微生物學(xué)簡(jiǎn)介

1、第二章 染色體與DNAn 染色體n DNA的結(jié)構(gòu)n DNA的復(fù)制n DNA的修復(fù)n DNA的轉(zhuǎn)座一、染色體（Chromosome) 內(nèi)容提要：細(xì)胞周期染色體與染色質(zhì)染色體的結(jié)構(gòu)和組成（ 原核生物 、 真核生物）核小體原核生物和真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較 （一）細(xì)胞周期（二）染色體與染色質(zhì)染色體（染色體（chromosome）是細(xì)胞在有絲分裂時(shí)遺傳物質(zhì)是細(xì)胞在有絲分裂時(shí)遺傳物質(zhì)存在的特定形式，是間期細(xì)胞染色質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密包裝的結(jié)存在的特定形式，是間期細(xì)胞染色質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密包裝的結(jié)果。果。真核生物的染色體在細(xì)胞生活周期的大部分時(shí)間里都是真核生物的染色體在細(xì)胞生活周期的大部分時(shí)間里都是以染色質(zhì)以染色質(zhì)(ch

2、romatin)的形式存在的。的形式存在的。染色質(zhì)是一種纖維狀結(jié)構(gòu)，叫做染色質(zhì)絲，它是由最基染色質(zhì)是一種纖維狀結(jié)構(gòu)，叫做染色質(zhì)絲，它是由最基本的單位本的單位核小體核小體(nucleosome)成串排列而成的。成串排列而成的。（三）染色體的結(jié)構(gòu)和組成原核生物(prokaryote) 組蛋白： H1 H2A H2B H3 H4非組蛋白核小體DNA蛋白質(zhì)染色體真核生物染色體的組成組蛋白的一般特性： 進(jìn)化上的保守性保守程度：H1 H2A、H2B H3 、H41、組蛋白無(wú)組織特異性肽鏈氨基酸分布的不對(duì)稱(chēng)性H5組蛋白的特殊性：富含賴氨酸（24%）組蛋白的可修飾性 在細(xì)胞周期特定時(shí)間可發(fā)生甲基化、乙?；⒘?/p>

3、酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修飾作用較普遍，H2B有乙?；饔谩1有磷酸化作用。所有這些修飾作用都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即降低組蛋白所有這些修飾作用都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即降低組蛋白所攜帶的正電荷。所攜帶的正電荷。這些組蛋白修飾的意義：一是改變?nèi)旧w的結(jié)構(gòu)，直接影響轉(zhuǎn)錄活性；二是核小體表面發(fā)生改變，使其他調(diào)控蛋白易于和染色質(zhì)相互接觸，從而間接影響轉(zhuǎn)錄活性。組蛋白的可修飾性1) DNA的變性和復(fù)性 變性（Denaturation) DNA雙鏈的氫鍵斷裂，最后完全變成單鏈的過(guò)程稱(chēng)為變性。 增色效應(yīng)(Hyperchromatic effect)在變性過(guò)程中，260nm紫外線吸收值先緩慢上升，當(dāng)達(dá)到

4、某一溫度時(shí)驟然上升，稱(chēng)為增色效應(yīng)。2、DNA融解溫度（Melting temperature Tm ) 變性過(guò)程紫外線吸收值增加的中點(diǎn)稱(chēng)為融解溫度。 生理?xiàng)l件下為85-95影響因素：G+C含量，pH值，離子強(qiáng)度，尿素，甲跣胺等復(fù)性（Renaturation) 熱變性的DNA緩慢冷卻，單鏈恢復(fù)成雙鏈。減色效應(yīng)（Hypochromatic effect) 隨著DNA的復(fù)性， 260nm紫外線吸收值降低的現(xiàn)象。 2) C值反?，F(xiàn)象（C-value paradox) C值是一種生物的單倍體基因組DNA的總量。 真核細(xì)胞基因組的最大特點(diǎn)是它含有大量的重復(fù)序列，而且功能DNA序列大多被不編碼蛋白質(zhì)的非功能

5、DNA所隔開(kāi)，這就是著名的“C值反?，F(xiàn)象”。 C值矛盾（四）核小體( (nucleosomenucleosome) )1、定義：用于包裝染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位，是由DNA鏈纏繞一個(gè)組蛋白核構(gòu)成的。 2、核小體的結(jié)構(gòu)核心顆粒、連接區(qū)DNA3、染色體的包裝超螺旋結(jié)構(gòu)6.8:140:11000:18000:1DNA double helixNucleosome (10 nm fiber)30 nm FiberLoops ILoops IIchromosome（五）原核生物和真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較 基因組很小，大多只有一條染色體 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)煉 存在轉(zhuǎn)錄單元(trnascriptional operon) 多

6、順?lè)醋?polycistron)X174 D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G H D EE.coli 色氨酸操縱子 9個(gè)順?lè)醋?9個(gè)酶 ( 第六章 )1、原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 有重疊基因（Sanger 發(fā)現(xiàn)）基因內(nèi)基因 部分重疊基因 一個(gè)堿基重疊2、真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)真核基因組結(jié)構(gòu)龐大 3109bp、染色質(zhì)、核膜單順?lè)醋踊虿贿B續(xù)性 斷裂基因（interrupted gene）、內(nèi)含子(intron)、 外顯子(exon)非編碼區(qū)較多 多于編碼序列(9:1) 含有大量重復(fù)序列 不重復(fù)序列/單一序列：在基因組中有一個(gè)或幾個(gè)拷貝。真核生物的大多數(shù)基因在單倍體中都是單拷貝的。如：

7、蛋清蛋白、血紅蛋白等 功能：主要是編碼蛋白質(zhì)。 中度重復(fù)序列：在基因組中的拷貝數(shù)為101104。 如：rRNA、tRNA 一般是不編碼蛋白質(zhì)的序列，在調(diào)控基因表達(dá)中起重要作用 高度重復(fù)序列：拷貝數(shù)達(dá)到幾百個(gè)到幾百萬(wàn)個(gè)。 衛(wèi)星DNA：A T含量很高的簡(jiǎn)單高度重復(fù)序列。二、DNA的結(jié)構(gòu)1 1） 概念概念 指4種脫氧核苷酸的連接及其排列順序， DNA序列是這一概念的簡(jiǎn)稱(chēng)。堿基序列1、 DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)2）特征：雙鏈反向平行配對(duì)而成脫氧核糖和磷酸交替連接，構(gòu)成DNA骨架，堿基排在內(nèi)側(cè)內(nèi)側(cè)堿基通過(guò)氫鍵互補(bǔ)形成堿基對(duì)（A：T，C：G）。3）DNA結(jié)構(gòu)的表示法2 2、DNA DNA 的二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu)1）

8、定義：指兩條多核苷酸鏈反向平行盤(pán)繞所產(chǎn)生的雙螺旋結(jié)構(gòu)。 繞DNA雙螺旋表面上出現(xiàn)的螺旋槽（溝），寬的溝稱(chēng)為大溝，窄溝稱(chēng)為小溝。大溝，小溝都、是由于堿基對(duì)堆積和糖-磷酸骨架扭轉(zhuǎn)造成的。 2）分類(lèi)：右手螺旋：A-DNA，B-DNA左手螺旋：Z-DNAABZABZ3、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)1）定義：指DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲盤(pán)繞所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。是一種比雙螺旋更高層次的空間構(gòu)象。2）主要形式：超螺旋結(jié)構(gòu)（正超螺旋和負(fù)超螺旋）線狀DNA形成的超螺旋環(huán)狀DNA形成的超螺旋拓?fù)洚悩?gòu)酶or溴化乙錠拓?fù)洚悩?gòu)酶or溴化乙錠DNA扭曲與雙螺旋相同（擰緊）DNA扭曲與雙螺旋相反（松開(kāi)）負(fù)超螺旋松弛DNA正超螺旋三、DN

9、A的復(fù)制DNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制內(nèi)容提要： DNA的半保留復(fù)制與DNA復(fù)制有關(guān)的物質(zhì) DNA的復(fù)制過(guò)程（大腸桿菌為例） DNA復(fù)制的其它方式真核生物中DNA的復(fù)制特點(diǎn)1、定義：由親代DNA生成子代DNA時(shí)，每個(gè)新形成的子代DNA中，一條鏈來(lái)自親代DNA，而另一條鏈則是新合成的，這種復(fù)制方式稱(chēng)半保留復(fù)制。（一）DNA的半保留復(fù)制（semi-conservative replication）Semi-conservative Conservative Dispersive2、實(shí)驗(yàn)證據(jù)（1958 Meselson 和Stahl ）： Matthew Messelson Fran

10、klin Stahl“Heavy” DNA“Hybrid” DNA“l(fā)ight” DNA “Hybrid” DNA3、DNA半保留復(fù)制的生物學(xué)意義： DNA的半保留復(fù)制表明DNA在代謝上的穩(wěn)定性，保證親代的遺傳信息穩(wěn)定地傳遞給后代。 （二）與DNA復(fù)制有關(guān)的物質(zhì)1、原料：四種脫氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、 dCTP、dTTP)2、模板：以DNA的兩條鏈為模板鏈，合成子代DNA3、引物：DNA的合成需要一段RNA鏈作為引物4、引物合成酶（引發(fā)酶）：此酶以DNA為模板合成一段RNA,這段RNA作為合成DNA的引物（Primer)。實(shí)質(zhì)是以DNA為模板的RNA聚合酶。 5、 DNA聚合酶:以D

11、NA為模板的DNA合成酶以四種脫氧核苷酸三磷酸為底物反應(yīng)需要有模板的指導(dǎo)反應(yīng)需要有3-OH存在DNA鏈的合成方向?yàn)? 3 性質(zhì) 聚合酶聚合酶 聚合酶3 5 外切活性+ + + +5 3 外切活性+-5 3 聚合活性+ 中+ 很低+ 很高新生鏈合成-+主要是對(duì)主要是對(duì)DNADNA損傷的修損傷的修復(fù)；以及復(fù)；以及在在DNADNA復(fù)制時(shí)復(fù)制時(shí)切除切除RNARNA引物并填補(bǔ)其引物并填補(bǔ)其留下的空隙。留下的空隙。修復(fù)紫外修復(fù)紫外光引起的光引起的DNADNA損傷損傷DNA DNA 復(fù)制的主要復(fù)制的主要聚合酶，還具有聚合酶，還具有3-5 3-5 外切酶的外切酶的校對(duì)功能，提高校對(duì)功能，提高DNADNA復(fù)制的

12、保真性復(fù)制的保真性原核生物中的DNA聚合酶(大腸桿菌） 定位 細(xì)胞核 細(xì)胞核 線粒體 細(xì)胞核 細(xì)胞核3-5外切 - - + + +酶活性功能引物引物 合成合成修復(fù)修復(fù)作用作用線粒體線粒體DNADNA的復(fù)制的復(fù)制核核DNADNA的復(fù)制的復(fù)制？真核生物中的DNA聚合酶 6、DNA連接酶（1967年發(fā)現(xiàn)）：若雙鏈DNA中一條鏈有切口，一端是3-OH，另一端是5-磷酸基，連接酶可催化這兩端形成磷酸二酯鍵，而使切口連接。 但是它不能將兩條游離的DNA單鏈連接起來(lái) DNADNA連接酶連接酶在在DNADNA復(fù)制、損傷修復(fù)、重組等過(guò)程復(fù)制、損傷修復(fù)、重組等過(guò)程中起重要作用中起重要作用3535OHOHP P7、

13、DNA 拓?fù)洚悩?gòu)酶(DNA Topisomerase)： 拓?fù)洚悩?gòu)酶：使DNA一條鏈發(fā)生斷裂和再連接，作用是松解負(fù)超螺旋。主要集中在活性轉(zhuǎn)錄區(qū)，同轉(zhuǎn)錄有關(guān)。例：大腸桿菌中的蛋白 拓?fù)洚悩?gòu)酶：該酶能暫時(shí)性地切斷和重新連接雙鏈DNA，作用是將負(fù)超螺旋引入DNA分子。同復(fù)制有關(guān)。 例：大腸桿菌中的DNA旋轉(zhuǎn)酶8、DNA 解螺旋酶 /解鏈酶（DNA helicase) 通過(guò)水解ATP獲得能量來(lái)解開(kāi)雙鏈DNA。 E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，還有解螺旋酶I、II、III。reprep蛋白沿蛋白沿3 3 55移動(dòng)，而解螺旋酶移動(dòng)，而解螺旋酶I I、IIII、IIIIII沿沿5 5 33移動(dòng)。移動(dòng)

14、。9、單鏈結(jié)合蛋白單鏈結(jié)合蛋白(SSBP-single-strand binding protein)：穩(wěn)定已被解開(kāi)的穩(wěn)定已被解開(kāi)的DNA單鏈，阻止復(fù)單鏈，阻止復(fù)性和保護(hù)單鏈不被核酸酶降解。性和保護(hù)單鏈不被核酸酶降解。（三）DNA的復(fù)制過(guò)程（大腸桿菌為例）n 雙鏈的解開(kāi)雙鏈的解開(kāi)n RNARNA引物的合成引物的合成n DNADNA鏈的延伸鏈的延伸n 切除切除RNARNA引物，填補(bǔ)缺口，連接相鄰的引物，填補(bǔ)缺口，連接相鄰的DNADNA片段片段1 1、雙鏈的解開(kāi)雙鏈的解開(kāi) DNA的復(fù)制有特定的起始位點(diǎn)，叫做復(fù)制原點(diǎn)。 ori(或o）、富含A、T的區(qū)段?；靖拍睿?從復(fù)制原點(diǎn)到終點(diǎn)，組成一個(gè)復(fù)制單位

15、，叫從復(fù)制原點(diǎn)到終點(diǎn)，組成一個(gè)復(fù)制單位，叫復(fù)制子復(fù)制子復(fù)制時(shí)，解鏈酶等先將DNA的一段雙鏈解開(kāi)，形成復(fù)制點(diǎn)，這個(gè)復(fù)制點(diǎn)的形狀象一個(gè)叉子，故稱(chēng)為復(fù)制叉復(fù)制叉復(fù)制叉復(fù)制叉復(fù)制叉復(fù)制方向和速度： 單單起點(diǎn)、起點(diǎn)、雙雙向等速向等速多多起點(diǎn)、起點(diǎn)、雙雙向等速向等速雙鏈解開(kāi)、復(fù)制起始大約20個(gè)DnaA蛋白在ATP的作用下與oriC處的4個(gè)9bp保守序列相結(jié)合在HU蛋白和ATP的共同作用下,Dna復(fù)制起始復(fù)合物使3個(gè)13bp直接重復(fù)序列變性,形成開(kāi)鏈解鏈酶六體分別與單鏈DNA相結(jié)合(需DnaC幫助),進(jìn)一步解開(kāi)DNA雙鏈2 2、RNARNA引物的合成引物的合成DnaB蛋白活化引物合成酶，引發(fā)RNA引物的合成

16、。引物長(zhǎng)度約為幾個(gè)至10個(gè)核苷酸，DNA的半不連續(xù)復(fù)制（semi-discontinuous replication) DNA復(fù)制時(shí)其中一條子鏈的合成是連續(xù)的，而另一條子鏈的合成是不連續(xù)的，故稱(chēng)半不連續(xù)復(fù)制。在DNA復(fù)制時(shí)，合成方向與復(fù)制叉移動(dòng)的方向一致并連續(xù)合成的鏈為前導(dǎo)鏈；合成方向與復(fù)制叉移動(dòng)的方向相反，形成許多不連續(xù)的片段，最后再連成一條完整的DNA鏈為滯后鏈。3 3、DNADNA鏈的延伸鏈的延伸 在DNA復(fù)制過(guò)程中，前導(dǎo)鏈能連續(xù)合成，而滯后鏈只能是斷續(xù)的合成53 的多個(gè)短片段，這些不連續(xù)的小片段稱(chēng)為岡崎片段。4 4、切除、切除RNARNA引物，填補(bǔ)缺口，連接相鄰的引物，填補(bǔ)缺口，連接相

17、鄰的DNADNA片段片段 （復(fù)制終止）（復(fù)制終止）在DNA聚合酶催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶催化合成一段DNA填補(bǔ)上；在DNA連接酶作用下，連接相鄰的DNA鏈雙鏈環(huán)狀、型復(fù)制、雙向等速（四）DNA復(fù)制的其它方式滾環(huán)型：?jiǎn)蜗驈?fù)制的特殊方式如：174的雙鏈環(huán)狀DNA復(fù)制型（RF）（1）模板鏈和新合成的鏈分開(kāi);（2）不需RNA引物，在正鏈3OH上延伸（3）只有一個(gè)復(fù)制叉; D環(huán)復(fù)制單向復(fù)制的特殊方式如：動(dòng)物線粒體DNA（五）真核生物中DNA的復(fù)制特點(diǎn)1、真核生物每條染色體上有多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，多復(fù)制子2、真核生物染色體在全部復(fù)制完之前,各個(gè)起始點(diǎn)不再重新開(kāi)始DNA復(fù)制；而在快速生長(zhǎng)的原

18、核生物中，復(fù)制起點(diǎn)可以連續(xù)開(kāi)始新的復(fù)制(多復(fù)制叉)。真核生物快速生長(zhǎng)時(shí)，往往采用更多的復(fù)制起點(diǎn)。3、真核生物有多種DNA聚合酶。四、DNA的修復(fù)DNA修復(fù)系統(tǒng)功能錯(cuò)配修復(fù)恢復(fù)錯(cuò)配堿基切除修復(fù)切除突變的堿基核甘酸切除修復(fù)修復(fù)被破壞的DNADNA直接修復(fù)修復(fù)嘧啶二體或甲基化DNA1、錯(cuò)配修復(fù)Dam甲基化酶使母鏈位于5GATC序列中腺甘酸甲基化甲基化緊隨在DNA復(fù)制之后進(jìn)行根據(jù)復(fù)制叉上DNA甲基化程度，切除尚未甲基化的子鏈上的錯(cuò)配堿基 根據(jù)母鏈甲基化原則找出錯(cuò)配堿基的示意圖發(fā)現(xiàn)錯(cuò)配堿基在水解ATP的作用下，MutS， MutL與堿基錯(cuò)配點(diǎn)的DNA雙鏈結(jié)合MutS-MutL在DNA雙鏈上移動(dòng)，發(fā)現(xiàn)甲基

19、化DNA后由MutH切開(kāi)非甲基化的子鏈 甲基化指導(dǎo)的錯(cuò)配修復(fù)示意圖錯(cuò)配堿基位于切口3下游端，錯(cuò)配堿基位于切口5上游端，2、堿基切除修復(fù)一些堿基在自發(fā)或悠變下會(huì)發(fā)生脫酰胺，然后改變配對(duì)性質(zhì)，造成氨基轉(zhuǎn)換突變n腺嘌呤變?yōu)榇吸S嘌呤與胞嘧啶配對(duì)n鳥(niǎo)嘌呤變?yōu)辄S嘌呤與胞嘧啶配對(duì)n胞嘧啶變?yōu)槟蜞奏づc腺嘌呤配對(duì)胞嘧啶去氨基生成尿嘧啶如果復(fù)制發(fā)生就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突變.糖甘水解酶識(shí)別改變了的堿基，把堿基從N-糖苷鍵處切下來(lái)，在DNA鏈上形成去嘌呤或去嘧啶位點(diǎn)，統(tǒng)稱(chēng)為AP位點(diǎn)。由AP磷酸內(nèi)切酶將受損核甘酸的糖甘-磷酸鍵切開(kāi)。DNA連接酶連接利用DNA聚合酶I切除損傷部位，補(bǔ)上核苷酸3、核苷酸切除修復(fù)1）通過(guò)特異的核酸內(nèi)

20、切酶識(shí)別損傷部位2）由酶的復(fù)合物在損傷的兩邊切除幾個(gè)核苷酸3） DNA 聚合酶以母鏈為模板復(fù)制合成新子鏈4）DNA連接酶將切口補(bǔ)平識(shí)別損傷部位損傷的兩邊切除幾個(gè)核苷酸DNA 聚合酶以母鏈為模板復(fù)制合成新子鏈DNA連接酶將切口補(bǔ)平4 、DNA的直接修復(fù)在DNA光解酶的作用下將環(huán)丁烷胸腺嘧啶二體和6-4光化物還原成為單體甲基轉(zhuǎn)移酶使O6-甲基鳥(niǎo)嘌呤脫甲基生成鳥(niǎo)嘌呤，防止G-T配對(duì)五、 DNA的轉(zhuǎn)座（一）基本概念：DNA的轉(zhuǎn)座：由可移位因子介導(dǎo)的遺傳物質(zhì)重排現(xiàn)象。轉(zhuǎn)座子（transposon）：存在與染色體DNA上可自主復(fù)制和位移的基本單位。（二）轉(zhuǎn)座子的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)特征原核生物轉(zhuǎn)座子的類(lèi)型：1、插入

21、序列(insertional sequence,IS)2、復(fù)合轉(zhuǎn)座子(composite transposon)3、TnA家族1、插入序列(IS)IS是最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)座子，不含有任何宿主基因，它們是細(xì)菌染色體或質(zhì)粒DNA的正常組成部分。 ：IS1 復(fù)合轉(zhuǎn)座子是一類(lèi)帶有某些抗藥性基因（或其他宿主基因）的轉(zhuǎn)座子，其兩翼往往是兩個(gè)相同或高度同源的IS序列 2、復(fù)合轉(zhuǎn)座子(composite transposon)(三）轉(zhuǎn)座作用的機(jī)制復(fù)制性轉(zhuǎn)座子非復(fù)制性轉(zhuǎn)座子反轉(zhuǎn)錄病毒整合入宿主DNA中的分子機(jī)制，其本質(zhì)是轉(zhuǎn)座IS-兩端有 IR，只編碼轉(zhuǎn)座酶類(lèi)轉(zhuǎn)座因子-結(jié)構(gòu)同 IS，但不能獨(dú)立存在，僅作為復(fù)合轉(zhuǎn)座子的兩端

22、組件復(fù)合轉(zhuǎn)座子-兩端由 IS 或類(lèi) IS 構(gòu)成，可編碼抗抗菌素物質(zhì)原核TnA 轉(zhuǎn)座子家族-兩端為 IR，可編碼轉(zhuǎn)座酶、解離酶和抗性物質(zhì)AC-Ds-植物（玉米）中的激活-解離因子轉(zhuǎn)座子P 因子-果蠅中父本因子，在 MP中導(dǎo)致雜種不育反轉(zhuǎn)錄病毒、RNA DNA整合宿主靶 DNATyCopia病毒超家族LINSL1（1）有長(zhǎng)末端重復(fù)序列（2）編碼反轉(zhuǎn)錄酶或整合酶（3）可含內(nèi)含子SINSB1/ Alu（1）無(wú)重復(fù)序列（2）不編碼轉(zhuǎn)座子產(chǎn)物（3）無(wú)內(nèi)含子轉(zhuǎn)座因子真核反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子非病毒超家族假基因復(fù)習(xí)題1、證明DNA是遺傳物質(zhì)的兩個(gè)關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)是：肺炎鏈球菌在老鼠體內(nèi)的毒性和T2噬菌體感染大腸桿菌。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中主要的論點(diǎn)證據(jù)是：（ ） (a)從被感染的生物體內(nèi)重新分離得到DNA，作為疾病的致病劑 (b)DNA突變導(dǎo)致毒性喪失 (c)生物體吸收的外源DNA（而并非蛋白質(zhì)）改變了其遺傳潛能 (d)DNA是不能