双语分子生物学课件

中北大学化工与环境学院生物工程专业

MolecularBiology

(分子生物学)主讲:张志军博士、博导、副教授中北大学化工与环境学院生物工程专业

MolecularB1埃博拉病毒截至2014年8月26日，埃博拉已在塞拉利昂、利比亚和几内亚造成1427人死亡。2014年8月9日，中国宣布已掌握埃博拉病毒抗体基因，同时具备对埃博拉病毒进行及时检测的诊断试剂研发能力，这让世界为之惊喜。埃博拉病毒截至2014年8月26日，埃博拉已在塞拉利昂、利比2主要参考教材PCTurneretal.InstantNotesinMolecularBiology(Secondedition).BIOSScientificPublishersLimited,2000分子生物学(第三版)导读版(精要速览系列)朱玉贤，李毅，郑晓峰编著。现代分子生物学（第3版）高等教育出版社2007-11-1RobertF.WeaverMolecularbiology2004.（Thirdedition）主要参考教材PCTurneretal.Instant3分子生物学学习方法及注意问题专心听讲做好笔记认真思考学会归纳注意纪律预习复习分子生物学学习方法及注意问题专心听讲4章节名称理论（学时）实验（学时）1Cellsandmacromolecules22NucleicacidandChromosome43DNAreplication64DNAdamage,repairandrecombination65Transcription146Proteinsynthesis87Viruses28Tumorandoncogenes29Technologyofmolecularbiology416合计4816课程主要内容章节名称理论（学时）实验（学时）1Cellsandma51.1Cellularclassification1.2Subcellularorganelles1.3Macromolecules1.4Largemacromolecularassemblies1.Cellsandmacromolecules1.1Cellularclassification1.61.1CellularclassificationProkaryotes：Eubacteria(真细菌)Acchaea(古细菌)Eukaryotes：PlantsAnimalsFungiProtist(原生生物)1.1CellularclassificationPro7ProkaryotesandeukaryotesSchematicofaeukaryoticcell

Schematicofaprokaryoticcell

ProkaryotesandeukaryotesSche8Differentiation(分化)Differentiation(分化)91.2Subcellularorganelles(亚细胞器)Nucleinucleoli（核仁）,nucleusMitochondriaandChloroplastsEndoplasmicreticulumMicrobodiesOrganelleisolation1.2Subcellularorganelles(亚10NucleiNuclei11EndoplasmicreticulumandribosomesEndoplasmicreticulumandribo12MitochondriaandChloroplastsMitochondriaandChloroplasts13Microbodies:lysosomeMicrobodies:lysosome141.3MacromoleculesProteinsNucleicacidsPolysaccharidesLipidsComplexmacromolecules1.3MacromoleculesProteins15Proteinspolymersofaminoacids,peptidebondsProteins16NucleicacidsDNAandRNA,polymersof

nucleotides,mRNA,tRNA,rRNANucleicacids17PolysaccharidesPolymersofsimplesugars,glycosidebondsTheyfunctionsmainlyasnutritionalsugarstoresandasstructuralmaterial.Cellulose,starch,chitin,mucopolysaccharides(黏多糖)Polysaccharides18LipidsKeycomponentsofmembranes,protectivecoatsandotherstructures.Glycerides(甘油酯),phospholipids(磷脂)，sphingolipids（鞘脂，如神经氨酰）Lipids19双语分子生物学课件20双语分子生物学课件21双语分子生物学课件22ComplexmacromoleculesNucleoproteins(核蛋白),ribozyme（核糖体）GlycoproteinsProteoglycans(mucoproteins)蛋白多糖（粘蛋白）

Lipid-linkedproteinsglycolipidsComplexmacromolecules231.4LargemacromolecularassembliesProteincomplexesCytoskeleton:microtubules,microfilaments,intermediatefilamentsTheseorganizetheshapeandmovementofcellsandsubcellularorganelles.Ciliaandflagella(纤毛和鞭毛

)arealsocomposedofmicrotubulescomplexedwithdyneinandnexin（动力蛋白和连接蛋白

）.1.4Largemacromolecularasse24双语分子生物学课件25NucleoproteinsBacterial70Sribosomes:50Slargersubunit(23Sand5SRNA+31proteins)+30Ssmallsubunit(16SRNA+21proteins)Eukayotic80Sribosomes:60Slargersubunit(28S,5.8Sand5SRNAs+31proteins)+40Ssmallsubunits(18SRNA)ChromotincontainsDNAandthebasichistoneproteins.Nucleoproteins26MembranesMembranephospholipidsandsphingolipids(鞘脂)formbilayers.Membraneproteinsmaybeperipheral(外周的)orintegral（整合的）andactasreceptors,enzymes,transportersormediatorsofcellularinteraction.

Membranes27Noncovalentinteraction(非共价互作)Charge-charge(电荷)interactionsCharge-dipole(偶极)anddipole-dipoleinteractionHydrogenbonds氢键Hydrophobicinteraction疏水相互作用Noncovalentinteraction(非共价互作28思考题试述原核和真核细胞的异同点。亚细胞器主要有哪些？各自主要结构和功能是什么？生物大分子包括哪些？分别叙述其组成结构。试举出三种大分子的组装形式。思考题试述原核和真核细胞的异同点。292NucleicacidandChromosome2NucleicacidandChromosome30Including2.1Propertiesofnucleicacid2.2ProkaryoticandEukaryoticchromosomestructureIncluding2.1Propertiesofnuc312.1Propertiesofnucleicacid2.1.1Nucleicacidstructure2.1.2Chemical&physicalproperties2.1.3Spectroscopic(光谱学)&thermal（热力学）properties2.1.4DNAsupercoiling2.1Propertiesofnucleicacid322.1.1NucleicacidstructureBasesNucleosides(核苷)base+sugarNucleotides(核苷酸)base+sugar+phosphatePhosphodiesterbonds2.1.1Nucleicacidstructure33BasesDNA:adenine(A),guanine(G),cytosine(C),thymine(T)RNA:adenine(A),guanine(G),cytosine(C),uracil(U)Bases34DNA/RNAsequenceConventionally,DNAorRNAarerepresentedbytheirsingleletterA,T,G,CorU.Writethesequenceswith5'-endattheleft.DNA:5'-ATAAGCTC-3'orATAAGCTCRNA:5'-AUAGCUUGA-3'direction:ATAAGisnotthesameasGAATADNA/RNAsequence35DNAdoublehelixBasepairingComplementarybasepairsAntiparallelminorgroove;majorgrooveright-handed(clockwise)B-formOverwound;underwoundDNAdoublehelix36·TheB-formofDNAisadoublehelixconsistingoftwopolynucleotidechainsthatrunantiparallel.·ThenitrogenousbasesofeachchainareflatpurineorpyrimidineringsthatfaceinwardsandpairwithoneanotherbyhydrogenbondingtoformA-TorG-Cpairsonly.·Thediameterofthedoublehelixis20Å,andthereisacompleteturnevery34Å,with10basepairsperturn.·Thedoublehelixformsamajor(wide)grooveandaminor(narrow)groove.KeyConcepts·TheB-formofDNAisadoubl37A,BandZhelicesA,BandZhelices38Z－DNA：它是左手双螺旋，与右手螺旋的不同是螺距延长(4.5nm左右)，直径变窄(1.8nm)，每个螺旋含12个碱基对，分子长链中磷原子不是平滑延伸而是锯齿形排列，有如“之”字形一样，因此叫它Z构象，这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷酸；而且Z－DNA只有一个螺旋沟，它相当于B构象中的小沟，它狭而深，大沟则不复存在。进一步的分析还证明，Z－DNA的形成是DNA单链上出现嘌呤与嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA。Z－DNA：它是左手双螺旋，与右手螺旋的不同是螺距延长(4.39不同右手双螺旋DNA的结构参数双螺旋碱基倾碱基夹碱基间距螺距每轮碱小沟宽／nm×大沟宽nm×角／（°）角（°）/nm／nm基数小沟宽nm大沟宽nmB-DNA036.00.3373.4100.57×0.751.17×0.85C-DNA638.00.338×0.791.05×0.75D-DNA45.00.3030.13×0.670.89×0.58A-DAN2032.70.2562.8111.10×0.280.27×1.35总之，DNA的双螺旋结构永远处于动态平衡中，DNA分子构象的变化与糖基和碱基之间空间相对位置有关。不同右手双螺旋DNA的结构参数双螺旋碱基倾碱基夹碱基402.1.2Chemical&physicalpropertiesofnucleicacid

Stabilityofnucleicacids

HydrogenbondingHydrophobicinteractionsanddipole-dipoleinteractions2.1.2Chemical&physicalpro41EffectofacidStrongacid---hydrolyzedcompletely,HClO4,100℃Moderateacid---themosteasilyhydrolyzedbondsareselectivelybroken,hydrolysisofthepurinebaseglycosylicbonds---apurinic(脱嘌呤).Morecomplexchemistryhasbeendevelopedwhichremovesbasesspecially,andcleavestheDNAorRNAatparticularbases.双语分子生物学课件42EffectofalkaliTochangethetautomeric(互变异构的)stateofthebases.Chemicaldenaturation

urea(尿素)andformamide（甲酰胺）Viscosity（粘性）CellularDNAisverylongandthin,solutionshaveahighviscosity.LongDNAmoleculesareeasybedamagedbyshearingforcesorbysonicationEffectofalkali43Buoyantdensity(浮力密度)8MCsCl,1.7gcm-3EquilibriumdensitygradientcentrifugationofDNACsCl密度梯度离心分离DNA离心分离密度大于1.3g/cm3的样品，如DNA、RNA，需要使用密度比蔗糖和甘油大的介质。重金属盐氯化铯(CsCl)是目前使用的最好的离心介质。

Buoyantdensity(浮力密度)CsCl密度梯44离心分离细胞组分和生物分子是最常用的分离方法，因为不同的细胞器和分子有不同的体积和密度，可在不同离心力的作用下沉降分离。不同的细胞器、大分子和病毒的密度及相应的沉降系数

离心分离细胞组分和生物分子是最常用的分离方法，因为不同的细胞452.1.3Spectroscopic&thermalpropertiesUVabsorption

λmax=260nm(bothDNAandRNA)Hypochromicity(减色性)Theextinctioncoefficient(消光系数)dependsonenvironment.absorbance:isolatednucleotides>RNA,ssDNA>dsDNAHypochromicity.dsDNAishypochromiciticwithrespecttossDNA2.1.3Spectroscopic&thermal46Quantitation（定量）ofnucleicacidsabsorbanceof260nm.1mg/ml,1cmpathlength,dsDNAA260=20;RNA,ssDNAA260≈25;dependedonbasecompositionandsecondarystructure.PurityofDNApurityofDNAmaybeestimatedbyA260/A280

A260/A280=1.8,pureDNA;A260/A280>1.8,RNAcontamination;A260/A280<1.8,proteincontamination.Quantitation（定量）ofnucleicac47Thermaldenaturation(热变性)Denaturation：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：OD260增高，粘度下降，比旋度下降，浮力密度升高，酸碱滴定曲线改变，生物活性丧失。增色效应（hyperchromiceffect）：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。Thermaldenaturation(热变性)48解链温度(meltingtemperature,Tm)

：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度。其大小与G+C含量成正比。解链温度(meltingtemperature,Tm)49Renaturation(复性)DNA复性(renaturation)：在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。退火(annealing):热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火。减色效应（hypochromiceffect）：DNA复性时，其溶液OD260降低。Renaturation(复性)50核酸分子杂交(hybridization)：在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链，这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。双语分子生物学课件512.1.4DNAsupercoilingClosed-circulardoublestrandDNA(闭环双链DNA)DNAfrequentlyoccursinnatureasclosed-circularmolecules,wherethetwosinglestrandsareeachcircularandlinkedtogether.Linkingnumber(Lk,连接数):thenumberoflinks(闭环DNA中两条DNA链相互缠绕的总次数)2.1.4DNAsupercoiling52SupercoilingSupercoilingisthecoilingoftheDNAaxisuponitself,causedbyachangeintheLkfromLko,thevalueforarelaxedclosedcircle.MostnaturalDNAisnegativelysupercoiled,thatisthedirectionofunwindingofthedoublehelix.Supercoiling53Topoisomer(拓扑异构体)AcirculardsDNAmoleculewithaspecificvalueofLKisatopoisomer.ItsLKmaynotbechangedwithoutfirstbreakingoneorbothstrand.Topoisomersdifferfromeachotheronlyintheirlinkingnumber.Topoisomer(拓扑异构体)54Twist（盘绕）andwrithe（螺旋）Twist,thelocalwindinguporunwindingupofthedoublehelix.Writhe,thecoilingofhelixaxisuponitself.Twistandwritheareinterconvertible.

ΔLk=ΔT(双螺旋盘绕数)+ΔW（超螺旋数）Twist（盘绕）andwrithe（螺旋）55Intercalators(嵌入剂)EB,ethidiumbromide溴化乙锭BindingtoDNAbyinsertingthemselvesbetweenthebasepairs,resultinginthelocaluntwistingoftheDNAhelix.IftheDNAisclosed-circular,therewillbeacorrespondingincreaseinwrithe.Intercalators(嵌入剂)56EnergyofsupercoilingSupercoiledDNAhasahigherenergythanrelaxedDNA.torsionalstress(扭转应力)—higherenergy--unwindingofhelixTopoisomerases

拓扑异构酶EnzymesexistwhichregulatethelevelofsupercoilingofDNAmolecules;whichcanbreakoneorbothDNAstrandsandalterthelinkingnumberofDNA.Energyofsupercoiling57拓扑异构酶：调节DNA超螺旋水平的酶，与DNA形成共价结合蛋白质－DNA中间体，在其磷酸二酯键处造成暂时性裂口，使DNA的多核苷酸链穿越改变分子的拓扑状态。拓扑异构酶：调节DNA超螺旋水平的酶，与DNA形成共价结合蛋582.2ProkaryoticandEukaryoticchromosomestructure2.2.1Prokaryoticchromosomestructure2.2.2Chromatinstructure2.2.3Eukaryoticchromosomestructure2.2ProkaryoticandEukaryotic592.2.1ProkaryoticchromosomestructureTheE.colichromosomeAsingleclosed-circularDNA4.6millionbasepairsIspackagedinnucleoid(类核)Isbeingreplicatedcontinuously2.2.1Prokaryoticchromosomes60

DNAdomainsThegenomeisorganizedinto50-100largeloopsordomainsof50-100kbinlength,whichareconstrainedbybindingtoamembrane-proteincomplex.Supercoilingofgenome

Negativelysupercoiled

Individualdomainssupportdifferentlevelsofsupercoiling

DNA-bindingproteinsDNAdomainsarecompactedbywrapingaroundnonspecificDNA-bindingproteins,whichconstrainabouthalfofthesupercoilingoftheDNA.DNAdomains612.2.2ChromatinstructureEukaryoticchromosomeseachcontainalonglinearDNA,whichmustbepackagedintothenucleus.Chromatin（染色质）what?---highlyorderedDNA-proteincomplexwhichmakesuptheeukaryoticchromosomes.How?---thechromtinstructureservestopackageandorganizethechromosomeDNA,alterlevelofpackingatdifferentstagesofthecellcycle.2.2.2Chromatinstructure62Histones（组蛋白）what?---majorproteincomponentsofchromatin;small,basic(positivelycharged)proteinswhichbindtightlytoDNA.consist?---fourfamiliesofcorehistones,H2A,H2B,H3andH4,andafurtherfamily,H1,whichhaveadistinctrole.Individualspecieshaveanumberofvarientsofdifferentshistoneproteins.Histones（组蛋白）63Nucleosome（核小体）---Thenucleosomecoreisthebasicunitofchromosomestructure,consistingofaproteinoctamer,(H2A)2,(H2B)2,(H3)2and(H4)2,with146bpofDNAwrapped1.8timesinaleft-handedfashionaroundit.Nucleosome（核小体）64TheroleofH1

---stabilizesthepointatwhichtheDNAentersandleavesthenucleosomecore,andorganizestheDNAbetweennucleosomes.---insomecases,H1isreplacedbyavarient,H5TheroleofH165LinkerDNATheaveragelengthoflinkerDNAbetweennucleosomecoresis55bp,variesbetweenspeciesandtissuesfromlessthan10andmorethan100.The30nmfiber（纤丝）Aleft-handedhelixofnucleosomeswithsixnucleosomesperhelicalturn.Higherorderstructure

Largestscaleloopsof30nmfiberLinkerDNA66双语分子生物学课件67染色体构成的三个层次：核小体，染色质的第一层次。是染色质的基本结构单位。核小体是由组蛋白核心和盘绕其上的DNA构成。核心由组蛋白H2A，H2B，H3及H4各2分子组成，是一个八聚体；DNA在组蛋白核心上盘绕1.8圈，组蛋白H1在核小体外边，结合于连接DNA上，使核小体彼此连接。平均每个核小体重复单位约占DNA200bp。30nm纤丝，染色质的第二层次。念珠串的核小体链进一步折叠盘绕形成30nm染色质纤丝，每一圈为6个核小体，使DNA压缩大约100倍。辐射的环，染色质的第三层次。在念珠串的核小体链进一步折叠盘绕的染色质纤丝组成突环的基础上，再由突环形成玫瑰花结形状的结构，进而组装成螺旋圈，由螺旋圈再组装成染色单体。总之，染色体是由DNA和蛋白质构成的不同层次缠绕线和螺线管结构。染色体构成的三个层次：682.2.3EukaryoticchromosomestructureThemitotic(有丝分裂)chromosome2.2.3Eukaryoticchromosomes69Interphasechromosomes(分裂间期染色体)Interphasechromosomes(分裂间期染70Telomeres（端粒）--TelomeresarespecializedDNAsequencesthatformtheendsofthelinearDNAmoleculesoftheEuchromosomes.function:protecttheendsofchromosomeproperfromdegradation---shortrepeatingsequencessynthesizedbytelomerase,independentlyofnormalDNAreplication.Telomeres（端粒）71Euchromatin(常染色质)andHeterochromatin(异）染色质两种类型，一种密度较低，称为常染色质，另一种密度较高，为异染色质，常染色质被表达，异染色质不被表达。Heterochromatinisaportionofthechromatinininterphasewhichremainsrelativelycompactedandistranscriptionallyinactive.染色体是动态的物体，其外观随细胞周期的不同阶段发生明显的改变。一般来说，染色体只有在有丝分裂过程中才能在光学显微镜下观察到，而在分裂间期，染色体以较细且松散的染色质形式存在于细胞核中。Euchromatin(常染色质)andHeteroch72DNaseIhypersensitivity（DNA酶I超敏感位点）细胞内的染色质分为活性的和非活性的染色质用DNA酶I处理各种组织的染色质时，发现处于活跃状态的基因比非活跃状态的DNA更容易被DNA酶I所降解。研究发现，活跃表达基因所在染色质上一般含有一个或数个DNA酶I超敏感位点（hypersensitivesite），它们大多位于基因5'端启动区，少数在其他位置。基因活跃表达时启动区部分序列可能解开成单链，从而不能继续缠绕在核小体上，使启动区DNA“裸露”于组蛋白活表面，形成一个对DNA酶I的超敏感现象。DNaseIhypersensitivity（DNA73CpGmethylation（甲基化）--5'-CG-3'(CpG)sequencesinmammalian(哺乳动物)DNAarenormallymethylatedonthecytosinebase.---however,islandsofunmethylatedCpGocuurnearthepromotersoffrequentlytranscribedgenes,andformregionsofparticularlyhighDNaseIsensitivity.CpGmethylation（甲基化）742.2.4GenomecomplexityNoncodingDNAUniquesequenceDNATandemgeneclusters（串联基因簇）DispersedrepetitiveDNA（分散重复DNA）SatelliteDNA(卫星DNA)Geneticpolymorphism（多态性）2.2.4Genomecomplexity75根据复性动力学研究，真核细胞DNA大致上可分为3类：（1）不重复序列在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝，占DNA总量的40％－80％。如牛细胞中占55％，小鼠中占70％，果蝇中占79％。实际上结构基因基本上属于不重复序列。如蛋清蛋白，蚕的丝心蛋白，血红蛋白和珠蛋白等都是单拷贝基因。（2）中度重复序列重复次数在101－104之间，占总DNA的10％－40％，如小鼠中占20％，果蝇中15％。各种rRNA，tRNA及某些结构基因都属于这一类。（3）高度重复序列——卫星DNA。这类DNA只有在真核生物中出现，占基因组的10％-60％，由60-100个碱基组成，在DNA链上串联重复高达数百万次。根据复性动力学研究，真核细胞DNA大致上可分为3类：762.2.5TheflowofgeneticinformationCentraldogma(中心法则)2.2.5Theflowofgeneticinf771基因与基因组的概念基因（gene）是原核、真核生物以及病毒的DNA和RNA分子中具有遗传效应的核苷酸序列，是遗传的基本单位。

基因组（genome）是指细胞或生物体中,一套完整单体的遗传物质的总和;或指原核生物染色体、质粒、真核生物的单倍体染色体组、细胞器、病毒中，所含有的一整套基因。补充1基因与基因组的概念补充78原核生物的基因组

原核生物的染色体基因组是指其环状或线状的双链DNA分子所含有的全部基因，有的原核生物还含有染色体外的质粒基因组。大肠杆菌(E.coli)K12菌株的染色体基因图谱原核生物的基因组大肠杆菌(E.coli)K12菌株的79真核生物的基因组真核生物的基因组是指真核生物的核基因组，包括：染色体基因组核内染色体外基因组线粒体基因组叶绿体基因组等。真核生物的基因组80真核生物与原核生物基因组相比，区别如下：基因组大且复杂；不编码区远大于编码区；基因组DNA与蛋白质结合，形成的染色体存在于核内；编码区不连续；重复序列次数不等；以多复制起点的形式复制；转录产物为单顺反子；与原核相同，也存在可移动因子。真核生物与原核生物基因组相比，区别如下：812真核生物的断裂基因断裂基因（splitgene）：指基因的编码序列在DNA分子上不连续排列，而被不编码的序列所隔开。外显子（exon）：编码的序列，是基因中对应于信使RNA的区域。内含子（intron）：不编码的间隔序列，是信使RNA被转录后的剪接加工中去除的区域。断裂基因的共性：外显子在基因中与成熟mRNA中排序相同；每种断裂基因在所有组织中都具有相同的内含子成分；核基因的内含子无编码功能；内含子上突变不影响蛋白质结构。2真核生物的断裂基因823重叠基因原核生物的重叠基因1976年Barrell等发现,噬菌体174单链环形DNA的序列组织E包含在D内.1977年Sanger又发现B包含于A内,K跨于A、C之间意义：反映了原核生物利用有限的遗传资源表达更多生物功能的能力。真核生物的重叠基因通常情况下很少有重叠基因。但选择性剪接可导致不同产物产生。3重叠基因834基因家族(family)与基因簇（cluster）基因家族是指真核生物基因组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基因。广义的基因家族分为两种：一种是家族中各成员的全序列或至少编码序列具有高度的序列同源性。第二种是各成员在编码产物上有大段高度保守的氨基酸序列，但家族成员间总的序列相似性较低。还有一种超基因家族，其各基因序列间没有同源性但其表达产物的功能却相似，他们在整体上有相同的结构特征，如免疫球蛋白家族。基因簇是指基因家族中的各成员紧密成簇排列成大段的串联重复单位，定位于染色体的特殊区域。4基因家族(family)与基因簇（cluster）845原核生物的基因组特点1）结构简练：不转录部分很少且常是控制基因表达的序列2）存在转录单元：多顺反子mRNA，这些功能相关的RNA和蛋白质基因协同表达。3）有重叠基因：同一段DNA能携带两种一同的蛋白质信息，主要是：一个基因完全存在于另一个基因内;部分重叠;两个基因只有一个碱基对的重叠。5原核生物的基因组特点856基因与基因组的大小与C值矛盾基因大小取决于它所包含的内含子的长度。C值：指生物单倍体基因组中的DNA含量。C值矛盾：是指真核生物中DNA含量的反常现象。表现：C值不随生物的进化程度和复杂性而增加,如肺鱼111.2,人3.2。亲缘关系密切的生物C值相差很大，如豌豆14，而蚕豆2。高等生物具有比用于遗传高得多的C值，如人300万中仅5-10万基因有实际用途。6基因与基因组的大小与C值矛盾86Cvalueparadoxofnucleotide

霉菌藻类G+细菌G-细菌显花植物鸟类哺乳类爬行类两栖类硬骨鱼类软骨鱼类赖皮类甲壳类昆虫类软体动物蠕虫类真菌枝原体A生物体进化程度高低与大C值不成明显相关（非线性）B亲缘关系相近的生物大C值相差较大

C一种生物内大C值与小c值相差极大（Euk.人体c=C/10）(Prok.Φx174c＞C)

Cvalueparadoxofnucleotide87真核生物DNA染色体数（2C）（2N）两栖鲵168.0pg(10-12g)24肺鱼10038蝾螈85.324警蛙28.224牛6.460人6.446绵羊5.754果蝇0.28贝母196.724豌豆2812玉米1120原核生物DNA（C）Salmonella0.0143pgE.coli0.0040T20.00022λ0.0000055ΦΧ1740.000005无线性关系？真核生物DNA染色体数原88思考题核苷酸主要由几部分组成？DNA双螺旋结构模型要点？核酸的理化性质主要有哪些？如何通过吸光值判断DNA纯度？解链温度（Tm）,退火，变性，复性，杂交，连接数（LK）,topoisomer,topoisomerase，Chromatin,histones,nucleosome,Telomeres，DNaseIhypersensitivity，Heterochromatin。简述大肠杆菌染色体结构。简述真核生物染色质构成的三个层次。真核生物和原核生物基因组主要区别？基因，基因组，断裂基因，重叠基因，外显子，内含子，基因家族，基因簇，C值，C值矛盾原核生物基因组的特点。思考题核苷酸主要由几部分组成？DNA双螺旋结构模型要点？893．DNAreplication3．DNAreplication90Including3.1Anoverview3.2BacterialDNAreplication3.3EukaryoticDNAreplicationIncluding3.1Anoverview913.1Anoverview3.1.1Semi-conservativemechanism3.1.2Replicons,originsandtermini3.1.3Semi-discontinuousreplication3.1.4RNApriming3.1Anoverview3.1.1Semi-con923.1.1Semi-conservativemechanismDuringreplication,thestrandsofthedoublehelixseparatedandeachactsasatemplatetodirectthesynthesisofanewcomplementarydaughterstrandfollowingthenormalbase-pairingrules.Thus,eachdaughtercellreceivesoneoftheoriginalparentalstrands.ThepointatwhichseparationofthestrandsandsynthesisofnewDNAtakesplaceisknownasreplicationfork.Thissemi-conservativemechanismcanbedemonstratedexperimentallyin1958byMeselsonandStahl.

3.1.1Semi-conservativemecha93双语分子生物学课件943.1.2Replicons,originsandterminiAnypieceofDNAwhichreplicatesasasingleunitiscalledareplicon.TheinitiationofDNAreplicationalwaysoccursatafixedpoint---origin.Usually,thereplicationforksproceedbidirectionallyuntilltheteminusisreached.3.1.2Replicons,originsand95Allprokayoticchromosomesandmanybacteriophageandviral

DNAmoleculesarecircularandcomprise(含)singleorigin.Thus,thereisasingleterminationsiteroughly180ooppositetheuniqueorigin.LinearviralDNAusuallyhaveasingleorigin,butthisisnotnecessarilyinthecentreofthemolecules.Incontrast,thelong,linearDNAofeukaryoticchromosomesconsistofmultiplereplicons,eachwithitsownorigin.Mammalian（哺乳动物）cell,50000-100000repliconsAllprokayoticchromosomesand96DirectionDNA复制从特定的位置开始，大多数是双向等速复制方向进行的。有一些是单向的；或以不对称的双向方式进行。

Bidirectionalreplicationofacircularbacterialrepicon.(P76)Multipleeukaryoticreplicons.Speed真核生物DNA的复制速度比原核生物慢，真核生物复制叉移动速度大约为1000-3000bp/min；细菌DNA50000bp/min，相差约20-50倍。但真核生物染色体DNA上有许多复制起点，可以分段复制。真核生物染色体DNA包含了许多串联排列的复制子，每一个复制子都有一个复制起点，使真核生物染色体的复制实为多复制子的同步复制。Direction97复制方式线性DNA双链的复制眼型复制叉生长方式有单一起点的单向及双向和多个起点的双向几种。DNA正在复制的部分在电镜下观察起来犹如一只眼睛，称为复制眼。环状DNA双链的复制：θ型，滚环型和D－环型滚环复制ΦΧ174单向复制

D—环复制（D—loop）存在于线粒体和叶绿体，其特点是两条链复制不同步复制方式滚环复制ΦΧ174单向复制D—环复制（D—lo983.1.3Semi-discontinuousreplicationSemi-discontinuousreplicationmodel.Onestrand,theleadingstrand,ismadecontinuouslyina5'→3'directionfromtheorigin.Synthesisofthesecond,laggingstrandistheninitiatedatthereplicationforkandproceeds5'→3'backtowardstheorigintoformtheOkazakifragment.(1000-2000ntpro;100-200nteu)Soonaftersynthesis,thefragmentsarejoinedtomakeonecontinuousDNAbytheenzymeDNAligase（DNA连接酶）.3.1.3Semi-discontinuousrepli993.1.4RNAprimingTheleadingstrandandalllaggingstrandfragmentsareprimedbysynthesisofashortpieceofRNAwhichisthenelongatedwithDNA.TheprimersareremovedandreplacedbyDNAbeforeligation.Thismechanismhelpsmaintainhighreplicationalfidelity(保真性).3.1.4RNApriming100双语分子生物学课件1013.2BacterialDNAreplication3.2.1Initiation(起始)3.2.2Unwinding（解旋）3.2.3Elongation(延伸)3.2.4Termination（终止）3.2BacterialDNAreplication3102ExperimentalsystemGeneticallysmallerandsimplerbacteriophages(噬菌体)andplasmids（质粒）areusefulmodelsystemsforstudyingtheinvitroreplicationofthelargeandfragile(脆弱的)bacterialchromosome.Simplephageφx174providesthebestmodelforthereplicationofE.colichromesomesinceitreliesalmostexclusively(主要依赖于)onhostcellularreplicationfactorsforitsownreplication.Itsreplicativeformcomprisesasupercoiledcircleofonly5kb.噬菌体φX174的重叠基因

Experimentalsystem噬菌体φX174的重叠1033.2.1InitiationTheE.coliorigin,oriC,hasbeenclonedintoplasmidstoproducemoreeasilystudiedminichromosomeswhichbehaveliketheE.colichromosome.InitiationattheE.coliorigininvolveswrappingoftheDNA(four9bp)aroundaninitiatorproteincomplex(DnaA-ATP)andseparationofthestrandsatAT-richsequences(three13bp)whichopentoallowbindingofDnaBprotein.DnaBisahelicase.Helicases(解链酶)areenzymeswhichusetheenergyofATPhydrolysistomoveintoandmeltdouble-strandDNA(orRNA).3.2.1Initiation104Thesinglestrandedbubbleiscoatedwithsingle-strandedbindingprotein(ssb)toprotectitfrombreakageandtopreventtheDNArenaturing.TheenzymeDNAprimasethenattachestotheDNAandsynthesizesashortRNAprimertoinitiatesynthesisoftheleadingstrandofthefirstreplicationfork.Bidirectionalreplicationthenfollows.Thesinglestrandedbubbleis105注意：单链结合蛋白（single-strandbindingprotein,SSB）：SSB蛋白的作用是使被解开的单链在复制完成前能保持单链结构，从而便于以之作为DNA合成的模板。SSB与单链DNA的结合有高度协同性（cooperativity），即SSB的初步结合能使其随后结合更为容易。SSB可以重复利用。DNA解链酶（helicase）：DNA解链酶能通过水解ATP获得能量来解开双链DNA，并在DNA上沿一定方向移动。注意：1063.2.2UnwindingForreplicationtoproceedawaytheorigin,DNAhelicasesmusttravelalongthetemplatestrandstoopenthedoublehelixforcopying.BindingofSsbproteinfurtherpromotesunwinding.Inaclosed-circularDNA,removalofhelicalturnatthereplicationforkleadstotheintroductionofadditionalturnsintherestofthemoleculeintheformofpositivesupercoiling,whichmustberelaxedcontinuouslybytheintroductionoffurthernegativesupercoilingbyatypeⅡtopoisomerasecalledDNAgyrase

(旋转酶).3.2.2Unwinding107PracticalApplicationInhibitorsofDNAgyraseareeffectiveinhibitorsofbacterialreplicationandhaveantibioticactivity.novobiocin(新生霉素)andoxolinicacid(噁喹酸).

新生霉素(novobiocin)：是香豆素类抗生素的代表药物，对DNA回旋酶有很好的抑制作用，对多种癌细胞有抑制作用，并能与抗癌药联合应用，逆转抗癌药的耐药性。主要用于耐药性金葡菌引起的感染，如肺炎、败血症等。Oxolinicacid(噁喹酸)：喹啉酮类杀菌剂，对水稻难治病害谷枯细菌病（苗腐败病）具有卓效的第一个杀菌剂。作用机制为通过抑制DNA的合成，从而阻碍了病菌分裂和增殖。在细菌的菌体内，对于DNA的超卷曲结构导入反向超卷曲的酶，本药剂可与此酶的亚组A结合，从而使其机能受压抑而使DNA无法复制，不久引起死亡。

PracticalApplication1083.2.3ElongationDNAprimase(引物酶)synthesizesprimersevery1000-2000ntonthelaggingstrand.AdimerofDNApolymeraseⅢholoenzyme

(DNA聚合酶Ⅲ全酶)elongatesbothleadingandlaggingstrands.TheαsubunitspolymerizetheDNAandtheεsubunitsproofreadit.DNApolymeraseⅠremovesthelaggingstrandRNAprimers,andthepolymerasefunctionsimultaneouslyfillsthegapswithDNA.DNAligasejoinsthelaggingstrandfragmentstogether.3.2.3Elongation1091、DNAPolymerase（DNA聚合酶）DNA聚合酶Ⅰ(多功能酶但不是复制主要聚合酶)：有3'→5'核酸外切酶活性，这种活性和聚合酶活性紧密结合在一起，既可合成DNA链，又能降解DNA，保证了DNA复制的准确性；有5'→3'核酸外切酶活性，可作用于双链DNA，又可水解5'末端磷酸二酯键，被认为在切除由紫外线照射而形成的嘧啶二聚体中起着重要的作用。也可用以除去冈崎片段5‘端RNA引物，使冈崎片段间缺口消失，保证连接酶将片段连接起来。用蛋白水解酶将DNA聚合酶Ⅰ有限水解，可得到相对分子量为68000和35000的两个片段，大片段具有聚合酶和3'→5'核酸外切酶活性，称为Klenow片段，小片段具有5'→3'核酸外切酶活性。

补充知识：1、DNAPolymerase（DNA聚合酶）DNA聚合110DNA聚合酶Ⅱ为多亚基酶，具有5'→3'方向聚合酶活性，但酶活性很低，也不是复制的主要酶。其3'→5'核酸外切酶活性可起校正作用。其生理功能主要是起修复DNA的作用。DNA聚合酶Ⅲ也是多亚基酶，全酶由10种亚基组成，含有锌原子。有5'→3'方向聚合酶活性，也有3'→5'核酸外切酶活性。活力较强，为DNA聚合酶Ⅰ的15倍，DNA聚合酶Ⅱ的300倍。它能在引物的3'－OH上以每分钟5万个核苷酸的速率延长新生DNA链，是大肠杆菌DNA复制中链延长反应的主导聚合酶。聚合酶Ⅳ、Ⅴ在1999年发现，主要涉及DNA的错误倾向修复。当DNA受到严重损伤时，即可诱导产生这两种酶，使修复缺乏准确性，出现高突变率。

DNA聚合酶Ⅱ为多亚基酶，具有5'→3'方向聚合酶活性，但酶111

DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶Ⅲ相对分子量/10310390900每个细胞中的分子数40017-10010-205′→3′聚合活性+++核苷酸数／酶分子·分钟6003030,0005′→3′外切活性+--3′→5′外切活性+++生物学活性10.0515功能修复校正、修复复制去除引物

填补空缺

DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚1122、DNAligase（DNA连接酶）大肠杆菌DNA连接酶是相对分子量为74000的多肽。每个细胞约含有300个连接酶分子，它能使断开的两条链连接并由互补链使它们聚在一起，形成双螺旋结构，但不能连接两条游离的DNA分子。T4DNA连接酶不仅能在模板链间连接DNA切口，而且能连接平头双链DNA。

2、DNAligase（DNA连接酶）大肠杆菌DNA连接113双语分子生物学课件1143.2.4TerminationThetworeplicationforksmeetapproximately180ooppositeoriC.Aroundthisregionareseveralterminalsiteswhicharrestthemovementoftheforksbybindingthetusgeneproduct,aninhibitoroftheDnaBhelicase.Oncereplicationiscompleted,thetwodaughtercirclesremaininterlinked.TheyareunlinkedbytopoisomeraseIV.

DNA复制.mov3.2.4Terminatio