DNA的结构与复制

（一） DNA的结构

1、遗传物质在细胞内的存在形式及组成

-细胞水平

真核微生物有细胞核，原核微生物只有核区。

细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的，例如,酿酒酵母、黑曲霉等真菌一般是单核的;有的如粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）和米曲霉（A.oryzae）是多核的;藻状菌类真菌和放线菌类的菌丝细胞是多核的,而孢子则是单核的;在细菌中,杆菌细胞内大多存在两个核质体,而球菌一般只有一个。

细胞核水平

真核生物有完整形态的核,核内DNA与组蛋白结合成显微镜下可见的染色体;原核微生物无核膜包裹,呈松散的核质体状态,DNA不与蛋白质相结合。-除了它们具有集中着大部分DNA的核或核质体外,在细胞质中还存在着一些能自主复制的核外遗传物质。微生物核外染色体的种类如下:

真核生物的质粒，细胞质基因(质体)；线粒体、叶绿体、中心体、

共生生物:卡巴颗粒

原核生物质粒：F因子、R因子、Col质粒、毒性质粒、代谢性质粒、隐秘质粒

染色体水平

染色体是由组蛋白与DNA构成的线状结构。染色体的数目在不同的生物中是不同的，染色体的倍数在同一生物的不同生活时期是不同的在不同生物体的每个细胞核内,往往有不同数目的染色体。

真核微生物常有较多的染色体,如Saccharomyces(酵母属)为17,Hansenula(汉逊酵母属)为4,Neurospora(脉孢菌属)为7等;而在原核生物中,每一个核质体只是由一个裸露的、光学显微镜下无法看到的环状染色体所组成。对原核生物来说,染色体水平实际上就是核酸水平。

---除染色体的数目外，染色体的套数也不同。如果在一个细胞中只有一套相同功能的染色体，它就是一个单倍体。在自然界中发现的微生物，多数都是单倍体的；包含有两套相同功能染色体的细胞，就称为双倍体。只有少数微生物如一般的Saccharomyces cerevisiae(酿酒酵母)的营养细胞以及由两个单倍体的性细胞通过接合或体细胞融合而形成的合子，才是双倍体。

核酸水平

从核酸的种类来看，绝大多数生物的遗传物质是DNA，只有部分病毒的遗传物质才是RNA。在真核生物中，DNA总是缠绕着组蛋白，两者一起构成了复合物——染色体；而原核生物的DNA都是单独存在的。

在核酸的结构上，绝大多数微生物的DNA是双链的，只有少数病毒为单链结构，例如E.coli的Φ×174和fd噬菌体等；RNA也有双链(大多数真菌病毒)与单链(大多数RNA噬菌体)之分。

DNA的长度因种而异：真核生物的DNA比原核生物的长得多，但不同生物间的差别很大。如酿酒酵母的DNA长约6.5mm，E.coli约1.1～1.4mm，枯草芽孢杆菌约1.7mm，Haemophilus influenzae(嗜血流感杆菌)约 0.832mm。

基因组（genome）：一个物种的单倍体的所有染色体及其所含的遗传信息的总称。碱基对（base pair ,bp），千碱基对（kb）百万或兆碱基对（Mb） 

-基因水平

基因是一个具有特定核苷酸顺序的核酸片段。每一个基因的分子量约为6.7×105Da，约含1000-1500bp( 碱基对)，每个细菌一般含有5，000—10，000个基因。基因极其编码蛋白的表示方法：

基因名称：hisG、lacZ分别表示组氨酸和半乳糖苷酶合成相关基因，其编码蛋白质表示为HisG；str链霉素抗性基因。

从基因的功能上来看，原核生物的基因是通过组成以下调控系统而发挥作用的：基因调控系统由操纵子（启动基因、操纵基因、结构基因）和调节基因组成。

 密码子水平

-遗传密码就是指DNA链上各个核苷酸的特定排列顺序。每个密码子(codon)是由3个核苷酸顺序所决定的，它是负载遗传信息的基本单位。各种生物都遵循着一套共同的密码。由于DNA上的三联密码子要通过转录成mRNA密码后才能与氨基酸相对应，因此，三联密码子一般都用mRNA上的3个核苷酸顺序来表示。由4种核苷酸组成三联密码子的方式可多达64种,用于决定20种氨基酸。

 核苷酸水平

核苷酸水平(即碱基水平)则可认为是一个最低突变单位或交换单位。在绝大多数生物的DNA组分中,都只含腺苷酸(AMP)、胸苷酸(TMP)、鸟苷酸(GMP)和胞苷酸(CMP)4种脱氧核苷酸,但也有少数例外,它们含有一些稀有碱基。例如E.coli的T偶数噬菌体的DNA上就含有少量的5-羟甲基胞嘧啶。

补充材料-微生物基因组结构的特点

1）原核生物（细菌、古生菌）的基因组特点：

染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；

基因组上遗传信息具有连续性；

基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数，一般不含内含子，遗传信息是连续的而不中断的；

功能相关的结构基因组成操纵子结构；

结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；

基因组的重复序列少而短；个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的rRNA和tRNA中也发现有内含子或间插序列。

原核生物的基因调控系统：是由一个操纵子(operon)和它的调节基因(regulator g ene)组成的。

一个操纵子又包含3种基因，即结构基因(structure gene)、操纵基因(opera tor)和启动基因(promotor)。

结构基因是通过转录和翻译过程来执行多肽(酶及结构蛋白)合成的，操纵基因是与结构基因紧密连锁在一起的，是阻遏蛋白的附着部位，它能控制结构基因转录的开放或关闭。

启动基因是转录的起始部位，是RNA多聚酶附着和启动的部位。操纵基因和启动基因不能转录RNA，不产生任何基因产物。

调节基因一般与操纵子有一定间隔距离(一般小于100个碱基)，它是调节操纵子中结构基因活动的基因。调节基因能转录出自己的mRNA,并经翻译产生阻遏蛋白,后者能识别和附着在操纵基因上。由于阻遏蛋白与操纵基因的相互作用可使DNA双链无法分开，阻挡了RNA聚合酶沿着结构基因移动，从而关闭了结构基因的转录。

2）真核微生物（啤酒酵母）的基因组特点；

典型真核染色体结构；啤酒酵母基因组大小为13.5×106bp，分布在16条染色体中。

没有明显的操纵子结构；

重复序列多；

有间隔区（即非编码区）和内含子序列。

2、原核生物的质粒

1）定义：

质粒（plasmid）是一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。

2）结构特点：

共价闭合环状的超螺旋双链DNA分子(covalently closed circle，简称CCC) ；1984年以后,在天蓝色链霉菌等放线菌中又发现携 带有抗生素合成基因的线形质粒。质粒分子量一般在10⁶～10⁸Da间,大小约为1%核基因组；大小：1kb--1000kb；（细菌质粒多在10kb以内）。

3）质粒的类型：

质粒是一种复制子(replicon)，根据质粒的宿主类型可分：

窄宿主范围质粒：只能在一种特定的宿主细胞中复制。

广宿主范围质粒：可以在许多种细菌中复制。

严紧型质粒：如果其复制与核染色体复制同步,称为严紧型质粒。在这类细胞中,一般只含1～2个质粒;

松弛型质粒：质粒的复制与核染色体的复制不同步,称为松弛型质粒,在这类细胞 中,一般含10～15个或更多质粒。少数质粒可以在不同菌株间发生转移,如F因子和R因子等。

最有代表性的几种细菌质粒简介如下:

（1）致育因子(fertility factor)：

性因子，F质粒，大小约100kb，最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。

携带F质粒的菌株称F+菌株，无F质粒的菌株称F-菌株。F因子的上面有编码细菌产生性菌毛及控制接合过程进行的20多个基因，其中有1/3的基因(tra区)与接合作用有关。

F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体。

（2）抗性因子（Resistance factor，R因子）

包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。-多数R因子是由相连的两个DNA片段组成：

RTF区(resistance transfer factor,抗性转移因子)：它含有调节DNA复制和拷贝数的基因及转移基因,有时还有四环素抗性基因(tet)。

抗性决定区(r-determinant)： 大小不固定,其上含有其他抗生素的抗性基因,例如抗青霉素(Pen)、安比西林(Amp)、氯霉素(Cam)、链霉素(Str)、卡那霉素(Kan)和磺胺(Sul)等基因。

R因子对多种抗生素有抗性,因此可作为筛选时的理想标记,也可用作基因载体。

（3）产细菌素的质粒

编码细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌Col质粒：细菌素为colicins（大肠杆菌素）。

4）毒性质粒（virulence plasmid）

致病菌的毒性质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。

产毒素大肠杆菌的许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。苏云金杆菌编码δ内毒素(伴孢晶体中)的质粒；根癌土壤杆菌可引起许多双子叶植物的根癌,它是由该菌的Ti质粒所引起的。当细菌侵入到植物细胞中后,把细菌的DNA释放至植物细胞中,此时,含有复制基因的Ti质粒的小片段与植物细胞中的核染色体组发生整合,破坏控制细胞分裂的激素调节系统,从而使它转变成癌细胞。

5）代谢质粒（Metabolic plasmid）

质粒携带有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等，也叫降解性质粒。

假单胞菌属(Pseudomonas)中发现。它们的降解性质粒可编码一系列能降解复杂物质的酶,从而能利用一般细菌所难以分解的物质作碳源。具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药、辛烷和樟脑等的能力，这些质粒以其所分解的底物命名。

巨大质粒（megaplasmid）:根瘤菌属的细菌，与共生固氮有关，分子量大2.0× 108-3.0× 108 。

6）隐秘质粒（cryptic plasmid）

不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，如用凝胶电泳。存在的生物学意义，目前几乎不了解。

在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因）。

（二） DNA的复制

贮存在DNA上的遗传信息都会转录到RNA上，通过RNA的翻译作用指导蛋白质的合成，最终依靠蛋白质体现遗传性状。

DNA复制的过程：

1.解旋：DNA双链氢键断裂，双链分开；

2.复制：以各自双链为模板，进行复制。

3.分配：新复制的核苷酸链与原来的一条核苷酸链按照碱基配对原则形成新的双链结构并分给子代。

注意：

1.复制过程必须有酶的参与；

如：解旋酶、聚合酶等。

2.解旋过程中，并不是完全断开后才开始复制，而是解开一段后，就进行复制。复制好的就开始形成双螺旋。

3.每个子代细胞都获得了亲代细胞的一个DNA单链。

三、DNA的复性与变性（自学）

四、RNA—— 核糖核酸。

RNA与DNA相似，不同之处是核糖及碱基。

RNA的碱基也有四个，为

U——尿嘧啶（DNA为T：胸腺嘧啶）

A——腺嘌呤

G——鸟嘌呤       

C——胞嘧啶

碱基对： U—A  A—U  G—C  C—G

RNA有四种：tRNA、rRNA、mRNA、反义RNA。

mRNA：信使RNA，带有氨基酸的信息密码（三联密码子），用于翻译氨基酸。

tRNA：转移RNA，带有与mRNA互补的反密码子，能识别氨基酸和mRNA的密码。

rRNA：核糖体RNA, 与蛋白质形成核糖体，作为蛋白质的合成场所。

反义RNA：起调节作用，主要决定mRNA的翻译速度。

五、蛋白质合成

共分成四个阶段

1.DNA的复制

细胞将某特定段DNA链进行复制。

2.mRNA的转录

DNA双链打开后，以单链为模板，按照碱基配对原则复制RNA。将DNA上的信息转给RNA。

3.翻译

由tRNA完成。通过反密码子与mRNA密码子的互补，tRNA破译氨基酸的密码，进而将所需氨基酸送到核糖体处。

4.蛋白质的合成

特定的碱基顺序密码送到核糖体，氨基酸按照顺序连接在一起，在酶的作用下形成多肽链，进而形成蛋白质，最终将遗传信息表达出来。