第二章 染色体与DNA

第二章染色体与DNA主要内容2.1染色体2.2DNA的结构2.3DNA的复制2.4DNA的修复2.5DNA的转座2.1染色体（Chromosome)

亲代将遗传物质DNA以染色体的形式传给后代的，因此一般认为染色体在遗传上起着主要作用。染色体DNA蛋白质{组蛋白：H1H2AH2BH3H4非组蛋白}核小体{DNA蛋白质染色体一、真核生物染色体的组成组蛋白的一般特性：■进化上的保守性保守程度：H1H2A、H2BH3、H41）组蛋白上海生化所分子遗传学1998年试题：在真核生物核内。五种组蛋白（H1H2AH2BH3和H4）在进化过程中，H4极为保守，H2A最不保守（）×■无组织特异性■肽链氨基酸分布的不对称性（N端多碱性，疏水基团集中于C端）■H5组蛋白的特殊性：富氨基酸含赖氨酸（24%）■组蛋白的可修饰性2）DNAC值反常现象（C-valueparadox)（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”。

C值反常现象

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C值不成明显正相关

B亲缘关系相近的生物大C值相差较大真核生物中C值一般是随生物进化而增加的，高等生物的C值一般大于低等生物。

C一种生物内大C值与小c值相差极大

3）染色质和核小体核小体：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的。

6.8:140:11000:18000:1DNAdoublehelixNucleosome(10nmfiber)30nmFiberLoopsILoopsIIchromosome二、原核生物的染色体类核体DNA蛋白质上海第二军医大硕士研究生入学考试试题：基因组的特点（真核、原核比较）（三）原核生物和真核生物基因组结构特点比较●基因组很小，大多只有一条染色体●

结构简炼●存在转录单元(trnascriptionaloperon)多顺反子(polycistron)X174D-E-J-F-G-HmRNA蛋白J、F、GHDEE.coli色氨酸操纵子9个顺反子9个酶1、原核生物基因组结构特点顺反子（cistron）：即结构基因，为决定一条多肽链合成的功能单位

●有重叠基因（Sanger发现）基因内基因部分重叠基因一个碱基重叠2、真核生物基因组结构特点●

真核基因组结构庞大

3×109bp、染色质、核膜●单顺反子●基因不连续性

断裂基因（interruptedgene）、内含子(intron)、外显子(exon)●非编码区较多

多于编码序列(9:1)●含有大量重复序列■不重复序列/单一序列：

在基因组中有一个或几个拷贝。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。如：蛋清蛋白、血红蛋白等功能：主要是编码蛋白质。■中度重复序列：

在基因组中的拷贝数为101~104。如：rRNA、tRNA一般是不编码蛋白质的序列，在调控基因表达中起重要作用

■高度重复序列：拷贝数达到几百个到几百万个。

●卫星DNA:AT含量很高的简单高度重复序列。2.2DNA的结构（一）DNA的一级结构（二）DNA的二级结构（三）DNA的高级结构核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖元素组成：CHONP

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。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。补充（生物化学）知识：核酸的组成成分戊糖组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。RiboseDeoxyribose碱基1.嘌呤（Purine）123456978腺嘌呤AdenineA鸟嘌呤guanineG2.嘧啶（Pyrimidine）123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineTRNA特有核苷（nucleoside）：戊糖+碱基1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)AdenosineGuanosineCytidineUridine核苷酸（nucleotide）

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+碱基+磷酸HHHHHHHHH核苷酸继续磷酸化AMPADPATP多聚核苷酸（核酸）单核苷酸5’-磷酸基团向核苷酸链的C3’-OH发起进攻，形成3’,5’-磷酸二酯键相连而形成链状聚合物（核酸）。5’5’3’3’（一）DNA的一级结构（1）定义脱氧核糖核酸的连接及排列顺序可以用碱基排列顺序表示（2）特征A)双链反向平行配对而成B)脱氧核糖和磷酸交替连接，构成DNA骨架，碱基排在内侧C)内侧碱基通过氢键互补形成碱基对（AT，CG）。

DNA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DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。（二）DNA的二级结构1）定义：指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。绕DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称为大沟，窄沟称为小沟。大沟、小沟都是由于碱基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。

2）分类：右手螺旋：A-DNA，B-DNA左手螺旋：Z-DNAABZABZ（三）DNA的高级结构1）定义：指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。是一种比双螺旋更高层次的空间构象。2）主要形式：超螺旋结构（正超螺旋和负超螺旋）超螺旋形成示意末端固定的线型双螺旋额外的张力不能释放双螺旋以扭曲方式缓解应力，形成超螺旋线状DNA形成的超螺旋环状DNA形成的超螺旋拓扑异构酶or溴化乙锭拓扑异构酶or溴化乙锭DNA扭曲与双螺旋相同（拧紧）DNA扭曲与双螺旋相反（松开）负超螺旋松弛DNA正超螺旋2.3DNA的复制（一）DNA的复制机理（二）复制的起点、方向和速度（三）复制的几种主要方式（一）DNA的复制机理1）定义：由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。Semi-conservativeConservativeDispersive2）DNA半保留复制的生物学意义：

DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。

3）与DNA复制有关的物质1、原料：四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)2、模板：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA3、引物：DNA的合成需要一段RNA链作为引物4、引物合成酶（引发酶）：此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA的引物（Primer)。实质是以DNA为模板的RNA聚合酶。

4）DNA聚合酶:以DNA为模板的DNA合成酶

●以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物

●反应需要有模板的指导

●反应需要有3

-OH存在

●DNA链的合成方向为5

3

5）DNA连接酶（1967年发现）：若双链DNA中一条链有切口，一端是3’-OH，另一端是5‘-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。

但是它不能将两条游离的DNA单链连接起来

DNA连接酶在DNA复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用3‘5‘3‘5‘OHP6）DNA拓扑异构酶：拓扑异构酶І：

使DNA一条链发生断裂和再连接，作用是松解负超螺旋。主要集中在活性转录区，同转录有关。

例：大肠杆菌中的ε蛋白

拓扑异构酶Π：

该酶能暂时性地切断和重新连接双链DNA，作用是将负超螺旋引入DNA分子。同复制有关。例：大肠杆菌中的DNA旋转酶7）DNA解螺旋酶/解链酶

通过水解ATP获得能量来解开双链DNA。E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶I、II、III。8）单链结合蛋白

稳定已被解开的DNA单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。9）DNA的复制过程（大肠杆菌为例）双链的解开RNA引物的合成DNA链的延伸切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段（A)双链的解开基本概念：

DNA的复制有特定的起始位点，叫做复制原点ori(或o）、富含A、T的区段。

从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫复制子

复制时，解链酶等先将DNA的一段双链解开，形成复制点，这个复制点的形状象一个叉子，故称为复制叉复制叉复制叉复制的多模式单起点、单方向多起点、单方向单起点、双方向多起点、双方向双链解开、复制起始大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4个9bp保守序列相结合在HU蛋白和ATP的共同作用下,Dna复制起始复合物使3个13bp直接重复序列变性,形成开链解链酶六体分别与单链DNA相结合(需DnaC帮助)，进一步解开DNA双链(B)RNA引物的合成DnaB蛋白活化引物合成酶，引发RNA引物的合成。引物长度约为几个至10个核苷酸，

DNA复制时其中一条子链的合成是连续的，而另一条子链的合成是不连续的，故称半不连续复制。在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链为前导链；合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链为滞后链。(C)DNA链的延伸

在DNA复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续的合成5

3

的多个短片段，这些不连续的小片段称为冈崎片段。ⅢⅠ(D）切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段

（复制终止）在DNA聚合酶Ⅰ催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶Ⅰ催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链双链环状、θ型复制、双向等速

DNA聚合酶

大肠杆菌中存在DNA聚合酶I、II、III

DNA聚合酶I有3'→5'核酸外切酶活性，还有5'→3'核酸外切酶的功能，可作用于双链DNA，又可水解5'末端或距5'末端几个核苷酸处的磷酸二酯键，因而该酶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。它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。DNA聚合酶II具有5‘→3’方向聚合酶活性，酶活性很低。其3‘→5’核酸外切酶活性可起校正作用。目前认为DNA聚合酶II生理功能主要是修复DNA的作用。DNA聚合酶III包含有7种不同的亚单位和9个亚基。生物活性形式为二聚体。它有5'→3'方向聚合酶活性，也有3'→5'核酸外切酶活性。是大肠杆菌DNA复制中链延长反应的主导聚合酶。5’to3’核酸外切酶活性:是切除5’端的核苷，如后继链的RNA引物。DNA聚合酶的编辑功能3’5’5’3’3’5’5’3’3’to5’核酸外切酶活性:切除3’端的核苷，在核酸复制中起校正作用。3’5’5’3’5’5’3’5’5’E.coliDNApolymerasesDNAPolIII:合成大多数的DNADNAPolI:切口平移和滞后链引物切除DNAPolII:DNA修复（三）DNA复制的其它方式滚环型：单向复制的特殊方式如：ΦΧ174的双链环状DNA复制型（RF）特点：（1）模板链和新合成的链分开;（2）不需RNA引物，在正链3‘－OH上延伸（3）只有一个复制叉;D环复