核抗原）DNA聚合酶辅助蛋白聚合酶辅助蛋白Pol / Primase （引发酶复合体（引发