染色体与DNA课件.ppt
染色体与DNA,第二章 染色体与DNA,第一节 染色体第二节 DNA的结构第三节 DNA的复制概述第四节 原核生物和真核生物DNA复制特点第五节 DNA的修复第六节 DNA的转座,第一节 染色体,染色体概述真核细胞染色体的组成原核生物基因组特征,原核生物（Prokaryote）,真核生物（Eukaryote）,细胞周期,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。,1 染色体概述,染色体（chromosome）：细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结果。光学显微镜下看到的棒状或点状物质。染色质(chromatin):真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质的形式存在的。电镜下为串珠状细纤维丝。,染色体的数目：同一物种的染色体数目是相对稳定的；染色体数目有种属差异。,作为遗传物质的染色体特征:分子结构相对稳定能够自我复制能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程;能够产生遗传的变异。,第一节 染色体,染色体概述真核细胞染色体的组成与结构2.1 组成2.2 染色质和核小体2.3 真核生物基因组DNA的C值和重复序列原核生物基因组特点,2.1 染色体组成(1)DNA：约占30%，每条染色体一个双链DNA分子是遗传信息的载体(2)蛋白质组蛋白：呈碱性，结构稳定；与DNA结合形成、维持染色质结构，与DNA含量呈一定的比例非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清楚，可能与染色质结构调节有关，在DNA遗传信息的表达中有重要作用(3)少量的RNA 不到DNA量的10%。,2 真核细胞染色体的组成与结构,染色体中的五种组蛋白,（2）组蛋白,2 真核细胞染色体的组成与结构,2.1 组成2.2 染色质和核小体2.3 真核生物基因组DNA的C值和重复序列,2.2 染色质和核小体,染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，由最基本的单位核小体(nucleosome)成串排列而成的。,核小体-染色质的基本结构单位 串珠状结构，核心颗粒和连结DNA组成：,146bp缠绕1.75圈,螺线管30nm,染色质丝300 nm,核小体10nm,染色体 700nm,组蛋白,DNA2nm,中期染色体 1400nm,300nm,2 真核细胞染色体的组成与结构,2.1 组成2.2 染色质和核小体2.3 真核生物基因组DNA的C值和重复序列,2.3 真核生物基因组DNA的C值和重复序列,C值(C Value)：指一种生物单倍体基因组的DNA总量。C值是每种生物的一个特征 不同生物之间差别很大。,生物体进化程度高低与C值不成明显线性相关亲缘关系相近的生物C值却相差大。高等生物的C值不一定比低等生物的C值高。C值矛盾：C值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象。,C值变化范围宽意味着生物基因组中含有大量的无编码功能的重复序列。,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。可分为3类:(1)不重复序列 占DNA总量的4080，长约7502000bp。是主要的结构基因。,(2)中度重复序列 重复次数在10-104，占总DNA的1040，各种rRNA、tRNA、组蛋白基因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。,组蛋白基因,rRNA,(3)高度重复序列卫星DNA 占总DNA的1060，由6100个bp组成，在DNA链上串联重复高达数百万次。不转录序列。,卫星DNA：这类高度重复序列的碱基组成与其他部分的不同，浮力密度也不同，用等密度梯度离心法可将其与主体DNA分开。,等密度梯度离心法 浮力密度,卫星 DNA序列,螃蟹,2,ATATAT.,果蝇,5,ATAATATAAT.,老鼠,9,GAAAAATGAGAAAAATGA,重复碱基数 序列,原核生物无重复序列 低等真核生物 10-20%高等植物 80%重复序列 高等动物 50%,不同生物的非重复基因占基因组的比例差别很大；,第一节 染色体,染色体概述真核细胞染色体的组成原核生物基因组特点,原核生物的染色体特点：原核生物DNA一般位于类核体上。细菌DNA是一条共价、闭合双链分子，通常也称为染色体。大肠杆菌一般情况下含有一条染色体。原核细胞都是单倍的。,大肠杆菌细胞中基因组DNA的电镜显微照片,3.1 原核生物基因组特点1）原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少，没有重复序列。染色体外遗传基因：即细菌的质粒、真核生物的线粒体、高等植物的叶绿体等所含有的DNA和功能基因。,2）结构简练：原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不转录。而且，这些不转录DNA序列通常是控制基因表达的调控序列。3）存在转录单元：原核DNA序列中功能相关的基因丛集在基因组的特定部位，形成转录单元，它们可被一起转录为可翻译多个蛋白质的mRNA分子，这种mRNA叫多顺反子mRNA。,原核生物的mRNA是多顺反子mRNA,真核生物mRNA是单顺反子mRNA,一个编码基因转录生成一个转录生成一个mRNA。,4）有重叠基因：在一些细菌和动物病毒中同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息。重叠基因的发现：1977年，Sanger，Feir X 174 DNA全长：5375个核苷酸 编码的9种蛋白全长：2026个氨基酸；3*2026=6078核苷酸,噬菌体G4、MS2和SV40中都发现了重叠基因,原核生物的重叠基因,1）基因内基因：如：B基因在A基因内，E基因在D基因内。2）部分重叠 K基因和C基因的重叠 3）前后两基因首尾重叠：,例1：如：基因D 终止 X174DNA序列：5TAATG3 重叠一个碱基 基因J 起始,基因重叠的方式,3.2 真核生物基因组的结构特点,真核基因组庞大 3109bp、染色质、核膜存在大量的重复序列90%以上为非编码序列 转录产物为单顺反子断裂基因，含有内含子有大量顺式作用元件（见第八章）存在大量的DNA多态性具有端粒结构,DNA多态性：DNA序列中发生变异而导致 的个体间核苷酸序列的差异。,第二章 染色体与DNA,第一节 染色体第二节 DNA的结构第三节 DNA的复制概述第四节 原核生物和真核生物DNA复制特点第五节 DNA的修复第六节 DNA的转座,第二节 DNA的结构,1 核酸的化学组成2 DNA 的一级结构3 DNA 的二级结构4 DNA的三级结构5 DNA的理化性质-变性和复性,DNA主要存在于细胞核，是染色质的主要成分；原核生物DNA主要存在于类核中；在核外也存在有少量DNA，如线粒体DNA、叶绿体DNA以及细菌的质粒。RNA 主要存在于细胞质(90%)，少量存在于核仁中 mRNA 存在于细胞质中，占总RNA的510%。tRNA 存在于细胞质中，占总RNA的1015%rRNA 存在于核糖体中，占总RNA的7580%；,嘧啶,嘌呤,1 核酸的化学组成,碱基,DNA:D-2-脱氧核糖 A,G,C,TRNA:D-2-核糖 A,G,C,U,核酸的元素组成,C、H、O、N、P（9-10%）,核酸,核苷酸,磷酸,核苷,戊糖,碱基,DNA的一级结构：指四种核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的排列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸，也称为碱基顺序。,DNA一级结构的两种缩写方式：,线条式：,pTpGpCpApT pT-G-C-A-T TGCAT,文字式：,第二节 DNA的结构,1 核酸的化学组成2 DNA 的一级结构3 DNA 的二级结构4 DNA的三级结构5 DNA的理化性质-变性和复性,DNA双螺旋模型的提出维持DNA双螺旋的力双螺旋结构的基本形式,3 DNA的二级结构,定义：指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。,3.1.1 研究背景：1950年，Chargaff从大量的不同来源的DNA样品的分析中发现了DNA组成的当量规律，即AT，GC，AGCT。不同生物种属的DNA碱基组成不同，同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。,3.1 DNA双螺旋模型的提出,理论化学家L.Pauling运用化学的简单定律来推理，研究了蛋白质-螺旋结构，此方法启发了Watson和 Crick。M.Wilkins、R.Franklin等在DNA的X射线晶体结构方面作出了重大的贡献。,1953年沃森和克里克提出DNA分子双螺旋结构模型。,3.1.2 DNA双螺旋结构模型的提出：,Fig.2-5 Watson and Cricks paper in Nature 1953.,3.1.3 DNA双螺旋结构模型的要点：脱氧核糖和磷酸通过3,5磷酸二酯键交互连接，成为螺旋链的骨架。两条链方向以反向平行的方式组成右手双螺旋。,碱基互补配对：只有A和T配对，G和C配对才能满足正常螺旋（直径2 nm）的要求和chargaff的当量规律。,嘧啶,嘌呤,螺旋参数螺旋直径nm。螺旋每旋转一周10对碱基，每个碱基的旋转角度为36螺距3.4nm；碱基平面之间的距离为0.34nm。,大沟小沟 大沟(2.2nm)小沟(1.2nm)对于遗传上有重要功能的蛋白质识别DNA双螺旋结构上的特定信息是非常重要的。,DNA双螺旋模型的提出维持DNA双螺旋的力双螺旋结构的基本形式,3 DNA的二级结构,3.2 维持DNA双螺旋的力,3.2.1 氢键GC之间有三条氢键，AT之间有两条氢键，这是DNA双螺旋结构的重要特征之一，DNA的许多物理性质如变性、复性以及Tm值等都与此有关。,3.2.2 碱基堆集力 包括疏水作用力和范德华力。1)疏水作用力：不溶于水或难溶于水的两个分子在水中具有相互联合，成串联地结合在一起的趋势。嘌呤和嘧啶具有疏水性，双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，使DNA相邻的碱基有相互堆集在一起的趋势，这是形成碱基堆集力的重要因素之一。,2)范德华力：存在于分子间的一种吸引力；DNA双链中嘌呤和嘧啶的范环德华的半径是0.17nm左右，其累积的范德华力是相当可观的，这样范德华力加强了疏水作用，这是形成碱基堆集力的另一个重要因素。,氢键与碱基堆集力的协同作用维持DNA双螺旋结构的稳定已经堆集的碱基更容易发生氢键的键合，相应地已经被氢键定向的碱基更容易堆集。,磷酸基团间的静电斥力 带负电荷的磷酸基的静电斥力，所以DNA需要保存在含 Na+生理盐条件。碱基分子内能 物体的内能：物体内全部分子的分子动能与分子势能之和。温度升高，碱基分子内能增加时，碱基的定向排列遭受破坏，消弱了碱基的氢键结合力和碱基的堆集力，会使DNA的双螺旋结构受到破坏。,3.2.3 不稳定因素,总之:氢键和碱基堆集力有利于DNA维持双螺旋结构，而静电斥力和碱基分子内能则不利于DNA维持双螺旋结构。,DNA双螺旋的稳定性,DNA双螺旋模型的提出维持DNA双螺旋的力双螺旋结构的基本形式,3 DNA的二级结构,3.3 双螺旋结构的基本形式,A，B，Z型双螺旋的特性,3.3 双螺旋结构的基本形式,A构象:在相对湿度75以下获得的DNA的结构。转录时的DNA-RNA杂交分子和RNA-RNA双链结构均采取A构象。Z-DNA的形成是DNA单链上出现嘌呤和嘧啶交替排列所造成的，比如CGCGCGCG或CACACACACA。,Z-DNA有什么生物学意义呢?Z-DNA在热力学上是不利的。带负电荷的磷酸根距离太近，产生静电排斥。DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。DNA解链是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此Z-DNA的结构与基因表达调控有关。,第二节 DNA的结构,1 核酸的化学组成2 DNA 的一级结构3 DNA 的二级结构4 DNA的三级结构5 DNA的理化性质-变性和复性,4 DNA的超螺旋结构(三级结构),DNA的高级结构（超螺旋）：指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构,超螺旋(superhelix or supercoil)的发现1965年电镜发现SV40和多瘤病毒的环形DNA的超螺旋,超螺旋的成因,DNA分子中产生额外张力不能释放，导致DNA分子内部的重排，造成扭曲，出现超螺旋。,环状DNA形成的超螺旋,线状DNA形成的超螺旋,拓扑异构酶or溴化乙锭,拓扑异构酶or溴化乙锭,DNA扭曲与双螺旋相同（拧紧）,DNA扭曲与双螺旋相反（松开）,负超螺旋,松弛DNA,正超螺旋,超螺旋的类型,超螺旋形式是DNA分子复制和转录的需要；超螺旋的引入提高了DNA的能量水平，促使DNA双股链分开，或局部熔解。这种结构上的变化对DNA分子复制和转录等的启动很重要。超螺旋可使DNA分子形成高度致密的状态从而 得以容纳于有限的空间。,超螺旋的意义,第二节 DNA的结构,1 核酸的化学组成2 DNA 的一级结构3 DNA 的二级结构4 DNA的三级结构5 DNA的理化性质-变性和复性,5 变性和复性5.1 变性(denaturation),1）概念：在某些理化因素作用下，DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，DNA双螺旋结构松散，变成单链的过程。,2）常用的变性方法,热变性,碱变性,应用最为广泛，特别是用于变性动力学研究,pH11.3时，全部氢键被淘汰,3）核酸变性程度的鉴定紫外测定法：原理：嘌呤碱、嘧啶碱存在共轭双键，碱基、核苷、核苷酸、核酸在240-290nm处有强烈的紫外吸收，最大吸收峰在260nm处。,紫外光吸收值：1 双链DNA A260=1.00 2 单链DNA A260=1.37 3 自由碱基 A260=1.60,1.185,4）熔解曲线与Tm值 缓慢而均匀地增加DNA溶液的温度（现可做到 0.1 分）可根据各点的A260值绘制成DNA的熔解曲线。,熔链温度Tm,5）影响DNA Tm值大小的因素：,DNA的均一性：G-C含量：Tm值计算公式：Tm69.3+0.41(G+C)%GC%=（Tm-69.3）2.44介质中的离子强度：DNA保存在 Na+溶液中。,5.2 复性,1）DNA复性(renaturation)变性DNA在适当条件下，分开的两条单链分子按照碱基互补原则重新恢复天然的双螺旋构象的现象，又称为退火（annealing）。,2）复性的影响因子：,温度和时间：低于Tm值 25左右(60-65)DNA浓度：DNA片段的大小：DNA顺序的复杂性；反应溶液中的离子强度。,5.3 杂交（hybridization）,杂交：亲缘关系很近的不同来源的DNA单链或RNA单链与DNA单链之间通过碱基互补形成杂交分子的过程。,突变体的鉴别,核酸探针：指具有一定序列的核苷酸片段，能与互补的核酸序列复性杂交，并且通过适当标记进行检测。,核酸分子杂交技术的应用,第二章 染色体与DNA,第一节 染色体染色体概述真核细胞染色体的组成原核生物和真核生物基因组比较第二节 DNA的结构1 核酸的化学组成2 DNA 的一级结构3 DNA 的二级结构4 DNA的三级结构5 DNA的理化性质-变性和复性第三节 DNA的复制概述第四节 原核生物和真核生物DNA复制特点第五节 DNA的修复第六节 DNA的转座,
