分子生物學(xué)染色體與DNA

1、第二章 染色體與DNA1 染色體2 DNA的結(jié)構(gòu)3 DNA的復(fù)制4 原核生物和真核生物DNA的復(fù)制特點5 DNA的修復(fù)6 DNA的轉(zhuǎn)座核酸種類和分布 脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）: 遺傳信息的貯存和攜帶者，生物的主要遺傳物質(zhì)。在真核細(xì)胞中，DNA主要集中在細(xì)胞核內(nèi)，線粒體和葉綠體中均有各自的DNA。原核細(xì)胞沒有明顯的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)，DNA存在于稱為擬核（nucleoid)的結(jié)構(gòu)區(qū)。每個原核細(xì)胞一般只有一個染色體，每個染色體含一個雙鏈環(huán)狀DNA。 核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）：主要參與遺傳信息的傳遞和表達(dá)過程，細(xì)胞內(nèi)的RNA主要存在于

2、細(xì)胞質(zhì)中，少量存在于細(xì)胞核中，病毒中RNA本身就是遺傳信息的儲存者，如逆轉(zhuǎn)錄病毒（retrovirus)。另外在植物中還發(fā)現(xiàn)了一類比病毒還小得多的侵染性致病因子稱為 類病毒（viroid)和擬病毒（virusoid or satellite RNA)，還發(fā)現(xiàn)有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。5-磷酸核苷酸的基本結(jié)構(gòu)OO（N = A、G、C、U、T）HH(O)H12NOHCH2HH543PO-OOO-核糖(pentose sugar )磷酸(phosphate) 堿基(nitrogenous base)堿基(base)、核苷(nucleoside)、核苷酸(nucleotide)的概

3、念和關(guān)系 Nitrogenous basePentose sugarHOCH2HOHDeoxyribose (in DNA)HOCH2HOOHRibose (in RNA)PhosphatePyrimidineCytosineThymineUracilCUTPurineAdenineGuanineAG核苷酸磷酸核苷戊糖堿基基本堿基結(jié)構(gòu)和命名嘌呤（purine)嘧啶(pyrimidine)Adenine (A)腺嘌呤Guanine (G)鳥嘌呤Cytosine (C)胞嘧啶Uracil (U)尿嘧啶Thymine (T)胸腺嘧啶1 染色體染色質(zhì)(chromatin)：是指細(xì)胞周期間期細(xì)胞核內(nèi)由D

4、NA、組蛋白、非組蛋白和少量RNA組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，因其易被堿性染料染色而得名。染色體(chromosome)：是指在細(xì)胞分裂期出現(xiàn)的一種能被堿性染料強(qiáng)烈染色，并具有一定形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征的物體， 攜帶很多基因的分離單位。只有在細(xì)胞分裂中才可見的形態(tài)單位。染色質(zhì)和染色體的概念人類基因組的23對染色體染色體作為遺傳物質(zhì)的特征分子結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定；能夠自我復(fù)制，使親、子代之間保持連續(xù)性；能指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成，從而控制整個生命過程；能產(chǎn)生遺傳的變異。染色體的組成組蛋白非組蛋白DNA 少量RNA不同生物基因組結(jié)構(gòu)特點（1） 基因組?。?） 結(jié)構(gòu)簡練（3） 存在含多順反子的轉(zhuǎn)錄單元原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點X174 D-

5、E-J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G、H D、E （4） 有重疊基因（Sanger 發(fā)現(xiàn)）基因內(nèi)基因 部分重疊基因 一個堿基重疊真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點（1）含有大量重復(fù)序列（2）功能DNA序列大多被非功能DNA所隔開（外顯子和內(nèi)含子）。（3）存在C值矛盾（C-value paradox) C值（C value)：單倍體基因組中DNA的總量 C值反常（C-value paradox)：一個有機(jī)體的C值與它的編碼能力缺乏相關(guān)性稱為 C值矛盾真核細(xì)胞DNA序列大致上可分為以下3類不重復(fù)序列：結(jié)構(gòu)基因中度重復(fù)序列：rRNAtRNA高度重復(fù)序列:衛(wèi)星DNA真核生物基因組的包裝DNA 核小體染色質(zhì)

6、染色體 2.3.1 核小體的概念核小體(nucleosome)：染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)亞基，由約200 bp的DNA和組蛋白八聚體所組成。當(dāng)分裂間期的細(xì)胞核懸浮于低離子強(qiáng)度的溶液中時，它們膨脹破裂，釋放出染色質(zhì)纖維（電鏡圖）染色質(zhì)是一串核小體2.3.2 核小體的結(jié)構(gòu)組成每個核小體含有約200bp的DNA，核心組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2份拷貝，1份拷貝的H1組蛋白位于核小體外側(cè)。微球菌核酸酶(micrococcal nuclease)處理染色體可得到單個核小體。用微球菌核酸酶處理染色質(zhì)可以釋放出單個核小體用蔗糖密度梯度離心分級核小體時，產(chǎn)生一系列分級峰值，分別與單體、二聚體、三聚體、四聚體等

7、對應(yīng)。提取DNA電泳時也存在這樣的對應(yīng)關(guān)系MonomersDimersTrimers TetramersTopBottom組蛋白與DNA的結(jié)合核小體核小體含有200 bp DNA和組蛋白核小體由等量的DNA和組蛋白（包括H1）組成每個核小體有2圈DNA核小體可能呈圓柱狀，兩圈DNA纏繞在它的表面核小體盤繞及染色質(zhì)示意圖從DNA到染色體10nm纖維30nm纖維真核生物染色體DNA組裝不同層次的結(jié)構(gòu)DNA （2nm）核小體鏈（ 10nm，每個核小體200bp）纖絲（ 30nm，每圈6個核小體）突環(huán)（ 150nm，每個突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結(jié)（ 300nm ，6個突環(huán)）螺旋圈（ 700nm，

8、每圈30個玫瑰花結(jié)）染色體（ 1400nm，2個染色單體， 每個染色體單體含10個螺旋圈） 2 DNA的結(jié)構(gòu) 3.1 核酸分子中的共價鍵3.2 DNA 一級結(jié)構(gòu) 3.3 DNA堿基組成的Chargaff規(guī)則3.4 DNA的二級結(jié)構(gòu)3.5 DNA的三級結(jié)構(gòu) 3.6 DNA與蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)55333.1 核酸分子中核苷酸之間的共價鍵3 -5 磷酸二酯鍵3.2 DNA 的一級結(jié)構(gòu) DNA分子中各脫氧核苷酸之間的連接方式（3-5磷酸二酯鍵）和排列順序叫做DNA的一級結(jié)構(gòu)，簡稱為堿基序列。一級結(jié)構(gòu)的走向的規(guī)定為53。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。 一級結(jié)構(gòu)的表示

9、法 結(jié)構(gòu)式，線條式，字母式53DNA一級結(jié)構(gòu)的表示法53結(jié)構(gòu)式53 p p p pOH3ACTG1線條式5 ACTGCATAGCTCGA 3字母式3.3 DNA堿基組成的Chargaff規(guī)則 Chargaff首先注意到DNA堿基組成的某些規(guī)律性，在1950年總結(jié)出DNA堿基組成的規(guī)律： 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，即 A=T。 鳥嘌呤和胞腺嘧啶的摩爾數(shù)也相等，即G=C。 含氨基的堿基總數(shù)等于含酮基堿基總數(shù)，即A+C=G+T。 嘌呤的總數(shù)等于嘧啶的總數(shù)，即A+G=C+T。 DNA一級結(jié)構(gòu)53DNA、RNAq 的一級結(jié)構(gòu)OHOHOH53RNA一級結(jié)構(gòu)3.4 DNA的二級結(jié)構(gòu)（1） DNA的雙螺旋

10、結(jié)構(gòu)(Watson-Crick模型)（2） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特征及意義（3） DNA雙螺旋的多態(tài)性（4）DNA的三股螺旋（tripkex）DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成53535353磷酸核糖堿基T-A堿基對C-G堿基對DNA的雙螺旋模型特點 a. 兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個假設(shè)的中心軸右旋相互盤繞而形成。 b. 磷酸和脫氧核糖單位作為不變的骨架組成位于外側(cè)，作為可變成分的堿基位于內(nèi)側(cè)，鏈間堿基按AT，GC配對（堿基配對原則，Chargaff定律） c. 螺旋直徑2nm，相鄰堿基平面垂直距離0.34nm,螺旋結(jié)構(gòu)每隔10個堿基對（base pair, bp）重復(fù)一次，間隔為3.4 nmA:an

11、gstrom 氫鍵 堿基堆集力 磷酸基上負(fù)電荷被胞內(nèi)組蛋白或正離子中和堿基處于疏水環(huán)境中DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定因素DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義 該模型揭示了DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特征，最有價值的是確認(rèn)了堿基配對原則，這是DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)，亦是遺傳信息傳遞和表達(dá)的分子基礎(chǔ)。該模型的提出是20世紀(jì)生命科學(xué)的重大突破之一，它奠定了生物化學(xué)和分子生物學(xué)乃至整個生命科學(xué)飛速發(fā)展的基石。DNA雙螺旋的不同構(gòu)象三種DNA雙螺旋構(gòu)象比較A-DNAZ-DNAB-DNAA B Z外型 粗短 適中 細(xì)長螺旋方向 右手 右手 左手螺旋直徑 2.55nm 2.37nm 1.84nm堿基直升 0.23n

12、m 0.34nm 0.38nm每圈堿基數(shù) 11 10 12堿基傾角 200 00 70大溝 很窄很深 很寬較深 平坦小溝 很寬、淺 窄、深 較窄很深螺旋和超螺旋電話線螺旋超螺旋3.5 DNA的三級結(jié)構(gòu)超螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的一種普遍形式，雙螺旋DNA的松開導(dǎo)致負(fù)超螺旋，而擰緊則導(dǎo)致正超螺旋。4 RNA的分子結(jié)構(gòu)4.1 RNA一級結(jié)構(gòu) 和類別4.2 tRNA 的分子結(jié)構(gòu)4.3 rRNA的分子結(jié)構(gòu)4.4 mRNA的分子結(jié)構(gòu)4.1.1 RNA的一級結(jié)構(gòu) RNA分子中各核苷之間的連接方式（3-5磷酸二酯鍵）和排列順序叫做RNA的一級結(jié)構(gòu)OHOHOH53 RNA與DNA的差異 DNA RNA糖 脫氧核糖 核糖堿基 AGCT AGCU 不含稀有堿基 含稀有堿基4.1.2 RNA的類別 信使RNA（messenger RNA，mRNA）：在蛋白質(zhì)合成中起模板作用； 核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）：與蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成核糖體（ribosome）, 核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所； 轉(zhuǎn)移RNA（transfer RNA，tRNA）：在蛋白質(zhì)合成時起著攜帶活化氨基酸的作用。4.2 tRNA 的結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)特征： 單鏈 三葉草葉形 四臂四環(huán)三級結(jié)構(gòu) 特征： 在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊扭曲形成倒L型tRNA的三級結(jié)構(gòu) 4.3 rRNA的分子結(jié)構(gòu)特征：單鏈，螺旋化程度較tRNA低 與蛋