染色體和DNA學(xué)習(xí)課件

第二章：染色體和DNA第一節(jié)：原核和真核生物的染色體第二節(jié)核酸結(jié)構(gòu)第三節(jié)：核酸的理化性質(zhì)第四節(jié)：真核生物DNA和基因組第五節(jié)：原核生物和真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較

講授內(nèi)容第一節(jié)原核和真核生物的染色體

原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的區(qū)別原核生物沒(méi)有真正的細(xì)胞核。遺傳物質(zhì)雖然相對(duì)集中，但是沒(méi)有核膜。ProkaryoticcellEukaryoticcell

原核生物的染色體特征：（1）只有一條（2）沒(méi)有典型的染色體結(jié)構(gòu)Domain/LoopBasicproteinSupercoiled

DNAProkaryoticchromosomestructure真核生物的染色質(zhì)與染色體

人類染色體1、染色質(zhì)（chromatin）

指間期細(xì)胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白組成的線性復(fù)合結(jié)構(gòu),是間期細(xì)胞遺傳物質(zhì)存在的形式。2、染色體(chromosome):

指細(xì)胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過(guò)程中,由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)。

染色質(zhì)和染色體的關(guān)系（1）染色質(zhì)與染色體具有基本相同的化學(xué)組成，但包裝程度不同,構(gòu)象不同。（2）染色質(zhì)與染色體是在細(xì)胞周期不同的功能階段可以相互轉(zhuǎn)變的的形態(tài)結(jié)構(gòu)

染色體的化學(xué)組成

DNA/protein（蛋白質(zhì)）（一）原核生物染色體的蛋白質(zhì)

DNA結(jié)合蛋白(DNA-bindingproteins)----

histone-likeprotein：壓縮DNA

穩(wěn)定和限制超螺旋結(jié)構(gòu)

ProteinHU：含量最豐富堿性二聚體（dimeric）

帶正電荷（positive)ProteinH-NS(H1)：?jiǎn)尉垠wmonomeric

中性neutral真核生物染色體的蛋白質(zhì)

Non-histone（非組蛋白）

Histone

（組蛋白）

1、組蛋白的種類：

H2A/H2B/H3/H4：10~20kDa

H1：~23

kDa

protein{組蛋白：H1H2AH2BH3H4非組蛋白}核小體{DNA蛋白質(zhì)染色體

真核生物組蛋白的主要特點(diǎn)：（1）堿性蛋白（20-30%Lys/Arg

）（2）肽鏈上氨基酸分布的不對(duì)稱性（3）無(wú)組織特異性（4）進(jìn)化上極端保守（Highlyconserved）（5）組蛋白的修飾作用核小體是由H2A、H2B、H3、H4各兩個(gè)分子生成的八聚體和由大約200bpDNA組成的。八聚體在中間，DNA分子盤(pán)繞在外，而H1則在核小體的外面。每個(gè)核小體只有一個(gè)H1。6.8:140:11000:18000:1DNAdoublehelixNucleosome(10nmfiber)30nmFiberLoopsILoopsIIchromosome第二節(jié)核酸結(jié)構(gòu)核酸一級(jí)結(jié)構(gòu)核酸二級(jí)結(jié)構(gòu)核酸高級(jí)結(jié)構(gòu)一、DNA的結(jié)構(gòu)1）

概念指4種脫氧核苷酸的連接及其排列順序，DNA序列是這一概念的簡(jiǎn)稱。1、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)核苷酸每一個(gè)核苷酸含有一個(gè)戊糖（核糖或脫氧核糖）分子、一個(gè)磷酸分子和一個(gè)含氮的有機(jī)堿（堿基）。脫氧核糖或核糖上第一位碳原子與嘌呤或嘧啶結(jié)合，就成為脫氧核苷或核苷，第三位或第五位碳原子再與磷酸結(jié)合，就成為脫氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。核苷酸的有機(jī)堿分為兩類；一類是嘌呤，是雙環(huán)分子；一類是嘧啶，是單環(huán)分子。嘌呤包括腺嘌呤(A)和鳥(niǎo)嘌呤(G)2種嘧啶有胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)3種。DNA的堿基是A、T、G、C，RNA的堿基是A、U、G、C。多個(gè)核糖核苷酸以磷酸順序相連成長(zhǎng)鏈的多核苷酸分子，即成為核酸的基本結(jié)構(gòu)脫氧核糖核酸或核糖核酸TTTDNA結(jié)構(gòu)的表示法

---GCGGC----GCGGC------CGCCG-----CGCCG---DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的不均一性

1、重復(fù)序列

（1）正向重復(fù)（2）反向重復(fù)（回文序列）書(shū)臨漢字翰林書(shū)畫(huà)上荷花和尚畫(huà)較長(zhǎng)的回文結(jié)構(gòu)(單鏈），可形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)(發(fā)夾結(jié)構(gòu))較長(zhǎng)的回文結(jié)構(gòu)（雙鏈），可形成十字形結(jié)構(gòu)2、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)1）定義：指兩條多核苷酸鏈反向平行盤(pán)繞所產(chǎn)生的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

2）特征（以B型DNA結(jié)構(gòu)為例）：●主鏈：主鏈有二條,由脫氧核糖和磷酸基通過(guò)酯鍵交替連接而成，構(gòu)成DNA骨架，繞一共同軸心以右手方向盤(pán)旋,相互平行而走向相反形成雙螺旋構(gòu)型?！駢A基對(duì)：堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè),它們以垂直于螺旋軸的取向通過(guò)糖苷鍵與主鏈糖基相連。同一平面的堿基在二條主鏈間形成堿基對(duì)，堿基對(duì)以氫鍵維系，A與T間形成兩個(gè)氫鍵，C與G間形成三個(gè)氫鍵?！翊鬁虾托希河捎趬A基對(duì)堆積和糖-磷酸骨架扭轉(zhuǎn)由雙螺旋表面凹下去形成較大溝槽和較小溝槽?！耠p螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)：螺旋直徑2nm；螺旋周期包含10

對(duì)堿基；螺距3.4nm；相鄰堿基對(duì)平面間距0.34nm。繞DNA雙螺旋表面上出現(xiàn)的螺旋槽（溝），寬的溝稱為大溝，窄溝稱為小溝。WasterCrickDNA雙螺旋模型雙螺旋的幾種形式雙螺旋的幾種形式目前已知有三種不同形式DNAABZABZ雙螺旋的幾種形式目前已知有三種不同形式DNA：1．B—form：即Watson-Crick模型，在正常的細(xì)胞生活狀態(tài)時(shí)存在，右手螺旋、堿基的平面對(duì)DNA的中軸是垂直的，DNA分子每轉(zhuǎn)一圈是10.4bp。2．A—form：在高鹽或脫水狀態(tài)時(shí)存在，右手螺旋，堿基對(duì)傾斜并偏離雙螺旋中軸，轉(zhuǎn)一圈11bp。3．Z—form：在合成制備的DNA晶體中發(fā)現(xiàn)的新構(gòu)型，“Z”字骨架，左手螺旋，每轉(zhuǎn)一圈12bp。B-formA-formZ-formhelicalsenseright-handright-handleft-handbp/turn10.41112大溝寬，深窄，深平坦小溝窄，深寬，淺窄，深sequence基因組DNARNA-RNADNA-RNApoly(dG-dC)B-DNA是最常見(jiàn)的DNA構(gòu)象（Watson-Crick雙螺旋DNA）；

A-DNA構(gòu)象對(duì)基因轉(zhuǎn)錄有重要意義；

Z-DNA可能與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)（左手螺旋）3、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)1）定義：指DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲盤(pán)繞所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。是一種比雙螺旋更高層次的空間構(gòu)象。2）主要形式：超螺旋結(jié)構(gòu)（正超螺旋和負(fù)超螺旋）超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix或supercoil)

超螺旋：DNA雙螺旋鏈再盤(pán)繞即形成的空間結(jié)構(gòu)，包括正超螺旋和負(fù)超螺旋兩種形式。（1）正超螺旋(positivesupercoil)：

盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方同相同；

（2）負(fù)超螺旋(negativesupercoil)：

盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方向相反；

正超螺旋負(fù)超螺旋環(huán)狀DNA形成的超螺旋天然DNA分子一般為負(fù)超螺旋負(fù)超螺旋DNA更易于局部解鏈，易于參加DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等。

拓?fù)洚悩?gòu)酶（Topoisomerase）：能夠改變DNA連接數(shù)從而改變DNA分子超螺旋水平的酶。（1）拓?fù)洚悩?gòu)酶I

（topoisomerase--I）作用機(jī)制：切開(kāi)環(huán)狀一條鏈，

不需ATP

（2）拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ

作用機(jī)制：切開(kāi)環(huán)狀兩條鏈，連接數(shù)需要ATP

第三節(jié)：核酸的理化性質(zhì)

（一）酸堿性質(zhì)：

DNA等電點(diǎn)：4~4.5，RNA等電點(diǎn)2~2.5

帶負(fù)電荷（瓊脂糖凝膠電泳）

（二）浮力密度(buoyantdensity)

應(yīng)用：密度梯度離心---DNA的純化

8M

CsCl（RNA>DNA>protein)

蛋白質(zhì)染色體/線形DNA超螺旋質(zhì)粒CsCl+EBRNA（三）DNA的變性

變性（Denaturation)

DNA雙鏈的氫鍵斷裂，最后完全變成單鏈的過(guò)程（不涉及共價(jià)鍵斷裂）稱為變性。■增色效應(yīng)(Hyperchromaticeffect)在變性過(guò)程中，260nm紫外線吸收值先緩慢上升，當(dāng)達(dá)到某一溫度時(shí)驟然上升，稱為增色效應(yīng)?！鰷p色效應(yīng)（Hypochromaticeffect)

隨著DNA的復(fù)性，260nm紫外線吸收值降低的現(xiàn)象。核酸的紫外吸收由于嘧啶堿和嘌呤堿均含有苯環(huán)，因此在紫外區(qū)均有吸收DNA和RNA—260nm蛋白質(zhì)—280nm核酸堿基的吸光值與其所處環(huán)境有關(guān)其吸光值順序以此為：?jiǎn)魏塑账?gt;單鏈DNA（RNA）>雙鏈DNA（RNA）DNA純度鑒定常用260nm與280nm處的吸光值來(lái)確定：

A260/A280=1.8，puredsDNA A260/A280=2.0，pureRNA A260/A280<1.0，pureprotein

純的dsDNA的A260／A280為1.8純RNA的A260／A280為2.0若樣品的A260／A280>1.8,則表明有RNA污染若樣品的A260／A280<1.8,則表明有蛋白質(zhì)污染Meltingcurve■融解溫度（MeltingtemperatureTm)

變性過(guò)程紫外線吸收值增加的中點(diǎn)稱為融解溫度,即DNA雙鏈中有一半發(fā)生變性的溫度。融解溫度影響因素：G+C含量，pH值，離子強(qiáng)度，尿素，甲跣胺等

復(fù)性（Renaturation）變性DNA在適當(dāng)（一般低于Tm值20—25℃）條件下，兩條鏈重新締合成雙螺旋結(jié)構(gòu)的過(guò)程。（四）DNA的復(fù)性復(fù)性的特點(diǎn)：（1）熱變性DNA在緩慢冷卻時(shí)可以復(fù)性，快速冷卻不能復(fù)性。（2）DNA片段越大，復(fù)性越慢；（3）DNA濃度越大，復(fù)性越快。應(yīng)用：根據(jù)復(fù)性動(dòng)力學(xué)可以測(cè)定基因組的大小和重復(fù)序列的拷貝數(shù)。第四節(jié)：真核生物DNA和基因組C值矛盾C值矛盾（C-valueparadox)C值是一種生物的單倍體基因組DNA的總量。在真核細(xì)胞基因組中，在結(jié)構(gòu)和功能很相似的同一類生物中，它們的C值也表現(xiàn)出很大的差異，出現(xiàn)C值和生物結(jié)構(gòu)或組成的復(fù)雜性不一致的現(xiàn)象，稱為C值矛盾。

染色體中的核酸組成

⑴不重復(fù)序列在單倍體基因組里，這些序列一般只有一個(gè)或幾個(gè)拷貝，它占DNA總量的40%－80%。不重復(fù)序列長(zhǎng)約750－2000bp，相當(dāng)于一個(gè)結(jié)構(gòu)基因的長(zhǎng)度。⑵中度重復(fù)序列這類重復(fù)序列的重復(fù)次數(shù)在10－104之間，占總DNA的10%－40%。各種rRNA、tRNA

及組蛋白基因等都屬這一類。非洲爪蟾的18S、5.8S及28SrRNA基因是連在一起的，中間隔著不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)，這些單位在DNA鏈上串聯(lián)重復(fù)約5000次。在卵細(xì)胞形成過(guò)程中這些基因可進(jìn)行幾千次不同比例的復(fù)制，產(chǎn)生2×106個(gè)拷貝，使rDNA占卵細(xì)胞DNA的75%，從而使該細(xì)胞能積累多個(gè)核糖體。⑶高度重復(fù)序列——衛(wèi)星DNA這類DNA只在真核生物中發(fā)現(xiàn)，占基因組的10%—60%，由6—100個(gè)堿基組成，在DNA鏈上串聯(lián)重復(fù)幾百萬(wàn)次。由于堿基的組成不同，在CsCl密度梯度離心中易與其他DNA分開(kāi)，形成含量較大的主峰及高度重復(fù)序列小峰，后者又稱衛(wèi)星區(qū)帶（峰）。高等真核生物DNA無(wú)論從結(jié)構(gòu)還是功能看都極為復(fù)雜，以小鼠為例：

1.小鼠總DNA的10％是小于10bp的高度重復(fù)序列，重復(fù)數(shù)十萬(wàn)到上百萬(wàn)次/genome。

2.總DNA的20％是重復(fù)數(shù)千次、長(zhǎng)約數(shù)百bp的中等重復(fù)序列。

3.總DNA的70