DNA及染色體的結(jié)構(gòu)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1DNA及染色體的結(jié)構(gòu)及染色體的結(jié)構(gòu)第1頁/共97頁 基因組（genome）：是指細(xì)胞或生物體的全套遺傳物 質(zhì)，即生物體維持配子或配子體正常功能的全套染色體 所含的全部基因（DNA）。 比如人基因組的全長(zhǎng)為大約3 X 109對(duì)堿基，編碼 3-4萬個(gè) 蛋白分子細(xì)菌或噬菌體、病毒單個(gè)染色體中所含的全部基因（DNA）第2頁/共97頁第3頁/共97頁 染色體DNA成分占80，其余為RNA和蛋白質(zhì) 4.6 x 106bp的基因組DNA 與多種DNA結(jié)合蛋白組裝成 的染色體 基因組DNA為雙鏈環(huán)狀，總長(zhǎng)度為11001400m，1400 個(gè)基因都已定位大腸桿菌的遺傳物質(zhì)第4頁/共97頁 質(zhì)粒DNA （

2、plasmid DNA） 細(xì)菌中另一類遺傳物質(zhì)環(huán)狀DNA，存在于染色體之外，能自我復(fù)制質(zhì)粒也攜帶許多基因，如：抗生素抗性基因第5頁/共97頁第6頁/共97頁第7頁/共97頁第8頁/共97頁第9頁/共97頁 C值（C-value）：在真核生物中，每種生物的單倍體 基因組的DNA總量總是恒定的，稱為C-值 C值是每種生物的一個(gè)特征，不同生物之間差別很大低等真核生物中與形態(tài)學(xué)復(fù)雜程度相關(guān)，但高等真核生物中變化很大 C值反?，F(xiàn)象（C-value paradox C值謬誤）：形態(tài)學(xué)的復(fù)雜程度與C值的不一致第10頁/共97頁動(dòng)物真菌等細(xì)菌植物陰影部分為一個(gè)門內(nèi)C-值的范圍第11頁/共97頁 持家基因（ho

3、usekeeping gene）：有些基因是在所有細(xì)胞類型中都表達(dá)的，即這些基因的功能為所有細(xì)胞所必需（或稱組成型基因 constitutive gene） 奢侈基因（luxury gene）：僅在某種特定類型的細(xì)胞中表 達(dá)的基因第12頁/共97頁 * 真核DNA組蛋白 核小體 * 核小體折疊壓積 染色質(zhì)（chromatin） （其它的蛋白質(zhì)和RNA） * 大部分細(xì)胞生活周期里以染色質(zhì)的形式存在（彌散狀） M期染色體形式 * 染色質(zhì)有兩種型 a、常染色質(zhì)：密度較低，能被表達(dá) b、異染色質(zhì)：密度較高，不被表達(dá)（著絲粒、端粒）第13頁/共97頁第14頁/共97頁第15頁/共97頁組組蛋蛋白白與與D

4、NA的的結(jié)結(jié)合合核小體第16頁/共97頁第17頁/共97頁從DNA到染色體的過程Compaction ratio = 8000第18頁/共97頁DNA （2nm）核小體鏈（ 11nm，每個(gè)核小體200bp）纖絲（ 30nm，每圈6個(gè)核小體）突環(huán)（ 150nm，每個(gè)突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結(jié)（ 300nm ，6個(gè)突環(huán)）螺旋圈（ 700nm，每圈30個(gè)玫瑰花）染色體（ 1400nm， 每個(gè)染色體含10個(gè)玫瑰花200bp）第19頁/共97頁第20頁/共97頁衛(wèi)星DNA（Satellite DNA）： 將DNA切成數(shù)百個(gè)堿基對(duì)的片段進(jìn)行超速離心時(shí)，由于富含AT的簡(jiǎn)單高度重復(fù)序列區(qū)段浮力密度較小，

5、因而很容易和總體DNA分開，即常在主要DNA帶的上面有一個(gè)次要的帶相伴隨a、分布于著絲點(diǎn), 端粒區(qū)（原位雜交）, 結(jié)構(gòu)基因兩側(cè) （根據(jù)重復(fù)頻率和大小又可分為衛(wèi)星、小衛(wèi)星和微衛(wèi)星DNA） b、往往沒有功能，不轉(zhuǎn)錄（著絲粒 紡錘體）第21頁/共97頁人類和其他動(dòng)物中：短的串聯(lián)重復(fù) 5-50 copies / genome而且有共同的核心序列，但同一群體中重復(fù)次數(shù)變動(dòng)很大，個(gè)體間長(zhǎng)度變化很大，可利用其得到DNA指紋圖譜（DNA finger printing） 數(shù)目可變的串聯(lián)重復(fù)或小衛(wèi)星 ( Variable number tandem repeats . VNTR ) 第22頁/共97頁 2、中度

6、重復(fù)序列 10-104 copies 非洲爪蟾的18S、28S rRNA ，不轉(zhuǎn)錄區(qū)間隔 3、 不重復(fù)序列：一個(gè)或幾個(gè)拷貝 第23頁/共97頁 4、反向重復(fù)序列（inverted repeatitive sequence or inverted repeats IR，又稱回文序列）：指兩段同樣的核苷酸序列同時(shí)存在于一個(gè)分子中，但具有相反的方向 * 較短的回文序列可能是作為一種信號(hào) 如：限制性內(nèi)切核酸酶的識(shí)別位點(diǎn) 一些調(diào)控蛋白的識(shí)別位點(diǎn)（轉(zhuǎn)錄終止） 第24頁/共97頁C第25頁/共97頁反向重復(fù)序列間的間隔較短或無間隔反向重復(fù)序列間的間隔較長(zhǎng)第26頁/共97頁割裂基因（splitting gen

7、e） 不連續(xù)基因（discontinuous gene ） 斷裂基因（interrupted gene）概念：編碼某一RNA的基因中有些序列并不出現(xiàn)在成熟 的RNA序列中，成熟RNA的序列在基因中被其它的 序列隔開斷裂基因的發(fā)現(xiàn) 通過成熟mRNA（或cDNA）與編碼基因的DNA雜交試 驗(yàn)而發(fā)現(xiàn)第27頁/共97頁第28頁/共97頁斷裂基因前體mRNAIntrons 去除Exons 連接第29頁/共97頁第30頁/共97頁核酸核苷酸核苷磷酸堿基戊糖第31頁/共97頁OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脫氧核糖第32頁/共97頁嘧啶Pyrimidines嘌呤

8、Purines 一、 含氮堿基、核苷、核苷酸 堿基Nitrogenous basesUracil (U)第33頁/共97頁 核苷（nucleotide）糖苷鍵Glycosidic bond嘧啶的1位N原子、嘌呤的9位N原子核糖是戊糖 RNA核糖核苷 DNA脫氧核糖核苷第34頁/共97頁19 核苷酸（nucleotide acid）核苷的磷酸酯 脫氧核糖核苷酸 核糖核苷酸Deoxynucleotides 其中和、和之間是高能磷酸鍵dNTP第35頁/共97頁Ribonucleotides 核糖核苷三磷酸縮寫為NTP第36頁/共97頁腺嘌呤核苷酸（ AMP） Adenosine monophosph

9、ate脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP） Deoxyadenosine monophosphate鳥嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HOH第37頁/共97頁 二、DNA分子的一級(jí)結(jié)構(gòu) (DNA sequence)1、 多聚核苷酸鏈 主鏈?zhǔn)呛颂呛土姿?側(cè)鏈為堿基由3,5磷酸二酯鍵連接2、 鏈的方向：同一個(gè)磷酸基的3酯鍵到5酯鍵的方向 (53) 5-UCAGGCUA-3 = UCAGGCUA 默認(rèn)書寫順序5335第38頁/共97頁 DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)53OHOHOH53RNA一級(jí)結(jié)構(gòu)第39頁

10、/共97頁3、 DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) a、脫氧核糖是其顯著特點(diǎn) DNA穩(wěn)定的根本原因DNA在高pH值時(shí)磷酸酯鍵非常穩(wěn)定只是堿基存在構(gòu)象的變化酮式烯醇式酮式烯醇式第40頁/共97頁b、RNA 在高pH時(shí)則穩(wěn)定性很差OH自由的 5-OH 2, 3-環(huán)式單核苷酸堿由于2OH導(dǎo)致的水解第41頁/共97頁c、主鏈?zhǔn)怯H水的，側(cè)鏈（堿基）是疏水的 主鏈脫氧核糖的羥基能與水形成氫鍵，而磷酸基團(tuán)在生理?xiàng)l件下離解為負(fù)離子。 這些特點(diǎn)保證了多核苷酸鏈可形成穩(wěn)定的構(gòu)象。4、 一級(jí)結(jié)構(gòu)的概念 指DNA分子中的核苷酸排列順序 不同生物借此貯存遺傳信息 決定DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)第42頁/共97頁第43頁/共97頁*

11、提出 1953. Watson & Crick 右手 B- DNA Double helix Model 第44頁/共97頁P(yáng)hosphodiesterBackbone第45頁/共97頁C-GT-A 堿基互補(bǔ)第46頁/共97頁 直徑2nm * 雙螺旋模型（P34） 螺距為（任一條鏈 繞軸一周所升降的距離） 每圈有10個(gè)核苷酸 （堿基） 有大溝和小溝 配對(duì)堿基并不充滿雙 螺旋空間，且堿基對(duì) 占據(jù)的空間不對(duì)稱 兩個(gè)堿基之間的垂直 距離是，螺旋 轉(zhuǎn)角是36度第47頁/共97頁P(yáng)itch 3.4 nmRise0.34nm Width 2nmMajor GrooveMinor Groove10 bp/t

12、urn第48頁/共97頁 大、小溝的差異 大溝中堿基差異容易識(shí)別，往往是 蛋白質(zhì)因子結(jié)合特異DNA序列的位點(diǎn) 小溝相對(duì)體現(xiàn)的信息較少第49頁/共97頁二、 影響雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素 l 氫鍵 (Hydrogen bond 46 kc / mol) 弱鍵, 可加熱解鏈氫鍵堆積, 有序排列(線性, 方向) l 磷酸酯鍵 (phosphoester bond 8090 kc / mol)強(qiáng)鍵, 需酶促解鏈 * 維持穩(wěn)定性的因素第50頁/共97頁第51頁/共97頁l 堿基堆積力 (非特異性結(jié)合力) 范德華力（Van de waals force） (1.7A/ 嘌呤環(huán)與嘧啶環(huán) 作用半徑)(0.34

13、nm/堿基對(duì)間距)3.4A第52頁/共97頁 疏水作用力 (Hydrophobic interaction) 不溶于水的非極性分子在水中相互聯(lián)合, 成串結(jié)合的趨勢(shì)力，其中并無鍵的生成，即熵 值(Entrophy)S上升-熱力學(xué)上的穩(wěn)定態(tài)。 成為堿基間的部分堆積力 (磷酸骨架, 氨基, 酮基周圍水分子間的有序排列 )第53頁/共97頁l 磷酸基團(tuán)間的靜電斥力，將DNA 雙鏈分開 l 堿基內(nèi)能增加(溫度)，堿基排列有序狀態(tài)的破壞，從而減弱氫鍵結(jié)合力和堿基堆積力，破壞雙螺旋 * 不穩(wěn)定因素l 0.2 mol / L Na+ 生理鹽條件 消除DNA單鏈上磷酸基團(tuán)間的靜電斥力 第54頁/共97頁DNA結(jié)

14、構(gòu)的多態(tài)性：幾種不同的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)以及同 一種雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)參數(shù)存在差異的現(xiàn)象 原因：多核苷酸鏈的骨架含有許多可轉(zhuǎn)動(dòng)的單鍵 磷酸二酯鍵的兩個(gè)P-O鍵、糖苷鍵、戊糖環(huán)各個(gè)鍵第55頁/共97頁第56頁/共97頁第57頁/共97頁A-DNAZ-DNAB-DNAA B Z外型 粗短 適中 細(xì)長(zhǎng)螺旋方向 右手 右手 左手螺旋直徑 堿基直升 堿基夾角 000每圈堿基數(shù) 11 10 12軸心與堿基對(duì)關(guān)系堿基傾角 190 10 90糖苷鍵構(gòu)象 反式 反式 C、T反式，G順式大溝 很窄很深 很寬較深 平坦小溝 很寬、淺 窄、深 較窄很深第58頁/共97頁ABZHandednessBase Inclinatio

15、n第59頁/共97頁ABZ大溝寬小溝窄小溝窄大溝變深小溝寬深大溝不存在小溝窄而深第60頁/共97頁第61頁/共97頁螺旋超螺旋第62頁/共97頁一、超螺旋（superhelix or supercoil） 最早在SV40和多瘤病毒中發(fā)現(xiàn)超螺旋是所有線性或環(huán)形DNA共有的重要特征DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)指雙螺旋DNA分子通過扭曲和折疊所形成的特定構(gòu)象，包括不同二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用、單鏈和二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用以及DNA的拓?fù)涮卣?。?3頁/共97頁第64頁/共97頁1、 超螺旋結(jié)構(gòu)的方向性B-DNA緊纏overwinding (右旋) 正超螺旋（positive supercoiled ）導(dǎo)致左手

16、超螺旋第65頁/共97頁B-DNA松纏unwinding (左旋) 負(fù)超螺旋（Negative Supercoiled ）導(dǎo)致右手超螺旋第66頁/共97頁？第67頁/共97頁 DNA在水溶液中, 構(gòu)型偏B型狀態(tài) DNA以10 bp/helix為最穩(wěn)定構(gòu)型 小于10bp/helix 向正超螺旋發(fā)展(緊纏態(tài)) 大于10bp/helix 向負(fù)超螺旋發(fā)展(松纏態(tài)) 天然的DNA都是負(fù)超螺旋 但一些生命活動(dòng)過程中存在正超螺旋（DNA 復(fù)制）B-DNA的變化情況：第68頁/共97頁第69頁/共97頁L 連接數(shù)（Linking number ） 雙鏈DNA的交叉數(shù)， 不發(fā)生鏈斷裂時(shí)，L為定值T 盤繞數(shù)（Tw

17、isting number ） 雙鏈DNA的纏繞數(shù)，初級(jí)螺旋圈數(shù)W 超螺旋數(shù)（Writhing number） 直觀上為雙螺旋在空間的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)W= 負(fù)值（negative superhelix）W = 正值 ( positive superhelix） 第70頁/共97頁L=25,T=25,W=0松弛環(huán)形1152010523L=23,T=23,W=0解鏈環(huán)形15101520231510152025L=23,T=25,W=2負(fù)超螺旋121482316131510152023右手旋轉(zhuǎn)擰松兩匝后的線形DNA超螺旋的拓?fù)鋵W(xué)公式：L=T+W第71頁/共97頁第72頁/共97頁2、體外可產(chǎn)生正超螺旋 溴化乙

18、錠（Ethidium bromide EB） SV40的CCC分子a、EB的插入只改變盤繞數(shù)T使其降低 但L值不變WLTL值不變T值降低W正值產(chǎn)生正超螺旋第73頁/共97頁第74頁/共97頁 使使DNA形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入核中形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入核中； 推動(dòng)推動(dòng)DNA結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化以滿足功能上的需要。結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化以滿足功能上的需要。如負(fù)超螺旋分子所受張力會(huì)引起互補(bǔ)鏈分開導(dǎo)如負(fù)超螺旋分子所受張力會(huì)引起互補(bǔ)鏈分開導(dǎo)致局部變性，利于復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。致局部變性，利于復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。第75頁/共97頁第76頁/共97頁三、拓?fù)洚悩?gòu)酶l 拓?fù)洚悩?gòu)體：只在連接數(shù)上有差別的同種DNA分子稱為 這種DNA的拓

19、撲異構(gòu)體l 拓?fù)洚悩?gòu)酶（topoisomerase ）：催化DNA由一種拓?fù)洚?構(gòu)體轉(zhuǎn)變成另一種拓?fù)洚悩?gòu)體的酶類第77頁/共97頁 除連環(huán)數(shù)（L）不同外其他性質(zhì)均相同的DNA分子稱為拓?fù)洚悩?gòu)體（topoisomerase）。 DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶通過改變DNA的L值而影響其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 拓?fù)洚悩?gòu)酶I 通過使DNA的一條鏈發(fā)生斷裂和再連接，能使超螺旋DNA轉(zhuǎn)變成松弛型環(huán)狀DNA，每催化一次可消除一個(gè)負(fù)超螺旋，即L增加，反應(yīng)無需供給能量。 拓?fù)洚悩?gòu)酶II則剛好相反，可使松弛型環(huán)狀DNA轉(zhuǎn)變成負(fù)超螺旋DNA，每催化一次，L 減少，可引入負(fù)超螺旋。拓?fù)洚悩?gòu)酶II亦稱旋轉(zhuǎn)酶，它可以使DNA的兩條鏈同時(shí)斷裂和再

20、連接，當(dāng)它引入超螺旋時(shí)需要ATP提供能量。 細(xì)胞內(nèi)兩類拓?fù)洚悩?gòu)酶的含量受嚴(yán)格的控制，使細(xì)胞內(nèi)DNA保持在一定的超螺旋水平。第78頁/共97頁改變超螺旋的方式結(jié)合到一條鏈上形成復(fù)合物切斷一條鏈形成酶和DNA的復(fù)合體共價(jià)連接 Tyrosine-5P一條鏈穿越重新連接L=2L=3 1、拓?fù)洚悩?gòu)酶 (topoisomerase I) 結(jié)果：連接數(shù)增加一個(gè) (L+1)第79頁/共97頁 2、拓?fù)洚悩?gòu)酶 Top II 旋轉(zhuǎn)酶(gyrase) Top亞類之一 引入負(fù)超螺旋作用于雙鏈涉及雙鏈的 斷裂和連接即L 第80頁/共97頁 3、拓?fù)洚悩?gòu)酶的生物學(xué)功能 b、防止細(xì)胞DNA的過度超螺旋 多種拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用

21、嚴(yán)格控制體內(nèi)負(fù)超螺旋 維持在5%水平 種拓?fù)洚悩?gòu)酶的單向突變對(duì)細(xì)胞來說是致命的 因而一般兩種拓?fù)洚悩?gòu)酶的突變水平相當(dāng)a、恢復(fù)由一些細(xì)胞過程產(chǎn)生的超螺旋 如：復(fù)制叉前面正超螺旋的消除 轉(zhuǎn)錄酶前正超螺旋的消除，后面負(fù)超螺旋的產(chǎn)生第81頁/共97頁第82頁/共97頁第83頁/共97頁一、DNA分子的變性 1、變性（denaturation 或融解 melting）： DNA雙螺旋區(qū)的氫鍵斷裂，使雙螺旋的兩條鏈完全分開變成單鏈，這一鏈分離的過程叫做變性。條件：加熱，高pH，有機(jī)溶劑（ 尿素、 酰胺 )，低鹽濃度等 第84頁/共97頁 熔液黏度降低 沉降速度加大 浮力密度上升 此外吸收值升高（A260n

22、m），即增色效應(yīng) 指在DNA變性的過程中，它在260nm的吸收值先是緩慢 上升，達(dá)到某一溫度時(shí)及驟然上升 天然DNA和變性DNA的吸收值相差可達(dá)34第85頁/共97頁1.01.37OD Tm = of Ct = C0/2 = OD增加值的中點(diǎn)溫度(一般為85-95) 或DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)失去一半時(shí)的溫度熔解曲線與Tm值 第86頁/共97頁2、 常用的變性方法 熱變性 堿變性應(yīng)用廣泛，特別是用于變性動(dòng)力學(xué)研究 缺點(diǎn)：高溫引起磷酸二酯鍵的斷裂，得到長(zhǎng)短不一的單鏈pH時(shí)，全部氫鍵被淘汰無熱變性的缺點(diǎn)，為制備單鏈DNA的首選方法 保存單鏈DNA的條件 保持pH大于 鹽濃度低于第87頁/共97頁D.S D

23、NAS.S DNADenaturation Renaturation 復(fù)性過程依賴于單鏈分子間的隨機(jī)碰撞 二、DNA分子的復(fù)性 （anneal or renaturation） 概念：變性DNA在適當(dāng)條件下，兩條彼此分開的鏈又可以 重新地合成雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程（退火）復(fù)性DNA分子不一定是原有的一對(duì)互補(bǔ)鏈第88頁/共97頁 1、 影響DNA復(fù)性過程的因素 ： 陽離子濃度 0.18 0.2M Na+ 可消除靜電斥力 復(fù)性反應(yīng)的溫度 低于Tm值 25左右 (60-65) S.S. DNA 的初始濃度 C0DNA分子中，堿基排列情況（重復(fù)序列、單一序列） S.S. DNA分子的長(zhǎng)度（片段的大?。㏒.S. DNA愈長(zhǎng)S.S. DNA愈短 分子擴(kuò)散愈慢 復(fù)性愈慢 分子擴(kuò)散愈快 復(fù)性愈快第89頁/共97頁3-ATCTATGCTGTCAT-55-TAGATACGACAGTA-35-TAGATACGACAGTA-33-ATCTATGCTGTCAT-53-ATATATATATAT-55-