分子生物学02 染色体与DNA.ppt

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1、染色体与DNA,第二章,一、染色体的组成与结构 二、 DNA的组成与结构 三、 DNA的复制 四、原核与真核生物DNA的比较 五、DNA的修复 六、DNA的转座,本章主要内容,一、染色体的组成与结构,1、细胞染色体DNA 真核细胞的结构,真核生物染色体的形态示意图 亲代能将自己的遗传物质DNA以染色体的形式传递给子代，保持物种的稳定性和连续性，因此认为染色体是遗传物质的载体。,2、真核生物染色体的组成与结构,染色体作为遗传物质的特征： 分子相对稳定； 能自我复制，保持遗传连续性； 能指导蛋白质合成，控制生命过程； 产生可遗传的变异,DNA的分布,生物的遗传,（所以说，染色体是DNA的主要载体）

2、,例：紫茉莉叶色的遗传,2、真核细胞染色体的组成与结构,化学组成 (1). DNA：约占30%，每条染色体一个双链DNA分子 是遗传信息的载体. (2).蛋白质 组蛋白(histone)：呈碱性，结构稳定；与DNA结合形成、维持染色质结构，与DNA含量呈一定的比例 非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清楚，可能与染色质结构调节有关，在DNA遗传信息的表达中有重要作用 (3).另外，可能存在少量的RNA,组蛋白的特性（P24表）,组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3、H4 （1）进化上的极端保守性 （2）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

3、，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。 （3）肽链上AA分布的不对称性:碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上，疏水基AA分布在C端。 （4）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 （5）富含赖氨酸的组蛋白H5:其磷酸化与染色质的失活有关。,非组蛋白主要种类,非组蛋白占组蛋白总量的6070%，主要包括酶类及与细胞分裂相关的各种蛋白质： 非组蛋白的多样性: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。 （1）高速泳动蛋白(HMG)：分子量小，迁移速度快，富含赖AA、精AA、谷AA与天冬AA，与DNA的超螺旋结构有关。

4、（2）DNA结合蛋白：与DNA的复制或转录有关的酶或调节物质。 （3）A24非组蛋白：与H2A差不多大小，呈酸性，含谷AA与天冬AA多，位于核小体内，功能不详。,真核生物DNA组成类型：,（1）不重复序列：占4080%，是主要的结构基因； （2）中度重复序列：占1040%，重复次数101104， 各种rRNA和tRNA及部分结构基因，如组蛋白基因； （3）高度重复序列：卫星DNA，占1060%，重复达数百万次，不转录，多位于着丝粒处，是异染色质组分，可能与染色体稳定有关。,染色体的结构模型,贝克等(Bak, A. L., 1977)：染色体四级结构模型理论能够在一定程度上解释染色质状态转化的过

5、程 1. DNA+组蛋白 核小体+连接丝 2. 核小体 螺线体(solenoid) 3. 螺线体 超螺线体(super-solenoid) 4. 超螺线体 染色体,DNA+组蛋白 核小体+连接丝,核小体+连接丝 螺线体(solenoid),螺线体 超螺线体,超螺线体 染色体,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。 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。但是，人中期染色体中含

6、3.3109碱基对，其理论长度应是180cm，这么长的DNA被包含在46个51m长的圆柱体（染色体）中，其压缩比约为104。,二、 DNA的组成与结构,1、核酸的化学组成与基本单位,碱基,嘌呤碱基,嘧啶碱基,腺嘌呤A,鸟嘌呤G,胞嘧啶C,尿嘧啶U,胸腺嘧啶T,A G C T,DNA,A G C U,RNA,DNA和RNA都含有鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)和胞嘧啶(C)；胸腺嘧啶(T)一般而言只存在于DNA中，不存在于RNA中；而尿嘧啶(U)只存在于RNA中，不存在于DNA中。,有些核酸中还含有修饰碱基，(或稀有碱基)，这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化或进行其它的化学修饰而形成的衍

7、生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少。,核苷中戊糖的羟基与磷酸以磷酸酯键连接而成为核苷酸。生物体内的核苷酸大多数是核糖或脱氧核糖的C5上羟基被磷酸酯化，形成5核苷酸.,2、DNA的一级结构,核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸(polynucleotide)，DNA的一级结构即是指四种核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的排列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸，由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故又可称为碱基顺序。核苷酸之间的连接方式是：一个核苷酸的5位磷酸与下一位核苷酸的3-OH形成3，5磷酸二酯键，构成不分支的线性大分子，其中磷酸基和戊糖基构成DNA链的骨架

8、，可变部分是碱基排列顺序。,Watson和Crick以立体化学原理为准则，对Wilkins和Franklin的DNA X射线衍射分析结果加以研究，提出了DNA结构的双螺旋模式，其主要内容如下：,DNA的双螺旋结构模式,DNA的双螺旋结构模式要点,(1) 在DNA分子中，两股DNA链围绕一假想的共同轴心形成一右手螺旋结构。 (2) DNA链的骨架由交替出现的、亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，位于双螺旋的外侧。 (3) 碱基位于双螺旋的内侧，双股链中的碱基以氢链互补配对位于同一平面，平面与双螺旋的长轴相垂直。碱基对层间的距离为0.34nm。 碱基互补配对总是出现于腺嘌呤与胸腺嘧啶之间(A=T)，形成

9、两个氢键；或者出现于鸟嘌呤与胞嘧啶之间(G=C)，形成三个氢键。 (4) DNA双螺旋中的两股链走向是反平行的，一股链是53走向，另一股链是35走向。两股链之间在空间上形成一条大沟和一条小沟，这是蛋白质识别DNA的碱基序列，与其发生相互作用的基础。,DNA结构的多态性,B-DNA：Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺旋，它是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行X射线衍射图谱为依据进行推测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。 A-DAN：在以钾或绝作反离子，相对湿度为75%时，DNA分子的X射线衍射图给出的是A构象，ADNA每螺旋含11个

10、碱基对，而且变成ADNA后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。 ZDNA：它是左手双螺旋，与右手螺旋的不同是螺距延长(4.5nm左右)，直径变窄(1.8nm)，每个螺旋含12个碱基对，分子长链中磷原子不是平滑延伸而是锯齿形排列，有如“之”字形一样，因此叫它Z构象，这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷酸；而且ZDNA只有一个螺旋沟，它相当于B构象中的小沟，它狭而深，大沟不复存在。进一步的分析还证明，ZDNA的形成是DNA单链上出现嘌呤与嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA。,三、DNA的复制,DNA做为遗传物质的基本特点： 在细胞分裂前进行准确地自我复制，使DNA的量

11、成倍增加，这是细胞分裂的物质基础。 1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型指出，DNA是由二条互补的脱氧核苷酸链组成，所以一条DNA链上的核苷酸排列顺序是由另一条决定的。这就说明DNA的复制是由原来存在的分子为模板来合成新的链。曾经有过多种关于DNA复制方式的学说，包括半保留复制，全保留复制以及分散复制等。,2、DNA复制的一般过程：,DNA双螺旋是由两条方向相反的单链组成 形成一个复制叉 生物体内DNA聚合酶只能催化DNA从53的方向合成。,在以35方向的母链为模板时，复制合成出一条53方向的前导链，前导链的前进方向与复制叉打开方向是一致的，因此前导链的合成是连续进行的，

12、而另一条母链DNA是53方向，它作为模板时，复制合成许多条53方向的短链，叫做随从链，随从链的前进方向是与复制叉的打开方向相反的。随从链只能先以片段的形式合成，这些片段就叫做岗崎片段。,DNA的复制可被分为三个阶段，即复制起始、延伸和终止。每个DNA复制的独立单元被称为复制子，主要包括复制起始位点和终止位点。,DNA复制具有以下特点：,复制是半保留的。 原核生物一般只有一个复制原点，真核生物有多个复制原点。 复制可单向进行，也可双向进行，后者更为常见。 复制是半不连续的，两条链都是以5 3方向合成，其中，前导链是连续合成的，后随链是不连续合成的，即先合成短的冈崎片段，再连接成后随链。 复制开始

13、时需要一段引物RNA ，在复制进行到一定程度后被切除，并以一段DNA代替。 复制具有严格的保证复制准确性的机制。在复制过程中，有多种酶和蛋白质参与，可能就是保证复制准确性所必需的，DNA聚合酶的校正作用，也可能是保证复制准确性的数种途径之一。,（1）DNA复制的起始点,原核生物的整个染色体上一般只有一个复制起始位点。 真核生物中，DNA的复制是从许多起始点同时开始的，所以每个DNA分子上有许多个复制子。 DNA复制起始点有结构上的特殊性，例如：大肠杆菌染色体DNA复制起始点Oric由422个核苷酸组成，是一系列对称排列的反向重复序列，即回文结构。,大肠杆菌DNA的复制需要有20种左右的酶和蛋白

14、质因子参与，整个DNA复制机器被称之为DNA 复制系统。 螺旋酶：任何DNA在被复制前都必须解开双链，这个过程是由螺旋酶来完成的，它可在ATP的作用下将DNA母链不断解开形成单链。 拓扑异构酶：主要功能是消除DNA解链过程中所产生的扭曲力。 单链DNA结合蛋白：它与解开的单链DNA结合，使其稳定不会再度螺旋化并且避免核酸内切酶对单链DNA的水解，保证了单链DNA做为模板时的伸展状态，SSBP可以重复利用。,DNA 聚合酶：合成新生DNA链，切除RNA引物。 DNA 连接酶：使新生DNA链上的缺口（3-OH, 5-p）生成磷酸二酯键。 3.引发体的形成： (1)引物酶(primase)：它是一种

15、特殊的RNA聚合酶，可催化一小段RNA的合成。这种短RNA片段一般十几个至数十个核苷酸不等，它们在DNA复制起始处做为引物。RNA引物的3末端提供了由DNA聚合酶催化形成DNA分子第一个磷酸二酯键的位置。 (2)引发体(primosome) 高度解链的模板DNA与多种蛋白质因子形成的引发前体促进引物酶结合上来，共同形成引发体，引发体主要在DNA随从链上开始，它连续地与引物酶结合并解离，从而在不同部位引导引物酶催化合成RNA引物，在引物RNA的3末端接下去合成DNA片段，这就是随从链不连续合成的开始。,（2）DNA复制的方向：,(1)定点双向复制： 这是原核生物和真核生物DNA复制最主要的形式，

16、从一个特定位点解链，沿着两个相反的方向各生长出两条链，形成一个复制泡。,(2)定点单向复制： 质粒colE1是个典型的例子，复制从一个起始点开始，以同一方向生长出两条链，形成一个复制叉。,(3)两点开始单向复制： 腺病毒DNA的复制是从两个起点开始的，形成两个复制叉，各以一个单一方向复制出一条新链。,（3） DNA子链的延伸,1、主要包括两个不同但相互有联系的事件，即前导链和滞后链的合成。由DNA helicase解开双螺旋，由拓朴异构酶消除DNA链上的扭曲力，SSB结合使DNA单链稳定。 2、前导链的合成：由DnaG（primase）在复制起始位点附近合成一个10-60 nt的RNA引物，然

17、后由DNA pol-把dNTP加到该引物上。 3、滞后链的合成：引发体合成一小段RNA引物，DNApol 合成岗崎片段，RNase消除RNA引物并由DNApol I补上这一小段DNA序列，再由DNA Ligase把两个片段相连。,连接酶(ligase)的作用是催化相邻的DNA片段以3、5磷酸二酯键相连接。连接反应中的能量来自ATP(或NAD)。连接酶先与ATP作用，以共价键相连生成E-AMP中间体。中间体即与一个DNA片段的5磷酸相连接形成E-AMP-5DNA。然后再与另一个DNA片段的3-OHH末端作用，E和AMP脱下，两个DNA片段以3-5磷酸二酯键相连接。随从链的各个DNA片段就是这样连

18、接成一条DNA长链,连接酶的催化反应,已有研究证明大肠杆菌染色体DNA具有复制终止位点，此处可以结合一种特异的蛋白分子叫做Tus，这个蛋白质可能是通过阻止解链酶(Helicase)的解链活性而终止复制的。,DNA复制的终止阶段:,（4）. DNA链的终止,链的终止过程： 当复制叉前移遇到20bp重复性终止子序列（Ter）时， TerTus复合物能阻挡复制叉的继续前移，当相反方向复制叉到达年在DNA拓扑异构酶作用下使复制叉解体，释放子链DNA。,逆时针方向复制叉,复制起始位点,顺时针方向复制叉,顺时针方向复制叉陷阱,逆时针方向复制叉陷阱,大肠杆菌DNA聚合酶特征,DNA聚合酶 DNA聚合酶 DN

19、A聚合酶 分子量 103KD 90KD 600KD 每个细胞中的分子数 400 17-100 10-20 53聚合活性 + + + 37转化率 核苷酸数酶分子分钟 600 30 30,000 53外切活性 + - - 3 5外切活性 + + + 切刻平移活性 + - - 对dNTP亲和力 低 低 高 功能 修复 不详 复制 去除引物 填补空缺,四、真核生物DNA的复制特点,1.与原核生物不同，真核生物DNA复制有许多起始点，例如酵母S.cerevisiae的17号染色体约有400个起始点，因此，虽然真核生物DNA复制的速度(60核苷酸/每秒钟)比原核生物DNA复制的速度(E.coli 1700

20、核苷酸/每秒钟)慢得多，但复制完全部基因组DNA也只要几分钟的时间。, 亚基数 4 1 2 2-3 5 分子量（KD) 250 36-38 160-300 170 256 细胞内定位 核 核 线粒体 核 核 53聚合活性 35外切活性 功能 复制引发 修复 复制 复制 复制,真核生物DNA聚合酶,五、DNA的修复,1、错配修复 Dam甲基化酶，使位于5GATC序列中腺苷酸的N6位甲基化，使母链在复制起始时很快被甲基化，作为子链修正的依据。 当子链中有错配碱基时，修复系统在母链甲基化腺苷酸的上游鸟苷酸5位置切开子链并在切口处启动修复合成子链。,2、碱基切除修复 DNA糖苷消解酶，特异性切除受损D

21、NA上的N糖苷键，从而形成去除碱基位点（去嘌呤或去嘧啶，AP位点）,3、核苷酸切除修复,核苷酸切除修复系统的作用包括DNA切割酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等的系统作用。 DNA切割酶能在已损伤的DNA核苷酸的5和3位分别切开磷酸糖苷键，产生一个小片段。,4、重组修复： 当DNA分子的损伤面积较大，还来不及修复就进行复制时，损伤部位因没有模板指引，复制出来的子链就会出现缺口，这时可利用重组过程进行修复，称为重组修复或复制后的修复。,5、DNA的直接修复: 生物体内还存在DNA损伤直接修复而并不需要切除碱基或核苷酸的机制。DNA光解酶（photolyase）能把在光下或经紫外光照射形成的环丁烷胸腺嘧啶二体及6-4光化物还原成为单体。,