細(xì)胞生物學(xué)課件PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1基因組的維持基因組的維持 p 真核基因組的結(jié)構(gòu)真核基因組的結(jié)構(gòu)p 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及其調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及其調(diào)控p DNA的復(fù)制的復(fù)制 、修復(fù)和轉(zhuǎn)座、修復(fù)和轉(zhuǎn)座第1頁/共137頁真核基因組的結(jié)構(gòu)真核基因組的結(jié)構(gòu)4135uDNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能u核小體核小體u基因與基因組基因與基因組第2頁/共137頁第3頁/共137頁Section 1 DNASection 1 DNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能一、一、DNADNA的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu) 4種核苷酸的連接及排列順序 四種脫氧核糖核苷酸分別表示為： dAMP、dGMP、dTMP、dCMP第4頁/共137頁glycosidic bondphosph

2、oester bondNucleoside第5頁/共137頁 DNA DNA是雙螺旋的生物大分子。生物信息絕大部分都是雙螺旋的生物大分子。生物信息絕大部分都貯存在貯存在DNADNA分子中。分子中。 這些信息以核苷酸不同的排列順序編碼在這些信息以核苷酸不同的排列順序編碼在DNADNA分子分子上，核苷酸排列順序變了，它的生物學(xué)含義也就不同上，核苷酸排列順序變了，它的生物學(xué)含義也就不同了。了。 DNADNA的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu)就是指核苷酸在就是指核苷酸在DNADNA分子中的排列順分子中的排列順序。因此測定序。因此測定DNADNA的堿基排列順序是分子生物學(xué)的基本的堿基排列順序是分子生物學(xué)的基本課題之一

3、。課題之一。1.DNA1.DNA一級結(jié)構(gòu)中貯存的生物遺傳信息一級結(jié)構(gòu)中貯存的生物遺傳信息第6頁/共137頁DNADNA分子的多樣性分子的多樣性 堿基的排列順序，而構(gòu)成了堿基的排列順序，而構(gòu)成了DNADNA分子的多樣性分子的多樣性 100bp DNA 100bp DNA分子可能排列方式就是分子可能排列方式就是4 4100100 DNA DNA中的堿基排列順序是中的堿基排列順序是DNADNA分子的重要屬性分子的重要屬性第7頁/共137頁2 2、DNADNA一級結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)一級結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)第8頁/共137頁二、二、DNADNA的二級結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu)1 1）主鏈）主鏈p脫氧核糖和磷酸基相互連接構(gòu)成脫

4、氧核糖和磷酸基相互連接構(gòu)成DNADNA的主鏈。的主鏈。p從從化學(xué)鍵化學(xué)鍵的方向來看，雙螺旋中兩條多核苷酸的方向來看，雙螺旋中兩條多核苷酸鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?。鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械摹二條主鏈處于螺旋的外側(cè)，堿基處于螺旋的內(nèi)二條主鏈處于螺旋的外側(cè)，堿基處于螺旋的內(nèi)部，由于糖和磷酸根的化學(xué)性質(zhì)，主鏈?zhǔn)怯H水部，由于糖和磷酸根的化學(xué)性質(zhì)，主鏈?zhǔn)怯H水的。的。p兩條鏈形成兩條鏈形成右手螺旋右手螺旋，有共同的螺旋軸，螺旋，有共同的螺旋軸，螺旋的直徑是的直徑是20A20A。1.1.雙螺旋的基本特征雙螺旋的基本特征第9頁/共137頁Schematic modelSpace-filling model第10頁/共137頁 右

5、手雙螺旋構(gòu)象是右手雙螺旋構(gòu)象是DNADNA最為常見的結(jié)構(gòu)最為常見的結(jié)構(gòu)-B-B型型DNADNA。 DNA DNA二級結(jié)構(gòu)可分為兩大類：一類是右手螺旋，二級結(jié)構(gòu)可分為兩大類：一類是右手螺旋，如：如：B-DNAB-DNA、CDNACDNA、D-DNAD-DNA、E-DNAE-DNA、A-DNAA-DNA；另一類是局部的左手螺旋，即另一類是局部的左手螺旋，即Z-DNAZ-DNA。WatsonWatson和和CrickCrick于于19531953年根據(jù)年根據(jù)DNADNA纖維纖維X X射線晶體衍射線晶體衍射圖，提出了射圖，提出了DNADNA為右手雙螺旋結(jié)構(gòu)的科學(xué)假設(shè)為右手雙螺旋結(jié)構(gòu)的科學(xué)假設(shè)第11頁/

6、共137頁ABZ第12頁/共137頁第13頁/共137頁P(yáng)ropellerTwistBuckleTextbookTextbookReal LifeReal Life第14頁/共137頁 這兩種堿基對（這兩種堿基對（A/T,G/CA/T,G/C）有一個(gè)重要的特征，）有一個(gè)重要的特征，就是它們具有二次旋轉(zhuǎn)對稱性，即一對堿基對旋轉(zhuǎn)就是它們具有二次旋轉(zhuǎn)對稱性，即一對堿基對旋轉(zhuǎn)180180O O, ,并不影響雙螺旋的對稱性，并不影響雙螺旋的對稱性，因此雙螺旋結(jié)構(gòu)只因此雙螺旋結(jié)構(gòu)只限定了配對的方式，并不限定堿基的順序。限定了配對的方式，并不限定堿基的順序。 堿基環(huán)是一個(gè)共軛環(huán)，本身構(gòu)成一個(gè)平面分子。堿基環(huán)

7、是一個(gè)共軛環(huán)，本身構(gòu)成一個(gè)平面分子。在雙螺旋中這個(gè)平面垂直于螺旋軸，相鄰的兩個(gè)堿在雙螺旋中這個(gè)平面垂直于螺旋軸，相鄰的兩個(gè)堿基上下間隔基上下間隔3.4A,3.4A,每十對堿基組成一節(jié)螺旋每十對堿基組成一節(jié)螺旋，因此，因此雙螺旋的雙螺旋的螺距是螺距是34A34A。一條鏈中每個(gè)相鄰的堿基方向。一條鏈中每個(gè)相鄰的堿基方向相差相差36360 0。堿基之間的疏水作用可導(dǎo)致堿基堆集，這。堿基之間的疏水作用可導(dǎo)致堿基堆集，這個(gè)引力同堿基對之間氫鍵一起穩(wěn)定了雙螺旋結(jié)構(gòu)。個(gè)引力同堿基對之間氫鍵一起穩(wěn)定了雙螺旋結(jié)構(gòu)。第15頁/共137頁 沿螺旋軸方向觀察，配對的堿基并不充滿雙螺旋沿螺旋軸方向觀察，配對的堿基并不充

8、滿雙螺旋的空間。的空間。 由于堿基對的方向性，使得堿基對占據(jù)的空間是由于堿基對的方向性，使得堿基對占據(jù)的空間是不對稱的，因此在雙螺旋的表面形成二個(gè)凹下去的不對稱的，因此在雙螺旋的表面形成二個(gè)凹下去的槽，一個(gè)槽大些，一個(gè)槽小些分別稱為槽，一個(gè)槽大些，一個(gè)槽小些分別稱為大溝大溝和和小溝小溝。 雙螺旋表面的溝對雙螺旋表面的溝對DNADNA和蛋白質(zhì)的相互識別是很和蛋白質(zhì)的相互識別是很重要的，因?yàn)樵跍蟽?nèi)才能覺察到堿基的順序，而在重要的，因?yàn)樵跍蟽?nèi)才能覺察到堿基的順序，而在雙螺旋的表面，是脫氧核糖和磷酸重復(fù)結(jié)構(gòu)，沒有雙螺旋的表面，是脫氧核糖和磷酸重復(fù)結(jié)構(gòu)，沒有信息可言。信息可言。第16頁/共137頁第17

9、頁/共137頁 決定決定DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的因素主要有以下幾點(diǎn)：雙螺旋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的因素主要有以下幾點(diǎn)：氫鍵氫鍵堿基堆積力堿基堆積力帶負(fù)電荷的磷酸基的靜電斥力帶負(fù)電荷的磷酸基的靜電斥力堿基分子內(nèi)能堿基分子內(nèi)能第18頁/共137頁 DNA DNA三股螺旋構(gòu)型稱為三股螺旋構(gòu)型稱為H-DNAH-DNA，是在，是在DNADNA雙螺旋結(jié)雙螺旋結(jié)構(gòu)基堿上形成的。構(gòu)基堿上形成的。 它是雙螺旋它是雙螺旋DNADNA分子中一條鏈的某一節(jié)段，通過分子中一條鏈的某一節(jié)段，通過鏈的折疊與同一分子中鏈的折疊與同一分子中DNADNA結(jié)合而形成。結(jié)合而形成。 三條鏈均為三條鏈均為同型嘌呤同型嘌呤或或同型嘧啶同型嘧啶，即

10、整段的堿基，即整段的堿基均為嘌呤或嘧啶，其中兩條鏈為正常雙螺旋，第三均為嘌呤或嘧啶，其中兩條鏈為正常雙螺旋，第三條鏈位于條鏈位于雙螺旋的大溝雙螺旋的大溝中。中。 H-DNA H-DNA可在轉(zhuǎn)錄水平上阻止基因的轉(zhuǎn)錄，這就是可在轉(zhuǎn)錄水平上阻止基因的轉(zhuǎn)錄，這就是反基因策略，或稱反基因策略，或稱反基因技術(shù)反基因技術(shù)。2.2.三股螺旋三股螺旋DNADNA（H-DNAH-DNA）第19頁/共137頁第20頁/共137頁 當(dāng)當(dāng)DNADNA雙鏈中含有雙鏈中含有H H回文序列時(shí)，即某區(qū)段回文序列時(shí)，即某區(qū)段DNADNA兩條鏈分別為兩條鏈分別為HPuHPu和和HPyHPy，并且各自為，并且各自為回文結(jié)構(gòu)回文結(jié)構(gòu)時(shí)

11、，時(shí)，任一條回文結(jié)構(gòu)的任一條回文結(jié)構(gòu)的5 5和和3 3部分都可以形成分了子內(nèi)三部分都可以形成分了子內(nèi)三股螺旋結(jié)構(gòu)及剩余的半條回文結(jié)構(gòu)游離單鏈。真核股螺旋結(jié)構(gòu)及剩余的半條回文結(jié)構(gòu)游離單鏈。真核生物基因組中存在大量可形成生物基因組中存在大量可形成H-DNAH-DNA的多聚嘌呤核苷的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷序列。酸和多聚嘧啶核苷序列。它們位于：它們位于： 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)DNADNA復(fù)制起點(diǎn)或終點(diǎn)染色體重組位點(diǎn)，提復(fù)制起點(diǎn)或終點(diǎn)染色體重組位點(diǎn)，提示它們可能與基因表達(dá)調(diào)控示它們可能與基因表達(dá)調(diào)控DNADNA復(fù)制及染色體的重組復(fù)制及染色體的重組有關(guān)有關(guān)。第21頁/共137頁DNADNA的三級結(jié)構(gòu)指雙螺旋

12、鏈的扭曲。的三級結(jié)構(gòu)指雙螺旋鏈的扭曲。超螺旋超螺旋是是DNADNA三級結(jié)構(gòu)的一種形式，三級結(jié)構(gòu)的一種形式，DNADNA在核小在核小體中的扭曲方式也是一種超螺旋結(jié)構(gòu)。體中的扭曲方式也是一種超螺旋結(jié)構(gòu)。超螺旋的超螺旋的生物學(xué)意義生物學(xué)意義可能是：可能是：1.1.使使DNADNA分子體積變小，對其在細(xì)胞的包裝過程分子體積變小，對其在細(xì)胞的包裝過程有利。有利。2.2.影響雙螺旋的解鏈過程影響雙螺旋的解鏈過程, ,從而影響從而影響DNADNA分子與分子與其它分子其它分子( (如酶、蛋白質(zhì)、核酸如酶、蛋白質(zhì)、核酸) )之間的相互作之間的相互作用。用。三、三、DNADNA的三級結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu)第22頁/共13

13、7頁第23頁/共137頁第24頁/共137頁拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶or溴化乙錠溴化乙錠拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶or溴化乙錠溴化乙錠DNA扭曲與雙螺扭曲與雙螺旋相同（擰緊）旋相同（擰緊）DNA扭曲與雙扭曲與雙螺旋相反（松螺旋相反（松開）開）負(fù)超螺負(fù)超螺旋旋松弛松弛DNA正超螺旋正超螺旋在不同類型的在不同類型的拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶作用下，作用下，DNADNA的的可以在超螺旋和松弛可以在超螺旋和松弛DNADNA形式之間轉(zhuǎn)變。形式之間轉(zhuǎn)變。第25頁/共137頁拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶 （Topoisomerases）第26頁/共137頁第27頁/共137頁第28頁/共137頁DNA的拓?fù)洚悩?gòu)體可以通過電泳分離的

14、拓?fù)洚悩?gòu)體可以通過電泳分離n長度相同而連環(huán)數(shù)不同的共價(jià)閉合環(huán)狀長度相同而連環(huán)數(shù)不同的共價(jià)閉合環(huán)狀DNADNA分子叫做分子叫做DNADNA的拓?fù)洚悩?gòu)體的拓?fù)洚悩?gòu)體。n通過瓊脂糖凝膠電泳可以將它們彼此分開通過瓊脂糖凝膠電泳可以將它們彼此分開。松弛或有缺口的環(huán)狀松弛或有缺口的環(huán)狀線狀線狀超螺旋超螺旋溴乙錠（溴乙錠（EBEB）可以嵌）可以嵌入核酸分子的堿基對入核酸分子的堿基對平面之間，在紫外光平面之間，在紫外光照射下發(fā)出橙黃色的照射下發(fā)出橙黃色的熒光，常作為染料檢熒光，常作為染料檢測核酸的存在。測核酸的存在。第29頁/共137頁1.1.信息量大，可以縮微；信息量大，可以縮微；2.2.表面互補(bǔ)，電荷互補(bǔ)

15、，雙螺旋結(jié)構(gòu)說明了精確復(fù)表面互補(bǔ)，電荷互補(bǔ)，雙螺旋結(jié)構(gòu)說明了精確復(fù)制機(jī)理；制機(jī)理；3.3.核糖的核糖的2 2脫氧，在水溶液中穩(wěn)定性好；脫氧，在水溶液中穩(wěn)定性好；4.4.可以突變，以求進(jìn)化（突變對個(gè)體是不幸的，進(jìn)可以突變，以求進(jìn)化（突變對個(gè)體是不幸的，進(jìn)化對群體是有利的）；化對群體是有利的）；5.5.有有T T無無U U，基因組得以增大，而無，基因組得以增大，而無C C脫氨基成脫氨基成U U帶來帶來的潛在危險(xiǎn)。（尿嘧啶的潛在危險(xiǎn)。（尿嘧啶DNADNA糖苷酶可以靈敏識別糖苷酶可以靈敏識別DNADNA中的中的U U而隨時(shí)將其剔除）。而隨時(shí)將其剔除）。四、四、DNADNA作為遺傳物質(zhì)的主要優(yōu)點(diǎn)作為遺傳

16、物質(zhì)的主要優(yōu)點(diǎn)第30頁/共137頁五、五、DNADNA的變性、復(fù)性和分子雜交的變性、復(fù)性和分子雜交1 1、DNADNA的變性（的變性（denaturationdenaturation）u DNA DNA 溶液溫度在高于生理溫度或者溶液溫度在高于生理溫度或者pHpH較高較高時(shí)，互補(bǔ)的兩條鏈就可以分開，這一過程叫時(shí)，互補(bǔ)的兩條鏈就可以分開，這一過程叫做做Denaturation (Denaturation (變性變性) )。u DNADNA變性：紫外吸收增加；變性：紫外吸收增加；u DNADNA的熱變性稱為的熱變性稱為DNADNA的的“融解融解”，50% 50% DNADNA分子解鏈的溫度稱為分子

17、解鏈的溫度稱為融點(diǎn)融點(diǎn)TmTm表示；表示；u 不同種類不同種類DNADNA有不同的有不同的TmTm值；值；u TmTm隨（隨（G + CG + C）%含量呈線性增加。含量呈線性增加。第31頁/共137頁第32頁/共137頁2 2、DNADNA的復(fù)性的復(fù)性DNADNA回復(fù)成雙鏈結(jié)構(gòu)，稱為回復(fù)成雙鏈結(jié)構(gòu)，稱為復(fù)性復(fù)性（renaturationrenaturation） 熱變性經(jīng)冷卻后即可復(fù)性，稱為熱變性經(jīng)冷卻后即可復(fù)性，稱為退火退火(annealing)(annealing)第33頁/共137頁3 3、DNA DNA 分子雜交分子雜交 (Hybridization) (Hybridization)

18、第34頁/共137頁第35頁/共137頁核小體是染色質(zhì)包裝的基本結(jié)構(gòu)單位核小體是染色質(zhì)包裝的基本結(jié)構(gòu)單位第36頁/共137頁Isolated from interphase nucleus: 30nm thickChromatin unpacked, show the nuclesome（）鋪展染色質(zhì)的（）鋪展染色質(zhì)的電鏡觀察電鏡觀察第37頁/共137頁(2)用非特異性用非特異性微球菌核酸酶微球菌核酸酶消化染色質(zhì)消化染色質(zhì),部分酶部分酶解片段檢測結(jié)果解片段檢測結(jié)果第38頁/共137頁由由X-射線晶體衍射射線晶體衍射(2.8A)所揭示的核小體三維結(jié)構(gòu)所揭示的核小體三維結(jié)構(gòu)（引自K.Luger等，

19、1997）第39頁/共137頁（）SV40SV40微小染色體分析與電鏡觀察微小染色體分析與電鏡觀察 第40頁/共137頁(2)組蛋白八聚體構(gòu)成核小體的盤狀核心結(jié)構(gòu)。組蛋白八聚體構(gòu)成核小體的盤狀核心結(jié)構(gòu)。第41頁/共137頁第42頁/共137頁第43頁/共137頁第44頁/共137頁核小體的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)要點(diǎn)示意圖核小體的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)要點(diǎn)示意圖（引自B.Alberts等） 在用微球菌核酸酶降解染色質(zhì)時(shí)，反應(yīng)早期可得到166bp的片段，但不穩(wěn)定；進(jìn)一步降解則得到146bp片段，比較穩(wěn)定。推測可能原因是失去H1后，DNA兩端各有10bp的DNA，易被核酸酶作用而降解。第45頁/共137頁第46頁/共137

20、頁第47頁/共137頁Section 3 Section 3 基因與基因組基因與基因組 基因基因：表達(dá)一種蛋白質(zhì)或功能：表達(dá)一種蛋白質(zhì)或功能RNARNA的基本單位。的基本單位。 基因組基因組：是指某種生物所包含的全：是指某種生物所包含的全套基因。套基因。人類基因組的人類基因組的C C值在值在3 310109 9 bp bp ； 病毒病毒含含10103 310105 5bpbp；細(xì)菌含；細(xì)菌含10105 510107 7bpbp；第48頁/共137頁基因與蛋白質(zhì)基因與蛋白質(zhì)1000bp(1kb)1000bp(1kb)編碼一個(gè)蛋白質(zhì)；編碼一個(gè)蛋白質(zhì)；病毒含病毒含4545個(gè)基因；個(gè)基因；大腸桿菌含大

21、腸桿菌含3000400030004000個(gè)基因；個(gè)基因；人類應(yīng)有人類應(yīng)有200300200300萬個(gè)基因（萬個(gè)基因（3 310109 9 bp )bp )，實(shí)際只有，實(shí)際只有1010萬個(gè)左右；萬個(gè)左右；病毒的基因數(shù)要比計(jì)算所得的大，因病毒的基因數(shù)要比計(jì)算所得的大，因?yàn)橛谢蛑丿B現(xiàn)象。為有基因重疊現(xiàn)象。第49頁/共137頁第50頁/共137頁第51頁/共137頁第52頁/共137頁第53頁/共137頁第54頁/共137頁第55頁/共137頁第56頁/共137頁Species Genome sizeSpecies Genome size SV40 5 SV40 5 10103 3bpbpE.col

22、iE.coli 4.6 4.610106 6bpbpYeast 2Yeast 210107 7bp bp Fruit fly 2Fruit fly 210108 8bpbpHuman 3Human 310109 9bpbp Some amphibian and Some amphibian and plants have larger plants have larger genome size than genome size than human.human.第57頁/共137頁C C值與值與C C值矛盾值矛盾第58頁/共137頁第59頁/共137頁第60頁/共137頁第61頁/共137頁

23、第62頁/共137頁Tandemly repeated genes encode identical or nearly identical proteins or functional RNAs.These genes are needed to meet the great cellular demand for their transcripts.第63頁/共137頁第64頁/共137頁第65頁/共137頁第66頁/共137頁第67頁/共137頁組蛋白在功能上分成兩組組蛋白在功能上分成兩組第68頁/共137頁第69頁/共137頁第70頁/共137頁第71頁/共137頁第72頁/共137頁

24、第73頁/共137頁第74頁/共137頁第75頁/共137頁第76頁/共137頁第77頁/共137頁第78頁/共137頁 3. 染色體的骨架放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型染色體的骨架放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型 (scaffold radial loop structure model) 第79頁/共137頁Evidence for Scaffold Radial Loop ModelEvidence for Scaffold Radial Loop Model第80頁/共137頁第81頁/共137頁第82頁/共137頁第83頁/共137頁第84頁/共137頁第85頁/共137頁第86頁/共137頁第87頁/共137頁第8

25、8頁/共137頁第89頁/共137頁第90頁/共137頁第91頁/共137頁對不同對不同LysLys位點(diǎn)甲基化位點(diǎn)甲基化產(chǎn)生不同的染色質(zhì)狀產(chǎn)生不同的染色質(zhì)狀態(tài)態(tài)A: A: 代表轉(zhuǎn)錄激活代表轉(zhuǎn)錄激活R: R: 代表轉(zhuǎn)錄抑制代表轉(zhuǎn)錄抑制第92頁/共137頁第93頁/共137頁H3K9、H3K27、H4K20:該該位點(diǎn)甲基化調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，位點(diǎn)甲基化調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，是異染色質(zhì)的標(biāo)志。是異染色質(zhì)的標(biāo)志。第94頁/共137頁第95頁/共137頁第96頁/共137頁結(jié)合，只是隨著轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行相結(jié)合，只是隨著轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行相應(yīng)的核小體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一系列的應(yīng)的核小體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一系列的變化。變化。第97頁/共137頁第98頁/共137頁第99頁/共137頁活性染色質(zhì)活性染色質(zhì)很少有組蛋白很少有組蛋白H1與其