现在分子生物学2.1

1、第二章第二章 染色体与染色体与DNA本章主要内容：本章主要内容：第一节第一节 染色体的组成与结构染色体的组成与结构第二节第二节 DNA的组成与结构的组成与结构第三节第三节 DNA的复制的复制第四节第四节 原核与真核生物原核与真核生物DNA复制的特点复制的特点第五节第五节 DNA的修复的修复第六节第六节 DNA的转座的转座第七节第七节 SNP的理论与应用的理论与应用教学要求：教学要求：1.1.了解了解DNADNA的修复与的修复与DNADNA的转座的基本问题。的转座的基本问题。 2. 2. 理解理解DNADNA的二级结构及的二级结构及DNADNA的复制的过程，重的复制的过程，重点掌握先导链与后随链

2、合成点掌握先导链与后随链合成DNADNA的不同方式。的不同方式。 3.3.掌握原核和真核生物掌握原核和真核生物DNADNA的复制的区别。的复制的区别。 第一节第一节 染色体的组成与结构染色体的组成与结构一、染色体概述一、染色体概述二、真核细胞染色体的组成与结构二、真核细胞染色体的组成与结构三、原核生物基因组三、原核生物基因组知识点知识点真核生物染色体的组成真核生物染色体的组成, ,染色质与核小体染色质与核小体原核生物基因组原核生物基因组, ,染色体中的蛋白质染色体中的蛋白质第一节第一节 染色体的组成与结构染色体的组成与结构一、一、染色体概述染色体概述真核细胞的结构真核细胞的结构DNA的分布的分

3、布主要在染色体上主要在染色体上细胞质内细胞质内细胞核遗传细胞核遗传细胞质遗传细胞质遗传生物的遗传生物的遗传（所以说，染（所以说，染色体是色体是DNA的的主要载体）主要载体）例：紫茉莉例：紫茉莉叶色的遗传叶色的遗传第一节第一节 染色体的组成与结构染色体的组成与结构一、染色体概述一、染色体概述染色体染色体DNADNA：同一物种内每条染色体所带同一物种内每条染色体所带DNADNA的量是一定的，的量是一定的，但不同染色体或不同物种之间变化很大，从上百万到但不同染色体或不同物种之间变化很大，从上百万到几亿个核苷酸不等。几亿个核苷酸不等。蛋白质（组蛋白和非组蛋白）：蛋白质（组蛋白和非组蛋白）：种类和含量十

4、分稳定种类和含量十分稳定。染色体包括染色体包括_和和_两大部分两大部分人人X X染色体带有染色体带有1.281.28亿个核苷酸对，而亿个核苷酸对，而Y Y染色体只带有染色体只带有0.190.19亿个核苷酸对（见表亿个核苷酸对（见表2-12-1）由于细胞内的由于细胞内的DNADNA主要在染色体上，所以说遗传物质的主要载体是主要在染色体上，所以说遗传物质的主要载体是染色体。染色体。第一节第一节 染色体的组成与结构染色体的组成与结构一、染色体概述一、染色体概述 染色质：染色质：细胞核中能被碱性染料强烈着色的物质，染色质是真核细胞的遗传细胞核中能被碱性染料强烈着色的物质，染色质是真核细胞的遗传物质在物

5、质在分裂间期分裂间期存在的形式，而染色体是细胞在有丝分裂或减数分存在的形式，而染色体是细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，由染色质聚缩而成的棒状结构。两者是细胞周期不同阶裂过程中，由染色质聚缩而成的棒状结构。两者是细胞周期不同阶段两种可以相互转变的结构。段两种可以相互转变的结构。染色质与染色体染色质与染色体一般来说，只有在细胞有丝分裂过程中，才能在光学显微镜下观察一般来说，只有在细胞有丝分裂过程中，才能在光学显微镜下观察到染色体。到染色体。整个细胞周期都能观察到染色体？整个细胞周期都能观察到染色体？非分裂期的细胞核经低渗处理、溶胀非分裂期的细胞核经低渗处理、溶胀破裂后释放出染色质，在电子显微镜破裂

6、后释放出染色质，在电子显微镜下呈纤维串珠状的长丝。下呈纤维串珠状的长丝。 染色体的形态示意图染色体的形态示意图人类染色体的编号人类染色体的编号端粒端粒着丝粒二、真核生物染色体的组成与结构二、真核生物染色体的组成与结构第一节第一节 染色体的组成与结构染色体的组成与结构P64P64、7070思考题思考题1:1:染色体具备哪些作为遗传物质的特征染色体具备哪些作为遗传物质的特征? ?（参见（参见P22P22、2525） 下列哪一项对于下列哪一项对于DNADNA作为遗传物质是不重要作为遗传物质是不重要的的: : A.DNAA.DNA分子双链且序列互补分子双链且序列互补 B.DNAB.DNA分子的长度可以

7、非常长分子的长度可以非常长, ,可以长到将整可以长到将整个基因组的信息都包含在一条个基因组的信息都包含在一条DNADNA分子上分子上 C.DNAC.DNA可以与可以与RNARNA形成碱基互补形成碱基互补 D.DNAD.DNA聚合酶有聚合酶有3 53 5的校读功能的校读功能 下列哪一项对于下列哪一项对于DNADNA作为遗传物质是不重作为遗传物质是不重要的要的: : A.DNAA.DNA分子双链且序列互补分子双链且序列互补 B.DNAB.DNA分子的长度可以非常长分子的长度可以非常长, ,可以长到可以长到将整个基因组的信息都包含在一条将整个基因组的信息都包含在一条DNADNA分分子上子上 C.DN

8、AC.DNA可以与可以与RNARNA形成碱基互补形成碱基互补 D.DNAD.DNA聚合酶有聚合酶有3 53 5的校读功能的校读功能 本题考点本题考点: :DNADNA作为遗传物质所具备的特点作为遗传物质所具备的特点. . 因此因此,DNA,DNA分子双链且序列互补能保证稳定地传分子双链且序列互补能保证稳定地传递给后代递给后代;DNA;DNA通过转录和翻译最后得到蛋白质通过转录和翻译最后得到蛋白质, ,因此因此, ,要求能与要求能与RNARNA形成碱基互补以实现转形成碱基互补以实现转录录;DNA;DNA在复制时在复制时, ,会出现碱基错配会出现碱基错配, ,因此要求因此要求DNADNA聚合酶具有

9、校对功能聚合酶具有校对功能, ,来保证亲代和子代来保证亲代和子代DNADNA之间的稳定性之间的稳定性. .二、二、真核细胞染色真核细胞染色体的组成与结构体的组成与结构呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清楚呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清楚，可能与染色质结构调节有关，在，可能与染色质结构调节有关，在DNADNA遗传遗传信息的表达中有重要作用信息的表达中有重要作用第一节第一节 染色体的组成与结构染色体的组成与结构少量的少量的RNA RNA ，不到，不到DNADNA的的10%10%化学组成化学组成（参见（参见P22-30/25-32P22-30/25-32） DNADNA： 蛋白质：蛋白

10、质：约为约为DNADNA的两倍的两倍约约占占30%30%，每条染色体一个双链每条染色体一个双链DNADNA分子分子 ；是遗传信是遗传信息的载体，也就是所谓的遗传物质息的载体，也就是所谓的遗传物质组蛋白组蛋白(histone(histone) )：呈碱性，结构稳定；与呈碱性，结构稳定；与DNADNA结合形成结合形成核小体核小体、维持染色质结构，与、维持染色质结构，与DNADNA含量呈一定的比含量呈一定的比例例 非组蛋白：非组蛋白：1 1）组蛋白）组蛋白( (histones) ) 染色体中的碱性蛋白质，约与染色体中的碱性蛋白质，约与DNADNA等量等量第一节第一节 染色体的组成与结构染色体的组成

11、与结构二、二、真核细胞染色真核细胞染色体的组成与结构体的组成与结构（参见（参见P22-25/26-28P22-25/26-28）1 1、蛋白质、蛋白质 特点：富含二种碱性氨基酸（特点：富含二种碱性氨基酸（赖氨酸和精氨酸赖氨酸和精氨酸） 根据凝胶电泳性质可将组蛋白分为五种小类型根据凝胶电泳性质可将组蛋白分为五种小类型: :H H1 1、H H2 2A A、H H2 2B B、H H3 3、H H4 4 参见参见P23、26五种组蛋白比较五种组蛋白比较组组蛋蛋白白 类类别别 碱碱性性氨氨基基酸酸 L Ly ys s A Ar rg g 酸酸性性氨氨基基酸酸 碱碱/ /酸酸 氨氨基基酸酸 残残基基数

12、数 分分子子量量 H1 极极富富L Ly ys s 2 29 9 1 1 5 5 5 5. .4 4 2 21 15 5 2 23 3, ,0 00 00 0 H2A 稍稍富富L Ly ys s 1 11 1 9 9 1 15 5 1 1. .4 4 1 12 29 9 1 13 3, ,9 96 60 0 H2B 稍稍富富L Ly ys s 1 16 6 6 6 1 13 3 1 1. .7 7 1 12 25 5 1 13 3, ,7 77 74 4 H3 富富A Ar rg g 1 10 0 1 13 3 1 13 3 1 1. .8 8 1 13 35 5 1 15 5, ,3 34

13、42 2 H4 富富A Ar rg g 1 11 1 1 14 4 1 10 0 2 2. .5 5 1 10 02 2 1 11 1, ,2 28 82 2 （参见（参见P24P24、2626） 简述真核生物染色体上组蛋白的种类，简述真核生物染色体上组蛋白的种类，组蛋白修饰的种类及其生物学意义组蛋白修饰的种类及其生物学意义. . 中国科学院中国科学院20032003年硕士研究生入学年硕士研究生入学生物化学与分生物化学与分子生物学子生物学试题试题 在细胞周期特定时间可发生在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化、甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化和泛素化和ADPADP核糖基化核糖基化等。等。

14、H3H3、H4H4修饰作用较普遍，修饰作用较普遍，H2BH2B有乙酰化作用、有乙酰化作用、H1H1有磷酸化作用。有磷酸化作用。所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。所携带的正电荷。这些组蛋白修饰的这些组蛋白修饰的意义意义：一是改变染色体的结构，直接：一是改变染色体的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。性。2 2）非组蛋白）非组蛋白二、二、真核细胞染色真核细胞染色

15、体的组成与结构体的组成与结构 第一节第一节 染色体的组成与结构染色体的组成与结构（P24-25/28）1 1、蛋白质、蛋白质什么是非组蛋白？非组蛋白有什么特点？什么是非组蛋白？非组蛋白有什么特点？协和医科大学协和医科大学2004年年2 2）非组蛋白）非组蛋白二、二、真核细胞染色真核细胞染色体的组成与结构体的组成与结构 第一节第一节 染色体的组成与结构染色体的组成与结构（P25/28）1 1、蛋白质、蛋白质 染色体中组蛋白以外的其它蛋白质，是一大类种染色体中组蛋白以外的其它蛋白质，是一大类种类繁杂的各种蛋白质的总称；类繁杂的各种蛋白质的总称； 种类约种类约20-100种种,其中常见的有其中常见的

16、有15-20种。主要包括种。主要包括酶类及与细胞分裂相关的各种蛋白质酶类及与细胞分裂相关的各种蛋白质. 约占组蛋白总量的约占组蛋白总量的60%-70%； 相对分子质量相对分子质量1.51041.8 105；2 2）非组蛋白）非组蛋白二、二、真核细胞染色真核细胞染色体的组成与结构体的组成与结构 第一节第一节 染色体的组成与结构染色体的组成与结构（P25/28P25/28）1 1、蛋白质、蛋白质功能功能 参与并调控基因表达参与并调控基因表达 参与基因复制、转录及核酸修饰的酶参与基因复制、转录及核酸修饰的酶 类（如各种类（如各种 DNA和和 RNA聚合酶等）就是一类重要的非组蛋白聚合酶等）就是一类重

17、要的非组蛋白 参与转录调控的蛋白质参与转录调控的蛋白质 维持染色体的高级结构维持染色体的高级结构 非组蛋白中的核基质蛋白对于维持染色体的高级结构是必不非组蛋白中的核基质蛋白对于维持染色体的高级结构是必不可少的。可少的。2 2）非组蛋白）非组蛋白非组蛋白的组织专一性和种属专一性。非组蛋白的组织专一性和种属专一性。 （1 1）HMGHMG蛋白：蛋白：富含赖富含赖AAAA、精、精AAAA、谷、谷AAAA与天冬与天冬AAAA，与，与DNADNA的超的超螺旋结构有关螺旋结构有关 （2 2）DNADNA结合蛋白：结合蛋白：与与DNADNA的复制或转录有关的酶或调节物质的复制或转录有关的酶或调节物质 （3

18、3）A24A24非组蛋白：非组蛋白：与与H H2 2A A差不多大小，呈酸性，含谷差不多大小，呈酸性，含谷AAAA与天与天冬冬AAAA多，于核小体内，功能不详多，于核小体内，功能不详二、二、真核细胞染色真核细胞染色体的组成与结构体的组成与结构 第一节第一节 染色体的组成与结构染色体的组成与结构（P25/28P25/28）1 1、蛋白质、蛋白质2 2、DNADNA二、二、真核细胞染色真核细胞染色体的组成与结构体的组成与结构第一节第一节 染色体的组成与结构染色体的组成与结构（参见（参见P25/28P25/28）（1）C值反常现象（值反常现象（C值矛盾）（值矛盾）（C-value paradox）真

19、核生物基因组的特点真核生物基因组的特点（2 2）单顺反子）单顺反子（3 3）重复序列）重复序列（4 4）断裂基因）断裂基因(a)(a)同类生物不同种属之间同类生物不同种属之间DNADNA总量变化很大；（总量变化很大；（b b）从编码每类生）从编码每类生物所需要物所需要DNADNA量的最低值看，生物细胞中的量的最低值看，生物细胞中的C C值具有从低等生物到高值具有从低等生物到高等生物逐渐增加的趋势。等生物逐渐增加的趋势。C C值反常现象（矛盾）值反常现象（矛盾）：在真核生物中，物种进化的复：在真核生物中，物种进化的复杂程度与杂程度与DNADNA含量含量C C值并不完全一致，称之为值并不完全一致，

20、称之为C值矛盾值矛盾(C value paradox)。一些植物和两栖类动物，它们的一些植物和两栖类动物，它们的DNA含量高达含量高达10101011bp，而人类，而人类DNA含量仅为含量仅为109bp，显然这是无，显然这是无法解释的。法解释的。 在结构、功能很相似的同一类生物中，甚至在亲在结构、功能很相似的同一类生物中，甚至在亲缘关系十分接近的物种之间，其缘关系十分接近的物种之间，其C值可以相差数值可以相差数10倍倍乃至上百倍。乃至上百倍。 如两栖类动物中，如两栖类动物中，C值小的低至值小的低至109bp以下，以下，C值大值大的高达的高达1011bp。DNA的量远远大于编码蛋白质所需的量。的

21、量远远大于编码蛋白质所需的量。 如哺乳动物的基因组由如哺乳动物的基因组由3109bp组成，假定哺乳组成，假定哺乳动物每个基因平均是动物每个基因平均是10000bp，那么哺乳动物基因组，那么哺乳动物基因组应该有应该有300000个基因。但核酸杂交测定哺乳动物一个个基因。但核酸杂交测定哺乳动物一个细胞中的细胞中的mRNA种类约为种类约为10000个，考虑不同细胞基个，考虑不同细胞基因表达的不同，推算哺乳动物基因组约有因表达的不同，推算哺乳动物基因组约有3000040000个基因，这样来看，基因组个基因，这样来看，基因组DNA量是已知基因量是已知基因的的10倍，余下那么多倍，余下那么多DNA有什么功

22、能？有什么功能？下列有关下列有关C C值的叙述正确的是值的叙述正确的是: : A.A.生物的进化程度越高生物的进化程度越高, ,其其C C值就越大值就越大 B.CB.C值与有机体的形态学复杂性成反比值与有机体的形态学复杂性成反比 C.C.每一个生物门中的每一个生物门中的C C值与有机体的形态值与有机体的形态学复杂性大致成比例学复杂性大致成比例 D.CD.C值与有机体的形态学复杂性成正比值与有机体的形态学复杂性成正比下列有关下列有关C C值的叙述正确的是值的叙述正确的是: : A.A.生物的进化程度越高生物的进化程度越高, ,其其C C值就越大值就越大 B.B.值与有机体的形态学复杂性成反比值与

23、有机体的形态学复杂性成反比 C.C.每一个生物门中的每一个生物门中的C C值与有机体的形态学值与有机体的形态学复杂性大致成比例复杂性大致成比例 D.CD.C值与有机体的形态学复杂性成正比值与有机体的形态学复杂性成正比 判断判断:人是最高等生物人是最高等生物,其基因组碱基对数目其基因组碱基对数目(2.9109)是动物界最大的是动物界最大的.错错 解析解析:C:C值指一种生物单倍体基因组值指一种生物单倍体基因组DNADNA的总的总量量. .不同物种不同物种C C值差异极大值差异极大, ,最小的支原体只最小的支原体只有有10104 4bp,bp,而最大的如某些显花植物和两栖动而最大的如某些显花植物和

24、两栖动物可达物可达10101111bp.bp.（2 2）单顺反子）单顺反子与原核生物不同，真核基因转录产物为单顺反子与原核生物不同，真核基因转录产物为单顺反子(monocistron)，即一个编码基因转录生成一个即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，翻译生成一条多肽分子，翻译生成一条多肽链。链。（3 3）重复序列）重复序列在真核细胞在真核细胞DNADNA中发现某些核苷酸序列大量重复出现，这些核中发现某些核苷酸序列大量重复出现，这些核苷酸序列叫重复序列，但在原核细胞基因组中几乎不存在。苷酸序列叫重复序列，但在原核细胞基因组中几乎不存在。核苷酸序列的重复次数越高，核苷酸序列的重复次数越高，DNA

25、DNA复性速度就越快。复性速度就越快。DNADNA的碱基序列的碱基序列 单拷贝序列单拷贝序列：在基因组中出现一次或几次：在基因组中出现一次或几次 多拷贝序列多拷贝序列：依重复频率依重复频率 中度重复序列中度重复序列 高度重复序列高度重复序列参见参见P25P2527/29-3027/29-30 真核生物基因组中的真核生物基因组中的DNADNA重复序列主要有哪重复序列主要有哪些类型？简要说明基因组重复序列可能的生些类型？简要说明基因组重复序列可能的生物学意义以及基因组重复序列在分子标记研物学意义以及基因组重复序列在分子标记研究中的应用。究中的应用。 中度重复序列；高度重复序列。中度重复序列；高度重

26、复序列。 基因组重复序列可以同时表达出大量的基基因组重复序列可以同时表达出大量的基因产物以完成生物学功能。另外，大量的因产物以完成生物学功能。另外，大量的重复序列存在，即使其中的极少部分被破重复序列存在，即使其中的极少部分被破坏，也不会影响有机体的正常功能。坏，也不会影响有机体的正常功能。 在分子标记研究中，可以作为一种分子标在分子标记研究中，可以作为一种分子标记，如卫星记，如卫星DNADNA和微卫星和微卫星DNADNA。二、二、真核细胞染色真核细胞染色体的组成与结构体的组成与结构（参见（参见P27/30P27/30）3 3、染色质和核小体（染色体的包装）、染色质和核小体（染色体的包装）核小体

27、核小体（nucleosome）真核生物染色体由真核生物染色体由DNADNA和蛋白质构成，其和蛋白质构成，其基本单位是基本单位是核小体核小体(nucleosome)。P70P703 3：请列举请列举3 3项实验证据来说明为什么项实验证据来说明为什么染色质中染色质中DNADNA与蛋白质分子是相互作用的。与蛋白质分子是相互作用的。 P64/70P64/70思考题思考题2:2: 什么是核小体什么是核小体? ?简述其形成过程简述其形成过程? ? 简述真核细胞内核小体的结构特点？简述真核细胞内核小体的结构特点？n核小体结构要点核小体结构要点n(1)(1)每个核小体单位包括每个核小体单位包括200bp200

28、bp左右的左右的DNADNA和一个组蛋白和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白H H1 1。n (2)(2)组蛋白八聚体构成核小体的核心结构，组蛋白八聚体构成核小体的核心结构，100kD100kD，由，由H H2 2A A、H H2 2B B、H H3 3和和H H4 4各两个分子所组成。各两个分子所组成。n(3)DNA(3)DNA分子以左手方向盘绕八聚体两圈，每圈分子以左手方向盘绕八聚体两圈，每圈83bp83bp，共共166bp166bp。用微球菌核酸酶水解，可得到不含组蛋白。用微球菌核酸酶水解，可得到不含组蛋白H Hl l的的146bp146bp的的DNADNA片

29、段片段(1(17575圈圈) )。n(4)(4)一个分子的组蛋白一个分子的组蛋白H Hl l与与DNADNA结合，锁住核小体结合，锁住核小体DNADNA的的进出口，从而稳定了核小体的结构。进出口，从而稳定了核小体的结构。:146 bp, 1.75cycle P64P643:3: 简述真核生物染色体的组成及组装过程简述真核生物染色体的组成及组装过程. . 核小体：染色体核小体：染色体DNADNA的一级包装的一级包装 由直径由直径2nm2nm的的DNADNA双螺旋链绕组蛋白形成直径双螺旋链绕组蛋白形成直径11nm 11nm 的核小体的核小体 “ “串珠串珠” ” 结构，若以每碱基对沿螺旋中结构，若

30、以每碱基对沿螺旋中轴上升距离为轴上升距离为 0.34 nm0.34 nm计，计，200bp DNA200bp DNA（一个核小（一个核小体的体的DNADNA片段）的伸展长度为片段）的伸展长度为 68 nm68 nm，形成核小体，形成核小体后仅为后仅为11 nm11 nm（核小体直径），其长度压缩了（核小体直径），其长度压缩了6-76-7倍倍染色体的包装染色体的包装超螺旋结构超螺旋结构 螺线管纤维（螺线管纤维（solenoidalsolenoidal fiber fiber）：染色体）：染色体DNADNA二级包装二级包装 由由6 6个核小体盘绕形成一种中空螺线管，其外径为个核小体盘绕形成一种中空

31、螺线管，其外径为30 nm30 nm，因，因此，螺线管的形成使此，螺线管的形成使DNADNA一级包装又压缩一级包装又压缩6 6倍倍 若以充分伸展的若以充分伸展的DNADNA双螺旋论，每个螺线管包含了双螺旋论，每个螺线管包含了408 nm408 nm（6 668 nm68 nm）长度的）长度的DNADNA链，而每圈螺线管的长度几乎等于链，而每圈螺线管的长度几乎等于核小体直径，即核小体直径，即11nm11nm，故染色体的二级包装相当于将，故染色体的二级包装相当于将DNADNA长长度压缩了近度压缩了近4040倍倍染色体的包装染色体的包装超螺旋结构超螺旋结构 环状螺线管（超螺旋）：染色体环状螺线管（超螺旋）：染色体DNADNA的三级的包装的三级的包装 电镜显示，由螺线管纤维缠绕在一个由某些非组蛋白构成电镜显示，由螺线管纤维缠绕在一个由某些非组蛋白构成的中心轴（的中心轴（centralaxiscentralaxis）骨架上形成的。这显然使螺线）骨架上形成的。这显然使螺线管纤维得到了较大程度的压缩管纤维得到了较大程度的压缩染色体