2.28-第二章 染色体与DNA--分子生物学.ppt

1、2020/6/19,1,第二章染色体与DNA,概述第一节染色体第二节DNA的结构第三节DNA的复制第四节DNA的修复,基因的本质,是DNA的主要载体，,基因是有遗传效应的DNA序列；每个DNA分子含有很多个基因基因是决定生物性状的基本单位；基因在染色体上呈线性排列基因中碱基的排列顺序（或脱氧核苷酸的排列顺序）代表遗传信息；每个基因中含有许多个脱氧核苷酸,DNA（基因）的基本组成单位,染色体、DNA、基因、脱氧核苷酸的关系,1.谁生命活动的体现者？2.谁是“幕后导演”？3.为什么自然界选择了DNA（主要）作为遗传物质？4.蛋白质是怎么合成的？场所？5.DNA在细胞中的分布？,蛋白质,遗传物质（D

2、NA）,DNA可以自我复制,DNA指导蛋白质的合成；细胞质中的核糖体上,主要在细胞核中,DNA,主要在细胞核,蛋白质的合成,在细胞质进行,指导,通过信使RNA,基因指导蛋白质合成的过程，叫基因的表达。,1条染色体,DNA分子,基因,脱氧核苷酸,1个,许多,成百上千,四者的数量关系,现代遗传学认为：基因是具有遗传效应的DNA序列，这些序列是遗传信息的物质载体，可表达为一定的产物（如蛋白质或RNA）,传递着支配生命活动的指令。,DNA分子的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。,生物界多样性的直接原因是蛋白质的多样性；生物界多样性的根本原因是核酸序列的多样性。,生物界多样性的原因是什么？

3、,基因与疾病的关系,人的疾病和基因又有什么关联呢?人生病有各种各样的因素，但不外乎于内因和外因两类。内在的因素最根本的就是基因，现在医学研究表明，所有的疾病或多或少都和基因有一些关联，主要是由于基因的改变、突变和表达的改变造成的。,一般来讲，人体内大约有3-4万个基因，但不是说每个基因都是正常的，有些是有缺陷的，而这些有缺陷的基因往往成为致病基因。目前，一般来说看上去正常的健康人，身上都带有5个至6个隐形致病基因，只不过身体内还有一套正常的基因代替致病基因在起作用，因而致病基因没有表现出来。,基因通过复制把遗传信息传递给下一代，使后代出现与亲代相似的性状，储存着生命孕育、生长、凋亡过程的全部信

4、息，通过复制、表达、修复，突变，完成生命繁衍、细胞分裂和蛋白质合成等重要生理过程。生物体的生、长、病、老、死等一切生命现象都与基因有关。它也是决定生命健康的内在因素。,基因图纸,人体的基因就如同工厂生产零件的图纸，这张图纸出错了，按照图纸生产的零件就可能是个次品甚至是废品。如果我们的基因图纸一旦发生错误，而按照基因图纸生产的蛋白质或各种酶功能发生改变，依靠这些酶和蛋白质来完成的生理功能出现异常，降低甚至丧失了，导致疾病的发生。,生命的奥秘蕴藏于“四字天书”之中,：腺嘌呤：鸟嘌呤：胸腺嘧啶：胞嘧啶,基因序列差异导致人和人之间的区别,1.ATCCTGTACCTACGTGTACAATAGTA.CTG

5、ATCATCTCTATGGG.2.ATCCTGTTCCTACGTGTACAATAGTA.CTGATCATCTCTATGGG3.ATCCTGTACCTACGTGTACAATAGTA.CTGATCAGCTCTATGGG.,人与人之间基因序列99.9%相同，0.1%不同,父母通过基因将特征传递给后代，所以，基因决定着我们的各种特性，如肤色、长相、寿命等，同时也影响着我们的性格、天赋，健康和疾病易感性等。,基因决定着我们的各种特性,2020/6/19,16,一、染色体的概述,染色体（chromosome）：是指存在于细胞核中的棒状可染色结构。染色质是由DNA、RNA和蛋白质形成的复合体。染色体是一种动

6、态结构，在细胞周期的不同阶段明显不同。,第一节染色体,2020/6/19,17,不同物种染色体数目存在较大差别，同一物种内每条染色体所带的DNA量是一定的，但不同染色体或不同物种之间变化很大。如人的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。,2020/6/19,18,真核生物染色体,1、真核细胞结构2、染色体概况DNA:27%，蛋白质:66%，RNA:6%每条染色体只有一个DNA分子,2020/6/19,19,非分裂期的染色质在电子显微镜下呈纤维串珠状的长丝,一般说来，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。,2020/6/19,20,真核细胞染

7、色体的特征：染色体位于细胞核内。在细胞分裂间期，染色体以较细且松散的染色质形式存在，只有在细胞分裂期，才可在光学显微镜下观察到棒状可染色的染色体。在染色体中，DNA与组蛋白和非组蛋白完全融合在一起。,2020/6/19,21,细菌染色体组织没有明显的核区域，DNA位于拟核中，是一条共价闭合双链DNA分子。,2020/6/19,22,原核细胞染色体的特征:染色体位于类似“核”的结构类核体(拟核）上；染色体很少或没有包裹非组蛋白，不含组蛋白；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的；整个染色体几乎完全由功能基因和调控序列所组成；几乎每

8、个基因序列都与它所编码的蛋白质呈线性对应。,2020/6/19,23,二、真核细胞染色体的组成,染色体的特征：（1）分子结构相对稳定；（2）能够自我复制，使亲子代间保持连续性；（3）能够指导蛋白质合成，控制整个生命过程；（4）能够产生可遗传的变异。,2020/6/19,24,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，是一类小的碱性蛋白。,1、蛋白质,2020/6/19,25,组蛋白的特征：1、进化上的极端保守（如H3、H4）；2、无组织特异性；3、肽链上氨基酸分布的不对称性（赖氨酸、精氨酸含量丰富）碱性氨基酸主要分布在氨基端；4、组蛋白的修饰作用

9、（甲基化、乙酰化、磷酸化）；5、富含赖氨酸的组蛋白H5（H5的磷酸化可能在染色质的失活过程中起重要作用）。-鸟类、鱼类和两栖类红细胞,2020/6/19,26,哺乳动物两栖动物鸟类昆虫线虫霉菌酵母细菌支原体,各个种类生物的最小基因组与其复杂性正相关。,2、DNA,2020/6/19,27,各物种基因组大小比较,C-值（C-value）:一种生物单倍体基因组DNA的总量，用基因组的碱基对表示。,C-值矛盾（C-valueparadox）：基因组大小与机体的遗传复杂性缺乏相关性，某些低等生物却具有较大的C值。,2020/6/19,28,（1）、不重复序列（单一拷贝序列）在单倍体基因组中只有一个或几

10、个拷贝的DNA序列。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝。结构基因大多数属于不重复序列。（2）、中度重复序列每个基因组中10104个拷贝。平均长度为300bp，一般是不编码序列，广泛散布在非重复序列之间。可能在基因调控中起重要作用。常有数千个类似序列，各重复数百次，构成一个序列家族。大多数高等生物的基因组都有10%40%的中度重复序列。rRNA、tRNA基因、组蛋白基因。,真核细胞DNA的种类:,2020/6/19,29,(3)、高度重复序列卫星DNA（satelliteDNA）,重复104次以上，只存在于真核生物中，占基因组的10%60%，由610个碱基组成。卫星DNA均位于染色体的着丝

11、粒。,2020/6/19,30,3、染色质和核小体,染色质：是由许多核小体连成的念珠状结构。,实验证据：1）染色质中，H2A、H2B、H3、H4的数量大致相等，而H1的数量不超过它们的一半；2）组蛋白组成直径约10nm的颗粒，由裸露的DNA连接；3）DNA位于核小体的外侧；4）用小球菌核酸酶处理染色质，得到的DNA片段为200bp的整数倍；,染色质,小球菌核酸酶处理染色质,2020/6/19,31,核小体是组成染色质的重复单位，每个核小体由约200（160250）bp的DNA，和H2A、H2B、H3、H4各2个，以及一个H1组成。,核小体中组蛋白聚合体组成,2020/6/19,32,1）核心颗

12、粒结构：单个核小体继续消化可以把DNA进一步剪短，释放出H1；剩余的颗粒称为核心颗粒，由H2A、H2B、H3、H4组成；结合在核心颗粒而不被降解的DNA称为核心DNA（coreDNA）；重复单位中除核心DNA以外的其它DNA称为连接DNA（linkerDNA）。,2020/6/19,33,2）组蛋白H1DNA进入和离开组蛋白聚合体的位置十分接近，进出两端与H1结合形成。如没有H1，则DNA进入和离开核心颗粒的位置是随机的。,2020/6/19,34,由核小体串联形成的10nm纤丝,30nm纤丝,3）、染色质的存在形式：,2020/6/19,35,30nm纤丝由10nm纤维卷曲绕成圆筒形线圈，每

13、圈约6个核小体，螺距11nm（核小体直径）。这一结构需要H1稳定。30nm纤丝的包装比为40。,2020/6/19,36,DNA和组蛋白构成核小体，核小体再绕成一个中空的螺线管状结构，这种螺线管状结构（有的部分就是珠状核小体结构）就成为染色质丝。染色质丝再与许多非组蛋白结合形成染色体结构。,染色体的包装过程,200bpDNA,2020/6/19,37,真核生物基因组的结构特点：,1、基因组庞大；2、大量重复序列的存在；3、大部分序列为非编码序列；4、转录产物为单顺反子；5、真核基因是断裂基因；6、真核基因存在大量的顺式作用元件；7、DNA存在多态性；8、具有端粒结构。,2020/6/19,38

14、,DNA多态性：指DNA序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异，主要包括单核苷酸多态性(singlenucleotidepolymorphism,SNP)和串联重复序列多态性(tandemrepeatspolymorphism)两类。,2020/6/19,39,三、原核生物基因组及其特点,1、原核生物的遗传物质原核生物的遗传物质DNA只以裸露的核酸分子存在，且与少量的非组蛋白结合，但不形成染色体结构，习惯上把原核生物的核酸分子也称为染色体。,2020/6/19,40,2、原核生物基因组的特点（1）结构简练其DNA分子绝大多数用于编码蛋白质，不翻译的序列只占4%，并且编码序列是连续的；（2

15、）存在转录单元功能上密切相关的基因构成操纵子或高度集中，并且可被一起转录；（3）重叠基因和基因内基因即同一段DNA序列能携带两种不同蛋白质的遗传信息。,2020/6/19,41,核苷酸结构,第二节DNA的结构,2020/6/19,42,1、DNA的一级结构：是指4种核苷酸的排列顺序，表示了该DNA分子的化学组成。又由于4种核苷酸的差异仅仅是碱基的不同，因此又是指碱基的排列顺序。,2020/6/19,43,一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。,1、核苷酸的连接方式：3,5磷酸二酯键,2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链,信息量：4n末端：5端、3端多核

16、苷酸链的方向：5端3端(由左至右),3、表示方法：结构式、线条式、文字缩写,2020/6/19,44,DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸即：脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，通过3，5-磷酸二酯键连接起来的直线形或者环形多聚体。DNA的一级结构强调的是DNA分子中核苷酸的碱基序列，DNA的碱基序列本身就是生命遗传信息的贮存形式。生物界物种的多样性取决于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合。,2020/6/19,45,DNA分子的连接键3，5-磷酸二酯键一分子核苷酸的3-位羟基与另一分子核苷酸的5-位磷酸基通过脱水可形成3,5-磷

17、酸二酯键，从而将两分子核苷酸连接起来。,2020/6/19,46,2020/6/19,47,5,3,4,5,2,1,核酸就是由许多核苷酸单位通过3,5-磷酸二酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合物。核酸是具有方向性的长链状化合物，多核苷酸链的两端，一端称为5-端，另一端称为3-端。,2020/6/19,48,2020/6/19,49,2、DNA的二级结构：是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。,2020/6/19,50,（一）DNA的二级结构（secondarystructure）,1、碱基组成规则(Chargaff规则),A=T，G=C；A+G=T+C(嘌呤与嘧啶的总数相等,有

18、种属特异性,无组织、器官特异性,不受年龄、营养、性别及其他环境等影响,2020/6/19,51,JamesWatson(L)andFrancisCrick(R),andthemodeltheybuiltofthestructureofDNA,DNA双螺旋结构(doublehelixstructure)是DNA二级结构的一种重要形式，它是Watson和Crick两位科学家于1953年提出来的一种结构模型。此项发现被誉为20世纪最伟大的自然科学发现之一，DNA双螺旋结构模型的建立为分子生物学的发展奠定了基础，对现代生命科学的发展同样产生深远的影响。,2020/6/19,52,DNA分子由两条DNA

19、单链组成DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。,DNA双螺旋结构的特点,doublehelixmodel,2020/6/19,53,DNA双螺旋结构的要点,（1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5端3端，而另一条链的方向为3端5端。,2020/6/19,54,（2）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90角。,2020/6/19,55

20、,（3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈的高度）为3.4nm。,2020/6/19,56,（4）维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等,2020/6/19,57,2020/6/19,58,（5）螺旋表面形成大沟及小沟，彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础。（6）氢键维持双链横向稳定性

21、，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。,2020/6/19,59,3、其他螺旋形式,Z-DNA（左手双螺旋）A-DNA,2020/6/19,60,DNA双螺旋结构的多态性,2020/6/19,61,B-DNA（含水量92%）脱水后变形为A-DNA（含水75%），相邻磷酸间距缩小，每匝增为11bp。总体变得宽而短；大沟变细、加深；小沟变得宽而浅。,A-DNA,通常DNA在细胞中以B-DNA形式存在，但可能发生改变；DNA-RNA杂交分子,RNA-RNA都呈A型。,2020/6/19,62,Z-DNA与B-DNA的比较最大区别：Z-DNA为左旋！由部分碱基平面反转所致。螺距4.5nm，每对碱基上升0.3

22、7nm，每匝12bp。主链变的不平滑，从之字形。,Z-DNA,Z-DNA在邻近调控系统，抑制转录；在远离调控区，激活转录的起始。所以，Z-DNA可能与基因的调控有关。,2020/6/19,63,三种DNA结构特性比较,2020/6/19,64,3、DNA的高级结构,DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。,1965年首次发现绝大多数的原核生物DNA为共价闭合环状DNA（covalentlyclosedcircle，cccDNA），经进一步螺旋化，成为超螺旋结构。之后发现，几乎所有的DNA分子，包括线形分子，具超螺旋结构。,2020/6/19,65,正超螺旋（posi

23、tivesupercoil）：由于双链紧缠而引起的超螺旋。负超螺旋（negaivesupercoil）：由于双链松缠而引起的超螺旋。两种超螺旋的自由能均高于松弛状态。天然原核生物DNA都呈负超螺旋；在体外可形成正超螺旋，如加入溴乙锭，可引入正超螺旋。,DNA的几种超螺旋的状态：,2020/6/19,66,紧缠而引起正超螺旋,右手螺旋的DNA,顺时针方向旋转自由末端,逆时针方向旋转自由末端,松缠而引起负超螺旋,逆时针方向旋转,松缠而引起负超螺旋,紧缠而引起正超螺旋,顺时针方向旋转,2020/6/19,67,质粒的松弛状态和超螺旋状态,超螺旋分子的电泳迁移速率提高,超螺旋对分子迁移的影响,2020

24、/6/19,68,一、复制的概貌,DNA复制的半保留性,三种可能的方式：全保留复制（conservativereplication）半保留复制（semiconservativereplication）弥散复制（dispersivereplication）,第三节DNA的复制,2020/6/19,69,母链中的全部置换为15N，然后让E.coli在仅含有14N的培养基上进行复制。,半保留复制：每个子代分子的一条链来自亲代DNA,另一条则是新合成的，这种复制方式称为DNA的半保留复制（semiconservativereplication)。,2020/6/19,70,复制原点（origin）:D

25、NA分子复制的特定起点。,复制方向可以是单向或者双向,二、复制的起点、方向和速度,对一个生物体而言，复制的起点是固定的，复制叉移动的方向和速度以双向等速为主。,2020/6/19,71,复制叉（replicationfork）:正在进行复制的复制起点呈现叉子的形式，称为复制叉。,复制眼（replicationeye）:DNA复制的部分看上去象一只眼睛，称为复制眼。,复制子（replicon）：生物体的复制单位称为复制子。,2020/6/19,72,三、DNA复制的几种方式,1、线性DNA双链的复制,所有已知的核酸聚合酶，无论是DNA聚合酶还是RNA聚合酶都只从5端向3端移动，新链的合成方向与聚

26、合酶移动方向一致，即是53；DNA的合成必需一段引物的存在，体内DNA复制时，由一段RNA引物起始DNA合成，起始后RNA引物必须切除。,2020/6/19,73,2、环状DNA双链的复制,（1）型,复制体,如，大肠肝菌质粒DNA的复制。,2020/6/19,74,（2）滚环型复制如：X174（弗爱器）,在原点割切；共价延伸；切下被替换的单链。,（3）D-环形,2020/6/19,75,四、原核生物和真核生物DNA复制的特点,1、大肠杆菌DNA复制原核生物每个DNA分子只有一个复制原点。,复制原点序列特征4个9bp重复序列，3个13bp重复序列，都富含A-T对。,2020/6/19,76,（1

27、）DNA双螺旋的解旋,DNA的解链过程，首先在拓扑异构酶I的作用下解开负超螺旋，并与解链酶共同作用，在复制起点处解开双链。一旦局部解开双链，就必须有单链结合蛋白(SSB)来稳定解开的单链，以保证核苷酸局部不会恢复成双链。接着由引发酶等组成的引发体迅速作用于两条单链DNA上。,2020/6/19,77,a、DNA解链酶,DNA解链酶能通过水解ATP获得能量来解开双链DNA。大部分解链酶沿后随链模板的53方向并随着复制叉的前进而移动；,2020/6/19,78,b、单链结合蛋白,SSB以四聚体的形式结合在单链DNA的复制叉处，其作用是保证被解链酶解开的单链在复制完成前保持单链结构。SSB与DNA的

28、结合能力在原核生物中表现协同效应，而在真核生物中则不表现协同效应。,2020/6/19,79,c、DNA拓扑异构酶,天然状态下，DNA以负超螺旋的形式存在，易形成部分单链结构，利于DNA与蛋白质的结合。在DNA复制过程中形成正超螺旋，拓扑异构酶能够消除解链造成正超螺旋的堆积，消除阻碍解链进行的压力，使复制继续进行.,2020/6/19,80,（2）、DNA复制的引发,DNA复制时，往往先由RNA聚合酶在DNA模板上合成一段RNA引物，再由DNA聚合酶从RNA引物3，端开始合成新的DNA链。后随链的引发过程由引发体来完成，引发体由6种蛋白质n、n、n”、DnaB、C和I共同组成，6种蛋白质合在一

29、起形成引发前体，引发前体与引发酶进一步组装成引发体才能发挥其功效。,2020/6/19,81,引发酶是dnaG基因的产物，是在特定条件下发挥作用的RNA聚合酶，仅用于合成DNA复制所需的一小段RNA。DNA聚合酶在RNA引物的3末端继续合成DNA链，一直至下一个引物或冈崎片段。由RNaseH降解RNA引物并由DNA聚合酶将缺口补齐，再由DNA连接酶将两个冈崎片段连接在一起形成大分子DNA。,2020/6/19,82,两股新合成链都是按53方向合成。,（3）冈崎片段与半不连续复制,2020/6/19,83,前导链（leadingstrand）：随着亲本双链体的解开而连续进行复制的链，称为前导链；

30、后随链（laggingstrand）：一段亲本DNA单链首先暴露出来，然后以与复制叉移动相反的方向、按照53方向合成一系列短DNA片段，然后再将它们连接成完整的链，称为后随链。后随链不连续合成形成的短DNA片段，称为冈崎片段（Okazakifragment）。,2020/6/19,84,冈崎片段的连接,DNAPolI，ligase,2020/6/19,85,(4)、DNA复制的终止,大肠杆菌DNA复制的终止,当复制叉遇到约22个碱基的重复性终止子序列（Ter)时，Tus-Ter复合物能使DnaB不再将DNA解链，阻挡复制叉的继续前移，等到相反方向的复制叉达到后停止复制。,2020/6/19,8

31、6,（5）、DNA聚合酶,2020/6/19,87,DNA聚合酶II（DNAPolymeraseII,PolII）,具DNA聚合酶活性，但活力很低；具3-5核酸外切酶活性，可起校正作用，它的主要生理功能是修复DNA。,DNA聚合酶III（DNAPolymeraseIII,PolIII）,具DNA聚合酶活性，活力较强；具3-5核酸外切酶活性，可起校正作用，它是大肠杆菌DNA复制中链延长反应的主导聚合酶。,DNA聚合酶和主要在SOS修复过程中发挥作用。,2020/6/19,88,大肠杆菌DNA聚合酶I、II和III的性质比较,2020/6/19,89,1、含多个复制原点，即含多个复制子2、一般为双

32、向移动3、各个复制子在完全完成复制之前，起始点上DNA的复制不能再开始。,复制特点：,2、真核生物DNA的复制,2020/6/19,90,4、真核生物的复制子相对较小，其长度为40100kb,自主性复制序列（autonomousreplicationsequence,ARS）：真核生物DNA的复制起始位点。ARS的特点：具有一个A区，该区含有11个A-T碱基对的保守序列。真核生物DNA复制的起始需要起始点识别复合物（originrecognitioncomplex,ORC)结合于ARS，ORC是由6种蛋白质组成的启动复合物。,2020/6/19,91,5、复制原点的平均距离（复制子平均大小）同一基因组内的差异很大。Yeast/fly:40kb;animal:100kb6、复制平均速度：2,000bp/min(对比E.coli:50,000bp/min)，还不到大肠肝菌的1/20。7、在任意时刻，通常只有少数（15%）复制子工作，只有一部分用于起始