第二章 DNA结构
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分子生物学第二章dna结构与功能
1、组蛋白(histone)
真核生物染色体的基本结构蛋白 富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸 碱性蛋白质 可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性 结合）；
组蛋白的一般特性：
i) 进化极端保守性:
不同种生物A、H2B变化相对大； ❖ H1变化更大。 ❖ H3、H4可能对稳定真核生物的染色体结构起重要作用。
c．半个核小体核心颗粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（73bp）和4种核心组蛋 白分子，每种组蛋白由3 个α螺旋和一个伸展的N-端尾部组成。
N-端尾部有序排列，参与核小体之间的相互作用，以形成螺线管等高级结构。
（五）原核生物和真核生物基因组 结构特点比较
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 ）
❖
Alu家族每个成员的长度约300bp，由于每个
单位长度中有一个限制性内切酶Alu的切点
（AG↓CT）从而将其切成长130和170bp的两段，因
而定名为Alu序列（或Alu家族）。
❖ Alu序列分散在整个人体或其他哺乳动物基因组 中，在间隔DNA、内含子中都发现有Alu序列，平均 每5kb DNA就有一个Alu顺序。已建立的基因组中无 例外地含有Alu顺序。
❖ 一是改变染色体的结构，直接影响转录活性； ❖ 二是核小体表面发生改变，使其它调控蛋白易
于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。
简述真核生物染色体上组蛋白的种类，组蛋 白修饰的种类及其生物学意义
中国科学院2003年硕士研究生入学《生物化学与 分子生物学》试题
2.非组蛋白
❖ 占组蛋白总量的60％－70％，种类很多，20－ 100种，常见有15－20种；
❖ 在真核生物中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。
分子生物学第二章DNA结构与功能
Alu家族： Alu家族是哺乳动物包括人基因组中含量最丰富的一种中度重复顺序家族，在单倍体人基因组中重复达30万-50万次，约占人基因组的3-6％。 Alu家族每个成员的长度约300bp，由于每个单位长度中有一个限制性内切酶Alu的切点（AG↓CT）从而将其切成长130和170bp的两段，因而定名为Alu序列（或Alu家族）。
定义：
核心颗粒
核小体的结构
Histone octamer (组蛋白八聚体)
Top view Side view Nucleosome core
Nucleosome core
Chromatosome
146 bp, 1.8 superhelical turn
166 bp, 2 superhelical turn
原核生物(prokaryote)
（三）染色体的结构和组成
组蛋白： H1 H2A H2B H3 H4 非组蛋白 } DNA 蛋白质 真核生物染色体的组成
1、组蛋白(histone)
真核生物染色体的基本结构蛋白 富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸 碱性蛋白质 可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性结合）；
28S、5.8S及18S rRNA基因： 非洲爪蛙的18S、5.8S及28S rRNA基因是连在一起的，它们中间隔着不转录的间隔区，这些18S、5.8S及28S rRNA基因及间隔区组成的单位在DNA链上串联重复许多次。 不转录的间隔区是由21-100个碱基对组成的类似卫星DNA的串联重复序列。 中度重复序列往往分散在不重复序列之间。
真核细胞DNA序列大致可被分为3类：
不重复序列/单一序列
1
中度重复序列
2
高度重复序列
3
不重复序列/单一序列 在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝，它占DNA总量的40％-80％，不重复序列长约750-2000bp，相当于一个结构基因的长度。 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：编码蛋白质。
现代分子生物学-第二章 染色体与DNA
甲基化可发生在组蛋白的赖氨酸和精氨酸残基上： 赖氨酸残基能够发生单、双、三甲基化； 精氨酸残基能够单、双甲基化）；
这些不同程度的甲基化极大地增加了组蛋白修饰和调节基因表 达的复杂性。
组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态的标记： 精氨酸甲基化与基因激活相关，而H3和H4精氨酸的 甲基化丢失与基因沉默相关。
组蛋白乙酰化结合其他组蛋白修饰（甲基化，磷酸 化、泛素化）形成组蛋白密码影响基因的转录。
组蛋白的可修饰性总结
2） 非组蛋白（non-Histone Protein,NHP）
染色体上还存在大量的非组蛋白。包括酶类，如RNA聚合酶 及与细胞分裂有关的收缩蛋白、骨架蛋白、核孔复合物蛋 自以及肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等，可 能是染色质的结构成分。
第二章 染色体与DNA
内容提要： 染色体与染色质 染色体的结构和组成（原核生物 、 真核生物） 核小体 DNA的结构 原核生物和真核生物基因组结构特点比较
第一节 染色体（Chromosome)
（一）染色体与染色质
染色体（chromosome）是细胞核中载有遗传信息（基因）的 物质，在显微镜下呈丝状或棒状，主要由脱氧核糖核酸和蛋白 质组成，在细胞发生有丝分裂时期容易被碱性染料（例如龙胆 紫和醋酸洋红）着色，因此而得名。
粒附近，由6-100个碱基组成，在DNA链上串联重复成千
上万次，不转录，可能与染色体的稳定性有关。（基因组占
比10-60%）
光 吸 收 （
A260cm ）
1.700（主体带） 1.692（Ⅰ）：卫星带Ⅰ
1.688（Ⅱ）：卫星带Ⅱ 1.671（Ⅲ）：卫星带Ⅲ
卫星带碱基序列
Ⅰ ACAAACT ACAAACT etc. Ⅱ ATAAACT ATAAACT etc. Ⅲ ACAAATT ACAAATT etc.
这些不同程度的甲基化极大地增加了组蛋白修饰和调节基因表 达的复杂性。
组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态的标记： 精氨酸甲基化与基因激活相关，而H3和H4精氨酸的 甲基化丢失与基因沉默相关。
组蛋白乙酰化结合其他组蛋白修饰（甲基化，磷酸 化、泛素化）形成组蛋白密码影响基因的转录。
组蛋白的可修饰性总结
2） 非组蛋白（non-Histone Protein,NHP）
染色体上还存在大量的非组蛋白。包括酶类，如RNA聚合酶 及与细胞分裂有关的收缩蛋白、骨架蛋白、核孔复合物蛋 自以及肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等，可 能是染色质的结构成分。
第二章 染色体与DNA
内容提要： 染色体与染色质 染色体的结构和组成（原核生物 、 真核生物） 核小体 DNA的结构 原核生物和真核生物基因组结构特点比较
第一节 染色体（Chromosome)
（一）染色体与染色质
染色体（chromosome）是细胞核中载有遗传信息（基因）的 物质，在显微镜下呈丝状或棒状，主要由脱氧核糖核酸和蛋白 质组成，在细胞发生有丝分裂时期容易被碱性染料（例如龙胆 紫和醋酸洋红）着色，因此而得名。
粒附近，由6-100个碱基组成，在DNA链上串联重复成千
上万次，不转录，可能与染色体的稳定性有关。（基因组占
比10-60%）
光 吸 收 （
A260cm ）
1.700（主体带） 1.692（Ⅰ）：卫星带Ⅰ
1.688（Ⅱ）：卫星带Ⅱ 1.671（Ⅲ）：卫星带Ⅲ
卫星带碱基序列
Ⅰ ACAAACT ACAAACT etc. Ⅱ ATAAACT ATAAACT etc. Ⅲ ACAAATT ACAAATT etc.
分子生物学基础第二章DNA的结构、复制和修复第五节 DNA的损伤与修复
（2）碱基类似物对DNA的损伤 碱基类似物是一类结构与碱基相似 的人工合成化合物，由于它们的结构与碱基相似，进入细胞后能替代 正常的碱基掺入到DNA链中，干扰DNA的正常合成。5–溴尿嘧啶(5–BU) 是胸腺嘧啶环上的甲基被溴取代的一种最常见的碱基类似物，与U的 结构非常相似,能与A配对，5–BU有酮式和烯醇式两种形态，当处于烯 醇式时，可与G配对，且存在机率高于酮式形态，因此一旦掺入到DNA 链中，通过互变异构在复制中产生突变，引起A–T→C–C的转换。另一 个常见的碱基类似物是2–氨基嘌呤(2–AP)，在正常的酮式状态时与T 配对，在烯醇式状态时与C配对。在某些植物体的代谢过程中，能产 生个别的毒性化合物，其中包括DNA损伤剂。
第五节 DNA的损伤与修复
图2-13 DNA分子上的胸腺嘧啶二聚体结构
第五节 DNA的损伤与修复
图2-11 甲基介导的错配修复模 型
第五节 DNA的损伤与修复
3．核苷酸切除修复 核苷酸切除修复系统几乎能够修复紫外线照射引起的 各种损伤。包括环丁烷二聚体、6–4损伤、碱基-糖基交联 等引起DNA双螺旋大扭曲(major distortion)，而不能修 复由于碱基错配、O6–甲基鸟嘌呤、O4–甲基胸腺嘧啶、8– oxoG或碱基类似物引力是非常重要的。
第五节 DNA的损伤与修复
二、DNA的修复 1．错配修复 E.coli避免突变的主要途径之一就是甲基指导的错配修复系统。 这个系统是非特异性的，它能修复引起DNA双螺旋轻微扭曲的任何扭 伤，包括错配、移码、碱基类似物的掺人和某些类型微小扭曲的烷基 化损伤。 2．碱基切除修复 是一种在细胞中存在较普遍的修复过程。在细胞中都有不同类型、 能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能特意性切除受损核苷酸上的 N—β-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点（AP位点）。DNA 分子中一旦产生了AP位点，核酸内切酶就会把受损核酸的糖苷-磷酸 键切开，并移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA，由DNA聚合酶I 合成新的片段，最终由DNA连接酶把两者连成新的被修复的DNA链。
第五节 DNA的损伤与修复
图2-13 DNA分子上的胸腺嘧啶二聚体结构
第五节 DNA的损伤与修复
图2-11 甲基介导的错配修复模 型
第五节 DNA的损伤与修复
3．核苷酸切除修复 核苷酸切除修复系统几乎能够修复紫外线照射引起的 各种损伤。包括环丁烷二聚体、6–4损伤、碱基-糖基交联 等引起DNA双螺旋大扭曲(major distortion)，而不能修 复由于碱基错配、O6–甲基鸟嘌呤、O4–甲基胸腺嘧啶、8– oxoG或碱基类似物引力是非常重要的。
第五节 DNA的损伤与修复
二、DNA的修复 1．错配修复 E.coli避免突变的主要途径之一就是甲基指导的错配修复系统。 这个系统是非特异性的，它能修复引起DNA双螺旋轻微扭曲的任何扭 伤，包括错配、移码、碱基类似物的掺人和某些类型微小扭曲的烷基 化损伤。 2．碱基切除修复 是一种在细胞中存在较普遍的修复过程。在细胞中都有不同类型、 能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能特意性切除受损核苷酸上的 N—β-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点（AP位点）。DNA 分子中一旦产生了AP位点，核酸内切酶就会把受损核酸的糖苷-磷酸 键切开，并移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA，由DNA聚合酶I 合成新的片段，最终由DNA连接酶把两者连成新的被修复的DNA链。
2第二章 DNA的分子特性
5’－磷酸腺苷的结构式 －
7
2）核苷酸是怎么连接的？
8
3’，5’ - 磷酸二酯 ，
9
寡核苷酸（oligonucleotide)
指二~~十个核苷酸残基以磷酸二酯键连接而 指二 十个核苷酸残基以磷酸二酯键连接而 成的线性多核苷酸片段。 成的线性多核苷酸片段
使用时，对核苷酸残基的数目并无严格规定 寡核苷酸目前已可由仪器自动合成，作为 DNA合成的引物（primer)、基因探针（probe)等
14
（2）线条式 ）
垂线（位于碱基之下） 垂线（位于碱基之下）—— 糖基 斜线（位于垂线与Ｐ之间） 斜线（位于垂线与Ｐ之间）—— 磷酸酯键
15
简写式表示的含义
核酸分子的一级结构 ※核酸分子的一级结构
※核酸分子中的核苷酸排列顺序
16
二）DNA的一级结构
1）DNA一级结构的概念 ） 一级结构的概念
12
链和RNA链片段的简写式 例：DNA链和 链和 链片段的简写式 5＇pＡpＣpＴpＴpＧpＡpＡpＣpＧ3＇DNA ＇ Ａ Ｃ Ｔ Ｔ Ｇ Ａ Ａ Ｃ Ｇ ＇ 5＇pＡpＣpＵpＵpＧpＡpＡpＣpＧ3＇RNA ＇ Ａ Ｃ Ｕ Ｕ Ｇ Ａ Ａ Ｃ Ｇ ＇ 可进一步简化为： 5＇pＡＣＴＴＧＡＡＣＧ ＇ ＇ ＡＣＴＴＧＡＡＣＧ ＡＣＴＴＧＡＡＣＧ3＇ 5＇pＡＣＵＵＧＡＡＣＧ ＇ ＡＣＵＵＧＡＡＣＧ3＇ ＇ ＡＣＵＵＧＡＡＣＧ
研究表明DNA的结构是动态的 的结构是动态的 研究表明
30
31
A构象：以钠、钾或铯作反离子，相对湿度为75 构象：以钠、钾或铯作反离子，相对湿度为 构象 分子的X－射线衍射图。 ％时，DNA分子的 －射线衍射图。 分子的
出现于脱水DNA DNA中 ★出现于脱水DNA中 出现于DNA RNA杂交分子中 DNA－ ★出现于DNA－RNA杂交分主要内容是核酸链中的核苷酸或碱基
分子生物学_ DNA篇_25 DNA的高级结构_
第二章 DNA篇
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二章 DNA篇
第五节 DNA的高级结构
2
超螺旋结构最早在环型DNA中发现
3
B-DNA
4
超螺旋
5
L=T+W
L：称为DNA的连接数(linking number)。它是DNA 的一股链绕另一股链盘绕的次数，在链不发生断裂 时，它是一常数。
T：为盘绕数(twisting number)，它代表DNA的一 股链绕双螺旋轴所做的完整的旋转数。对B-DNA而 言，它等于DNA的碱基数除以10。
12
真核细胞的染色体是线性的，通过支架蛋白将 两端固定于结构蛋白，然后染色质自身盘绕导入拓 扑学张力。
13
核小体的结构使真核细胞的DNA维持负超螺旋形式。
14
超螺旋不仅使DNA形成高度致密的状态从而得以 容纳于有限的空间中，而且在功能上也是重要的，它 推动着结构的转化以满足功能上的需要。
15
随着溴化乙锭量的增加，负超螺旋DNA就转 变为正超螺旋。
9
体外可产生正超螺旋
拓扑异构酶也可以使超螺旋结构进行转化。
10
DNA超螺旋结构的意义
超螺旋的生理意义在于自由状态的DNA通常是 没有生物活性的。
11
许多重要的生物过程需要引入负超螺旋，如： 复制、转录及重组的过程。超螺旋状态的DNA储存 了驱动这些反应所需的能量。
W：为超盘绕数(writhing number)，代表双螺旋轴
在空间的转动数。
6
双螺旋B-DNA的松开导致形成负超螺旋，而 拧紧则导致形成正超螺旋。天然的DNA都呈负超 螺旋，但在体外可得正超螺旋。
7
体外可产生正超螺旋
溴化乙锭 （Ethidium bromide EB）
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二章 DNA篇
第五节 DNA的高级结构
2
超螺旋结构最早在环型DNA中发现
3
B-DNA
4
超螺旋
5
L=T+W
L：称为DNA的连接数(linking number)。它是DNA 的一股链绕另一股链盘绕的次数，在链不发生断裂 时，它是一常数。
T：为盘绕数(twisting number)，它代表DNA的一 股链绕双螺旋轴所做的完整的旋转数。对B-DNA而 言，它等于DNA的碱基数除以10。
12
真核细胞的染色体是线性的，通过支架蛋白将 两端固定于结构蛋白，然后染色质自身盘绕导入拓 扑学张力。
13
核小体的结构使真核细胞的DNA维持负超螺旋形式。
14
超螺旋不仅使DNA形成高度致密的状态从而得以 容纳于有限的空间中，而且在功能上也是重要的，它 推动着结构的转化以满足功能上的需要。
15
随着溴化乙锭量的增加，负超螺旋DNA就转 变为正超螺旋。
9
体外可产生正超螺旋
拓扑异构酶也可以使超螺旋结构进行转化。
10
DNA超螺旋结构的意义
超螺旋的生理意义在于自由状态的DNA通常是 没有生物活性的。
11
许多重要的生物过程需要引入负超螺旋，如： 复制、转录及重组的过程。超螺旋状态的DNA储存 了驱动这些反应所需的能量。
W：为超盘绕数(writhing number)，代表双螺旋轴
在空间的转动数。
6
双螺旋B-DNA的松开导致形成负超螺旋，而 拧紧则导致形成正超螺旋。天然的DNA都呈负超 螺旋，但在体外可得正超螺旋。
7
体外可产生正超螺旋
溴化乙锭 （Ethidium bromide EB）
第二章 染色体与DNA
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2.真核生物基因组DNA
基因组：一个物种的单倍体的染色体的数目称为该物种的～。 C值 ： 一个单倍体基因组的DNA含量总是恒定的，通常称
为该物种DNA的～。 支原体104bp— 显花植物1011bp C值矛盾：基因所占基因组的比例不会超过20%，人们无法用
已知功能来解释基因组的如此之大的DNA含量，这 就叫做～。 哺乳动物：C值约109bp/5000bp~8000bp = 40万～60万 基因
2-7-c
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（1）真核生物基因组结构特点
真核基因组结构庞大 3×109bp
含有大量重复序列
非编码区较多 占整个基因组的90%以上 断裂基因（interrupted）、内含子
单顺反子
基因不连续性 （intron）、外显子（exon）
含有大量顺式作用元件
顺式作用元件：是指与结构基因串联的特定DNA序列，是转录因子的 结合位点，它们通过与转录因子结合而调控基因转录的精确起始和转
录效率。 启动子；增强子；沉默子，也叫绝缘子。
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DNA多态性：是指DNA序列中发生变异而导 致的个体间核苷酸序列的差异。
单核苷酸多态性（SNP）
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实际：约3万～4万个
DNA总量
C值
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图2-5 各种生物细胞内DNA总量比较
（1）真核细胞DNA序列大致可分为3类：
① 不重复序列/单一序列 ② 中度重复序列 ③ 高度重复序列
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①不重复序列/单一序列
◆不重复序列，在单倍体基因组中只出现一次或数次，又称低度重复顺序 。
2.真核生物基因组DNA
基因组：一个物种的单倍体的染色体的数目称为该物种的～。 C值 ： 一个单倍体基因组的DNA含量总是恒定的，通常称
为该物种DNA的～。 支原体104bp— 显花植物1011bp C值矛盾：基因所占基因组的比例不会超过20%，人们无法用
已知功能来解释基因组的如此之大的DNA含量，这 就叫做～。 哺乳动物：C值约109bp/5000bp~8000bp = 40万～60万 基因
2-7-c
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（1）真核生物基因组结构特点
真核基因组结构庞大 3×109bp
含有大量重复序列
非编码区较多 占整个基因组的90%以上 断裂基因（interrupted）、内含子
单顺反子
基因不连续性 （intron）、外显子（exon）
含有大量顺式作用元件
顺式作用元件：是指与结构基因串联的特定DNA序列，是转录因子的 结合位点，它们通过与转录因子结合而调控基因转录的精确起始和转
录效率。 启动子；增强子；沉默子，也叫绝缘子。
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DNA多态性：是指DNA序列中发生变异而导 致的个体间核苷酸序列的差异。
单核苷酸多态性（SNP）
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实际：约3万～4万个
DNA总量
C值
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图2-5 各种生物细胞内DNA总量比较
（1）真核细胞DNA序列大致可分为3类：
① 不重复序列/单一序列 ② 中度重复序列 ③ 高度重复序列
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①不重复序列/单一序列
◆不重复序列，在单倍体基因组中只出现一次或数次，又称低度重复顺序 。
《DNA的二级结构》PPT课件
12
4.56 不穿过碱基对
-9° 嘧啶C2′内式，嘌呤
C3′内式 C、T反式,G顺式
平坦 较狭、很深
碱基螺旋桨扭角
18°
16°
A-DNA
B-DNA
Z-DNA
Z-DNA有什么生物学意义呢?
Z-DNA的形成通常在热力学上是不利的。因为Z-DNA 中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产生静电排斥。 但是，DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位 点。
1 主链
5’
中心轴
3’
3’
5’
(三) 双螺旋结构模型的基本特 征
2 碱基配对
A=T
（碱基互补具有极其 重要的生物学意义， 是DNA复制、转录、 反转录的分子基础）
G≡C
(三) 双螺旋结构模型的基本特
征
3 螺旋参数
2nm
碱基堆积距离
0.34nm。每对
脱氧核苷酸残
基沿纵轴旋转 36°所以每10 个碱基对形成
中国科学技术大学2001，2002硕士生物化学入学考试试 卷
第四节 DNA分子的高级结 构
1 单链核苷酸形成的二级结构
DNA RNA
DNA&RNA
发夹结构 （Hairpin structure)
2 反向重复序列与二级结构
2.1 定义
反向重复序列（inverted repeat)：又称回文序列，指在双链 DNA序列中按确定的方向阅读双链中的每一条链的序列都是相同 的。 反向重复序列占人基因组的5％
三、DNA的二级结构
螺旋方向 螺旋直径nm 碱基堆积距离nm
碱基夹角 每圈碱基数
螺距nm 轴心位置 碱基倾角 糖环折叠 糖苷键构象
大沟 小沟
2020——2021学年高一下学期新教材苏教生物必修2第2章第2节第1课时 DNA分子的结构
第二节DNA分子的结构和复制第1课时DNA分子的结构课标内容要求核心素养对接1．概述DNA分子是由四种脱氧核苷酸构成的，通常由两条碱基互补配对的反向平行长链形成双螺旋结构，碱基的排列顺序编码遗传信息。
2．DNA中碱基的排列顺序编码遗传信息。
1．生命观念：说明DNA双螺旋结构模型的特点。
2．科学思维：思考在DNA分子中碱基的比例和数量之间的规律，总结有关碱基计算的方法和规律。
3．科学探究：动手制作模型，培养观察能力、空间想象能力、分析和理解能力。
一、沃森和克里克解开了DNA分子结构之谜1．20世纪30年代后期，瑞典科学家证明了DNA分子是不对称的。
2．20世纪40年代后期，科学家又用电子显微镜观察，并通过计算得出DNA 分子的直径约为2 nm。
3．1951年，奥地利科学家查哥夫(E.Chargaff,1905—2002)在定量分析几种生物DNA分子的碱基组成后，发现DNA分子中腺嘌呤(A)的量总与胸腺嘧啶(T)的量相当，鸟嘌呤(G)的量总与胞嘧啶(C)的量相当。
4．1952年，英国科学家富兰克林获得了一张DNA分子X射线衍射图片(图2－2－1)。
她通过解析，推断DNA分子可能由两条链组成。
5．1953年，两位年轻科学家沃森和克里克，提出了DNA分子的双螺旋结构模型。
二、DNA分子的双螺旋结构模型1．平面结构2．立体结构(1)DNA分子的立体结构由两条脱氧核苷酸链组成，这两条链按照反向平行的方式盘旋成双螺旋结构；(2)DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在双螺旋结构的外侧，构成DNA分子的基本骨架；(3)DNA分子两条链上的碱基，通过氢键连接成碱基对，排列在双螺旋结构的内侧。
(4)DNA分子中碱基配对有一定的规律：A与T配对，G与C配对。
碱基之间的这种一一对应关系，称为碱基互补配对原则(the principle of complementary base pairing)。
(5)在碱基对中，A和T之间形成两个氢键，G和C之间形成三个氢键(图2－2－4)。
分子生物学基础第二章DNA的结构、复制和修复 第四节原核生物和真核生物DNA的复制特点
第四节 原核生物和真核生物DNA的复制特点
第四节 原核生物和真核生物DNA的复制特点
二、真核生物DNA的复制特点 1．真核细胞的每条染色体含有多个复制起始点。复制子的大小 变化很大，约5-300kbp。复制可以在几个复制起始点上同时进行，复 制起始点不是一成不变的。在发育过程中，活化的细胞有更多的复制 起始点。例如，果蝇在胚胎发育早期，其最大染色体上有6000个复制 叉，大约每10 kbp就有一个。 2．真核生物染色体在全部复制完成之前，各个复制起始点不能 开始新一轮的复制。而原核生物中，复制起始点上可以连续开始新的 复制事件，表现为一个复制子内套叠有多个复制叉。 3 ． 真 核 生 物 DNA 的 复 制 子 被 称 为 自 主 复 制 序 列 （ ARS）， 长 约 150bp左右，含有几个复制起始必须的保守区。并且其复制起始需起 点识别复合物（ORC）参与，并需ATP。真核生物复制叉的移动速度大 约 只 有 5 0 bp/s， 还 不 到 大 肠 杆 菌 的 1 / 2 0 。 因 此 ， 人 类 DNA 中 每隔 3x104~3x105就有一个复制起始位点。
第四节 原核生物和真核生物DNA的复制特点
4．真核生物有多种DNA聚合酶，分别为在真核细胞中主要有5种 DNA聚合酶，分别称为DNA聚合酶α、β、γ、δ和ε，真核细胞的 DNA聚合酶和细菌DNA聚合酶基本性质相同，均以dNTP为底物，需Mg2+ 激活，聚合时必须有模板链和具有3´–OH末端的引物链，链的延伸方 向为5´→3´。但真核细胞的DNA聚合酶一般都不具有核酸外切酶活性， 推测一定有另外的酶在DNA复制中起校对作用。DNA聚合酶α的功能主 要是引物合成。DNA聚合酶β活性水平稳定，可能主要在DNA损伤的修 复中起作用。DNA聚合酶δ是主要负责DNA复制的酶，参与先导链和滞 后链的合成。而DNA聚合酶ε的主要功能可能是在去掉RNA引物后把缺 口补全。
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* 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10％～15％
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
传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组RNA、蛋白质外壳）
碱基是平面的
C、主链是亲水的，侧链（碱基）是疏水的
主链的脱氧核糖的羟基能与水形成氢键，
而磷酸基团在生理条件下离解为负离子
这些特点保证了多核苷酸链可形成稳定的构象
4、 一级结构的概念 指DNA分子中的核苷酸排列顺序 不同生物借此贮存遗传信息 决定DNA的二级结构和高级结构
第三节 DNA的二级结构
一、 DNA双螺旋模型（double helix model）
A
B
Z
A-DNA、B-DNA和Z-DNA的一些结构特征
A-DNA 螺旋方向 右手性 每圈螺旋的碱基数 11 每一碱基对的上升距离 0.255 nm 螺距 2.8 nm 碱基对的倾斜度 200 每一碱基对旋转的角度 330 B-DNA 右手性 10 0.34 nm 3.4 nm 60 360 Z-DNA 左手性 12 0.37 nm 4.5 nm 70 600
第二章
DNA的结构
第一节 遗传物质的本质 第二节 核酸的化学组成 第三节 DNA的二级结构 第四节 DNA的物理化学性质
第五节 超螺旋和拓扑异构
第一节 遗传物质的本质
一、DNA携带两类不同的遗传信息
a 、 编 码 蛋 白 质 和 RNA 的 信 息 ( 编 码 tRNA、 rRNA)
Pitch 34 Å 10.4 bp/turn
Width 20 Å
Twist 36°
◘ 大、小沟的差异
⊕ 大沟中碱基差异容易识别 ，往往是蛋 白质因子结合特异DAN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
* 维持稳定性的因素
l 氢键 (Hydrogen bond 4~6 kc / mol)
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单键 磷酸二酯键的两个P-O键、糖苷键、戊糖环各个键
戊糖的构象
A DNA
B DNA
A
B
Z
Base Inclination Handedness
A
B
Z
Z-DNA Phosphate Backbone is Kinked
碱基互补
C-G
T-A
*
双螺旋模型参数
· 直径20Å · 螺距为34Å（任一条链
绕轴一周所升降的距离）
· 每圈有10个核苷酸 （碱基） 两个碱基之间的垂直 距离是3.4Å。螺旋转 角是36度 · 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
Rise 3.4 Å
Minor Groove Major Groove
* 1953. Watsosn & Crick
右手 B- DNA Double helix Model
*
双螺旋的主链
• 每一单链具有 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
磷酸二酯链 (Phosphodiester Backbone)
朊粒增殖并不牵涉到编码与自我复制， 而是将脑中已存在的、由基因正常编码出 来的PrPc转化为与它自身不同的构象，因
此它的发现虽然一度冲击了经典遗传学理
论，但并未构成实质上的威胁。
人类朊病毒疾病、症状及发病机理
疾病
库 鲁 病 （Kuru）
医源性克雅 氏病(iCJD）
症状
共济失调、继发痴 呆 痴呆，共济失调
Ribose
Base
Pyrimidine (py) Thymine (T) Uracil (U) Cytosine (C)
Purin (pu) Aderine（A） Guanine (G)
一、 碱基、核苷、核苷酸
☉ 碱基 Nitrogenous bases
嘧啶 Pyrimidines
Uracil (U)
3’ 5’
3、 DNA一级结构的特点 a、脱氧核糖是其显著特点
－－－－DNA极其稳定的根本原因
DNA在高pH值时磷酸酯键非常稳定
只是碱基存在构像的变化变化
酮 在高pH时则稳定性很差
由于2‘－OH导致的水解
碱
OH
2’, 3’-环式单核苷酸 自由的 5’-OH
b、磷酸呈四面体构型，脱氧核糖呈折叠的五元环，
2、三螺旋DNA (Trible Helix DNA, T.S DNA)
（1）
发现和证实
D.S DNA model
1953 年 Watson & Crick
证明沿大沟存在多余的氢键给体与受体,潜在的专一 与DNA (蛋白质) 结合的能力---形成T.S DNA 可能性
1957 Felsenfeld等 发现一股为嘌呤，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) 三螺旋DNA的概念提出
3.4A° (0.34 nm/碱基对间距) ( 1 kc / mol —0.6kc / mol ) ×n
☆ 疏水作用力 (Hydrophobic interaction) (磷酸骨架, 氨基, 酮基周围水分子间的有序排列 ) 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. 即熵 值(Entrophy)ΔS上升-----热力学上的稳定态
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 传播
第二节 核酸的化学组成
Nucleic Acid (NA) Polynucleotide chain（poly Nt） Nucleotide（Nt）basic unit Mono-phosphate （Mp） nucleotide
dNTP
核糖核苷三磷酸缩写为NTP
碱基＋戊糖＝核苷
核苷＋磷酸＝核苷酸
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 (5’→3’) 5’-UCAGGCUA-3’ = UCAGGCUA 默认书写顺序5‘→3’
64个三联体密码子 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
Φx174 phage： 5386bp；结构基因用去5169bp 比例达96％
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 80~90 kc /
mol)
强键, 需酶促解链
l 0.2 mol / L Na+ 生理盐条件
消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力
l 碱基堆积力 (非特异性结合力)
☆ 范德华力（Van de waals force） (1.7A°/ 嘌呤环与嘧啶环 作用半径)
同上 同上 共济失调，常伴有 痴呆 共济失调，常伴有 痴呆
发病机理
通过同类相食（人） 传染
通过朊病毒污染的HGH， 或通过角膜移植
发现病例
约2600例
约80例
家族性克 雅氏病
零星发生克 雅氏病 克雅氏病新 突变体vCJD GS 综 合 症 （GSS）
PrP基因种系突变 体 细 胞 突 变 PrPc 自 发 转变为PrPsc？ 牛朊病毒传染？ PrP基因种系突变 PrP 基 因 种 系 突 变 （D178N和M129）
约100个家族
每年发生率约百万 分之一
46例 约50个家族 9个家族
致死性家族 睡眠隔离，接着失 失眠症（FFI） 眠，痴呆
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
此外还可有directed repeatitive sequence
---正向重复序列
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 EcoRⅠ的识别位点 5‘－－GAATTC－－3’
3‘－－CTTAAG－－5’
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?
致病原理：
①朊病毒蛋白有两种构象：细胞型（正常型PrPc）和 瘙痒型（致病型PrPsc）。 ②PrPsc可胁迫PrPc转化为PrPsc，实现自我复制，并 产生病理效应； ③基因突变可导致细胞型 PrPsc中的α螺旋结构不稳 定，至一定量时产生自发 性转化，β片层增加，最 终变为PrPsc型。
G＊G 、 A＊A 、
常见类型 两种异构体
G＊C＋
A＊T
H-DNA