分子生物学第二章核酸与染色体的结构和性质

分子生物学第二章核酸与染色体的结构和性质第1页，共80页，2023年，2月20日，星期四

2.1

DNA是遗传物质

种瓜得瓜，种豆得豆第2页，共80页，2023年，2月20日，星期四1928年英国科学家Griffith证实肺炎链球菌荚膜中的多糖是致病原；1944年Avery提出基因就是DNA；1952年美国Hershey、Chase进一步证实了Avery的论点；第3页，共80页，2023年，2月20日，星期四

2.1.1

转化实验2.1.1.11928年Griffith的发现-肺炎双球菌转化第4页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.1.1.2Avery等人的实验

第5页，共80页，2023年，2月20日，星期四第6页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.2 核酸的组成和DNA的结构

第7页，共80页，2023年，2月20日，星期四核酸功能：遗传信息的载体

组成：以核苷酸为基本单位，通过磷酸二脂键连接形成的链状多聚体。核苷酸：由核苷（含氮碱基，戊糖）和磷酸构成核酸根据核糖分为：核糖核酸-RNA和脱氧核糖核酸-DNARNA中的嘌呤碱基有：腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G），胞嘧啶（C），尿嘧啶（U)DNA中胸腺嘧啶（T）代替了尿嘧啶（U)第8页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.2.1

DNA的一级结构

定义：DNA的一级结构指的是DNA分子内碱基的排列顺序。第9页，共80页，2023年，2月20日，星期四

ATGC第10页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.2.2

DNA一级结构的方向性

DNA链的方向总是理解为从5'－P端到3'-OH端。

DNA分子总是由脱氧核糖核苷酸组成，核糖的2'位总是H。

RNA分子的核糖的2'位总是－OH基。第11页，共80页，2023年，2月20日，星期四DNA一级结构的多样性⑴编码蛋白质的遗传信息的多样性⑵用于调控的序列具有多样性⑶两种不同遗传信息的比较①相同点：都不是简单地以其一级结构发挥作用，而依赖于与Pro的相互作用。②不同点：编码蛋白质氨基酸组成的信息强烈依赖酶系或蛋白质结构来进行基因表达，而调控序列不仅依靠蛋白质作用而且利用自身的双螺旋空间结构的改变来负责基因活性的选择性表达。第12页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.2.3DNA的二级结构3.2.3.1定义：DNA的二级结构指的是由两条DNA链反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。第13页，共80页，2023年，2月20日，星期四

第14页，共80页，2023年，2月20日，星期四DNA的二级结构DNA双螺旋结构的要点

指二条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋立体结构

主链(backbone)：由脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成。主链有二条,它们似“麻花状绕一共同轴心以右手方向盘旋,相互平行而走向相反形成双螺旋构型。主链处于螺旋的外则,这正好解释了由糖和磷酸构成的主链的亲水性。所谓双螺旋就是针对二条主链的形状而言的。碱基对(basepair)：碱基位于螺旋的内则,它们以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与主链糖基相连。同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。配对碱基总是A与T和G与C。碱基对以氢键维系，A与T间形成两个氢键。

大沟和小沟：大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。在大沟和小沟内的碱基对中的N和O原子朝向分子表面。结构参数：螺旋直径2nm；螺旋周期包含10对碱基；螺距3.4nm；相邻碱基对平面的间距0.34nm。

第15页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.2.3.2理化特性及维持二级结构稳定的力

⑴主链⑵碱基对⑶大沟和小沟⑷螺距第16页，共80页，2023年，2月20日，星期四

RighthandedB-formDNADoublehelixModel

每一单链具有5‘3’极性两条单链间以氢键连接两条单链，极性相反，反向平行以中心为轴，向右盘旋(B-form)

双螺旋中存在大沟(2.2nm)小沟(1.2nm)第17页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.2.3.3DNA二级结构的基本特点⑴DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。⑵DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。⑶两条链上的碱基通过氢键结合，形成碱基对。A总是与T配对，G总是与C配对。第18页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.2.3.4DNA二级结构的不均一性⑴DNA上的回文序列（invertedrepeats）又称反向重复序列

GGTACCCCATGG

⑵DNA发卡结构序列⑶三股螺旋第19页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.2.3.5DNA二级结构的多样性

通常情况下，DNA的二级结构分为两大类：一类是右手螺旋的，如B－DNA、A－DNA、C-DNA等；另一类是局部的左手螺旋，如Z－DNA。天然状态下的DNA大多为B-DNA。1953年，Watson和Crick首次提出了DNA的反向平行双螺旋模型，该模型所描述的就是B－DNA。第20页，共80页，2023年，2月20日，星期四

Z-DNAZ-DNAA-DNAB-DNA第21页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.2.4DNA的双链的变性和复性2.2.4.1呼吸作用

双链DNA中配对碱基的氢键总是处于不停的断裂和再生状态之中，特别是稳定性较低的富含A-T的区段，氢键的断裂和再生更为明显。在微观上常常表现为瞬间的泡状结构，这种现象称为DNA的呼吸作用。第22页，共80页，2023年，2月20日，星期四

2.2.4.2

甲醛试验

把标准DNA放到含有甲醛的溶液当中，发现随时间推移，吸光性出现变化（增加），表示DNA由双链变成了单链。这是因为DNA上的－NH2在甲醛作用下发生了缩醛反应，使DNA双链不可逆地解开，这个过程又称为甲醛的变性作用。定义：双螺旋DNA溶解成单链的现象称为DNA变性。第23页，共80页，2023年，2月20日，星期四

DNA分子变性(DNAdenaturation)

●

D.S.DNAS.S.DNA

(加温,极端pH,尿素,酰胺)

变性过程的表现☆

DNA粘度降低☆DNA

沉降速度加快☆DNA分子的A260nmUV值上升核酸在260nm具有强烈的吸收峰，结构越有序，吸收的光越少。游离核苷酸比单链的RNA或DNA吸收更多的光，而单链RNA或DNA的吸收又比双链DNA分子强。第24页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.2.4.3增色效应、减色效应和Tm值

单链和双链DNA的A260吸收值不同。以50μg/mlDNA溶液测量，分别为：双链DNA

A260=1.00单链DNA

A260=1.37双链DNA缓慢加热，其溶液对紫外光的吸收值增加，叫增色效应，而单链DNA缓慢降温，其对紫外光的吸收值减少，叫减色效应。第25页，共80页，2023年，2月20日，星期四

根据DNA的变性作用，以260nm紫外光吸收值与温度变化作图，可得到一条S形曲线，在相当狭的一个范围内，增色效应出现一个跳跃。通常以紫外吸收值达到最大值的一半时的温度也就是DNA的碱基有50%发生变性时的温度称为融点Tm(meltingtemperature,Tm)第26页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.2.4.5复性

变性后的DNA用某种方法处理后，使之重新形成天然DNA的过程叫做复性或退火。复性是一个比较慢的过程。

1A

1B

1C

1D'....ATGA...ATGA...CCCC...ATGA........TACT...TACT...GGGG...TACT....

1A'

1B'

1C'

1D'第27页，共80页，2023年，2月20日，星期四

DNA分子的复性

D.SDNAS.SDNADenaturation▲▼Renaturation

复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞第28页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.2.5DNA的高级结构

超螺旋与拓扑异构现象负超螺旋--拓扑异构酶/溴乙锭-->松弛DNA--拓扑异构酶/溴乙锭-->正超螺旋

第29页，共80页，2023年，2月20日，星期四

DNA超螺旋结构超螺旋超螺旋，简单地说就是螺旋的螺旋，或者我们假定双螺旋存在一个中心轴，这条中心轴再形成螺旋。超螺旋的形成不是一个随机过程，而是在DNA双螺旋存在一种结构张力时才会形成。由于DNA双螺旋的盘绕过度或不足，使DNA分子处于一种张力状态。在封闭环状DNA分子中这种张力不能释放出来，就会形成超螺旋。第30页，共80页，2023年，2月20日，星期四(1)超螺旋(superhelixorsupercoil)的发现1965年电镜发现SV40和多瘤病毒的环形DNA的超螺旋；第31页，共80页，2023年，2月20日，星期四

正、负超螺旋正超螺旋（右手螺旋） 中心轴的盘绕同双螺旋两条链盘绕的方向相同，也就是同解链方向相反。正超螺旋使螺旋更加紧密，所以把正超螺旋叫过分盘绕DNA。

负超螺旋（左手螺旋） 负超螺旋能让DNA分子通过调整双螺旋本身的结构来减少这种张力，一般是以减少每个碱基对旋转，即放松两股链彼此的盘绕，所以把具有负超螺旋的DNA叫盘绕不足DNA。第32页，共80页，2023年，2月20日，星期四溴化乙锭（ethidiumbromide）能嵌入DNA分子中堆积的碱基对平面之间，引起DNA分子松旋。第33页，共80页，2023年，2月20日，星期四如果最初cccDNA为负超螺旋，加入EB可使负超螺旋DNA转变为松弛态；EB的进一步增加，DNA就转变为正超螺旋。（因为Lk=Tw+Wr）第34页，共80页，2023年，2月20日，星期四

超螺旋的生物学意义超螺旋可能有两方面的生物学意义：超螺旋DNA比松弛型DNA更紧密，使DNA分子体积变得更小，得以包装在细胞内；超螺旋能影响双螺旋的解链程度，因而影响DNA分子与其他分子，如酶、蛋白质分子的相互作用。第35页，共80页，2023年，2月20日，星期四

超螺旋形成示意末端固定的线型双螺旋额外的张力不能释放双螺旋以扭曲方式缓解应力，形成超螺旋第36页，共80页，2023年，2月20日，星期四

DNA二级结构的形态LinearDNA.LOpenCircleDNAOCSupercoiledcircleCovalentClosedCircleCCCD.S.L1.00D.S.OC1.14S.S.L1.30D.S.CCC1.41Collapsed3.00SvedbergUnit(S)第37页，共80页，2023年，2月20日，星期四不同形状的DNA分子在琼脂糖中的迁移率松弛型，OC,OpencircularDNA超螺旋,CCC,covalently-closedcircularDNALinearDNA从细菌抽提得到的质粒DNA样品中不含线状DNA第38页，共80页，2023年，2月20日，星期四

DNA拓扑异构体DNA不同的空间分子构象称为拓扑异构体。在封闭环状DNA分子中链环数值的改变，即拓扑异构体之间的互变，只有在一条链或两条链有了缺口时才能发生，通常要有酶来催化，此种酶叫拓扑异构酶。

I型异构酶能在一股链上产生一个缺口，而II型异构酶能在两股链上产生缺口。

第39页，共80页，2023年，2月20日，星期四为催化DNA拓扑学异构体相互转变的酶之总称。催化DNA链断开和结合的偶联反应，为了分析体外反应机制，用环状DNA为底物。在闭环状双链DNA的拓扑学转变中，要暂时的将DNA的一个链或两个链切断，根据异构体化的方式而分为二个型。切断一个链而改变拓扑结构的称为Ⅰ型拓扑异构酶（top-oisomeraseⅠ），通过切断二个链来进行的称为Ⅱ型拓扑异构酶（topoisomeraseⅡ）。第40页，共80页，2023年，2月20日，星期四

TopI对负超螺旋处的单链DNA具有极强的亲合力拓扑酶功能比较消除负超螺旋，松弛DNA引入负超螺旋，紧缩DNATopII

拓扑异构酶

(topoisomeraseI,II)参与构型的改变TopIcannotactonpositivelysupercoiledDNA第41页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.3

染色体2.3.1染色体概述

遗传物质的主要载体第42页，共80页，2023年，2月20日，星期四染色体概述染色体(chromosome)在显微镜下呈丝状或棒状，由核酸和蛋白质组成，在细胞发生有丝分裂时期容易被碱性染料着色，因此而得名。染色体包括DNA和蛋白两大部分。同一物种内每条染色体所带DNA的量是一定的，但不同染色体或不同物种之间变化很大，从上百万到几亿个核苷酸不等。组成染色体的蛋白质（组蛋白和非组蛋白）种类和含量也是十分稳定的。第43页，共80页，2023年，2月20日，星期四

染色体的结构要素着丝粒（centromere）：细胞分裂时染色体与纺锤丝相连结的部位，为染色体的正常分离所必需。在着丝粒附近有高度重复的卫星DNA（长约5－10bp、方向相同的高度重复序列），它们不能与组蛋白结合，形成常染色质区域。

端粒(telomere)：真核生物线状染色体分子末端的DNA区域。第44页，共80页，2023年，2月20日，星期四

端粒DNA的特点与功能：有许多短的正向重复序列。端粒的末端都有一条12-16碱基的单链3’端突出。端粒DNA末端不能被外切核酸酶和单链特异性的内切核酸酶识别。端粒的功能：防止DNA末端降解，保证染色体的稳定性和功能

第45页，共80页，2023年，2月20日，星期四人类染色体显微结构图1.28亿个核苷酸对，1465个基因0.19亿个核苷酸对，210个基因第46页，共80页，2023年，2月20日，星期四除外观结构不同之外，在细胞内的存在方式也不同：原核细胞：简单，没有核膜包围形成真正的细胞核，核酸分子常裸露存在整个细胞中，与少量蛋白质结合，这些蛋白质有些与DNA的折叠有关，另外的参与DNA复制、重组和转录过程。真核细胞的染色体中，DNA与蛋白质完全融合在一起，其蛋白质与相应DNA的质量比约为2:1.染色体位于真核细胞的核仁内，极细微的线性构造，生命之线。染色体只有在细胞有丝分裂过程中，才可在光学显微镜下观察到，分裂间期则以较细且松散的染色质形式存在。端粒—生命时钟第47页，共80页，2023年，2月20日，星期四

第48页，共80页，2023年，2月20日，星期四

原核与真核染色体DNA比较

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；整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。

第49页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.3.2真核生物的染色体

真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都以染色质的形式存在。染色质是一种纤维状结构，称为染色质丝。它是由最基本的单位--核小体串联而成的。这里有一系列的结构等级：DNA和组蛋白构成核小体，核小体再绕成一个中空的螺线管成为染色质丝，染色质丝再与许多非组蛋白结合进一步螺旋化形成染色体。第50页，共80页，2023年，2月20日，星期四

组成：DNA和蛋白质。特征：①体细胞是二倍体，性细胞是单倍体。②结构相对稳定。③能够自我复制。④能够指导蛋白质的合成。⑤能够产生可遗传的变异。第51页，共80页，2023年，2月20日，星期四1.蛋白质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。组成：DNA，组蛋白，非组蛋白，RNA富含赖氨酸和精氨酸，H3、H4富含精氨酸，H1富含赖氨酸，H2A、H2B介于之间。第52页，共80页，2023年，2月20日，星期四组蛋白的特性1.进化上的极端保守性。不同种生物组蛋白的氨基酸组成十分相似。特别是H3、H4，牛、猪、大鼠的H4完全相同。2.无组织特异性。

仅发现两个例外（鸟鱼两栖红细胞H1->H5，精细胞鱼精蛋白）3.肽链上氨基酸分布的不对称性。

N端碱性氨基酸C端疏水氨基酸4.组蛋白的修饰作用

甲基化、乙酰化、磷酸化、多聚ADP糖基化等

5.富含赖氨酸的组蛋白H5。

只存在于鸟类、两栖类等含有细胞核的红细胞中。第53页，共80页，2023年，2月20日，星期四非组蛋白包括酶类和细胞分裂有关的蛋白（收缩蛋白、骨架蛋白、核孔复合物蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白）高速泳动蛋白（highmobilitygroupprotein,HMG蛋白）能与DNA结合，也能与H1作用，可能与超螺旋结构有关。DNA结合蛋白可能是一些与DNA复制或转录有关的酶或调解物质。A24非组蛋白C端与H2A相同，功能不详第54页，共80页，2023年，2月20日，星期四核小体——染色体DNA的一级包装染色质螺线管(30nmfiber)——二级包装染色质纤维环—三级包装

2.3.2.染色质、染色体的组装第55页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.3.2.2核小体的装配

核小体：指的是168bp长度的DNA与一组组蛋白构成的致密结构，是构成真核生物染色质的基本单位。第56页，共80页，2023年，2月20日，星期四

装配过程：两分子的H3和两分子的H4先形成四聚体，然后由H2A和H2B形成的异二聚体在该四聚体的两侧分别结合而形成八聚体。长146bp的DNA按左手螺旋盘绕在八聚体上1.8周，形成核小体的核心颗粒。核心颗粒两端的DNA各有11bp与H1结合，形成完整的核小体。第57页，共80页，2023年，2月20日，星期四核小体单体被微球菌核酸酶处理后，随着时间延长，其降解产物(DNA片段)会逐渐缩短，从200bp降至146bp，至此很难再进一步降解。这种稳定结构为核心颗粒，它是由147bp的DNA片段和H2A、H2B、H3和H4各2分子组成。第58页，共80页，2023年，2月20日，星期四

染色质的基本单位----核小体第59页，共80页，2023年，2月20日，星期四核小体是一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，可描述如下：①每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1；②由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；③DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合；④相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA。核小体的形成是染色体中DNA压缩的第一步，收缩至原尺寸的1/7.第60页，共80页，2023年，2月20日，星期四染色质螺线管(30nmfiber)在较高离子强度下，并保留H1，电镜可观察到10nm纤维会折转成较粗的30nm纤维，这就是染色体DNA的二级包装——螺线管纤维(solenoidalfiber)。螺线管纤维(的形成使DNA一级包装又压缩了6倍。是分裂间期染色质和分裂中期染色体的基本组分。第61页，共80页，2023年，2月20日，星期四染色体(chromosome)的形成染色质浓缩时，纤维环会再绕成直径600nm的螺旋。若用染料染色，即呈现观察到的染色体。这种更高层次上的组装机理，目前尚无明确定论。第62页，共80页，2023年，2月20日，星期四第63页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.3.3真核生物的基因组基因：是指表达一种蛋白质或功能RNA的遗传物质的基本单位。基因组

genome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。第64页，共80页，2023年，2月20日，星期四真核生物基因组的结构特点基因组庞大存在大量重复序列大部分为非编码序列（>90%）真核生物与细菌、病毒最主要区别转录产物为单顺反子(见P452页解释)真核基因是断裂基因，有内含子存在大量顺式作用元件（启动子、增强子、沉默子）存在大量的DNA多态性有端粒结构决定启动子的转录效率

RNA聚合酶Ⅱ识别序列对mRNA加尾有重要作用终止子，转录终止的信号第65页，共80页，2023年，2月20日，星期四

2.3.3.1C值矛盾C值：单倍体基因组中的DNA含量。第66页，共80页，2023年，2月20日，星期四

不同物种的C值有很大差异：支原体

106bpφx174

5386bpE.Coli

4.6*106bp真菌

107bp蠕虫类

108bp软体动物

109-1010bp昆虫类

108-1010bp硬骨鱼类

109-1010bp两栖类

108-1011bp哺乳类

109bp显花植物

107-1011bp第67页，共80页，2023年，2月20日，星期四

C值矛盾c-valueparadox（定义）：①在结构和功能相似的物种中，甚至在亲缘关系相近的物种中，C值差异大。②在不同进化阶元中，某些低等生物的C值比高等生物的C值还大。eeeeeeee第68页，共80页，2023年，2月20日，星期四

2.3.3.2真核生物基因组不同拷贝的序列组分①单一拷贝的非重复序列

在基因组中只存在一个拷贝。②轻度重复序列

在基因组中只有2-10个拷贝，主要是组蛋白和tRNA等基因。③中度重复序列

这类序列的重复次数在数十到数百次之间。④高度重复序列

有几百到几百万个拷贝。第69页，共80页，2023年，2月20日，星期四卫星DNA把基因组DNA切成数千个bp的片段，进行氯化铯密度梯度离心。对一个物种来说，其浮力密度曲线是一条覆盖一定浮力密度范围的一条宽带，但是有些DNA片段却含有异常高或低的G+C含量，常会在主DNA带的附近出现几条次带，其浮力密度曲线出现在主带的前面或后面。G+C含量的变化，使它们与大多数DNA具有不同的浮力密度，浮力密度略重或略轻的DNA即是所谓的卫星DNA。

卫星DNA是一种高度重复序列。

第70页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.4RNA

核酸是生物体内重要的高分子化合物，它储存着生物体全部遗传信息。除DNA外，在生物体内还存在着另一种核酸——RNA。RNA有许多种类，它们具有不同的生物功能。第71页，共80页，2023年，2月20日，星期四2.4.1RNA分子的结构特点①RNA通常是单链②RNA