分子生物学 第二章 核酸与染色体的结构和性质

第二章核酸与染色体的结构和性质

chapter2thestructureandcharacterofnucleicacids

andchromosome2.1DNA是遗传物质2.2DNA的结构2.3染色体2.4RNA的结构2.1

DNA是遗传物质

2.1.1

转化实验2.1.1.1Griffith的发现2.1.1.2Avery等人的实验

2.1.2化学实验2.1.3T2噬菌体实验2.2DNA的结构

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。

ATGC2.2.2

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。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。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。

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)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。2.2.3.4DNA二级结构的不均一性⑴DNA上的回文序列（invertedrepeats）⑵DNA上的富含A－T序列⑶嘌呤、嘧啶的排列顺序对双螺旋稳定性影响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。

Z-DNAZ-DNAA-DNAB-DNA

其他DNA螺旋结构T.S.DNA(TriplexStrands) 三螺旋DNATet.SDNA(TetraplexStrands) 四螺旋DNA2.2.4DNA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。

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。

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。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。

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)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'

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

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。

正、负超螺旋正超螺旋 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 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。

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。

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

DNA二级结构的形态LinearDNA.LOpenCircleDNAOCSupercoiledcircleCovalentClosedCircleCCCD.S.L1.00D.S.OC1.14S.S.L1.30D.S.CCC1.41Collapsed3.00SvedbergUnit(S)

DNA拓扑异构体具有完全相同顺序，而链环数值不同的DNA，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。

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TopIcannotactonpositivelysupercoiledDNA2.3

染色体2.3.1染色体概述遗传物质的主要载体

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。

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

原核：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：染色体位于细胞核的核仁内，DNA与Pro（组与非组蛋白）完全融合，Pro/DNA的质量比2/1。

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。

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。

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。2.3.2.1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。

真核生物的染色体一般有5种主要的组蛋白，分别命名为：H1、H2A、H2B、H3和H4。在5种组蛋白中，H1富含赖氨酸，H3、H4富含精氨酸。鸟类、鱼类和两栖类的红细胞染色体不含H1而代之以H5。在某些物种的精子中，染色体的结构蛋白是鱼精蛋白。

非组蛋白主要包括与复制和转录有关的酶类、与细胞分裂有关的蛋白等。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。

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。

染色质的基本单位----核小体

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。

2.3.3.1C值矛盾C值：单倍体基因组中的DNA含量。

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

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

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