第二章、染色体与 DNA

1. 第二章、染色体与 DNA • 1 染色体 • 2 DNA的结构 • 3 DNA的复制 • 4 原核生物和真核生物DNA的复制特点 • 5 DNA的修复 • 6 DNA的重组 • 7 DAN克隆概述

2. 1、染色体与 DNA • 所有生命体都具备代代相传的本领。然而，生物遗传的物质基础是什么? • DNA控制了生物的性状遗传 • 也有以核糖核酸(RNA)作为遗传物质的(如部分病毒)。 • 最新研究发现，有一类蛋白质也能控制生物的性状遗传。 • DNA或RNA，都是由很多个核苷酸连接而成的生物大分子，每个核苷酸又由磷酸、核糖和碱基3部分组成。

4. 存在于核酸中碱基的结构式 • 组成DNA分子的碱基只有4种，即腺嘌呤(A)，鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。 • 胸腺嘧啶(T)在DNA中，尿嘧啶（U）在RNA中。

5. 1 染色体

6. 1·1 染色体概述 • 19世纪中叶，发现染色体。 • 当细胞分裂时，每一条染色体都复制生成一条与母链完全一样的子链，形成同源染色体对。 • 原核生物DNA一般位于类核体上。细菌DNA是一条共价、闭合双链分子，通常也称为染色体。大肠杆菌一般情况下含有一条染色体。原核细胞都是单倍的。

7. 原核生物中一般只有一条染色体，且大都带有单拷贝基因；整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。（无内含子）原核生物中一般只有一条染色体，且大都带有单拷贝基因；整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。（无内含子）

8. 1·2 真核细胞染色体的组成 • 真核细胞的染色体由DNA、组蛋白、非组蛋白及部分RNA组成。其蛋白质与相应DNA的质量比约为2:1。 • 除了性细胞以外，真核细胞的染色体都是二倍体，而性细胞的染色体数目是体细胞的一半，称为单倍体。

9. 染色体特征:1、分子结构相对稳定;2、能够自我复制;3、能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程;4、能够产生遗传的变异。染色体特征:1、分子结构相对稳定;2、能够自我复制;3、能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程;4、能够产生遗传的变异。 • 染色体被大量蛋白质及核膜包围，DNA的转录和翻译在不同的空间和时间上进行，其基因表达调控与DNA的序列和染色体的结构有关。

10. 1·2·1蛋白质 • 染色体上的蛋白质主要包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成核小体。组蛋白分别为Hl、H2A、H2B、H3及H4。它们含有大量的赖氨酸和精氨酸。 • 非组蛋白包括酶类，收缩蛋白、骨架蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。

11. 1·2·2 DNA • 真核细胞基因组含有大量的重复序列，功能DNA序列大多被非功能DNA所隔开。许多DNA序列不编码蛋白质。真核细胞DNA序列可被分为3类: • (1)不重复序列 占DNA总量的40％－80％，长约750－2000bP。结构基因属于不重复序列。

12. (2)中度重复序列 占总DNA的10％～40％，各种rRNA、tRNA以及某些结构基因属于这一类。中度重复序列往往分散在不重复序列之间。 • (3)高度重复序列――卫星DNA 占总DNA的10％～60％，由6～100个碱基组成，在DNA链上串联重复高达数百万次。不转录。

13. 1·2·3 染色质和核小体

15. 1·3 原核生物基因组 • 原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少。注意染色体外遗传基因的概念：即细菌的质粒、真核生物的线粒体、高等植物的叶绿体等所含有的DNA和功能基因。

16. 原核细胞DNA的特点 • 1·3·1结构简练：原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不转录。而且，这些不转录DNA序列通常是控制基因表达的序列。 • 1·3·2 存在转录单元：原核DNA序列中功能相关的基因丛集在基因组的特定部位，形成转录单元，它们可被一起转录为可翻译多个蛋白质的mRNA分子，这种mRNA叫多顺反子mRNA。

17. 1·3·3 有重叠基因：在一些细菌和动物病毒中同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息。重叠基因主要有以下几种情况:(1)一个基因完全在另一个基因里面。 (2)部分重叠。(3)两个基因只有一个碱基对的重叠。 • 有的重叠基因的重叠部分翻译相同序列的肽段；有的翻译不同的肽段，这是因为翻译起点错位引起的。

18. 2、DNA的结构 • DNA是遗传的物质基础，基因是具有特定生物功能的DNA序列。研究DNA的分子结构，可以从化学键的水平解释DNA是怎样起遗传作用的；是如何来完成上一代的性状准确地在下一代表现出来这一过程的。

19. 2·1 DNA的一级结构 • DNA是高分子化合物，其基本单位是脱氧核苷酸。在所有的DNA分子中，磷酸和脱氧核糖是不变的，而含氮碱基是可变的，主要有4种：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。许许多多个脱氧核苷酸经3‘的羟基与5’的核苷三磷酸反应形成磷酸二酯键聚合而成为DNA链。

20. DNA通常以线性或环状形式存在，绝大多数DNA分子都由碱基互补的双链构成，有少数生物以单链形式存在，如某些噬菌体和病毒。DNA通常以线性或环状形式存在，绝大多数DNA分子都由碱基互补的双链构成，有少数生物以单链形式存在，如某些噬菌体和病毒。 • DNA的一级结构就是指4种核苷酸的连接及其排列顺序。

22. DNA具有严格的化学组成，还具有特殊的空间结构，它主要以有规则的双螺旋形式存在，其基本特点是:DNA具有严格的化学组成，还具有特殊的空间结构，它主要以有规则的双螺旋形式存在，其基本特点是: • (l)DNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的; • (2)DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧;

23. (3)两条链上的碱基通过氢键结合形成碱基对，它的组成规律是嘌呤与嘧啶配对。A－T, G－ C要很熟悉。 • 组成DNA分子的碱基虽然只有4种，碱基可以任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。DNA的ATGC的排列方式几乎是无限的。每个DNA分子所具有的特定的碱基排列顺序构成了DNA分子的特异性，不同的DNA链可以编码出完全不同的多肽

24. 2·2 DNA的二级结构 • DNA的二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。在生物活体中，DNA的高级结构，是时刻变化的。通常情况下，DNA的二级结构以大类存在: 右手螺旋（A－DAN、B－DNA）和左手螺旋（Z－DNA）。 • 通常情况下DAN的构象为B-DNA。 第二章

25. 当DNA处于转录状态时，DNA模板链与由它转录所得的RNA链间形成的双链就是A-DNA。当DNA处于转录状态时，DNA模板链与由它转录所得的RNA链间形成的双链就是A-DNA。 • Z－DNA构象在转录区上游离转录区近时，抑制转录；若离转录区远，可以增加转录区的负超螺旋程度促使转录。Z－DNA构象有转录起始的调节活性。

26. DNA的两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴构成螺旋结构。DNA的两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴构成螺旋结构。 • 多核苷酸的方向由核苷酸间的磷酸二酯键的走向决定，一条从5’→3’，另一条从3‘→5’。链间有螺旋型的凹槽，一条小沟;一条大沟。 • 两条链上的碱基以氢键相连，G与C配对，A与T配对。碱基对层叠于双螺旋的内侧。

27. 相邻碱基对平面之间的距离为0·34nm，以3·4nm为一个结构重复周期。相邻碱基对平面之间的距离为0·34nm，以3·4nm为一个结构重复周期。 • 核苷酸的磷酸基团与脱氧核糖在外侧，通过磷酸二酯键相连接而构成DNA分子骨架。 • 脱氧核糖环平面与纵轴大致平行。 • 双螺旋的直径为2·0nm。

30. 2.3 DNA的高级结构 • 超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类。

31. L=T+W，L是连接数－－环形DNA分子两条链间交叉的次数。只要链不断裂，L不变。T是双螺旋的交叉数；W是超螺旋数。L=T+W，L是连接数－－环形DNA分子两条链间交叉的次数。只要链不断裂，L不变。T是双螺旋的交叉数；W是超螺旋数。 • 如果一个DNA有5000bp，没有超螺旋形成时，W=0，L和T都是500。如果固定一端，另一端朝双螺旋方向旋转8圈后使两端封闭，则L=508，T依然是500，W就是8。从而可知，双螺旋DNA的松开导致负超螺旋，而拧紧则导致正超螺旋。

32. 拓扑异构体 • 闭环DNA的连接数L为一个拓扑学的量。只要链不断裂，L就不会变就是一个一个给定L值的闭环DNA分子拓扑异构体

33. 超螺旋能 • 超螺旋DNA分子比松散分子能量高。对于负超螺旋，这一能量会使DNA螺旋易于局部解旋，负超螺旋有利于需要解旋过程的进行，如转录起始和复制起始。

34. 拓扑异构酶 • 拓扑异构酶能够调控DNA分子超螺旋水平。为了改变DNA分子的L值，拓扑异构酶必须暂时断裂DNA分子的链来完成改变DNA分子的L值的作用。

35. 3 DNA的复制 • 生命的遗传实际上是染色体DNA自我复制的结果。 • 染色体DNA的自我复制是半保留复制，以亲代DNA分子为模板合成子代DNA。 • 细胞分裂时，通过DNA准确地自我复制(self-replication)，亲代细胞所含的遗传信息就原原本本地传送到子代细胞。

36. 亲代DNA以自身分子为模板来合成新的分子--准确地复制成两个拷贝(两个拷贝的双链中，其中一条来自亲代，另一条是新合成的），并分配到两个子代细胞中去，完成其遗传信息载体的使命。亲代DNA以自身分子为模板来合成新的分子--准确地复制成两个拷贝(两个拷贝的双链中，其中一条来自亲代，另一条是新合成的），并分配到两个子代细胞中去，完成其遗传信息载体的使命。

37. 3·l DNA的半保留复制机理 • DNA分子由两条多核苷酸链组成，一条链上的碱基G只能与另一条链上的C相配对，A只能与T相配对，所以，两条链是互补的，一条链上的核苷酸排列顺序决定了另一条链上的核甘酸排列顺序。 • DNA分子的每一条链都含有合成它的互补链所需的全部信息。

38. 复制过程：氢键断裂；解旋；每条链分别作为模板合成新链。新形成的两个DNA与原来DNA顺序一样。复制过程：氢键断裂；解旋；每条链分别作为模板合成新链。新形成的两个DNA与原来DNA顺序一样。 • 15N标记培养基，CsCl离心密度标记（0）；14N培养基培养3代。

39. 原核生物和真核生物DNA都是以半保留复制方式遗传的。DNA的这种半保留复制保证了DNA在代谢上的稳定性。经过许多代的复制，DNA多核苷酸链还完整地存在于后代而不被分解。原核生物和真核生物DNA都是以半保留复制方式遗传的。DNA的这种半保留复制保证了DNA在代谢上的稳定性。经过许多代的复制，DNA多核苷酸链还完整地存在于后代而不被分解。

40. 复制的起点、方向和速度 • 复制叉：复制时，双链解开成两股链分别进行，起点呈现叉子。 • (a)DNA改变双螺旋构象，解链酶解开双链，在单链DNA结合蛋白(SSB)和DNA聚合酶III的共同作用下合成先导链。

41. 复制叉进一步打开，RNA引物与DNA另一条链相结合。复制叉进一步打开，RNA引物与DNA另一条链相结合。 • (b)滞后链合成时，产生冈崎片段。 • (c)复制叉继续前进，DNA引物酶合成新的RNA引物，与DNA单链相结合准备引发合成新的冈崎片段。

43. DNA的复制是由固定的起始点开始的。一般把生物体的复制单位称为复制子(replicon)。DNA的复制是由固定的起始点开始的。一般把生物体的复制单位称为复制子(replicon)。 • 一个复制子只含一个复制起点。细菌、病毒和线粒体的DNA分子都是由单个复制子完成复制的。 • 真核生物基因组则同时在多个复制起点上进行复制，它们的基因组包含有多个复制子。

45. DNA的复制从固定的起始点开始。 • 复制起点为固定的序列，这个固定的序列被参与复制起始的特殊蛋白质所识别。 • 复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。

47. 3·3 复制的几种主要方式 • 不同生物体内DNA各不相同(大、小、线性、环状)，功能也不一样(保守、活跃)，反映在复制方式上就有差别。

48. 1线性DNA双链的复制 • 复制叉生长方式有单一起点的单向(如腺病毒)。

49. 3．3．2 环状和多个起始点的双向复制。 • 环状双向复制(如环状细菌)。 • 多个起始点的双向复制（真核生物）。

50. 4 原核生物和真核生物DNA的复制特点 4·1 原核生物DNA的复制特点 4.2真核生物DNA的复制特点 4·3 DNA复制的调控