朱玉贤现代分子生物学第四版-第2章-染色体与DNA

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第二节 DNA的结构
2. DNA的二级结构
❖ DNA二级结构是指两条多核苷酸链反相平行盘绕所生成的双 螺旋盘绕结构。
❖ DNA有三种构像：A-DNA、B-DNA、Z-DNA，其中AB为右 手构象，Z为左手构像。
❖ B型为普遍存在的结构。 ❖ A型、Z型可能具有不同
的生物活性 ❖ 还存在其他构型。
在危险。（尿嘧啶DNA糖苷酶可以灵敏识别DNA中的U 而随时将其剔除）。
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第二节 DNA的结构
1. DNA的一级结构
❖ DNA又称脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid）。 ❖ DNA的一级结构即是指四种
核苷酸的连接及排列顺序， 表示该DNA分子的化学构成。 ❖ DNA由脱氧核苷酸聚合而成。 ❖ 碱基的不同决定了脱氧核苷 酸的不同。
~ 1 um (10-6m) long ~ 1300 um long !!!
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第一节 染色体
2.4. 真核细胞染色体的结构
❖ 超螺旋圆筒 有迹象表明：中期染色质是一细长、中 空的圆筒，直径4000nm，由30nm的螺 线管缠绕而成，压缩比为40。
❖ 染色单体 染色单体由超螺旋圆筒再压缩5倍而成。
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第一节 染色体
3. 原核生物基因组：
左手螺旋Z-DNA
Minor groove
Z-DNA
Major groove
- 3.8 Å/bp
- 18.4 Å wide
- 12 bp/turn
- base-pairs tilted about 9 degrees from axis of the helix
第二节 DNA的结构
3. DNA的高级结构
3. DNA的高级结构
❖ DNA的超螺旋结构形成的意义：
使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；
推动DNA结构的转化以满足
功能上的需要。如负超螺旋
螺
旋
分子所受张力会引起互补链
超
分开导致局部变性，利于复
螺 旋
制和转录。
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DNA Supercoiling超螺旋
E. Coli bacterium: Its genome: A human cell: Its genome:
❖ 原核生物基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量 少。如大肠杆菌DNA仅4.6Mb，完全伸展总长约为1.3mm ，含4000多个基因。
❖ 从基因组的结构来看，原核细胞DNA有如下特点： 结构简练。非编码序列极少，这与真核细胞DNA冗余现 象完全不同。 存在转录单元。多顺反子mRNA。 有重叠基因。同一段DNA含有两种不同蛋白质的信息。
❖ DNA的高级结构指DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成 的特定空间结构。
❖ 超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超 螺旋和负超螺旋两类，它们在不同类型的拓扑异构酶 作用下或特殊情况下可相互转变，如：
拓扑异构酶
拓扑异构酶
负超螺旋
溴乙啶 松弛DNA
正超螺旋 溴乙啶
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第二节 DNA的结构
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第一节 染色体
由于亲代能够将自己的遗传物质DNA以染色体的形式传 给子代，保持物种的稳定性和连续性。因此，人们普遍认为 染色体在遗传上起着主要作用。
人类22对染色体及性染色体
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性染色体扫描电镜图第一源自 染色体1.染色体概述：❖ 19世纪中叶，细胞生物学家在光学显微镜下，在细胞分裂 时观察到存在于细胞核中的棒状可染色结构并将其命名为 染色体。
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第二节 DNA的结构
1. DNA的一级结构
❖ 脱氧核苷酸由碱基（A、T、G、C）、脱氧核糖及磷酸基 团组成。以下是脱氧核苷酸及碱基结构式。
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第二节 DNA的结构
1. DNA的一级结构
❖ 脱氧核苷酸之间由3’→5’磷酸二酯键连接成DNA链，两条 链的碱基通过氢键实现AT、GC配对。
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第二节 DNA的结构
2. DNA的二级结构
❖ B-DNA特点：
螺旋直径2nm 链间有螺旋形凹槽，较小的
为 小 沟 （ 1.2nm ） ， 较 大 的 为大沟（2.2nm） 碱基间距0.34nm 每轮碱基数10 碱基平面与纵轴垂直
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❖A DNA的特点
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❖ 由此推断，许多DNA序列不编码蛋白质，是无生理功能的。 ❖ 根据对DNA的动力学研究，真核生物DNA序列大致可分为3类：
不重复序列、中度重复序列、高度重复序列。
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第一节 染色体
2.3. DNA
❖ 不重复序列。在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝， 它占DNA总量的40%－80%。不重复序列长约750－2000dp，相当于一 个结构基因的长度。单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质 。 如蚕丝心蛋白基因。
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3、原核生物的基因组特点
❖ （1）结构简练：不转录部分很少且常是控制 基因表达的序列
❖ （2）存在转录单元：多顺反子mRNA， 这 些功能相关的RNA和蛋白质基因协同 表达。
❖ （3）有重叠基因：同一段DNA能携带两种一 同的蛋白质信息，主要是： 一个基因完全存在于另一个基因内部分 重叠 两个基因只有一个碱基对的重叠
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第一节 染色体
2.4. 真核细胞染色 体的结构
❖ 真核细胞染色体的 DNA如图所示，经过 四级压缩，长度压缩 将近10000倍。
❖ 四级分别为： 核小体 螺线管 超螺旋圆筒 染色单体
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第一节 染色体
2.4. 真核细胞染色体的结构
❖ 核小体 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。
❖ 中度重复序列。 这类重复序列的重复次数在10－104之间，占总DNA的 10%－40%。各种rRNA、tRNA 及组蛋白基因等都属这一类。
❖ 高度重复序列——卫星DNA。 这类DNA只在真核生物中发现，占基因组 的10%—60%，由6—100个碱基组成，在DNA链上串联重复几百万次。 由于碱基的组成不同，在CsCl密度梯度离心中易与其他DNA分开，形成 含量较大的主峰及高度重复序列小峰，后者又称卫星区带（峰）。
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第二章 染色体与DNA
传从
递一
、代本
遗细章
传胞将
及岛介
变到绍
DNA
异下
等一
过 程 。
代 细 胞
的 结 构
的和
1
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 ❖ 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 ❖ 第七节 SNP的理论与应用
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第二节 DNA的结构
1. DNA的一级结构 ❖ DNA一级结构特点是：
DNA分子由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成。 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。 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（A与T，G与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。
左图为人类染色体，在光镜下即可观察其形态，右图为 电镜图片，可见不规则的染色质。
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第一节 染色体
1.染色体概述：
❖ 原核细胞染色体： 一般只有一条大染色体且大都带有单拷贝基因，除少数基因外 （如rRNA基因）。 整个染色体DNA几乎全部由功能基因和调控序列所组成。 几乎每个基因序列都与它所编码蛋白质序列呈线性对应关系。
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第一节 染色体
2.真核细胞染色体的组成：
❖ 真核生物染色体中DNA相对分子质量一般大大超过原核生 物，并结合有大量的蛋白质，结构非常复杂。其具体组成 成分为：组蛋白、非组蛋白、DNA。
❖ 在真核细胞染色体中，DNA与蛋白质完全融合在一起，其 蛋白质与相应DNA的质量之比约为2:1。这些蛋白质在维持 染色体结构中起着重要作用。
B-DNA - 3.4 Å/bp - 23.5 Å wide - 10.4 bp/turn
Figure : B- and A-DNA
A-DNA
- 2.3 Å/bp
- 25.5 Å wide
- 11 bp/turn
- Base-pairs tilted about 19 degrees from axis of the helix.
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第一节 染色体
2.2. 非组蛋白
❖ 染色体上除了存在大约与DNA等量的组蛋白以外，还存在大 量的非组蛋白。
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15-20种。 非组蛋白的组 织专一性和种属专一性。
非组蛋白包括酶类、骨架蛋白、核孔复合物蛋白以及肌动蛋白 、肌球蛋白等。它们也可能是染色质的组成成分。
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第一节 染色体
2.1. 组蛋白
❖ 组蛋白是染色体的结构蛋白，其与DNA组成核小体。根据其 凝胶电泳性质可将其分为H1、H2A、H2B、H3及H4。
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第一节 染色体
2.1. 组蛋白
❖ 组蛋白的特性： 进化上极端保守性。其中H3、H4最保守，H1较不保守。
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。
❖ 染色体包括DNA和蛋白质两部分。同一物种内每条染色体 所带的DNA的量是一定的，但不同的染色体或不同物种之 间变化很大，从上百万到几亿个核苷酸对不等。此外，组 成染色体的蛋白质（组蛋白和非组蛋白）的种类和含量也 是十分稳定的。
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第一节 染色体
1.染色体概述：
❖ 染色体在细胞分裂间期表现为染色质。染色体与染色质是 同一种物质的两种形态。伸展的染色质形态有利于在它上 面的DNA储存的信息的表达，而高度螺旋化了的棒状染色 体则有利于细胞分裂中遗传物质的平分。
肽链上氨基酸分布的不对称性。碱性氨基酸集中分布在N 端的半条链上。例如，N端的半条链上净电荷为+16，C 端只有+3，大部分疏水基团都分布在C端。
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。
富 含 赖 氨 酸 的 组 蛋 白 H5 。 H5 赖 氨 酸 含 量 高 达 24% 。
❖ 几类常见的非组蛋白：
HMC蛋白。一般认为可能与DNA的超螺旋结构有关。
DNA结合蛋白。可能是一些与DNA的复制与转录有关的酶或调 解物质。
A24非组蛋白。位于核小体内，功能不详。
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第一节 染色体
2.3. DNA
❖ 真核细胞基因组最大的特点是好有大量的重复序列，而且功 能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开，这就 是著名的“C值反常现象”。 C值：一种生物单倍体基因组DNA的总量。 一般情况，真核生物C值是随着生物进化而增加，高等生 物的C值一般大于低等生物。（下页左图） 进一步研究发现，某些两栖类C值大于哺乳动物，而且在 两栖类中C值变化也很大，可相差100倍。（下页右图）
第二节 DNA的结构 第 二 节
的 结 构
DNA
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第二节 DNA的结构
❖ DNA作为遗传物质的主要优点：
信息量大，可以缩微 表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制机理 核糖的2’脱氧，在水溶液中稳定性好 可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化对群
体是有利的） 有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U带来的潜
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。
核小体串联起来形成10nm纤维。
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第一节 染色体
2.4. 真核细胞染色体的结构
❖ 螺线管 螺线管是由10nm染色质细丝盘绕形成的螺旋管状细丝， 表现为30nm纤维。 螺线管每一螺旋包含6个核小体，压缩比为6。 这种螺线管是分裂间期和分裂前期染色体的基本组分。