第二次课第二章DNA结构和染色体课件

1、 第一节 DNA的结构 第二节 染色体 第三节 DNA的复制 第四节 DNA的复制特点 第五节 DNA的修复 第六节 DNA的转座第二章 染色体与DNA遗传物质的本质 一、DNA携带两类不同的遗传信息 1、 遗传物质必须具有的特性 DNA的特征 a、贮存并表达遗传信息 各异的碱基序列储存大量的遗 传信息1kb DNA序列41000 种遗传信息 b、能把信息传递给子代 DNA的复制是其表达和传递遗传信息的基础 c、物理和化学性质稳定 生理状态下物理、化学性质 稳定 d、具有遗传变化的能力 有突变和修复能力，可稳定遗 传是生物进化的基础2、 DNA携带两种遗传信息 a、编码蛋白质和RNA的信息(编

2、码tRNA、 rRNA) 64个三联体密码子 3个终止密码子 编码氨基酸的61个密码子有简并性、通用性 b、编码基因选择性表达的信息基因选择性表达表现在： 细胞周期的不同时相中 个体发育不同阶段 不同的器官和组织 不同的外界环境下基因的表达与否以及量的差异 * 原核生物的结构基因占Genome的比例很大 x174phage 5386bp 结构基因用去5169bp 比例达96* 真核生物的结构基因占Genome的比例很小 哺乳动物中结构基因只占1015 其余80以上的DNA起什么作用目前还无法精确解释，但可以肯定其中大部分DNA序列是编码基因选择性表达的遗传信息 所以又称调控序列二、 RNA也可

3、作为遗传物质 * RNA病毒 传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组RNA、蛋白质外壳） 如: 烟草花叶病毒（Tobacco Mosaic Virus ，TMV) * 类病毒（viroid）: 使高等植物产生疾病的传染性因子 只由RNA组成, 无蛋白质外壳保护, 游离的共价闭合环状单链RNA分子 三、 是否存在核酸以外的遗传物质 Prion (proteinaccous infections particle) 朊病毒蛋白质样的感染因子羊搔痒病 (scripie)人类库鲁（ kuru） 病 牛海绵状脑炎(疯牛病) 均由传染性病原蛋白颗粒引起统称Prion (朊病毒) Prion 复制? 转录? 翻译?

4、 疾病症状发病机理发现病例库鲁病（Kuru）共济失调、继发痴呆通过同类相食（人）传染约2600例医源性克雅氏病(iCJD）痴呆，共济失调通过朊病毒污染的HGH，或通过角膜移植约80例家族性克雅氏病同上PrP基因种系突变约100个家族零星发生克雅氏病同上体细胞突变PrPc自发转变为PrPsc？每年发生率约百万分之一克雅氏病新突变体vCJD共济失调，常伴有痴呆牛朊病毒传染？46例GS综合症（GSS）共济失调，常伴有痴呆PrP基因种系突变约50个家族致死性家族失眠症（FFI）睡眠隔离，接着失眠，痴呆PrP基因种系突变（D178N和M129）9个家族 人类朊病毒疾病、症状及发病机理 致死性中枢神经系统

5、的慢性退化病理表现：大脑皮层的神经原细胞退化、空泡变性、死亡、消失，最终被星状细胞取代，因而造成海棉状态朊病毒带来了诺贝尔生理/医学奖 1997 Stanley B.Prusiner发现朊病毒是作为老年性痴呆症等疾病的病原并能在寄主细胞中繁殖传播第一节 DNA的结构嘧啶Pyrimidines嘌呤Purines 一、 碱基、核苷、核苷酸 碱基Nitrogenous basesUracil (U) 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19 核苷酸（nucleotide acid）核苷的磷酸酯

6、 脱氧核糖核苷酸 核糖核苷酸其中和、和之间是高能磷酸键dNTP碱基戊糖核苷 核苷磷酸核苷酸核糖核苷三磷酸缩写为NTP 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5335三、 DNA的二级结构* 1953. Watsosn & Crick 右手 B- DNA Double helix Model （一） DNA双螺旋模型的提出（double helix model） 每一单链具有 5 3极性

7、两条单链极性相反 反向平行 两条单链间以氢键连接 以中心为轴，向 右 盘 旋 （直径2nm） 双 螺 旋 中 存 在大、小 沟 * 双螺旋的主链磷酸二酯链(PhosphodiesterBackbone)C-GT-A 碱基互补 直径20 * 双螺旋模型参数 螺距为34（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3.4。螺旋转 角是36度Pitch 34 Rise3.4 Width 20 Major GrooveMinor Groove10.4 bp/turn 大、小沟的差异 大

8、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（二） 影响双螺旋结构稳定性的因素 l 氢键 (Hydrogen bond 46 kc / mol) 消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力 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)l 0.15 mol / L Na+ 生理盐条件 强键, 需酶促解链 * 维持稳定性的因素l 碱基堆积力 (非特异性结合力) ( 1 kc / mol 0.6kc / mol ) n 范德华力（Van de waals force） (

9、1.7A/ 嘌呤环与嘧啶环 作用半径)(0.34 nm/碱基对间距)3.4A 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. l 磷酸基团间的静电斥力 碱基内能增加(温度), 使氢键因碱基排列有序状态的破坏 而减弱 * 不稳定因素（三）双螺旋结构的基本形式 B-DNA 资料来自相对湿度为92所得到的DNA钠盐纤维 此外人们还发现了A、C、D、E等右手双螺旋和左手双螺旋 Z构象等形式DNA结构的多态性：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

10、键的两个P-O键、糖苷键、戊糖环各个键ABZHandednessBase InclinationABZ大沟宽小沟窄小沟窄大沟变深小沟宽浅大沟不存在小沟窄而深左手螺旋左手螺旋是对右手螺旋的一个补充和发展，左手螺旋具有调控基因转录的生物活性。控制区启动子不转录邻近调控转录区与调节区相邻转录控制区负超螺旋低无扭转张力不转录负超螺旋程度高有扭转力转录远距离调控转录区可在上千个碱基对以外 1、反向重复序列与二级结构 反向重复序列（inverted repeatitive sequence or inverted repeats IR）又称回文序列（廻文）：指两段同样的核苷酸序列同时存在于一个分子中，但具

11、有相反的方向. 有时也有不完全相同的情况 RNA和DNA中都可能存在 此外还可有directed repeatitive sequence -正向重复序列（四）一些DNA序列的不寻常结构C反向重复序列间间隔较短或无间隔反向重复序列间间隔较长 * 较短的回文序列可能是作为一种信号 如：限制性内切酶的识别位点 一些调控蛋白的识别位点 例如限制性内切酶 EcoR的识别位点 5GAATTC3 3CTTAAG5 （1） 形成条件 一股为嘌呤，另一股为嘧啶的核苷酸双链能够形成三链 如： polyA/polyU polydA/polydT polyd (AG)/polyd(CT) 2、三螺旋DNA (Tri

12、ble Helix DNA, T.S DNA) 可能与基因调控区域的功能和染色体重组有关PolyT/A TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA PolyT/A TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAD.S. DNA + D.S.DNA T.S. DNA + S.S. DNA （2） 组成形式第三条链位于B-DNA的 Major groove中 T. S. DNA 的连接键 Watson bonding A T G C (D. S. DNA)H+Hoogsteen 氢键G C+(质子化 )(第三链 ,

13、 pH 小于7) (Hoogsteen氢键：在酸性溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤N-7原子形成氢键，同时胞嘧啶的N-4氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。)三股螺旋DNA结构特点总结第三条单链DNA分子 位于B-DNA大沟内 与B-DNA以 Hoogsteen 键连接 A T , G C两氢键配对，C必需质子化 poly(Py) : (Pu) : (Py)为常见类型Trible helixMajor groove Py : Pu : Py3ed3、 四股螺旋DNA ( tetraplex DNA, Tetrable Helix DNA )

14、均有形成四股螺旋DNA的可能 5-TTAGGGTTAGGGTTAGGG-33-AATCCCAATCCC-5 Poly (G) 染色体端粒高度重复的 DNA序列形成条件串联重复的鸟苷酸 已有实验结果表明真核细胞端粒中存在四链结构 结 构 特 点碱基之间靠 Hoogsteen 键连接GGGG基本结构单元鸟嘌呤四联体可能的功能 A、 稳定真核生物染色体结构 B、 保证DNA末端准确复制 C、 与DNA分子的组装有关 D、 与染色体的 meiosis & mitosis 有关 Hoogsteen Bonding 5-TTAGGGTTAGGGTTAGGGT 3-AATCCCAATCCC GGG TA（五

15、）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的共有的重要特征The supercoils of the SV40 minichromosome can be relaxed to generate a circular structure, whose loss of histones then generates supercoils in the free DNA.1、 超螺旋结构的方向性B-DNA紧缠overwinding (右旋) 正超螺旋（positive supercoiled ）导致左手超螺旋以一根绳子

16、做实验：原来的绳子的两股以右旋方向缠绕；在绳子的一端向紧缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个左旋的超螺旋以解除外加捻转的协变B-DNA松缠unwinding (左旋) 负超螺旋（Negative Supercoiled ）导致右手超螺旋在绳子的一端向松缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个右旋的超螺旋以解除外加捻转的协变超螺旋的形成总是要向着抵消初级螺旋改变的方向发展所有生物的DNA几乎 有5%为 Negative Superhelix 2、超螺旋状态的描述1、可用数学公式描述Vinograd 方程式L = T + W ( = + )L 连接数（Linking number

17、） 双链DNA的交叉数， 不发生链断裂时，L为定值T 盘绕数（Twisting number ） 双链DNA的缠绕数，初级螺旋圈数W 超盘绕数（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） 第二节 染色体 染色体是遗传信息的主要携带者，存在于细胞核内。1848年从鸭趾草种提取出来，1879年由Flemming提出染色质这一术语。1883年美国学者提出了遗传基因在染色体上的学说,1928年摩尔根证实了染色体是遗传基因的载体，从而获得了生理医学诺贝尔奖。亲代将自己的遗传物

18、质DNA 以染色体的形式传给后代 同一物种内每条染色体所带DNA量是一定的，但不同染色体或不同物种变化很大,人X染色体带有1.28亿个核苷酸对，而Y染色体只带有0.19亿个核苷酸对。 物种 基因组大小/Mb 单倍体染色体数目 人 3300 23 豌豆 4800 7 线虫 155 11 鼠 2600 21 玉米 2500 10 水稻 430 24 果蝇 278 4 部分动植物及细菌染色体数人类22对常染色体1.真核生物与原核生物染色体的异同真核生物染色体位于细胞核内，一般在细胞有丝分裂过程中在光学显微镜下可见，而在细胞间期则为染色质，间期细胞经低渗处理溶胀破裂放出纤维串珠状的染色质。原核生物的染

19、色体位于拟核区，染色体环状位置和形态：原核生物染色体外裹着稀疏的蛋白质，这些蛋白质与DNA的折叠、复制、重组及转录有关。真核生物DNA和蛋白质完全融合在一起，蛋白质与DNA的质量比为2：1，蛋白质包括组蛋白和非组蛋白 染色体的倍数：原核生物染色体一般为单倍体，大多只带有单拷贝基因,每个基因序列几乎都与它所编码的蛋白质呈线性对应关系真核生物除性细胞外染色体都是二倍体，有两份同源的基因组。DNA与蛋白质的关系指DNA分子所携带遗传信息总和，即指一个细胞所有基因和基因间DNA的总和，称基因组。遗传学定义为：一个物种的单倍体的染色体的数目为该物种的基因组。在真核生物中，每种生物的单倍体基因组的DNA总

20、量是恒定的，称之为C值。基因、基因组的概念产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列，在遗传学上也称顺反子（cistron）。 (二)基因组(三)C值一个单倍体基因组中DNA的总量(一)基因霉菌藻类G+细菌G-细菌显花植物鸟类哺乳类爬行类两栖类硬骨鱼类软骨鱼类赖皮类甲壳类昆虫类软体动物蠕虫类真菌枝原体C value paradoxof nucleotide A 生物体进化程度高低与C值的相关性不强 B 亲缘关系相近的生物C值相差较大 低等生物单倍体基因组DNA的含量与生物复杂性呈正相关，但高等生物这种关系并不一致。真核生物 DNA 染色体数 （2C） （2N）两栖鲵 168.0 pg 2

21、4肺鱼 100 38蝾螈 85.3 24警蛙 28.2 24牛 6.4 60人 6.4 46绵羊 5.7 54果蝇 0.2 8贝母 196.7 24豌豆 28 12玉米 11 20原核生物 DNA （C）Salmonella 0.0143 pg(沙门氏菌)E.coli 0.0040T2 0.00022 0.0000055174 0.000005这种形态学的复杂程度与C值大小的不一致称为C值矛盾。2.原核生物基因组原核生物基因组特点：基因连续，没有内含子结构简练：DNA分子绝大部分用来编码蛋白质，小部分不转录DNA序列控制基因表达存在转录单元：原核生物DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因丛集

22、在基因组的一个或几个特定的部位，形成功能转录单元。并被一起转录为含多个mRNA的分子，叫多顺反子mRNA.重叠基因：原核生物中的一些细菌和动物病毒中有重叠基因，即同一段DNA能携带两种不同的蛋白质信息。如：X 174是一种单链DNA病毒，含有9个重叠基因，有几种情况： 一个基因完全在另一个基因里， 部分重叠，两个基因只有一个碱基重叠。原核生物基因组具有单个复制起点3.真核生物基因组DNA真核生物基因组比较大，包括核基因组和细胞器基因组含有大量的重复序列基因组的大部分为非编码序列功能DNA序列大多数被不编码非功能DNA隔开使基因组不连续存在大量的顺式作用元件真核生物的基因为单顺反子存在大量的DN

23、A多态性，具有端粒结构具有多个复制起始点染色体DNA蛋白质组蛋白非组蛋白4.真核生物染色体中的蛋白质蛋白质组蛋白 H1、H2A、H2B、H3、H4非组蛋白组蛋白的特征：进化上极端保守，尤其是H3、H4，没有组织特异性，仅发现鸟类两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5,精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。 肽链上氨基酸分布不对称，碱性氨基酸分布在N端，疏水基团在C段。组蛋白的修饰作用，包括甲基化，乙酰化、磷酸化、及糖基化 修饰作用发生在细胞周期的特定时期和组蛋白的特定位点上。MG1G2S组蛋白修饰的生物学意义：乙酰化、甲基化修饰能为相关调控蛋白提供附着位点，一般的乙酰化能选择性使某些染色质区域的结构从紧密变得松散，开放某些基因转录，甲基化和可逆磷酸化的调节在信号转导过程中有重要的作用，是细胞生命活动的调控中心5.核小体的结构：核小体由H2A、 H2B、 H3、 H4各两分子组成