DNA及染色体的结构

DNA双螺旋结构的呼吸作用：
DNA双螺旋结构中，配对碱基之间的氢键处 于连续不断的断裂和再生的动态平衡中。
l 碱基堆积力 (非特异性结合力) ☆ 范德华力（Van de waals force） (1.7A°/ 嘌呤环与嘧啶环 作用半径)
3.4A° (0.34 nm/碱基对间距)
☆ 疏水作用力 (Hydrophobic interaction) (磷酸骨架, 氨基, 酮基周围水分子间的有序排列 )
Compaction ratio = 8000
DNA 真核生物染色体DNA （2nm） 组装不同层次的结构
核小体链（ 11nm，每个核小体200bp）
纤丝（ 30nm，每圈6个核小体）
突环（ 150nm，每个突环大约75000bp）
玫瑰花结（ 300nm ，6个突环） 螺旋圈（ 700nm，每圈30个玫瑰花） 染色体（ 1400nm，
⊕ 小沟相对体现的信息较少
二、 影响双螺旋结构稳定性的因素
* 维持稳定性的因素 l 氢键 (Hydrogen bond 4~6 kc / mol)
弱键, 可加热解链 氢键堆积, 有序排列(线性, 方向) l 磷酸酯键 (phosphoester bond 80~90 kc / mol) 强键, 需酶促解链
* 较短的回文序列可能是作为一种信号 如：限制性内切核酸酶的识别位点
一些调控蛋白的识别位点（转录终止）
C
反向重复序列间的间隔较短或无间隔 反向重复序列间的间隔较长
割裂基因（splitting gene） 不连续基因（discontinuous gene ） 断裂基因（interrupted gene）
DNA的三级结构指双螺旋DNA分子 通过扭曲和折叠所形成的特定构象， 包括不同二级结构单元间的相互作用 、单链和二级结构单元间的相互作用 以及DNA的拓扑特征。
DNA超螺旋结构的形成
1、 超螺旋结构的方向性
B-DNA
紧缠overwinding (右旋)
导致左手超螺旋
正超螺旋（positive supercoiled ）
OH
腺嘌呤核苷酸（ AMP）
Adenosine monophosphate
鸟嘌呤核苷酸（GMP） 胞嘧啶核苷酸（CMP） 尿嘧啶核苷酸（UMP）
H
脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP） Deoxyadenosine monophosphate
脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP） 脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP） 脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）
概念：编码某一RNA的基因中有些序列并不出现在成熟 的RNA序列中，成熟RNA的序列在基因中被其它的 序列隔开
断裂基因的发现
◘ 通过成熟mRNA（或cDNA）与编码基因的DNA杂交试 验而发现
断裂基因
前体mRNA
Introns 去除 Exons 连接
核酸的化学组成
核酸
核苷酸
核苷 磷酸
碱基 戊糖
大沟
很窄很深
小沟
很宽、浅
反式 C、T反式，G顺式
很宽较深
平坦
窄、深
较窄很深
A
B
Z
Base Inclination Handedness
A
B
Z
超螺旋（三级结构）和拓扑异构
螺
旋
和
超
螺
旋
电
螺旋
话
线
超螺旋
一、超螺旋（superhelix or supercoil）
● 最早在SV40和多瘤病毒中发现 超螺旋是所有线性或环形DNA共有的重要特征
大肠杆菌的遗传物质 ◙ 染色体DNA成分占80％，其余为RNA和蛋白质
◙ 4.6 x 106bp的基因组DNA 与多种DNA结合蛋白组装成 E.coli的染色体
◙ 基因组DNA为双链环状，总长度为1100～1400μm，1400 个基因都已定位
质粒DNA （plasmid DNA） 细菌中另一类遗传物质
环状DNA，存在于染色 体之外，能自我复制
质粒也携带许多基因， 如：抗生素抗性基因
原核生物基因组特点（P30）
结构简练 存在转录单元（多顺反子） 存在重叠基因
真核生物染色体及基因组
☆ C值（C-value）：在真核生物中，每种生物的单倍体 基因组的DNA总量总是恒定的，称为C-值
C值是每种生物的一个特征，不同生物之间差别很大
◘ 奢侈基因（luxury gene）：仅在某种特定类型的细胞中表 达的基因
* 真核DNA＋组蛋白 核小体 * 核小体折叠压积 染色质（chromatin）
（其它的蛋白质和RNA） * 大部分细胞生活周期里以染色质的形式存在（弥散状）
M期－－染色体形式 * 染色质有两种型
a、常染色质：密度较低，能被表达 b、异染色质：密度较高，不被表达（着丝粒、端粒）
组蛋白的特点（P24）： 进化上的极端保守性 无组织特异性 肽链上AA分布的不对称性 组蛋白的修饰作用 富含Lys的组蛋白H5
染色体上非组蛋白类型： HMG蛋白 DNA结合蛋白 A24非组蛋白
组蛋白与组蛋D白N与AD的NA的结结合合
核小体
核小体盘绕及染色质示意图
从DNA到染 色体的过程
A-DNA: RNA-DNA（转录） RNA-RNA
RNA的核糖2’-OH的存在，使之不能适应B构象， 否则将与相邻的磷酸、核糖和碱基上的若干原子靠 的太近而造成不安定状态。
Z-DNA调控基因转录的两个模式： 邻近调控 远距离调控
Z-DNA B-DNA
A-DNA
三种DNA双螺旋构象比较
A
外型
OH 自由的 5’-OH
c、主链是亲水的，侧链（碱基）是疏水的 主链脱氧核糖的羟基能与水形成氢键，而磷酸基团在生理
条件下离解为负离子。 这些特点保证了多核苷酸链可形成稳定的构象。
4、 一级结构的概念 指DNA分子中的核苷酸排列顺序 不同生物借此贮存遗传信息 决定DNA的二级结构和高级结构
DNA的二级结构
B-DNA
松缠unwinding (左旋)
导致右手超螺旋
负超螺旋（Negative Supercoiled ）
超螺旋的形成总是要向着抵消初级螺旋改 变的方向发展
· 两个碱基之间的垂直
距离是0.34nm，螺旋 转角是36度
· 有大沟和小沟 配对碱基并不充满双 螺旋空间，且碱基对 占据的空间不对称
Rise 0.34nm
Pitch 3.4 nm 10 bp/turn
Minor Groove
Major Groove
Width 2nm
◘ 大、小沟的差异 ⊕ 大沟中碱基差异容易识别，往往是 蛋白质因子结合特异DNA序列的位点
低等真核生物中与形态学复杂程度相关，但高等真核生物 中变化很大
☆ C值反常现象（C-value paradox C值谬误）： 形态学的复杂程度与C值的不一致
阴影部分为一个门内C-值的范围
植物
动物
真菌 等 细菌
◘ 持家基因（housekeeping gene）：有些基因是在所有细 胞类型中都表达的，即这些基因的功能为所有细胞所必需（或 称组成型基因 constitutive gene）
二、DNA分子的一级结构 (DNA sequence)
1、 多聚核苷酸链
3’
主链是核糖和磷酸
侧链为碱基
5’
由3’,5’磷酸二酯键连接
2、 链的方向：同一个磷酸基 的3’酯键到5’酯键的方向
(5’→3’)
5’-UCAGGCUA-3’
= UCAGGCUA 默认书写顺序5‘→3’
DNA、RNA的一级结构
粗短
螺旋方向 螺旋直径
右手 2.55nm
碱基直升 碱基夹角
0.23nm 32.70
每圈碱基数
轴心与碱 基对关系
11 2.46nm
B 适中 右手 2.37nm 0.34nm 34.60 10 3.32nm
Z 细长 左手 1.84nm 0.38nm 60.00
12 4.56nm
碱基倾角
190
10
90
糖苷键构象 反式
2、中度重复序列
10-104 copies 非洲爪蟾的18S、5.8S、28S rRNA ，不转录区间隔
3、 不重复序列：一个或几个拷贝
4、反向重复序列（inverted repeatitive sequence or inverted repeats IR，又称回文序列）：指两段同样的核苷酸序列同时存 在于一个分子中，但具有相反的方向
细菌或噬菌体、病毒－ －－单个染色体中所含 的全部基因（DNA）
原核生物DNA特点（P22）：
一般只有一条染色体，且大都带有单拷贝 基因，只有少数基因（如rRNA）以多拷贝 形式存在；
整个染色体DNA几乎全部由功能基因和调 控序列组成；
几乎每个基因序列都与它编码的蛋白质序 列呈线性对应状态。
不溶于水的非极性分子在水中相互联合, 成串结合的趋势力， 其中并无键的生成，即熵 值(Entrophy)ΔS上升-----热力学上 的稳定态。
非极性分子间（嘌呤和嘧啶碱基）的相互成串结合 熵值 上升(ΔS going up)
成为碱基间的部分堆积力
* 不稳定因素 l 磷酸基团间的静电斥力，将DNA 双链分开 l 碱基内能增加(温度)，碱基排列有序状态的破坏，从而减弱 氢键结合力和碱基堆积力，破坏双螺旋
核糖是戊糖 RNA－核糖核苷 DNA－脱氧核糖核苷
☉ 核苷酸（nucleotide acid）
核苷的磷酸酯 脱氧核糖核苷酸
核糖核苷
9
酸
1’
γ βα
其中α和β、β和γ之间是高 能磷酸键
dNTP Deoxynucleotides
Leabharlann Baidu
核糖核苷三磷酸缩写为NTP Ribonucleotides
核苷酸的结构和命名
HOCH2 O OH HH
H
H
OH OH
D-核 糖
Ribose
HOCH2 O OH HH
H
H
OH H
D-2-脱 氧 核 糖
Deoxyribose
一、 含氮碱基、核苷、核苷酸
☉ 碱基 Nitrogenous bases
嘧啶Pyrimidines
Uracil (U)
嘌呤Purines
☉ 核苷（nucleotide） 嘧啶的1位N原子、嘌呤的9位N原子 糖苷键 Glycosidic bond
染色体与DNA
染色体 DNA结构 DNA的变性、复性和COt曲线
原核生物染色体及基因组
☆ 基因组（genome）：是指细胞或生物体的全套遗传物 质，即生物体维持配子或配子体正常功能的全套染色体 所含的全部基因（DNA）。
比如人基因组的全长为大约3 X 109对碱基，编码 3-4万个 蛋白分子
每个染色体含10个玫瑰花200bp）
真核基因组结构特点：
基因组庞大 存在大量重复序列 非编码区超过90% 单顺反子 断裂基因 顺式作用元件 DNA多态性 端粒结构
重复序列
1、高度重复序列 卫星DNA（Satellite DNA）：
将DNA切成数百个碱基对的片段进行超速离心时， 由于富含AT的简单高度重复序列区段浮力密度较小，因 而很容易和总体DNA分开，即常在主要DNA带的上面 有一个次要的带相伴随 a、分布于着丝点, 端粒区（原位杂交）, 结构基因两侧
l 0.2 mol / L Na+ 生理盐条件
消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力
三、双螺旋结构的多态性 （P36）
DNA结构的多态性：几种不同的DNA双螺旋结构以及同 一种双螺旋结构内参数存在差异的现象
原因：多核苷酸链的骨架含有许多可转动的单键 磷酸二酯键的两个P-O键、糖苷键、戊糖环各个键
·B-DNA来自相对湿度为92％所得到的DNA钠盐纤维
* 提出 1953. Watson & Crick
右手 B- DNA Double helix Model
Phosphodiester Backbone
碱基互补
C-G
T-A
* 双螺旋模型（P34）
· 直径2nm · 螺距为3.4nm（任一条链
绕轴一周所升降的距离） · 每圈有10个核苷酸
（碱基）
OH
5´
3´ OH
5´ 3´
OH
RNA一级结构
DNA一级结构
3、 DNA一级结构的特点 a、脱氧核糖是其显著特点 －－－－DNA稳定的根本原因
DNA在高pH值时磷酸酯键非常稳定 只是碱基存在构象的变化
酮式
烯醇式
酮式
烯醇式
b、RNA 在高pH时则稳定性很差 由于2’－OH导致的水解
碱
2’, 3’-环式单核苷酸
（根据重复频率和大小又可分为卫星、小卫星和微卫星DNA）
b、往往没有功能，不转录（着丝粒 纺锤体）
☆ 数目可变的串联重复或小卫星 ( Variable number tandem repeats . VNTR )
人类和其他动物中：短的串联重复 5-50 copies / genome 而且有共同的核心序列，但同一群体中重复次数变动很 大，个体间长度变化很大，可利用其得到DNA指纹图谱 （DNA finger printing）