朱玉贤现代分子生物学第四版 第2章 染色体与DNA

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）
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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。

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。
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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
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。 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
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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
。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：

染色体。
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。

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。
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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。

有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U带来的潜 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。
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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
第一节 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
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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。

几类常见的非组蛋白：

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
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。
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：
负超螺旋
拓扑异构酶 溴乙啶 松弛DNA
拓扑异构酶 溴乙啶
正超螺旋
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第二节 DNA的结构
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第一节 染色体
3. 原核生物基因组：
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。
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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。 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% 。

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。
第二节 DNA的结构
第 二 节 DNA
的 结 构
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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）百度文库

样性。
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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。
Z-DNA
- 3.8 Å/bp
- 18.4 Å wide - 12 bp/turn Minor groove Major groove
- 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
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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
Figure : B- and A-DNA
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 异下 等一 过代 的 程细 结 。胞 构 的和 DNA
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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
B-DNA - 3.4 Å/bp - 23.5 Å wide
A-DNA - 2.3 Å/bp - 25.5 Å wide
- 10.4 bp/turn
- 11 bp/turn
- Base-pairs tilted about 19 degrees from axis of the helix.
左手螺旋Z-DNA
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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。 HMC蛋白。一般认为可能与DNA的超螺旋结构有关。

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。

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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。
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 超 螺 旋
分子所受张力会引起互补链
分开导致局部变性，利于复
制和转录。
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DNA Supercoiling超螺旋
E. Coli bacterium: Its genome: A human cell: Its genome: ~ 1 um (10-6m) long ~ 1300 um long !!! ~ 10 um long ~ 1,000,000 um 1m long !!