细胞生物学课件学习教案

1、会计学1第一页，共137页。基因组的维持基因组的维持(wich) p 真核基因组的结构真核基因组的结构(jigu)p 染色质结构染色质结构(jigu)及其调控及其调控p DNA的复制的复制 、修复和转座、修复和转座第1页/共137页第二页，共137页。真核基因组的结构真核基因组的结构(jigu)4135uDNA的结构与功能的结构与功能(gngnng)u核小体核小体u基因与基因组基因与基因组第2页/共137页第三页，共137页。第3页/共137页第四页，共137页。Section 1 DNASection 1 DNA的结构的结构(jigu)(jigu)与功能与功能一、一、DNADNA的一级结构的

2、一级结构(jigu)(jigu) 4种核苷酸的连接及排列顺序 四种脱氧核糖核苷酸分别(fnbi)表示为： dAMP、dGMP、dTMP、dCMP第4页/共137页第五页，共137页。glycosidic bondphosphoester bondNucleoside第5页/共137页第六页，共137页。 DNA DNA是双螺旋的生物是双螺旋的生物(shngw)(shngw)大分子。生物大分子。生物(shngw)(shngw)信息绝大部分都贮存在信息绝大部分都贮存在DNADNA分子中。分子中。 这些信息以核苷酸不同的排列顺序编码在这些信息以核苷酸不同的排列顺序编码在DNADNA分子上，分子上，核

3、苷酸排列顺序变了，它的生物核苷酸排列顺序变了，它的生物(shngw)(shngw)学含义也就学含义也就不同了。不同了。 DNA DNA的一级结构就是指核苷酸在的一级结构就是指核苷酸在DNADNA分子中的排列顺序。分子中的排列顺序。因此测定因此测定DNADNA的碱基排列顺序是分子生物的碱基排列顺序是分子生物(shngw)(shngw)学的学的基本课题之一。基本课题之一。1.DNA1.DNA一级结构一级结构(jigu)(jigu)中贮存的生物遗传信息中贮存的生物遗传信息第6页/共137页第七页，共137页。DNADNA分子的多样性分子的多样性 碱基的排列顺序，而构成了碱基的排列顺序，而构成了DNA

4、DNA分子的多样性分子的多样性 100bp DNA 100bp DNA分子可能排列方式就是分子可能排列方式就是(jish)4100(jish)4100 DNA DNA中的碱基排列顺序是中的碱基排列顺序是DNADNA分子的重要属性分子的重要属性第7页/共137页第八页，共137页。2 2、DNADNA一级结构一级结构(jigu)(jigu)的基本特点的基本特点第8页/共137页第九页，共137页。二、二、DNADNA的二级结构的二级结构(jigu)(jigu)1 1）主链）主链脱氧核糖和磷酸基相互连接构成脱氧核糖和磷酸基相互连接构成DNADNA的主链。的主链。从化学键的方向来看，双螺旋中两条多核

5、苷酸链是反从化学键的方向来看，双螺旋中两条多核苷酸链是反向平行的。向平行的。二条主链处于螺旋的外侧，碱基处于螺旋的内部，由二条主链处于螺旋的外侧，碱基处于螺旋的内部，由于糖和磷酸根的化学性质于糖和磷酸根的化学性质(huxu xngzh)(huxu xngzh)，主，主链是亲水的。链是亲水的。两条链形成右手螺旋，有共同的螺旋轴，螺旋的直径两条链形成右手螺旋，有共同的螺旋轴，螺旋的直径是是20A20A。1.1.双螺旋的基本特征双螺旋的基本特征第9页/共137页第十页，共137页。Schematic modelSpace-filling model第10页/共137页第十一页，共137页。 右手双螺

6、旋右手双螺旋(luxun)(luxun)构象是构象是DNADNA最为常见的结构最为常见的结构-B-B型型DNADNA。 DNA DNA二级结构可分为两大类：一类是右手螺旋二级结构可分为两大类：一类是右手螺旋(luxun)(luxun)，如：，如：B-DNAB-DNA、CDNACDNA、D-DNAD-DNA、E-DNAE-DNA、A-DNAA-DNA；另一类是局部的左手螺旋；另一类是局部的左手螺旋(luxun)(luxun)，即，即Z-Z-DNADNA。WatsonWatson和和CrickCrick于于19531953年根据年根据DNADNA纤维纤维X X射线晶体射线晶体(jngt(jngt)

7、 )衍衍射图，提出了射图，提出了DNADNA为右手双螺旋结构的科学假设为右手双螺旋结构的科学假设第11页/共137页第十二页，共137页。ABZ第12页/共137页第十三页，共137页。第13页/共137页第十四页，共137页。PropellerTwistBuckleTextbookTextbookReal LifeReal Life第14页/共137页第十五页，共137页。 这两种碱基对（A/T,G/C）有一个重要的特征，就是它们具有二次旋转对称性，即一对碱基对旋转180O,并不影响双螺旋的对称性，因此双螺旋结构只限定了配对的方式，并不限定碱基的顺序。 碱基环是一个共轭环，本身构成一个平面分

8、子。在双螺旋中这个平面垂直于螺旋轴，相邻的两个碱基上下间隔3.4A,每十对碱基组成一节螺旋，因此双螺旋的螺距是34A。一条链中每个相邻的碱基方向相差(xin ch)360。碱基之间的疏水作用可导致碱基堆集，这个引力同碱基对之间氢键一起稳定了双螺旋结构。第15页/共137页第十六页，共137页。 沿螺旋轴方向观察，配对的碱基并不充满双螺旋的空沿螺旋轴方向观察，配对的碱基并不充满双螺旋的空间。间。 由于碱基对的方向性，使得由于碱基对的方向性，使得(sh de)(sh de)碱基对占据的空碱基对占据的空间是不对称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去的槽，间是不对称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去

9、的槽，一个槽大些，一个槽小些分别称为大沟和小沟。一个槽大些，一个槽小些分别称为大沟和小沟。 双螺旋表面的沟对双螺旋表面的沟对DNADNA和蛋白质的相互识别是很重要的，和蛋白质的相互识别是很重要的，因为在沟内才能觉察到碱基的顺序，而在双螺旋的表面，因为在沟内才能觉察到碱基的顺序，而在双螺旋的表面，是脱氧核糖和磷酸重复结构，没有信息可言。是脱氧核糖和磷酸重复结构，没有信息可言。第16页/共137页第十七页，共137页。第17页/共137页第十八页，共137页。 决定决定DNADNA双螺旋结构状态的因素双螺旋结构状态的因素(yn s)(yn s)主要有以下主要有以下几点：几点：氢键氢键碱基堆积力碱基

10、堆积力带负电荷的磷酸基的静电斥力带负电荷的磷酸基的静电斥力碱基分子内能碱基分子内能第18页/共137页第十九页，共137页。 DNA DNA三股螺旋构型称为三股螺旋构型称为H-DNAH-DNA，是在，是在DNADNA双螺旋结构双螺旋结构基碱上形成的。基碱上形成的。 它是双螺旋它是双螺旋DNADNA分子中一条链的某一节段，通过链分子中一条链的某一节段，通过链的折叠与同一分子中的折叠与同一分子中DNADNA结合而形成。结合而形成。 三条链均为同型嘌呤或同型嘧啶，即整段的碱基均三条链均为同型嘌呤或同型嘧啶，即整段的碱基均为嘌呤或嘧啶，其中两条链为正常为嘌呤或嘧啶，其中两条链为正常(zhngchng)

11、(zhngchng)双螺双螺旋，第三条链位于双螺旋的大沟中。旋，第三条链位于双螺旋的大沟中。 H-DNA H-DNA可在转录水平上阻止基因的转录，这就是反可在转录水平上阻止基因的转录，这就是反基因策略，或称反基因技术。基因策略，或称反基因技术。2.2.三股螺旋三股螺旋(luxun)DNA(luxun)DNA（H-DNAH-DNA）第19页/共137页第二十页，共137页。第20页/共137页第二十一页，共137页。 当当DNADNA双链中含有双链中含有HH回文序列时，即某区段回文序列时，即某区段DNADNA两两条链分别为条链分别为HPuHPu和和HPyHPy，并且各自为回文结构时，任一，并且各

12、自为回文结构时，任一条回文结构的条回文结构的55和和33部分都可以形成分了子内三股部分都可以形成分了子内三股螺旋结构及剩余的半条回文结构游离螺旋结构及剩余的半条回文结构游离(yul)(yul)单链。单链。真核生物基因组中存在大量可形成真核生物基因组中存在大量可形成H-DNAH-DNA的多聚嘌呤核的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷序列。它们位于：苷酸和多聚嘧啶核苷序列。它们位于： 调控区调控区DNADNA复制起点或终点染色体重组位点，提示复制起点或终点染色体重组位点，提示它们可能与基因表达调控它们可能与基因表达调控DNADNA复制及染色体的重组有关。复制及染色体的重组有关。第21页/共137页第二十

13、二页，共137页。DNADNA的三级结构指双螺旋链的扭曲。的三级结构指双螺旋链的扭曲。超螺旋是超螺旋是DNADNA三级结构的一种形式，三级结构的一种形式，DNADNA在核小在核小体中的扭曲方式也是一种超螺旋结构。体中的扭曲方式也是一种超螺旋结构。超螺旋的生物学意义可能是：超螺旋的生物学意义可能是：1.1.使使DNADNA分子体积变小，对其在细胞的包装过程分子体积变小，对其在细胞的包装过程有利。有利。2.2.影响影响(yngxing)(yngxing)双螺旋的解链过程双螺旋的解链过程, ,从而从而影响影响(yngxing)DNA(yngxing)DNA分子与其它分子分子与其它分子( (如酶、如酶

14、、蛋白质、核酸蛋白质、核酸) )之间的相互作用。之间的相互作用。三、三、DNADNA的三级结构的三级结构(jigu)(jigu)第22页/共137页第二十三页，共137页。第23页/共137页第二十四页，共137页。第24页/共137页第二十五页，共137页。拓扑拓扑(tu p)异构酶异构酶or溴化乙锭溴化乙锭拓扑拓扑(tu p)异构酶异构酶or溴化乙锭溴化乙锭DNA扭曲扭曲(ni q)与与双螺双螺旋相同（拧紧）旋相同（拧紧）DNA扭曲与双螺扭曲与双螺旋相反（松开）旋相反（松开）负超螺旋负超螺旋松弛松弛DNA正超螺旋正超螺旋在不同类型的在不同类型的拓扑异构酶拓扑异构酶作用下，作用下，DNADN

15、A的可的可以在超螺旋和松弛以在超螺旋和松弛DNADNA形式之间转变。形式之间转变。第25页/共137页第二十六页，共137页。超螺旋的拓扑超螺旋的拓扑(tu p)异构酶异构酶I和和II。拓扑拓扑(tu p)异构酶异构酶 （Topoisomerases）第26页/共137页第二十七页，共137页。第27页/共137页第二十八页，共137页。第28页/共137页第二十九页，共137页。DNA的拓扑的拓扑(tu p)异构体可以通过电泳分异构体可以通过电泳分离离n长度相同而连环数不同的共价闭合环状长度相同而连环数不同的共价闭合环状DNADNA分子叫做分子叫做(jiozu)DNA(jiozu)DNA的拓

16、扑异构体。的拓扑异构体。n通过琼脂糖凝胶电泳可以将它们彼此分开。通过琼脂糖凝胶电泳可以将它们彼此分开。松弛松弛(s(sn n ch) ch)或有缺口的环状或有缺口的环状线状线状超螺旋超螺旋溴乙锭（溴乙锭（EBEB）可以嵌）可以嵌入核酸分子的碱基对入核酸分子的碱基对平面之间，在紫外光平面之间，在紫外光照射下发出橙黄色的照射下发出橙黄色的荧光，常作为染料检荧光，常作为染料检测核酸的存在。测核酸的存在。第29页/共137页第三十页，共137页。1.1.信息量大，可以缩微；信息量大，可以缩微；2.2.表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制机理；制机理；3

17、.3.核糖的核糖的22脱氧，在水溶液中稳定性好；脱氧，在水溶液中稳定性好；4.4.可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化对群体是有利的）；化对群体是有利的）；5.5.有有T T无无U U，基因组得以增大，基因组得以增大(zn(zn d) d)，而无，而无C C脱脱氨基成氨基成U U带来的潜在危险。（尿嘧啶带来的潜在危险。（尿嘧啶DNADNA糖苷酶可以糖苷酶可以灵敏识别灵敏识别DNADNA中的中的U U而随时将其剔除）。而随时将其剔除）。四、四、DNADNA作为遗传物质的主要作为遗传物质的主要(zhyo)(zhyo)优点优点第30页/共137页第三

18、十一页，共137页。五、五、DNADNA的变性的变性(binxng)(binxng)、复性和、复性和分子杂交分子杂交1 1、DNADNA的变性（的变性（denaturationdenaturation）DNA DNA 溶液温度在高于生理温度或者溶液温度在高于生理温度或者pHpH较较高时，互补的两条链就可以分开，这一过高时，互补的两条链就可以分开，这一过程叫做程叫做Denaturation (Denaturation (变性变性) )。DNADNA变性：紫外吸收增加；变性：紫外吸收增加；DNADNA的热变性称为的热变性称为DNADNA的的“ “融解融解” ”，50% 50% DNADNA分子解链

19、的温度称为融点分子解链的温度称为融点TmTm表示表示(bi(biosh)osh)；不同种类不同种类DNADNA有不同的有不同的TmTm值；值；TmTm随（随（G + CG + C）%含量呈线性增加。含量呈线性增加。第31页/共137页第三十二页，共137页。第32页/共137页第三十三页，共137页。2 2、DNADNA的复性的复性DNADNA回复成双链结构，称为复性回复成双链结构，称为复性（renaturationrenaturation） 热变性热变性(binxng)(binxng)经冷却后即可复性，经冷却后即可复性，称为退火称为退火(annealing)(annealing)第33页/共

20、137页第三十四页，共137页。3 3、DNA DNA 分子分子(fnz(fnz) )杂交杂交 (Hybridization) (Hybridization)第34页/共137页第三十五页，共137页。第35页/共137页第三十六页，共137页。核小体是染色质包装的基本核小体是染色质包装的基本(jbn)结构单结构单位位第36页/共137页第三十七页，共137页。Isolated from interphase nucleus: 30nm thickChromatin unpacked, show the nuclesome（）铺展（）铺展(p(pzhzhn) n)染色质的电染色质的电镜观察镜观

21、察第37页/共137页第三十八页，共137页。(2)用非特异性微球菌用非特异性微球菌(qijn)核酸酶消化染色质核酸酶消化染色质,部分酶解片段检测结果部分酶解片段检测结果第38页/共137页第三十九页，共137页。由由X-射线晶体射线晶体(jngt)衍射衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构（引自所揭示的核小体三维结构（引自K.Luger等，等，1997）第39页/共137页第四十页，共137页。（）SV40微小(wixio)染色体分析与电镜观察 第40页/共137页第四十一页，共137页。(2)组蛋白八聚体构成组蛋白八聚体构成(guchng)核小体的盘状核心结构。核小体的盘状核心结构。第41

22、页/共137页第四十二页，共137页。第42页/共137页第四十三页，共137页。第43页/共137页第四十四页，共137页。第44页/共137页第四十五页，共137页。核小体的性质及结构要点示意图（引自核小体的性质及结构要点示意图（引自B.Alberts等）等） 在用微球菌核酸酶降解染色质时，反应早期可得到在用微球菌核酸酶降解染色质时，反应早期可得到166bp的片段，但不稳定；进一步降解则得的片段，但不稳定；进一步降解则得到到146bp片段，比较稳定。推测可能原因片段，比较稳定。推测可能原因(yunyn)是失去是失去H1后，后，DNA两端各有两端各有10bp的的DNA，易被，易被核酸酶作用而

23、降解。核酸酶作用而降解。第45页/共137页第四十六页，共137页。第46页/共137页第四十七页，共137页。第47页/共137页第四十八页，共137页。Section 3 Section 3 基因基因(jyn)(jyn)与基因与基因(jyn)(jyn)组组 基因：表达一种蛋白质或功能基因：表达一种蛋白质或功能RNARNA的基本的基本(jbn)(jbn)单位。单位。 基因组：是指某种生物所包含的全基因组：是指某种生物所包含的全套基因。套基因。人类基因组的人类基因组的C C值在值在3 3109 bp 109 bp ； 病病毒含毒含103105bp103105bp；细菌含；细菌含105107bp

24、105107bp；第48页/共137页第四十九页，共137页。基因基因(jyn)(jyn)与蛋白质与蛋白质1000bp(1kb)1000bp(1kb)编码一个蛋白质；编码一个蛋白质；病毒含病毒含4545个基因个基因(jyn)(jyn)；大肠杆菌含大肠杆菌含3000400030004000个基因个基因(jyn)(jyn)；人类应有人类应有200300200300万个基因万个基因(jyn)(jyn)（3 3109 bp )109 bp )，实际只有，实际只有1010万个左右；万个左右；病毒的基因病毒的基因(jyn)(jyn)数要比计算所得的大，数要比计算所得的大，因为有基因因为有基因(jyn)(j

25、yn)重叠现象。重叠现象。第49页/共137页第五十页，共137页。第50页/共137页第五十一页，共137页。第51页/共137页第五十二页，共137页。存在大量的顺式元件存在大量的顺式元件存在大量的存在大量的DNA多态性多态性具有端粒结构具有端粒结构第52页/共137页第五十三页，共137页。第53页/共137页第五十四页，共137页。第54页/共137页第五十五页，共137页。第55页/共137页第五十六页，共137页。第56页/共137页第五十七页，共137页。Species Genome sizeSpecies Genome size SV40 5 SV40 5 10103 3bpb

26、pE.coliE.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 human.genome size than human.第57页/共137页第五十八页，共137页。C C值与值与C C值矛盾值矛盾(modn)(modn)第58页/共137页

27、第五十九页，共137页。第59页/共137页第六十页，共137页。第60页/共137页第六十一页，共137页。第61页/共137页第六十二页，共137页。第62页/共137页第六十三页，共137页。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页/共137页第六十四页，共137页。第64页/共137页第

28、六十五页，共137页。第65页/共137页第六十六页，共137页。第66页/共137页第六十七页，共137页。第67页/共137页第六十八页，共137页。组蛋白在功能组蛋白在功能(gngnng)上分成上分成两组两组第68页/共137页第六十九页，共137页。第69页/共137页第七十页，共137页。第70页/共137页第七十一页，共137页。第71页/共137页第七十二页，共137页。第72页/共137页第七十三页，共137页。第73页/共137页第七十四页，共137页。第74页/共137页第七十五页，共137页。第75页/共137页第七十六页，共137页。第76页/共137页第七十七页，共1

29、37页。第77页/共137页第七十八页，共137页。第78页/共137页第七十九页，共137页。 3. 染色体的骨架放射环结构染色体的骨架放射环结构(jigu)模型模型 (scaffold radial loop structure model) 第79页/共137页第八十页，共137页。Evidence for Scaffold Radial Loop ModelEvidence for Scaffold Radial Loop Model第80页/共137页第八十一页，共137页。第81页/共137页第八十二页，共137页。第82页/共137页第八十三页，共137页。第83页/共137页第

30、八十四页，共137页。第84页/共137页第八十五页，共137页。第85页/共137页第八十六页，共137页。第86页/共137页第八十七页，共137页。序列构成；具有显著的遗传惰性, 不转录也不编码蛋白质；第87页/共137页第八十八页，共137页。第88页/共137页第八十九页，共137页。性的一种途径 。第89页/共137页第九十页，共137页。第90页/共137页第九十一页，共137页。第91页/共137页第九十二页，共137页。对不同对不同LysLys位点甲基化位点甲基化产生不同的染色质状产生不同的染色质状态态A: A: 代表转录激活代表转录激活(j (j hu) hu)R: R:

31、代表转录抑制代表转录抑制第92页/共137页第九十三页，共137页。第93页/共137页第九十四页，共137页。质的标志。质的标志。n H3K9、H3K27、H4K20:该位点甲基化调节染色质结构，该位点甲基化调节染色质结构，是异染色质的标志。是异染色质的标志。第94页/共137页第九十五页，共137页。第95页/共137页第九十六页，共137页。第96页/共137页第九十七页，共137页。结合，只是随着转录的进行相结合，只是随着转录的进行相应的核小体结构出现一系列的应的核小体结构出现一系列的变化。变化。第97页/共137页第九十八页，共137页。第98页/共137页第九十九页，共137页。第

32、99页/共137页第一百页，共137页。活性染色质很少有组蛋白活性染色质很少有组蛋白H1与其结合；与其结合；活性染色质的组蛋白乙酰化程度高；活性染色质的组蛋白乙酰化程度高；活性染色质的核小体组蛋白活性染色质的核小体组蛋白H2B很少被磷酸化；很少被磷酸化；活性染色质中核小体组蛋白活性染色质中核小体组蛋白H2A在许多物种很少有变异形式；在许多物种很少有变异形式；组蛋白组蛋白H3的变种的变种H3.3只在活跃只在活跃(huyu)转录的染色质中出转录的染色质中出现；现；HMG14和和HMG17只存在于活性染色质中。只存在于活性染色质中。第100页/共137页第一百零一页，共137页。第101页/共137页第一百零二页，共137页。第102页/共137页第一百零三页，共137页。第103页/共137页第一百零四页，共137页。第104页/共137页第一百零五页，共137页。第105页/共137页第一百零六页，共137页。质相互接触，间接影响转录质相互接触