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1、第一节 DNA的结构 第二节 染色体 第三节 DNA的复制 第四节 DNA的复制特点 第五节 DNA的修复 第六节 DNA的转座,第二章 染色体与DNA,遗传物质的本质,一、DNA携带两类不同的遗传信息,1、 遗传物质必须具有的特性,DNA的特征,a、贮存并表达遗传信息,各异的碱基序列储存大量的遗 传信息,b、能把信息传递给子代,DNA的复制是其表达和传递遗传信息的基础,c、物理和化学性质稳定,生理状态下物理、化学性质 稳定,d、具有遗传变化的能力,有突变和修复能力，可稳定遗 传是生物进化的基础,2、 DNA携带两种遗传信息,a、编码蛋白质和RNA的信息(编码tRNA、 rRNA),64个三联
2、体密码子 3个终止密码子 编码氨基酸的61个密码子有简并性、通用性,b、编码基因选择性表达的信息,基因选择性表达表现在： 细胞周期的不同时相中 个体发育不同阶段 不同的器官和组织 不同的外界环境下基因的表达与否以及量的差异,* 原核生物的结构基因占Genome的比例很大,x174phage 5386bp 结构基因用去5169bp 比例达96,* 真核生物的结构基因占Genome的比例很小,哺乳动物中结构基因只占1015,其余80以上的DNA起什么作用目前还无法精确解释，但可以肯定其中大部分DNA序列是编码基因选择性表达的遗传信息,所以又称调控序列,二、 RNA也可作为遗传物质,* RNA病毒
3、传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组RNA、蛋白质外壳） 如: 烟草花叶病毒（Tobacco Mosaic Virus ，TMV),* 类病毒（viroid）: 使高等植物产生疾病的传染性因子 只由RNA组成, 无蛋白质外壳保护, 游离的共价闭合环状单链RNA分子,三、 是否存在核酸以外的遗传物质,Prion (proteinaccous infections particle) 朊病毒蛋白质样的感染因子,羊搔痒病 (scripie),人类库鲁（ kuru） 病,牛海绵状脑炎(疯牛病),均由传染性病原蛋白颗粒引起,统称Prion (朊病毒),Prion 复制? 转录? 翻译?,人类朊病毒疾病、症状及
4、发病机理,致死性中枢神经系统的慢性退化,病理表现：大脑皮层的神经原细胞退化、空泡变性、死亡、消失，最终被星状细胞取代，因而造成海棉状态,朊病毒带来了诺贝尔生理/医学奖 1997 Stanley B.Prusiner,发现朊病毒是作为老年性痴呆症等疾病的病原并能在寄主细胞中繁殖传播,第一节 DNA的结构,嘧啶 Pyrimidines,嘌呤 Purines,一、 碱基、核苷、核苷酸, 碱基 Nitrogenous bases, 核苷（nucleotide）,嘧啶的1位N原子、嘌呤的9位N原子,核糖是戊糖 RNA核糖核苷 DNA脱氧核糖核苷,1,9, 核苷酸（nucleotide acid）,核苷的
5、磷酸酯 脱氧核糖核苷酸 核糖核苷酸,其中和、和之间是高能磷酸键,dNTP,碱基戊糖核苷 核苷磷酸核苷酸,核糖核苷三磷酸缩写为NTP,二、DNA分子的一级结构 (DNA sequence),1、 多聚核苷酸链 主链是核糖和磷酸 侧链为碱基,由3,5磷酸二酯键连接,2、 链的方向：同一个磷酸基 的3酯键到5酯键的方向 (53),5-UCAGGCUA-3 = UCAGGCUA 默认书写顺序53,三、 DNA的二级结构,* 1953. Watsosn & Crick,右手 B- DNA Double helix Model,（一） DNA双螺旋模型的提出（double helix model）,每一单
6、链具有 5 3极性 两条单链极性相反 反向平行 两条单链间以氢键连接 以中心为轴，向 右 盘 旋 （直径2nm） 双 螺 旋 中 存 在大、小 沟,* 双螺旋的主链,磷酸二酯链 (Phosphodiester Backbone),C-G,T-A,碱基互补, 直径20,* 双螺旋模型参数, 螺距为34（任一条链 绕轴一周所升降的距离）, 每圈有10个核苷酸 （碱基）, 有大沟和小沟 配对碱基并不充满双 螺旋空间，且碱基对 占据的空间不对称, 两个碱基之间的垂直 距离是3.4。螺旋转 角是36度,Major Groove,Minor Groove,10.4 bp/turn, 大、小沟的差异, 大沟
7、中碱基差异容易识别 ，往往是蛋白质因子结合特异DNA序列的位点, 小沟相对体现的信息较少,（二） 影响双螺旋结构稳定性的因素,l 氢键 (Hydrogen bond 46 kc / mol),消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力,弱键, 可加热解链,氢键堆积, 有序排列(线性, 方向),l 磷酸酯键 (phosphoester bond 8090 kc / mol),l 0.15 mol / L Na+ 生理盐条件,强键, 需酶促解链,* 维持稳定性的因素,l 碱基堆积力 (非特异性结合力),( 1 kc / mol 0.6kc / mol ) n, 范德华力（Van de waals for
8、ce） (1.7A/ 嘌呤环与嘧啶环 作用半径),(0.34 nm/碱基对间距), 疏水作用力 (Hydrophobic interaction),不溶于水的非极性分子在水中相互联合, 成串结合的趋势力.,l 磷酸基团间的静电斥力,碱基内能增加(温度), 使氢键因碱基排列有序状态的破坏 而减弱,* 不稳定因素,（三）双螺旋结构的基本形式, B-DNA 资料来自相对湿度为92所得到的DNA钠盐纤维, 此外人们还发现了A、C、D、E等右手双螺旋和左手双螺旋 Z构象等形式,DNA结构的多态性：几种不同的DNA双螺旋结构以及同 一种双螺旋结构内参数存在差异的现象,原因：多核苷酸链的骨架含有许多可转动的
9、单键 磷酸二酯键的两个P-O键、糖苷键、戊糖环各个键,A,B,Z,A,B,Z,大沟宽,小沟窄,小沟窄,大沟变深,小沟宽浅,大沟不存在,小沟窄而深,左手螺旋,左手螺旋是对右手螺旋的一个补充和发展，左手螺旋具有调控基因转录的生物活性。,邻近调控转录区与调节区相邻,负超螺旋程度高有扭转力,转录,远距离调控转录区可在上千个碱基对以外,1、反向重复序列与二级结构 反向重复序列（inverted repeatitive sequence or inverted repeats IR）又称回文序列（廻文）：指两段同样的核苷酸序列同时存在于一个分子中，但具有相反的方向. 有时也有不完全相同的情况 RNA和DN
10、A中都可能存在 此外还可有directed repeatitive sequence -正向重复序列,（四）一些DNA序列的不寻常结构,C,反向重复序列间间隔较短或无间隔,反向重复序列间间隔较长,* 较短的回文序列可能是作为一种信号 如：限制性内切酶的识别位点 一些调控蛋白的识别位点,例如限制性内切酶 EcoR的识别位点 5GAATTC3 3CTTAAG5,（1） 形成条件,一股为嘌呤，另一股为嘧啶的核苷酸双链能够形成三链 如： polyA/polyU polydA/polydT polyd (AG)/polyd(CT),2、三螺旋DNA (Trible Helix DNA, T.S DNA)
11、,可能与基因调控区域的功能和染色体重组有关,D.S. DNA + D.S.DNA,T.S. DNA + S.S. DNA,（2） 组成形式,第三条链位于B-DNA的 Major groove中,T. S. DNA 的连接键,Watson bonding A T G C (D. S. DNA),H+,Hoogsteen 氢键 G C+(质子化 ) (第三链 , pH 小于7) (Hoogsteen氢键：在酸性溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤N-7原子形成氢键，同时胞嘧啶的N-4氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。),三股螺旋DNA结构特点总结,
12、第三条单链DNA分子 位于B-DNA大沟内,与B-DNA以 Hoogsteen 键连接,poly(Py) : (Pu) : (Py)为常见类型,3、 四股螺旋DNA ( tetraplex DNA, Tetrable Helix DNA ),均有形成 四股螺旋DNA 的可能,形成条件串联重复的鸟苷酸, 已有实验结果表明真核细胞端粒中存在四链结构,结 构 特 点,碱基之间靠 Hoogsteen 键连接,基本结构单元鸟嘌呤四联体,可能的功能,A、 稳定真核生物染色体结构,B、 保证DNA末端准确复制,C、 与DNA分子的组装有关,D、 与染色体的 meiosis & mitosis 有关,（五）超
13、螺旋（superhelix OR supercoil）, 最早在SV40和多瘤病毒 中发现, 超螺旋是所有线性或环 形DNA的共有的重要特征,The supercoils of the SV40 minichromosome can be relaxed to generate a circular structure, whose loss of histones then generates supercoils in the free DNA.,1、 超螺旋结构的方向性,正超螺旋（positive supercoiled ）,导致左手超螺旋,以一根绳子做实验： 原来的绳子的两股以右旋方向
14、缠绕；在绳子的一端向紧缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个左旋的超螺旋以解除外加捻转的协变,负超螺旋（Negative Supercoiled ）,导致右手超螺旋,在绳子的一端向松缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个右旋的超螺旋以解除外加捻转的协变,超螺旋的形成总是要向着抵消初级螺旋改变的方向发展,所有生物的DNA几乎 有5%为 Negative Superhelix,2、超螺旋状态的描述,1、可用数学公式描述,Vinograd 方程式,L = T + W ( = + ),L 连接数（Linking number ） 双链DNA的交叉数， 不发生链断裂时，L为定值,T 盘绕
15、数（Twisting number ） 双链DNA的缠绕数，初级螺旋圈数,W 超盘绕数（Writhing number） 直观上为双螺旋在空间的转动数,W= 负值（negative superhelix） W = 正值 ( positive superhelix）,第二节 染色体 染色体是遗传信息的主要携带者，存在于细胞核内。1848年从鸭趾草种提取出来，1879年由Flemming提出染色质这一术语。1883年美国学者提出了遗传基因在染色体上的学说,1928年摩尔根证实了染色体是遗传基因的载体，从而获得了生理医学诺贝尔奖。,亲代将自己的遗传物质DNA 以染色体的形式传给后代,同一物种内每条染色体所带DNA量是一定的，但不同染色体或不同物种变化很大,人X染色体带有1.28亿个核苷酸对，而Y染色体只带有0.19亿个核苷酸对。,部分动植物及细菌染色体数,人类22对常染色体,1.真核生物与原核生物染色体的异同,真核生物染色体位于细胞核内，一般在细胞有丝分裂过程中在光学显微镜下可见，而在细胞间期则为染色质，间期细胞经低渗处理溶胀破裂放出纤维串珠状的染色质。 原核生物的染色体位于拟核区，染色体环状,位置和形态：,原核生物染色体外裹着稀疏的蛋白质，这些蛋白质与DNA的折叠、复制、
