DNA及染色体的结构PPT学习教案

1、会计学1DNA及染色体的结构及染色体的结构第1页/共97页 基因组（genome）：是指细胞或生物体的全套遗传物 质，即生物体维持配子或配子体正常功能的全套染色体 所含的全部基因（DNA）。 比如人基因组的全长为大约3 X 109对碱基，编码 3-4万个 蛋白分子细菌或噬菌体、病毒单个染色体中所含的全部基因（DNA）第2页/共97页第3页/共97页 染色体DNA成分占80，其余为RNA和蛋白质 4.6 x 106bp的基因组DNA 与多种DNA结合蛋白组装成 的染色体 基因组DNA为双链环状，总长度为11001400m，1400 个基因都已定位大肠杆菌的遗传物质第4页/共97页 质粒DNA （

2、plasmid DNA） 细菌中另一类遗传物质环状DNA，存在于染色体之外，能自我复制质粒也携带许多基因，如：抗生素抗性基因第5页/共97页第6页/共97页第7页/共97页第8页/共97页第9页/共97页 C值（C-value）：在真核生物中，每种生物的单倍体 基因组的DNA总量总是恒定的，称为C-值 C值是每种生物的一个特征，不同生物之间差别很大低等真核生物中与形态学复杂程度相关，但高等真核生物中变化很大 C值反常现象（C-value paradox C值谬误）：形态学的复杂程度与C值的不一致第10页/共97页动物真菌等细菌植物阴影部分为一个门内C-值的范围第11页/共97页 持家基因（ho

3、usekeeping gene）：有些基因是在所有细胞类型中都表达的，即这些基因的功能为所有细胞所必需（或称组成型基因 constitutive gene） 奢侈基因（luxury gene）：仅在某种特定类型的细胞中表 达的基因第12页/共97页 * 真核DNA组蛋白 核小体 * 核小体折叠压积 染色质（chromatin） （其它的蛋白质和RNA） * 大部分细胞生活周期里以染色质的形式存在（弥散状） M期染色体形式 * 染色质有两种型 a、常染色质：密度较低，能被表达 b、异染色质：密度较高，不被表达（着丝粒、端粒）第13页/共97页第14页/共97页第15页/共97页组组蛋蛋白白与与D

4、NA的的结结合合核小体第16页/共97页第17页/共97页从DNA到染色体的过程Compaction ratio = 8000第18页/共97页DNA （2nm）核小体链（ 11nm，每个核小体200bp）纤丝（ 30nm，每圈6个核小体）突环（ 150nm，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（ 300nm ，6个突环）螺旋圈（ 700nm，每圈30个玫瑰花）染色体（ 1400nm， 每个染色体含10个玫瑰花200bp）第19页/共97页第20页/共97页卫星DNA（Satellite DNA）： 将DNA切成数百个碱基对的片段进行超速离心时，由于富含AT的简单高度重复序列区段浮力密度较小，

5、因而很容易和总体DNA分开，即常在主要DNA带的上面有一个次要的带相伴随a、分布于着丝点, 端粒区（原位杂交）, 结构基因两侧 （根据重复频率和大小又可分为卫星、小卫星和微卫星DNA） b、往往没有功能，不转录（着丝粒 纺锤体）第21页/共97页人类和其他动物中：短的串联重复 5-50 copies / genome而且有共同的核心序列，但同一群体中重复次数变动很大，个体间长度变化很大，可利用其得到DNA指纹图谱（DNA finger printing） 数目可变的串联重复或小卫星 ( Variable number tandem repeats . VNTR ) 第22页/共97页 2、中度

6、重复序列 10-104 copies 非洲爪蟾的18S、28S rRNA ，不转录区间隔 3、 不重复序列：一个或几个拷贝 第23页/共97页 4、反向重复序列（inverted repeatitive sequence or inverted repeats IR，又称回文序列）：指两段同样的核苷酸序列同时存在于一个分子中，但具有相反的方向 * 较短的回文序列可能是作为一种信号 如：限制性内切核酸酶的识别位点 一些调控蛋白的识别位点（转录终止） 第24页/共97页C第25页/共97页反向重复序列间的间隔较短或无间隔反向重复序列间的间隔较长第26页/共97页割裂基因（splitting gen

7、e） 不连续基因（discontinuous gene ） 断裂基因（interrupted gene）概念：编码某一RNA的基因中有些序列并不出现在成熟 的RNA序列中，成熟RNA的序列在基因中被其它的 序列隔开断裂基因的发现 通过成熟mRNA（或cDNA）与编码基因的DNA杂交试 验而发现第27页/共97页第28页/共97页断裂基因前体mRNAIntrons 去除Exons 连接第29页/共97页第30页/共97页核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖第31页/共97页OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖第32页/共97页嘧啶Pyrimidines嘌呤

8、Purines 一、 含氮碱基、核苷、核苷酸 碱基Nitrogenous basesUracil (U)第33页/共97页 核苷（nucleotide）糖苷键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脱氧核糖核苷第34页/共97页19 核苷酸（nucleotide acid）核苷的磷酸酯 脱氧核糖核苷酸 核糖核苷酸Deoxynucleotides 其中和、和之间是高能磷酸键dNTP第35页/共97页Ribonucleotides 核糖核苷三磷酸缩写为NTP第36页/共97页腺嘌呤核苷酸（ AMP） Adenosine monophosph

9、ate脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP） Deoxyadenosine monophosphate鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HOH第37页/共97页 二、DNA分子的一级结构 (DNA sequence)1、 多聚核苷酸链 主链是核糖和磷酸 侧链为碱基由3,5磷酸二酯键连接2、 链的方向：同一个磷酸基的3酯键到5酯键的方向 (53) 5-UCAGGCUA-3 = UCAGGCUA 默认书写顺序5335第38页/共97页 DNA一级结构53OHOHOH53RNA一级结构第39页

10、/共97页3、 DNA一级结构的特点 a、脱氧核糖是其显著特点 DNA稳定的根本原因DNA在高pH值时磷酸酯键非常稳定只是碱基存在构象的变化酮式烯醇式酮式烯醇式第40页/共97页b、RNA 在高pH时则稳定性很差OH自由的 5-OH 2, 3-环式单核苷酸碱由于2OH导致的水解第41页/共97页c、主链是亲水的，侧链（碱基）是疏水的 主链脱氧核糖的羟基能与水形成氢键，而磷酸基团在生理条件下离解为负离子。 这些特点保证了多核苷酸链可形成稳定的构象。4、 一级结构的概念 指DNA分子中的核苷酸排列顺序 不同生物借此贮存遗传信息 决定DNA的二级结构和高级结构第42页/共97页第43页/共97页*

11、提出 1953. Watson & Crick 右手 B- DNA Double helix Model 第44页/共97页PhosphodiesterBackbone第45页/共97页C-GT-A 碱基互补第46页/共97页 直径2nm * 双螺旋模型（P34） 螺距为（任一条链 绕轴一周所升降的距离） 每圈有10个核苷酸 （碱基） 有大沟和小沟 配对碱基并不充满双 螺旋空间，且碱基对 占据的空间不对称 两个碱基之间的垂直 距离是，螺旋 转角是36度第47页/共97页Pitch 3.4 nmRise0.34nm Width 2nmMajor GrooveMinor Groove10 bp/t

12、urn第48页/共97页 大、小沟的差异 大沟中碱基差异容易识别，往往是 蛋白质因子结合特异DNA序列的位点 小沟相对体现的信息较少第49页/共97页二、 影响双螺旋结构稳定性的因素 l 氢键 (Hydrogen bond 46 kc / mol) 弱键, 可加热解链氢键堆积, 有序排列(线性, 方向) l 磷酸酯键 (phosphoester bond 8090 kc / mol)强键, 需酶促解链 * 维持稳定性的因素第50页/共97页第51页/共97页l 碱基堆积力 (非特异性结合力) 范德华力（Van de waals force） (1.7A/ 嘌呤环与嘧啶环 作用半径)(0.34

13、nm/碱基对间距)3.4A第52页/共97页 疏水作用力 (Hydrophobic interaction) 不溶于水的非极性分子在水中相互联合, 成串结合的趋势力，其中并无键的生成，即熵 值(Entrophy)S上升-热力学上的稳定态。 成为碱基间的部分堆积力 (磷酸骨架, 氨基, 酮基周围水分子间的有序排列 )第53页/共97页l 磷酸基团间的静电斥力，将DNA 双链分开 l 碱基内能增加(温度)，碱基排列有序状态的破坏，从而减弱氢键结合力和碱基堆积力，破坏双螺旋 * 不稳定因素l 0.2 mol / L Na+ 生理盐条件 消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力 第54页/共97页DNA结

14、构的多态性：几种不同的DNA双螺旋结构以及同 一种双螺旋结构内参数存在差异的现象 原因：多核苷酸链的骨架含有许多可转动的单键 磷酸二酯键的两个P-O键、糖苷键、戊糖环各个键第55页/共97页第56页/共97页第57页/共97页A-DNAZ-DNAB-DNAA B Z外型 粗短 适中 细长螺旋方向 右手 右手 左手螺旋直径 碱基直升 碱基夹角 000每圈碱基数 11 10 12轴心与碱基对关系碱基倾角 190 10 90糖苷键构象 反式 反式 C、T反式，G顺式大沟 很窄很深 很宽较深 平坦小沟 很宽、浅 窄、深 较窄很深第58页/共97页ABZHandednessBase Inclinatio

15、n第59页/共97页ABZ大沟宽小沟窄小沟窄大沟变深小沟宽深大沟不存在小沟窄而深第60页/共97页第61页/共97页螺旋超螺旋第62页/共97页一、超螺旋（superhelix or supercoil） 最早在SV40和多瘤病毒中发现超螺旋是所有线性或环形DNA共有的重要特征DNA的三级结构指双螺旋DNA分子通过扭曲和折叠所形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链和二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。第63页/共97页第64页/共97页1、 超螺旋结构的方向性B-DNA紧缠overwinding (右旋) 正超螺旋（positive supercoiled ）导致左手

16、超螺旋第65页/共97页B-DNA松缠unwinding (左旋) 负超螺旋（Negative Supercoiled ）导致右手超螺旋第66页/共97页？第67页/共97页 DNA在水溶液中, 构型偏B型状态 DNA以10 bp/helix为最稳定构型 小于10bp/helix 向正超螺旋发展(紧缠态) 大于10bp/helix 向负超螺旋发展(松缠态) 天然的DNA都是负超螺旋 但一些生命活动过程中存在正超螺旋（DNA 复制）B-DNA的变化情况：第68页/共97页第69页/共97页L 连接数（Linking number ） 双链DNA的交叉数， 不发生链断裂时，L为定值T 盘绕数（Tw

17、isting number ） 双链DNA的缠绕数，初级螺旋圈数W 超螺旋数（Writhing number） 直观上为双螺旋在空间的转动数W= 负值（negative superhelix）W = 正值 ( positive superhelix） 第70页/共97页L=25,T=25,W=0松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形15101520231510152025L=23,T=25,W=2负超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两匝后的线形DNA超螺旋的拓扑学公式：L=T+W第71页/共97页第72页/共97页2、体外可产生正超螺旋 溴化乙

18、锭（Ethidium bromide EB） SV40的CCC分子a、EB的插入只改变盘绕数T使其降低 但L值不变WLTL值不变T值降低W正值产生正超螺旋第73页/共97页第74页/共97页 使使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中形成高度致密状态从而得以装入核中； 推动推动DNA结构的转化以满足功能上的需要。结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。致局部变性，利于复制和转录。第75页/共97页第76页/共97页三、拓扑异构酶l 拓扑异构体：只在连接数上有差别的同种DNA分子称为 这种DNA的拓

19、扑异构体l 拓扑异构酶（topoisomerase ）：催化DNA由一种拓扑异 构体转变成另一种拓扑异构体的酶类第77页/共97页 除连环数（L）不同外其他性质均相同的DNA分子称为拓扑异构体（topoisomerase）。 DNA拓扑异构酶通过改变DNA的L值而影响其拓扑结构。 拓扑异构酶I 通过使DNA的一条链发生断裂和再连接，能使超螺旋DNA转变成松弛型环状DNA，每催化一次可消除一个负超螺旋，即L增加，反应无需供给能量。 拓扑异构酶II则刚好相反，可使松弛型环状DNA转变成负超螺旋DNA，每催化一次，L 减少，可引入负超螺旋。拓扑异构酶II亦称旋转酶，它可以使DNA的两条链同时断裂和再

20、连接，当它引入超螺旋时需要ATP提供能量。 细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内DNA保持在一定的超螺旋水平。第78页/共97页改变超螺旋的方式结合到一条链上形成复合物切断一条链形成酶和DNA的复合体共价连接 Tyrosine-5P一条链穿越重新连接L=2L=3 1、拓扑异构酶 (topoisomerase I) 结果：连接数增加一个 (L+1)第79页/共97页 2、拓扑异构酶 Top II 旋转酶(gyrase) Top亚类之一 引入负超螺旋作用于双链涉及双链的 断裂和连接即L 第80页/共97页 3、拓扑异构酶的生物学功能 b、防止细胞DNA的过度超螺旋 多种拓扑异构酶的作用

21、严格控制体内负超螺旋 维持在5%水平 种拓扑异构酶的单向突变对细胞来说是致命的 因而一般两种拓扑异构酶的突变水平相当a、恢复由一些细胞过程产生的超螺旋 如：复制叉前面正超螺旋的消除 转录酶前正超螺旋的消除，后面负超螺旋的产生第81页/共97页第82页/共97页第83页/共97页一、DNA分子的变性 1、变性（denaturation 或融解 melting）： DNA双螺旋区的氢键断裂，使双螺旋的两条链完全分开变成单链，这一链分离的过程叫做变性。条件：加热，高pH，有机溶剂（ 尿素、 酰胺 )，低盐浓度等 第84页/共97页 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），即增色效应 指在DNA变性的过程中，它在260nm的吸收值先是缓慢 上升，达到某一温度时及骤然上升 天然DNA和变性DNA的吸收值相差可达34第85页/共97页1.01.37OD Tm = of Ct = C0/2 = OD增加值的中点温度(一般为85-95) 或DNA双螺旋结构失去一半时的温度熔解曲线与Tm值 第86页/共97页2、 常用的变性方法 热变性 碱变性应用广泛，特别是用于变性动力学研究 缺点：高温引起磷酸二酯键的断裂，得到长短不一的单链pH时，全部氢键被淘汰无热变性的缺点，为制备单链DNA的首选方法 保存单链DNA的条件 保持pH大于 盐浓度低于第87页/共97页D.S D

23、NAS.S DNADenaturation Renaturation 复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞 二、DNA分子的复性 （anneal or renaturation） 概念：变性DNA在适当条件下，两条彼此分开的链又可以 重新地合成双螺旋结构的过程（退火）复性DNA分子不一定是原有的一对互补链第88页/共97页 1、 影响DNA复性过程的因素 ： 阳离子浓度 0.18 0.2M Na+ 可消除静电斥力 复性反应的温度 低于Tm值 25左右 (60-65) S.S. DNA 的初始浓度 C0DNA分子中，碱基排列情况（重复序列、单一序列） S.S. DNA分子的长度（片段的大小）S.S. DNA愈长S.S. DNA愈短 分子扩散愈慢 复性愈慢 分子扩散愈快 复性愈快第89页/共97页3-ATCTATGCTGTCAT-55-TAGATACGACAGTA-35-TAGATACGACAGTA-33-ATCTATGCTGTCAT-53-ATATATATATAT-55-