1、第二章第二章 染色體與染色體與DNA123456(Courtesy figure from Annunziato et al., 2008)第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體由于親代能夠?qū)⒆约旱倪z傳物質(zhì)DNA以染色體的形式傳給子代，保持物種的穩(wěn)定性和連續(xù)性。因此，人們普遍認(rèn)為染色體在遺傳上起著主要作用。人類22對(duì)染色體及性染色體性染色體掃描電鏡圖第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體1.1 染色體概述： 發(fā)現(xiàn)及命名： 19世紀(jì)中葉，細(xì)胞生物學(xué)家在光學(xué)顯微鏡下，在細(xì)胞分裂時(shí)觀察到存在于細(xì)胞核中的棒狀可染色結(jié)構(gòu)并將其命名為染色體。 染色體成分： DNA和蛋白質(zhì)第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 染色體與染色質(zhì) 染色體與染色質(zhì)

2、是同一種物質(zhì)的兩種形態(tài)。 為什么？伸展的染色質(zhì)形態(tài)有利于在它上面的DNA儲(chǔ)存的信息的表達(dá)，高度螺旋化的棒狀染色體則有利于細(xì)胞分裂中遺傳物質(zhì)的平分。左圖為人類染色體，在光鏡下即可觀察其形態(tài)，右圖為電鏡圖片，可見不規(guī)則的染色質(zhì)。第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體1.2 真核細(xì)胞染色體的組成： 其具體組成成分為： 在真核細(xì)胞染色體中，蛋白質(zhì)與相應(yīng)DNA的質(zhì)量之比約為2:1，這些蛋白質(zhì)在維持染色體結(jié)構(gòu)中起著重要作用。組蛋白： H1 H2A H2B H3 H4非組蛋白核小體DNA蛋白質(zhì)染色體第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體1.2.1 蛋白質(zhì) 組蛋白： 組蛋白是染色體的結(jié)構(gòu)蛋白，其與DNA組成核小體。根據(jù)其凝膠電泳性質(zhì)

3、可將其分為H1、H2A、H2B、H3及H4。第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 組蛋白的特性： 進(jìn)化上極端保守性。 無組織特異性。 富含賴氨酸的特殊組蛋白H5。 肽鏈上氨基酸分布的不對(duì)稱性。 組蛋白的修飾作用。1.2.1 蛋白質(zhì)第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 進(jìn)化上極端保守性： 保守程度從高到低依次為： H3=H4H2B=H2AH1 不同種生物組蛋白的氨基酸組成十分相似。牛、豬、大鼠的H4氨基酸序列完全相同，與豌豆序列相比也只有兩個(gè)氨基酸的差異。第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 到目前為止，僅發(fā)現(xiàn)鳥類、魚類及兩棲類紅細(xì)胞染色體不含H1而帶有H5，精細(xì)胞染色體的組蛋白是魚精蛋白。 無組織特異性。 富含賴氨酸的特殊

4、組蛋白H5 富含賴氨酸（24%）；還富含16%丙氨酸、13%絲氨酸、11%精氨酸。第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 堿性氨基酸集中分布在N端的半條鏈上。例如，N端的半條鏈上凈電荷為+16，C端只有+3，大部分疏水基團(tuán)都分布在C端。 肽鏈上氨基酸分布的不對(duì)稱性第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 組蛋白游離在外的N-端可以發(fā)生如甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、腺苷酸化及ADP核糖基化等的修飾。修飾作用只發(fā)生在細(xì)胞周期的特定時(shí)間和組蛋白的特定位點(diǎn)上。 H3、H4的修飾作用較普遍。 組蛋白的修飾作用第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 非組蛋白 非組蛋白占組蛋白總量的6070%，主要包括酶類、與細(xì)胞

5、分裂有關(guān)的收縮蛋白、骨架蛋白、核孔復(fù)合物蛋白以及肌動(dòng)蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。 非組蛋白的多樣性：非組蛋白種類約在20-100種之間，其中常見的有15-20種。 非組蛋白的組織專一性和種屬專一性。第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 幾類常見的非組蛋白： HMG蛋白。富含賴氨酸、精氨酸、谷氨酸與天冬氨酸，一般認(rèn)為可能與DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)。 DNA結(jié)合蛋白。可能是一些與DNA的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄有關(guān)的酶或調(diào)解物質(zhì)。 A24非組蛋白。與H2A差不多大小，呈酸性，含谷氨酸與天冬氨酸多，于核小體內(nèi)，功能不詳?shù)谝还?jié)第一節(jié) 染色體染色體 不重復(fù)序列：在單倍體基因組里，這些序列一般只有一個(gè)或幾個(gè)拷貝，它占DN

6、A總量的40%80%。不重復(fù)序列長約7502000bp，相當(dāng)于一個(gè)結(jié)構(gòu)基因的長度。單拷貝基因通過基因擴(kuò)增仍可合成大量的蛋白質(zhì) 。如蠶絲心蛋白基因。 中度重復(fù)序列：這類重復(fù)序列的重復(fù)次數(shù)在10104之間，占總DNA的10%40%。各種rRNA、tRNA 及組蛋白基因等都屬這一類。 1.2.2 真核生物基因組DNA第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 高度重復(fù)序列：衛(wèi)星DNA。 這類DNA只在真核生物中發(fā)現(xiàn)，占基因組的10%60%，由6100個(gè)堿基組成，在DNA鏈上串聯(lián)重復(fù)幾百萬次。由于堿基的組成不同，在CsCl密度梯度離心中易與其他DNA分開，形成含量較大的主峰及高度重復(fù)序列小峰，后者又稱衛(wèi)星區(qū)帶（峰）。

7、第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 真核細(xì)胞基因組最大的特點(diǎn)是有大量的重復(fù)序列，而且功能DNA序列大多被不編碼蛋白質(zhì)的非功能DNA所隔開。 C值：一種生物單倍體基因組DNA的總量。C值反常現(xiàn)象第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體1.2.3 染色質(zhì)和核小體 四級(jí)分別為：l核小體l螺線管l超螺旋圓筒l染色單體第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 核小體 核小體是由H2A、H2B、H3、H4各兩個(gè)分子生成的八聚體和由大約200bpDNA組成的。八聚體在中間，DNA分子盤繞在外，而H1則在核小體的外面。每個(gè)核小體只有一個(gè)H1。 在核小體中DNA盤繞組蛋白八聚體核心，從而使分子收縮成1/7，200bpDNA的長度約為68nm，卻被

8、壓縮在10nm的核小體中。 核小體串聯(lián)起來形成10nm纖維。第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 螺線管 螺線管每一螺旋包含6個(gè)核小體，壓縮比為6。 這種螺線管是分裂間期和分裂前期染色體的基本組分。第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 超螺旋圓筒由30nm的螺線管纏繞而成，壓縮比為40。 染色單體染色單體由超螺旋圓筒再壓縮5倍而成。第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體染色質(zhì)形成過程中長度與寬度的變化第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體1.3 原核生物基因組： 原核生物基因組很小，大多只有一條染色體，且DNA含量少。如大腸桿菌DNA僅4.6Mb，完全伸展總長約為1.3mm，含4000多個(gè)基因。第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體 從基因組的結(jié)構(gòu)

9、來看，原核細(xì)胞DNA有如下特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡練。非編碼序列極少，這與真核細(xì)胞DNA冗余現(xiàn)象完全不同。 存在轉(zhuǎn)錄單元。多順反子mRNA。 有重疊基因。同一段DNA含有兩種不同蛋白質(zhì)的信息第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) Watson和Crick于1953年提出了著名的DNA雙螺旋模型。 DNA又稱脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid）。第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)2.1 一級(jí)結(jié)構(gòu) 組成DNA分子的基本單位 20世紀(jì)30年代，科學(xué)家認(rèn)識(shí)到：組成DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸。堿堿 基基T磷酸磷酸脫氧脫氧核糖核糖A G C脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)第二節(jié)第

10、二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)l4種脫氧核苷酸ACT腺嘌呤脫氧核苷酸腺嘌呤脫氧核苷酸鳥嘌呤脫氧核苷酸鳥嘌呤脫氧核苷酸胞嘧啶脫氧核苷酸胞嘧啶脫氧核苷酸 胸腺嘧啶脫氧核苷酸胸腺嘧啶脫氧核苷酸G第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 這些脫氧核苷酸是如何連接成DNA長鏈的呢？脫氧核苷酸鏈的結(jié)構(gòu)第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) DNA是由幾條鏈構(gòu)成的？它具有怎樣的立體結(jié)構(gòu)呢？雙鏈DNA分子的結(jié)構(gòu)第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： DNA分子由兩條互相平行的脫氧核苷酸長鏈盤繞而成。 DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架

11、，堿基排列在內(nèi)側(cè)。 兩條鏈上的堿基通過氫鍵相結(jié)合，形成堿基對(duì)，它的組成有一定的規(guī)律。這就是A與T，G與C配對(duì)。由于堿基可以任何順序排列，構(gòu)成了DNA分子的多樣性。 DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu) DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)是指兩條多核苷酸鏈反相平行盤繞所生成的雙螺旋盤繞結(jié)構(gòu)。 DNA有三種構(gòu)象：A-DNA、B-DNA、Z-DNA第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) B-DNA特點(diǎn)： 螺旋直徑2nm 鏈間有螺旋形凹槽，較小的為小溝（1.2nm），較大的為大溝（2.2nm） 堿基間距0.34nm 每輪堿基數(shù)10 堿基平面與縱軸垂直第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) DNA雙鏈的變性和復(fù)性 變性的本

12、質(zhì)：核酸變性指雙螺旋區(qū)氫鍵斷裂、空間結(jié)構(gòu)破壞，形成單鏈狀態(tài)的過程。變性只涉及次級(jí)鍵的變化，磷酸二酯鍵的斷裂稱核酸降解。第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 變性后性質(zhì)的改變核酸變性后，260nm的紫外吸收值明顯增加，稱增色效應(yīng)。同時(shí)粘度下降，浮力密度升高，生物學(xué)功能部分或全部喪失，這些可以用于判斷核酸的變性程度。第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 溶解溫度（Tm值） 吸光度增加約40后，變化趨于平坦，說明兩鏈已完全分開。這表明DNA變性是個(gè)突變過程，類似結(jié)晶的熔解。因此，待紫外吸收的增加且達(dá)最大增量一半時(shí)的溫度值稱熔解溫度（Tm）或DNA的熔點(diǎn)（Tm值）。第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 影響Tm的

13、因素： G-C對(duì)含量。Tm值與G+C含量成正比。因?yàn)镚-C對(duì)含3個(gè)氫鍵A-T對(duì)含2個(gè)氫鍵，G-C對(duì)相對(duì)含量愈高、Tm也愈高。 溶液的離子強(qiáng)度。離子強(qiáng)度較低的介質(zhì)中，Tm較低。 溶液的pH。高PH下堿基廣泛去質(zhì)子而喪失形成氫鍵的能力，PH大于11.3時(shí)，DNA完全變性。PH低于5.0時(shí)，DNA易脫嘌呤。第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)指DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲盤旋所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。 超螺旋結(jié)構(gòu)是DNA高級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式，可分為正超螺旋和負(fù)超螺旋兩類，它們?cè)诓煌愋偷耐負(fù)洚悩?gòu)酶作用下或特殊情況下可相互轉(zhuǎn)變，如：拓?fù)洚悩?gòu)酶溴乙啶拓?fù)洚悩?gòu)酶溴乙啶負(fù)超螺旋正超螺旋松弛DNA第二節(jié)第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)形成的意義： 使DNA形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入核中 推動(dòng)DNA結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化以滿足功能上的需要 如負(fù)超螺旋分子所受張力會(huì) 引起互補(bǔ)鏈分開導(dǎo)致局