分子生物学-第二章--核酸与染色体的结构和性质.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.1,DNA是遗传物质,2.1.1,转化实验,2.1.1.1,Griffith的发现,2.1.1.2,Avery等人的实验,2.2.1 DNA的一级结构,定义：,DNA的一级结构,指的是DNA分子内碱基的排列顺序。,A,T,G,C,2.2.2 DNA一级结构的方向性,DNA链的方向总是理解为从5P端 到3-OH端。,DNA分子总是由脱氧核糖核苷酸组成，核糖的2位总是H。,RNA分子的核糖的2位总是OH基。,DNA一级结构的多样性,编码蛋白质的遗传信息的多样性,用于调控的序列具有多样性,两种不同遗传信息的比较 相同点：都不是简单地以其一级结构发挥作用，而依赖于与Pro的相互作用。不同点：编码蛋白质氨基酸组成的信息强烈依赖酶系或蛋白质结构来进行基因表达，而调控序列不仅依靠蛋白质作用而且利用自身的双螺旋空间结构的改变来负责基因活性的选择性表达。,2.2.3 DNA的二级结构,3.2.3.1 定义：,DNA的二级结构,指的是由两条DNA链反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。,Right handed B-form DNA Double helix Model,每一单链具有,5 3,极性,两条单链间以氢键连接,两条单链，极性相反，反向平行,以中心为轴，向 右盘旋,(B-form),双螺旋中存在,大沟,(2.2nm),小沟,(1.2nm),2.2.3.2 理化特性及维持二级结构稳定的力,主链,碱基对,大沟和小沟,螺距,2.2.3.3 DNA二级结构的基本特点,DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。,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结合，形成碱基对。,A,总是与,T,配对，,G,总是与,C,配对。,2.2.3.4 DNA二级结构的不均一性,DNA上的回文序列（inverted repeats）,DNA上的富含AT序列,嘌呤、嘧啶的排列顺序对双螺旋稳定性影响,2.2.3.5 DNA二级结构的多样性,通常情况下，DNA的二级结构分为两大类：一类是右手螺旋的，如,BDNA,、ADNA、C-DNA等；另一类是局部的左手螺旋，如ZDNA。,天然状态下的DNA大多为B-DNA。,1953年，Watson和Crick首次提出了DNA的反向平行双螺旋模型，该模型所描述的就是BDNA。,Z-DNA,Z-DNA,A-DNA,B-DNA,其他DNA螺旋结构,T.S.DNA(Triplex Strands),三螺旋DNA,Tet.S DNA(Tetraplex Strands),四螺旋DNA,2.2.4 DNA的变性和复性,2.2.4.1 呼吸作用,双链DNA中配对碱基的氢键总是处于不停的断裂和再生状态之中，,特别是稳定性较低的富含,A-T,的区段,，氢键的断裂和再生更为明显。,在微观上常常表现为瞬间的泡状结构，这种现象称为,DNA的呼吸作用,。,2.2.4.2,甲醛试验,把标准DNA放到含有甲醛的溶液当中，发现随时间推移，吸光性出现变化（增加），表示DNA由双链变成了单链。这是因为DNA上的NH,2,在甲醛作用下发生了缩醛反应，使DNA双链不可逆地解开，这个过程又称为甲醛的变性作用。,定义：,双螺旋DNA溶解成单链的现象称为,DNA变性。,DNA,分子变性,(DNA,denaturation,),D.S.DNA,S.S.DNA,(加温,极端pH,尿素,酰胺),变性过程的表现,DNA,粘度降低,DNA,沉降速度加快DNA分子的A 260 nm UV 值上升,核酸在,260nm,具有强烈的吸收峰，结构越有序，吸收的光越少。游离核苷酸比单链的,RNA,或,DNA,吸收更多的光，而单链,RNA,或,DNA,的吸收又比双链,DNA,分子强。,2.2.4.3 增色效应、减色效应和Tm值,单链和双链DNA的A,260,吸收值不同。以50g/mlDNA溶液测量，分别为：,双链DNA A,260,=1.00,单链DNA A,260,=1.37,双链DNA缓慢加热，其溶液对紫外光的吸收值增加，叫,增色效应,，而单链DNA缓慢降温，其对紫外光的吸收值减少，叫,减色效应,。,根据DNA的变性作用，以260nm紫外光吸收值与温度变化作图，可得到一条S形曲线，在相当狭的一个范围内，增色效应出现一个跳跃。通常以紫外吸收值达到最大值的一半时的温度也就是DNA的碱基有50%发生变性时的温度称为融点,Tm(,melting temperature,Tm),2.2.4.5 复性,变性后的DNA用某种方法处理后，使之重新形成天然DNA的过程叫做,复性或退火,。,复性是一个比较慢的过程。,1A 1B 1C 1D,.ATGA.ATGA.CCCC.ATGA.,.TACT.TACT.GGGG.TACT.,1A 1B 1C 1D,DNA 分子的复性,D.S DNA,S.S DNA,Denaturation ,Renaturation,复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞,2.2.5 DNA的高级结构,超螺旋与,拓扑异构现象,负超螺旋-,拓扑异构酶/溴乙锭,-松弛DNA-,拓扑异构酶/溴乙锭,-正超螺旋,DNA超螺旋结构,超螺旋,超螺旋，简单地说就是螺旋的螺旋，或者我们假定双螺旋存在一个中心轴，这条中心轴再形成螺旋。超螺旋的形成不是一个随机过程，而是在DNA双螺旋存在一种结构张力时才会形成。由于DNA双螺旋的盘绕过度或不足，使DNA分子处于一种张力状态。在封闭环状DNA分子中这种张力不能释放出来，就会形成超螺旋。,正、负超螺旋,正超螺旋,中心轴的盘绕同双螺旋两条链盘绕的方向相同，也就是同解链方向相反。正超螺旋使螺旋更加紧密，所以把正超螺旋叫过分,盘绕DNA,。,负超螺旋,负超螺旋能让,DNA,分子通过调整双螺旋本身的结构来减少这种张力，一般是以减少每个碱基对旋转，即放松两股链彼此的盘绕，所以把具有负超螺旋的,DNA,叫盘绕不足,DNA,。,超螺旋的生物学意义,超螺旋可能有两方面的生物学意义：,超螺旋,DNA,比松弛型,DNA,更紧密，使,DNA,分子体积变得更小，得以包装在细胞内；,超螺旋能影响双螺旋的解链程度，因而影响,DNA,分子与其他分子，如酶、蛋白质分子的相互作用。,超 螺 旋 形 成 示 意,末端固定的线型双螺旋,额外的张力不能释放,双螺旋以扭曲方式缓,解应力，形成超螺旋,DNA二级结构的形态,Linear DNA.,L,Open Circle DNA,OC,Supercoiled circle,Covalent Closed Circle,CCC,D.S.L 1.00,D.S.OC 1.14,S.S.L 1.30,D.S.CCC 1.41,Collapsed 3.00,Svedberg Unit(S),DNA拓扑异构体,具有完全相同顺序，而链环数值不同的DNA，,称为,拓扑异构体,。,在封闭环状,DNA,分子中链环数值的改变，即拓扑异构体之间的互变，只有在一条链或两条链有了缺口时才能发生，通常要有酶来催化，此种酶叫拓扑异构酶。,I,型异构酶能在一股链上产生一个缺口，而,II,型异构酶能在两股链上产生缺口。,Top I,对负超螺旋处的单链DNA具有极强的亲合力,拓扑酶功能比较,消除负超螺旋，松弛DNA,引入负超螺旋，紧缩DNA,Top II,拓扑异构酶,(topoisomerase I,II),参与构型的改变,Top I can not act on positively supercoiled DNA,2.3 染色体,2.3.1 染色体概述,遗传物质的,主要,载体,染色体的结构要素,着丝粒（centromere）：细胞分裂时染色体与纺锤丝相连结的部位，为染色体的正常分离所必需。,在着丝粒附近有高度重复的卫星,DNA,（长约,5,10 bp,、方向相同的高度重复序列），它们不能与组蛋白结合，形成常染色质区域。,端粒(telomere)：真核生物线状染色体分子末端的DNA区域。,端粒DNA的特点与功能：,有许多短的正向重复序列。,端粒的末端都有一条,12-16,碱基的单链,3,端突出。,端粒,DNA,末端不能被外切核酸酶和单链特异性的内切核酸酶识别。,端粒的功能：防止DNA末端降解，保证染色体的稳定性和功能,原核：简单，没有核膜包围形成真正的细胞核，核酸分子常裸露存在整个细胞中，与少量蛋白质结合，这些蛋白质有些与DNA的折叠有关，另外的参与DNA复制、重组和转录过程。,真核：染色体位于细胞核的核仁内，DNA与Pro（组与非组蛋白）完全融合，Pro/DNA的质量比2/1。,原核与真核染色体,DNA,比较,原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因如rRNA基因是以多拷贝形式存在；,整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；,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。,2.3.2 真核生物的染色体,真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都以,染色质,的形式存在,。,染色质是一种纤维状结构，称为染色质丝。它是由最基本的单位-,核小体,串联而成的。这里有一系列的结构等级：DNA和组蛋白构成核小体，核小体再绕成一个中空的螺线管成为染色质丝，染色质丝再与许多非组蛋白结合进一步螺旋化形成染色体。,组成：,DNA,和,蛋白质,特征：,体细胞是二倍体，性细胞是单倍体。,结构相对稳定。,能够自我复制。,能够指导蛋白质的合成。,能够产生可遗传的变异。,2.3.2.1,蛋白质,染色体上的蛋白质主要包括组蛋白和非组蛋白。,组蛋白,是染色体的结构蛋白，它与DNA组成,核小体。,真核生物的染色体一般有5种主要的组蛋白，分别命名为：H1、H2A、H2B、H3和H4。,在5种组蛋白中，H1富含赖氨酸，H3、H4富含精氨酸。,鸟类、鱼类和两栖类的红细胞染色体不含H1而代之以H5。,在某些物种的精子中，染色体的结构蛋白是鱼精蛋白。,非组蛋白,主要包括与复制和转录有关的酶类、与细胞分裂有关的蛋白等。,2.3.2.2 核小体的装配,核小体,：,指的是168bp长度的DNA与一组组蛋白构成的致密结构，是构成真核生物染色质的基本单位。,装配过程,：,两分子的,H3,和两分子的,H4,先形成四聚体，然后由,H2A,和,H2B,形成的异二聚体在该四聚体的两侧分别结合而形成八聚体。长146bp的DNA按左手螺旋盘绕在八聚体上1.8周，形成核小体的核心颗粒。核心颗粒两端的DNA各有11bp与H1结合，形成完整的核小体。,染色质的基本单位-核小体,2.3.3 真核生物的基因组,基因：,是指表达一种蛋白质或功能RNA的 遗传物质的基本单位。,基因组 genome,原核：就是它的整个染色体。,真核：一个物种单倍体染色体数目。,2.3.3.1,C值,矛盾,C值：,单倍体基因组中的DNA含量。,不同物种的C值有很大差异：,支原体 10,6,bp,x174 5386bp,E.Coli 4.6*10,6,bp,真菌 10,7,bp,蠕虫类 10,8,bp,软体动物 10,9,-10,10,bp,昆虫类 10,8,-10,10,bp,硬骨鱼类 10,9,-10,10,bp,两栖类 10,8,-10,11,bp,哺乳类 10,9,bp,显花植物 10,7,-10,11,bp,C值矛盾c-value paradox（定义）,：,在结构和功能相似的物种中，甚至在亲缘关系相近的物种中，C值差异大。,在不同进化阶元中，某些低等生物的C值比高等生物的C值还大。eeeeeeee,2.3.3.2 真核生物基因组不同拷贝的序列组分,单一拷贝的非重复序列,在基因组中只存在一个拷贝。,轻度重复序列,在基因组中只有2-10个拷贝，主要是组蛋白和tRNA等基因,。,中度重复序列,这类序列的重复次数在数十到数百次之间。,高度重复序列,有几百到几百万个拷贝。,卫星DNA,把基因组DNA切成数千个bp的片段，进行氯化铯密度梯度离心。对一个物种来说，其浮力密度曲线是一条覆盖一定浮力密度范围的一条宽带，但是有些DNA片段却含有异常高或低的G+C含量，常会在主DNA带的附近出现几条次带，其浮力密度曲线出现在主带的前面或后面。G+C含量的变化，使它们与大多数DNA具有不同的浮力密度，浮力密度略重或略轻的DNA即是所谓的,卫星DNA,。,卫星,DNA,是一种,高度重复序列。,2.3.3.3 真核生物基因组的结构特点,基因组分子量较大。,真核生物DNA常和组蛋白结合形成染色体。,DNA集中在细胞核区，转录在核内，翻译在细胞质中。,真核生物基因组多形成断裂基因。,真核生物DNA序列中有很多重复序列和不编码序列。,真核生物的编码基因常以单拷贝存在，无操纵子形式。,2.3.4 原核生物的基因组,3.3.4.1 原核生物基因组的特点,DNA是裸露的，不形成染色体。,能够最经济地利用DNA序列，除控制区域外，很少有不编码的DNA序列。,原核生物把功能相关的一系列基因高度集中在一起，形成一个操纵子。,基因组中几乎没有重复序列。,原核生物由于没有细胞核，转录和翻译是同步进行的。,2.3.4.2 几种原核生物的基因组,x174,5386,bp 11个基因 3个操纵子,5.GAA,GGA,GUG,AUG,UAA,UGU,CUA,AAG,.3 x174的mRNA的一段序列,5.GAA,GGA,GUG,AUG,UA,A,.3 基因DmRNA的3端序列,5.,A,UGUCUAAA.基因JmRNA的3端序列,5.GAA,GGA,GUG,A.3基因EmRNA的3,端序列,E.Coli,4.6,*,10,6,bp,噬菌体,48502,bp,基因与基因概念的发展,基因是生物体遗传信息的基本单位，其本质是DNA（有的生物基因组是RNA），简单的说，基因是合成一种功能蛋白或RNA分子所必须的全部DNA（RNA）序列。,原核生物和真核生物的基因有较大的不同，一个典型的真核基因包括：编码序列外显子；插入外显子之间的非编码序列内合子；5-端和3-端非翻译区(UTR)；调控序列（可位于上述三种序列中）。,原核生物与真核生物的基因比较：,1.,真核生物除配子外，染色体成对，所以同源,DNA,分子两个；原核生物只有一个,DNA,（,RNA,）分子；,2.,真核生物基因转录为单顺反子；原核生物基因具有操纵子结构，转录为多顺反子；,3.,真核生物,DNA,重复顺序较多；原核一般不具重复序列；,4.,真核生物基因非编码区部分大于编码区部分，无基因重叠现象；原核生物基因编码区部分大于非编码区部分，基因有重叠现象；,5.,真核生物有内含子（不连续基因或者断裂基因）；原核生物一般无；,6.真核生物DNA复制多起点；原核生物DNA复制单起点。,基因概念的发展,移动基因（跳跃基因）,断裂基因,假基因,是一种核苷酸序列同其相应的正常功能基因基本相同，但却不能表达或者表达异常，不能产生有功能的基因产物的失活基因。,重叠基因,2.4 RNA,核酸是生物体内重要的高分子化合物，它储存着生物体全部遗传信息。除DNA外，在生物体内还存在着另一种核酸RNA。RNA有许多种类，它们具有不同的生物功能。,2.4.1 RNA分子的结构特点,RNA通常是单链,RNA分子核苷酸中的糖是核糖而不是脱氧核糖,4种碱基中没有胸腺嘧碇，而有尿嘧啶,2.4.2 RNA的种类,细胞含量最多的几类RNA分子主要的生物功能是参与蛋白质的生物合成。,第一类RNA分子叫做,信使RNA（mRNA）,它的生物学功能是从DNA上把遗传密码即蛋白质中氨基酸排列顺序的信息接受过来，并起模板作用来合成蛋白质。一般来讲，一种蛋白质就有一种与之相对应的mRNA分子，但有的mRNA分子可以翻译出几条蛋白质分子。mRNA在代谢上是不稳定的。,第二类是转运RNA（tRNA）。生物体内存在着与20种氨基酸对应的tRNA分子。它们在代谢上也是稳定的，在蛋白质的生物合成过程中起接受、转运和掺入氨基酸的作用。,第三类是,核糖体RNA（rRNA）,。原核生物有三种rRNA（5srRNA16srRNA23srRNA）,真核生物有4种（5s,5.8s,18s和28srRNA）。这些RNA分子在代谢上十分稳定，是生物体内蛋白质合成的“机器”核糖体的重要成分。,上述三类RNA都存在于细胞质中，它们行使生物学功能的主要场所在核糖体上。,在真核生物的线粒体和叶绿体里存在着独立的蛋白质合成系统，也有这几类RNA分子，但是其大小和结构和细胞质中的不完全相同。,此外生物体内还存在着多种具有特定生物功能的RNA分子，例如，参与起动DNA复制的引物RNA，在某些肿瘤病毒中存在着一些类似tRNA的分子是逆转录酶的引物，参与DNA的合成。在某些细菌中有的tRNA分子在细胞壁合成时是甘氨酸的载体。还有一些RNA分子是一些酶活性不可缺少的组成成分，例如兔肌1，4-2-匍聚糖分枝酶含有31个核苷酸的2.8sRNA分子，特异性地作用于tRNA前体的RNAaseP中有77%的成份是核糖核酸酶。真核细胞的核内还存在着许多,小分子RNA（snRNA）,其大小从4S到8S不等，大约由80260个核苷酸构成其中有些,snRNA,在RNA成熟过程式中起重要作用。另外，还有一些染色质结合的RNA（chRNA）其生物学功能尚不清。,2.4.3 前体RNA,绝大多数RNA分子都是在细胞核内合成的。,核内存在着各种RNA的前体，例如tRNA前体、rRNA前体和mRNA。,这些前体RNA的分子量要比对应成熟的RNA的大得多。例如哺乳动物肝细胞的rRNA的前体是45s细胞核RNA（nRNA），在成熟过程中产生41snRNA，32snRNA和20snRNA等中间物，最后相应地成为28s、5.8s和18sRNA。前体RNA都是由细胞核DNA转录产生的，经过剪切、装配和修饰成为成熟的tRNA、rRNA和mRNA，进入细胞质各自行使其生物功能。,有人把在细胸核内合成后离开细胞核去行使生物功能的RNA分子称作,迁移性RNA,（Migrating RNA）,而把始终存在于细胞核内的称作,非迁移性RNA,（Nonmigrating RNA）。,