第二章 染色体与DNA

螺线体(solenoid)
超螺线体(super-solenoid) 染色体
核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两 个分子生成的八聚体和由大约 200bpDNA组成的。八聚体在中间， DNA分子盘绕在外，而H1则在核小体的 外面。每个核小体只有一个H1。 在核小体中DNA盘绕组蛋白八聚体 核心，从而使分子收缩成1/7， 200bpDNA的长度约为68nm，却被压 缩在10nm的核小体中。但是，人中期 染色体中含3.3×109碱基对，其理论长 度应是180cm，这么长的DNA被包含在 46个51μm长的圆柱体（染色体）中， 其压缩比约为104。
鸟嘌呤（2-氨基6-氧嘌呤） Guanine(G)
3N 2 O NH 1
酮式
NH 2 4 5 6
3N OH 2
NH2 4 5 N 1 6
烯醇式 胞嘧啶 （2-氧，4-氨基嘧 啶 ）
Cytosine(C)
有些核酸中还含有修饰碱基，(或稀有碱基)，这些碱基大多 是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化或进行其它的化学 修饰而形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少。
（5）富含赖氨酸的组蛋白H5
非组蛋白主要种类
非组蛋白占蛋白总量的60－70%，主要包括酶类 及与细胞分裂相关的各种蛋白质： 非组蛋白的多样性:非组蛋白的量大约是组蛋白的60%～
70%，但它的种类却很多，约在20-100种之间，其中常见的有1520种。
非组蛋白的组织专一性和种属专一性。 （1）HMG蛋白：富含赖AA、精AA、谷AA与天 冬AA，与DNA的超螺旋结构有关 （2）DNA结合蛋白：与DNA的复制或转录有关 的酶或调节物质 （3）A24非组蛋白：与H2A差不多大小，呈酸性， 含谷AA与天冬AA多，于核小体内，功能不详
(1)同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同； (2)一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变； 3)几乎所有的DNA，(A］=［T)，(G］=［C)，(［A＋G］=［C]＋［T)。 (4)不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在A＋T/G＋C比值的不同；
Watson和Crick以立体化学原理为准则，对Wilkins和 Franklin的DNa X射线衍射分析结果加以研究，提 出了DNA结构的双螺旋模式，其主要内容如下：
脱氧核苷酸的种类
核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脱氧核糖 (deoxyribose)两种，分别存在于核糖核苷酸 和脱氧核糖核苷酸中。 戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就 A G 称为核苷，通常是戊糖的C1′与嘧啶碱的N1 腺嘌呤脱氧核苷酸 或嘌呤碱的N9相连接。 鸟嘌呤脱氧核苷酸
C
胞嘧啶脱氧核苷酸
核苷酸=核苷+磷酸
NH2 O O O β N - γ O P ～O Pα O P～ - O O O O CH2 O N N N
OH OH AM P ADP ATP
2、DNA的一级结构
核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸 (polynucleotide)，DNA的一级结构即是指四种 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， 由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故又可 称为碱基顺序。核苷酸之间的连接方式是：一个核 苷酸的5′位磷酸与下一位核苷酸的3′-OH形成3′， 5′磷酸二酯键，构成不分支的线性大分子，其中磷 酸基和戊糖基构成DNA链的骨架，可变部分是碱基 排列顺序。
DNA不仅具有严格的化学组成，还具有特殊的高级结构， 它主要以有规则的双螺旋形式存在，基本特点是：
1、DNA分子是由两条互相平行脱氧核苷酸长链盘绕而成的。
2、DNA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。 3、两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成 有一定的规律。这就是嘌呤与嘧啶配对，而且腺嘌呤（A）只 能与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）只能与胞嘧啶（C） 配对。碱基之间的这种一一对应的关系叫碱基互补配对原则。 由于碱基可以任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。例 如，某DNA分子的一条多核苷酸链有100个不同的碱基组成， 它们的可能排列方式就是4100。
– (3). 另外，可能存在少量的RNA
组蛋白的特性
组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3、H4 （1）进化上的极端保守性(H4>H3> H2A、H2B> H1) （2）无组织特异性:到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及 两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，精细胞染色体的 组蛋白是鱼精蛋白。
（3）肽链上AA分布的不对称性:碱性氨基酸集中分布在 N端的半条链上。 （4）组蛋白的修饰作用:包括甲基化、乙基化、磷酸化 及ADP核糖基化等
真核生物DNA类别
（1）不重复序列：占40－80%，是主要的 结构基因； （2）中度重复序列：占10－40%，重复次 数101－104，各种rRNA和tRNA及结构基因； （3）高度重复序列：卫星DNA，占10－ 60%，重复达数百万次，不转录，多位于着 丝粒处，是异染色质组分，可能与染色体稳定 有关。
真核生物DNA
C值(C value): 即一种生物单倍体基因组 DNA的总量. C值谬误:在真核生物中, C值一般随生物进 化而增加,高等生物的C值一般大于低等生 物.但某些两栖动物的C值大于哺乳动物的, 而在两栖动物中的C值变化也很大,可相差 100倍.这种现象叫” C值反常现象”,也称 C值谬误.
T
胸腺嘧啶脱氧核苷酸
核苷=核糖+碱基
NH 2
6 1N 2
/
5
N
3
7
5 H O CH 2 O 4 H H / 3 OH
/
N
பைடு நூலகம்
4
9
N
8
碱基和核糖通过糖苷键连成 核苷。连接方式是嘌呤环上 的N-9或嘧啶环上的N-1与糖 的C-1‘以糖苷键相连。
1/ OH H / 2 H
腺嘌呤核苷（腺苷）
核苷中戊糖的羟基与磷酸以磷酸酯键连接而成 为核苷酸。生物体内的核苷酸大多数是核糖或脱 氧核糖的C5′上羟基被磷酸酯化，形成5′核苷酸
DNA+组蛋白 核小体+连接丝
染色体的结构模型
贝克等(Bak, 核小体+连接丝 A. L., 1977)：染色体四级结构模型理 论能够在一定程度上解释染色质状态转化的过程 螺线体(solenoid)
–螺线体 1. DNA+组蛋白 – 2. 核小体 超螺线体 (super-solenoid) – 3. 螺线体 – 4. 超螺线体 超螺线体 染色体 核小体+连接丝
第二章
染色体与DNA
本章主要内容
一、染色体的组成与结构 二、 DNA的组成与结构 三、 DNA的复制 四、原核与真核生物DNA的比较 五、DNA的修复 六、DNA的转座
一、染色体的组成与结构
1、细胞－染色体－DNA 真核细胞的结构
原核与真核染色体DNA比较 1、原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷
DNA的分布
主要在染色体上
（所以说，染 色体是DNA的 主要载体）
细胞质内
例：紫茉莉 叶色的遗传
细胞核遗传
细胞质遗传
生物的遗传
2、真核细胞染色体的组成与结构
化学组成
– (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，也就是所谓的遗传物质
– (2). 蛋白质
组蛋白(histone)：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
H
N
H
O H
A
H
T
N
OH
55
CH3 4 5 3 5 连 N 4 3N
H
T
1N
1N
A
6
6
N
4 4 9 9
7 N 8
7
6
6 2 2 O N 2 N O N1 1 接 H G H R R
2
C3 3
N N
N N R R
8
G≡≡C A==T
C
G
2、DNA的二级结构
50年代初，Chargaff应用紫外分光光度法结合纸层析等简单 技术，对多种生物DNA作碱基定量分析，发现DNA碱基组成 有如下规律
贝基因，只有很少数基因〔如rRNA基因〕是以多拷
贝形式存在；
2、整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列
所组成；
3、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。
染色体的形态示意图
人类染色体的编号
2、真核生物染色体的组成与结构
染色体作为遗传物质的特征： 分子相对稳定； 能自我复制，保持遗传连续性； 能指导蛋白质合成，控制生命过程； 能产生可遗传的变异
(二)染色质和核小体 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。染色质是一种纤维状结构，叫做染色 质丝，它是由最基本的单位即核小体成串排列而成的。DNA是 染色体的主要化学成分，也是遗传信息的载体，约占染色体全 部成分的27%，另外组蛋白和非组蛋白占66%，RNA占6%。 核小体是构成染色质的基本结构单位，使得染色质中 DNA、RNA和蛋白质组织成为一种致密的结构形式。核小体 由核心颗粒(core particle)和连接区DNA(linker DNA)二部 分组成，在电镜下可见其成捻珠状，前者包括组蛋白H2A， H2B，H3和H4各两分子构成的致密八聚体(又称核心组蛋白)， 以及缠绕其上一又四分之三圈长度为146bp的DNA链；后者 包括两相邻核心颗粒间约60bp的连接DNA和位于连接区DNA 上的组蛋白H1，连接区使染色质纤维获得弹性。