第二章与染色体详解演示文稿

第二章与染色体详解演示文稿当前1页，总共171页。优选第二章与染色体当前2页，总共171页。一.核酸的分类及分布90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。当前3页，总共171页。二.核酸的功能

1.1944年艾弗里的肺炎球菌实验2.1952年赫尔希等人的噬菌体感染研究（一）.DNA是主要的遗传物质的证明当前4页，总共171页。

（二).遗传物质的性质

当前5页，总共171页。

1、遗传物质必须具有的特性

a、贮存并表达遗传信息b、能把信息传递给子代

c、物理和化学性质稳定

d、具有遗传变化的能力

各异的碱基序列储存大量的遗传信息

碱基互补是其复制、转录表达遗传信息的基础

生理状态下物理、化学性质稳定

有突变和修复能力，可稳定遗传是生物进化的基础1kbDNA序列41000种遗传信息当前6页，总共171页。2.DNA携带两种遗传信息

a、编码蛋白质和RNA的信息(编码tRNA、rRNA)

64个三联体密码子，三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

*原核生物的结构基因占Genome的比例很大

Φx174phage，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10％～15％

当前7页，总共171页。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

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各种基因的表达与否以及量的差异

所以又称－－调控序列当前8页，总共171页。3、RNA也可作为遗传物质

*RNA病毒传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组RNA、蛋白质外壳）TobaccoMosaicVirus(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4、是否存在核酸以外的遗传物质

朊病毒－－蛋白质样的感染因子当前9页，总共171页。

第二节核酸的化学组成

当前10页，总共171页。

核酸（nucleicacid)核苷酸(nucleotide)

磷酸(phosphoricacid)核苷(nucleoside)

戊糖(pentose)碱基(base)当前11页，总共171页。

两类核酸的基本化学组成：RNA：D-核糖，A、G、C、U碱基DNA：D-2-脱氧核糖，A、G、C、T碱基元素组成：CHONP当前12页，总共171页。

一.核苷酸

（一）.戊糖组成核酸的戊糖有两种：脱氧核糖、核糖，都是β-D-型，DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。当前13页，总共171页。（二）、碱基

P479结构式

1.嘧啶碱：尿嘧啶(uraci)U胞嘧啶（cytosine）C

胸腺嘧啶（thymine）T2.嘌呤碱:腺嘌呤(Adenine)

A鸟嘌呤(guanine)G

嘌呤衍生物

当前14页，总共171页。

1.嘌呤碱：嘌呤(purine)

腺嘌呤（6-氨基嘌呤）Adenine(A)

鸟嘌呤（2-氨基6-氧嘌呤）Guanine(G)当前15页，总共171页。

2.嘧啶(pyrImidine)酮式烯醇式胞嘧啶（2-氧，4-氨基嘧啶）Cytosine(C)当前16页，总共171页。尿嘧啶（2，4-二氧嘧啶）Uracil(U)胸腺嘧啶（5-甲基尿嘧啶）Thymine(T)当前17页，总共171页。

两类核酸分子的组成比较：嘌呤嘧啶核糖磷酸DNAA，GC，T脱氧核糖磷酸RNAA，GC，U核糖磷酸当前18页，总共171页。

3.核酸中的修饰碱基：P479表13-2

§次黄嘌呤(I)

§二氢尿嘧啶(D)

§5-甲基胞嘧啶(m5C)

§1-甲基腺嘌呤(m1A)

§N6-甲基腺嘌呤(m6A)当前19页，总共171页。当前20页，总共171页。当前21页，总共171页。

（三）、核苷（nucleoside）

核苷=戊糖+碱基

碱基和核糖通过C-N糖苷键连成核苷。

连接方式:嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1

与糖的C-1以糖苷键相连。当前22页，总共171页。腺苷(AR)脱氧胞苷(dCR)β1’,N9-糖苷键β1’,N1-糖苷键β1’β1’N9N1糖苷键Glycosidicbond当前23页，总共171页。腺嘌呤核苷（腺苷）胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）当前24页，总共171页。

(四).核苷酸（nucleotide）

核苷酸=核苷+磷酸

=戊糖+碱基+磷酸

HHHHHHHHH当前25页，总共171页。

1.构成DNA、RNA的核苷酸

P481表13-14

DNA：dAMP、dGMP、dCMP、dTMP

RNA：AMP、GMP、CMP、UMP

当前26页，总共171页。PPPPPPPP常见（脱氧）核苷酸的结构和命名鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）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）当前27页，总共171页。2.细胞内的游离核苷酸及其衍生物

①核苷5’-多磷酸化合物

ATP、GTP、CTP、ppppA、ppppG在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。当前28页，总共171页。AMPADPATP当前29页，总共171页。OPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的结构

Cyclicadenylie(Guanine)acid②环核苷酸3’,5’-cAMP，3’,5’-cGMP

当前30页，总共171页。③核苷5’多磷酸3’多磷酸化合物ppGpppppGppppApp当前31页，总共171页。④核苷酸衍生物

HSCoA、NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。当前32页，总共171页。当前33页，总共171页。当前34页，总共171页。（五）、核酸

3’,5’-磷酸二酯键具有方向性核酸链的简写式

线条式字符式5＇pＡpＣpＴpＴpＧpＡpＡpＣpＧ3＇DNA5＇pＡpＣpＵpＵpＧpＡpＡpＣpＧ3＇RNA5‘pＡＣＴＴＧＡＡＣＧ3’5＇pＡＣＵＵＧＡＡＣＧ3＇OH牛脾磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶当前35页，总共171页。第三节DNA的结构一、DNA的一级结构指脱氧核糖核酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，可以用碱基排列顺序表示。DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。

当前36页，总共171页。（一）DNA一级结构的特点

1.连接键：3’，5’-磷酸二酯键2.磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架3.碱基形成侧链

4.多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端当前37页，总共171页。（二）DNA一级结构稳定的因素

a.DNA在高pH值时磷酸酯键非常稳定只是碱基存在构像的变化

酮式烯醇式酮式烯醇式当前38页，总共171页。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2’－OH导致的水解当前39页，总共171页。

b、磷酸呈四面体构型，脱氧核糖呈折叠的五元环，碱基是平面的。C.主链是亲水的，侧链（碱基）是疏水的。

主链的脱氧核糖的羟基能与水形成氢键。而碱基在无水状态免遭小分子攻击结构稳定。当前40页，总共171页。（三）DNA一级结构的不均一性（1）重复序列★反向重复（回文序列）(invertedrepeat,palindromesequence)

该片段的碱基顺序在互补链之间正读反读都相同。

当前41页，总共171页。较短的回文序列可作为一种特别信号。如：限制性核酸内切酶的识别位点。

当前42页，总共171页。当前43页，总共171页。当前44页，总共171页。较长的回文结构，中间被一些不相关的序列隔开。都能形成十字架（交叉）和发卡结构可形成茎环结构(发夹结构)或十字形结构。

转录的终止作用与回文结构有关。当前45页，总共171页。当前46页，总共171页。当前47页，总共171页。

(2)富含AT的序列在很多有重要调节功能DNA区段都富含AT碱基对，特别是在复制起点和转录启动子区域，富含AT对。这对于复制和转录的起始十分重要，因为GC对有三个氢键，而AT对只有两个氢键，此处双键易解开。当前48页，总共171页。

二.DNA的二级结构：（一）.DNA的二级结构的研究史二十世纪二十年代，提出四核苷酸假说。二十世纪五十年代初，Chargaff规则：a.[A]=[T]；[C]=[G]，且A+G=C+T。b.DNA的碱基组成具有种的特异性。c.DNA碱基组成没有组织、器官的特异性。d.年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成。

当前49页，总共171页。

1953年，Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构。Wilkins通过对DNA分子的X-射线衍射研究证实了Watson和Crick的DNA模型。1962年，三人共享Nobel生理医学奖。当前50页，总共171页。当前51页，总共171页。（二）、DNA双螺旋结构的要点

当前52页，总共171页。1.两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条5’→3’，另一条3’→5’当前53页，总共171页。2.磷酸与脱氧核糖彼此通过3’，5’-磷酸二酯键相连，构成DNA分子的骨架。3.磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。当前54页，总共171页。4.碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行5两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起。6.螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持当前55页，总共171页。A与T通过形成两对氢键配对A==T当前56页，总共171页。

G与C通过形成三对氢键配对G≡≡C当前57页，总共171页。A与T通过形成两对氢键配对,G与C通过形成三对氢键配对当前58页，总共171页。7.每圈螺旋含10个核苷酸，碱基堆积距离0.34nm，双螺旋平均直径2nm，8.大沟宽1.2nm，深0.85nm，小沟宽0.6nm，深0.75nm2.0nm小沟大沟当前59页，总共171页。（三）稳定双螺旋结构的因素

碱基堆积力氢键离子键疏水作用

当前60页，总共171页。

①碱基配对的氢键GC含量越多，越稳定。

弱键,加热或在DNA溶液中加入可与碱基形成氢键的极性分子，如尿素与甲酰胺，能使DNA解链。②疏水的相互作用力，碱基有很强的疏水性，并且碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。若在DNA溶液中加入甲醇，增加亲水性，或加入三氟醋酸钠，破坏DNA分子外表的水壳，都会降低疏水的作用。当前61页，总共171页。③碱基堆积力，疏水作用使碱基成簇，从而促成了碱基堆积力（主要因素）。线性DNA两边配对的碱基越多，堆积力越大。④磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。强键,需酶促解链.

0.2mol/LNa+生理盐条件，

消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力

当前62页，总共171页。（四）DNA的双螺旋结构的意义

模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。当前63页，总共171页。（五）.DNA二级结构的多态性1979年，AlexanderRich发现了左手螺旋，称为Z-DNA，另外也有A-DNA的存在。

P489表13-6A-、B-、Z-DNA的比较相对湿度92%：B—DNA相对湿度75%：A—DNA。

当前64页，总共171页。随着对DNA结构研究的不断深入，人们逐步认识到在天然DNA分子中，以B型结构为主，但同时可能存在有其他类型的结构形式，即DNA分子的基本结构是B型.

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.但在这个分子的某些区段会出现A、Z，甚至三链、四链，并且这些不同的结构处于动态变化中。当前65页，总共171页。实验证明，水合的B-DNA在脱水时，或由于加入乙醇或盐而使水的的活度降低时即转变为A型。这是由于B-DNA中，2-脱氧核糖的构象发生了变化，使得同股核苷酸链中相邻磷酸基间的距离缩短了0.1nm，也使得每匝螺旋的碱基对数由10转变为A-DNA的11。活度降低时即转变为A型。这是由于B-DNA中，2-脱氧核糖的构象发生了变化，使得同股核苷酸链中相邻磷酸基间的距离缩短了0.1nm，也使得每匝螺旋的碱基对数由当前66页，总共171页。A-DNA中碱基对也由B-DNA的集中于中心轴变化为向大沟方向移动了约0.5nm，也就使A-DNA具有粗短，大沟更细更深的外形。另外还发现，转录过程中，在DNA单股上合成RNA时，DNA与RNA所形成的杂交双螺旋，可能是A型。在B-DNA向Z-DNA转变中，碱基平面相对于螺旋轴转动了180º。当前67页，总共171页。这一翻转对交替d（GC）序列中的两种残基的构象产生了不同影响，胞嘧啶核苷残基整个转动了180º，仍保持反式构象，而鸟嘌呤核苷残基中的碱基则绕苷键转动了180º，结果导致多脱氧核苷酸主链的走向呈“Z”形。研究表明，在大多数细胞的阳离子条件下，交替的CG区段很可能处于B型，而在胞嘧啶被甲基化后，就转向Z型。这样甲基化所处环境就由B-DNA中的亲水区转而进入Z型的疏水区，也就增加了稳定性，进而有利于DNA生物功能的发挥。当前68页，总共171页。

DNA在发挥其生物功能过程中，会呈现与其功能相适应的各种特异性结构，如三链，四链DNA等。但需要指出的是，无论DNA结构形式如何多样，B-DNA仍然是DNA的最基本构象。当前69页，总共171页。※.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键的两个P-O键、糖苷键、戊糖环各个键.当前70页，总共171页。（1）B—DNA：典型的Watson-Crick双螺旋DNA右手双螺旋,每圈螺旋10.4个碱基对,螺距：3.32nm（2）A-DNA

右手双螺旋，外形粗短。RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子具有这种结构。（3）Z-DNA

左手螺旋，外形细长。天然B-DNA的局部区域可以形成Z-DNA。Rich在研究CGCGCG寡聚体的结构时，发现了这类DNA,由于磷酸基在多核苷酸骨架上的分布呈Z字形,（原因：左手螺旋的过程中，胞嘧啶核苷酸残基整个转动180°，而嘌呤核苷酸中只有碱基转动180°。）因此称为Z-DNA。

当前71页，总共171页。糖磷酸骨架呈“之”字形。左旋分子外形呈波形

在高盐的条件下嘌呤-嘧啶相间排列在活细胞中如果胞嘧啶被甲基化的（m5C）Z-DNA的结构特点Z-DNA存在的条件当前72页，总共171页。（二）Z-DNA存在的条件1）在高盐的条件下：NaCl的浓度超过2mol/L，MgCl2的浓度要超过0.7mol/L。2）嘌呤-嘧啶相间排列：poly（GC/CG）n,在一定的条件下poly（AC/TG）n,甚至poly(AT/TA)n现在认为在适当的离子存在条件下，任何不少于六个bp的嘌呤-嘧啶交替排列顺序都能形成Z-DNA。

当前73页，总共171页。3）在活细胞中如果胞嘧啶被甲基化的（m5C）则无需嘌呤-嘧啶相间排列，在生理盐水的浓度下就可产生Z型。如

1981年Behe发现此是由于甲基（m）伸向大沟含水的环境中，周围局部形成憎水区，有利于Z-DNA的稳定。当前74页，总共171页。

(三)生物学意义

①可能提供某些调节蛋白的识别。啮齿类动物病毒的复制起始部位有d（GC）有交替顺序的存在；②在SV40的增强子中有三段8bp的Z-DNA存在，若将其中2个Z-DNA片段除去，再接到b-珠蛋白基因上表达，表明增强子失去活性。当将野生型SV40的Z-DNA中“T”和“C”转换成“C”、“T”时，不影响突变体的活性，但嘧啶转换成嘌呤时，由于破坏了嘌呤-嘧啶的相间排列，而使Z-DNA难以形成，从而SV40也失活（图9-16）。

当前75页，总共171页。

调节蛋白的识别位点与转录有关

当前76页，总共171页。另一个例子是原生动物纤毛虫，它有大、小两个核，大核有转录活性，小核和繁殖有关。大、小两核的DNA序列相同。而以荧光标记的Z-DNA抗体显示仅和大核DNA结合，而不和小核的DNA结合，说明大核DNA有Z-DNA的存在，可能和转录有关。当前77页，总共171页。DNABhelix0º10.5residues/turndiameter20Apitch34A

DNAZhelix

7º12residues/turndiameter18Apitch45ADNAAhelix

20º11residues/turndiameter23Apitch28A

当前78页，总共171页。当前79页，总共171页。三种DNA双螺旋构象比较ABZ外型粗短适中细长螺旋方向右手右手左手螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm碱基直升0.23nm0.34nm0.38nm碱基夹角32.7034.6060.00每圈碱基数1110.412轴心与碱基对关系2.46nm3.32nm4.56nm碱基倾角1901090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、深较窄很深当前80页，总共171页。三、DNA的三级结构P36

E.coli的DNA的总长度是其细胞长度的100倍，那么它的DNA怎样包装成类核的呢？原来其DNA存在着超螺旋。DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构。原核生物：双链环状DNA,大部分原核生物的DNA是共价封闭的环状双螺旋，这种双螺旋还可以再次螺旋化形成超螺旋。结构更紧密，在离心场中比线型和开环DNA沉降要快。

当前81页，总共171页。螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋当前82页，总共171页。（一）环状DNA：

某些病毒DNA某些噬菌体DNA某些细菌染色体DNA细菌质粒DNA真核细胞中的线粒体DNA、叶绿体DNA

当前83页，总共171页。

1、环状DNA的三种典型构象（1）松弛环形DNA线形DNA直接环化（2）解链环形DNA线形DNA拧松后再环化（3）超螺旋DNA

当前84页，总共171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DNADNA超螺旋的形成当前85页，总共171页。MOV:PBC\A0267501\supercoilingofDNA当前86页，总共171页。正超螺旋：绳子的两股以右旋方向缠绕，如果在一端使绳子向缠紧的方向旋转，再将绳子两端连接起来，会产生一个左旋的超螺旋，以解除外加的旋转造成的胁变。负超螺旋：如果在绳子一端向松缠方向旋转，再将绳子两端连接起来，会产生一个右旋的超螺旋，以解除外加的旋转所造成的胁变，这样的超螺旋称负超螺旋。大部分天然DNA呈负超螺旋。

当前87页，总共171页。2、三种环形DNA的拓扑学特性

①连环数

L

DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数。②扭转数

T

DNA分子中的watson-crik螺旋数目，以T表示。③超螺旋数

W正超螺旋为正，负超螺旋为负L=T+W当前88页，总共171页。当前89页，总共171页。超螺旋是可以定量描叙的。White在1969通过微分几何的研究，建立了White方程（L=T+W）来说明环绕数和超螺旋的关系。L（linkingnnmber）：链环数或称拓扑环绕数，指cccDNA中一条链绕另一条链的总次数。其特点是：①L是整数；②在cccDNA中任何拓扑学状态中其值保持不变；③右手螺旋对L取正值。T（twistingnumber）：缠绕数，即双螺旋的圈数。其特点是：①可以是非整数；②是变量；③右手螺旋时T为正值。W（writhingnumber）：扭曲数，即超数旋数。其特点是：①可以是非整数；②是变量；③右手螺旋时，W取负值。无论是L数的增加或减少，即加旋或解旋，DNA分子具有维持B-DNA结构的倾向，即由10碱基构成一个螺旋，因此，DNA的长度确定后，“T”会保持不变，加旋和解旋的影响由三极结构的扭曲来抵消。现举例说明这三者之间的关系。如有松弛的B-DNA，共有420bp，一条链绕另一链42次，正好形成42圈螺旋，则L=T=42，所以W=0，无超螺旋。若固定一端，另一端按顺时针方向旋转6圈，使双螺旋解开6圈，再将双链连接成闭合环，而DNA仍要保持B-DNA的结构，每个螺旋由10个bp组成，T又变成最初的42，即有42个螺旋，则L=36，T=42，所以W=-6，即形成了6个负超螺旋（右旋），在此情况下，T值保持不变。

ΔT=0，ΔL=ΔW当前90页，总共171页。某B-DNA1350bp，每螺旋10bp，在松弛情况下L=T=1350/10=135,W=0，无超螺旋若DNA一端固定，另一端解螺旋5圈，在两端封闭：L=135－5=130由于分子内张力，出现两中可能情况：※在分子内保持一个单链区，T=130，W=0※DNA张力趋于保持B-DNA原状，T=135，L=130，W=－5DNA分子超盘绕5次的负超螺旋。L=T＋W的计算当前91页，总共171页。当前92页，总共171页。连环数（L）缠绕数（T）扭曲数W松驰环25250解链环23230超螺旋2325-2负超螺旋DNA是由于两条链的缠绕不足引起（L），分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，很易解链，易于参加DNA的复制、重组和转录等。当前93页，总共171页。嵌入剂溴化乙锭（ethidiumbromide，EB），通过嵌入到配对碱基之间的方式与DNA结合，导致DNA双螺旋的局部解旋沉降系数EB浓度当前94页，总共171页。超螺旋的特点碱性pH条件下的沉降系数

I型DNA共价闭合环状

II型DNA开环，松弛型

I°型闭环，松弛型Ⅲ型线状pH11.3pH11.3pH11.3pH11.3当前95页，总共171页。DNA浓度管底管顶I型II型III型电泳当前96页，总共171页。超螺旋的意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。CsCl密度梯度（含EB）离心：超螺旋〉开环〉线性当前97页，总共171页。

DNA分子形成超螺旋的生物学意义

一是超螺旋DNA具有更紧密的形状，因此在DNA组装中具有重要作用。

二是DNA的结构具有动态性，这有利于其功能的发挥，而DNA超螺旋程度的改变介导了这种结构的变化。B-DNA是一种热力学上的稳定结构，超螺旋的引入就提高了它的能量水平。负超螺旋的存在会影响DNA结构变化的平衡，具超螺旋的DNA能实现松弛态DNA所不能实现的结构转化。当前98页，总共171页。

3、原核生物拓扑异构酶（topoisomerase）

拓扑异构体（topoisomerase）：除连环数（L）不同外其他性质均相同的DNA分子。DNA拓扑异构酶通过改变DNA的L值而影响其拓扑结构。

当前99页，总共171页。1)拓扑异构酶酶I

（解旋酶，拧紧）

①仅切断双链DNA的一条链，即催化瞬时的单链断裂和连接，使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状DNA，每次催化使L值增加1②不需要能量辅助因子如ATP和NAD等，因而不能催化需能的超螺旋化结构。

当前100页，总共171页。目前研究较为清楚的是大肠杆菌拓扑异构酶（过去叫做ω蛋白）。

作用机理:当酶与DNA结合时，可形成稳定的复合物，这个复合物是切断DNA链的5′-磷酸基与酶的酪氨酸羟基以酯键连接而成的，同时酶的另一端共价连接在3′-OH基上。在此发生的是磷酸二酯键的转移反应，由DNA转移到蛋白质。当DNA的一股链穿越切割点绕另一股旋转一圈后，原来断裂的DNA重新连接，酶被释放。即磷酸二酯键又由蛋白质转移到DNA。整个过程并不发生键的不可逆水解，没有能量的丢失。因此不需要外界供给能量，结果由于L由n变为n+1当前101页，总共171页。2)拓扑异构酶酶II（促旋酶,拧松）

①使DNA的两条链同时断裂和再连接，不需要单链切口存在，能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形DNA，因而每个反应后改变两个链环数；②需要能量辅助因子。当前102页，总共171页。

DNA双链重新连接DNA双链穿过DNA的释放重复起始DNA双链断裂拓扑异构酶II的作用机制

当前103页，总共171页。拓扑异构酶Ⅱ功能是将复制叉前的正超螺旋转为负超螺旋，从而释放由复制叉移动造成的张力。其每将一个正超螺旋转为负超螺旋，就将DNA的连接数L的符号从+1变为-1，则L的变化为L=-2。当前104页，总共171页。

大肠杆菌的拓扑异构酶Ⅱ又叫旋转酶.作用机制:当反应开始时，DNA围绕着酶卷起，然后将两条链切断，2个α亚基分别与5’-磷酸基、3’-OH结合，在酶构象改变的牵引下，另一双链穿越酶蛋白提供的裂隙（切口），最后断裂的2条链又重新连接。ATP水解产生的能量用来恢复酶的构象，从而可进行下一次循环。当前105页，总共171页。在细胞中，拓扑异构酶Ⅰ和拓扑异构酶Ⅱ的量是相互抗衡，并受到精细地调节的，这能保证DNA的负超螺旋程度达到一个最佳状态。图2-22E.coliDNA旋转酶导入负超螺旋的作用机理当前106页，总共171页。（二）三链DNA在正常的DNA双螺旋结构基础上还可形成三股螺旋。依据三螺旋的形成机理和生物学意义，可分为三类：（1）分子间的三螺旋DNA。在一定条件下，合成的脱氧核苷酸插入DNA双螺旋特定区域的大沟内，通过氢键形成局部的分子间三螺旋结构。（2）分子内的三螺旋DNA。（具有镜像结构）DNA双螺旋特定区，通过氢键作用，发生自身折叠，形成局部的分子内三股螺旋结构，同时解离出一段DNA单链。如镜像重复的一段双螺旋可以形成三股螺旋，称H-DNA.当前107页，总共171页。（3）平行的三螺旋结构。是指三螺旋结构中的第三条链的序列与第一条链的序列相同，方向也相同，这种结构的DNA又叫R-DNA，是因其与基因的重组（recombination）有关而得名。上述形成三螺旋的三条链一般均由Hpu或Hpy组成。碱基配对方式是第三个碱基以A或T与A=T中的A配对，G或C与G=C中的G配对，但C必须质子化(C+)，并且只形成两对氢键。

当前108页，总共171页。

第四节DNA与染色体P19一.染色体概述19世纪中叶，发现染色体。当细胞分裂时，每一条染色体都复制生成一条与母链完全一样的子链，形成同源染色体对。原核生物DNA一般位于类核体上。原核细胞一般情况下含有一条染色体，都是单倍的。当前109页，总共171页。二.真核细胞染色体的组成真核细胞的染色体由DNA、组蛋白、非组蛋白及部分RNA组成。其蛋白质与相应DNA的质量比约为2:1。除了性细胞以外，真核细胞的染色体都是二倍体，而性细胞的染色体数目是体细胞的一半，称为单倍体。当前110页，总共171页。1.染色体特征:1）分子结构相对稳定;2）能够自我复制;3）能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程;4）能够产生遗传的变异。染色体被大量蛋白质及核膜包围，DNA的转录和翻译在不同的空间和时间上进行，其基因表达调控与DNA的序列和染色体的结构有关。当前111页，总共171页。2.蛋白质染色体上的蛋白质主要包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成核小体。组蛋白分别为Hl、H2A、H2B、H3及H4。它们含有大量的赖氨酸和精氨酸。特性P24非组蛋白包括酶类，收缩蛋白、骨架蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。当前112页，总共171页。3.DNA真核细胞基因组含有大量的重复序列，功能DNA序列大多被非功能DNA所隔开。许多DNA序列不编码蛋白质。真核细胞DNA序列可被分为3类:(1)低度或不重复序列占DNA总量的40％－80％，重复序列长度大于1000bp。一般只有一到几个拷贝。此类序列携带大量能编码各种功能不同蛋白质的遗传信息（结构基因)，也有一些是基因间隔序列。当前113页，总共171页。(2)中度重复序列：占总DNA的10％～40％，重复次数在10-104，各种rRNA、tRNA以及某些结构基因属于这一类。中度重复序列往往分散在不重复序列之间。中度重复序列一般有种的特异性，可以作为探针，区分不同种间细胞DNA。当前114页，总共171页。(3)高度重复序列――由6～100个碱基组成，在DNA链上串联重复高达数百万次（106）以上，因此复性速度很快。不转录。在高度重复序列中，还有一种简单的重复单位组成的重复序列，重复单位一般由2～10bp组成，成串排列。这种重复序列的碱基组成富含AT，可用等密度梯度离心法将其与主体DNA分开，因此把它叫做卫星DNA（satelliteDNA）。卫星DNA占总DNA的10％～60％，（真核）当前115页，总共171页。又根据重复频率和重复序列长度不同，可分为小卫星DNA和微卫星DNA.相近种属的高度重复序列存在相似性，不同种属具有种属特异性。高度重复序列可能参与DNA复制及基因表达的调控。当前116页，总共171页。4.染色质与核小体(nucleosome)1974年，Kornberg发现核小体核小体是所有真核生物染色体的基本结构单位小球菌核酸酶处理后凝胶电泳电镜观察

当前117页，总共171页。H2A、H2B、H3和H4各两分子组成组蛋白八聚体，构成核心组蛋白。

双螺旋DNA(146bp)以左手超螺旋的方式绕核心颗粒1.75圈，缠绕在核心组蛋白表面，构成核心颗粒。

两端各有11bp与H1结合，形成完整的核小体连接区DNA（平均55bp）将相邻的核小体连接。1）核小体的组装当前118页，总共171页。当前119页，总共171页。当前120页，总共171页。当前121页，总共171页。2）30nm染色体螺旋管的模型当前122页，总共171页。30nm染色体螺旋管的模型(引自Griffithsetal1999)当前123页，总共171页。当前124页，总共171页。（3）扭曲成突环（Loop）附着在非组蛋白组成的支架，约含75kbDNA

当前125页，总共171页。当前126页，总共171页。当前127页，总共171页。DNA（2nm,200bp

）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）当前128页，总共171页。

DNA核小体螺线管超螺线管染色单体压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍共计压缩8400倍当前129页，总共171页。5.基因与基因组

基因的定义：

DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。合成有功能的多肽链或RNA所必需的全部核酸序列（通常是DNA序列）。故一个基因应包含不仅是编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，还包括为保证转录所必需的调控序列、5′非翻译序列、内含子以及3′非翻译序列等所有的核酸序列（蛋白质基因和RNA基因）。当前130页，总共171页。基因分类编码蛋白质的基因：具有转录和翻译功能，包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻遏蛋白的调节基因。只有转录功能而没有翻译功能的基因：包括tRNA基因和rRNA基因不转录的基因：它对基因表达起调节控制作用，包括启动基因和操纵基因当前131页，总共171页。基因组（genome）基因组：携带生物体全部遗传信息的核酸量。可以指一个细胞、一个个体、一个种群.原核：就是它的整个染色体。真核：一个物种单倍体染色体数目不同生物体中具有不同的基因组大小当前132页，总共171页。1）原核生物基因组的结构特点基因组很小，且大小相差较大单倍体（逆转录病毒除外）基因重叠结构简练转录单元（多顺反子结构）基因多是连续的（真核细胞病毒除外）当前133页，总共171页。

A.基因组很小，相差较大

基因组大小编码蛋白质

乙肝病毒3Kb4种痘病毒3000Kb几百种大肠杆菌4600Kb3000－4000当前134页，总共171页。原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因〔如rRNA基因〕是以多拷贝形式存在当前135页，总共171页。B.结构简练大部分可编码蛋白质,只有非常小的一部份不编码蛋白质(通常是基因表达的控制序列）ΦX174DNA中不翻译的部份只占217/5375G4DNA中不翻译的部份占282/5577乳头瘤病毒基因组中不翻译的部份占1.0/8.0Kb当前136页，总共171页。C.基因重叠同一段DNA片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子

此现象在其它的生物中仅见于线粒体和质粒DNA较小的基因组能够携带较多的遗传信息ΦX174单链DNA病毒，宿主为大肠杆菌，因此，又是噬菌体。编码11个蛋白质分子，总分子量为25万左右，相当于6078个核苷酸所容纳的信息量DNA本身只有5375个核苷酸，最多能编码总分子量为20万的蛋白质分子当前137页，总共171页。

基因重叠的几种情况：（1）完全重叠（2）部分重叠（3）两个基因只有一个碱基重叠,有的重叠基因的重叠部分翻译相同序列的肽段；有的翻译不同的肽段，这是因为翻译起点错位引起的。当前138页，总共171页。

D.转录单元基因组DNA序列中功能上相关的蛋白质的基因或rRNA的基因往往丛集在基因组的一个或几个特定的部位，形成一个功能单位或转录单元，即形成多顺反子结构（polycistronie）当前139页，总共171页。多顺反子mRNA可编码两条或两条以上蛋白质分子的mRNA的分子，当前140页，总共171页。E.原核生物的基因多是连续的，真核细胞病毒的基因是不连续的.SV40当前141页，总共171页。2）真核生物基因组特点

基因组大，含有多种序列组分染色体双倍体单顺反子重复序列断裂基因

当前142页，总共171页。当前143页，总共171页。序列组分快复性成分高度重复序列中复性成分中度重复序列慢复性成分不重复序列当前144页，总共171页。当前145页，总共171页。第五节DNA的变性、复性与分子杂交

一、DNA的变性（denaturation）1.定义：在理化因素作用下，DNA双螺旋的两条互补链松散而分开成为单链，从而导致DNA的理化性质及生物学性质发生改变的现象.

变性不涉及共价键的断裂，磷酸二酯键的断裂是降解。核酸的变性可发生在整个DNA分子中，也可发生在局部的双螺旋节段上（局部变性）.当前146页，总共171页。当前147页，总共171页。当前148页，总共171页。2.变性表征：

生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效应）、沉降速度加快。

当前149页，总共171页。

3.变性因素：酸碱变性（

pH>11.3或<5.0）变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）低离子强度热变性当前150页，总共171页。

4.DNA的增色效应:

加热时，DNA双链解链过程中，内部的碱基暴露，对260nm波长紫外光吸收增加，DNA的A260增加，并与解链程度有一定的比例关系。这种关系称为DNA的增色效应.

当前151页，总共171页。5.热变性和Tm1）热变性：由加热引起的变性，当将DNA稀盐溶液加热到80℃左右，双螺旋结构受到破坏，氢键断裂，两条链彼此分开形成无规则线团。DNA的变性过程是突发性的，在较窄的温度范围内发生。浓度50ug/mL时，双链DNAA260=1.00，完全变性（单链）A260=1.37,当前152页，总共171页。如果以温度对紫外吸收作图，可得一S形曲线，称为熔解曲线熔解曲线的中点，即一半的DNA双螺旋解为单链所对应的温