细胞生物学课件PPT学习教案

1、会计学1基因组的维持基因组的维持 p 真核基因组的结构真核基因组的结构p 染色质结构及其调控染色质结构及其调控p DNA的复制的复制 、修复和转座、修复和转座第1页/共137页真核基因组的结构真核基因组的结构4135uDNA的结构与功能的结构与功能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3页/共137页Section 1 DNASection 1 DNA的结构与功能的结构与功能一、一、DNADNA的一级结构的一级结构 4种核苷酸的连接及排列顺序 四种脱氧核糖核苷酸分别表示为： dAMP、dGMP、dTMP、dCMP第4页/共137页glycosidic bondphosph

2、oester bondNucleoside第5页/共137页 DNA DNA是双螺旋的生物大分子。生物信息绝大部分都是双螺旋的生物大分子。生物信息绝大部分都贮存在贮存在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分子分子上，核苷酸排列顺序变了，它的生物学含义也就不同上，核苷酸排列顺序变了，它的生物学含义也就不同了。了。 DNADNA的一级结构的一级结构就是指核苷酸在就是指核苷酸在DNADNA分子中的排列顺分子中的排列顺序。因此测定序。因此测定DNADNA的碱基排列顺序是分子生物学的基本的碱基排列顺序是分子生物学的基本课题之一

3、。课题之一。1.DNA1.DNA一级结构中贮存的生物遗传信息一级结构中贮存的生物遗传信息第6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DNADNA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4 4100100 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2 2、DNADNA一级结构的基本特点一级结构的基本特点第8页/共137页二、二、DNADNA的二级结构的二级结构1 1）主链）主链p脱氧核糖和磷酸基相互连接构成脱

4、氧核糖和磷酸基相互连接构成DNADNA的主链。的主链。p从从化学键化学键的方向来看，双螺旋中两条多核苷酸的方向来看，双螺旋中两条多核苷酸链是反向平行的。链是反向平行的。p二条主链处于螺旋的外侧，碱基处于螺旋的内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，主链是亲水部，由于糖和磷酸根的化学性质，主链是亲水的。的。p两条链形成两条链形成右手螺旋右手螺旋，有共同的螺旋轴，螺旋，有共同的螺旋轴，螺旋的直径是的直径是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Schematic modelSpace-filling model第10页/共137页 右

5、手双螺旋构象是右手双螺旋构象是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，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，即另一类是局部的左手螺旋，即Z-DNAZ-DNA。WatsonWatson和和CrickCrick于于19531953年根据年根据DNADNA纤维纤维X X射线晶体衍射线晶体衍射图，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/

6、共137页ABZ第12页/共137页第13页/共137页PropellerTwistBuckleTextbookTextbookReal LifeReal Life第14页/共137页 这两种碱基对（这两种碱基对（A/T,G/CA/T,G/C）有一个重要的特征，）有一个重要的特征，就是它们具有二次旋转对称性，即一对碱基对旋转就是它们具有二次旋转对称性，即一对碱基对旋转180180O O, ,并不影响双螺旋的对称性，并不影响双螺旋的对称性，因此双螺旋结构只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。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子。碱基环

7、是一个共轭环，本身构成一个平面分子。在双螺旋中这个平面垂直于螺旋轴，相邻的两个碱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基上下间隔3.4A,3.4A,每十对碱基组成一节螺旋每十对碱基组成一节螺旋，因此，因此双螺旋的双螺旋的螺距是螺距是34A34A。一条链中每个相邻的碱基方向。一条链中每个相邻的碱基方向相差相差36360 0。碱基之间的疏水作用可导致碱基堆集，这。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。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 沿螺旋轴方向观察，配对的碱基并不充满双螺旋沿螺旋轴方向观察，配对的碱基并不充

8、满双螺旋的空间。的空间。 由于碱基对的方向性，使得碱基对占据的空间是由于碱基对的方向性，使得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不对称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去的槽，一个槽大些，一个槽小些分别称为槽，一个槽大些，一个槽小些分别称为大沟大沟和和小沟小沟。 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，是脱氧核糖和磷酸重复结构，没有双螺旋的表面，是脱氧核糖和磷酸重复结构，没有信息可言。信息可言。第16页/共137页第17

9、页/共137页 决定决定DNADNA双螺旋结构状态的因素主要有以下几点：双螺旋结构状态的因素主要有以下几点：氢键氢键碱基堆积力碱基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 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双螺旋结双螺旋结构基碱上形成的。构基碱上形成的。 它是双螺旋它是双螺旋DNADNA分子中一条链的某一节段，通过分子中一条链的某一节段，通过链的折叠与同一分子中链的折叠与同一分子中DNADNA结合而形成。结合而形成。 三条链均为三条链均为同型嘌呤同型嘌呤或或同型嘧啶同型嘧啶，即

10、整段的碱基，即整段的碱基均为嘌呤或嘧啶，其中两条链为正常双螺旋，第三均为嘌呤或嘧啶，其中两条链为正常双螺旋，第三条链位于条链位于双螺旋的大沟双螺旋的大沟中。中。 H-DNA H-DNA可在转录水平上阻止基因的转录，这就是可在转录水平上阻止基因的转录，这就是反基因策略，或称反基因策略，或称反基因技术反基因技术。2.2.三股螺旋三股螺旋DNADNA（H-DNAH-DNA）第19页/共137页第20页/共137页 当当DNADNA双链中含有双链中含有H H回文序列时，即某区段回文序列时，即某区段DNADNA两条链分别为两条链分别为HPuHPu和和HPyHPy，并且各自为，并且各自为回文结构回文结构时

11、，时，任一条回文结构的任一条回文结构的5 5和和3 3部分都可以形成分了子内三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单链。真核股螺旋结构及剩余的半条回文结构游离单链。真核生物基因组中存在大量可形成生物基因组中存在大量可形成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。它们位于：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示它们可能与基因表达调控DNADNA复制及染色体的重组复制及染色体的重组有关有关。第21页/共137页DNADNA的三级结构指双螺旋

12、链的扭曲。的三级结构指双螺旋链的扭曲。超螺旋超螺旋是是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。超螺旋的超螺旋的生物学意义生物学意义可能是：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.影响双螺旋的解链过程影响双螺旋的解链过程, ,从而影响从而影响DNADNA分子与分子与其它分子其它分子( (如酶、蛋白质、核酸如酶、蛋白质、核酸) )之间的相互作之间的相互作用。用。三、三、DNADNA的三级结构的三级结构第22页/共13

13、7页第23页/共137页第24页/共137页拓扑异构酶拓扑异构酶or溴化乙锭溴化乙锭拓扑异构酶拓扑异构酶or溴化乙锭溴化乙锭DNA扭曲与双螺扭曲与双螺旋相同（拧紧）旋相同（拧紧）DNA扭曲与双扭曲与双螺旋相反（松螺旋相反（松开）开）负超螺负超螺旋旋松弛松弛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，DNADNA的的可以在超螺旋和松弛可以在超螺旋和松弛DNADNA形式之间转变。形式之间转变。第25页/共137页拓扑异构酶拓扑异构酶 （Topoisomerases）第26页/共137页第27页/共137页第28页/共137页DNA的拓扑异构体可以通过电泳分离的

14、拓扑异构体可以通过电泳分离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DNADNA的拓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。松弛或有缺口的环状松弛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

15、，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；3.3.核糖的核糖的2 2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，而无，基因组得以增大，而无C C脱氨基成脱氨基成U U带来带来的潜在危险。（尿嘧啶的潜在危险。（尿嘧啶DNADNA糖苷酶可以灵敏识别糖苷酶可以灵敏识别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优点作为遗传

16、物质的主要优点第30页/共137页五、五、DNADNA的变性、复性和分子杂交的变性、复性和分子杂交1 1、DNADNA的变性（的变性（denaturationdenaturation）u 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较高较高时，互补的两条链就可以分开，这一过程叫时，互补的两条链就可以分开，这一过程叫做做Denaturation (Denaturation (变性变性) )。u DNADNA变性：紫外吸收增加；变性：紫外吸收增加；u DNADNA的热变性称为的热变性称为DNADNA的的“融解融解”，50% 50% DNADNA分子解链的温度称为分子

17、解链的温度称为融点融点TmTm表示；表示；u 不同种类不同种类DNADNA有不同的有不同的TmTm值；值；u 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32页/共137页2 2、DNADNA的复性的复性DNADNA回复成双链结构，称为回复成双链结构，称为复性复性（renaturationrenaturation） 热变性经冷却后即可复性，称为热变性经冷却后即可复性，称为退火退火(annealing)(annealing)第33页/共137页3 3、DNA DNA 分子杂交分子杂交 (Hybridization) (Hybridization)

18、第34页/共137页第35页/共137页核小体是染色质包装的基本结构单位核小体是染色质包装的基本结构单位第36页/共137页Isolated from interphase nucleus: 30nm thickChromatin unpacked, show the nuclesome（）铺展染色质的（）铺展染色质的电镜观察电镜观察第37页/共137页(2)用非特异性用非特异性微球菌核酸酶微球菌核酸酶消化染色质消化染色质,部分酶部分酶解片段检测结果解片段检测结果第38页/共137页由由X-射线晶体衍射射线晶体衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构所揭示的核小体三维结构（引自K.Luger等，

19、1997）第39页/共137页（）SV40SV40微小染色体分析与电镜观察微小染色体分析与电镜观察 第40页/共137页(2)组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构。组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构。第41页/共137页第42页/共137页第43页/共137页第44页/共137页核小体的性质及结构要点示意图核小体的性质及结构要点示意图（引自B.Alberts等） 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；进一步降解则得到146bp片段，比较稳定。推测可能原因是失去H1后，DNA两端各有10bp的DNA，易被核酸酶作用而降解。第45页/共137页第46页/共137

20、页第47页/共137页Section 3 Section 3 基因与基因组基因与基因组 基因基因：表达一种蛋白质或功能：表达一种蛋白质或功能RNARNA的基本单位。的基本单位。 基因组基因组：是指某种生物所包含的全：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 310109 9 bp bp ； 病毒病毒含含10103 310105 5bpbp；细菌含；细菌含10105 510107 7bpbp；第48页/共137页基因与蛋白质基因与蛋白质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；大肠杆菌含大

21、肠杆菌含3000400030004000个基因；个基因；人类应有人类应有200300200300万个基因（万个基因（3 310109 9 bp )bp )，实际只有，实际只有1010万个左右；万个左右；病毒的基因数要比计算所得的大，因病毒的基因数要比计算所得的大，因为有基因重叠现象。为有基因重叠现象。第49页/共137页第50页/共137页第51页/共137页第52页/共137页第53页/共137页第54页/共137页第55页/共137页第56页/共137页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页/共137页C C值与值与C C值矛盾值矛盾第58页/共137页第59页/共137页第60页/共137页第61页/共137页

23、第62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64页/共137页第65页/共137页第66页/共137页第67页/共137页组蛋白在功能上分成两组组蛋白在功能上分成两组第68页/共137页第69页/共137页第70页/共137页第71页/共137页第72页/共137页

24、第73页/共137页第74页/共137页第75页/共137页第76页/共137页第77页/共137页第78页/共137页 3. 染色体的骨架放射环结构模型染色体的骨架放射环结构模型 (scaffold radial loop structure model) 第79页/共137页Evidence for Scaffold Radial Loop ModelEvidence for Scaffold Radial Loop Model第80页/共137页第81页/共137页第82页/共137页第83页/共137页第84页/共137页第85页/共137页第86页/共137页第87页/共137页第8

25、8页/共137页第89页/共137页第90页/共137页第91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R: R: 代表转录抑制代表转录抑制第92页/共137页第93页/共137页H3K9、H3K27、H4K20:该该位点甲基化调节染色质结构，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95页/共137页第96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98页/共137页第99页/共137页活性染色质活性染色质很少有组蛋白很少有组蛋白H1与其